Квантовые вычисления

Квантовое машинное обучение – новая дисциплина, объединяющая нелинейные квантовые системы и классическое машинное обучение. Алгоритмы машинного обучения обладают высокой вычислительной сложностью. Сейчас, когда мощность классических компьютеров перестает расти, ученые создают принципиально новый подход к вычислениям, что влечет за собой фундаментально другую реализацию нейросети. Для ее создания на первый план выходят квантовые устройства, способные превзойти классические компьютеры в определенных задачах.

Команда физиков МФТИ провела цикл экспериментов с моделью гибридного классификатора, ускоренной квантовым симулятором, — цепочкой из нескольких сверхпроводящих кубитов, обучив ее решать задачи классификации и распознавания изображений.

В ходе экспериментов на цепочке кубитов ученые с помощью нейросети решали три разных типа задач: задачу четности, обнаружения меток рака молочной железы (бинарная классификация «да / нет») и типологии различных вин (многозначная классификация по десятку параметров). Помимо этого, им удалось продемонстрировать решение задачи распознавания рукописных изображений цифр.

Исследователям удалось найти удачную структуру квантовой цепочки и алгоритм обучения, который позволяет достичь точности 94% для стандартных задач классификации с несколькими метками и точности 90% при распознавании рукописных десятичных цифр. Точность и стабильность алгоритма подтверждаются методом перекрестной проверки. Квантовая модель достаточно быстро обучается благодаря возможности эффективного вычисления градиента с использованием необычных свойств квантовых операций.

В ближайшее время коллектив разработчиков планирует увеличить количество кубитов в квантовом симуляторе, решить более сложные задачи классификации, протестировать способность системы решать задачи регрессии, а также перейти от классических данных к квантовым.

В процессе исследования опросили 110 ЦОДов высокопроизводительных вычислений по всему миру. Опрос показал, что пользователям становится все труднее добиться оптимальной производительности высокопроизводительных вычислений, обеспечивая при этом безопасность и отказоустойчивость.

Инвестиции в развитие квантовых вычислений растут

Квантовые вычисления входят в тройку наиболее важных технологий для 500 крупнейших ЦОДов в мире. 76% центров высокопроизводительных вычислений уже используют квантовые вычисления или планируют перейти к ним в ближайшие два года. Благодаря такому решению они смогут эффективно управлять цепочками поставок и разрешать проблемы, связанные с изменением климата (45%), а также быстрее находить решения по текущим задачам (38%) при одновременном снижении затрат на вычисления (42%).

Высокий уровень сложности

Ключевая часть архитектуры высокопроизводительных вычислений — облако, которое позволяет совмещать локальные элементы с компонентами инфраструктуры, разработанными на основе индивидуальных требований. Согласно результатам исследования, развертывание высокопроизводительных вычислений в облаке и гибридной модели пользуется большим спросом в регионе EMEA, причем 50% респондентов отдают предпочтение именно гибридной архитектуре. Однако из-за недостатка знаний о том, как квантовые вычисления взаимодействуют с классической инфраструктурой высокопроизводительных вычислений, внедрение и техническое обслуживание этих технологий будет передаваться на аутсорсинг партнерам.

Трансформация рынка

Разработка и тестирование реальных примеров использования имеет решающее значение для будущего успеха квантовых вычислений. Сегодня они чаще всего применяются при анализе больших объемов данных и решении отраслевых задач. Опрос центров высокопроизводительных вычислений выявил четыре основных сценария использования этих технологий:

• Поиск в базах данных (59%);
• Анализ инвестиционных рисков (45%);
• Молекулярное моделирование (41%);
• Управление активами (32%).

Уверенность в том, что квантовые вычисления решат крупнейшие проблемы, с которыми не справляются обычные компьютеры, быстро росла в последний год. Согласно новому отчету BCG под названием «Что произойдет, когда мы перейдем в квантовых вычислениях от вопроса "если" к "когда"?», инвесторы ожидают наступления важного этапа, известного как «квантовое преимущество».

Инвесторы действуют активно, стараясь увеличить сумму, направленную на квантовые вычисления, причем две трети всех вложений в акционерный капитал в данной области были сделаны с 2018 года. До 2017 года совокупные инвестиции составляли около 600 млн долл., и эта сумма почти удвоилась за последующие три года. В то же время компании также значительно повысили свои вложения в квантовые вычисления, и ожидается, что 20% из них выделят ресурсы на квантовые технологии к 2023 году, согласно недавнему прогнозу Gartner.

