Быстрые алгоритмы и безопасное шифрование: какие перспективы у квантовых вычислений

Квантовый компьютер впервые выполнил вычисления в 100 млн раз быстрее обычного компьютера еще четыре года назад (это был Google D-Wave 2X), а уже в начале этого года вышел первый коммерческий квантовый компьютер от компании IBM (Q System One). На что сейчас способны квантовые технологии и как они изменят компьютерные вычисления в будущем?

В рамках серии встреч о технологиях DAN Talks, которые проходят в офисе коммуникационной группы Dentsu Aegis Network, Data Scientist компании Сергей Ширкин рассказал о том, какие квантовые технологии есть на рынке, каковы преимущества квантовых вычислений перед классическими и как они применяется в бизнесе. В обзоре — ключевые тезисы доклада.

О технологии

Квантовые компьютеры делают вычисления и хранят информацию на уровне атомов (фотоны, ионы, протоны). Они могут производить все классические вычисления, а также более сложные. Главная особенность заключается в кратном увеличении скорости вычислений алгоритмов (до десятков и сотен миллионов раз).

Сейчас квантовые технологии доступны для широкого круга пользователей — для этого необязательно быть владельцем квантового компьютера. Квантовые вычисления возможно выполнять в облачных сервисах (например, исследователи могут бесплатно воспользоваться платформой IBM Q Experience).

Где применяются квантовые вычисления

● Искусственный интеллект

Почти все алгоритмы, которые используются в искусственном интеллекте и машинном обучении (в том числе и нейронные сети), имеют свои аналоги в квантовых вычислениях.

Сейчас активно развивается квантовое машинное обучение, так как алгоритмы, с которыми работают в data science, быстрее работают на квантовых компьютерах. Это возможно благодаря квантовым вентилям, которые производят вычисление обратных матриц, собственных значений и векторов, а также способности быстрого преобразования Фурье и других математических расчетов с экспоненциальным ускорением (по сравнению с классическими компьютерами).

● Квантовая связь

Связь, основанная на квантовых явлениях, более безопасна, так как злоумышленник не может перехватить информации незаметно. Это возможно за счет квантовой запутанности и квантовой телепортации. Уже достигнута устойчивость кубитов, которая достаточна для того, чтобы передавать информацию на несколько сотен километров.

● Квантовое шифрование

С возникновением квантовых компьютеров криптографический алгоритм RSA, применяемый повсеместно, перестал быть надежным. Квантовые вычисления позволяют создать более сложное шифрование информации, которое практически невозможно взломать, так как оно основано на законах физики.

Если углубляться в детали, то квантовые алгоритмы позволяют найти простые множители для больших чисел в миллионы раз быстрее, чем это могут сделать классические компьютеры.

● Изучение свойств молекул

Моделирование даже небольших молекул с помощью классических компьютеров занимает очень много времени. Изучение квантово-химических свойств молекул, состоящих из нескольких десятков атомов, невозможно осуществить практически, так как это заняло бы годы вычислений даже на самом мощном классическом суперкомпьютере.

Квантовые компьютеры работают на уровне элементарных частиц, поэтому моделирование происходит с максимальной скоростью. Это позволяет ускорить исследование, тестирование и внедрение лекарственных веществ.

Перспективы

В профессиональном сообществе спорят о будущем квантовых технологий. Самый любопытный вопрос: отнимут ли квантовые компьютеры работу у data scientist специалистов? В краткосрочной перспективе этого точно не произойдет — на распространение технологии должно уйти время.

Что касается ближайшего будущего, то сейчас активно обсуждается переход на квантовое шифрование. За счет квантовой телепортации и распределения ключей передача информации становится гораздо более безопасной.