8 Quantum Computing Applications & Examples

Slowly but surely, quantum computing is getting ready for its closeup.

Google skapade rubriker i oktober när de tillkännagav att de hade uppnått det länge efterlängtade genombrottet av ”quantum supremacy”. Det är när en kvantdator kan utföra en uppgift som en konventionell dator inte kan utföra. Inte på praktisk tid i alla fall. Google hävdade till exempel att det testproblem som företaget utförde skulle ha tagit en klassisk dator tusentals år att lösa – även om vissa kritiker och konkurrenter kallade det för en grov överdrift.

IBM, till exempel, hade inte det. Den andra stora aktören inom kvantområdet publicerade genast ett svar där man i huvudsak hävdade att Google hade underskattat kraften hos IBM:s superdatorer – som visserligen är oerhört snabba, men som inte är av kvanttyp.

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. Det viktigaste av dem är att öka antalet qubits, informationsenheter som kvantdatorer använder för att utföra uppgifter. Medan ”bitar” i klassiska datorer existerar som 1:or eller 0:or kan kvantbitar vara antingen eller – eller båda samtidigt. Detta är nyckeln till enormt högre bearbetningshastigheter, vilket är nödvändigt för att simulera kvantmekanik på molekylär nivå.

Trots kvantans fortfarande hypotetiska natur och den långa vägen framåt finns det gott om förutsägelser och investeringar. Googles vd Sundar Pichai jämförde sitt företags senaste framsteg med bröderna Wrights 12-sekunders flygning: även om den var mycket enkel och kortvarig visade den vad som är möjligt. Experter menar att det som är möjligt är verkligen imponerande.

Från cybersäkerhet till läkemedelsforskning och ekonomi – här är några sätt som kvantum kommer att underlätta stora framsteg.

Post-Quantum

Ställning: London

Hur företaget använder sig av kvantdatorer: För presidentkandidaten Andrew Yang innebar Googles kvantmolnsten att ”ingen kod är omöjlig att knäcka”. Han hänvisade till en mycket diskuterad föreställning om att kvantdatorernas oöverträffade faktoriseringskraft allvarligt skulle underminera vanliga krypteringssystem för internet.

Men Googles enhet (liksom alla nuvarande QC-enheter) är alldeles för felbenägen för att utgöra det omedelbara hot mot cybersäkerheten som Yang antydde. Faktum är att enligt den teoretiske datavetaren Scott Aaronson kommer en sådan maskin inte att existera på ett bra tag. Men den överhängande faran är allvarlig. Och den mångåriga satsningen på kvantresistenta algoritmer – som National Institute of Standards and Technology’s pågående tävling för att bygga sådana modeller – illustrerar hur allvarligt säkerhetsvärlden tar hotet.

En av de 26 så kallade postkvantumalgoritmerna som klarade sig till NIST:s ”semifinal” kommer, passande nog, från den brittiskbaserade cybersäkerhetsledaren Post-Quantum. Experter menar att den noggranna och medvetna process som NIST:s projekt exemplifierar är precis vad kvantfokuserad säkerhet behöver. Deborah Franke från National Security Agency sade till Nextgov: ”Det finns två sätt att göra ett misstag med kvantresistent kryptering: Det ena är att man kan hoppa på algoritmen för tidigt och det andra är att hoppa på algoritmen för sent.”

ProteinQure

Ställe: Toronto

Hur företaget använder sig av kvantberäkningar: ”Den verkliga spänningen med kvantdatorer är att universum i grunden fungerar på ett kvantmässigt sätt, så du kommer att kunna förstå naturen bättre”, sade Google Pichai till MIT Technology Review i kölvattnet av sitt företags senaste tillkännagivande. ”Det är tidigt, men där kvantmekaniken briljerar är förmågan att simulera molekyler, molekylära processer, och jag tror att det är där den kommer att vara starkast. Läkemedelsforskning är ett bra exempel.”

Ett företag som fokuserar på molekylär simulering, särskilt proteinbeteende, är Torontobaserade bioteknikföretaget ProteinQure. Företaget, som nyligen fick 4 miljoner dollar i såddfinansiering, samarbetar med ledande företag inom kvantdatorer (IBM, Microsoft och Rigetti Computing) och läkemedelsforskare (SRI International, AstraZeneca) för att utforska QC:s potential för modellering av proteiner.

Det är den djupt komplexa men högavkastande vägen för läkemedelsutveckling där proteiner konstrueras för riktade medicinska syften. Även om det är mycket mer exakt än den gamla skolan med trial-and-error-metoden med kemiska experiment, är det oändligt mycket mer utmanande ur beräkningssynpunkt. Boston Consulting Group påpekade att bara för att modellera en penicillinmolekyl skulle det krävas en omöjligt stor klassisk dator med 10-till-86-bitar. För avancerade kvantdatorer skulle samma process dock kunna vara ett barnspel – och skulle kunna leda till upptäckten av nya läkemedel för allvarliga sjukdomar som cancer, Alzheimers och hjärtsjukdomar.

