Как квантовый компьютер изменит мир
Обновлено: 02.07.2024
Экспертиза членов совета Forbes, работающая по лицензии. Высказанные мнения принадлежат автору.
Основатель и генеральный директор PQShield, британского стартапа в области кибербезопасности, специализирующегося на решениях квантовой защиты.
Организации и правительства по всему миру вкладывают миллиарды долларов в квантовые исследования и разработки, и такие компании, как Google, Microsoft и Intel, стремятся достичь квантового превосходства.
Ставки высоки, и с таким количеством крупных игроков появление полномасштабных квантовых компьютеров может быть не за горами.
Чтобы подготовиться, нам, лидерам в области технологий, крайне важно узнать о реальности этих машин и о том, какое влияние они могут оказать на мир. К сожалению, не все положительно.
Что хорошего в квантовом компьютере?
Обычные компьютеры используют биты — 1 и 0 — для хранения данных и запуска программ. Важно отметить, что они не взаимодействуют.
Квантовые компьютеры, напротив, содержат кубиты. Кубиты существуют в суперпозиции между 0 и 1, и когда вы пытаетесь наблюдать за их состоянием, вы заставляете их выбирать между ними.
У каждого кубита есть амплитуда — комплексное число, похожее на вероятность, но не подчиняющееся тем же правилам. Учитывая характер амплитудных значений, кубиты могут, подобно волнам, взаимодействовать конструктивно или деструктивно, и мы называем это квантовой интерференцией.
Лучшие компании по страхованию путешествий
Лучшие планы страхования путешествий от Covid-19
Когда амплитуды складываются, они увеличивают вероятность наблюдения определенного значения при считывании состояния системы. Когда амплитуды различных возможных состояний компенсируют друг друга, они уменьшают вероятность наблюдения соответствующего значения.
Квантовая интерференция — один из секретов невероятной мощности квантовых компьютеров. Если вы можете адаптировать алгоритм для решения конкретной вычислительной задачи, воспользовавшись преимуществами квантовой интерференции (т. е. построив его таким образом, чтобы увеличить вероятность получения правильного ответа), вы в конечном итоге получите эффективное решение вычислительных задач, с которым никогда не справитесь. уметь решать на обычной машине.
Вот почему полномасштабные квантовые компьютеры, скорее всего, станут революционными во многих отраслях, решив ранее нерешаемые с вычислительной точки зрения проблемы и открыв невообразимые новые возможности.
Вот краткий обзор лишь некоторых мест, где, по моему мнению, мы можем ощутить влияние:
Разработка лекарств и материалов
Квантовые компьютеры могут обеспечить значительный прогресс в открытии и разработке лекарств, что в конечном итоге даст ученым возможность решать проблемы, которые в настоящее время неразрешимы. Обладая чрезвычайно высокой вычислительной мощностью, эти машины смогут одновременно анализировать несколько молекул, белков и химических веществ с помощью квантового моделирования, что в настоящее время недостижимо для стандартного компьютера, что позволит разрабатывать варианты лекарств быстрее и эффективнее, чем сегодня.
Ученые, в том числе сотрудники швейцарской фармацевтической компании Roche, надеются, что квантовое моделирование ускорит разработку лекарств и вакцин для защиты от Covid-19, гриппа, рака и даже, возможно, найдет лекарство от болезни Альцгеймера. Более того, квантовое моделирование также может заменить лабораторные эксперименты, снизить стоимость исследований и даже свести к минимуму потребность в испытаниях на людях и животных.
Финансы
Квантовые компьютеры могут принести огромные потенциальные преимущества финансовому сектору — от более глубокой аналитики до новых, более быстрых торговых возможностей. Действительно, многие крупные учреждения используют квантовые вычисления для ускорения торговли, транзакций и скорости передачи данных.
Такие банки, как IBM и JPMorgan Chase, экспериментируют с квантовыми технологиями, чтобы оценить конкретные действия, которые они смогут выполнять в широком масштабе в ближайшем будущем.
Еще одной потенциальной областью является финансовое моделирование, которое можно значительно улучшить с помощью квантовых компьютеров. Для финансовых учреждений по всему миру это означает снижение затрат на обработку и ускорение транзакций, что является беспроигрышным вариантом.
Изменение климата
Квантовые компьютеры также обладают огромным потенциалом с экологической точки зрения, и эксперты прогнозируют, что благодаря квантовому моделированию они помогут странам достичь Целей ООН в области устойчивого развития.
Например, квантовые компьютеры могут ускорить открытие новых катализаторов CO2, которые обеспечат эффективную рециркуляцию углекислого газа при производстве полезных газов, таких как водород и монооксид углерода.
