Future of Wireless Systems
  • Home
  • O konferencji
  • Poprzednie edycje
    • Edycja 2021
    • Edycje 2010-2017
  • Kontakt
  • Partnerzy
  • Blog
    • Telekomunikacja
    • Informatyka kwantowa – KN Qubit

Komputery Kwantowe - gdzie są wykorzystywane?

Z artykułu dowiesz się o zastosowaniu komputerów kwantowych w wielu branżach gospodarki. Komputery kwantowe wykorzystywane są m.in. w lotnictwie, transporcie czy kryptografii. Przedstawiliśmy także krótkie porównanie algorytmów klasycznych i kwantowych. Żeby lepiej zrozumieć poruszaną tematykę – warto zapoznać się z wpisem wyjaśniającym podstawowe zagadnienia dotyczące informatyki kwantowej. Artykuł został opracowany przez działaczy KN Qubit.

Porównanie złożoności obliczeniowej algorytmów kwantowych i klasycznych

Komputery kwantowe przez możliwość przechowywania informacji o wielu różnych kombinacjach stanów kubitów jednocześnie, jak już zostało wspomniane wcześniej, pozwalają na szybsze wykonanie zadań od komputerów klasycznych. Nawet tak prosta czynność jak wyszukanie elementu w liście mogłaby być przyspieszona, dzięki kwantowemu algorytmowi Grovera, który potrafi wykonać zadanie ze złożonością O(log n ), gdzie klasyczny wykonuje te samo zadanie ze złożonością O(n), co zostało przedstawione na poniższym wykresie.

Porównanie algorytmu klasycznego i kwantowego
Rysunek 1 Porównanie złożoności obliczeniowej algorytmu klasycznego i kwantowego

Zastosowanie komputerów kwantowych

Komputery kwantowe, mimo niemożności wykorzystania ich pełnego potencjału w obecnej fazie rozwoju, są wykorzystywane w przemyśle. Producenci środków transportu wykorzystują technologie kwantowe do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych, czyli takich, które polegają na znalezieniu największej lub najmniejszej wartości np. szukanie najkrótszej ścieżki lub największego wzrostu.

Komputery kwantowe w przemyśle

Naukowcy z Volkswagena wykorzystali wyżarzacze kwantowe, prostszy a nie używający bramek kwantowych podtyp komputerów kwantowych, służących do problemów optymalizacyjnych, firmy D-Wave do wyszukania najkrótszej ścieżki, przy zmieniającym się ruchu ulicznym. Natomiast producenci z branży lotniczej mogą modelować za pomocą komputera kwantowego cząsteczki powietrza uderzające o powierzchnię samolotu, co przyspiesza research w dziedzinie aerodynamiki, ponieważ nie muszą za każdym razem tworzyć modelu samolotu w lotniczych laboratoriach. Inne firmy takie jak spółka paliwowa ExxonMobil są zainteresowane komputerami kwantowymi ze względu na to, że potrafią symulować mechanikę kwantową. Możliwość symulacji zachowań cząstek w skali atomowej pozwala na badania in silico (za pomocą komputera) z dziedziny inżynierii materiałowej – w przypadku Boeinga może być to przydatne np. do tworzenia lżejszych materiałów do konstrukcji samolotów, natomiast w przypadku firm z branży energetycznej do tworzenia bardziej wydajnych, niskoemisyjnych urządzeń do produkcji energii elektrycznej. Z tego samego powodu komputery kwantowe znajdują swoje zastosowanie w przemyśle chemicznym oraz farmaceutycznym. Zasymulowanie możliwych stanów kwantowych tak prostej molekuły jaką jest kofeina, która zawiera 24 atomy zajęłoby na klasycznym komputerze 1048 lub inaczej ok. 2160  bitów. Dla porównania, liczba wszystkich atomów na Ziemi wynosi ok. 1049 – 1050. Nawet, jeżeli pamięć komputerów klasycznych rozwijałyby się ciągle zgodnie z prawem Moore’a (czyli podwajałaby się co 18 miesięcy), wciąż potrzebowalibyśmy ok. 110 lat rozwoju do powstania komputera mogącego zasymulować cząstkę. Tymczasem komputer kwantowy potrzebuje do tego samego zadania tylko 160 kubitów oraz trzech lat rozwoju zgodnym z prawem Moore’a.

Komputery kwantowe w kryptografii

Peter Shor swoim algorytmem w 1994 roku udowodnił, że komputery kwantowe są w stanie w krótkim czasie znajdować dzielniki dużych liczb naturalnych. Jest to ważne zagadnienie dla kryptografów, ponieważ wiele systemów, z których korzystamy dziś polega na tym, że dzielniki są na tyle czasochłonne do znalezienia, iż nie da się złamać zabezpieczeń. Wykorzystuje się to np. w protokole HTTPS, który możemy znaleźć na większości stron internetowych. Komputer kwantowy o dużej mocy obliczeniowej łamałby zabezpieczenia i sprawiałby zagrożenie dla codziennych czynności takich jak korzystanie z internetu. Komunikacja z serwerem za pomocą protokołu HTTPS, która obecnie jest standardem, byłaby łatwa do złamania. Stąd bierze się konieczność powstania nowych kryptosystemów – kwantowych oraz klasycznych, które byłyby odporne na działanie komputerów kwantowych.

Komputery Kwantowe - podsumowanie

Informatyka kwantowa oraz sztuczna inteligencja są dwoma modnymi ostatnio obszarami badań, które idą ze sobą w parze. Ciągle powstają nowe metody oraz biblioteki służące kwantowemu nauczaniu maszynowemu. Nie ma zaskoczenia, gdy nawet tak podstawowa czynność jak wyszukanie elementu w liście mogłaby być przyspieszona. Osiągnięto by to, dzięki kwantowemu algorytmowi Grovera, co zostało przedstawione na wykresie powyżej. Według badań IBM, we współpracy z ośrodkiem naukowym MIT komputer kwantowy potrafiłby szybciej i efektywniej klasyfikować dane, co przełożyłoby się na szybsze wytrenowanie modelów nauczania maszynowego oraz sieci neuronowych.

Źródła

  1. Volkswagen demonstrates first successful real-world use of quantum computing to help optimize traffic routing. Green Car Congress https://www.greencarcongress.com/2019/12/20191206-vwquantum.html, Grudzień 2019
  2. ExxonMobil and IBM to advance energy sector application of quantum computing ExxonMobil https://corporate.exxonmobil.com/News/Newsroom/News-releases/2019/0108_ExxonMobil-and-IBM-to-Advance-Energy-Sector-Application-of-Quantum-Computing, styczeń  2018
  3. S. Fan. Finally, Proof That Quantum Computing Can Boost Machine Learning. Singularity Hub https://singularityhub.com/2019/03/17/finally-proof-that-quantum-computing-can-boost-machine-learning/, marzec 2019
  4. D. Takahashi. IBM Research explains how quantum computing works and why it matters VentureBeat  https://venturebeat.com/2019/07/14/ibm-research-explains-how-quantum-computing-works-and-could-be-the-the-supercomputer-of-the-future/, czerwiec 2019

Autorzy

  • Konrad Mickiewicz
  • Jakub Opala
  • Jakub Oszust
  • Paulina Prusik

Wireless Group

ul. Janiszewskiego 7
Wrocław 50-372
Budynek C-16, p. 3.7

wirelessgroup.pwr1@gmail.com

https://www.facebook.com/WirelessGroup

WIGGOR

ul. Kamienna 57,
Wrocław 50-307

kontakt@wiggor.pl
https://wiggor.pl/