Cambridge, Mass.-baserade Biogen är ett annat anmärkningsvärt företag som utforskar kvantdatorns kapacitet för läkemedelsutveckling. Bioteknikföretaget, som fokuserar på forskning om neurologiska sjukdomar, tillkännagav 2017 ett partnerskap med det nystartade kvantföretaget 1QBit och Accenture.

Relaterat20 kvantdatorföretag som gör sinnesbrytande genombrott

Daimler AG

Ställe: Stuttgart, Tyskland

Hur företaget använder kvantdatorer: QCs potential att simulera kvantmekanik kan vara lika omvälvande inom andra kemirelaterade områden än läkemedelsutveckling. Bilindustrin vill till exempel utnyttja tekniken för att bygga bättre bilbatterier.

Under 2018 tillkännagav den tyska biltillverkaren Daimler AG (moderbolaget till Mercedes-Benz) två olika partnerskap med kvantdatorerna Google och IBM. Elbilar är ”huvudsakligen baserade på en väl fungerande cellkemi i batterierna”, skrev företaget då i sin tidning. Kvantdatorer, tillade företaget, inger ”berättigade förhoppningar” om ”inledande resultat” på områden som cellsimulering och battericellers åldrande. Förbättrade batterier för elbilar skulle kunna bidra till att öka användningen av dessa fordon.

Daimler undersöker också hur QC potentiellt skulle kunna ge AI en extra kraft, samt hantera en framtid med en trafik med autonoma fordon och en snabbare logistik. Det följer i fotspåren av ett annat stort teutoniskt transportmärke: Volkswagen. År 2017 tillkännagav biltillverkaren ett partnerskap med Google med fokus på liknande initiativ. Den samarbetade också med D-Wave Systems 2018.

Volkswagen Group

Ställe: Wolfsburg, Tyskland

Hur företaget använder sig av kvantdatorer: Volkswagens utforskning av optimering tar upp en punkt som är värd att betona: Trots vissa vanliga formuleringar är det viktigaste genombrottet för kvantdatorer inte bara hastigheten med vilken de löser utmaningar, utan också vilka typer av utmaningar de löser.

Problemet med den resande försäljaren är till exempel ett av de mest kända problemen inom beräkningsområdet. Det syftar till att bestämma den kortaste möjliga rutten mellan flera städer, där man passerar varje stad en gång och återvänder till utgångspunkten. Det är ett så kallat optimeringsproblem och är otroligt svårt för en klassisk dator att hantera. För fullt realiserade QCs kan det dock bli en barnlek.

D-Wave och VW har redan kört pilotprogram för ett antal trafik- och reserelaterade optimeringsutmaningar, bland annat för att effektivisera trafikflöden i Peking, Barcelona och, så sent som den här månaden, i Lissabon. I det sistnämnda fallet körde en bussflotta längs olika rutter som anpassades till trafikförhållandena i realtid med hjälp av en kvantalgoritm, som VW fortsätter att finjustera efter varje provkörning. Enligt D-Waves vd Vern Brownell ”för oss närmare än någonsin att förverkliga verklig, praktisk kvantdrift”.

JPMorgan Chase

Ställe: NYC

Hur företaget använder sig av kvantdatorer: Listan över partner som ingår i Microsofts så kallade kvantnätverk innehåller en rad forskningsuniversitet och kvantfokuserade tekniska företag, men ytterst få affärsverksamheter. Två av de fem – NatWest och Willis Towers Watson – är dock bankintressen. På samma sätt utmärker sig JPMorgan Chase i IBM:s Q Network bland ett hav av teknikfokuserade medlemmar samt statliga och högre forskningsinstitutioner.

Att enormt lönsamma företag inom finansiella tjänster skulle vilja utnyttja paradigmskiftande teknik är knappast någon chock, men kvant- och finansiell modellering är en verkligt naturlig matchning tack vare strukturella likheter. Som en grupp europeiska forskare skrev förra året kan hela finansmarknaden modelleras som en kvantprocess, där storheter som är viktiga för finansbranschen, t.ex. kovariansmatrisen, framträder på ett naturligt sätt.”

En hel del av den senaste forskningen har särskilt fokuserat på kvantans potential att dramatiskt påskynda den s.k. Monte Carlo-modellen, som i huvudsak mäter sannolikheten för olika utfall och deras motsvarande risker. Ett dokument från 2019 som skrevs gemensamt av IBM-forskare och medlemmar av JPMorgan’s Quantitative Research-team innehöll en metod för att prissätta optionskontrakt med hjälp av en kvantdator.

