Что такое облачные квантовые платформы и для чего они нужны

РБКHi-Tech

Сверхпроводники бизнеса

Что такое облачные квантовые платформы и для чего они нужны

Автор: Алексей Федоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» в Российском квантовом центре

Квантовый компьютер Microsoft Azure

Квантовый компьютер с мощностью, достаточной для решения практических задач, еще не создан, но с помощью квантовых вычислений бизнес уже оптимизирует логистику, формирует инвестиционные портфели и моделирует процессы для добычи нефти. Выясняем, как именно.

В чем тренд?

По данным The European Deep Tech Report, квантовые вычисления в мире — один из четырех наиболее быстрорастущих сегментов рынка Deep Tech наряду с кремниевой фотоникой, дополненной, виртуальной и смешанной реальностью (AR/VR/ MR) и развитием интерфейсов, связывающих мозг и компьютер. Развитие квантовых вычислений напрямую связано с уровнем хардверной части (так называемого железа) и софтверной — программного обеспечения для квантовых компьютеров.

Проекты по разработке квантового софта, к которому относят и облачные платформы доступа к квантовым компьютерам, за последние два года суммарно привлекли более $100 млн. На рынке уже появляются сделки по слиянию бизнеса между компаниями, работающими в области «железа» и софта. В 2021 году о партнерстве сообщили разработчик ионных квантовых процессоров Honeywell Quantum Computing и провайдер сервисов Cambridge Quantum, а в 2022-м усилия объединили производитель квантовых компьютеров на атомах Pasqal и разработчик алгоритмов Qu&Co.

Прямой доступ к мощностям квантовых технологий есть пока только у ученых и разработчиков «железа». Облако же стало своеобразным выходом для коммерческих компаний: появилась возможность работы с квантовыми компьютерами без необходимости покупать дорогостоящее устройство.

Платформа квантовых вычислений

Внешне платформа напоминает стандартный облачный сервис, цель которого — снабдить пользователя набором инструментов для решения задачи, в данном случае вычислительной. У специалиста по данным, привыкшего к такому формату работы, может возникнуть вопрос: где тут квантовые компьютеры? А суть — в вычислительных бэкендах, доступных пользователю платформы.

Квантовые компьютеры — это вычислительные устройства нового типа, принцип работы которых построен на использовании эффектов квантовой физики. В отличие от классических устройств, информация в которых закодирована в биты — 0 или 1, квантовые оперируют кубитами, способными одновременно находиться в обоих состояниях — и 0, и 1. Такие устройства в перспективе позволят решать вычислительные задачи на порядки быстрее классических компьютеров и суперкомпьютеров.

Для решения исследовательских или бизнес-задач пользователь может выбрать классические, квантовые или квантово-вдохновленные сервисы. Сами по себе квантовые компьютеры расположены в крупных технологических компаниях или научных лабораториях.

Как правило, у такого сервиса есть несколько интерфейсов для доступа к разным инструментам квантовых вычислений. Они интуитивно понятны для пользователей без специального образования.

На практике использование платформы выглядит так: компания, желая решить задачу, например финансовой оптимизации, выбирает на платформе тип вычислительного сервиса. Бизнес может использовать квантовый вычислитель, а решение сравнить с результатами, полученными от классического или гибридного подходов. Разработчик запускает задачу, а программа выгружает матрицу данных. Она, к примеру, может показать минимальную конфигурацию инвестиционного портфеля с максимальной доходностью и минимальным риском в заданных условиях.

Если специалист из фармацевтической компании хочет смоделировать химическую реакцию на квантовом компьютере, ему доступны несколько инструментов для реализации квантового алгоритма. Среди них написание кода на низкоуровневом языке QASM или на Python с подключенными библиотеками для квантового программирования, а также создание в визуальном редакторе квантовой цепочки — для наглядности.

Платформы способны решать задачи оптимизации в разных направлениях: от логистики до финансовых потоков, разработок в областях квантовой химии, биоинформатики и криптоанализа. В нефтегазовом секторе — моделировать ключевые технологические процессы и анализировать данные. В телекоммуникационной сфере — ускорять разработку сетей нового поколения. В фармакологии — искать новые лекарства. В промышленности — оптимизировать производство и создавать новые материалы. Также кванты полезны для создания новых моделей машинного обучения.

Инструменты платформ способны проводить сравнительный анализ алгоритмов. Порядка 30% задач, с которыми индустрия обращается к разработчикам квантовых вычислений, все еще более эффективно решаются на классическом компьютере. Речь идет об алгоритмах с рутинными вычислениями вроде обработки больших объемов аудиовизуальной информации для игр и мультимедиа или шаблонных данных в таблицах и схемах.

