Крок у незбагненне навіщо потрібні квантові комп’ютери, Ідеономіка – Розумні про головне
6 головних застосувань цієї революційної технології – від навчання штучного інтелекту до точних прогнозів погоди
Комп'ютери не у вакуумі. Вони служать для вирішення проблем, і тип проблем, які можуть вирішити, залежить від їх апаратного забезпечення. Графічні процесори призначені для відтворення зображень, процесори штучного інтелекту для ІІ… а для чого потрібні квантові комп'ютери?
Хоча потужність квантових обчислень вражає, це не означає, що існуюче програмне забезпечення на квантових комп'ютерах працює в мільярд разів швидше. Швидше, існують типи проблем, які квантові комп'ютери вирішують добре, та проблеми, які вони вирішують погано. Ось кілька основних сфер застосування таких машин, які ми невдовзі побачимо, коли вони стануть комерційно доступними.
Штучний інтелект
Основною сферою застосування для квантових обчислень вважається штучний інтелект (ІІ). ІІ спирається на принцип навчання на власному досвіді: він стає все більш точним завдяки зворотному зв'язку, який надходить, поки комп'ютерна програма не виявить «інтелект».
Цей зворотний зв'язок ґрунтується на обчисленні ймовірностей безлічі можливих варіантів, і тому ІІ – це ідеальний кандидат для квантових обчислень. Він обіцяє перевернути кожну галузь, від автомобілебудування до медицини, і кажуть, що ІІ у XXI столітті буде тим, чим була електрика у XX-му.
Наприклад, Lockheed Martin планує використовувати свій квантовий комп'ютер D-Wave для тестування програмного забезпечення автопілота, яке в даний час надто складно для класичних комп'ютерів, а Google використовує квантовий комп'ютер для розробки софту.який зможе відрізняти авто від об'єктів на місцевості. Ми вже досягли точки, де ІІ породжує ІІ, і тому його значущість швидко зростатиме.
Молекулярне моделювання
Іншим прикладом служить точне моделювання молекулярних взаємодій, знаходження оптимальних змін для хімічних реакцій. Така «квантова хімія» настільки складна, що сьогоднішні комп'ютери можуть аналізувати найпростіші молекули.
Хімічні реакції — квантові за своєю природою, оскільки вони утворюють заплутані квантові суперпозиційні стани. Але квантові комп'ютери не будуть мати труднощів з оцінкою навіть найскладніших процесів.
Google вже зробила прорив у цю сферу, імітуючи енергію молекул водню. В результаті було отримано ефективніші продукти — від сонячних елементів до фармацевтичних препаратів, і особливо це вплинуло на виробництво добрив. Оскільки на виробництво добрив йде 2% світової енергії, наслідки для енергетики та довкілля будуть значними.
Криптографія
Сьогодні мережна безпека ґрунтується за великим рахунком на складності розкладання великих чисел на прості. Щоб зламати код, цифровим комп'ютерам потрібно перебрати всі можливі варіанти. Це вимагає величезної кількості часу, що робить цю операцію дорогою та непрактичною.
Існують перспективні методи квантового шифрування, які розробляються з використанням односторонньої природи квантового сплетення. У низці країн вже є мережі на цій основі, здатні працювати в масштабі міст, а китайські вчені нещодавно оголосили, що успішно відправили сплетені фотони з орбітального «квантового» супутника на три окремі базові станції на Землі.
Фінансовемоделювання
Сучасні ринки — одні з найскладніших систем. Хоча ми розробили ще більш наукові та математичні інструменти для вирішення цієї проблеми, як і раніше, існує одна істотна відмінність від інших наукових областей: у нас немає контрольованих параметрів, що дозволяють проводити експерименти.
Щоб вирішити цю проблему, інвестори та аналітики звернулися до квантових обчислень. Найперша перевага їх у тому, що випадковість, властива квантовим комп'ютерам, можна порівняти з імовірнісною природою фінансових ринків. Інвестори часто хочуть оцінити можливі результати за надзвичайно великої кількості сценаріїв, згенерованих навмання.
Ще одна перевага квантових рішень полягає в тому, що для таких фінансових операцій, як арбітраж, може знадобитися безліч кроків, зумовлених попередніми діями, і тому кількість варіантів швидко випереджає можливості традиційного комп'ютера.
Прогноз погоди
Головний економіст Національного управління океанічних та атмосферних досліджень США Родні Вейєр стверджує, що майже 30% ВВП країни ($6 трлн) прямо чи опосередковано залежать від погоди, що зокрема позначається на виробництві продуктів харчування, транспортуванні та роздрібній торгівлі. Можливість краще прогнозувати погоду принесе величезну користь у багатьох сферах, не кажучи про те, що це дасть більше часу, щоб сховатися від стихійних лих.
Вчені давно над цим працюють, але рівняння, що регулюють такі процеси, містять так багато змінних, що робить класичне моделювання досить довгим. Як зазначив квантовий дослідник Сет Ллойд, «використання класичного комп'ютера для проведення такого аналізу може зайняти більше часу, ніж потрібно для настання цієїпогоди!» Це спонукало Ллойда і його колег з Массачусетського технологічного інституту показати, що рівняння, що управляють погодою, мають приховану хвильову природу, і можуть бути обчислені квантовим комп'ютером.
Технічний директор Google Хартмут Невен також зазначає, що квантові комп'ютери можуть допомогти у створенні більш адекватних моделей клімату, які могли б дати нам більше інформації про те, як люди впливають на довкілля. На основі цих моделей ми будуємо наші оцінки майбутнього потепління та визначаємо, які кроки необхідно зробити зараз для запобігання стихійним лихам. Національна метеорологічна служба Великобританії вже почала інвестувати у подібні інновації.
Фізика елементарних частинок
Ще одним застосуванням цієї захоплюючої нової фізики може стати вивчення захоплюючої нової фізики. Моделі фізики елементарних частинок часто надзвичайно складні та вимагають величезної обчислювальної потужності. Це робить їх ідеальним об'єктом для квантових обчислень і дослідники вже скористалися цим.
Дослідники з Університету Інсбрука та Інституту квантової оптики та квантової інформації (IQOQI) нещодавно використовували програмовану квантову систему для такого моделювання. Команда використовувала просту версію квантового комп'ютера, де іони виконували логічні операції.
«Квантові обчислення та реальні експерименти чудово доповнюють один одного, — каже фізик-теоретик Пітер Золлер. — Ми не можемо замінити експерименти, які виконуються колайдерами частинок. Однак, розвиваючи квантові симулятори, ми одного разу зможемо краще зрозуміти ці експерименти».
Тепер інвестори намагаються вбудуватися в екосистему квантових обчислень, а це не лише комп'ютерна індустрія: до тих, хтовикористовує цю обчислювальну революцію, входять банки, аерокосмічні компанії та фірми кібербезпеки.
Цей список далеко не вичерпний, і це найцікавіша частина. Як зазвичай буває з новими технологіями, у міру розвитку апаратного забезпечення з'являтимуться неймовірні на сьогоднішній день області застосування квантових обчислень.