В октябре 2019 года компания Google попала в заголовки газет, заявив, что добилась долгожданного прорыва в области «квантового превосходства». Именно тогда квантовый компьютер способен выполнить задачу, которую не может выполнить обычный компьютер. Во всяком случае, не в практическом количестве времени. Например, в Google заявили, что на выполнение тестовой задачи, которую они решали, у классического компьютера ушли бы тысячи лет, хотя некоторые критики и конкуренты назвали это грубым преувеличением.
У IBM, например, этого не было. Другой крупный игрок на квантовом рынке быстро опубликовал ответ, в котором, по сути, утверждал, что Google недооценил силу суперкомпьютеров IBM, которые, хотя и невероятно быстры, не относятся к квантовой разновидности.
Если не считать головокружения технического гиганта, достижение Google стало настоящей вехой — тем, что еще больше утвердило квантовые вычисления в более широком сознании и побудило больше людей задаться вопросом: что эти штуки на самом деле будут делать?
10 приложений квантовых вычислений, которые нужно знать:
- Искусственный интеллект;
- Лучшие батареи;
- Более чистое удобрение;
- Информационная безопасность;
- Разработка лекарств;
- Открытие электронных материалов;
- Финансовое моделирование;
- Солнечный захват;
- Оптимизация трафика;
- Прогнозирование погоды и изменение климата.
Но даже когда квантовые вычисления станут господствовать, их потенциальное влияние остается в основном теоретическим. Но это скорее отражение того, что квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, чем невыполненные обещания.
Однако, прежде чем квантовые вычисления станут реальностью в коммерческом масштабе, исследователи должны преодолеть некоторые серьезные препятствия. Главным из них является увеличение количества кубитов, единиц информации, которые эти впечатляющие аппаратные средства используют для выполнения задач. В то время как классические компьютерные «биты» существуют как 1 или 0, кубиты могут быть и тем, и другим одновременно. Это ключ к значительному увеличению скорости обработки, необходимой для моделирования квантовой механики на молекулярном уровне.
Несмотря на все еще гипотетическую природу квантовой технологии и долгий путь вперед, прогнозов и инвестиций предостаточно. Генеральный директор Google Сундар Пичаи сравнил недавнее продвижение концепции своей компании с 12-секундным полетом братьев Райт: хотя он был очень простым и недолговечным, он продемонстрировал, что это возможно. И то, что возможно, говорят эксперты, действительно впечатляет.
От кибербезопасности до фармацевтических исследований и финансов — вот несколько способов, которыми квантовые вычисления способствуют крупным достижениям.
Содержание статьи
10 компаний, использующих квантовые вычисления
IBM
Местонахождение: Армонк, Нью-Йорк
Квантовые вычисления и искусственный интеллект могут оказаться взаимными врагами. Как объяснил VentureBeat, достижения в области глубокого обучения, вероятно, улучшат наше понимание квантовой механики, в то время как полностью реализованные квантовые компьютеры могут намного превзойти обычные в распознавании образов данных. Что касается последнего, группа квантовых исследований IBM обнаружила, что запутывание кубитов на квантовом компьютере, на котором проводился эксперимент по классификации данных, снижает количество ошибок вдвое по сравнению с незапутанными кубитами.
«Это говорит о том, — отмечается в эссе в MIT Technology Review, — что по мере того, как квантовые компьютеры будут лучше использовать кубиты и запутывать их, они также станут лучше решать проблемы машинного обучения».
Исследование IBM последовало за другим многообещающим алгоритмом классификации машинного обучения: квантово-классическим гибридом, работающим на 19-кубитной машине, созданной Rigetti Computing.
«Использование [статистического распределения квантовых компьютеров] может ускорить или иным образом улучшить машинное обучение по сравнению с чисто классической производительностью», — пишут исследователи Rigetti. Они объяснили, что гибридизация классических вычислений и квантовых процессоров преодолела «ключевую проблему» в реализации этой цели.
