CIO Guide to Quantum Computing

Kvantberäkningstekniken är täckt av myter och mystiker – vilket kan förstås när man tänker på den kliché som diskuterades när man diskuterade den: “kvantdatorer fungerar snabbare än ljusets hastighet”. “Kvantdatorer kommer att ersätta alla konventionella system”.

“Kvantberäkning gör alla säkerhetskrypteringsalgoritmer föråldrade”. CIO: er har översvämmats av hype, men måste lära sig att skära brus för att förstå den störande kraften hos kvantberäkning och potentiella tillämpningar inom artificiell intelligens (AI), maskininlärning (ML) och datavetenskap.

Medan kvantlösningar kan revolutionera hela IT-branschen med betydande ekonomiska, industriella och sociala effekter, kommer de inte att arbeta med låga hastigheter, ersätta nuvarande system eller göra all överflödig säkerhetskryptering över en natt.

Kvantberäkning bör inte ignoreras. Det har stor potential inom områdena kemi, optimering, ML och AI, och kommer att kunna övervinna viktiga möjligheter inom fält som för närvarande är otillgängliga på grund av begränsningarna i klassisk datorarkitektur.

Vad är kvantberäkning?

Kvantberäkning är en typ av icke-klassisk beräkning baserat på kvanttillståndet för subatomära partiklar. Detta skiljer sig grundläggande från klassiska datorer som fungerar med binära bitar. Kvantberäkning använder kvantbitar eller qubits. En kvbit kan representera ett antal värden, känd som ‘superposition’.

Superposition ger kvantdatorers hastighet och parallellitet, eftersom varje enskild kvbit kan representera en kvantitativ lösning på ett problem. Qubits kan också kopplas samman (känd som “förvirring”). Varje intrasslad qubit lägger till ytterligare två dimensioner till systemet. I kombination med superposition kan kvantdatorer bearbeta ett stort antal möjliga resultat på en gång. Antalet högkvalitativa bitar som behövs för att skapa en anständig kvantdator beror på problemet.

En kvantdatorers förmåga att överträffa en klassisk dator kallas “kvantöverträffelse.” Experter förutspår att kvantöverlägsenhet kommer att bli verklighet inom några år för ett litet antal datorproblem.

Potentiell tillämpning av kvantberäkning

Eftersom kvantberäkning för allmänna ändamål kanske inte är ekonomiskt vettigt kommer applikationer för teknik att bli smala och mycket fokuserade. Teknik har dock potential att revolutionera vissa branscher. Kvantberäkning kan möjliggöra genombrott i:

• Maskininlärning: Ökat ML genom snabbare strukturerade förutsägelser. Exempel inkluderar Boltzmann-maskiner, Boltzmann-kvantmaskiner, halvledd lärande, obevakad inlärning och djup inlärning;
• Konstgjord intelligens: Snabbare beräkningar kan förbättra uppfattningen, förståelsen och diagnosen krets / binära felklassificerare;
• Kemi: Nya gödningsmedel, katalysatorer, kemiska batterier kommer alla att öka resursutnyttjandet;
• Biokemi: Nya läkemedel, specialläkemedel och kanske till och med hårrenare;
• Ekonomi: Kvantberäkning kan möjliggöra snabbare och mer komplexa Monte Carlo-simuleringar; till exempel handel, optimering av banor, marknadsinstabilitet, prisoptimering och säkringsstrategier;
• Hälsa: DNA-gensekvensering, såsom optimering av radioterapibehandling / detektion av hjärntumörer, kan göras på några sekunder, inte timmar eller veckor;
• Material: superstarkt material; korrosionsbeständig färg; smörjmedel och halvledare;
• Datavetenskap: En snabbare flerdimensionell sökfunktion; till exempel frågaoptimering, matematik och simulering.

Risken för att ignorera kvantberäkning

Även om många aspekter av framtida kvantberäkning förblir osäkra, såsom fysik, material och kontroll, har multinationella organisationer som IBM, Google, Intel och Microsoft investerat mycket i hårdvara och programvara.

CIO: er måste betrakta kvantberäkningsteknologi som en konkurrensfördel, eftersom nya kvantinspirerade algoritmer kan producera innovativa lösningar och nya strategier för produktutveckling. Detta kan också reducera tid till marknad betydligt såväl som att optimera kundtransporter.

Genom att ignorera kvantberäkning kan dessutom äventyras immateriella rättigheter (IP) och patentportföljer: tidiga adoptörer kommer att ha konkurrensfördel genom att patentera kvantinspirerade innovationer inom vissa domäner. Exempelvis kan konkurrenter utveckla kvantbaserade lösningar för att öka Monte Carlo-simuleringarna med 1 000%, eller läkemedelsföretag kan betydligt minska tiden för att marknadsföra nya läkemedel.

Verkligheten av kvantberäkning

Vi lever för närvarande genom en kvantvinter – det vill säga risker som överstiger utvecklingen, vilket kan ha en negativ inverkan på uppfattningen och investeringarna. Mediahype ökar medvetenheten och samtidigt ställer in orealistiska tidslinjer och kapaciteter. Denna sensationsnivå ger garanterat plats för besvikelse, vilket är särskilt farligt för kvantberäkning, eftersom det kräver långvarig och fokuserad investering på lång sikt.

Eftersom den grundläggande fysiken för kvantberäkning förblir under utveckling kommer konsekventa resultat inte att visas på minst 5 till 10 år. Som sådan måste alla investeringar som görs för att sträva efter kvantberäkningsmöjligheter betala sig i monetiserbara upptäckter.

Logistik som krävs för specifika kvantdatorer: miljön måste kylas till 0,015 Kelvin, och processorn måste placeras i ett utspädningskylskåp som är skyddat upp till 50 000 gånger mindre än jordens magnetfält. Det kräver också kalibrering flera gånger varje dag. Detta underhållsvillkor är inte möjligt för de flesta organisationer. Gartner rekommenderar att organisationer som är intresserade av kvantberäkning använder kvantberäkning som en tjänst (QCaaS) för att minimera risken och stå emot kostnader. År 2023 kommer 95% av organisationerna som forskar på kvantberäkningsstrategier att använda QCaaS.

Sammantaget förblir det säkrare att investera mindre i teknik eller investera i skickliga anställda som kan vara helt produktiva som produktledare inom inkomstproducerande områden. När kvantberäkningsmöjligheter uppstår kommer denna produktchef att ha färdigheter att övervinna dem. Gartner har identifierat ett överraskande antal försämrade kvantefysiker i produkthanteringsroller.

CIO: er måste fokusera på affärsvärde och förvänta sig resultat på minst 5 år

År 2023 kommer 90% av företagets kvantberäkningsinvestering att involvera en kvantkonsultorganisation för att hjälpa till att forma problem som kan förbättra kvantealgoritmer. Att veta hur man identifierar och extraherar affärsvärde från kvantberäkningsinitiativ är en viktig färdighet som ska utvecklas. CIO: er måste undersöka de potentiella möjligheterna med kvantberäkning och vara redo att hjälpa företag att använda dem.

Dessa möjligheter måste vara helt integrerade med traditionell IT och kräva nytt tvärsamarbete från forskare, beräkningsdataforskare och kvantdataforskare. Detta nya utvecklingsparadigm är mycket viktigt för framgången för alla kvantprogram.

Matthew Brisse är forskningsdirektör på Gartner.