Шість прикладів, коли квантові комп'ютери нам дуже допоможуть

Комп'ютери не існують у вакуумі. Вони вирішують проблеми, і проблеми, які вони вирішують, визначаються виключно апаратним забезпеченням. Графічні процесори обробляють зображення; процесори штучного інтелекту забезпечують роботу алгоритмів ШІ; квантові комп'ютери призначені для... чого?

У той час як сила квантових обчислень вражає, це не означає, що існуюче програмне забезпечення просто так працює в мільярд разів швидше. Швидше квантові комп'ютери теж мають певного типу проблеми, деякі з яких вони добре вирішують, деякі ні. Нижче ви знайдете основні сфери застосування, в яких квантові комп'ютери повинні будуть вистрілити на всі сто, коли стануть комерційно реалізованими.

Штучний інтелект

Основне застосування квантових обчислень — це штучний інтелект. ІІ заснований на принципах навчання в процесі вилучення досвіду, стає все точніше по мірі роботи зворотного зв'язку, поки, нарешті, не обзаводиться «інтелектом», нехай і комп'ютерним. Тобто самостійно навчається вирішення завдань певного типу.

Ця зворотній зв'язок залежить від розрахунку ймовірності для безлічі можливих результатів, і квантові обчислення ідеально підходять для такого роду операцій. Штучний інтелект, підкріплений квантовими комп'ютерами, переверне кожну галузь, від автомобілів до медицини, і кажуть, що ШІ стане для двадцять першого століття тим, чим електрика стало для двадцятого.

Наприклад, Lockheed Martin планує використовувати свій квантовий комп'ютер D-Wave для випробувань програмного забезпечення для автопілота, яке занадто складне для класичних комп'ютерів, а Google використовує квантовий комп'ютер для розробки ПЗ, яке зможе відрізняти автомобілі від дорожніх знаків. Ми вже досягли точки, за якою ІІ створює більше ШІ, і його сила і величина буде тільки рости.

Молекулярне моделювання

Інший приклад — це точне моделювання молекулярних взаємодій, пошук оптимальних конфігурацій для хімічних реакцій. Така «квантова хімія» настільки складна, що з допомогою сучасних цифрових комп'ютерів можна проаналізувати лише найпростіші молекули.

Хімічні реакції квантові за своєю природою, оскільки утворюють досить заплутані квантові стани суперпозиції. Але повністю розроблені квантові комп'ютери зможуть без проблем розраховувати навіть такі складні процеси.

Google вже здійснює набіги в цю область, моделюючи енергію водневих молекул. В результаті виходять більш ефективні продукти, від сонячних батарей до фармацевтичних препаратів, і особливо добрива; оскільки на добрива припадає до 2% глобального споживання енергії, наслідки для енергетики і навколишнього середовища будуть колосальними.

Криптографія

Велика частина систем кібербезпеки покладається на складність факторингу великих чисел на прості. Хоча цифрові комп'ютери, які прораховують кожен можливий фактор, можуть з цим впоратися, тривалий час, необхідне для «злому коду», виливається в дорожнечу і непрактичність.

Квантові комп'ютери можуть виробляти такий факторинг експоненціально ефективніше цифрових комп'ютерів, роблячи сучасні методи захисту застарілими. Розробляються нові методи криптографії, які, проте, вимагають часу: в серпні 2015 року NSA початок збирати список стійких до квантових обчислень криптографічних методів, які могли б протистояти квантових комп'ютерів, і в квітні 2016 Національний інститут стандартів і технологій почав публічний процес оцінки, який триватиме від чотирьох до шести років.

У розробці знаходяться також перспективні методи квантового шифрування, які задіють односторонній характер квантової заплутаності. Мережі в межах міста вже продемонстрували свою працездатність в декількох країнах, і китайські вчені нещодавно пояснили, що успішно передали заплутані фотони з орбітального «квантового» супутника на три окремі базові станції на Землі.