Кибер- и информационная безопасность
Обратной стороной является то, что, хотя квантовые компьютеры принесут много преимуществ, они также, вероятно, принесут новые риски.
Что касается информационной безопасности, квантовые компьютеры смогут взломать шифрование с открытым ключом, которое сегодня широко используется для защиты информации, а это означает, что данные, какими бы безопасными они ни были в данный момент, могут быть уязвимы для атак в будущем. Это довольно пугающая перспектива для любой организации, которой нужно защищать конфиденциальную информацию.
Несмотря на огромное финансирование квантовых компьютеров, непропорционально малая сумма была инвестирована в финансирование квантово-устойчивой безопасности, которая может оказаться необходимой, когда мы приближаемся к квантовой эре. К счастью, в настоящее время NIST стандартизирует постквантовую криптографию, готовую к широкому внедрению. Согласно NIST, новые стандарты будут объявлены к концу этого года.
Подготовка к квантовой эре
Очевидно, что квантовые компьютеры окажут значительное влияние на организации по всему миру, продвигая технологии так, как мы пока не можем полностью понять.
Несмотря на то, что эти невероятные машины, скорее всего, принесут огромную пользу, важно, чтобы мы знали о потенциальных рисках, которые могут возникнуть в случае неправильного использования такой мощности. Когда речь идет, например, о кибербезопасности, потенциальные последствия могут быть разрушительными, поэтому очень важно, чтобы мы относились к этому серьезно.
В отрасли раздаются призывы к разработке этических норм для предотвращения использования квантовых технологий во вред. Это важное движение, но в первую очередь мы должны обеспечить, чтобы предприятия, правительства и общественность были осведомлены о реальности квантовых компьютеров, чтобы подготовиться к тому, что грядет — к хорошему, плохому и уродливому.
Технологический совет Forbes – это сообщество, в которое входят только приглашенные ИТ-директора, технические директора и руководители технологических компаний. Соответствую ли я требованиям?
Компании уже изучают будущий потенциал квантовых компьютеров, и в некоторых отраслях ожидаются большие перемены.
Дафна Лепренс-Ринге — репортер из Лондона.
От моделирования новых и более эффективных материалов до более точного прогнозирования изменений на фондовом рынке — возможности квантовых вычислений для бизнеса потенциально огромны.
Сейчас крупнейшие мировые компании запускают программы квантовых вычислений, а правительства вкладывают деньги в квантовые исследования. Что касается систем, которые еще не доказали свою полезность, квантовые компьютеры, безусловно, привлекают большое внимание.
Специальный отчет
Квантовые компьютеры открывают большие перспективы для решения проблем криптографии и оптимизации, и компании стремятся сделать их практичными для использования в бизнесе. ZDNet исследует, что квантовые компьютеры смогут и не смогут делать, а также проблемы, которые остаются.
Причина в том, что квантовые компьютеры, хотя они еще далеки от зрелости, должны в конечном итоге открыть совершенно новую эру вычислений, в которой аппаратное обеспечение больше не является ограничением при решении сложных задач, а это означает, что некоторые расчеты, на выполнение которых у классических систем ушли бы годы или даже столетия, можно выполнить за считанные минуты.
От моделирования новых и более эффективных материалов до более точного прогнозирования изменений на фондовом рынке — последствия для бизнеса могут быть огромными. Вот восемь вариантов использования квантовых технологий, которые сейчас изучают ведущие организации и которые могут радикально изменить правила игры во всех отраслях.
1. Открытие новых наркотиков
Открытие новых лекарств частично зависит от области науки, известной как молекулярное моделирование, которая заключается в моделировании того, как частицы взаимодействуют внутри молекулы, чтобы попытаться создать конфигурацию, способную бороться с данным заболеванием.
Эти взаимодействия невероятно сложны и могут принимать самые разные формы и формы, а это означает, что точное предсказание поведения молекулы на основе ее структуры требует огромных вычислений.
Выполнить это вручную невозможно, а размер проблемы слишком велик для современных классических компьютеров. На самом деле ожидается, что моделирование молекулы, состоящей всего из 70 атомов, потребует от классического компьютера до 13 миллиардов лет.
Вот почему открытие новых лекарств занимает так много времени: ученые в основном используют метод проб и ошибок, при котором они проверяют тысячи молекул против целевого заболевания в надежде, что в конечном итоге будет найдено удачное совпадение.
Однако квантовые компьютеры могут однажды решить проблему молекулярного моделирования за считанные минуты.Системы предназначены для одновременного выполнения многих расчетов, а это означает, что они могут беспрепятственно моделировать все самые сложные взаимодействия между частицами, из которых состоят молекулы, что позволяет ученым быстро выявлять кандидатов для создания успешных лекарств.
