Квантовые вычисления 2021: 12 ведущих применений

Квантовые вычисления 2021: 12 ведущих применений

Учёные по всему миру продвигают квантовые компьютеры вперёд, стремясь к наиболее мощной квантовой вычислительной технологии. Технологические гиганты, включая Google и IBM, соревнуются за квантовое превосходство.

Но зачем? Квантовые машины могут решать определённые задачи в миллиард раз быстрее классических компьютеров. По мере роста спроса на мощные процессоры и усложнения задач нам понадобятся более эффективные вычислительные архитектуры для питания решений.

Такие достижения в вычислительной технологии создадут миллионы возможностей почти во всех аспектах современной жизни. По данным GlobeNewswire, глобальный рынок квантовых вычислений оценивался в $507,1 млн в 2019 году. Прогнозируется достижение $65 млрд к 2030 году с CAGR 56%. Северная Америка и Европа составят свыше 78% рынка.

Это не значит, что квантовые системы заменят современные компьютеры. Они будут работать рядом с классическими суперкомпьютерами, так как у каждого свои уникальные сильные стороны.

В этом обзоре мы перечислим некоторые основные применения квантовых вычислений из огромного спектра возможностей. Это даст лучшее представление о том, для чего созданы квантовые компьютеры.

12. Прогноз погоды

Квантовые компьютеры могут отображать экстремально сложные погодные паттерны. В отличие от текущих систем, они смогут давать прогнозы для меньших, более специфических регионов, помогая фермерам лучше готовиться к изменениям погоды и авиакомпаниям минимизировать сбои.

IBM активно инвестирует в системы прогнозирования погоды. Коллаборация с The Weather Company, Национальным центром атмосферных исследований и Университетской корпорацией по атмосферным исследованиям в США для построения высшей модели оценки гроз на локальном уровне.

В 2019 году IBM вместе с The Weather Company представила глобальную систему высокоточного атмосферного прогнозирования (GRAF), использующую суперкомпьютеры IBM для обработки данных с миллионов датчиков по всему миру.

Когда квантовые вычисления станут выполнимыми, системы типа GRAF смогут анализировать миллиарды данных в час и прогнозировать микрометеорологические события: формирование отдельных облаков или ветряных вихрей.

11. Кибербезопасность

Это лишь грубые оценки

Квантовые компьютеры смогут решать многие задачи, нерешаемые для современных машин. В том числе взламывать алгоритмы шифрования, защищающие инфраструктуру интернета и конфиденциальные данные.

RSA-шифрование на 2048-битных числах, например, широко используется для безопасной передачи данных. Оценка: квантовый компьютер с 20 млн кубитов мог бы взломать такое шифрование за 8 часов.

Конечно, сила квантовых вычислений также может быть использована для создания намного более безопасных систем шифрования. Многие компании, включая Microsoft и Google, уже работают над квантово-устойчивыми алгоритмами. Они на теоретической и тестовой стадии. Главная проблема — интеграция новых подходов в существующую инфраструктуру.

Квантово-безопасные алгоритмы должны шифровать:

• Финансовые и банковские транзакции
• Военные и правительственные коммуникации
• Корпоративные сети
• Медицинские записи и личные данные в облаке

10. Батареи следующего поколения

Литий-ионные батареи прошли долгий путь: десять лет назад они просто продерживали смартфон день, теперь питают электромобили сотни километров.

Но если мы хотим более мощные, дешёвые и долговечные батареи, нужны прорывы. Исследователи IBM и Daimler AG (родительская компания Mercedes-Benz) тестируют, насколько эффективно квантовые компьютеры смогут моделировать поведение химических соединений в батареях.

Им удалось смоделировать дипольные моменты четырёх промышленно значимых молекул (сероводород, гидрид лития, сульфид лития, сульфид водорода лития), используя 21-кубитный квантовый компьютер.

По мере увеличения или улучшения состояний кубитов мы сможем тестировать более крупные и сложные соединения для батарей нового поколения. Это фундаментальная работа, которая в конечном итоге приведёт нас к цели.

9. Солнечный захват

Квантово-точечная солнечная ячейка | Credit: University of Queensland

Квантовые точки (нанометрические полупроводниковые частицы с уникальными электронными и оптическими свойствами благодаря квантовой механике) могут эффективно преобразовывать солнечную энергию в электричество. Это поможет существенно снизить выбросы углерода и улучшить существующие технологии генерации энергии.

