Kas yra kvantinis skaičiavimas?

Netrukus kvantiniai kompiuteriai gali pakeisti pasaulį.

Kvantinis skaičiavimas yra informacijos, kurią vaizduoja specialios kvantinės būsenos, apdorojimas. Išnaudodamos tokius kvantinius reiškinius kaip „superpozicija“ ir „susipynimas“, šios mašinos informaciją tvarko iš esmės kitaip nei „klasikiniai“ kompiuteriai, pavyzdžiui, išmanieji telefonai, nešiojamieji kompiuteriai ar net galingiausi šių dienų superkompiuteriai.

Kodėl kvantinis skaičiavimas yra svarbus?

Mokslininkai jau seniai prognozavo, kad kvantiniai kompiuteriai galėtų išspręsti tam tikros rūšies problemas, ypač tas, kurios susijusios su bauginančiu kintamųjų skaičiumi ir galimais rezultatais, tokiais kaip modeliavimas ar optimizavimo klausimai, daug greičiau nei bet kuris klasikinis kompiuteris.

Bet dabar mes pradedame matyti užuominas, kad šis potencialas tampa realybe.

2019 m. „Google“ teigė, kad vos per kelias minutes kvantiniame kompiuteryje atliko skaičiavimą, kurį atlikti klasikinis kompiuteris užtruks 10 000 metų. Praėjus kiek daugiau nei metams, Kinijoje įsikūrusi komanda žengė šį žingsnį toliau teigdama, kad per 200 sekundžių atliko skaičiavimą, kuriam prireiks įprasto 2,5B metų kompiuterio – 100 trilijoną kartų greičiau.

„Panašu, kad nieko nevyksta, nieko nevyksta, o tada kas, staiga atsidursi kitame pasaulyje“. – Hartmutas Nevenas, „Google Quantum“ dirbtinio intelekto laboratorijos direktorius

Nors šiose demonstracijose nėra praktinio naudojimo atvejų, jie nurodo, kaip kvantiniai kompiuteriai gali dramatiškai pakeisti požiūrį į realaus pasaulio problemas, tokias kaip finansinio portfelio valdymas, vaistų atradimas, logistika ir daug daugiau.

Kvantinis skaičiavimas skatina nesuskaičiuojamų pramonės šakų sutrikdymą ir greitus pranešimus apie naujus pasiekimus, pritraukdamas vis daugiau žaidėjų, įskaitant didelių technologijų, startuolių, vyriausybių ir žiniasklaidos, dėmesį.

Šiame paaiškinime mes pasineriame į tai, kaip veikia kvantiniai skaičiavimai, finansavimo tendencijos erdvėje, žaidėjai, kuriuos reikia stebėti, ir technologijų taikymas pagrindinėse pramonės šakose.

TURINYS:

• Kvantinių skaičiavimų pakilimas

• • • Skaičiavimas viršija Moore’o dėsnį
    • Kas yra kubitas?
    • Kvantinių kompiuterių tipai

• Kvantinis skaičiavimo kraštovaizdis

• • • Pasiūlymų startuoliams daugėja
    • Korporacijos ir didelės technologijų kompanijos seka paskui kvantinį skaičiavimą

• Kvantinio skaičiavimo panaudojimas įvairiose pramonės šakose

• • • Sveikatos apsauga
    • Finansai
    • Kibernetinė sauga
    • „Blockchain“ ir kriptovaliutos
    • Dirbtinis intelektas
    • Logistika
    • Gamybos ir pramoninis dizainas
    • Žemdirbystė
    • Nacionalinė apsauga

• Kvantinio skaičiavimo perspektyva

Kvantinių skaičiavimų pakilimas

Skaičiavimas viršija Moore’o dėsnį

1965 m. Vienas iš „Intel“ įkūrėjų Gordonas Moore’as pastebėjo, kad nuo jų išradimo kiekvienos mikroschemos kvadratinio colio tranzistorių skaičius padvigubėjo kasmet, o išlaidos sumažėjo perpus. Šis pastebėjimas yra žinomas kaip Moore’o įstatymas. (Žiūrėti daugiau įstatymai, kurie šioje ataskaitoje numatė sėkmę technologijų srityje).

