NICEBOY_112021 NICEBOY_112021 NICEBOY_112021

Čo svetu prinesie nástup kvantových technológií a počítačov?

0

Súčasné informačno-komunikačné systémy založené na kremíkových polovodičoch postupne dosahujú svoje limity. Firmy vyrábajúce čipy budú síce ešte nejaký čas oznamovať nové technologické úspechy v počte tranzistorov a pri miniaturizácii, pričom procesory budú čoraz dokonalejšie, ale podľa Moorovho zákona časom dosiahnu hranicu, za ktorú ich fyzikálne zákony skrátka nepustia. Vo svete informačných technológií sa preto čoraz viac začína hovoriť o možnom nástupe kvantových počítačov, ktoré by mohli priniesť nové možnosti v rôznych oblastiach. Kvantové počítače predstavujú novú paradigmu, ktorá by sa dala prirovnať k prechodu od analógových k digitálnym počítačom alebo od elektrónkových počítačov z 50. rokov 20. storočia k moderných digitálnym počítačom na báze polovodičov.

Kvantové technológie

Teoretické základy kvantových vied boli položené už na začiatku minulého tisícročia a opisujú správanie atómov, elektrónov, fotónov a ďalších častíc mikrosveta, pričom tieto poznatky v súčasnosti prechádzajú od výskumu (zhruba 1930 – 1980) k prvým použitiam (2000 – 2030). Prechod k širšej komerčnej využiteľnosti sa predpokladá po roku 2030 (2030 – 2050). Kvantové technológie sa uplatnia nielen v oblasti počítačov, ale aj v oblasti komunikácií a snímkovania, resp. zberu dát. (Tabuľka 1)

Dosiaľ najväčší pokrok bol dosiahnutý v oblasti kvantových počítačov, ktoré si dnes razia cestu z výskumu do praxe tam, kde ani najrýchlejšie vysokovýkonné počítače nestačia na riešenie rôznych problémov. (V júni 2021 firma IBM inštalovala prvý 20-qubitový IBM Q System One na komerčné použitie v Nemecku.) Na vývoji nového kvantového hardvéru pracujú mnohé firmy, napr. D-Wave, Google, Intel, Honeywell. Do kvantového ekosystému zároveň patria aj nové softvérové nástroje na vývoj aplikácií a najmä nové kvantové algoritmy, ktoré umožnia plne využiť potenciál kvantového hardvéru. V oblasti reálneho využitia kvantových aplikácií patria dnes medzi lídrov firmy Volkswagen, KPN, BMW, AirBus, ABN Amro, Daimler Chrysler, JP Mogan Case, ExxonMobil, EON, Mitsubishi Chemical a ďalšie.

Kvantové počítače

Kvantové počítače spracúvajú informácie a výpočty prostredníctvom kvantového procesora (QPU), ktorý využíva kvantové javy, ako sú superpozícia stavov (superposition), t. j. možnosť existovať vo viacerých stavoch naraz, a kvantové previazanie (entanglement). Základnou jednotkou informácie v klasických počítačoch je bit, nadobúdajúci iba hodnoty 0 a 1. V kvantových počítačoch je jednotkou informácie qubit (quantum bit), ktorý nadobúda ľubovoľné hodnoty v rozmedzí 0 – 1. Klasické bity sú spracovávané sekvenčne alebo paralelne, qubity sa spracúvajú prostredníctvom kvantových previazaní a naraz interferujú cez všetky možné kvantové stavy. Výkon klasických počítačov sa zdvojnásobuje, keď sa zdvojnásobí počet tranzistorov. Výkon kvantových počítačov sa zdvojnásobuje s každým pridaným qubitom za predpokladu, že je chybovosť qubitov dostatočne nízka. Súčasné komerčné kvantové počítače majú niekoľko desiatok qubitov, ale ich počet sa bude v nasledujúcich rokoch zvyšovať. Hlavný problém, ktorý komplikuje rýchlejšiu praktickú realizáciu kvantových počítačov, je chybovosť. Tá vzniká pri kvantovom výpočte, pričom na opravu týchto chýb treba počas výpočtu vyvinúť veľké úsilie. Implementácie sa pritom rôznia a najperspektívnejšie sa zdajú ionové pasce. (Tabuľka 2)

V oblasti kvantového softvéru je situácia ešte fragmentovanejšia ako v oblasti kvantového hardvéru. Okrem veľkých firiem sa kvantovému softvéru venuje množstvo startupov, napr. Cambridge Quantum Computing, Zapata, QCWare, 1QBit či Riverlane. Zatiaľ čo IBM a AMAZON stavili na jazyk Python, Microsoft preferuje vlastný programovací jazyk Q#. Veľké firmy navyše poskytujú vývojárom vlastné vývojové prostredia a simulátory a trendom je smerovanie ku kvantovej službe PaaS.

