Въпрос за трилион: на какво ще са способни квантовите компютри?
Изчисленията, извършвани от съвременните компютри имат ограничения по отношение на една важна категория, а именно в областта на комбинаториката, при които са много важни комбинаторните конфигурации и търсенето на оптимални решения. Тези сложни итеративни изчисления могат да отнемат изключително много време дори на най-бързите съвременни компютри. Квантовите компютрите и софтуерът към тях, които се основават на предположенията на квантовата механика, имат потенциала да извършват комбинаторни и други изчисления много по-бързо. В резултат на това много компании вече инвестират в тази технология. Засега най-известните и вероятни приложения включват киберсигурността, биоинженерство, изкуствения интелект , финансите и сложните производства, но специалистите очакват, че и в много други области, даже най-неочаквани, ще се открият нови възможности благодарение на квантовите компютри.
Квантовите технологии набират все по-голяма популярност. Goldman Sachs наскоро обяви, че може да внедри квантови алгоритми за оценка на финансови инструменти само след пет години. В Honeywell очакват квантовата индустрия да достигне трилион долара през следващите няколко десетилетия. Но защо корпорациите се нуждаят от всичко това, особено като се има предвид, че преди появата на търговски квантови компютри могат да минат доста години?
За да се отговори на този въпрос, трябва да се разбере какво точно могат и ще могат да правят такива компютри.
Първо, нека поговорим за цифровите технологии, които са налични сега. Обикновеният компютър е преди всичко аритметична машина. Компютрите направиха аритметичните изчисления по-евтини и повлияха значително на обществото. С напредването на технологиите и програмирането се появиха много начини да се използват компютрите за създаването на различни продукти и услуги. Компютрите в момента са навсякъде – в съвременните автомобили, в съдомиялните машини и в бойлерите, без да говорим за смартфоните и интернет. И накрая, без компютри нямаше да кацнем на Луната и да изстрелваме спътници и ракети.
Компютрите работят с двоичен код (единици и нули), чийто обем се измерва в битове или байтове. Колкото по-сложен е този код, толкова повече изчислителна мощност е необходима за него и толкова повече време е нужно в процеса на изчисляване. Следователно, въпреки че компютрите вече са се научили да решават най-разнообразни задачи – от шофиране на автомобили до игра на шах на ниво гросмайстор – все още има някои проблеми, с които дори разпределените мрежи от милиони компютри не могат да се справят.
Една от разновидностите на тези проблеми е комбинаториката, тоест намирането на оптималната комбинация от елементи за дадена конкретна цел. С увеличаването на броя на елементите броят на възможните комбинации се увеличава експоненциално. За да намерят най-доброто решение, съвременните компютри трябва да изчислят всяка възможност и след това да изберат коя от тях е най-подходящата за дадената цел. Това често изисква много дълги изчисление (както, например, в случай на разбиване на пароли). Както може да се предположи, проблемът с комбинаториката засяга много области, от финансите до фармацевтиката. В допълнение, това е една от основните пречки, ограничаващи развитието на изкуствения интелект.
Именно тук квантовите компютри могат да помогнат. Както конвенционалните компютри са намалили разходите за аритметични изчисления, така и квантовите компютри могат да намалят разходите за комбинаторни изчисления.
Ползите от квантовите компютри
Квантовите компютри (и програмите за тях) се основават на напълно различен модел на света. В класическата физика състоянията на обекта са ясно дефинирани. В света на квантовата механика само наблюдението може да определи състоянието на даден квантов обект. До този момент състоянията на обектите и взаимоотношенията между тях могат да се интерпретират само вероятностно. От изчислителна гледна точка това означава, че данните се записват и съхраняват по различен начин – не под формата на двоични битове и байтове, а под формата на така наречените кюбити, които отразяват цялото разнообразие от възможни квантови състояния. Това ви позволява да ускорите и намалите разходите за комбинаторни изчисления.
Може да изглежда, че всичко това е твърде сложно и действително е така. Дори физиците, занимаващи се с физика на елементарните частици, понякога трудно разбират и обясняват квантовата механика и изумителните свойства в света на субатомните частици. Но от друга страна квантовата механика обяснява по-добре много аспекти на нашия свят, отколкото класическата физика и с нея се съгласуват почти всички теории в съвременната физика.
