Введение

Во время каждой технологической революции было какое-либо изобретение, ставшее ее основным ускорителем. Для первой революции этим изобретением стал паровой двигатель,  для второй – электродвигатель. Третья революция уже произошла, и ее главными событиями стали создание компьютера и Интернета. И сегодня многие говорят о начале индустрии 4.0, которая будет основываться на симбиозе искусственного интеллекта (в дальнейшем – ИИ) и человека1, полностью автоматизированном производстве и замене всех монотонных процессов роботами.

Однако пока что развитие ИИ находится лишь на начальной стадии. О полной замене человека компьютером, о которой говорит концепция индустрии 4.0, говорить еще рано. Пока что существует основная проблема, препятствующая широкому развитию ИИ: это высокие временны́́е издержки на обучение ИИ. В силу высокой вычислительной сложности алгоритмов2, на которых строятся модели ИИ, а также огромного количества данных в тренировочных дата-сетах (базах данных, нужных для обучения ИИ, такие базы данных должны быть достаточно большими, чтобы у ИИ сформировались правильные взаимосвязи между входными и выходными данными), обучение может длиться месяцы3, а то и годы. К тому же обучение на каком-то одном дата-сете может не привести к желаемому результату, и ИИ придется переобучать, что будет еще дольше, так как существует вероятность того, что вовсе придется сменить модель и учить с нуля4.

Поэтому при текущем уровне развития ИИ догонит человека через много десятилетий. Однако в последнее время аналитики заговорили о перспективе создания квантового компьютера - устройства, вычислительная мощность которого будет во много раз превосходить параметры самых мощных предшественников. А какое будущее ждет квантовый компьютер, как он поможет создателям ИИ, стоит ли на него надеяться или стоит его бояться – ответить на эти вопросы – это цель данной работы, а также составить достаточно правдоподобную модель внедрения технологии квантовых вычислений в науке, бизнесе и повседневной жизни.

К задачам работы относятся следующие шаги:

-  Изучить принцип действия квантового компьютера и сравнить с принципом действия обычного компьютера.

- Выяснить преимущества и недостатки квантового компьютера перед обычным.

- Понять, какие проблемы современного человечества поможет решить квантовый компьютер.

- Составить прогноз развития и внедрения квантовых компьютеров.

- Сделать выводы о том, насколько этот прогноз является точным и практически значимым.

Принцип работы квантового процессора значительно отличается от принципа работы обычного: если обычный процессор делает операции с битами, которые могут находиться в одном из двух состояний – 0 и 1, то квантовый оперирует кубитами, которые находятся одновременно в двух состояниях. Вычисления производятся одновременно над каждым состоянием и вследствие этого происходят практически мгновенно. Кубиты представляют собой квантовые объекты, находящиеся в суперпозиции – то есть с определенной вероятностью в текущий момент они могут находиться как в одном, так и в другом состоянии. Также все объекты должны быть связаны, то есть находиться в состоянии квантовой запутанности, чтобы изменение состояния одного объекта влекло за собой изменение состояния других. Это и обеспечивает параллелизм вычислений – вычисляются одновременно все возможные значения группы кубитов.

Благодаря такому принципу работы, квантовые вычисления имеют важнейшие преимущества перед вычислениями на обычном процессоре:

1. В памяти хранится одновременно на много порядков больше значений: если регистр обычного компьютера хранит N состояний, то регистр квантового сможет хранить 2N состояний.
2. Задачи, невозможные для обычных компьютеров, решаются на квантовом компьютере за считанные секунды5.

