Автор: Бахмат М., аналітик у галузі квантових технологій
Основи квантової механіки були закладені сто років тому, а поточний рік ООН оголосила Міжнародним роком квантової науки та технологій. І все це відбувається на тлі того, що людство як ніколи близько до перетворення квантових обчислень на реальність — подібно до того, як це вже сталося з електрикою, польотами в космос та інтернетом. Що ховається за квантовими обчисленнями? Новини 2025 року та останні досягнення в цій сфері свідчать про те, що вони дуже скоро стануть можливими і людство зможе отримати від них реальну користь.
- Як працює квантовий комп’ютер
- Що таке кубіт: ключова відмінність від традиційних обчислень
- Де квантові обчислення дають найбільшу користь
- Готовність до впровадження квантових технологій
- Виклики та обмеження квантових обчислень
- Коли квантові обчислення стануть масовими: технології та гравці
- Підсумки: суть квантових обчислень за 60 секунд
Як працює квантовий комп’ютер
Квантові обчислення — це доволі новий напрямок у комп’ютерних науках, який використовує переваги квантової механіки для ресурсоємних обчислювальних завдань. Тобто тих, які не здатні вирішувати навіть найпотужніші комп’ютери світу. Коли ми говоримо про квантові обчислення, ми також маємо на увазі використання квантового обладнання — це фізична складова процесу. А також квантові алгоритми, які використовуються в обчисленнях.
Давайте розберемося, чим квантовий комп’ютер відрізняється від звичайного і в чому його перевершує.
Що таке кубіт: ключова відмінність від традиційних обчислень
Квантові обчислення можуть стати альтернативою високопродуктивних обчислень (High Performance Computing). У традиційних комп’ютерах мінімальною одиницею інформації є біт, а в квантових — кубіт. Якщо біт приймає тільки один з двох станів (нуль або одиниця), то кубіт — безліч станів, в яких він може перебувати одночасно до того моменту, коли його стан буде виміряно. Це так звана суперпозиція, або ж основний принцип квантової механіки. І саме суперпозиція дозволяє квантовим комп’ютерам бути настільки потужними для вирішення найскладніших і ресурсоємних завдань.
Підсумовуємо:
Кубіт — це еквівалент комп’ютерного біта і найменша одиниця інформації в квантовому комп’ютері.
Суперпозиція — це здатність кубіта перебувати в безлічі позицій одночасно рівно до того часу, як його стан буде виміряно.
Як виглядає різниця між бітом (традиційні обчислення) і кубітом (квантові обчислення):
Завдяки суперпозиції квантові алгоритми обробляють інформацію в тисячі разів швидше, ніж найпотужніші комп’ютери світу. Наприклад, завдання, яке вони будуть виконувати мільйони років, квантовий комп’ютер вирішить за кілька хвилин.
Якщо ви новачок, уявіть кубіт як дзигу, яка одночасно обертається в усі боки. Тільки коли ви на неї дивитеся — вона «вибирає», куди вказує.
Також для кращого розуміння принципів квантових обчислень введемо ще два поняття: заплутаність та інтерференція.
Заплутаність — це квантове явище, при якому два і більше кубіти стають настільки пов’язаними, що починають впливати один на одного. І знаючи стан одного кубіта, ми можемо визначити стан інших, пов’язаних з ним, як би далеко вони не знаходилися один від одного.
Інтерференція — це взаємний вплив квантових станів кубітів один на одного, в результаті чого змінюється кінцева ймовірність результатів вимірювання їхнього стану.
Чому заплутаність та інтерференція так важливі для розуміння квантових обчислень? Якщо розповідати про роботу квантових комп’ютерів простими словами, то перша дозволяє передавати інформацію значно швидше, ніж у звичайних комп’ютерних системах. А інтерференція дозволяє «налаштувати» суперпозицію так, щоб підсилювати потрібні результати і пригнічувати помилкові.
Таким чином, ці базові принципи — суперпозиція, заплутаність та інтерференція — лежать в основі безпрецедентної обчислювальної потужності. Саме ця потужність дозволяє вирішувати завдання, недоступні для класичних комп’ютерів, і відкриває шлях до колосальної економічної цінності.
