Превръщане на квантовите изчисления в реалност


Докато квантовите компютри съществуват в лабораторията, квантовите компютри с общо предназначение все още не са налични за търговска употреба. Как фирмите могат да реагират на потенциални смущения от тази технология, преди тя действително да се появи на масовия пазар? Една компания, която инвестира значително в квантовите изчисления, е Infosys, и затова авторите се обърнаха към няколко изследователи и бизнес лидери в компанията, за да научат повече за тяхната работа. Те откриха, че Infosys е възприел хибриден подход, смесвайки елементи от класически и квантови изчисления, за да изгради мост от днешната реалност към разрушителните технологии на утрешния ден. Това помогна на компанията да постигне напредък в използването на квантовата технология в различни приложения, включително проблеми с оптимизация, машинно обучение и киберсигурност. Въпреки че все още има дълъг път, когато става въпрос за разработване и прилагане на квантови технологии, хибридният подход позволява на компаниите да обслужват клиенти днес, като същевременно се издигат в бъдещето – дори ако някои от включените технологии все още наваксват.

Учените теоретизират за потенциала на квантовите изчисления – тоест нов подход към изчисленията, който използва вероятности, а не двоични сигнали, за да прави изчисления – в продължение на десетилетия. Но през последните години инвестициите както от частния, така и от публичния сектор в разработването на квантови компютри нараснаха значително, с един доклад предвиждайки инвестиции от над 800 милиона долара само през 2021 г.

Квантовата технология може да революционизира всичко – от геномно секвениране до оптимизиране на транспортния маршрут, от разбиване на код до разработване на нови материали. Но докато квантовите компютри съществуват в лабораторията, квантовите компютри с общо предназначение все още не са налични за търговска употреба. Как фирмите могат да реагират на потенциални смущения от тази технология, преди тя действително да се появи на масовия пазар?

За да проучим този въпрос, е полезно да разгледаме исторически примери за големи технологични преходи, като например преминаването от аналогова към цифрова фотография или от двигатели с вътрешно горене към електрически двигатели. В много от тези случаи компаниите използваха хибриден подход за интегриране на нови технологии: вместо да се опитват да преминат към новата технология наведнъж, те разработиха продукти, които съчетават елементи от стари и нови технологии. Например, хибридно-електрическият Prius даде възможност на Toyota да научи за производството на електрически автомобили, като същевременно използва основата си от опит с традиционните газови двигатели. След пускането на този първоначален хибриден модел, Toyota продължи напред с plug-in хибридни автомобили и електрически автомобили с горивни клетки, проправяйки пътя за евентуалното си пускане на изцяло електрически автомобили няколко години по-късно.

И така, как може да изглежда подобен хибриден подход за квантовите изчисления? Една организация, която инвестира значително в квантовите изчисления, е Infosys и затова се свързахме с няколко изследователи и бизнес лидери в компанията, за да научим повече за тяхната работа. Чрез серия от задълбочени интервюта открихме, че Infosys експериментира с два хибридни подхода, за да започне комерсиализацията на съществуващите иновации и да изгради мост към бъдещето на квантовите изчисления:

  • Алгоритми, вдъхновени от квантово ниво: алгоритми, които работят на класически компютри, но чиято логика се основава на емулиране на различни квантови явления (за разлика от бинарния, детерминистичен подход на традиционните изчисления)
  • Хибридни модели: модели, които позволяват на класическите компютри да работят заедно с квантовите компютри

Infosys използва тези подходи в много различни области, както самостоятелно, така и в партньорство със стартиращи фирми. По-долу описваме три ключови приложения на квантовите изчисления, в които Infosys започна да инвестира: оптимизационни проблеми, в които компанията проучва потенциала на квантово вдъхновените алгоритми, и машинно обучение и решения за киберсигурност, в които Infosys започна да използва хибридни модели .