Однако существует несколько серьезных недостатков, к которым относятся:

1. Нестабильность состояния квантовой запутанности, которую очень сложно поддерживать: должно быть достигнуто состояние сверхпроводимости, а следовательно температура должна стремиться к абсолютному нулю. Также любые взаимодействия с внешним миром приводят к разрушению этого состояния, например, пролетевший мимо фотон или малейшая механическая волна. В свою очередь, это приводит к существенным погрешностям.
2. Результат квантовых вычислений является верным лишь с некоторой вероятностью. Несмотря на то, что эту вероятность можно приблизить к единице, результат в точности значений все равно будет уступать результатам, полученным в ходе обычных вычислений6.
3. Габариты футляра с защитой значительно превосходят саму вычислительно полезную часть устройства.
4. Квантовые алгоритмы легко взламывают шифры с открытым ключом, что создает большую угрозу для фирм, которые этими шифрами пользуются, а таких фирм – большинство.

Учитывая преимущества и недостатки квантовых вычислений, а также нужды современного общества, можно определить перспективы и приложения квантовых компьютеров:

• Квантовые вычисления очень хорошо подходят для алгоритмов, распределяющих вероятности, а именно к таким алгоритмам относят те, которые использует машинное обучение, deep learning и ИИ. Они решат проблему долгих вычислений, ускорив создание «сильного» ИИ7, а соответственно, ускорив процесс автоматизации производства, а соответственно и наступление четвертой технологической революции.
• Прогнозирование, что особенно актуально для медицины (прогнозирование и анализ на основе биометрических и генетических данных) и экономики (прогнозы колебаний ценных бумаг, инфляции и иных экономических метрик).
• Моделирование ресурсозатратных экспериментов, которые трудно реализовать в реальности по тем или иным причинам, а с помощью квантовых вычислений их можно сначала провести на компьютерной модели.
• Моделирование сложных структур, сред и взаимодействий между ними, требующих больших затрат памяти и быстродействия, например, прототипов лекарственных препаратов в биологической среде8 или детальное моделирование процессов, происходящих внутри звезд.

Основная часть

Этот раздел посвящен тому, как будут внедряться и развиваться технологии квантовых вычислений, с какими проблемами могут столкнуться разработчики и каким образом эти проблемы следует решать.

Квантовый процессор уже изобретен: такие устройства есть у Google  (72 кубит) и IBM (50 кубит), а D-Wave systems создали 5 000-кубитный процессор9. Однако рабочих квантовых компьютеров по-прежнему нет, даже несмотря на то, что эти устройства уже показывают рекордные результаты по вычислениям. Дело в том, что поскольку это довольно-таки новое поле для бизнеса, для него еще очень мало создано инструментов и сделано открытий. Только начинают развиваться среды разработки и языки программирования для квантовых вычислений (такие как Q#). Также нужны новые операционные системы. К тому же в силу особенностей работы квантовых процессоров, растет вероятность ошибок в незащищенной от внешних воздействий среде. Для эффективной работы необходимо поддерживать сверхнизкие температуры и отсутствие любых воздействий извне.  Но все это развивается уже сейчас. Создать язык программирования и операционную систему не так сложно, так как такое уже когда-то создавалось. А улучшение качества защиты – это дело времени. Поэтому имеет смысл говорить о том, что изобретение полноценного квантового компьютера - это дело уже недалекого будущего – каких-то 10 лет.

Скорее всего, первыми, кто эти технологии будет использовать – это IT-гиганты, у которых есть штат ученых и программистов и соответствующие оптимальной работе условия. Google уже анонсировал, что в 2029 году собирается запускать квантовый компьютер мощностью до 1 млн кубитов.

Затем, как это обычно бывает, технологии закупят государственные и военные структуры.

А вот остальные предприятия, даже очень крупные, вряд ли смогут приобрести собственные квантовые компьютеры в ближайшее десятилетие после создания. Тому есть несколько причин. Первая, технологическая, состоит в том, что квантовые компьютеры не сразу поставят на широкий поток, хотя бы потому что для их создания требуется длительное время, и это время измеряется не неделями, а месяцами в лучшем случае. А на второй стоит остановиться подробнее.

