Первое, что нужно знать о квантовых вычислениях, — это то, что они не заменят традиционные или «классические» вычисления. Второе, что нужно знать: квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии и, вероятно, не будут готовы к использованию в прайм-тайм еще несколько лет.
И третье, что вам следует знать? Пришло время начать защищать безопасность ваших данных от квантовых компьютеров .
Вот обзор того, что вам следует знать о квантовых вычислениях.
Объяснение квантовых вычислений
Классические компьютеры, которые мы использовали на протяжении десятилетий, используют последовательность двоичных битов. Каждый бит всегда находится в одном из двух определенных состояний – 0 или 1 – которые действуют как переключатели включения и выключения для управления функциями компьютера. Напротив, квантовый компьютер использует квантовые биты или кубиты. Каждый кубит может одновременно представлять как 0, так и 1. Следовательно, квантовые компьютеры могут хранить гораздо больше информации, чем классические компьютеры, и потенциально способны обрабатывать огромные объемы параллельных вычислений за считанные секунды — намного быстрее, чем самые быстрые классические компьютеры.
Термины квантовых вычислений
Вкратце, следует знать несколько терминов, связанных с квантовыми вычислениями:
Квантовая механика , она же квантовая физика. Теория в физике, описывающая природу с точки зрения атомов и субатомных частиц. Квантовые компьютеры основаны на квантовомеханических явлениях, таких как суперпозиция и запутанность.
Суперпозиция. Кубит может быть более чем одним объектом одновременно благодаря принципу квантовой механики, называемому суперпозицией. «Суперпозиция придает квантовым компьютерам скорость и параллелизм, позволяя им одновременно выполнять миллионы вычислений», — говорит Мэтью Брисс , вице-президент по исследованиям центров обработки данных и облачной инфраструктуры службы Gartner для технических специалистов.
Другими словами: согласно классическому компьютерному биту, кошка либо мертва, либо жива. Благодаря кубиту квантового компьютера кот может быть одновременно мертвым и живым благодаря суперпозиции. (За эту аналогию, которую часто используют, когда объясняют квантовые вычисления, мы можем поблагодарить австрийского физика, который в 1935 году разработал мысленный эксперимент с котом Шрёдингера )
Запутанность — это когда кубиты связаны с другими кубитами, так что состояние одного кубита может зависеть от состояния другого. Благодаря запутанности в сочетании с суперпозицией квантовые компьютеры могут одновременно обрабатывать огромное количество возможных результатов.
Итог: «Благодаря квантовым вычислениям мы можем делать в массивно-параллельных системах то, что раньше было невозможно», — говорит Брисс.
Истоки квантовых вычислений
Во время лекции 1959 года физик Ричард Фейнман, который участвовал в разработке атомной бомбы во время Второй мировой войны, поднял вопрос о возможности квантовых вычислений. В начале 1980-х годов концепция квантовых вычислений начала обсуждаться благодаря работам Фейнмана, Пола Бениоффа и других.
«К началу 1980-х годов стало ясно, что в дополнение к традиционным вычислениям мы можем выполнять вычисления, используя правила квантовой механики», — говорит Боб Висниефф , технический директор IBM по квантовым вычислениям. «Вопрос заключался в том, если бы у вас был компьютер, построенный на основе квантовой механики, какие виды вычислений можно было бы выполнять проще и быстрее? Этот вопрос положил начало исследованиям в области квантовых вычислений в IBM».
Почему мы сейчас говорим о квантовых вычислениях
Конечно, квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии. По словам Бриссе, только 1 процент организаций выделяют бюджет на проекты квантовых вычислений. Но ожидается, что к 2023 году этот показатель вырастет до 20 процентов.
Итак, почему же квантовые вычисления сейчас появляются на экранах наших радаров?
«Мы приближаемся к пределу возможностей классического компьютера», — говорит Ашиш Надкарни , вице-президент программы вычислительных платформ, всемирной инфраструктуры IDC. Многие (хотя и не все) эксперты полагают, что феномен закона Мура подходит к концу или, по крайней мере, замедляется. В то же время все большее число компаний, таких как Google, испытывают «ненасытную потребность в вычислительных мощностях», говорит Надкарни. Таким образом, растет интерес к квантовым вычислениям.
Приложения квантовых вычислений
В настоящее время квантовые компьютеры могут запускать лишь ограниченные бизнес-приложения и определенные квантовые алгоритмы. Некоторые полагают, что квантовые компьютеры всегда будут специализированными, а не универсальными. И большинство экспертов в этой области говорят, что квантовые компьютеры будут интегрироваться и работать с классическими компьютерами, а не заменять их.
Учитывая это, квантовые компьютеры, скорее всего, будут использоваться, когда требуется обработать огромный объем данных за считанные секунды. «Компании, предоставляющие финансовые услуги, могли бы извлечь выгоду из квантовых вычислений, особенно в сфере услуг, в которых объем данных, связанных со сделками, велик, и они хотят моделировать результаты за считанные секунды», — говорит Надкарни.