Это означает, что жизненно важные лекарства, которые в настоящее время поступают на рынок в среднем через 10 лет, могут разрабатываться быстрее и с гораздо меньшими затратами.
Фармацевтические компании обращают на это внимание: ранее в этом году гигант здравоохранения Roche объявил о партнерстве с Cambridge Quantum Computing (CQC) для поддержки исследований, направленных на борьбу с болезнью Альцгеймера.
Небольшие компании также проявляют интерес к этой технологии. Например, стартап в области синтетической биологии Menten AI сотрудничает с компанией D-Wave, занимающейся квантовым отжигом, чтобы изучить, как квантовые алгоритмы могут помочь в разработке новых белков, которые в конечном итоге можно будет использовать в качестве терапевтических препаратов.
2. Создание лучших аккумуляторов
От питания автомобилей до хранения возобновляемой энергии аккумуляторы уже поддерживают переход к более экологичной экономике, и их роль будет только расти. Но они далеки от совершенства: их емкость все еще ограничена, как и скорость их зарядки, а значит, они не всегда являются подходящим вариантом.
Одним из решений является поиск новых материалов с лучшими свойствами для создания аккумуляторов. Это еще одна проблема молекулярного моделирования — на этот раз моделирование поведения молекул, которые могут быть потенциальными кандидатами на новые материалы для аккумуляторов.
Таким образом, как и в случае с разработкой лекарств, разработка аккумуляторов – это еще одна работа, связанная с большими объемами данных, которая лучше подходит для квантового компьютера, чем для классического устройства.
Вот почему немецкий производитель автомобилей Daimler теперь сотрудничает с IBM, чтобы оценить, как квантовые компьютеры могут помочь моделировать поведение молекул серы в различных средах, с конечной целью создания литий-серных аккумуляторов, которые лучше работают, дольше долговечны и дешевле, чем современные литий-ионные.
3. Предсказание погоды
Несмотря на огромную вычислительную мощность современных суперкомпьютеров, прогнозы погоды, особенно долгосрочные, могут быть удручающе неточными. Это связано с тем, что погодные явления могут проявляться бесчисленным множеством способов, а классические устройства не способны обрабатывать все данные, необходимые для точного прогноза.
Квантовые вычисления
С другой стороны, подобно тому, как квантовые компьютеры могут одновременно моделировать все взаимодействия частиц, происходящие внутри молекулы, чтобы предсказать ее поведение, они также могут моделировать, как бесчисленные факторы окружающей среды объединяются, чтобы создать сильный шторм, ураган или жара.
А поскольку квантовые компьютеры смогут анализировать практически все важные данные одновременно, они, скорее всего, будут генерировать прогнозы, которые будут намного точнее текущих прогнозов погоды. Это полезно не только для планирования вашего следующего мероприятия на открытом воздухе: это также может помочь правительствам лучше подготовиться к стихийным бедствиям, а также поддержать исследования в области изменения климата.
Исследования в этой области идут тише, но возникают партнерские отношения, позволяющие более внимательно изучить потенциал квантовых компьютеров. В прошлом году, например, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) начал партнерство с ИТ-компанией Atos, которое включало доступ к симулятору квантовых вычислений Atos, в попытке изучить, как квантовые вычисления могут повлиять на предсказание погоды и климата в будущее.
4. Выбор акций
JP Morgan, Goldman Sachs и Wells Fargo активно изучают потенциал квантовых компьютеров для повышения эффективности банковских операций — вариант использования, который часто рассматривается как вариант, который может принести большие финансовые выгоды.
Существует несколько способов, с помощью которых эта технология может поддерживать деятельность банков, но один из них уже показывает многообещающие результаты — это применение квантовых вычислений к процедуре, известной как моделирование методом Монте-Карло.
Операция Монте-Карло заключается в оценке финансовых активов на основе того, как цена связанных активов меняется с течением времени, а это означает, что необходимо учитывать риск, присущий различным опционам, акциям, валютам и товарам. По сути, процедура сводится к прогнозированию того, как будет развиваться рынок, — задача, которая становится более точной при наличии большего количества релевантных данных.
Согласно исследованию, проведенному Goldman Sachs совместно с компанией QC Ware, занимающейся квантовыми вычислениями, беспрецедентные вычислительные возможности квантовых компьютеров могут ускорить расчеты методом Монте-Карло до 1000 раз. Еще более многообещающая новость заключается в том, что квантовые инженеры Goldman Sachs настроили свои алгоритмы, чтобы иметь возможность запускать моделирование Монте-Карло на квантовом оборудовании, которое может быть доступно всего через пять лет.