И то, и другое является важным шагом на пути к конечной цели — значительному ускорению ИИ с помощью квантовых вычислений. Что может означать виртуальных помощников, которые понимают вас с первого раза. Или неуправляемые игроком персонажи видеоигр, которые ведут себя гиперреалистично. Потенциальные достижения многочисленны.
«Я думаю, что ИИ может ускорить квантовые вычисления, — сказал Пичаи из Google, — а квантовые вычисления могут ускорить ИИ».
JPMorgan Chase
Местонахождение: Нью-Йорк
Список партнеров, входящих в так называемую квантовую сеть Microsoft, включает в себя множество исследовательских университетов и технических организаций, занимающихся квантовыми вычислениями, но очень мало бизнес-партнеров. Однако два из пяти — NatWest и Willis Towers Watson — представляют интересы банков. Точно так же в Q Network IBM, JPMorgan Chase выделяется среди моря членов, ориентированных на технологии, а также государственных и высших исследовательских институтов.
То, что чрезвычайно прибыльные компании, предоставляющие финансовые услуги, захотят использовать технологию, меняющую парадигму, вряд ли шокирует, но квантовое и финансовое моделирование действительно естественным образом подходят друг другу благодаря структурному сходству. Как написала в прошлом году группа европейских исследователей, «весь финансовый рынок можно смоделировать как квантовый процесс, в котором величины, важные для финансирования, такие как ковариационная матрица, возникают естественным образом».
Многие недавние исследования были сосредоточены именно на квантовом потенциале для значительного ускорения так называемой модели Монте-Карло, которая, по сути, измеряет вероятность различных результатов и соответствующие им риски. Документ 2019 года, написанный в соавторстве с исследователями IBM и членами группы количественных исследований JPMorgan, включал методологию оценки опционных контрактов с использованием квантового компьютера.
Если оставить в стороне его, казалось бы, очевидное применение для оценки рисков, у кванта в финансах может быть широкое будущее. «Если бы у нас был [коммерческий квантовый компьютер] сегодня, что бы мы сделали?» — задается вопросом Никитас Стаматопулос, соавтор статьи о ценовых опционах. «Ответ сегодня не очень ясен».
Microsoft
Местонахождение: Редмонд, Вашингтон
В мире существует проблема удобрений, которая выходит за рамки переизбытка какашек. Большая часть удобрений на планете производится путем нагревания и повышения давления атмосферного азота до аммиака. Этот процесс был впервые применен в начале 1900-х годов немецким химиком Фрицем Хабером.
Так называемый процесс Габера, хотя и является революционным, оказался довольно энергозатратным: около трех процентов годовой выработки энергии в мире уходит на работу системы Габера, на долю которой приходится более одного процента выбросов парниковых газов. Более того, некоторые бактерии выполняют этот процесс естественным образом — мы просто не знаем, как это сделать, и поэтому не можем использовать его.
Однако с адекватным квантовым компьютером мы, вероятно, могли бы выяснить, как это сделать, и при этом значительно сэкономить энергию. В 2017 году исследователи из Microsoft выделили молекулу кофактора, необходимую для моделирования. И они сделают это, как только у квантового оборудования будет достаточное количество кубитов и стабилизация шума. Генеральный директор Google сказал Массачусетскому технологическому институту, что, по его мнению, квантовое улучшение Хабера произойдет примерно через десять лет.
Rigetti Computing
Местонахождение: Беркли, Калифорния
Недавнее исследование того, могут ли квантовые вычисления значительно улучшить предсказание погоды, показало… что это тема, достойная изучения! И хотя мы до сих пор плохо понимаем эту взаимосвязь, многие в этой области рассматривают ее как примечательный вариант использования.
Рэй Джонсон, бывший технический директор Lockheed Martin, а ныне независимый директор квантового стартапа Rigetti Computing, среди тех, кто указал, что метод квантовых вычислений одновременных (а не последовательных) вычислений, вероятно, будет успешным в «анализе очень, очень сложная система переменных, то есть погода».
Хотя в настоящее время мы используем одни из самых мощных в мире суперкомпьютеров для моделирования прогнозов погоды с высоким разрешением, точное численное прогнозирование погоды, как известно, затруднено. На самом деле, наверное, не так уж давно вы проклинали заблуждающегося метеоролога.
