Квантовые вычисления

Понимание квантовых вычислений, их потенциала, тенденций в 2021 году и их приложений

Квантовые вычисления обладают революционным потенциалом. После резкого роста в последние годы он получает значительные инвестиции от правительства и бизнеса. Как технически подкованный бизнесмен, вы можете понять, что квантовые компьютеры могут использовать необычные свойства материи на наноскопическом уровне для выполнения сложных вычислений за пределами существующих компьютеров. Но поскольку заявления о силе и ловушках квантовых вычислений растут как грибы, нам нужно отличать миф от реальности, если мы хотим использовать квантовые вычисления для бизнес-приложений.

В этом блоге вы познакомитесь с квантовыми вычислениями, а затем с их экономическим обоснованием. Наконец, мы коснемся его приложений (подробный блог о его приложениях будет следовать) и того, чего ожидать в отношении достижений в этой области.

Квантовые вычисления (КК) могут стать способом оживить скорость прогресса в возможностях, которыми обладают компьютеры. Компании уже сегодня экспериментируют с реальными QC, чтобы обеспечить себе конкурентное преимущество в будущем. QC представляет собой смену парадигмы, при которой QC будут работать в унисон с традиционными компьютерами. Они не заменят классические компьютеры, а станут частью расширенной вычислительной парадигмы. Этот сдвиг фокусируется на том факте, что QC предназначены только для решения отдельных задач, в отличие от классических компьютеров. Кроме того, квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи лучше, быстрее и эффективнее, чем классические компьютеры.

Несколько участников работают в академических кругах, промышленности и правительстве, чтобы сделать КК массовым явлением. Германия, например, тратит 2 миллиарда евро на ускорение квантовых разработок в стране [1, 2].

С 2016 года IBM сделала квантовые компьютеры общедоступными через веб-сайт [3] с графическим интерфейсом, который удобен для ученых всего мира, чтобы проводить свои эксперименты с использованием таких порталов. Ученые изучают подходы к проблемам, связанным с химией, оптимизацией и машинным обучением, выясняя, какие вопросы они могут задавать и как они будут формулировать эти вопросы, когда технология будет развиваться дальше.

Биологические системы необычайно сложны. Вот почему очень сложно и требует много времени для их моделирования и имитации. Обычные компьютеры считают трудным, если не невозможным, предсказывать биологические фрагменты и биохимические взаимодействия. Из-за этого биомедицинские исследования на ранней стадии должны проводиться химическим путем и в лабораториях, надеясь на воспроизводимые ситуации между экспериментами. Это приводит к тому, что процесс открытия и тестирования лекарств занимает много времени, что является важной областью биомедицинских инноваций. Используя квантовые компьютеры, моделирование этих биологических систем возможно и легко выполнимо даже на доступных в настоящее время шумных квантовых компьютерах.

Вычислительные парадигмы

Многие отрасли и академические области, такие как исследования окружающей среды, химия, машинное обучение, финансовые услуги и банковское дело, сегодня начали изучать квантовые вычисления, делая экологические прогнозы, оптимизируя энергетические сети. , прорывы в технологиях улавливания углерода и машинное обучение. Технологические гиганты и стартапы усердно работают над развитием и улучшением квантовых вычислений, но их широкое распространение еще не стало реальностью. В результате могут пройти годы, возможно, даже десятилетия, и гораздо больше вычислительной мощности, прежде чем мы увидим истинную способность квантовых вычислений решать проблемы.

Кажется, сейчас подходящий момент для руководителей предприятий подготовиться к грядущей квантовой эре. Созданы системы для экспериментов и расширения этой фундаментально новой технологии, и компании, которые стремятся быть в авангарде этого трансформационного сдвига, получат конкурентное преимущество.

Закон Мура и возможность контроля качества

Значение КК одновременно и занижено, и сильно преувеличено. Не ожидается, что КК заменят обычные компьютеры. Тем не менее, он предлагает новую вычислительную парадигму. QC могут работать в унисон с существующей традиционной вычислительной инфраструктурой для решения сложных проблем, которые ранее считались непрактичными или невозможными. Например, сложность разложения больших чисел на их простые числа лежит в основе современной криптографии. Учитывая размер чисел, используемых в схемах шифрования с открытым и закрытым ключами, квантовому компьютеру потребуется всего несколько минут по сравнению с триллионами лет на обычном компьютере.

Поскольку мы стремимся решать более сложные проблемы, новые технологии, такие как контроль качества, становятся все более актуальными и эффективными. Получение большей мощности от обычных компьютеров за фиксированное количество места, времени и ресурсов стало более сложной задачей, и мы приближаемся к пределу закона Мура. [3] КК мог бы стать способом возродить скорость прогресса, к которой мы привыкли на традиционных компьютерах.

Предположим, мы можем успешно использовать квантовые вычисления для решения проблем, которые сегодня не могут быть адекватно решены с помощью классических компьютеров. В этом случае это может дать нам экспоненциальное увеличение вычислительной мощности, которое мы не можем получить с помощью традиционных конструкций чипов. QC может эффективно решать NP-полные задачи, поскольку он обеспечивает экспоненциальное ускорение, а квантовые алгоритмы, такие как алгоритм Шора для факторизации, используют структуру задач способом, который выходит далеко за рамки наших современных методов.