Napriek očakávanému enormnému nárastu výkonu kvantových počítačov treba poznamenať, že ide o zložité systémy, ktoré sú určené len na špecifické výpočty a úlohy, preto pravdepodobne nenahradia klasické počítače, ale budú s nimi koexistovať. Klasické počítače budú stále spracovávať väčšinu úloh a pre vybrané prípady budú pomocou kvantových API volaní riešiť špecifické problémy tam, kde súčasné vysokovýkonné počítače nestačia.

Využitie kvantových počítačov

Ideálne úlohy pre kvantové počítače sú rôzne optimalizačné úlohy, úlohy vyžadujúce pokročilé modelovanie a predikciu či prírodovedné úlohy. Riešenia týchto problémov sú v teórii spravidla dobre opísané pomocou vyššej matematiky, ale v praxi ich zložitosť exponenciálne narastá. Kým klasickým počítačom by získanie výsledku trvalo mesiace až roky, kvantové počítače sú schopné podobné úlohy spracovať za niekoľko sekúnd až minút.

  • Optimalizácia

Kvantový počítač pomáha nájsť najlepšie riešenia alebo procesy medzi viacerými možnosťami. Napríklad Volkswagen od roku 2017 vyvíja systém na inteligentné riadenie dopravy s cieľom znížiť zápchy, presne predpovedať dopravné požiadavky a skrátiť čas dopravy. Vo finančnom sektore si zas banky, ktoré nevedia presne optimalizovať svoje riziká, držia vyššiu hotovosť ako banky, ktoré vedia urobiť komplexnú rizikovú analýzu.

  • Dátová veda a modelovanie

Pri neustále rastúcom objeme firemných dát a komplexných vzťahov nestíhajú klasické počítače spracovať predpovedné modely či modely umelej inteligencie. US Treasury preto využíva nové kvantové simulačné algoritmy, ktoré skracujú rizikovú analýzu, zlepšujú jej kvalitu a rozširujú ju do oblastí, ktoré boli doteraz nedostupné.

  • Náuka o nových materiáloch

Vďaka kvantovým počítačom vedia prírodné vedy pomerne presne predpovedať vlastnosti molekúl či materiálov a optimalizovať proces ich prípravy. Farmaceutickým firmám (napr. ROCHE) tak výrazne skracujú a zlacňujú výskum nových liekov a ich testovanie, v energetike pomáhajú s vývojom nových typov vysokokapacitných batérií a v chemickom priemysle sa takto získané výsledky používajú pri vývoji nových materiálov. (Tabuľka 3)

Samostatnou kapitolou využitia kvantových počítačov je oblasť kybernetickej bezpečnosti. Štátna správa, banky a rôzne firmy budú musieť reagovať na možnosť, že s rastúcim počtom qubitov budú kvantové počítače schopné hravo prelomiť šifrovacie algoritmy používané v súčasnosti. Zatiaľ čo 2048-bitová šifra RSA by bola na klasických počítačoch prelomená asi za 20 rokov, 4098-qubitový kvantový počítač zvládne túto úlohu za pár sekúnd. Americký Národný inštitút pre štandardy a technológie preto už niekoľko rokov pracuje na postkvantovej kryptografii, založenej na báze verejných kľúčov, ktorá bude odolná proti klasickým aj kvantovým útokom, a štandardy pre kvantovo rezistentnú kryptografiu chce oznámiť v roku 2024. Podľa odhadov Svetového ekonomického fóra bude v najbližších rokoch nevyhnutné modernizovať alebo nahradiť asi 20 miliárd zariadení.


Moorov zákon – Ako ďalej? Zdroj Deloitte Quantum Guild Program – The Quantum Computing Paradigm Shift

Odporúčania na záver

Kvantové technológie pomaly prenikajú do každodennej praxe a ich vplyv – či už samostatne, alebo v kombinácii s umelou inteligenciou a technológiami typu cloud a blockchain – sa dá dnes len ťažko odhadnúť. V prípade, že sa táto téma týka aj vás, odporúčame vám nasledujúce:

  • Pozorujte možné vplyvy kvantových technológií vo svojom odvetví.
  • Vytvorte si stratégiu na prípadnú adaptáciu tejto technológie vrátane ľudí, vedomostí a správneho načasovania.
  • Sledujte vývoj v oblasti kvantového hardvéru, softvéru a kvantových algoritmov (CIO, CTO).
  • Pripravte si plán na zlepšenie počítačovej bezpečnosti už dnes (CISO).

 

Zobrazit Galériu

Rudolf Klein, senior konzultant, riadenie rizík, Deloitte na Slovensku

Všetky autorove články

Pridať komentár

Mohlo by vás zaujímať

Mohlo by vás zaujímať