Moore’o įstatymas yra reikšmingas, nes jis numato, kad laikui bėgant kompiuteriai tampa mažesni ir greitesni. Bet dabar tai lėtėja – kai kurie sako, kad sustabdyti.

Daugiau nei 50 metų lustų naujovės leido tranzistoriams vis mažėti. Pavyzdžiui, naujausi „Apple“ kompiuteriai veikia su mikroschemomis su 5 nm tranzistoriais – maždaug 16 deguonies molekulių, išdėstytų greta, dydžiu. Tačiau kai tranzistoriai pradeda trukdyti fiziniams apribojimams, „Intel“ ir kiti mikroschemų gamintojai pranešė, kad tranzistorių skaičiavimų patobulinimai gali artėti prie sienos.

Netrukus turėsime rasti kitokį informacijos apdorojimo būdą, jei norime ir toliau pasinaudoti greito skaičiavimo pajėgumų augimo pranašumais.

Įveskite kubitus.

Kas yra kubitas?

Klasikiniame skaičiavime naudojamos bitų kvantinės versijos „Qubits“ yra pagrindiniai informacijos vienetai kvantiniame kompiuteryje.

Jie naudoja kvantinį mechaninį reiškinį, vadinamą „superpozicija“, kai kai kurios dalelės savybės, pavyzdžiui, fotono poliarizacijos kampas, nėra tiksliai apibrėžtos, kol jos iš tikrųjų nėra išmatuotos. Pagal šį scenarijų kiekvienas galimas šių kvantinių savybių stebėjimo būdas turi susijusią tikimybę. Šis efektas yra šiek tiek panašus į monetos vartymą. Moneta neabejotinai yra galva ar uodega, kai ji nusileidžia, tačiau būdama ore ji taip pat gali būti.

Prieš atlikdami matavimą, kad gautumėte galutinį atsakymą, kvantiniai kompiuteriai atlieka skaičiavimus manipuliuodami kubitais taip, kad paveiktų šias uždėtas tikimybes. Vengdami matavimų, kol reikės atsakyti, kubitai tuo pačiu metu gali parodyti abi dvejetainės informacijos dalis, žymimas „0“ ir „1“, atliekant faktinį skaičiavimą. Monetų vartymo analogijoje tai panašu į įtaką monetos žemyn nukreipimui, kol ji yra ore – kai ji vis dar turi galimybę būti galva ar uodega.

Vienu kubitu negalima daug nuveikti, tačiau kvantinė mechanika turi dar vieną triuką. Atliekant subtilų procesą, vadinamą „įsipainiojimu“, galima nustatyti kubitus taip, kad jų individualią tikimybę paveiktų kiti sistemos kubitai. Kvantinis kompiuteris su 2 susipynusiais kubitais yra šiek tiek panašus į to, kad mėtyti 2 monetas tuo pačiu metu, o ore jie gali būti vaizduojami visi galimi galvų ir uodegų deriniai.

Kuo daugiau kubitų susipina, tuo daugiau informacijos derinių, kuriuos vienu metu galima pateikti. Mėtant 2 monetas siūlomi 4 skirtingi galvų ir uodegų deriniai (HH, HT, TH ir TT), tačiau mėtant 3 monetas galima pasirinkti 8 skirtingus derinius (HHH, HHT, HTT, HTH, THT, THH, TTH ir TTT).

Štai kodėl kvantiniai kompiuteriai ilgainiui gali tapti daug pajėgesni nei klasikiniai – kiekvienas papildomas kubitas padvigubina kvantinio kompiuterio galią.

Bent jau tokia teorija. Praktiškai įsipainiojusių kubitų savybės yra tokios subtilios, kad sunku juos išlaikyti pakankamai ilgai, kad būtų galima juos panaudoti. Kvantinių kompiuterių gamintojai taip pat susiduria su daugybe inžinerinių iššūkių, tokių kaip didelių klaidų lygio taisymas ir neįtikėtinai šaltos kompiuterių sistemos palaikymas, kurie gali žymiai sumažinti našumą.