От гледна точка на бизнеса „квантовите компютри“ са устройства и програми, които трябва да могат да правят всичко, което е в във възможностите на обикновените компютри, но и още нещо много важно – да извършват комбинаторни изчисления. Това ще изиграе ключова роля в много различни и важни отрасли на индустрията. В някои случаи предварително е известно, че комбинаториката ще има ключова роля в такива сфери, като:
– Химическо и биологично инженерство. Една от най-важните задачи в химическото и биологичното инженерство е търсенето на молекули с определени свойства и работата с тях. Това от своя страна предполага да се вземат предвид движенията и взаимодействията на субатомните частици или, с други думи, квантовата механика. Моделирането на процесите в квантовата механика е бил основният проблем, заради който навремето сър Ричард Файнман е предложил създаването на квантов компютър. Колкото по-сложни стават молекулите, толкова повече стават възможните комбинации и изчисленията стават комбинаторни, тоест идеално подхождащи за квантовите компютри. Те вече показаха, че могат успешно да изчисляват прости химични реакции и в близко бъдеще могат да се очакват все по-сложни химически симулации. Тъй като квантовите симулации стават все по-достъпни, това ще позволи прогнозиране на свойствата на новите молекули и инженерите ще могат да изчисляват молекулни конфигурации, които иначе биха били трудни за моделиране. По този начин квантовите компютри ще играят важна роля за ускоряване разработването на нови материали и лекарства.
– Киберзащита. Комбинаториката играе ключова роля в криптирането от хиляди години насам. Още през 8 век н.е арабският учен Халил ибн Ахмад Ал-Фарахиди е написал „Книга за тайните съобщения“ (“Book of Cryptographic Messages”), където описва пермутациите и комбинациите от думи. Съвременното криптиране също се основава на комбинаториката, или по-скоро на предпоставката, че комбинаторните изчисления са практически невъзможни. Но с навлизането на квантовите изчисления разбиването на шифри ще стане много по-лесно и това представлява заплаха за сигурността на данните. Тази нова индустрия ще се разраства, за да помогне на компаниите да се подготвят за тази нова уязвимост.
Тъй като все повече хора обръщат внимание на потенциала на квантовите изчисления, вече възникват и други приложения за него:
– Изкуствен интелект (ИИ). Квантовите изчисления могат да отворят нови възможности за изкуствения интелект, което често изисква комбинаторна обработка на огромни масиви от данни в търсенето на по-добри решения и прогнози (например за лицево разпознаване или откриване на измами). Друга развиваща и растяща област е и ще бъде квантовото машинно обучение, където специалистите търсят възможности за ускоряване на ИИ, благодарение на квантовите алгоритми. Засега тези технологии и програми са с доста ограничени възможности, така че силният изкуствен интелект, базиращ се на квантови алгоритми, е малко вероятен даже и в сравнително далечна перспектива, но все пак вече не е научна фантастика.
– Финансови услуги. Финансите бяха една от първите индустрии, използваща големи масиви от данни (big data). Освен това оценката на сложни активи (например опциите върху акции) често изисква комбинаторни изчисления. Например в Goldman Sachs за оценка на своите финансови деривати използват много сложна изчислителна система, на базата на „Метода Монте Карло“, която позволява да се правят прогнози въз основа на симулирани промени на пазара. Изчислителната скорост винаги е била важно предимство на финансовите пазари, където може да става въпрос за милисекунди (например, когато хедж фондовете търсят информация за цените). Квантовите алгоритми могат да ускорят важна част от тези изчисления.
– Сложни производства. Квантовите компютри могат да бъдат полезни за анализ на големи масиви от производствени данни и възможни грешки , като ги преобразуват в комбинаторни задачи. Те ще помагат да се определи в коя част от даден сложен производствен процес има проблеми, които биха довели до дефекти и повреди на продукта. Това от своя страна може да помогне за намаляване на скъпите грешки при производството на сложни продукти, като микросхеми, разработването на които може да включва хиляди стъпки на проектиране.
Квантовите компютри ще могат по-бързо и по-евтино да решават сложни комбинаторни проблеми. Именно по тази причина в последните години те са привлекли и продължават да привличат многомилиардни инвестиции. Но може би друга още по-важна и предизвикателна възможност е търсенето на нови задачи, които ще могат да се възползват от квантовите решения.
Професорът от Университета в Торонто Алън Аспуру-Гузик, който активно работи в областта на квантовите компютри, смята, че тук има „много място за въображение, интуиция и приключения“.
