8 Aplicații și exemple de calcul cuantic

Încet, dar sigur, calculul cuantic se pregătește pentru prim-planul său.

Google a ținut prima pagină a ziarelor în octombrie, când a proclamat că a realizat descoperirea mult așteptată a „supremației cuantice”. Acesta este momentul în care un computer cuantic este capabil să îndeplinească o sarcină pe care un computer convențional nu o poate face. În orice caz, nu într-un interval de timp practic. De exemplu, Google a afirmat că problema de test pe care a rulat-o ar fi necesitat mii de ani pentru a fi rezolvată de un computer clasic – deși unii critici și concurenți au calificat această afirmație drept o exagerare grosolană.

IBM, în primul rând, nu a fost de acord. Celălalt mare jucător în domeniul cuantic, a postat prompt un răspuns în care susținea, în esență, că Google a subestimat forța supercomputerelor IBM – care, deși sunt extrem de rapide, nu sunt de tipul cuantic.

Tech giant head-butting aside, Google’s achievement was a genuine milestone — one that further established quantum computing in the broader consciousness and prompted more people to wonder, What will these things actually do?

But even once quantum computing reigns supreme, its potential impact remains largely theoretical — hence the hedging throughout in this article. That’s more a reflection, though, of QC’s still-fledgling status than unfulfilled promise.

Before commercial-scale quantum computing is a thing, however, researchers must clear some major hurdles. Principalul dintre ele: creșterea numărului de qubiți, unitățile de informație pe care calculatoarele cuantice le folosesc pentru a îndeplini sarcini. În timp ce „biții” calculatoarelor clasice există sub formă de 1s sau 0s, qubiții pot fi oricare dintre acestea – sau ambele simultan. Aceasta este cheia pentru viteze de procesare masiv mai mari, care sunt necesare pentru a simula mecanica cuantică la nivel molecular.

În ciuda naturii încă ipotetice a cuanticului și a drumului lung de parcurs, predicțiile și investițiile abundă. Directorul general al Google, Sundar Pichai, a comparat recenta demonstrație de concept a companiei sale cu zborul de 12 secunde al fraților Wright: deși foarte elementar și de scurtă durată, a demonstrat ce este posibil. Iar ceea ce este posibil, spun experții, este într-adevăr impresionant.

De la securitatea cibernetică la cercetarea farmaceutică și până la finanțe, iată câteva moduri în care cuantica va facilita progresele majore.

Post-Quantum

Localizare: Londra

Cum se utilizează informatica cuantică: Pentru candidatul la președinție Andrew Yang, piatra de hotar cuantică a Google a însemnat că „niciun cod nu mai este de spart”. El se referea la ideea mult discutată că puterea de factorizare fără precedent a computerelor cuantice ar submina grav sistemele obișnuite de criptare a internetului.

Dar dispozitivul Google (la fel ca toate dispozitivele QC actuale) este mult prea predispus la erori pentru a reprezenta o amenințare imediată la adresa securității cibernetice, așa cum a sugerat Yang. De fapt, potrivit informaticianului teoretician Scott Aaronson, un astfel de aparat nu va exista pentru o perioadă destul de lungă de timp. Dar pericolul iminent este serios. Iar eforturile de ani de zile în direcția algoritmilor rezistenți la cuantică – cum ar fi competiția în curs de desfășurare a Institutului Național de Standarde și Tehnologie pentru construirea unor astfel de modele – ilustrează cât de serios ia amenințarea comunitatea de securitate.

Unul dintre cei doar 26 de așa-numiți algoritmi post-cuantici care au ajuns în „semifinalele” NIST provine, în mod corespunzător, de la Post-Quantum, lider în domeniul securității cibernetice cu sediul în Marea Britanie. Experții spun că procesul atent și deliberat exemplificat de proiectul NIST este exact ceea ce are nevoie securitatea axată pe cuantice. După cum a declarat Dr. Deborah Franke de la Agenția Națională de Securitate pentru Nextgov, „Există două moduri în care ai putea face o greșeală cu criptarea rezistentă la cuantică: Una este că ai putea să sari la algoritm prea devreme, iar cealaltă este să sari la algoritm prea târziu.”