Примеры использования облачных платформ квантовых вычислений

1. Оптимизация трафика

В 2019 году Ford и Microsoft запустили совместный проект по изучению возможностей для улучшения дорожной ситуации в Сиэтле. Так, исследователи применили квантовый эмулятор, подключенный к платформе Azure Quantum, чтобы в режиме реального времени реализовать сценарий по маршрутизации до 5 тыс. автомобилей, одновременно запрашивающих маршруты в Сиэтле и его пригородах. Каждый виртуальный водитель получил по десять различных маршрутов. В результате кейс позволил на тестовой выборке улучшить первоначально смоделированную ситуацию на дорогах сразу на 73%, а также уменьшить время в пути на 8%, что потенциально позволит экономить в среднем более 55 тыс. часов в год.

2. Определение эффективности химиотерапии

Доступ к квантовому эмулятору через платформу Microsoft Azure Quantum в 2018 году позволил ученым из Университета Case Western Reserve в Кливленде внедрить новый подход к количественной магнитно-резонансной томографии (MRF), который дал возможность одновременно измерять несколько свойств ткани в ходе одного сканирования. На тестовых данных это на 30% повысило точность проводимых исследований и в три раза ускорило процедуру сканирования.

Квантовый компьютер IBM Q System One

ВЕДУЩИЕ ИГРОКИ

В мире насчитывается несколько десятков компаний, занимающихся квантовыми вычислениями. Среди них американские IBM, Google Quantum AI, Microsoft, D-Wave, IonQ, Intel, китайские Baidu и Alibaba, французская Atos Quantum, австралийская Alpine Quantum Technologies (AQT) и другие. Часть из них создали собственные облачные платформы квантовых вычислений, а часть использует Amazon Braket. Эта система является абсолютным лидером по количеству подключенных к платформе квантовых мощностей.

Технологию развивают не только корпорации. Стартапы также активно вовлечены в гонку. Крупнейшие из них оцениваются в сотни миллионов долларов:

  • британский Cambridge Quantum Computing ($270 млн),
  • американский Zapata Computing ($228 млн),
  • канадский 1QBit ($216 млн).

В России весной 2023 года функционировали две облачные платформы для доступа к квантовым компьютерам. Задачи, которые интересны в первую очередь исследователям, решает платформа, разработанная учеными из МГУ им. Ломоносова. Инструмент активно используется студентами и научными сотрудниками университетов. Исследовательские и более прикладные задачи можно решить на платформе QBoard, разработанной Российским квантовым центром. За плечами стартапа—моделирование финансовых портфелей для Газпромбанка, сборка генома для Genotek и моделирование химических соединений для Nissan, а также проекты в области энергетики и телекоммуникаций.

СТОИМОСТЬ ДОСТУПА

Цена доступа к квантовым вычислениям для бизнеса — $2–3 тыс. в час. Amazon предлагает выполнить задание за $0,3, а разово запустить алгоритм в определенных условиях — за $0,0002–$0,01. В каждом случае стоимость зависит от типа используемого оборудования.

Другая американская платформа QC Ware предлагает широкий выбор тарифов в зависимости от величины группы исследователей и сложности задач. За $2,5 тыс. в час исследователи могут получить доступ к библиотекам алгоритмов, место для одного пользователя, доступ ко всем сверхпроводящим процессорам для квантовых компьютеров и симуляторам. Самый широкий тарифный план платформы за $500 тыс. предусматривает доступ на 285 часов и неограниченное количество мест для пользователей.

Количество запусков одной задачи зависит от платформы и системы, представленной на ней. Часто нужны сотни и тысячи запусков квантового алгоритма. Сегодня полноценное решение одной бизнес-задачи в среднем будет стоить около $10 тыс.

КОНСАЛТИНГ ДЛЯ БИЗНЕСА

Ценность платформ квантовых вычислений — в сотнях накопленных кейсов и решенных задач. Компания, обращающаяся за квантовыми вычислениями к платформе, не всегда понимает, с помощью каких именно инструментов можно эффективнее решать поставленные задачи.

В этом случае представители платформы погружаются в бизнес клиента и предлагают оптимальные решения. Часто на первом этапе задачу решают с помощью эмуляторов, расположенных на серверах платформы, а затем подбирают подходящий квантовый компьютер и определенную библиотеку программного обеспечения.

Затем клиент может выбрать: работать через платформу или обратиться напрямую к какому-либо технологическому гиганту самостоятельно. Бизнесу, как правило, удобнее продолжать работать через платформу, потому что в нее интегрировано множество вычислительных сервисов разных направлений и доступы к большому количеству квантовых компьютеров по всему миру.

Сегодня именно разработчики квантовых алгоритмов и провайдеры облачных сервисов выступают в роли драйверов рынка квантовых вычислений. Изучая все возможности квантовых вычислительных устройств и потребности клиентов, они выстраивают мостик к главному вызову предстоящих лет — демонстрации квантового превосходства в полезных прикладных задачах.

Фото: Microsoft, IBM

O'qishni davom ettirish uchun tizimga kiring. Bu tez va bepul.