Это этическая проблема использования квантовых компьютеров. Дело в том, что при помощи такого компьютера можно взломать любой шифр с открытым ключом10 за весьма короткий промежуток времени, а большинство компаний как раз пользуется такими шифрами. В частности, системы шифрования, которые использует современная криптовалюта, неустойчивы перед возможностями квантовых компьютеров. Поэтому у многих аналитиков создание таких устройств вызывает беспокойство. Однако далеко не все так плохо, потому что, как говорилось, вначале квантовые компьютеры будут лишь у IT-гигантов, которые, вероятно, не станут никого взламывать. А чтобы предупредить попытки уже последующих покупателей этих технологий кому-либо навредить, должны быть созданы алгоритмы квантового шифрования. Поскольку тема безопасности неоднократно поднималась, разработчики квантовых устройств, вероятно, о ней уже думают, поскольку в противном случае продажа квантовых технологий вызовет широкий резонанс и критику, что создателям, конечно же, не нужно, ведь они хотят себе хорошую репутацию. Поэтому сначала изобретут квантовый компьютер, потом средства защиты от квантовых кибер-атак, а уже потом начнут продавать эти технологии.

Таким образом, после того, когда будут преодолены этические барьеры, и будут изобретены достойные методы защиты от квантовых кибер-атак, квантовые компьютеры будут использоваться многими большими компаниями, банками и госкорпорациями, научными центрами и мед. учреждениями. Особенно важным шагом будет приобретение квантовых серверов крупнейшими хостингами. В таком случае будут значительно ускорены многие бизнес-процессы, а также это создаст отличную возможность для разработчиков ИИ тренировать свои модели на таких серверах. На исследования, требующие использование машинного обучения, будет тратиться в разы меньше времени, это даст отличную возможность для развития ИИ в целом. В это же время будет происходить автоматизация производства на крупных предприятиях за счет роботов, использующих алгоритмы ИИ.

Также имеет смысл перспектива уменьшения габаритов квантовых компьютеров. То, что человечество имеет сейчас, больше всего напоминает огромные ламповые многометровые компьютеры 40-60х годов.  Основную часть, как уже говорилось, занимает шкаф с холодильником и изоляцией от шума и воздействий (высотой 3 метра и объемом 20 куб. м). А сами процессоры сопоставимы размером с ногтем большого пальца11. Это значит, что вычислительно полезная часть машины намного меньше ее футляра. Поэтому для того, чтобы использовать еще больше вычислительных мощностей, надо уменьшить холодильник. Ранее у человечества не возникала потребность делать холодильники маленькими, поскольку они нужны были как раз для того, чтобы вместить в себя побольше продукции. Эта потребность появилась совсем недавно. Но финские ученые уже смогли разработать наноразмерный холодильник, который работает за счет эффекта квантового туннелирования12: электроны, проходящие через экран, получают много энергии и тепла за счет самой системы, тем самым охлаждая ее. Пока что он работает не на настоящих кубитах, а на аналогичных системах, но, как сообщает источник, в будущем перейдут на них. Таким образом, проблема уменьшения «камеры хранения» квантового компьютера будет решена, скорее всего, уже меньше, чем через десятилетие после его создания.

А это значит, что появится возможность поставлять квантовые компьютеры на широкий поток. Они будут по-прежнему дорогие, но зато их будет возможно размещать в офисах. Стоит отметить, что вряд ли они будут нужны широкому кругу потребителей в ближайшие 10 лет после создания. Самые вычислительно затратные приложения, которыми обычно пользуются – это видеоигры, видеоредакторы и программы для трехмерных разработок. Пока что современные компьютеры легко справляются с этими задачами.

Но прогресс на месте стоять не будет, и разработчики найдут применение технологий квантовых вычислений для этих задач. К примеру, эти технологии хорошо подходят для моделирования сложных физических процессов, за счет чего создатели игр смогут расширить физику в играх практически до уровня физики в реальном мире: все взаимодействия будут просчитываться практически мгновенно. Также это может быть применено при создании реалистичных спецэффектов в кинопроизводстве.