ProteinQure

Localizare: Toronto

Cum folosește calculul cuantic: „Adevăratul entuziasm în legătură cu informatica cuantică este că universul funcționează în mod fundamental într-un mod cuantic, astfel încât veți putea înțelege mai bine natura”, a declarat Pichai de la Google pentru MIT Technology Review în urma anunțului recent al companiei sale. „Este la început, dar unde strălucește mecanica cuantică este capacitatea de a simula moleculele, procesele moleculare, și cred că acolo va fi cea mai puternică. Descoperirea medicamentelor este un exemplu excelent.”

O companie care își concentrează puterea de calcul pe simularea moleculară, în special pe comportamentul proteinelor, este startup-ul biotehnologic ProteinQure, cu sediul în Toronto. Cu o finanțare inițială recentă de 4 milioane de dolari, aceasta se asociază cu lideri în domeniul calculului cuantic (IBM, Microsoft și Rigetti Computing) și cu unități de cercetare farmaceutică (SRI International, AstraZeneca) pentru a explora potențialul QC în modelarea proteinelor.

Aceasta este calea profund complexă, dar cu randament ridicat, a dezvoltării de medicamente, în care proteinele sunt modificate în scopuri medicale specifice. Deși este mult mai precisă decât vechea metodă de tip „trial-and-error” de a efectua experimente chimice, este infinit mai dificilă din punct de vedere computațional. După cum a observat Boston Consulting Group, simpla modelare a unei molecule de penicilină ar necesita un computer clasic imposibil de mare, cu biți de 10 la 86 de putere. Pentru computerele cuantice avansate, însă, același proces ar putea fi o nimica toată – și ar putea duce la descoperirea de noi medicamente pentru boli grave precum cancerul, Alzheimer și bolile de inimă.

Cambridge, Mass.-based Biogen este o altă companie notabilă care explorează capacitatea calculatorului cuantic pentru dezvoltarea de medicamente. Concentrată pe cercetarea bolilor neurologice, firma de biotehnologie a anunțat un parteneriat în 2017 cu startup-ul cuantic 1QBit și Accenture.

Relaționat20 de companii de calcul cuantic care fac descoperiri uluitoare

Daimler AG

Localizare: Stuttgart, Germania

Cum utilizează informatica cuantică: Potențialul QC de a simula mecanica cuantică ar putea fi la fel de transformator și în alte domenii legate de chimie, dincolo de dezvoltarea medicamentelor. Industria auto, de exemplu, dorește să exploateze tehnologia pentru a construi baterii auto mai bune.

În 2018, producătorul auto german Daimler AG (compania-mamă a Mercedes-Benz) a anunțat două parteneriate distincte cu două mari puteri ale calculului cuantic, Google și IBM. Vehiculele electrice se bazează „în principal pe o chimie celulară a bateriilor care să funcționeze bine”, scria compania în revista sa de la acea vreme. Calculul cuantic, a adăugat aceasta, inspiră „speranțe justificate” pentru „rezultate inițiale” în domenii precum simularea celulară și îmbătrânirea celulelor de baterii. Îmbunătățirea bateriilor pentru vehiculele electrice ar putea contribui la creșterea adoptării acestor vehicule.

Daimler analizează, de asemenea, modul în care QC ar putea, potențial, supraîncărca inteligența artificială, plus să gestioneze un viitor de trafic cu vehicule autonome și să își accelereze logistica. Aceasta calcă pe urmele unui alt mare brand teuton de transport teuton: Volkswagen. În 2017, producătorul auto a anunțat un parteneriat cu Google axat pe inițiative similare. De asemenea, s-a asociat și cu D-Wave Systems, în 2018.