Другие возможные области применения: исследования лекарств и биотехнологий, редактирование и моделирование генов, квантовая химия, искусственный интеллект, анализ трафика, прогнозирование погоды и криптография.
«Квантовые компьютеры будут особенно хороши в решении больших задач оптимизации, таких как логистика доставки», — говорит Брисс.
Квантовые вычисления и IBM
IBM входит в число гигантов классических вычислений, которые являются пионерами в зарождающейся области квантовых вычислений. Компания помогла создать область квантовых вычислений, и на протяжении десятилетий это была важная область исследований для компании.
4 мая 2016 года IBM анонсировала IBM Quantum Experience (сокращенно от IBM Q Experience), первое в мире предложение квантовых вычислений как услуги (QCaaS), которое позволяет широкой публике подключаться к квантовым компьютерам IBM через облако. Цель: дать пользователям возможность проводить эксперименты, изучать учебные пособия и моделировать и иным образом ощущать вкус квантовых вычислений.
Первоначально компания IBM Q Experience предоставила доступ к 5-кубитному квантовому компьютеру IBM Q, расположенному в исследовательском центре IBM TJ Watson в Нью-Йорке. С тех пор Q Experience также предлагает доступ к 16-кубитным системам.
Кроме того, в декабре 2017 года IBM запустила IBM Q Network — глобальный консорциум предприятий, исследовательских лабораторий и академических организаций из списка Fortune 500, занимающихся исследованием практических приложений квантовых вычислений для бизнеса и науки.
По данным IBM, на момент написания этой статьи 80 000 пользователей IBM Q Experience провели более 4 миллионов экспериментов и опубликовали более 65 исследовательских публикаций.
Среди других игроков в области квантовых вычислений — Google, Intel, Microsoft и такие стартапы, как Rigetti Computing, D-Wave Systems, Inc. и Zapata Computing.
Что предприятиям следует сделать, чтобы подготовиться к квантовым вычислениям
Переходите к квантовобезопасному шифрованию. Поскольку они могут обрабатывать беспрецедентные объемы чисел практически в кратчайшие сроки, квантовым компьютерам приходится заламывать руки, чтобы однажды взломать даже самые надежные методы шифрования, доступные сегодня.
«Если у вас достаточно большая машина, квантовый компьютер может мгновенно взломать любое шифрование», — говорит Арвинд Кришна , старший вице-президент Hybrid Cloud и директор по исследованиям IBM. Он прогнозирует, что этого не произойдет в течение как минимум пяти лет. Тем не менее, любой, кто хочет гарантировать безопасность данных своей организации в течение более 10 лет, должен уже сейчас начать переходить к квантовобезопасному шифрованию, такому как решетчатая криптография . (Кришна сделал свои комментарии 15 мая в Сан-Франциско во время форума по квантовым вычислениям, организованного Клубом Черчилля .)
Дальнейшее чтение:
«Почему квантовые вычисления ошеломили мир кибербезопасности»
Рассмотрим квантовые вычисления как услугу (QCaaS) вместо инвестиций в квантовые компьютеры. Учитывая, как быстро меняются технологии квантовых вычислений, большинство экспертов полагают, что организации будут подписываться на предложения QCaaS. «Все это с оплатой по мере использования, без каких-либо капитальных затрат», — говорит Надкарни.
Ищите проблемы, которые вы не можете решить на классическом компьютере. Пытаясь решить, подходят ли квантовые вычисления для вашей организации, начните с того, что спросите своих специалистов по обработке данных, есть ли проблемы, которые они сегодня не могут решить с помощью классических компьютеров, — говорит Брисс. «Эти проблемы — отличные кандидаты на роль квантовых компьютеров».
Начните обучать себя или свою команду прямо сейчас. По словам Висниеффа, около 1500 школ по всему миру предлагают курсы по квантовым вычислениям в рамках своей учебной программы, и доступность онлайн-обучения резко растет. Разумеется, образование будет иметь важное значение для будущего квантовых вычислений. «Не будет никаких квантовых вычислений без образованной рабочей силы», — добавляет он.
Потерпи. «Мы смотрим на пятилетний горизонт, прежде чем квантовые вычисления действительно получат распространение, и в течение этого времени мы начнем видеть приложения, в которых квантовые компьютеры действительно смогут предложить некоторый уровень квантового преимущества (или квантового превосходства), — говорит Висниефф.
Действовать с осторожностью. «Существует так много различных методов квантовых вычислений, нет единого стандарта, все процессоры сейчас являются одноразовыми», — говорит Брисс. «В этот момент мы буквально включаем цепь и кричим: «Ууууу, у нас есть цепь!» В итоге мы не знаем того, чего еще не знаем о квантовых вычислениях. Это может быть неразбериха, вроде холодного синтеза, а может быть и кошачье мяуканье».
Возможно, это даже может быть мяуканье кота Шрёдингера.