В BCG прогнозируют, что это наращивание темпов инвестиций продолжится. Недавние достижения и стратегические планы крупных производителей оборудования, таких как IBM, Google, Honeywell, IonQ, PsiQuantum и другие, повысили уверенность, что уже до конца этого десятилетия мы получим оборудование достаточно мощное, чтобы решать ключевые проблемы бизнеса и общества.

Такой подъем инвестиций вызван крупными достижениями в технологии квантовых вычислений и прогнозами существенного повышения производительности и прибыльности в результате использования этих новых возможностей. Согласно исследованию BCG, квантовые вычисления позволят получить новую выгоду во многих отраслях, создавая стоимость до 850 млрд долл. ежегодно к 2040 году.

Наибольшая доля новых инвестиций направлена на получение более дешевого и надежного оборудования для квантовых вычислений. Исследования и разработки в области квантовых битов (кубитов), которые используются в компьютерах, чрезвычайно сложны и дороги.

В 2020 году в квантовые вычисления было вложено в целом 675 млн долл., причем 528 млн долл. из них были направлены на развитие оборудования. Годом ранее общий венчурный капитал (в объеме всего лишь 211 млн долл.) делился поровну между оборудованием и программным обеспечением. BCG прогнозирует, что в 2021 году прежние рекорды будут побиты и инвестиции составят более 800 миллионов долларов.

Как отмечают аналитики, в нынешнее десятилетие разгорится борьба между пятью конкурирующими технологиями производства оборудования для квантовых компьютеров. На сегодня у всех них есть уникальные сбалансированные решения в области производительности и масштабируемости, и пока неясно, у каких из них окажется решающее преимущество. Крупные авторитетные компании, такие как IBM, Google, Honeywell и Amazon Web Services, делают масштабные инвестиции наряду с хорошо финансируемыми стартапами, такими как IonQ, компанией, вышедшей на открытый рынок в этом году.

Рост интереса и инвестиций со стороны корпораций стали последним элементом, вызвавшим «эффект домино»: после этого правительства и прямые инвесторы начали активные вложения.

Создание квантовых компьютеров потребует не только инноваций в сфере оборудования и программного обеспечения, но и новых сценариев использования. Предприятиям нужно будет определить состав и объем особо важных проблем, которые должны решить квантовые компьютеры. Это происходит сейчас, и этим характеризуются стратегические замыслы и творческие подходы во многих отраслях, не только в фармацевтике и финансовых услугах, но и в энергетике и розничной торговле. Самые различные предприятия осознают: когда эта отрасль станет более зрелой, в нее уже нельзя будет просто пробиться за счет приобретений.

Как отмечает Вадим Пестун, партнер и директор по технологиям и цифровой трансформации BCG в России, Россия не является исключением из общемировой практики использования квантовых компьютеров в тех отраслях, в которых особенно велико влияние факторов неопределенности. Самый крупный блок отраслей, в котором задействованы квантовые компьютеры в России, связан с оптимизацией: эти технологии активней всего применяются в финансах, страховании, логистике и аэрокосмической отрасли. Имитационные модели чаще всего используются в химической, металлургической, аэрокосмической и финансовой отраслях. Еще одна квантовая технология — машинного обучения — помогает развивать искусственный интеллект в автопроме и участвует в разработке решений для борьбы с мошенничеством. Но именно финансовая отрасль в России станет самым крупным бенефициаром квантовых технологий.

Несмотря на то, что квантовые вычисления находятся в самом начале своего развития, уже сейчас наблюдается потребность в мощных вычислительных ресурсах, которые предоставят новые разработки. 81% руководителей компаний, принявших участие в опросе, считают, что квантовые вычисления ускорят оптимизацию бизнес-процессов, логистических и промышленных процессов, помогут реализовать проекты цифровой трансформации и сохранят конкурентоспособность компаний в условиях быстро изменяющихся рынков.

Вместе с тем, 50% респондентов не ожидают, что новые технологии получат широкое распространение в ближайшие 10 лет. 89% полагают, что недостаточные вычислительные мощности современных технологий не дают возможность компаниям воспользоваться всеми преимуществами комбинаторной оптимизации – процесса выбора оптимального решения из большого количества вариантов – для того, чтобы коренным образом изменить свои бизнес-процессы.

Потребность в оптимизации рабочих процессов настолько высока, что две трети опрошенных нуждаются в решениях для оптимизации уже сегодня и не хотят ждать пробные и, возможно, нестабильные технологии на основе квантовых вычислений, которые появятся в будущем. Они опасаются, что конкуренты могут оказаться быстрее и согласны с тем, что если другие компании получат доступ к новым технологиям раньше, то это может привести к потерям в их бизнесе.