Бум инвестиций в квантовые вычисления: рост в 20 раз, что дальше?

В 1994 году математик Питер Шор предложил алгоритм квантовых вычислений, радикально сокращающий время поиска простых множителей больших чисел – у обычного компьютера на основе транзисторов это заняло бы миллиарды лет, а квантовому компьютеру хватит нескольких дней, что обеспечивает прорыв в шифровании и информационной безопасности.

Семь лет спустя ученые из IBM впервые продемонстрировали работу этого алгоритма на квантовой машине, хотя и очень маленькой, доказав осуществимость алгоритма Шора.

Привычные нам компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а наименьшей единицей хранения информации является бит. Он может принимать строго одно из двух значений: 0 или 1. При решении задачи компьютер проводит множество последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени.

Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Для решения любых алгоритмических задач они используют квантовые биты — кубиты. Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально.

В итоге та задача, на выполнение которой у обычного компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом компьютере за секунду.

Отсюда пошла концепция квантового превосходства, гласящая, что квантовый компьютер может делать вещи в некоторых областях, выходящих за рамки возможностей неквантовых или классических компьютеров. Но это не значит, что он заменит классические компьютеры.

Хорошее объяснение для новичков о работе квантового компьютера есть здесь, здесь, а также в нескольких статьях на VC, не буду дублироваться.

Хочется оговориться, что сегодня квантовые компьютеры и квантовые вычисления — очень многообещающая, очень молодая и пока малоприменимая в промышленном плане область информационных технологий.

В то же время, уверенность в том, что квантовые компьютеры решат серьезные задачи, недоступные традиционным компьютерам (aka квантовое преимущество) резко возросла за последний год. Так, в 2021 году IonQ стала первой публично торгуемой компанией по квантовым вычислениям, первоначальная оценка которой составляет $2 млрд.

Как отмечает Gartner, корпорации значительно повысили свои вложения в квантовые вычисления и ожидается, что 20% из них выделят ресурсы на квантовые технологии к 2023 г. (в 2018 г. эта доля составляла всего лишь 1%).

А глобальный венчурный рынок кванта растет как на дрожжах – от 143 сделок в 2018 году до 800 сделок в 2021 году:

Во-первых – быстрые технологические победы. К примеру, с 2019 года по настоящее время состоялись две широко разрекламированные демонстрации достижения «квантового превосходства» – одна от Google в октябре 2019 года, а другая от группы ученых-физиков из Китая в декабре 2020 года.

Во-вторых – весьма понятные шаги по коммерциализации технологии. За последние два года почти каждый крупный поставщик технологий квантовых вычислений (среди которых IBM, Intel, Google и др.) выпустил дорожную карту, в которой изложены важнейшие этапы на пути к достижения квантового превосходства в течение следующего десятилетия.

По оценке BCG, разработчики сейчас более всего верят в технологии квантовых вычислений на сверхпроводниках (проекты IBM и Google, 61% респондентов), чуть более трети опрошенных считают перспективной технологию ионных ловушек (Honeywell, IonQ).

В-третьих – постоянная разработка новых вариантов использования. Несмотря на то, что, к примеру, квантовый консалтинг пока является скорее теорией, чем практикой, компании вырабатывают собственное видение коммерциализации технологии. Совокупность этих наработок говорит о том, что квантовые вычисления быстро становятся реальностью для потенциальных пользователей, и инвесторы всех типов признают этот факт.

Сейчас известно 4 основных типа задач, в которых квантовые вычисления могут иметь преимущество над стандартными вычислительными процессами:

1. Криптография

Ориентированная, в основном, на государственные цели – вероятно, самая узкая группа задач с потенциалом дополнительной стоимости в $40–80 млрд.

Однако при развертывании новых криптосистем потребуется масштабное обновление ПО, оборудования и инфраструктуры связи – нужно будет повторно зашифровать все существующие конфиденциальные данные и построить новую инфраструктуру для работы новых криптографических алгоритмов.

2. Оптимизация

Крупные банки уже вкладывают средства в эту сферу: Goldman Sachs и JPMorgan Chase, а также BBVA держат целые команды, исследующие возможности применения квантовых вычислений в банковском деле и финансах.

В России основным бенефициаром появления квантовых вычислений как технологии предполагается финансовый рынок. Пока же, исходя из основных вложений в этой сфере, в квантах заинтересованы производители материалов, аэрокосмическая отрасль и ВПК.

3. Машинное обучение

В разных областях сейчас происходит взрывной рост использования нейронных сетей: вместе с чем растет и потребность в улучшении обучения компьютерных моделей. Использование квантовых возможностей применимо для выявления закономерностей в данных для обучения алгоритмов.

Это могло бы ускорить развитие искусственного интеллекта (например, для автономных транспортных средств), дополнительная стоимость технологии оценивается в $110–210 млрд, причем максимум приходится на поиск и рекламу – $50–100 млрд.

4. Имитационное моделирование

Многие сложные процессы моделирования – например, моделирование химических реакций с большим количеством электронов (100+) не под силу даже самым мощным из классических компьютеров. В 2017 году группа Маркуса Райхера, профессора теоретической химии из Цюриха, определила размер квантовой системы – кластер в 100 логических кубитов.

Пожалуй наиболее активно использовать квантовые возможности планирует фарм-индустрия. Например, был создан QuPharm — консорциум из 17 фармацевтических компаний, включая AbbVie, Bayer, GSK, Takeda и Pfizer, объединивших свои знания для ускорения развития в области квантового оборудования и программного обеспечения.

Как подсчитали в BCG, для ведущей фармацевтической компании с бюджетом на исследования и разработки в диапазоне $10 млрд квантовые вычисления cмогут обеспечить повышение эффективности расходов на R&D до 30%.

Предполагается, что в 2022-2025 гг. ключевой для поставщиков квантовых решений задачей будет разработка технологии устранения ошибок в шумных средних по размеру системах квантовых вычислений (до 1 млн кубит, текущие прототипы — десятки кубит).

Вполне вероятно, что в ближайшие годы и даже месяцы мы обнаружим, что были чрезмерно осторожны в прогнозах и что квантовая эра наступит значительно раньше, чем мы думаем.

P.S. больше контента о будущем есть в моем канале по трендвотчингу. Буду писать о восходящих трендах в различных сферах, welcome!