Volkswagen Group

Localizare: În prezent, Volkswagen Group se află în apropiere de București: Wolfsburg, Germania

Cum utilizează informatica cuantică: Explorarea optimizării de către Volkswagen aduce în discuție un aspect care merită subliniat: În ciuda unor încadrări comune, principala descoperire a calculului cuantic nu este doar viteza cu care va rezolva provocările, ci și tipurile de provocări pe care le va rezolva.

Problema „comis-voiajorului călător”, de exemplu, este una dintre cele mai cunoscute în domeniul calculului. Ea urmărește să determine cea mai scurtă rută posibilă între mai multe orașe, trecând o dată prin fiecare oraș și revenind la punctul de plecare. Cunoscută ca o problemă de optimizare, este incredibil de dificil de abordat pentru un calculator clasic. Cu toate acestea, pentru QC-uri complet realizate, ar putea fi floare la ureche.

D-Wave și VW au derulat deja programe pilot privind o serie de provocări de optimizare legate de trafic și călătorii, inclusiv eficientizarea fluxurilor de trafic în Beijing, Barcelona și, chiar luna aceasta, Lisabona. Pentru aceasta din urmă, o flotă de autobuze a călătorit de-a lungul unor rute distincte care au fost adaptate la condițiile de trafic în timp real prin intermediul unui algoritm cuantic, pe care VW continuă să îl ajusteze după fiecare încercare. Potrivit directorului general al D-Wave, Vern Brownell, proiectul pilot al companiei „ne aduce mai aproape ca niciodată de realizarea unui sistem de calcul cuantic adevărat și practic”.

JPMorgan Chase

Localizare: NYC

Cum utilizează informatica cuantică: Lista de parteneri care alcătuiesc așa-numita rețea cuantică a Microsoft include o serie de universități de cercetare și unități tehnice axate pe cuantificare, dar foarte puține filiale de afaceri. Cu toate acestea, două dintre cele cinci – NatWest și Willis Towers Watson – sunt interese bancare. În mod similar, în cadrul Rețelei Q a IBM, JPMorgan Chase iese în evidență printre o mare de membri axați pe tehnologie, precum și instituții guvernamentale și instituții de cercetare din învățământul superior.

Că societățile de servicii financiare extrem de profitabile ar dori să profite de o tehnologie care schimbă paradigma nu este deloc un șoc, dar modelarea cuantică și cea financiară sunt o potrivire cu adevărat naturală datorită asemănărilor structurale. După cum a scris un grup de cercetători europeni anul trecut, „întreaga piață financiară poate fi modelată ca un proces cuantic, în care cantitățile care sunt importante pentru finanțe, cum ar fi matricea de covarianță, apar în mod natural.”

O mulțime de cercetări recente s-au concentrat în mod special pe potențialul cuantic de a accelera în mod dramatic așa-numitul model Monte Carlo, care măsoară, în esență, probabilitatea diverselor rezultate și riscurile corespunzătoare acestora. O lucrare din 2019, scrisă în colaborare de cercetătorii IBM și de membrii echipei de cercetare cantitativă a JPMorgan, a inclus o metodologie de stabilire a prețului contractelor de opțiuni cu ajutorul unui calculator cuantic.

În afară de aplicația sa aparent clară de evaluare a riscurilor, cuantica în finanțe ar putea avea un viitor amplu. „Dacă am avea astăzi, ce am face?” se întreabă Nikitas Stamatopoulos, un coautor al lucrării privind prețul-opțiunilor. „Răspunsul de astăzi nu este foarte clar.”

Microsoft

Localizare: Redmond, Wash.

Cum utilizează informatica cuantică: Lumea are o problemă cu îngrășămintele care se extinde dincolo de o supraabundență de rahat. O mare parte din îngrășămintele planetei sunt fabricate prin încălzirea și presurizarea azotului atmosferic în amoniac, un proces inițiat la începutul anilor 1900 de către chimistul german Fritz Haber.

Așa-numitul proces Haber, deși revoluționar, s-a dovedit a fi destul de consumator de energie: aproximativ trei la sută din producția anuală de energie la nivel mondial este destinată funcționării Haber, ceea ce reprezintă mai mult de unu la sută din emisiile de gaze cu efect de seră. Ceea ce este și mai enervant, unele bacterii realizează acest proces în mod natural – pur și simplu nu avem nicio idee cum și, prin urmare, nu îl putem valorifica.

