Jak komputery kwantowe mogą zmienić naszą rzeczywistość?

Autor Łukasz Baiński

EY Polska, Technology Consulting, Manager

Entuzjasta nowych technologii w szczególności komputerów i obliczeń kwantowych. Zwinny sposób myślenia łączy z pragmatyzmem i podejściem Lean.

5 min. czytania 10 lut 2023

Komercyjne wykorzystywanie technologii kwantowej może ułatwić i przyspieszyć prace nad nowymi lekami, optymalizację łańcucha dostaw, usprawnić komunikację czy analizę portfela inwestycyjnego. Zgodnie z prognozami IDC, do końca 2027 r. sprzedaż usług na bazie technologii kwantowych powinna wzrosnąć do 8,6 mld USD, a inwestycje kapitałowe w sektor osiągną 16,4 mld USD. Zyski z zastosowania tej technologii i jej znaczenie będą wielokrotnie większe.

Kubity i komputery kwantowe 

Podstawową jednostką obliczeniową dzisiejszych komputerów jest bit, który może przyjmować jedynie wartości 0 lub 1. W efekcie, wykorzystanie miliardów bitów i błyskawicznych zmian ich stanów, doprowadziło do wykorzystania komputerów w obecnym zakresie oraz skali.

Komputery kwantowe wyróżnia wielostanowość, tzw. superpozycja. Dzięki wykorzystaniu mechaniki kwantowej – uważanej za jedno z najbardziej wartościowych odkryć ludzkości, każdy bit tzw. kubit (ang. qubit) może przyjmować dowolny stan pomiędzy 0 a 1, co wydaje się mało intuicyjne, a nawet niemożliwe. Przyjmując jednak, że stan 0 jest czarny, a 1 odzwierciedla  biały – i tylko takimi kolorami może operować klasyczny komputer - to kubit może przyjąć dowolną barwę. To oferuje ogromne możliwości niedostępne dla dzisiejszych komputerów. Jak można porównać zdolności komputera kwantowego w porównaniu z tym tradycyjnym? 

Przykładowo, nowoczesny laptop jest w stanie zasymulować system kwantowy liczący 8 kubitów. Aby zasymulować 80 kubitów, aktualnie należałoby wykorzystać wszystkie klasyczne komputery z całego świata.

Jakie inne właściwości posiadają kubity?

Superpozycja jest bardzo ulotna. Próba zmierzenia stanu kubita w superpozycji, powoduje zniszczenie tego stanu, a kubit ‘przeskakuje’ na  0 lub 1. Tylko pozornie uniemożliwia to wykorzystanie potencjału kubitów. W powiązaniu ze splątaniem kwantowym (ang. entanglement), cechą opisaną w mechanice kwantowej, obie właściwości można wykorzystać do skonstruowania bezpiecznego kanału komunikacji, w którym zostanie wykryta każda próba jej „podsłuchania”.

Naukowcy zaobserwowali ten fenomen, by w powtarzalny sposób replikować zjawisko splątania, chociaż nie potrafią go wyjaśnić z naukowego punktu widzenia. Polega on na powiązaniu za sobą minimum dwóch kubitów, w sposób umożliwiający na determinowanie stanu jednego kubitu na drugi, pomimo fizycznej odległości pomiędzy nimi. Powyższe zjawisko można wykorzystać przy transmisji informacji kwantowej czyli tzw. kwantowej teleportacji. 

Jakie są ograniczenia technologii kwantowej?

Technologia kwantowa - jak każda - posiada pewne ograniczenia, które stanowią istotne wyzwania w rozwoju komputerów kwantowych. Największym z nich są fizyczne właściwości kubitów, które uniemożliwiają skopiowanie stanu superpozycji. Typowa operacja, bez której nie mogłyby działać dzisiejsze komputery, w przypadku kubitów jest po prostu niemożliwa. W konsekwencji, nie ma możliwości, by zbudować kwantową pamięć masową (storage), która umożliwi utrwalenie stanu systemu kwantowego, a następnie jego wczytanie do kwantowej pamięci operacyjnej (kwantowych rejestrów).