Австралийские исследователи из Квинслендского университета уже разработали гибкие и печатаемые квантовые точки с КПД более 16 процентов.

Нетоксичные материалы квантовых точек, такие как нанокристаллы сульфида бисмута серебра, изучаются широко из-за распространённости и безопасности. Хотя они ещё не коммерчески работают в большом масштабе, некоторые небольшие компании начали продавать фотовольтаические продукты на квантовых точках.

8. Чистые удобрения

Сейчас аммиачные удобрения производят химическим процессом Габера-Боша. Он соединяет атмосферный азот с водородом при высоких температурах и экстремально высоких давлениях. Процесс потребляет огромное количество энергии и выделяет много парниковых газов.

Если исследователи узнают механизм нитрогеназы и поведение переходных металлов детально, они смогут разработать более эффективные катализаторы для производства удобрений и других важных промышленных химикатов.

7. Открытие материалов

Image courtesy of Second Bay Studios/Harvard SEAS

Поскольку квантовые вычисления основаны на квантово-механических явлениях (суперпозиция и запутанность), они могут представлять другие квантовые системы гораздо легче классических компьютеров. Например, квантовая машина может решить уравнение Шрёдингера для молекулы, вычисляя её допустимые энергетические состояния.

Это даёт способность моделировать сложные молекулы, недоступные классическим компьютерам. Вместе квантовое железо и алгоритмы обещают встряхнуть теоретическую химию.

Управляя шумом в кубитах на квантовой машине, исследователи могут разрабатывать лучшие материалы с точно настроенными оптическими и механическими свойствами.

Учитывая недавние достижения в «квантовом шумоподавлении», можно сказать, что материалы следующего поколения могут быть спроектированы на квантовых компьютерах, а не подбираться методом проб и ошибок.

6. Оптимизация трафика

Квантовые компьютеры смягчат многие вызовы растущего населения и заторов при необходимости декарбонизации. Один из вызовов — управление трафиком.

Квантовые технологии можно использовать для предотвращения пробок и сокращения времени ожидания. Автобусы и такси не будут ездить пустыми по длинным расстояниям, люди не будут долго ждать такси.

Volkswagen уже продемонстрировал живое использование квантовых вычислений для оптимизации трафика. Его квантовый алгоритм маршрутизации работает на квантовом компьютере D-Wave и вычисляет самые быстрые маршруты индивидуально в реальном времени.

Такие алгоритмы могут постоянно взаимодействовать с движущимися объектами (велосипеды, авто, люди) и расширять всю систему мобильности города. Их можно внедрить в диспетчеризацию авиации для оптимизации маршрутов.

Volkswagen не единственная компания, работающая над «квантовой оптимизацией трафика». Почти все автопроизводители, включая BMW, Toyota и Ford, инвестируют в квантовые исследования.

5. Маркетинг и реклама

Квантовые алгоритмы могут выдавать лучшую рекламу, создавая паттерны ассоциаций, влияющие на покупательское поведение. Вместо рекламы только на основе истории просмотров, эти алгоритмы сфокусируются на том, как пользователи чувствуют себя после просмотра рекламы, и какой рекламе помогут брендам строить долгосрочные отношения с клиентами.

Например, если реклама приятная и заставляет смеяться или чувствовать себя хорошо, она формирует сильный PR бренда. Скучная или раздражающая реклама может быть контрпродуктивной.

D-Wave Systems Inc. (в сотрудничестве с Recruit Communication Ltd) уже применила квантовые вычисления к рекламе, маркетингу и оптимизации коммуникаций. Цель — анализ сложных данных за меньшее время и оптимизация эффективности подбора рекламы клиентам в веб-рекламе.

D-Wave также объяснила, как организации могут использовать квантовое отжиг для охвата аудитории релевантной рекламой и повышения CTR (кликабельности).

4. Финансовое моделирование

Современные рынки — одна из самых сложных систем. За время прочтения этого предложения хедж-фонды, инвестиционные банки и ритейл-инвесторы по всему миру обменяются более чем $80 млн в акциях.

Для институциональных инвесторов нахождение правильного микса для плодотворных инвестиций на основе ожидаемых доходностей и рисков критично для выживания на рынке. Это требует анализа тысяч факторов, влияющих на цены акций. Многие инвестиционные банки запускают симуляции «Монте-Карло» на классических компьютерах для детального анализа, что требует огромных ресурсов и времени.