McKinsey оцінює потенційну економічну цінність квантових технологій в діапазоні від $0,9 трлн до $2 трлн до 2035 року в таких галузях, як хімічна промисловість, науки про життя, фінанси та мобільність. Ринок квантових обчислень, за прогнозами Fortune Business Insights, зросте з $928,8 млн до $6,5 млрд до 2030 року (середньорічний темп зростання 32,1%).
Де квантові обчислення дають найбільшу користь
Експерти впевнені: бізнесу не варто чекати ще більш стрімкого зростання, інакше він ризикує відстати від конкурентів. Це побічно підтверджують результати дослідження Deloitte: тут впевнені, що до кінця 2025 року квантові обчислення будуть додані до списку послуг провідних дата-центрів світу. Водночас невеликі та помірні проблеми, типові для малого та частково середнього бізнесу, не отримають відчутної вигоди від квантових обчислень. Але коли квантові комп’ютери зможуть вирішувати певні класи завдань швидше і ефективніше за класичні суперкомп’ютери, настане «квантова економічна перевага». Саме тоді квантові технології зможуть розкрити свій максимальний потенціал.
Давайте подивимося, де можуть з’явитися перші успішні кейси практичного застосування квантових обчислень.
Квантове машинне навчання
Квантові комп’ютери будуть більш ефективними в тих завданнях, які сьогодні вирішують за допомогою традиційного машинного навчання: обробка природної мови, аналіз великих даних, пошук закономірностей, виявлення аномалій та інші.
Фінанси та інвестиції
Квантові обчислення допомагатимуть оптимізувати великі інвестиційні портфелі та визначати ефективні стратегії управління ризиками. QAI (квантовий штучний інтелект) може аналізувати ринкові дані на гранулярному рівні та враховувати незліченні змінні одночасно, надаючи інвесторам значну перевагу та можливість прогнозувати ринкові тенденції з високим ступенем точності. При цьому квантові алгоритми будуть моделювати поведінку фінансових ринків з урахуванням величезної кількості змінних і сценаріїв, недоступних для класичних комп’ютерних систем.
Медицина і фармацевтика
Використання високопродуктивних обчислювальних систем дозволяє значно прискорити розробку нових ліків. Квантовий ШІ може значно прискорити процес ідентифікації нових молекул для потенційних терапевтичних засобів і моделювати складні хімічні реакції з безпрецедентною точністю. Наприклад, у 2024 році дослідники використовували гібридну квантово-класичну модель, щоб розробити молекули, що блокують онкологічно значущий білок KRAS.
Логістика
Тут ця технологія допомагає оптимізувати маршрути доставки, управляти запасами і прогнозувати попит. Особлива увага приділяється оптимізації ланцюжків поставок і виробничих процесів. Свою ефективність у побудові маршрутів вже довели квантові алгоритми Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) і Variational Quantum Eigensolver (VQE). А серед тих, хто досліджує потенціал квантових обчислень у своїй роботі, — компанії DHL і Volkswagen.
Ключові інсайти щодо застосування квантових обчислень
- Квантове машинне навчання: прискорює обробку великих даних і аналіз закономірностей.
- Фінанси: оптимізація інвестиційних портфелів і ризик-менеджмент.
- Медицина: революція в розробці ліків і моделюванні молекул.
- Логістика: підвищення ефективності маршрутів і управління запасами.
Кому варто почати вивчати квантові обчислення вже зараз — розробникам, інвесторам і IT-директорам, які шукають конкурентну перевагу.
Готовність до впровадження квантових технологій — новини 2025 року
Кількість подібних сценаріїв, де квантові обчислення можуть бути корисними, постійно збільшується. Наприклад, Mercedes-Benz вже робить ставку на квантові технології у створенні автомобілів майбутнього, заручившись підтримкою IBM. У той же час, Національний інститут стандартів і технологій США (NIST) активно розробляє квантово-стійку криптографію (PQC), а британський телеком-оператор British Telecom разом з Arqit Quantum і Fortinet працюють над створенням квантово-захищеного VPN.