5.Язык обработки
В течение десятилетий исследователи пытались научить классические компьютеры связывать значения со словами, чтобы попытаться понять смысл целых предложений. Это огромная проблема, учитывая природу языка, который функционирует как интерактивная сеть: вместо того, чтобы быть «суммой» значений каждого отдельного слова, предложение часто должно интерпретироваться как единое целое. И это даже без учета сарказма, юмора или подтекста.
В результате даже самые современные классические алгоритмы обработки естественного языка (NLP) все еще не могут понять смысл простых предложений. Но исследователи изучают, могут ли квантовые компьютеры лучше подходить для представления языка в виде сети и, следовательно, для его обработки более интуитивным способом.
Эта область называется квантовой обработкой естественного языка (QNLP) и является ключевым направлением Кембриджского университета квантовых вычислений (CQC). Компания уже экспериментально показала, что предложения могут быть параметризованы в квантовых схемах, где значения слов могут быть встроены в соответствии с грамматической структурой предложения. Совсем недавно CQC выпустила lambeq, программный инструментарий для QNLP, который может преобразовывать предложения в квантовую схему.
6. Помощь в решении проблемы коммивояжера
Продавцу предоставляется список городов, которые ему нужно посетить, а также расстояние между каждым городом, и он должен придумать маршрут, который сэкономит больше времени на поездку и будет стоить наименьших денег. Как бы просто это ни звучало, «проблема коммивояжёра» — это проблема, с которой сталкиваются многие компании, пытаясь оптимизировать свои цепочки поставок или маршруты доставки.
С каждым новым городом, добавляемым в список продавцов, количество возможных маршрутов увеличивается. А в масштабе многонациональной корпорации, которая, скорее всего, будет иметь дело с сотнями пунктов назначения, несколькими тысячами автопарков и жесткими сроками, проблема становится слишком большой, чтобы классический компьютер мог решить ее за разумное время.
Инновации
Энергетический гигант ExxonMobil, например, пытался оптимизировать ежедневный маршрут торговых судов, пересекающих океаны, то есть более 50 000 судов, перевозящих до 200 000 контейнеров каждое, для перевозки товаров общей стоимостью 14 трлн долларов США. .
Некоторые классические алгоритмы уже существуют для решения этой задачи. Но учитывая огромное количество возможных маршрутов для исследования, модели неизбежно вынуждены прибегать к упрощениям и приближениям. Поэтому ExxonMobil объединилась с IBM, чтобы выяснить, могут ли квантовые алгоритмы работать лучше.
Способность квантовых компьютеров выполнять несколько вычислений одновременно означает, что они могут выполнять все различные маршруты в тандеме, что позволяет им находить наиболее оптимальное решение намного быстрее, чем классический компьютер, которому приходится оценивать каждый вариант. последовательно.
Результаты ExxonMobil кажутся многообещающими: моделирование показывает, что квантовые алгоритмы IBM могут давать лучшие результаты, чем классические алгоритмы, после улучшения аппаратного обеспечения.
7. Уменьшение заторов
Оптимизация времени работы светофоров в городах, чтобы они могли адаптироваться к количеству ожидающих транспортных средств или времени суток, может в значительной степени помочь сгладить поток транспортных средств и избежать заторов на оживленных перекрестках.
Это еще одна проблема, с которой классические компьютеры сталкиваются с трудностями: чем больше переменных, тем больше возможностей должно быть просчитано системой, прежде чем будет найдено наилучшее решение. Но, как и в случае с задачей коммивояжера, квантовые компьютеры могут одновременно оценивать разные сценарии, достигая наиболее оптимального результата намного быстрее.
Microsoft работает над этим вариантом использования вместе с Toyoto Tsusho и стартапом Jij, занимающимся квантовыми вычислениями. Исследователи приступили к разработке квантовых алгоритмов в смоделированной городской среде с целью уменьшения заторов. Согласно последним результатам эксперимента, такой подход может сократить время ожидания трафика на 20%.
8. Защита конфиденциальных данных
Современная криптография опирается на ключи, которые генерируются алгоритмами для кодирования данных, а это означает, что только стороны, которым предоставлен доступ к ключу, имеют средства для расшифровки сообщения. Таким образом, возникает двойной риск: хакеры могут либо перехватить криптографический ключ для расшифровки данных, либо использовать мощные компьютеры, чтобы попытаться предсказать ключ, сгенерированный алгоритмом.
Это связано с тем, что классические алгоритмы безопасности являются детерминированными: данные входные данные всегда будут давать одни и те же выходные данные, а это означает, что при наличии необходимой вычислительной мощности хакер может предсказать результат.
Этот подход требует очень мощных компьютеров и не представляет краткосрочного риска для криптографии.Но аппаратное обеспечение совершенствуется, и исследователи безопасности все чаще предупреждают, что в будущем потребуются более надежные криптографические ключи.