Vis dėlto daugelis kompanijų siekia, kad galingi kvantiniai kompiuteriai taptų realybe.

Kvantiniai kompiuteriai greitai tampa vis galingesni

2019 m. „Google“ panaudojo 53 kvitų kvantinę mikroschemą, kad konkuruotų su klasikiniais kompiuteriais, spręsdama specialiai pasirinktą matematinę problemą – pirmąjį vadinamosios „kvantinės viršenybės“, palyginti su klasikiniais kompiuteriais, pavyzdį. IBM siekia pagaminti 1 000 kubitų mašiną iki 2023 m. Tuo tarpu „Microsoft“ remiamas „PsiQuantum“, geriausiai finansuojamas startuolis kosmose, tvirtina, kad per 1 „kelerius metus“ sukurs 1 M kvitinį kvantinį kompiuterį.

Šį spartėjantį tempą kai kurie apibūdina kaip kvantinės Moore’o įstatymo versijos pradžią, kuri galiausiai gali atspindėti dvigubai eksponentinis skaičiavimo galios padidėjimas.

Tai galima pasiekti iš eksponentinio galios padidėjimo, pridedant vieną kubitą prie mašinos kartu su eksponentiniu pridedamų kubitų skaičiaus padidėjimu. Hartmutas Nevenas, „Google Quantum“ dirbtinio intelekto laboratorijos direktorius, apibendrino stulbinantį pokyčių greitį: „Atrodo, kad nieko nevyksta, nieko nevyksta, o tada kas, staiga tu atsiduri kitame pasaulyje“.

Kvantinių kompiuterių tipai

Daugumoje kvantinių kompiuterių diskusijų netiesiogiai kalbama apie vadinamąjį „universalųjį kvantinį kompiuterį“. Šios mašinos naudoja kubitus ir kvantinės logikos vartus – panašius į loginius vartus, kurie manipuliuoja informacija, naudojama šiuolaikiniuose klasikiniuose kompiuteriuose, atliekant įvairiausius skaičiavimus.

Tačiau kai kurie žaidėjai, įskaitant „D-Wave“, sukūrė kvantinio kompiuterio tipą, vadinamą „kvantiniu atkaitintuvu“. Šios mašinos šiuo metu gali apdoroti daug daugiau kubitų nei universalūs kvantiniai kompiuteriai, tačiau jie nenaudoja kvantinės logikos vartų ir dažniausiai apsiriboja optimizavimo problemų sprendimu, pvz., Trumpiausio pristatymo maršruto radimu ar geriausiu išteklių paskirstymu.

Kas yra universalus kvantinis kompiuteris?

Universaliais kvantiniais kompiuteriais galima išspręsti įvairiausias problemas. Jie gali būti užprogramuoti vykdyti kvantinius algoritmus, kurie pasitelkdami specialias kvitų savybes paspartina skaičiavimus.

Daugelį metų mokslininkai kūrė algoritmus, kurie yra įmanomi tik universaliame kvantiniame kompiuteryje. Labiausiai žinomi algoritmai yra „Shor“ algoritmas, skirtas dideliam skaičiui faktoringo (kuris gali būti naudojamas pertraukiant dažniausiai naudojamas šifravimo formas), ir „Grover“ algoritmas, skirtas greitai ieškoti per didžiulius duomenų rinkinius.

Nuolat kuriami nauji kvantiniai algoritmai, kurie galėtų dar labiau išplėsti kvantinių kompiuterių naudojimo atvejus – potencialiai tokiais būdais, kuriuos šiuo metu sunku numatyti.

Kas yra kvantinis atkaitintuvas?

Kvantinis atkaitinimas puikiai tinka optimizavimo problemoms spręsti. Kitaip tariant, metodas gali greitai rasti efektyviausią konfigūraciją tarp daugelio galimų kintamųjų derinių.