Om man bortser från dess till synes tydliga riskbedömningstillämpning kan kvantum i finansbranschen ha en bred framtid. ”Om vi hade det i dag, vad skulle vi göra?” Nikitas Stamatopoulos, en medförfattare till prisoptionsdokumentet, undrade vad vi skulle göra. ”Svaret i dag är inte särskilt tydligt.”

Microsoft

Ställe: Redmond, Washington.

Hur företaget använder sig av kvantberäkningar: Det är inte bara ett överflöd av bajs utan också ett gödningsproblem. En stor del av planetens gödningsmedel tillverkas genom att värma och trycka upp atmosfäriskt kväve till ammoniak, en process som i början av 1900-talet lanserades av den tyske kemisten Fritz Haber.

Den s.k. Haber-processen visade sig, trots att den var revolutionerande, vara ganska energikrävande: cirka tre procent av den årliga globala energiproduktionen går åt till att driva Haber, vilket står för mer än en procent av utsläppen av växthusgaser. Ännu mer irriterande är att vissa bakterier utför denna process naturligt – vi har helt enkelt ingen aning om hur och kan därför inte utnyttja den.

Med en adekvat kvantdator skulle vi dock förmodligen kunna räkna ut hur det går till – och på så sätt spara betydligt energi. År 2017 isolerade forskare från Microsoft den kofaktormolekyl som är nödvändig för att simulera. Och de kommer att göra det så snart kvanthårdvaran har ett tillräckligt antal qubits och en stabilisering av bruset. Googles vd berättade nyligen för MIT att han tror att kvantförbättringen av Haber ligger ungefär ett decennium bort.

IBM

Ställe: Armonk, New York

Hur företaget använder sig av kvantdatorer: Ny forskning om huruvida kvantdatorer kan förbättra väderprognoser avsevärt har visat att… det är ett ämne som är värt att undersöka! Och även om vi fortfarande har liten förståelse för det förhållandet är det många inom QC-området som ser det som ett anmärkningsvärt användningsområde.

Ray Johnson, tidigare CTO på Lockheed Martin och nu oberoende styrelseledamot på kvantstartföretaget Rigetti Computing, är en av dem som har angett att kvantdatorns metod för samtidig (snarare än sekventiell) beräkning sannolikt kommer att vara framgångsrik när det gäller att ”analysera det mycket, mycket komplexa system av variabler som vädret utgör”. Även om vi för närvarande använder några av världens mest kraftfulla superdatorer för att modellera väderprognoser med hög upplösning är noggranna numeriska väderprognoser notoriskt svåra. Faktum är att det förmodligen inte är så länge sedan du förbannade en meteorolog som inte höll måttet.

Rigetti Computing

Området: Berkeley, Kalifornien.

Hur företaget använder sig av kvantberäkningar: Kvantdrift och artificiell intelligens kan visa sig vara ömsesidiga bakåtsträvare. Som VentureBeat nyligen förklarade kommer framsteg inom djupinlärning troligen att öka vår förståelse av kvantmekanik samtidigt som fullt realiserade kvantdatorer skulle kunna överträffa konventionella datorer vida överträffa konventionella datorer när det gäller igenkänning av datamönster. När det gäller det sistnämnda konstaterade IBM:s kvantforskningsgrupp nyligen att om man kopplade ihop qubits på kvantdatorn som körde ett dataklassificeringsexperiment så halverades felprocenten jämfört med om man inte kopplade ihop qubits.

”Vad detta tyder på”, konstaterade en uppsats i MIT Technology Review, ”är att när kvantdatorer blir bättre på att utnyttja qubits och på att sammanfläta dem, kommer de också att bli bättre på att lösa problem med maskininlärning.”

IBM:s forskning kom i kölvattnet av en annan lovande klassificeringsalgoritm för maskininlärning: en kvant-klassisk hybrid som körs på en maskin med 19 qubits som byggts av Rigetti Computing.

”Harnessing har potential att påskynda eller på annat sätt förbättra maskininlärning i förhållande till rent klassisk prestanda”, skrev Rigettiforskarna. Hybridiseringen av klassisk beräkning och kvantprocessorer övervann ”en viktig utmaning” för att förverkliga detta mål, förklarade de.

Båda är viktiga steg mot det slutgiltiga målet att avsevärt påskynda artificiell intelligens genom kvantdatorer. Vilket kan innebära virtuella assistenter som förstår dig första gången. Eller icke-spelarkontrollerade videospelskaraktärer som beter sig hyperrealistiskt. De potentiella framstegen är många.

”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