Поэтому один из способов усилить ключи – сделать их совершенно случайными и нелогичными, другими словами, их невозможно угадать математически.
И, как оказалось, случайность является фундаментальной частью квантового поведения: например, частицы, из которых состоит квантовый процессор, ведут себя совершенно непредсказуемым образом. Таким образом, такое поведение можно использовать для определения криптографических ключей, которые невозможно перепроектировать даже на самом мощном суперкомпьютере.
Генерация случайных чисел — это приложение квантовых вычислений, которое уже приближается к коммерциализации. Британский стартап Nu Quantum, например, завершает работу над системой, которая может измерять поведение квантовых частиц и генерировать потоки случайных чисел, которые затем можно использовать для создания более надежных криптографических ключей.
Есть причина, по которой Google, Microsoft, IBM и правительства по всему миру продолжают вкладывать значительные средства в квантовые вычисления — они рассчитывают, что они изменят мир, решая проблемы, неразрешимые для современных классических компьютеров.
Квантовые компьютеры изменят все отрасли. Они изменят то, как мы ведем бизнес, и нашу систему безопасности для защиты данных, способы борьбы с болезнями и изобретения новых материалов, а также решения проблем со здоровьем и климатом.
По мере того, как гонка за созданием коммерчески жизнеспособного квантового компьютера ускоряется, вот лишь несколько способов, которыми квантовые вычисления изменят наш мир.
Безопасность в Интернете
Как только квантовые компьютеры получат широкое распространение, в онлайн-безопасности появятся как хорошие, так и плохие стороны. Плохо? Наша текущая тактика шифрования данных устареет. В настоящее время большинство методов онлайн-безопасности рассчитывают на тот факт, что для «взлома кода» требуется чрезвычайно много времени, поскольку компьютеры обрабатывают большие числа. Однако квантовые компьютеры смогут быстро обрабатывать эту информацию, оставляя наши компьютеры, финансовые учреждения и частную информацию уязвимыми. Хорошей новостью является то, что была проделана значительная работа по разработке методов квантового шифрования, таких как квантовое распределение ключей, сверхзащищенный метод связи, требующий ключа для расшифровки сообщения. Благодаря особым свойствам квантовой механики, если сообщение будет перехвачено, никто другой не сможет его прочитать.
Искусственный интеллект
Обработка информации, необходимая для улучшения машинного обучения, идеально подходит для квантовых вычислений. Квантовые компьютеры могут анализировать большие объемы данных, чтобы обеспечить машины с искусственным интеллектом обратной связью, необходимой для повышения производительности. Квантовые компьютеры способны анализировать данные для обеспечения обратной связи гораздо эффективнее, чем традиционные компьютеры, и поэтому кривая обучения для машин с искусственным интеллектом сокращается. Как и люди, машины с искусственным интеллектом, основанные на выводах квантовых компьютеров, могут учиться на собственном опыте и корректировать свои ошибки. Квантовые компьютеры помогут искусственному интеллекту распространиться на большее количество отраслей и помогут технологиям очень быстро стать более интуитивными.
Разработка лекарств
Чтобы разработать эффективное лекарство, химикам необходимо оценить взаимодействие между молекулами, белками и химическими веществами, чтобы понять, улучшат ли лекарства определенные состояния или вылечат ли болезни. Из-за огромного количества анализируемых комбинаций это занимает много времени и сил. Поскольку квантовые компьютеры могут одновременно просматривать несколько молекул, белков и химических веществ, они позволяют химикам быстрее определять жизнеспособные варианты лекарств. Кроме того, некоторые лекарства отменяются на стадии испытаний, даже если они могут помочь определенной части населения. Квантовые вычисления позволят секвенировать и анализировать гены человека намного быстрее, чем методы, которые мы используем сегодня, и позволят разрабатывать персонализированные лекарства.
Улучшение прогнозов погоды и прогнозов изменения климата
Даже с помощью сложных инструментов прогноз погоды остается чем-то вроде игры в угадайку. Просто спросите любого, кто попал в шторм без предупреждения или был готов к метели, но в конечном итоге видел только шквал. Поскольку квантовые компьютеры могут анализировать все данные одновременно, метеорологи будут иметь гораздо лучшее представление о том, когда ударит плохая погода, чтобы предупредить людей, чтобы в конечном итоге спасти жизни, страдания и деньги. Метеорологическое бюро Великобритании, национальная служба погоды Соединенного Королевства, уже вложило средства в технологию квантовых вычислений, чтобы улучшить прогнозирование. Мы также можем лучше понять, как мы влияем на наш климат, потому что квантовые компьютеры помогут нам построить более совершенные модели климата. Чем раньше мы узнаем, какие изменения ожидаются, тем лучше мы сможем подготовиться и отреагировать на изменение климата и его последствия.