„D-Wave“ siūlo komerciškai prieinamą kvantinį atgręžtuvą, kuris naudoja kvitų savybes, kad rastų mažiausią sistemos energijos būseną, o tai atitinka optimalų konkrečios problemos sprendimą, kuris buvo susietas su šia sistema.

Šaltinis: „D-Wave“

Pažymėtina, kad klasikiniams kompiuteriams sunku išspręsti optimizavimo problemas dėl didžiulio kintamųjų skaičiaus ir galimų jų derinių. Tačiau kvantiniai kompiuteriai yra tinkami tokio tipo užduotims atlikti, nes vienu metu gali būti perkeltos skirtingos parinktys.

Pavyzdžiui, „D-Wave“ teigia, kad „Volkswagen“ naudojo savo kvantinį atkaitintuvą, kad dažų parduotuvės taptų efektyvesnės, nes sugalvojo, kaip sumažinti spalvų perjungimą savo gamybos linijoje daugiau nei 5 kartus. Tuo tarpu kanadiečių maisto prekių parduotuvė „Save-On-Foods“ teigia „D-Wave“ sistema padėjo sutrumpinti laiką, reikalingą pasikartojančiai verslo analizės užduočiai atlikti, nuo 25 valandų per savaitę iki vos 2 minučių.

Nors kvantiniai atkaitintojai gerai sprendžia optimizavimo problemas, skirtingai nei universalūs kvantiniai kompiuteriai, jų negalima užprogramuoti sprendžiant bet kokio tipo skaičiavimus.

Kvantinis skaičiavimo kraštovaizdis

Pasiūlymų startuoliams daugėja

Per pastaruosius kelerius metus į kvantinę kompiuteriją orientuotų startuolių pasiūlymai stabiliai augo ir 2020 m. Pasiekė naują rekordą su 37 sandoriais.

„PsiQuantum“ yra geriausiai finansuojamas startuolis kosmose, o jo bendras finansavimas yra 278,5 mln. USD. Remiama „Microsoft“ rizikos grupe, bendrovė tvirtina, kad jos optinis požiūris į kvantinį skaičiavimą gali suteikti 1M kubito mašiną vos per kelerius metus – toli gražu ne tik tai, ką kitos kompanijos sako galinčios pristatyti per tą laiką.

„Cambridge Quantum Computing“ yra labiausiai finansuojamas startuolis, daugiausia orientuotas į kvantinės skaičiavimo programinę įrangą. Bendrovė surinko 95 mln. USD atskleistą investuotojų, įskaitant IBM, „Honeywell“ ir kt., Finansavimą. Tai siūlo platformą, padedančią įmonėms kurti kvantinio skaičiavimo programas tokiose srityse kaip chemija, finansai ir mašininis mokymasis.

Aktyviausi VC erdvėje yra:

• „Threshold Ventures“ (buvęs „Draper Fisher Jurvetson“), kuris buvo ankstyvasis „D-Wave“ rėmėjas ir dalyvavo daugelyje tolesnių etapų
• „Quantonation“, Prancūzijoje įsikūrusi VC, skyrusi finansavimą keliems kvantinių skaičiavimų startuoliams
• Steigėjų fondas, kuris rėmė „PsiQuantum“, „Rigetti“ ir „Zapata“

Korporacijos ir didelės technologijų kompanijos seka paskui kvantinį skaičiavimą

Korporacijos taip pat daro bangas kvantinės skaičiavimo erdvėje.

Pavyzdžiui, „Google“ kuria savo kvantinių skaičiavimų aparatūrą ir pasiekė keletą pagrindinių etapų, įskaitant pirmuosius teiginius apie kvantinę viršenybę ir cheminės reakcijos modeliavimą naudojant kvantinį kompiuterį. „Google“ įmonės taip pat investavo į kosmoso startuolius, įskaitant „IonQ“, „ProteinQure“ ir „Kuano“.

„Google“ „Sycamore“ procesorius buvo naudojamas kvantinei …