Cu toate acestea, cu un calculator cuantic adecvat, am putea probabil să ne dăm seama cum – și, făcând acest lucru, să economisim semnificativ energia. În 2017, cercetătorii de la Microsoft au izolat molecula cofactor care este necesară pentru a simula. Și vor face acest lucru imediat ce hardware-ul cuantic va avea un număr suficient de qubiți și o stabilizare a zgomotului. Directorul general al Google a declarat recent la MIT că el crede că îmbunătățirea cuantică a lui Haber este la aproximativ un deceniu distanță.

IBM

Localizare: Armonk, New York

Cum utilizează informatica cuantică: Cercetările recente pentru a afla dacă informatica cuantică ar putea îmbunătăți considerabil predicția meteo au determinat… este un subiect care merită cercetat! Și, deși avem încă o înțelegere redusă a acestei relații, mulți din domeniul QC o consideră un caz de utilizare notabilă.

Ray Johnson, fostul CTO la Lockheed Martin și acum director independent la Rigetti Computing, un startup cuantic, se numără printre cei care au indicat că metoda de calcul simultan (mai degrabă decât secvențial) a calculului cuantic va avea probabil succes în „analiza sistemului foarte, foarte complex de variabile care este vremea”. Futuristul Bernard Marr s-a făcut ecoul acestui sentiment.

În timp ce în prezent folosim unele dintre cele mai puternice supercalculatoare din lume pentru a modela prognoze meteo de înaltă rezoluție, predicția numerică precisă a vremii este, în mod notoriu, dificilă. De fapt, probabil că nu a trecut atât de mult timp de când nu ați mai înjurat un meteorolog care a ieșit din comun.

Rigetti Computing

Localizare: Berkeley, California.

Cum se utilizează informatica cuantică: Calculul cuantic și inteligența artificială ar putea să se dovedească a fi reciproc șiretlicuri de spate. După cum a explicat recent VentureBeat, progresele în învățarea profundă vor spori probabil înțelegerea noastră a mecanicii cuantice, în timp ce, în același timp, computerele cuantice pe deplin realizate ar putea să le depășească cu mult pe cele convenționale în recunoașterea modelelor de date. În ceea ce privește acest din urmă aspect, echipa de cercetare cuantică a IBM a descoperit recent că încurcarea qubiților pe calculatorul cuantic care a efectuat un experiment de clasificare a datelor a redus la jumătate rata de eroare în comparație cu qubiții necurmați.

„Ceea ce sugerează acest lucru”, se notează într-un eseu din MIT Technology Review, „este că, pe măsură ce computerele cuantice devin mai bune la exploatarea qubiților și la încurcarea lor, acestea vor deveni mai bune și la abordarea problemelor de învățare automată.”

Cercetarea IBM a venit în urma unui alt algoritm de clasificare promițător de învățare automată: un hibrid cuantic-clasic rulat pe o mașină de 19 qubiți construită de Rigetti Computing.

„Exploatarea are potențialul de a accelera sau de a îmbunătăți în alt mod învățarea mașinilor în raport cu performanța pur clasică”, au scris cercetătorii Rigetti. Hibridizarea calculatorului clasic și a procesoarelor cuantice a depășit „o provocare cheie” în realizarea acestui obiectiv, au explicat ei.

Ambele sunt pași importanți spre obiectivul final de accelerare semnificativă a inteligenței artificiale prin intermediul calculului cuantic. Ceea ce ar putea însemna asistenți virtuali care să vă înțeleagă din prima. Sau personaje de jocuri video necontrolate de jucători care se comportă hiperrealist. Progresele potențiale sunt numeroase.

„I think AI can accelerate quantum computing,” Google’s Pichai said, „and quantum computing can accelerate AI.”

RelatedQuantum Computers Will Transform How We Make & Play Video Games