Контроль трафика
Находясь в воздухе или на земле, квантовые компьютеры помогут упростить управление дорожным движением. Они смогут одновременно быстро рассчитать оптимальные маршруты, что позволит эффективно планировать и уменьшит заторы на дорогах. По тем же причинам квантовые компьютеры также эффективны для оптимизации цепочек поставок, управления воздушным движением, операций флота и доставки.
Решение всей проблемы
Вместо устранения неполадок по частям, как мы делаем сейчас с классическими компьютерами, квантовые компьютеры решают всю проблему сразу. Это открывает двери для удивительных разработок во всех областях, от финансовых услуг до нашей национальной безопасности.
Возможно, Эрик Ладизински, соучредитель компании D-Wave, занимающейся квантовыми вычислениями, лучше всего объяснил разницу между обычным компьютером и квантовым компьютером, выступая на конференции WIRED 2014. Он предложил представить, что у вас есть всего пять минут, чтобы найти букву X, написанную на странице книги среди 50 миллионов книг в Библиотеке Конгресса. В этом сценарии вы были бы обычным компьютером и никогда бы не нашли X. Но если бы у вас было 50 миллионов параллельных реальностей, и вы могли бы просматривать разные книги в каждой из этих реальностей (точно так же, как квантовый компьютер), вы бы найдите X. Квантовый компьютер разбивает вас на 50 миллионов версий вас самих, чтобы сделать работу быстрой и легкой.
Квантовые компьютеры дают нам возможность решать сложные задачи, которые выходят за рамки возможностей классических компьютеров.
Мы движемся в совершенно новую область физики, и по самой своей природе в ней будут открытия, инновации и решения, о которых мы и не мечтали.
В нашем предыдущем сообщении в блоге «Объяснение квантовых вычислений» мы рассказали о волшебных свойствах кубитов, о том, почему они имеют основополагающее значение для квантовых вычислений и почему их так сложно контролировать и масштабировать. На этот раз мы углубимся в то, как квантовые вычисления могут быть полезны, и какое влияние они могут оказать на мир.
Для чего будут использоваться квантовые вычисления?
Квантовые вычисления радикально изменят способ моделирования химических процессов. Благодаря огромной вычислительной мощности квантовых компьютеров мы можем приступить к моделированию цифровых версий химических соединений. Этот «цифровой близнец» дает ряд возможностей для проверки теорий и прогнозирования реальных химических действий без использования физической лаборатории. Рассмотрим эти возможности дальше…
Открытие наркотиков
При наличии достаточного количества кубитов квантовые компьютеры могут выполнять сложные вычисления с очень высокой скоростью. Таким образом, квантовые компьютеры станут невероятным инструментом для фармацевтических компаний, которые хотят проверить свойства нового лекарства или лекарства. Вместо использования физической лаборатории, которая требует много времени и денег, они смогут использовать квантовый компьютер для моделирования молекул в лекарстве для прогнозирования поведения и химических взаимодействий. Чтобы вывести на рынок новое лекарство (biopharmadive, 2020), требуется около 1 миллиарда долларов, а также многолетние исследования, тесты и клинические испытания. Квантовые вычисления могут предложить кратчайший путь к открытию новых лекарств. Когда мы размышляем о влиянии COVID-19, очевидны преимущества этой технологии.
Более качественные батареи
Правительство Великобритании поставило перед собой амбициозную цель добиться нулевого уровня выбросов к 2050 году. В 2030 году в Великобритании прекратится продажа новых бензиновых и дизельных автомобилей, что снизит нашу зависимость от ископаемого топлива и сместит акцент на электромобили. Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время являются доминирующей технологией аккумуляторов, используемых в электромобилях, телефонах и ноутбуках. Но чтобы заменить ископаемое топливо, технология аккумуляторов еще должна быть усовершенствована, чтобы батареи стали более безопасными, экологичными, быстрее заряжались, сохраняли больше энергии и имели более длительный срок службы.
Существующие методы исследования материалов аккумуляторов являются дорогостоящими и ненадежными. Исследователи полагаются на подход «проб и ошибок». Подобно разработке лекарств, квантовые компьютеры можно использовать для создания «виртуальной лаборатории», которая обеспечивает гораздо более быстрый, менее дорогой и более надежный способ проверки материалов батарей. Этот устойчивый метод позволит улучшить исследования и разработки для более чистого будущего.
Более чистые удобрения
Согласно прогнозам, к 2050 году население мира увеличится с 7,7 млрд до 9,7 млрд. Мы должны защитить наше будущее, обеспечив наличие ресурсов, достаточных для поддержания такого огромного числа людей.
