Категорический императив кванта. Как новые компьютеры изменят жизнь
  • ТМТ

Категорический императив кванта. Как новые компьютеры изменят жизнь

  • 10 мин
  • 1 289

В октябре Google объявил о достижении «квантового превосходства»: созданный корпорацией квантовый компьютер за 200 секунд выполнил расчёт, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit от IBM понадобилось бы 10 тысяч лет (как предположили исследователи из отдела квантового искусственного интеллекта Google) или всего 2,5 дня (по версии немедленно возмутившейся IBM). Возникшая между IT-гигантами дискуссия тут же привлекла повышенный интерес к теме квантовых вычислений.

Квантовые вычисления

Квантовый компьютер использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. В отличие от обычного, он оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. В теории это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над двоичными компьютерами в ряде алгоритмов.

Квантовое превосходство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, недоступные классическим компьютерам или достигать результата намного быстрее.

В мире созданы первые квантовые симуляторы, демонстрирующие выдающиеся результаты на отдельных задачах. Есть первые квантовые компьютеры. Даже с облачным доступом. Но исход в гонке ещё не предопределён. Разработкой таких систем занимаются IBM, Google, Microsoft, Intel и китайская Alibaba. В ноябре «Росатом» объявил о планах создания к 2024 году отечественного квантового компьютера. Инвестиции в проект составят 23,7 млрд рублей, из которых 13,3 млрд придётся на бюджетные средства, а 10,4 млрд рублей планируется привлечь из иных источников.

Инвестиции «Росатома» в создание квантовых компьютеров

По большому счёту квантовые вычисления пока находятся на этапе завершения научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ. Рынок не сформирован, а области прикладных задач, в решении которых квантовые вычисления окажутся наиболее эффективными, до конца не определены, подчёркивает Сергей Абрамов, директор Института программных систем имени А. К. Айламазяна РАН.

Тем не менее именно квантовым вычислениям сегодня отводится роль по-настоящему прорывной технологии, способной обеспечить кардинальные сдвиги во всех сферах деятельности.

Кому и зачем это нужно

Говорить о каком бы то ни было «производстве» квантовых вычислительных систем (даже опытном) ещё рано, отмечают эксперты компании «Открытые Технологии», а об их выходе на рынок тем более. Квантовые вычисления находятся на этапе научных исследований, а для крупнейших ИТ-компаний участие в этом движении носит в основном имиджевый характер.

Тем не менее список потенциальных применений квантовых компьютеров уже весьма обширен. Моделирование поведения сложных молекул для разработки уникальных лекарств и упреждающая диагностика заболеваний. Появление новых материалов с уникальными характеристиками и защита информации (или, напротив, пугающая возможность взломать самую стойкую криптографическую защиту, основанную на нынешних подходах). Решение на лету сложных логистических задач, обучение нейросетей и «настоящий» искусственный интеллект… Во всех этих сферах применение квантовых компьютеров, как ожидается, способно привести не к линейным, «постепенным», а к революционным изменениям.

Но главное, попутно будут открываться новые возможности, предугадать которые практически невозможно. «Прогресс в сфере высокопроизводительных вычислений (и квантовые компьютеры в данном случае не исключение) напоминает „бег за морковкой“», — говорит Сергей Абрамов. Появляются более мощные компьютерные системы, их использование помогает выполнить те задачи, решение которых прежде было невозможным, после чего открываются новые горизонты. А, как известно, горизонт не более чем воображаемая линия между небом и землей, которая удаляется при приближении к ней.

Впрочем, частичное использование квантовых компьютеров возможно уже сегодня. «Microsoft совместно с Case Western Reserve University внедряет квантовые алгоритмы для повышения точности диагностики онкологических заболеваний на основе вариации подходов машинного обучения», — отмечает технологический евангелист Microsoft в России Дмитрий Сошников.

Единственное, чего эксперты не обещают в обозримом будущем, так это массовых «квантовых персоналок». Квантовые вычислительные системы — это, возможно, суперкомпьютеры будущего, но уж точно не «лаптопы завтрашнего дня», категоричны визионеры из Deloitte.

Вечная классика

Сегодня для решения самых сложных и ресурсоёмких вычислительных задач применяются суперкомпьютеры, возможности которых становятся всё более востребованными при решении не только научных, но и рыночных задач. Так, в ноябре 2019 года Сбербанк представил самый производительный российский суперкомпьютер Christofari (названный так в честь первого клиента сберегательных касс России Николая Кристофари), возможности которого будут доступны пользователям облачного сервиса SberCloud. «У бизнеса, государства, научных организаций есть потребность в высокопроизводительных вычислительных мощностях суперкомпьютера для работы с алгоритмами искусственного интеллекта. Облако делает их доступными компаниям вне зависимости от их размера», — подчеркивает Давид Рафаловский, исполнительный вице-президент «СТО Сбербанк Груп», руководитель блока «Технологии».

Сергей Абрамов напоминает, что масштабный международный проект по исследованию генома человека удалось успешно реализовать именно благодаря суперкомпьютерам. В 2014 году задача была решена, а все достигнутые результаты, что называется, ушли на рынок.