Kubity wzbudzone do superpozycji, pozostają w niej stosunkowo krótko, a czas zależy od temperatury, ‘szumów’ elektromagnetycznych, które mogą zakłócić czy wytrącić kubity z superpozycji. W konsekwencji,  obecnie technologia kwantowa jest jeszcze mocno narażona na nieprawidłowości. Aby zapewnić stabilność obliczeń na kubitach podatnych na błędy, koniecznie należy wykorzystywać mechanizmy korekcji błędów. Oznacza to, że do obliczeń kwantowych będzie potrzebna znacznie większa liczba kubitów, niż ta wynikająca z samego zdefiniowania algorytmu. Kubity najlepiej funkcjonują w niskich temperaturach, bliskich zera absolutnego. Rozmiary dzisiejszych systemów kwantowych głównie wynikają z konstrukcji komór chłodzących, w których działają procesory. W związku z tym, kwantowe procesory raczej nie znajdą zastosowania w laptopach, gdyż w temperaturze pokojowej kubit nie byłby w stanie dostatecznie długo pozostać w stanie superpozycji. 

Jak komputery kwantowe zmienią świat?

Komputery oparte na technologii kwantowej będą miały wielokrotnie większe moce obliczeniowe niż dzisiejsze urządzenia przy krótszym czasie potrzebnym do wykonania operacji. Ta przyszłościowa technologia, bazująca na mechanice kwantowej, jest obecnie na etapie badań a jej pełna komercjalizacja będzie możliwa w perspektywie kolejnych dziesięciu lat. Umożliwi sięgnięcie z technologią do miejsc, które obecnie są dla nas jako społeczeństwo niedostępne a jej potencjalne zastosowania są bardzo szerokie – może znacząco przyspieszyć opracowanie i wdrożenie nowych leków, umożliwić optymalizację łańcucha dostaw, usprawnić komunikację czy wynieść na nowy poziom analizę portfela inwestycyjnego.

Dobrym przykładem może być współpraca pomiędzy Quantum Computing (QCI) i IPQ Analytics, która ma za zadanie stworzenie techniki poprawiającej efektywność bardzo kosztownego procesu testów klinicznych nowych leków.

Nie chcemy używać technologii kwantowej do tworzenia cyfrowego odpowiednika człowieka, ale da nam ona możliwość cyfrowej replikacji kluczowych funkcji w ludzkim organizmie, na przykład systemu immunologicznego. Tego typu cyfrowe narzędzia umożliwią testowanie działania i efektów ubocznych nowych leków szybciej niż dotychczasowe metody i przy znacznym obniżeniu ryzyka
Piotr Ciepiela
Globalny Lider Bezpieczeństwa Architektury i Nowoczesnych Technologii, Partner EY,

Możliwości komputerów kwantowych, analizujących równolegle różnorodne scenariusze mogą przyspieszyć pace nad takimi chorobami jak rak, Parkinson, HIV, AIDS, Alzheimer, malaria czy choroby układu krążenia.

Technologia kwantowa – wykorzystanie komercyjne

Technologia kwantowa będzie głównym motorem transformacji w ciągu najbliższych 5-10 lat, a 81% brytyjskich firm spodziewa się daleko idących zmian w sposobie funkcjonowania biznesu do 2030 roku, wynika z badania EY Quantum Readiness Survey przeprowadzonego w Wielkiej Brytanii. 

Pełna komercjalizacja technologii kwantowej będzie przełomem w funkcjonowaniu szeregu organizacji i obszarów biznesowych. Największym ryzykiem dla firm jest brak świadomości na temat skali i tempa zmian
Michał Kopyt
EY Polska, Partner w dziale Doradztwa Biznesowego, Lider Doradztwa Technologicznego w EY

Technologia nadal znajduje się na etapie badań i rozwoju, a obecne zawirowania gospodarcze nie przyspieszają rozwoju tak przyszłościowych inicjatyw jak komputery kwantowe. Długoterminowy cel jest utrzymany, bo powyższa technologia może zrewolucjonizować szereg dziedzin.  Światowe Forum Ekonomiczne podaje, że wydatki publiczne i prywatne na rozwój tej technologii sięgnęły 35,5 mld USD do 2022r.

Firma badawcza International Data Corporation (IDC) prognozuje też, że inwestycje w komputery kwantowe będą rosły w tempie

11,3 %

rocznie w latach 2021-2027

i osiągną

16,4

mld USD na koniec 2027 roku.

IDC przewiduje, że wydatki konsumentów na produkty będące rezultatem komercjalizacji komputerów kwantowych będą rosły w tempie 50,9% rocznie z 412 mln USD w 2020 r. do 8,6 mld USD w 2027 r. 

Możliwości wykorzystania komputerów kwantowych są bardzo szerokie, wcześniej trzeba zbudować urządzenia operujące na milionach kubitów (kwantowego i trójwymiarowego odpowiednika tradycyjnych bitów). Dla porównania: obecne komputery kwantowe dysponują mocą ponad 400 kubitów.

Zastosowanie technologii kwantowej w biznesie

Obok wspomnianego już sektora medycyny i farmacji, jednym z głównych obszarów, który może zostać zrewolucjonizowany przez technologię kwantową jest sektor logistyczny, telekomunikacyjny i energetyczny, które mogą wykorzystywać algorytmy kwantowe do optymalizacji kosztów. Typowym wyzwaniem w tym obszarze jest znalezienie ‘najtańszej’ drogi zaopatrzenia – przesyłki, listy, paczki, wymiana informacji w sieci komputerowej, czy energetycznej. Obecne komputery wyszukują jedną drogę na raz, by porównać wszystkie możliwe opcje. Komputery kwantowe umożliwią równoczesną analizę wszystkich dostępnych możliwości a przez to znacząco skrócą czas potrzebny na wyznaczenie najlepszej trasy. To umożliwi zmianę trasy przesyłki czy impulsu elektrycznego w czasie rzeczywistym nawet w najbardziej skomplikowanym otoczeniu.

Technologia kwantowa będzie miała rewolucyjny wpływ również na rynek finansowy, który już teraz intensywnie wykorzystuje moce obliczeniowe komputerów i sztuczną inteligencję. Analiza portfela inwestycyjnego lub ryzyka ubezpieczeniowego może zostać spersonalizowana na podstawie algorytmów kwantowych. Skomplikowane modele stochastyczne będzie można rozszerzać o dowolną ilość zmiennych i równolegle je przeliczać. W efekcie, pozwoli to m.in. na wyznaczenie ceny ubezpieczenia w oparciu indywidualne preferencje klienta, a nie statystyk oraz ograniczonego zakresu ryzyka ujętego w obliczeniach ratingowych.

Dzięki komputerom kwantowym firmy ubezpieczeniowe będą w stanie dokładniej i bardziej kompleksowo określać ryzyko całego portfela klientów, lepiej przewidywać wskaźniki szkodowości, a dzięki temu optymalizować wyniki firmy.   

Nie mówiąc o rynkach finansowych, w których wykorzystanie komputerów kwantowych do równoczesnej analizy szeregu czynników wpływających na cenę instrumentów finansowych i możliwych scenariuszy spowoduje niewyobrażalne wprost zmiany w sposobie zawierania transakcji.

Technologia kwantowa może też ułatwić wykrywanie nieprawidłowych transakcji na rynkach finansowych powiązanych z praniem pieniędzy, nadużyciami finansowymi czy unikaniem podatków. Obecnie systemy wykrywania nadużyć są mało precyzyjne, 80% wyników jest fałszywie dodatnich co powoduje, że banki są nadmiernie ostrożne wobec ewentualnego ryzyka. Poprawa jakości analizy może znacząco przyspieszyć decyzję banku o udzieleniu kredytu.

Algorytmy kwantowe mogą zrewolucjonizować rynki finansowe. Optymalizacje, dziś nieosiągalne ze względu na złożoność obliczeniową, spowodują konieczność transformacji technologicznych i biznesowych nowoczesnych organizacji. Podmioty, które pierwsze będą korzystać z nowej technologii, mogą zyskać ogromną przewagę konkurencyjną
Marcin Pisarski
EY Polska, Technology Consulting, Partner

Komputer kwantowy w Polsce

Flagowym projektem w dziedzinie technologii kwantowej w Unii Europejskiej jest Wspólne Przedsięwzięcie na rzecz Europejskich Obliczeń Wielkiej Skali (EuroHPC), które ma za zadanie stworzyć superkomputer umożliwiający walkę z rakiem, przewidywanie zmian pogody i korków w miastach. Polska została wybrana jako jeden z sześciu już ogłoszonych ośrodków, w których znajdą się pierwsze europejskie komputery kwantowe. Unia Europejska, 32 europejskie kraje i trzech partnerów prywatnych zadeklarowały w sumie inwestycje na poziomie ponad 100 mln EUR.

Pierwszy komputer kwantowy w Europie ma powstać do 2025 r. Ideą jest, by jego moce zostały szeroko udostępnione środowiskom akademickim i przemysłowi w całej Europie. 

Umiejscowienie jednego z przyszłych superkomputerów kwantowych w Polsce to dla nas wielkie wyróżnienie i szansa, by skorzystać na rozwoju tej innowacyjnej technologii. Potrzebne jest do tego zaplecze akademickie i firm, które będą potrafiły skomercjalizować możliwości obliczeniowe superkomputera
Michał Kopyt
EY Polska, Partner w dziale Doradztwa Biznesowego, Lider Doradztwa Technologicznego w EY

Komputery kwantowe w rękach hakerów

Nowe technologie to nie tylko szanse, ale również zagrożenia. W zależności od sposobu ich wykorzystania, można wspierać rozwój lub spowodować zagrożenia (jeśli trafi do niepowołanego źródła). Bezpieczeństwo Internetu zapewniają dziś algorytmy szyfrujące, które bazują na konkretnych właściwościach matematycznych liczb pierwszych. Określenie wyniku mnożenia dwóch liczb pierwszych jest bardzo prostą operacją - nawet dla liczb składających się z setek cyfr. W przypadku odwrotnej operacji, czyli znalezienia dwóch liczb pierwszych i znając jedynie ich iloczyn, sytuacja jest bardziej skomplikowana, gdyż w teorii wymaga tysięcy lat obliczeń na pojedynczym komputerze. W efekcie, zostaje poruszona kwestia bezpieczeństwa informacji. Jakie będą skutki wykorzystania komputera kwantowego? Najbardziej znanym algorytmem pozwalającym na znalezienie tych liczb pierwszych, a w efekcie ‘złamanie’ dzisiejszego szyfrowania Internetu, jest kwantowy algorytm Shore’s. Działa on ze zdecydowanie większą szybkością niż obecnie najszybsze algorytmy klasyczne. Co w tej sytuacji znaczy szybciej? RSA-Challange to wyzwanie RSA, którego celem jest znalezienie rozkładu na liczby pierwsze bardzo dużych liczb. Największą z nich jest RSA-2048 składająca się z 617 cyfr. Według szacunków,  jej rozkład na liczby pierwsze przez komputer liczący kilka milionów kubitów zajmie ok. 8 h. Największa, podzielona dotychczas RSA-250 liczy 250 cyfr. W sieci połączonych komputerów, powyższe obliczenia zajęły kilka miesięcy. W przypadku komputera z typowym procesorem zajęłoby to… 2 700 lat. Należy pamiętać, że informacje, które chcielibyśmy przez lata pozostawić bezpiecznie zaszyfrowane, mogą zostać złamane ‘zanim się przeterminują’. Dlatego już teraz należy podjąć działania w kierunku zabezpieczenia kluczowych zasobów firmy przed atakami kwantowych cyberprzestępców.

Algorytm RSA zabezpiecza dużą część z wartego 4 tryliony USD biznesu związanego z handlem internetowym. Konwencjonalne komputery potrzebowałyby miliardów lat, by złamać szyfr RSA. Komputery kwantowe będą mogły zrobić to w kilka sekund.

Analizujemy w EY cyberryzyka związane z rozwojem technologii kwantowych. Już kilka lat temu podpisaliśmy szereg umówi partnerskich z wiodącymi uczelniami i start-upami skupiającymi się na cyberbezpieczeństwie w obszarze technologii kwantowych. Na tej podstawie udało nam się stworzyć rozwiązania z obszaru kryptografii oraz postkwantowej odpowiadające na coraz pilniejsze potrzeby naszych klientów
Piotr Ciepiela
Globalny Lider Bezpieczeństwa Architektury i Nowoczesnych Technologii, Partner EY,

Bądźmy w kontakcie

Zapisz się na newsletter EY Drive

Subskrybuj

Podsumowanie

Wśród rozwiązań, które zyskują na popularności, technologie kwantowe są obecnie na krzywej wznoszącej. Potencjał wynikający z możliwości komputerów kwantowych jest ogromny. Przy czym, poza inwestycjami w rozwój oraz skalowanie technologii, wymaga diametralnie innego sposobu myślenia w zakresie projektowania algorytmów oraz rozwiązywania problemów biznesowych. W tym celu należy zbudować odpowiednie kompetencje, know-how oraz zespoły, które mają kwantowe a nie zero-jedynkowe podejście.

Kontakt

Informacje

Autor Łukasz Baiński

EY Polska, Technology Consulting, Manager

Entuzjasta nowych technologii w szczególności komputerów i obliczeń kwantowych. Zwinny sposób myślenia łączy z pragmatyzmem i podejściem Lean.

  • Facebook
  • LinkedIn
  • Twitter