Аммиак – жизненно важное химическое вещество, которое используется в качестве удобрения и в других промышленных целях. В промышленности он производится с помощью процесса Габера-Боша, который превращает азот и водород в аммиак с использованием катализатора на основе железа.Этот процесс был изобретен более ста лет назад и, как говорят, обеспечивает питанием до трети населения мира. Однако он не лишен недостатков: этот процесс зависит от высоких затрат энергии на ископаемое топливо и оказывает негативное воздействие на почву.
Наоборот, растения могут естественным образом синтезировать аммиак посредством неэнергоемкого процесса. Несмотря на свою важность, этот химический процесс до сих пор плохо изучен. Квантовые компьютеры могут быть использованы для более глубокого понимания того, как аммиак естественным образом вырабатывается в растениях. Если этот процесс можно будет смоделировать, это позволит использовать более безопасный и устойчивый способ удобрения сельскохозяйственных культур. Как сказал в 1981 году физик и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман:
«Природа не классическая, черт возьми, и если вы хотите сделать симуляцию природы, вам лучше сделать ее квантово-механической, и, ей-богу, это замечательная задача, потому что она не выглядит так легкий." (Ричард Фейнман, 1981 г.)
Другие возможные применения
Мы описали три основных способа, с помощью которых квантовые вычисления могут изменить мир. Эта технология может использоваться и во многих других областях, включая разработку новых материалов, логистику, прогнозирование погоды, кибербезопасность и финансы.
К квантовому будущему
Riverlane разрабатывает консультативный инструмент, который рассчитывает квантовые ресурсы, необходимые для решения конкретной задачи, например молекулярной химии. Инструмент будет включать в себя последние разработки в области квантовых алгоритмов и поисковых комбинаций методов для поиска наилучшего решения. Этот инструмент может использоваться учеными, работающими в фармацевтических и химических компаниях, в качестве средства расчета затрат перед началом своих исследовательских проектов.
Когда мы сможем увидеть влияние квантовых вычислений?
Ни одна из проблем, описанных в этом блоге, не может быть решена легко. Но, события происходят в темпе. Квантовые вычисления — это отрасль с высоким риском, которая может принести огромную прибыль. Масштабируемость является ключевой проблемой, и трудно точно сказать, когда эти приложения станут реальностью. Однако огромный объем частных и государственных инвестиций в квантовые вычисления предполагает, что вопрос не в том, будет ли, а в том, когда, по некоторым оценкам, мы сможем достичь квантового преимущества всего за пять лет.
В области квантовых вычислений одни из самых умных людей работают над раскрытием своего потенциала. Для преодоления трудностей и продвижения вперед квантовых технологий требуется сотрудничество физиков, химиков, математиков, специалистов по информатике и экспертов в области аппаратного и программного обеспечения. Если процветающая квантовая экосистема продолжит расти такими темпами, то, возможно, революция может произойти раньше, чем мы думаем.
В следующий раз…. В настоящее время существуют десятки стартапов в области квантовых вычислений, работающих над множеством проектов. Мы рассмотрим различные способы, которыми компании стремятся коммерциализировать квантовые вычисления, изучив экосистему квантовых вычислений.
Этот контент также можно просматривать на сайте, откуда он взят.
Квантовые вычисления могут изменить мир. Он может изменить медицину, взломать шифрование и революционизировать коммуникации и искусственный интеллект. Такие компании, как IBM, Microsoft и Google, стремятся создать надежные квантовые компьютеры. Китай вложил миллиарды.
Недавно компания Google заявила, что добилась квантового превосходства — впервые квантовый компьютер превзошел традиционный. Но что такое квантовые вычисления? И как это работает?
Что такое квантовые вычисления?
Начнем с основ.
Обычный компьютерный чип использует биты. Это как крошечные переключатели, которые могут быть либо в выключенном положении, представленном нулем, либо во включенном положении, представленном единицей. Каждое приложение, которое вы используете, веб-сайт, который вы посещаете, и фотография, которую вы делаете, в конечном итоге состоят из миллионов этих битов в той или иной комбинации единиц и нулей.
Это прекрасно подходит для большинства вещей, но не отражает того, как на самом деле устроена вселенная. В природе вещи не просто включены или выключены. Они не уверены. И даже наши лучшие суперкомпьютеры не очень хорошо справляются с неопределенностью. Это проблема.
Это потому, что за последнее столетие физики обнаружили, что при уменьшении масштаба начинают происходить странные вещи. Они разработали совершенно новую область науки, чтобы попытаться объяснить их. Это называется квантовая механика.
Квантовая механика — это основа физики, которая лежит в основе химии, которая является основой биологии. Поэтому, чтобы точно смоделировать любую из этих вещей, ученым нужен лучший способ проведения расчетов, способный справиться с неопределенностью. Вступайте, квантовые компьютеры.