Скорее всего, после того, как квантовые компьютеры станут доступными рядовым потребителям, они перестанут развиваться в инновационном плане. Это, конечно, не означает то, что идти квантовым технологиям будет некуда. Но их вектор развития к тому моменту сейчас весьма непредсказуем, особенно в рамках небольшого исследования.

Из вышеописанных выкладок можно составить таймлайн внедрения технологий квантовых вычислений:

1. 2020-2030 гг: Активные исследования в области квантовых вычислений, совершенствование основных комплектующих квантового компьютера, а также прототипов, ближе к концу периода – создание первого полностью рабочего устройства.
2. 2030-2040 гг: Приобретение и эксплуатация квантовых компьютеров гос. структурами, банками и крупнейшими корпорациями (может быть применено в улучшении ИИ в сфере планирования, определении ключевой ставки ЦБ, оптимизации бизнес-процессов и автоматизации массового производства). Активные разработки ПО и комплектующих для квантовых компьютеров. Использование квантовых компьютеров в научно-исследовательских центрах.
3. 2040-2050 гг: Появление облачных серверов на квантовых компьютерах, тренд на обучении ИИ на облачных серверах, развитие технологий ИИ в обширном плане, автоматизация производства на средних предприятиях, тренд на миниатюризацию квантовых компьютеров, внедрение квантовых компьютеров в офисы.
4. 2050-2060 гг: Квантовые компьютеры малой и средней мощности появятся на многих предприятиях. К концу периода появятся первые пользовательские модели.
5. 2060+ гг: Создание игр и графических пакетов на квантовых компьютерах, постепенное появление этих технологий у простых пользователей.

Приведенный таймлайн является примерной наиболее вероятной моделью процесса внедрения квантовых компьютеров. В реальности жизненный цикл новых технологий, как правило, задается логистической кривой: вначале у нее пологий наклон, рост медленный, поскольку значительные усилия исследователей приводят к незначительным результатам, но когда у этих исследователей формируется достаточная база знаний и умений, совершается резкий прорыв, наблюдается динамичный рост, крутой подъем. У общества появляется активный интерес к этой технологии, количество пользователей увеличивается. Так происходит до некоторого момента, пока эта технология не станет обыденностью. Все, что с ней связано становится уже открытым и она перестает быть такой интересной13. Таймлайн с поправкой на нелинейность технологического роста можно увидеть в Приложении 1.

 

 

 

Заключение

Таким образом, в ходе работы было выяснено, что создание квантового компьютера – это вполне реализуемое будущее, причем, довольно скорое. Также были выявлены многие приложения этой технологии, очень актуальные для современного общества – это прогнозирование, исследования, моделирование и создание «сильного» искусственного интеллекта, автоматизация производственных процессов. На текущий момент существует три препятствия развития этой технологии – это не до конца проработанные операционные системы для квантовых вычислений, отсутствие надлежащей защиты процессора от внешних воздействий и отсутствие защиты от квантовых кибер-атак. Решение как первой, так и второй, так и третьей проблемы – это дело времени. И сил тех ученых, которые над этим работают.

Основным результатом этой работы стал таймлайн развития и внедрения технологий квантовых вычислений, который может использоваться как дорожная карта для создателей этих технологий, а также как модель прогноза, которая может понадобиться футурологам или инвестиционным фондам.

Подводя итог, можно сказать, что уже в грядущие 30 лет технологический уклад человечества сильно изменится, и квантовые компьютеры сыграют в этом важнейшую роль.