Фінансове моделювання

Сучасні ринки є одними з найбільш складних систем в принципі. Хоча ми розробили багато наукових і математичних інструментів для роботи з ними, їм бракує умови, яким можуть похвалитися інші наукові дисципліни: немає контрольованих умов, в яких можна було б провести експерименти.

Щоб вирішити цю проблему, інвестори та аналітики звернулися до квантових обчислень. Безпосереднім їх перевагою є те, що випадковість, притаманна квантових комп'ютерів, конгруентна стохастичного характеру фінансових ринків. Інвестори часто хочуть оцінювати розподіл результатів при дуже великій кількості сценаріїв, що генеруються випадковим чином.

Інша перевага, яке пропонують квантові комп'ютери, полягає в тому, що фінансові операції на зразок арбітражу можуть вимагати безлічі послідовних кроків, і число можливостей їх прорахунку сильно випереджає допустимий для звичайного цифрового комп'ютера.

Прогнозування погоди

Головний економить NOAA Родні Вейєр стверджує, що майже 30% від ВВП США (6 трильйонів доларів) прямо або побічно залежить від погодних умов, що впливають на виробництво продуктів харчування, транспорт і роздрібну торгівлю, серед іншого. Здатність краще передбачати погоду буде мати величезну перевагу для багатьох областей, не кажучи вже про додатковий час,що знадобиться для відновлення від стихійних лих.

Хоча вчені давно ламають голову над процесами погодообразования, рівняння, що стоять за ними, включають безліч змінних, сильно ускладнюючи класичне моделювання. Як зазначив квантовий дослідник Сет Ллойд, «використання класичного комп'ютера для такого аналізу займе стільки часу, що погода встигне змінитися». Тому Ллойд і його колеги з MIT показали, що рівняння, керуючі погодою, мають приховану хвильову природу, яку цілком вдасться розв'язати із застосуванням квантового комп'ютера.

Хартмут Невен, директор з розробок Google відзначив, що квантові комп'ютери можуть допомогти в створенні більш досконалих кліматичних моделей, які могли б дати нам більш глибоке уявлення про те, як люди впливають на навколишнє середовище. На основі цих моделей ми вибудовуємо наші уявлення про майбутнє потепління, і вони допомагають нам визначити кроки, які потрібні для запобігання стихійних лих.

Фізика частинок

Як не дивно, глибоке вивчення фізики із застосуванням квантових комп'ютерів може привести... до вивчення нової фізики. Моделі фізики елементарних частинок часто надзвичайно складні, вимагають великих рішень і задіють багато обчислювального часу для чисельного моделювання. Вони ідеально підійдуть для квантових комп'ютерів, і вчені вже поклали на них очей.

Вчені Університету Інсбрука та Інституту квантової оптики та квантової інформації (IQOQI) недавно використовували функціональну квантову систему для подібних маніпуляцій з моделями. Для цього вони взяли просту версію квантового комп'ютера, в якому іони роблять логічні операції, базові кроки в будь-якому комп'ютерному розрахунку. Моделювання показало прекрасне угоду з реальними, описаними фізикою, експериментами.

«Два цих підходи ідеально доповнюють один одного», говорить фізик-теоретик Пітер Цоллер. «Ми не можемо замінити експерименти, які проводяться на прискорювачах частинок. Але розвиваючи квантові симулятори, ми можемо якось краще зрозуміти ці експерименти».

Тепер інвестори намагаються проникнути в екосистему квантових обчислень, і не тільки в комп'ютерній індустрії: банки, аерокосмічні компанії, кібербезпека — всі вони виходять на гребінь обчислювальної революції.

У той час як квантові обчислення вже впливають на поля вище, цей список не вичерпний ні в якому разі, і це найцікавіше. Як буває з усіма новими технологіями, в майбутньому будуть з'являтися абсолютно немислимі програми, в такт з розвитком апаратних засобів.