Ці заходи вкрай необхідні, тому що алгоритми загальнодоступної криптографії, такі як RSA і Diffie-Hellman, знаходяться під загрозою. Зловмисники вже збирають зашифровані дані для подальшого дешифрування, коли з’являться потужні квантові комп’ютери. Саме тому уряди та великі корпорації по всьому світу почали масштабну підготовку до переходу на квантово-стійку криптографію для збереження цілісності цифрової довіри.
У цьому процесі IBM відіграє провідну роль, розробивши та зробивши внесок у три з чотирьох стандартів NIST для постквантової криптографії. Однак, незважаючи на наявність рішень, більшість компаній не готові до переходу. Згідно з Індексом готовності до квантової безпеки IBM, організації в середньому набирають лише 21 бал зі 100, що свідчить про необхідність термінових дій.
Також важливо пам’ятати, що квантові обчислення не можуть повністю замінити традиційні, і в цьому немає сенсу. Вони ідеально підходять для вимогливих до ресурсів сценаріїв, характерних для перерахованих вище галузей.
Виклики та обмеження квантового ШІ
Незважаючи на вражаючі перспективи, квантові обчислення стикаються з серйозними викликами. Головна проблема — крихкість кубітів, які надзвичайно чутливі до шуму, тепла та будь-яких зовнішніх впливів, що призводить до помилок і декогеренції. Вимірювання стану кубіта також викликає його колапс, ускладнюючи процес обчислень. Крім того, поки що відчувається брак зрілих квантових алгоритмів, здатних використовувати весь потенціал технології. До того ж, висока вартість і необхідність у складному спеціалізованому обладнанні (наприклад, кріогенні системи) залишаються серйозним бар’єром. З цієї причини, незважаючи на досягнення, широке впровадження, в тому числі для великомасштабних моделей квантового ШІ, може зайняти ще 15-20 років.
Коли квантові обчислення стануть масовими: технології та гравці
Людство сильно наблизилося до того, щоб вирішувати складні завдання за допомогою квантових обчислень.
Amazon Web Services
В AWS вже пропонують повністю керований сервіс квантових обчислень Amazon Braket. Він орієнтований в першу чергу на вчених, дослідників і R&D-лабораторії, які можуть експериментувати з різними типами квантових пристроїв, порівнювати результати роботи різних алгоритмів, тестувати гібридні (на стику класичних і квантових) рішення.
Компанія ще кілька років тому розробила власний квантовий чіп Sycamore, і нещодавно команді дослідників Google Research вдалося підтвердити, що він перевершує за продуктивністю класичні потужні комп’ютери.
Останні інновації Google Quantum AI пов’язані з чіпом нового покоління Willow. Він став великим кроком на шляху до створення квантового суперкомп’ютера, здатного виконувати складні обчислення з корекцією помилок. Його особливість у тому, що він експоненціально скорочує помилки в міру масштабування, а це критично важливо для створення надійних квантових систем. По суті, Willow — це перший прототип масштабованого логічного кубіта, що працює нижче порогового значення, що робить його ключовим елементом для квантових обчислень з корекцією помилок.
Нещодавно чіп Willow виконав стандартний тест Random Circuit Sampling (RCS) менш ніж за п’ять хвилин, тоді як у найшвидшого класичного суперкомп’ютера на це пішло б приблизно 10 септиліонів (10^25) років. Це досягнення показує, що корисні, дуже великі квантові комп’ютери дійсно можуть бути побудовані і прокладає шлях до нових відкриттів, а також практичного застосування квантових технологій.
IBM
Компанія зараз працює над створенням великомасштабного відмовостійкого квантового комп’ютера IBM Quantum Starling і планує представити його до 2029 року. Очікується, що квантовий комп’ютер отримає програмне забезпечення Qiskit, яке дозволить досліджувати, демонструвати і масштабувати переваги квантових обчислень. Обчислювальна потужність буде заснована на 100 мільйонах квантових вентилів (базових елементах квантового комп’ютера) на 200 логічних кубітах.