Roʻyxatdan oʻtish orqali men foydalanish shartlari 

Tavsiya etilgan maqolalar

Что будет способствовать развитию горнолыжного туризма Что будет способствовать развитию горнолыжного туризма

Какая инфраструктура необходима для развития горнолыжных курортов в России

РБК
Ледниковые прерии Ледниковые прерии

Что погубило тундростепь и мамонтовую фауну?

Вокруг света
Тихие американцы Тихие американцы

Что ждет коренных американцев в будущем?

Вокруг света
«Малочисленные народы прекрасно интегрированы в современном обществе» «Малочисленные народы прекрасно интегрированы в современном обществе»

Об участии в современной экономике женщин коренных малочисленных народов

РБК
Андрей Шапенко: «Счастливому руководителю проще вдохновить своих коллег» Андрей Шапенко: «Счастливому руководителю проще вдохновить своих коллег»

Зачем лидеру искать путь к счастью и транслировать ценности своим подчиненным?

РБК
Великая степь Великая степь

Великая степь была всегда, сколько себя помнит человечество

Вокруг света
Огонь-трава Огонь-трава

Повстречав это растение на своём пути, непременно замедлишь шаг

Наука и жизнь
«Женщины играют значительную роль в освоении арктических территорий» «Женщины играют значительную роль в освоении арктических территорий»

О важности постоянного прямого диалога с женщинами коренных народов Севера

РБК
Первенцы Вселенной Первенцы Вселенной

Какими были древнейшие звезды, появившиеся после Большого взрыва

Наука
Этнокультурный вектор устойчивого развития. Женщины Севера Этнокультурный вектор устойчивого развития. Женщины Севера

Современные тренды устойчивого развития меняют подходы к управлению

РБК
Окнами в лес Окнами в лес

Интерьер оформлен так, чтобы поддерживать эффект единения с природой

Идеи Вашего Дома
Эпоха «посткремниевой долины» Эпоха «посткремниевой долины»

В России создается элементная база, работающая на новых физических принципах

Наука
Погибоша аки обре Погибоша аки обре

Как история обошлась с могучим племенем обров или аваров

Вокруг света
Между «Севером — Югом» и «Западом — Востоком» Между «Севером — Югом» и «Западом — Востоком»

Потенциал развития сельского хозяйства Самарской области

Агроинвестор
«Производственная цепочка в кластере будет крепкой и гибкой» «Производственная цепочка в кластере будет крепкой и гибкой»

О перспективах химического кластера в Московской области

РБК
Как арктические микроорганизмы строят себе железомарганцевый дом Как арктические микроорганизмы строят себе железомарганцевый дом

Бактерии формируют себе надежное убежище и одновременно создают запасы сырья

Наука
Сергей Салкуцан: «Очаги цифровизации возникают в разных областях знаний» Сергей Салкуцан: «Очаги цифровизации возникают в разных областях знаний»

Как меняется наука сегодня и может ли ИИ заменить ученого?

РБК
Тахир Базаров: «Переплавьте тревогу в любознательность» Тахир Базаров: «Переплавьте тревогу в любознательность»

Какие паттерны мышления руководителей устарели и чем их заменить

РБК
Острова притяжения Острова притяжения

Чем привлекают к себе горожан окруженные водой территории

РБК
Туманные горизонты Туманные горизонты

Компаниям придется продолжить адаптацию к радикально изменившимся условиям

РБК
Как птицы учатся использовать звёздный компас Как птицы учатся использовать звёздный компас

Биологи связали популяции птиц, зимующих в одном районе, а гнездящихся в другом

Наука и жизнь
«Импортозамещение возможно при наличии научно-производственной базы» «Импортозамещение возможно при наличии научно-производственной базы»

О локализации оборудования и программного обеспечения для промышленности

РБК
«На казенный счет изгонял бога из природы» «На казенный счет изгонял бога из природы»

Климент Тимирязев раскрыл тайну фотосинтеза и изобретал теплицу

Наука
«Онлайн снимает любые барьеры для людей» «Онлайн снимает любые барьеры для людей»

О внедрении искусственного интеллекта и секретах популярности коротких видео

РБК
Выставка Леонида Шервуда в Русском музее Выставка Леонида Шервуда в Русском музее

Леонид Владимирович Шервуд родился в Москве 16 (28) апреля 1871 года

Наука и жизнь
Близ города Калязина Близ города Калязина

Для оформления пространства они выбрали палитру луговых цветов

Идеи Вашего Дома
Степной закат Степной закат

Этот дом максимально ориентирован на ландшафт

Идеи Вашего Дома
Старая новая дача Старая новая дача

Знакомьтесь с обновлённой версией дома для сезонного проживания

Идеи Вашего Дома
Живые ископаемые Живые ископаемые

Членистоногие не зря послужили источником вдохновения для фантастов

Наука и жизнь
Химия перенаправляет потоки Химия перенаправляет потоки

Санкции против промышленности привели к смене направлений

РБК
Открыть в приложении