На протяжении десятилетий вычислительная мощность непрерывно росла, следуя тенденции закона Мура. Как видно из [3], закон Мура достигает своего предела, поскольку возможность упаковывать все больше и больше транзисторов во все меньшее и меньшее пространство не безгранична. В какой-то момент мы достигнем атомных размеров, и на этом наш подход закончится. Хотя мы еще не достигли конца нашего нынешнего подхода к вычислительной мощности, закон Мура приближается к насыщению.

Текущие и будущие воздействия

1. Квантовые вычисления могут довести наши знания о природе и химии до невиданной ранее детализации потому что вычисления на традиционных компьютерах слишком сложны.

QC может быть способом оживить скорость прогресса в области вычислительных возможностей.
Контроль качества может помочь нам лучше понять природу и химию до уровня, который раньше был недостижим.
Компании уже сегодня экспериментируют с реальными QC, чтобы подготовиться к конкурентному преимуществу в будущем.

Мы могли бы ожидать, что эти инновации приведут к еще большему развитию квантовых вычислений на этом пути.

Если мы заглянем в будущее компаний, которые стремятся трансформировать свой бизнес за счет улучшения клиентского опыта, я уверен, мы увидим, что они будут стремиться к достижениям в области квантовых вычислений. Эти достижения потенциально будут включать в себя, среди прочего, такие вещи, как маршрутизация транспортных средств, планирование движения роботов и, возможно, оптимизация портфеля. Эти улучшения могут стать настолько распространенными, что почти каждый человек на планете будет ежедневно взаимодействовать с некоторыми из этих возможностей.

Квантовые вычисления достигли беспрецедентного прогресса, во многом благодаря IBM и другим компаниям. Партнерства, такие как Splunk and Quantum Computing Inc [4], Honeywell и Microsoft [5] и AWS и IonQ [6], стимулируют непрерывный рост в этой области. Например, квантовые вычисления были на пике популярности. в авангарде пандемических усилий по борьбе с распространением болезни и разработке терапевтических средств и возможных вакцин [7, 8]. Скорее всего, мы увидим больше вариантов использования в других отраслях, поскольку люди осознают мощь, которую могут предложить квантовые вычисления. Контроль качества позволяет легко запрашивать, контролировать, анализировать данные в любом масштабе, из любого источника и в любое время, а также действовать с ними. В целом, однако, у него еще есть время, прежде чем он получит широкое распространение.

2. В ближайшие несколько лет влияние квантовых вычислений будет огромным.

Квантовые вычисления способны помочь бизнес-лидерам добиваться больших успехов в отношении целевой аудитории, анализируя идеи и максимизируя свои усилия. Умные технологии и автоматизация помогут компаниям лучше понимать и обрабатывать данные клиентов, но они не заменят отделы маркетинга и коммуникаций. Все, кто работает на пользовательской стороне предприятия, — специалисты по цифровому маркетингу, команды по коммуникациям, дизайнеры пользовательского опыта — получат возможность проявить больше творчества и стратегии. Если вчера мы говорили об IoT, облачных вычислениях и анализе данных, которые все еще прочно занимают свое место в технологическом ландшафте, то сегодня мы также рассматриваем ИИ, сети следующего поколения (5G, 6G) и, конечно, квантовые вычисления.

Квантовые тенденции в 2021 году

Отмечается, что четыре основные квантовые тенденции могут ускориться до конца 2021 года. Они заключаются в следующем:

1. Быстрый темп перехода от классических алгоритмов к квантовым и эволюция новых квантовых алгоритмов

Создание репозиториев квантовых алгоритмов, начиная с таких небольших задач, как сортировка, и заканчивая более сложными задачами, такими как глубокое обучение, станет ключевым направлением деятельности квантовых исследователей в ближайшем будущем. Большинство этих идей, которые все еще находятся в исследовательских работах, выйдут из стадии концепции и попадут в программные библиотеки и пакеты. Все больше и больше новых квантовых алгоритмов увидят свет, и они будут придумываться, обсуждаться и дорабатываться постепенно.

Хотя мы говорим, что теоретически квантовые компьютеры лучше и могут выполнять все те же функции, что и классические компьютеры, это не всегда так. Например, умножение больших чисел, выполняемое с помощью классического алгоритма, теряет информацию во время вычислений, тогда как квантовые компьютеры не могут терять информацию. Таким образом, необходимо было внедрить новый квантовый метод умножения, не связанный с потерей информации. Также было замечено, что, хотя квантовые вычисления быстро развиваются, квантовые алгоритмы относительно неподвижны. Теперь ученые доказали, что это можно улучшить. Подобно быстрому преобразованию Фурье, существует преобразование Кравчука [10], которое можно разработать для квантовых алгоритмов. Я считаю, что это приведет к квантовым алгоритмам для обработки рукописного текста, печатного текста, языка жестов, жестов и лиц.

Квантовые алгоритмы не обязательно похожи по своему подходу на классические алгоритмы, и, таким образом, будет вновь уделяться внимание новым алгоритмам и подходам к преобразованию существующих классических алгоритмов в квантовые алгоритмы. Оба они будут рассматривать, какие квантовые свойства использовать, чтобы они работали точно, и использовать свою вычислительную мощность.

2. Повышение производительности и оптимизация квантового шума

Использование развивающихся алгоритмов для решения сложных реальных задач означает, что квантовый процесс требует большего количества кубитов и низкого уровня ошибок. Для процессоров со многими кубитами рынок в настоящее время является свидетелем эры устройств NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum). Однако эти квантовые компьютеры не являются отказоустойчивыми и не способны решать задачи, представляющие практический интерес, в больших масштабах.

Полностью отказоустойчивая система может быть достигнута с помощью квантовой коррекции ошибок (QEC) путем защиты квантовой информации от шума. Поскольку в настоящее время для QEC требуются тысячи кубитов и операций обработки, а в настоящее время у систем NISQ недостаточно ресурсов для реализации QTC, создание отказоустойчивых систем пока не представляется возможным. Это означает, что текущие исследования для QEC направлены на уменьшение количества необходимых кубитов. Тем временем ученые разрабатывают инновационные методы для смягчения последствий шума в квантовом компьютере, такие как Экстраполяция с нулевым шумом и Динамическое развязывание*.

В методе Zero Noise Extrapolation результат вычисления может быть оценен до идеального состояния, в котором шум отсутствует, путем экстраполяции вычислений программы, которые повторяются несколько раз с различными уровнями шума. Техника динамической развязки направлена на сокращение времени декогеренции за счет манипулирования повторяющейся последовательностью импульсов для защиты кубитов от окружающего шума.

Поскольку уменьшение и исправление ошибок являются важной частью квантовых вычислений, можно ожидать значительного прогресса в разработке квантовых алгоритмов с эффективными методами подавления шума.

3. Увеличение числа промышленных вариантов использования, подходящих для квантовых вычислений

Рынок квантовых вычислений быстро растет в различных отраслях и регионах. Основываясь на основных предпосылках и основных преимуществах квантовой технологии, исследователи определили ряд приложений, которые выиграют от обработки больших объемов данных, таких как ответ в реальном времени, и другие приложения, которые в настоящее время требуют высокой вычислительной мощности.

Квантовые вычисления принесут радикальные изменения во многие отрасли, включая финансы и банковское дело, производство, гостиничный бизнес, здравоохранение, средства массовой информации и технологии, и будут адаптированы к новым появляющимся технологиям, таким как искусственный интеллект, машинное обучение и блокчейн. Будут многочисленные потенциальные разработки в области открытия лекарств, разработки продуктов и оптимизации процессов, в то время как в финансах квантовые вычисления, возможно, приведут к снижению кредитного риска, высокочастотному обучению и обнаружению мошенничества. Квантовая криптография или алгоритмы квантового шифрования произведут революцию в кибербезопасности. Эти достижения дадут ранним последователям серьезные преимущества в бизнесе.

Учитывая эти приложения, описанные выше, будет несколько отраслей и областей, на которые квантовые технологии не повлияют. Организации увидят более широкое использование этой новой парадигмы вычислений, применяя гибридный подход к решению реальных задач. Это приведет к появлению новых способов решения существующих бизнес-проблем и новых возможностей, которые до сих пор были немыслимы в различных областях цепочки создания стоимости.

4. Корпоративное внедрение квантовых вычислений

Масштабное внедрение квантовых вычислений — еще одна область, за которой мы должны следить. Хотя это может показаться отдаленной реальностью, усилия и работа в течение следующих одного-двух лет определят скорость, с которой отрасль сможет начать разработку стратегии, создание и развертывание квантовых приложений. Исследования в области хранения, интеграции, развертывания и безопасности квантовых приложений проложат путь к масштабному внедрению, казалось бы, далекой квантовой технологии.

Развитие квантовых компьютеров будет происходить быстрее благодаря известному пути развития классического компьютера. Внедрение классических алгоритмов в квантовые алгоритмы для вычислительных преимуществ все еще происходит в прежние дни и остается непрерывным процессом. Основное внимание будет уделено разработке квантовой оперативной памяти для решения проблем хранения и разработке интегрированных (классических и квантовых) и удобных для пользователя платформ, подобных облачным сервисам.

Вывод

Спрос на продукты и платформы, поддерживающие различные алгоритмы, платформы и оборудование с унифицированным опытом разработки и развертывания для разработчиков и архитекторов, начнет набирать обороты по мере того, как мы продвигаемся вперед благодаря постоянным исследованиям и инновациям в области квантовых технологий. Мы видели некоторые первоначальные попытки в этой области в 2019–2020 годах, и они получат дальнейший импульс в 2021 году. Однако другие важные компоненты любых программных приложений, такие как интеграция и безопасность, еще не получили поддержки со стороны инвесторов и научных кругов. Мир. Это та область, где мы должны следить за будущими событиями.