Проблеми с оптимизация

Макар че класическите алгоритми са ефективни в много области, те могат да бъдат непосилно бавни и скъпи, когато става въпрос за решаване на определени видове оптимизационни проблеми. Например във финансите е трудно да се използват традиционните компютри за оптимизиране на портфейли, тъй като това налага бърз анализ в реално време на постоянно променящите се стойности на риска, свързани с инвестирането във всяка отделна акция. За да се справи с това предизвикателство, Infosys разработи квантово вдъхновени алгоритми за оптимизиране на избора и разпределението на активите. Това позволи на компанията да изгради диверсифицирано портфолио, което максимизира възвръщаемостта и минимизира рисковете за повече от 100 акции само за една минута, като в крайна сметка постига 21% подобрение на възвръщаемостта в сравнение с конвенционалните (т.е. не-вдъхновени от квантове) стратегии за разпределение на активи.

Друга област, в която традиционните компютри могат да се борят да оптимизират точно и рентабилно, е веригата за доставки. За да проучи потенциала за квантови изчисления в това пространство, Infosys си партнира с QpiAI, стартираща компания, разработваща квантово вдъхновени решения за оптимизиране на веригата за доставки. Докато тези проекти все още са в процес на разработка, екипът вече показа, че неговите алгоритми позволяват 60% намаляване на разходите за оптимизиране на маршрута на превозни средства.

Машинно обучение

Алгоритмите за машинно обучение зависят от силно интензивна (и скъпа) изчислителна мощност за извличане на знания от големи масиви от данни. Особено когато става въпрос за анализиране на масиви от данни, които са силно небалансирани – тоест, когато случаите, които ви интересуват да идентифицирате, са изключително редки – квантовите изчисления могат да намалят драстично разходите и да подобрят ефективността на тези модели.

При откриването на финансови измами, например, броят на измамните транзакции е малък в сравнение с броя на нормалните транзакции. Това затруднява разработването на класически алгоритми за машинно обучение, които могат да идентифицират измамите достатъчно бързо и точно. Но Infosys възприе хибриден подход, изграждайки a хибриден алгоритъм на невронната мрежа в която повечето мрежови слоеве използват класически изчисления, докато някои слоеве включват вход от квантов компютър. С тази система Infosys успя да постигне 1,66% подобрение в точността на своя инструмент за откриване на измами – разлика, която може да изглежда малка, но има потенциал да доведе до значителни спестявания предвид огромния мащаб на световната финансова система.

Кибер защита

Текущите протоколи за киберсигурност обикновено използват псевдослучайни числа за криптиране на чувствителна информация като пароли, лични данни или дори блокчейн. Проблемът е, че квантовите компютри могат лесно да разбият методите, които традиционните компютри използват за генериране на произволни числа, което потенциално представлява огромна заплаха за всяка организация, използваща тези стандартни инструменти за криптиране. И все пак, наред с тази нова заплаха, квантовата технология съдържа и нови възможности: квантовите системи могат да произвеждат голям, надежден поток от „истински случаен” числа, които не могат да бъдат дешифрирани нито с класически, нито с квантови системи.

Infosys си партнира с фирмата за квантова киберсигурност Quintessence Labs да разработи хибридно решение, което първо генерира истински произволни ключове с a квантов генератор на случайни числа, и след това насочва тези ключове в класически криптографски алгоритми и системи за криптиране. Този подход прави възможно генерирането на наистина произволни, непредсказуеми числа за използване в голямо разнообразие от съществуващи търговски приложения, което позволява ново ниво на киберсигурност за всяка организация, която работи с големи количества чувствителни данни.

. . .

Тези приложения може да звучат като научна фантастика, но са много реални. Докато квантовите компютри трябва да извървят още дълъг път, преди да бъдат готови за най-добрия час, бизнесът вече използва квантовите технологии в хибридни решения, смесвайки старото с новото, за да изгради мост между реалността днес и потенциала на утрешния ден. Инвестирането в тази хибридна стратегия сега е най-добрият начин компаниите да развият експертен опит в квантовите принципи и разработката на софтуер, които ще станат критични, когато тези технологии достигнат зрялост. Това също така означава, че независимо от това как точно се развива квантовият хардуер и кои платформи в крайна сметка се очертават като индустриални стандарти, алгоритмите, които се разработват днес, ще могат да работят на почти всеки тип квантов хардуер (вместо да се ограничават само до една система). В крайна сметка, приемането на хибриден подход позволява на компаниите да обслужват клиенти днес, като същевременно получават крак в бъдещето – дори ако някои от включените технологии все още наваксват.