Каков нынешний «большой вызов»? Один из примеров — моделирование человеческого мозга. Подобные исследования, рассчитанные на 10—15 лет и привлекающие финансирование в десятки миллиардов долларов, стартовали в США, Японии, Китае и Евросоюзе (Human Brain Project). Но для решения этой задачи требуются более мощные суперкомпьютеры, чем те, что применяются сегодня.

Заменят ли квантовые вычислительные системы «классические» суперкомпьютеры в «пост-Муровскую эру» (то есть после того, как перестал действовать выведенный сооснователем Intel Гордоном Муром эмпирический закон, согласно которому вычислительная мощность компьютеров экспоненциально увеличивается каждые два года)? Скорее дополнят, полагает Сергей Абрамов. Тем более, что квантовые технологии — чрезвычайно перспективный, но далеко не единственный подход к развитию высокопроизводительных вычислительных систем. У каждой архитектуры есть свои плюсы и минусы. Одни задачи принципиально новые классы компьютеров будут щёлкать как орехи. Другие же могут оказаться для них костью в горле.

Когда ждать результатов?

Эксперты «Открытых Технологий» уверены: в перспективе благодаря квантовым компьютерам мы получим колоссальный рост эффективности для решения отдельного ряда задач, что приведёт к изменению взгляда на мир вычислений в принципе и перераспределению акцентов при построении вычислительных систем в сторону квантовых решений.

Но мгновенного прорыва в сфере квантовых вычислительных систем не ожидается. В конце концов, на повсеместное распространение привычных нам компьютеров, основные принципы работы которых были заложены Джоном фон Нейманом ещё в 1940-х, потребовалось почти 80 лет. Впрочем, в случае с квантовыми вычислениями путь от первых исследований и прототипов до полноценного выхода на рынок может занять меньше времени.

Квантовая трансформация

В каких отраслях применение квантовых компьютеров приведёт к наиболее заметным результатам

Информационная безопасность

Ежегодные объёмы рынка «квантовых» решений в сфере информационной безопасности уже в течение ближайшего десятилетия могут составить сотни миллионов долларов. Ожидается, что квантовые компьютеры позволят расколоть любую современную криптографическую защиту. Неслучайно аналитики советуют государственным структурам и бизнесу (особенно в таких сферах, как финансы, энергетика и здравоохранение) уже сегодня всерьёз задуматься о мерах защиты от злоумышленников, в руках которых могут оказаться «квантовые отмычки», открывающие любой цифровой замок.

Энергетика

Оптимизация энергетических сетей далеко не единственное направление использования квантовых вычислений. Возможно, расточительному человечеству удастся решить куда более важную задачу, перейдя к по-настоящему рациональному использованию природных ресурсов планеты.

Химия и биология

Использование квантовых компьютеров, вероятно, позволит быстро моделировать и создавать материалы и лекарства с заранее заданными свойствами на атомарном и молекулярном уровне, предложить новые методы лечения, повысить точность генного картирования и наконец-то реализовать на практике ожидания, связанные с возможностями персонализированной медицины.

Финансовый сектор

Банки и другие участники финансового сектора могут получить в своё распоряжение куда более точные инструменты аналитики, оптимизации портфелей, стратегий трейдинга и предотвращения мошенничества.

Автомобилестроение

С не меньшим интересом за развитием событий в сфере квантовых вычислений следят крупнейшие игроки автомобильного рынка, ожидающие новых возможностей в решении таких задач, как интеллектуальное управление трафиком, массовое внедрение автономных транспортных средств и разработка аккумуляторных батарей следующего поколения для электромобилей.

Транспорт и логистика

В этом секторе наиболее вероятными сферами применения квантовых компьютеров станут оптимизация маршрутов, управление расписаниями, снижение расхода топлива и ускоренная разработка компонентов для нового поколения воздушных судов.

Медиа

В сфере массовых коммуникаций квантовые вычисления могут стать основой для увеличения доходов, в том числе благодаря созданию более эффективных моделей управления рекламным контентом и его таргетирования.

Менеджмент

В будущем квантовые компьютеры, возможно, не только предоставят новые возможности для эффективного решения наиболее сложных управленческих задач (таких как риск-менеджмент, предсказание поведения отдельных рынков, планирование и оптимизация производства), но и спровоцируют пересборку нынешних бизнес-моделей, а вместе с ней — переход бизнеса к «квантовому мышлению».

Кросс-индустриальные применения

Оптимизация поставок и товаропроводящих цепочек, ускоренное машинное обучение, сильный искусственный интеллект, точное распознавание образов и изображений… Вот лишь неполный список ожиданий, которые связывают представители самых разных отраслей с перспективами развития квантовых компьютеров.

Взаимодействие между бизнесом и наукой

Процесс развития квантовых компьютеров уже приводит к расширению и углублению контактов между крупным бизнесом и ведущими техническими университетами.

Государственное управление

Предсказание климатических и погодных изменений, защищённые коммуникации, моделирование дорожного трафика, полноценная реализация концепции «умных городов», национальная безопасность. И это только самые очевидные позиции в «квантовом меню» ближайшего будущего, которые пора учитывать политикам и чиновникам.

Источник: использованы материалы Deloitte и KPMG

Читайте ещё