Список используемой литературы

1. Что такое индустрия 4.0? Объясняем простыми словами [электронный ресурс] // Секрет фирмы , URL: https://secretmag.ru/enciklopediya/chto-takoe-industriya-4-0-obyasnyaem-prostymi-slovami.htm,публикация– 20.09.2021, обращение – 15.11.2022
2.  Временная сложность алгоритмов машинного обучения [электронный ресурс] //  Константин Клепиков на github.io  URL: https://konstantinklepikov.github.io/2019/09/08/time-complexity-of-machine-learning-algorithms.html#:~:text=%D0%92%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20T(n)%20%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D0%B5%D1%82,%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%B1%D1%83%D0%B5%D1%82%D1%81%D1%8F%20%D0%BC%D0%B0%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5%20%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%20%D0%BE%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B9 , публикация – 8.09.2019, обращение – 15.11.2022
3. Сколько стоит проект по машинному обучению? [электронный ресурс] //  vesolv  URL: https://vesolv.ru/news/machine-learning-cost , публикация - 27.3.2021, обращение – 15.11.2022
4. Переобучение [электронный ресурс] //  wiki loginom  URL: https://wiki.loginom.ru/articles/overtraining.html, обращение – 15.11.2022
5. Миллион задач в секунду: как работают квантовые компьютеры? [электронный ресурс] //   РБК URL:  https://trends.rbc.ru/trends/industry/611256109a79470c8b396fbf, публикация – 31.08.2021, обращение – 18.11.2022
6. Квантовый компьютер [электронный ресурс] //  Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80 , публикация (последнее изменение) – 21.11.2022, обращение – 26.11.2022
7. Эксперт: "сильный" искусственный интеллект появится не раньше чем через 15 лет [электронный ресурс] //  Тасс URL:  https://nauka.tass.ru/nauka/12769989, публикация – 28.10.2021, обращение – 26.11.2022
8. Квантовые вычисления в медицине [электронный ресурс] //  Здрав эксперт URL: https://zdrav.expert/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B2_%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%BD%D0%B5#:~:text=%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5%20%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%8B%20%D0%BC%D0%BE%D0%B3%D1%83%D1%82%20%D0%B2%D1%8B%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8F%D1%82%D1%8C%20%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D1%8B%D0%B5,%D0%B1%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BD%D1%8C%20%D0%90%D0%BB%D1%8C%D1%86%D0%B3%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B0%2C%20%D0%BF%D0%BE%20%D0%B8%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B9, публикация – 27.06.2022, обращение – 27.11.2022
9. Квантовый компьютер и криптовалюта. Крах или начало новой эпохи? [электронный ресурс] //  VC.ru URL:  https://vc.ru/crypto/358046-kvantovyy-kompyuter-i-kriptovalyuta-krah-ili-nachalo-novoy-epohi, публикация – 2.02.2022, обращение – 18.11.2022
10. Квантовые компьютеры и изменения в информационной безопасности [электронный ресурс] //  CNews  URL: https://club.cnews.ru/blogs/entry/kvantovye_kompyutery_i_izmeneniya_v_informatsionnoj_bezopasnosti, публикация – 2017 г, обращение – 18.11.2022
11. Goldeneye – холодильник для квантовых компьютеров [электронный ресурс] //  tadviser  URL: https://www.tadviser.ru/index.php/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82:Goldeneye_(%D1%85%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D1%85_%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B2) , публикация – 2022 г, обращение – 18.11.2022
12. Наноразмерный холодильник помогает квантовым компьютерам охлаждаться [электронный ресурс] //  CNews zoom, URL: https://zoom.cnews.ru/rnd/article/item/nanorazmernyj_holodilnik_pomogaet_kvantovym_kompyuteram_ohlazhdatsya, публикация – 19.11.2021, обращение – 18.11.2022
13. Модели логистической динамики как инструмент экономического анализа и прогнозирования [электронный ресурс] //  Studylib, Р.М. Нижегородцев URL: https://studylib.ru/doc/2206631/modeli-logisticheskoj-dinamiki-kak-instrument-e-konomicheskogo, публикация – 26.04.2016, обращение – 29.11.2022