Post-Quantum
Местонахождение: Лондон, Англия
Для кандидата в президенты Эндрю Янга квантовая веха Google означала, что «нет кода, который невозможно взломать». Он имел в виду широко обсуждаемое мнение о том, что беспрецедентная факторизующая мощь квантовых компьютеров серьезно подорвет распространенные системы интернет-шифрования.
Но устройство Google (как и все современные устройства QC) слишком подвержено ошибкам, чтобы представлять непосредственную угрозу кибербезопасности, на которую намекал Ян. На самом деле, по словам теоретика-компьютерщика Скотта Ааронсона, такая машина еще долго не будет существовать. Но надвигающаяся опасность серьезна. И многолетнее стремление к квантово-устойчивым алгоритмам — например, продолжающееся соревнование Национального института стандартов и технологий по созданию таких моделей — показывает, насколько серьезно сообщество безопасности относится к угрозе.
Один из всего лишь 26 так называемых постквантовых алгоритмов, попавших в «полуфинал» NIST, принадлежит британскому лидеру кибербезопасности Post-Quantum. Эксперты говорят, что тщательный и преднамеренный процесс, примером которого является проект NIST, — это именно то, что нужно квантово-ориентированной безопасности. Как сказала доктор Дебора Франке из Агентства национальной безопасности: «Есть два способа совершить ошибку с квантово-устойчивым шифрованием: во-первых, вы можете слишком рано перейти к алгоритму, а во-вторых, вы слишком поздно перейдете к алгоритму.”
ProteinQure
Местонахождение: Торонто, Онтарио
«Настоящее волнение по поводу квантовых технологий заключается в том, что вселенная принципиально работает квантовым образом, поэтому вы сможете лучше понять природу», — сказал Пичаи из Google MIT Technology Review после недавнего объявления его компании. «Это первые дни, но где сияет квантовая механика, так это в способности моделировать молекулы, молекулярные процессы, и я думаю, что именно здесь она будет самой сильной. Открытие лекарств — отличный пример».
Одной из компаний, специализирующихся на молекулярном моделировании, особенно на поведении белков, является биотехнологический стартап ProteinQure из Торонто. Получив недавнее начальное финансирование в размере 4 миллионов долларов по состоянию на 2019 год, он сотрудничает с лидерами квантовых вычислений (IBM, Microsoft и Rigetti Computing) и фармацевтическими исследовательскими организациями (SRI International, AstraZeneca) для изучения потенциала QC в моделировании белков.
Это очень сложный, но высокоэффективный путь разработки лекарств, при котором белки разрабатываются для целевых медицинских целей. Хотя он гораздо более точен, чем старый метод проб и ошибок при проведении химических экспериментов, с вычислительной точки зрения он гораздо сложнее. Как отмечает Boston Consulting Group, простое моделирование молекулы пенициллина потребовало бы невероятно большого классического компьютера с разрядностью 10 в 86-й степени. Однако для продвинутых квантовых компьютеров тот же самый процесс может быть мгновенным и может привести к открытию новых лекарств от серьезных заболеваний, таких как рак, болезнь Альцгеймера и сердечные заболевания.
Компания Biogen, расположенная в Кембридже, штат Массачусетс, — еще одна известная компания, изучающая возможности квантовых вычислений для разработки лекарств. Сосредоточившись на исследованиях неврологических заболеваний, биотехнологическая фирма объявила о партнерстве в 2017 году с квантовым стартапом 1QBit и Accenture.
Daimler Truck AG
Местонахождение: Штутгарт, Германия
Потенциал QC для моделирования квантовой механики может быть столь же преобразующим в других областях, связанных с химией, помимо разработки лекарств. Автомобильная промышленность, например, хочет использовать эту технологию для создания более качественных автомобильных аккумуляторов.