Квантовые компьютеры специально созданы для такого вероятностного расчёта. Переход на квантовый поезд позволяет инвестиционным банкам не только повысить качество решений, но и сократить время их разработки. Поскольку эти бизнесы оперируют миллиардами долларов, даже небольшое улучшение ожидаемой доходности может стоить очень дорого.

В конечном счёте квантовые компьютеры помогут финансовым услугам:

• Увеличить инвестиционные доходы
• Снизить капитальные требования
• Улучшить идентификацию и управление рисками и соответствием
• Открыть новые инвестиционные возможности

Читайте: Сколько денег есть в мире?

3. Открытие лекарств

Поток генетической информации в биологической системе

Сейчас фармацевтическим компаниям требуются миллиарды долларов и более десяти лет для открытия нового лекарства и вывода его на рынок. Они проводят сотни миллионов сравнений на классических компьютерах. Однако возможности этих машин ограничены: они могут анализировать молекулы только до определённого размера.

Рассмотрите дизайн пенициллина, содержащего 41 атом: тщательное и точное моделирование базовой энергии молекулы пенициллина потребовало бы цифровой машины с большим числом транзисторов, чем атомов в наблюдаемой вселенной.

Проблема решается квантовыми вычислениями. По мере доступности квантового железа и алгоритмов станет возможным сравнивать гораздо более крупные молекулы. Это драматически сократит время и затраты на разработку лекарств, усиливая исследователей для быстрых открытий, ведущих к лечению различных заболеваний.

В индустрии жизненных наук квантовые компьютеры должны обеспечить три ключевых варианта использования, усиливающих друг друга в благоприятном цикле:

• Разработка точечных терапий через ассоциацию геномов и исходов
• Повышение эффективности открытия низкомолекулярных лекарств и улучшение исходов для пациентов
• Создание новых биологических продуктов на основе предсказаний свертывания белков

2. Искусственный интеллект

Квантовая машина Google

Интеллект, демонстрируемый машинами, основан на принципе обучения на опыте. Чем больше наборов данных используете для обучения ИИ, тем точнее он будет. Поскольку точность/сила ИИ опирается на анализ миллионов или даже миллиардов точек данных, это идеальный кандидат для квантовых вычислений.

Для определённых моделей квантовое машинное обучение будет гораздо эффективнее классического. Оно расширяется на направление исследования структурных и методологических сходств между конкретными физическими системами и системами обучения, в частности нейронными сетями.

Говорят, что ИИ будет для 21 века тем, чем электричество было для 20-го. Мы уже в точке, где ИИ способен создавать другой ИИ, поэтому его значимость быстро возрастёт.

Для ускорения разработки Google, в сотрудничестве с Volkswagen и Университетом Ватерлоо, запустил TensorFlow Quantum — открытую библиотеку для прототипирования квантовых моделей машинного обучения. IBM, Microsoft и другие гиганты также вливают деньги в квантовое ML.

Читайте: Искусственный интеллект vs Машинное обучение vs Глубокое обучение

1. Физика частиц

Протон-протонное столкновение в LHC, порождающее бозон Хиггса | CERN

Возможно, самое захватывающее и полезное применение квантовых вычислений — изучение новой физики. Модели физики частиц невероятно сложны, требуют огромных ресурсов и длительного времени для численных симуляций.

Например, эксперименты на Большом адронном коллайдере в CERN производят удивительные 1 петабайт в секунду данных от миллиарда столкновений частиц каждую секунду. Анализ выполняется на миллионе CPU-ядер в 170 дата-центрах по всему миру. К 2027 году вычислительная мощь для обработки и анализа данных CERN вырастет в 50–100 раз.

И тут на помощь приходят квантовые вычисления. Они позволят физикам симулировать ядерную физику, рассеяние ядер, кварки и фундаментальные взаимодействия.

CERN уже начал работу с IBM над квантовыми компьютерами. Исследователи использовали «квантовую машину опорных векторов», чтобы увидеть, как обучение с учителем на квантовой машине может идентифицировать события бозона Хиггса в данных столкновений.

Другая команда исследователей успешно смоделировала решётчатые калибровочные теории на квантовом компьютере, описывающие взаимодействие элементарных частиц, таких как кварки и глюоны.

Читайте: Что такое квантовое превосходство? И почему это важно?

В целом, квантовые вычисления делают шаги в различных областях: от многотелесной физики до молекулярной энергетики. Они разрушат текущие техники и позволят исследователям решать проблемы, которые они никогда не пытались решать раньше.