Тренды - Квантовые технологии

Квантовые технологии -  это футуристические технологии, которые призваны в ближайшие десятилетия изменить нашу вычислительную, сетевую и сенсорную инфраструктуру, открывая невообразимые возможности. Квантовые вычисления используют квантовые свойства частиц, что обеспечивает гораздо большую скорость обработки информации по сравнению с классическим компьютером. В некоторых вычислительных задач квантовая технология может ускорить вычисления в геометрической прогрессии по сравнению с классическими компьютерами.

Приложения квантовых технологий

Квантовая связь. Передача закодированной квантовой информации между удаленными точками на основе оптоволоконной сети или спутников. Главной особенностью является квантово-защищенное соединение с помощью квантового шифрования.

Квантовое зондирование. Может обеспечить измерения различных физических величин с чувствительностью, которая на несколько порядков выше, чем у классических сенсоров. Приложения включают радар, микроскопию и магнитометры.

Квантовое моделирование. Моделирование квантово-механических систем, таких как молекулы, химические реакции или электроны. Используется для создания и испытания лекарств, моделирование белков.

Квантовая линейная алгебра. Алгоритмы, которые могут обеспечить экспоненциальное ускорение по сравнению с обычными алгоритмами и могут использоваться в таких задачах, как предоставление финансовых консультаций, автономное вождение, автоматическая торговля и профилактическое обслуживание.

Квантовая оптимизация. Оптимизация в реальном времени за счет сокращения времени вычислений с часов до секунд в таких задачах, как генеративный дизайн, управление трафиком и оптимизация портфеля практически во всех отраслях; современные подходы к квантовой оптимизации дают только квадратичное ускорение, которое с учетом накладных расходов на использование квантовых вычислений по сравнению с традиционными вычислениями еще не дает значительного улучшения производительности.

Квантовая факторизация. Самое раннее известное применение квантовых вычислений, эффективная квантовая факторизация для взлома шифрования RSA как основы большинства современных безопасных протоколов передачи данных. Но для достижения этого потребуется намного больше высококачественных кубитов по сравнению с тем, что имеется в настоящее время.

Квантовая (классическая) криптография. Квантовые генераторы случайных чисел (QRNG) Повышенная безопасность классических криптографических протоколов, персональные идентификационные номера, лотереи, численное моделирование.

Квантовая криптография. Протоколы квантового шифрования. Защищенная связь, обеспечиваемая конфиденциальным ключом, сгенерированным квантовым способом.

Квантовый интернет. Инфраструктура квантовой связи. Обмен квантовой информацией через континентальные или глобальные расстояния для обеспечения:
• защищенная связь на большие расстояния;
• распределенные квантовые вычисления.

Преимущества технологии

Преимущество первопроходца: организации могут начать инвестировать в сотрудников и в инфраструктуру, заранее создавать экосистемы квантовых технологий или присоединяться к таким экосистемам, готовиться к грядущим потрясениям, определяя варианты использования технологии в бизнесе, пока технология совершенствуется благодаря фундаментальным научным исследованиям.

Краткосрочные приложения: многие отрасли могут извлечь выгоду из преимуществ квантовых вычислений в краткосрочной перспективе, даже если их необходимо сочетать с традиционными высокопроизводительными вычислениями.

Риски и неопределенность

Технические проблемы: сложно управлять достаточным количеством и качеством кубитов в течение времени, необходимого для получения значимых результатов вычислений.

Экономическая эффективность: большинство вычислений, выполняемых корпоративными квантовыми компьютерами, могут быть выполнены традиционными суперкомпьютерами и при гораздо меньших затратах. Впрочем ожидается, что это изменится, как только будет достигнуто квантовое преимущество и квантовые компьютеры общего назначения займут центральное место.

Неопределенная дорожная карта: Текущие достижения в квантовых технологиях рисуют многообещающее будущее, но могут быть потенциальные препятствия для внедрения (например, нормативные, технологические, финансовые), которые пока не очевидны.

Зарождающаяся экосистема: коммерчески доступны только несколько проверенных аппаратных платформ, а и очень мало специалистов, обладающих навыками квантовых вычислений. Ситуация может измениться по мере развития технологии и расширения ее внедрения.

Темы дебатов

Квантовые технологии только зарождаются, и многие вопросы остаются без ответа; несмотря на в целом оптимистичные прогнозы, эти технологии по-прежнему имеют неопределенное будущее

1. Технологическая готовность. Будут ли квантовые технологии готовы в ближайшие 10 лет?

• Многие организации заявляют, что их квантовые компьютеры превосходят классические суперкомпьютеры, намекая на то, что в ближайшие десять лет они создадут зрелые продукты.
• Однако результаты исследований часто оспариваются, и в прошлом эксперты опровергали утверждения о квантовом превосходстве.
• Более того, квантовые компьютеры еще не заменили классические компьютеры ни в одной конкретной нише, несмотря на заявления о превосходстве, что указывает на то, что технологии еще не созрели.

2. Воздействие и нарушения. Будут ли квантовые технологии революционными?

• Организации почти в каждой отрасли уже экспериментируют с квантовыми вычислениями или проявляют интерес к ним, а квантовые коммуникации уже тестируются клиентами во многих частях мира.
• Несмотря на многолетние исследования, квантовые компьютеры все еще не влучше классических компьютеров в решении любой серьезной бизнес-задачи.
• В настоящее время лучшие квантовые подходы к оптимизации дают только квадратичное ускорение, которое явно не превосходит традиционные вычисления, если учесть дополнительные накладные расходы, связанные с квантовыми вычислениями (например, исправление ошибок).
• Ожидается, что квантовые вычисления не повлияют на большую часть вычислительной работы и будут полезны только для узкоспециализированных задач.

3. Организационная готовность. Как компании должны подготовиться к квантовым технологиям?

• Привлечение талантов станет серьезной проблемой для организаций в ближайшем будущем, поскольку компании спешат нанять немногочисленных экспертов в этой области.
• Определение эффективных вариантов использования до того, как квантовые технологии созреют, даст преимущество дальновидным организациям.
• Современные квантовые компьютеры требуют огромных инвестиций, но они обеспечивают вычислительную мощность, аналогичную мощности традиционных компьютеров.
• Поскольку стек квантовых технологий еще не созрел, компаниям может быть трудно предсказать, какая аппаратная парадигма для квантовых компьютеров будет доминировать в ближайшие 10–15 лет.

Источник. 

McKinsey Technology Trends Outlook 2022. August 2022. McKinsey analysis. 

Немного о сомнениях в квантовых технологиях

Источник: https://habr.com/ru/company/getmatch/blog/687154/

Фундаментально не ясно - какие коммерчески проблемы можно решать с помощью квантовых компьютеров. Самым известным их потенциальным применением сегодня является алгоритм Шора, позволяющий быстро разлагать большие числа на составляющие их простые числа (факторизация). С кубитами эту задачу можно решатьв миллионы раз быстрее, чем на классических компьютерах.

Таким образом, алгоритм Шора стал настоящей находкой для квантовой индустрии. Но здесь забывается одна деталь. Алгоритм Шора позволяет решать проблему факторизации, и быстро взламывать любые данные, зашифрованные алгоритмами RSA и их производными. Но существует множество других криптографических схем! Сотни из них практически неуязвимы для квантовых компьютеров. И если у кого-то появится машина, взламывающие шифры на основе алгоритма факторизации, то гораздо дешевле будет просто перейти на другой алгоритм шифрования.

Другое применение квантовых компьютеров связывалось с поиском новых химических формул и разработкой лекарств. Пока нет твердых доказательств того, что вычисления в квантовой химии можно ускорить квантовыми компьютерами. Источник - Is there evidence for exponential quantum advantage in quantum chemistry? Seunghoon Lee, Joonho Lee, Huanchen Zhai, Yu Tong, Alexander M. Dalzell, Ashutosh Kumar, Phillip Helms, Johnnie Gray, Zhi-Hao Cui, Wenyuan Liu, Michael Kastoryano, Ryan Babbush, John Preskill, David R. Reichman, Earl T. Campbell, Edward F. Valeev, Lin Lin, Garnet Kin-Lic Chan.

Проблема, согласно анализу Даса Сармы, состоит в том, что, хотя технология кажется физически возможной, но нужен соответствующий массив кубитов. Cамые сложные современные квантовые компьютеры имеют десятки кубитов, причем все они декогерентны, подвержены шуму. В то же время создание квантового компьютера, способного взламывать RSA-коды, потребует многих миллионов, если не миллиардов таких компонентов. Несколько десятков тысяч из них будут использоваться для самих вычислений — это так называемые логические кубиты. Всё остальное потребуется для поиска и исправления ошибок, то есть компенсации декогеренции. Другими словами, квантовые вычисления вполне могут появиться. Но можно ли получить с их помощью прибыль - пока большой вопрос.