В 2018 году немецкий производитель автомобилей Daimler AG (материнская компания Mercedes-Benz) объявил о двух различных партнерствах с гигантами квантовых вычислений Google и IBM. Электромобили «в основном основаны на хорошо функционирующих химических элементах аккумуляторов», — писала компания в своем журнале в то время. Она добавила, что квантовые вычисления вселяют «оправданную надежду» на «первоначальные результаты» в таких областях, как моделирование сотовой связи и старение аккумуляторных элементов. Усовершенствованные аккумуляторы для электромобилей могут помочь увеличить внедрение этих транспортных средств.
Daimler также изучает, как QC может потенциально повысить эффективность ИИ, а также управлять будущим трафиком, забитым автономными транспортными средствами, и ускорить свою логистику. Он следует по стопам другого крупного тевтонского транспортного бренда: Volkswagen. В 2017 году автопроизводитель объявил о партнерстве с Google, ориентированном на аналогичные инициативы. В 2018 году он также объединился с D-Wave Systems.
Volkswagen AG
Местонахождение: Вольфсбург, Германия
Исследования Volkswagen в области оптимизации поднимают вопрос, на который стоит обратить внимание: несмотря на некоторую общую формулировку, главный прорыв квантовых вычислений заключается не только в скорости, с которой они решают проблемы, но и в том, какие проблемы они решают.
Например, задача навигатора — одна из самых известных в вычислительной технике. Он направлен на определение кратчайшего маршрута между несколькими городами, попадая в каждый город один раз и возвращаясь в исходную точку. Классическому компьютеру невероятно сложно решить эту проблему, известную как проблема оптимизации. Однако для полностью реализованных QC это может быть намного проще.
D-Wave и VW уже запустили пилотные программы по ряду задач оптимизации трафика и поездок, включая оптимизацию транспортных потоков в Пекине, Барселоне и Лиссабоне. В последнем случае парк автобусов двигался по разным маршрутам, адаптированным к условиям движения в реальном времени с помощью квантового алгоритма, который VW продолжает настраивать после каждого пробного запуска. По словам генерального директора D-Wave Верна Браунелла, пилотный проект компании «как никогда приближает нас к реализации настоящих, практических квантовых вычислений».
IonQ
Местонахождение: Колледж-Парк, Мэриленд
В поисках устойчивых альтернативных источников энергии водородное топливо, производимое без использования ископаемого топлива, служит жизнеспособным решением для сокращения вредных выбросов парниковых газов. Большая часть производства водородного топлива в настоящее время основана на использовании ископаемого топлива, хотя квантовые вычисления могут создать эффективный способ изменить ситуацию.
Электролиз, процесс разложения воды на основные молекулы водорода и кислорода, может использоваться для извлечения водорода в качестве топлива безвредным для окружающей среды способом. Квантовые вычисления уже помогают исследовать, как использовать электролиз для максимально эффективного и устойчивого производства водорода.
По состоянию на 2019 год IonQ провела первое моделирование молекулы воды на квантовом устройстве, что свидетельствует о том, что вычисления способны приблизиться к точным химическим предсказаниям. В 2022 году IonQ выпустила Forte, новейшее поколение квантовых систем, обеспечивающих программную настройку и большую гибкость для исследователей и других пользователей. Есть надежда, что мощь квантовых вычислений может способствовать исследованию решений по изменению климата в больших и ускоренных масштабах.
ColdQuanta
Местонахождение: Боулдер, Колорадо
Квантовые вычисления стали горячей темой в технологической индустрии, хотя одна конкретная компания держит ее в прохладе. ColdQuanta известна тем, что использует квантовые вычисления с холодным атомом, в которых атомы, охлажденные лазером, могут играть роль кубитов. С помощью этого метода хрупкие атомы могут оставаться холодными, в то время как операционная система остается при комнатной температуре, что позволяет использовать квантовые устройства в различных средах.
Чтобы помочь в исследованиях, проводимых Лабораторией холодного атома НАСА, технология Quantum Core компании ColdQuanta была успешно доставлена на Международную космическую станцию в 2019 году. С тех пор ожидается, что эта технология будет использоваться для поддержки приложений связи, глобального позиционирования и обработки сигналов. ColdQuanta также подписала многомиллионные контракты с государственными учреждениями США на разработку технологий квантовых атомных часов и систем ионных ловушек с 2021 года.