Основою для поточних квантових систем IBM, таких як Quantum System Two, став чіп Heron. Вже доступна його остання версія Heron 2, який представляє собою 156-кубітний процесор. Він забезпечив як мінімум п’ятикратне скорочення помилок у порівнянні з попередніми чіпами IBM і довів здатність виконувати складні квантові схеми з 5000+ двокубітними операціями.
Освітні ініціативи IBM, що охопили понад 5,4 млн учнів, відіграють ключову роль у підготовці кваліфікованих кадрів для квантового напрямку. Розроблені експертами IBM програми допомагають усунути зростаючий дефіцит фахівців і створюють основу для майбутніх інновацій у квантових обчисленнях.
Microsoft
Тут, у свою чергу, працюють над створенням чіпа Majorana 1, який, за словами представників Microsoft, є першим у світі топопровідником. Він працює на новій архітектурі Topological Core, що відкриває шлях до розміщення мільйона кубітів на одному чіпі розміром з долоню. Головна перевага Majorana 1 — це надійність, закладена в саму його конструкцію, оскільки він включає відмовостійкість на апаратному рівні і підтримує цифрове управління кубітами.
Ця проривна технологія дозволить вирішувати завдання, які сьогодні здаються нездійсненними. Наприклад, створювати самовідновлювані матеріали, розщеплювати мікропластик на нешкідливі компоненти або точно підраховувати поведінку ферментів у процесі розробки нових ліків.
Pasqal
Компанія Pasqal виділяється унікальним підходом, заснованим на нейтральних атомах. Ця технологія дозволяє створювати системи зі 100 і більше кубітами, що працюють при більш високих температурах, ніж надпровідні кубіти. Це спрощує конструкцію і робить кубіти більш масштабованими.
В рамках своєї стратегії Pasqal зосередилася на концепції «Трійці» для вирішення складних завдань, об’єднуючи квантові обчислення, високопродуктивні класичні обчислення (HPC) і штучний інтелект (ШІ). Тут квантові обчислення надають обчислювальні потужності для спеціалізованих завдань, HPC обробляє великі дані від квантових систем, а ШІ оптимізує квантові розрахунки і відповідає за аналіз даних. Останнє підкреслює взаємозв’язок «не тільки квант для ШІ, але і ШІ для кванта» — це не просто дві окремі технології, а потужний симбіоз, де кожна технологія підсилює іншу.
Chief Operating Officer Colobridge, Андрій Михайленко:
«Коли квантові обчислення в Україні стануть реальністю? На це немає відповіді. Але розвиток квантових обчислень однозначно стимулює інтерес до будівництва нових дата-центрів або розширення послуг у вже існуючих — хоча б тому, що абсолютна більшість компаній навіть з Fortune Global 500 не зможе створити або придбати власний квантовий комп’ютер. А це означає, що скоро ми побачимо, як у продуктових портфелях дата-центрів і постачальників хмарних послуг з’являться квантові сервіси.
Найбільший в ЄС оператор Equinix (за даними рейтингу Сloudscene), в одному з ДЦ знаходиться частина обчислювальних потужностей Colobridge, вже пропонує квантові обчислення за сервісною моделлю (quantum compute-as-a-service, QCaaS). Чому це вигідно: навіть якщо якась компанія зможе знайти ресурси на розробку або покупку, а в подальшому утримання квантового комп’ютера, вона буде прив’язана тільки до одного типу обчислень, на які той здатний. І навпаки, «квантові обчислення як сервіс» забезпечать гнучкість, оскільки дозволять використовувати різні IT-рішення під конкретні завдання бізнесу».
Підсумки: суть квантових обчислень за 60 секунд
- Одиниця інформації — кубіти, які знаходяться в суперпозиції
- Забезпечують експоненціальне прискорення завдань
- Ідеальні для ML, фармацевтики, фінансів і логістики
- Доступні як сервіс (QCaaS) у провідних дата-центрах
- Масове поширення — до 2026–2030
Дізнайтеся більше про обчислювальні можливості технологічної платформи Colobridge. Розкажіть про ваші бізнес-завдання та вимоги, а наші фахівці запропонують вам оптимальне за продуктивністю, безпекою та гнучкістю IT-рішення.