Как работают квантовые компьютеры?
В квантовых компьютерах вместо битов используются кубиты.Кубиты могут быть не просто включены или выключены, а могут находиться в так называемой «суперпозиции» — когда они одновременно включены и выключены или где-то в диапазоне между ними.
Возьмите монету. Если перевернуть, то может быть либо орел, либо решка. Но если вы его покрутите — у него есть шанс приземлиться орлом и шансом приземлиться решкой. Пока не измеришь, остановив монету, может быть и то, и другое. Суперпозиция похожа на вращающуюся монету, и это одна из вещей, которая делает квантовые компьютеры такими мощными. Кубит допускает неопределенность.
Если вы попросите обычный компьютер найти выход из лабиринта, он будет пробовать каждую ветвь по очереди, исключая их по отдельности, пока не найдет нужную. Квантовый компьютер может пройти по всем путям лабиринта одновременно. Он может держать в голове неуверенность.
Это похоже на то, как будто вы держите палец на страницах книги о приключениях. Если ваш персонаж умирает, вы можете сразу же выбрать другой путь, вместо того, чтобы возвращаться к началу книги.
Еще одна вещь, на которую способны кубиты, называется запутыванием. Обычно, если вы подбрасываете две монеты, результат подбрасывания одной монеты не влияет на результат другого. Они независимы. При запутывании две частицы связаны вместе, даже если они физически разделены. Если у одного выпадет решка, у другого тоже выпадет решка.
Звучит как магия, и физики до сих пор не до конца понимают, как и почему это работает. Но в области квантовых вычислений это означает, что вы можете перемещать информацию, даже если она содержит неопределенность. Вы можете взять эту вращающуюся монету и использовать ее для выполнения сложных вычислений. А если вы сможете связать вместе несколько кубитов, вы сможете решать проблемы, на решение которых нашим лучшим компьютерам понадобились бы миллионы лет.
Что умеют квантовые компьютеры?
Квантовые компьютеры предназначены не только для того, чтобы делать что-то быстрее или эффективнее. Они позволяют нам делать то, о чем без них мы и мечтать не могли. Вещи, на которые не способен даже самый лучший суперкомпьютер.
Они могут быстро ускорить разработку искусственного интеллекта. Google уже использует их для улучшения программного обеспечения беспилотных автомобилей. Они также будут необходимы для моделирования химических реакций.
Сейчас суперкомпьютеры могут анализировать только самые простые молекулы. Но квантовые компьютеры работают, используя те же квантовые свойства, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать. У них не должно возникнуть проблем даже с самыми сложными реакциями.
Это может означать более эффективные продукты — от новых материалов для аккумуляторов в электромобилях до более качественных и дешевых лекарств или значительно улучшенных солнечных батарей. Ученые надеются, что квантовое моделирование может даже помочь найти лекарство от болезни Альцгеймера.
Квантовые компьютеры найдут применение везде, где есть большая, неопределенная сложная система, которую необходимо смоделировать. Это может быть что угодно, от предсказания финансовых рынков до улучшения прогнозов погоды и моделирования поведения отдельных электронов: использование квантовых вычислений для понимания квантовой физики.
Криптография будет еще одним ключевым приложением. В настоящее время многие системы шифрования полагаются на сложность разложения больших чисел на простые числа. Это называется факторингом, и для классических компьютеров это медленно, дорого и непрактично. Но квантовые компьютеры могут сделать это легко. И это может поставить наши данные под угрозу.
Ходят слухи, что спецслужбы по всему миру уже накапливают огромные объемы зашифрованных данных в надежде, что вскоре они получат доступ к квантовому компьютеру, который сможет их взломать.
Единственный способ дать отпор — использовать квантовое шифрование. Это основано на принципе неопределенности — идее, что вы не можете что-то измерить, не повлияв на результат. Ключи квантового шифрования нельзя было скопировать или взломать. Их было бы совершенно невозможно сломать.
Когда я получу квантовый компьютер?
Возможно, в вашем ноутбуке или смартфоне никогда не будет квантового чипа. iPhone Q не будет. Квантовые компьютеры обсуждались десятилетиями, но причина того, что они появились так долго, заключается в том, что они невероятно чувствительны к помехам.
Практически что угодно может вывести кубит из хрупкого состояния суперпозиции. В результате квантовые компьютеры должны быть изолированы от всех форм электрических помех и охлаждены почти до абсолютного нуля. Это холоднее, чем в открытом космосе.
В основном они будут использоваться учеными и компаниями, которые, вероятно, будут иметь к ним удаленный доступ. Квантовый компьютер IBM уже можно использовать через его веб-сайт — вы даже можете играть с ним в карточную игру.
Читайте также: