Przetwarzanie kwantowe o krok od realnych zastosowań

Dynamika rozwoju technologii kwantowych przyspiesza. Przybywa też przełomowych odkryć i rozwiązań zbliżających nas do możliwości komercyjnego wykorzystania przetwarzania kwantowego. Potencjał biznesowy rozwiązań opartych na przetwarzaniu kwantowym jest znaczący. Przygotowania do wykorzystania nowych możliwości warto zacząć już teraz.

Jak wynika z wydanego w grudniu 2021 roku raportu firmy McKinsey & Co „Quantum computing: An emerging ecosystem and industry use cases”, szybki rozwój całego ekosystemu technologii, usług i rozwiązań skupionych wokół możliwości przetwarzania kwantowego może nieść ze sobą ogromny potencjał transformacyjny nie tylko dla pojedynczych organizacji, ale całych branż i gałęzi gospodarki. Co więcej, zmiany te są nieuniknione.

Przewaga mocy obliczeniowej komputerów kwantowych nad rozpowszechnionymi dziś maszynami liczącymi jest przytłaczająca, a to sprawia, że realne stanie się błyskawiczne rozwiązywanie problemów obliczeniowych, których rozwiązanie dziś wymaga tak długiego czasu, że w realnych zastosowaniach biznesowych dane wejściowe tracą na aktualności, a efekty obliczeń stają się nieistotne. Można więc spodziewać się, że upowszechnieniu technologii kwantowych w zastosowaniach komercyjnych będą towarzyszyć przełomowe zmiany biznesowe wprowadzane na zasadzie „kto pierwszy, ten lepszy”.

Rozwój technologii przetwarzania kwantowego przyspiesza

Eksperci McKinsey & Co wskazują, że tylko w 2021 roku dokonano szeregu odkryć, które mają ogromne znaczenie w wyeliminowaniu głównych barier związanych z faktycznym zastosowaniem przetwarzania kwantowego. Mowa tu m.in. o odpowiednim wyskalowaniu kwantowych technologii obliczeniowych, opracowaniu efektywnych metod korekcji błędów czy zmniejszeniu kosztów niezbędnej dla tego rodzaju obliczeń infrastruktury sprzętowej. Wszystko jednak wskazuje na to, że niebawem wspomniane kwestie – które odpowiadają dziś za jedne z najistotniejszych barier na drodze do komercjalizacji przetwarzania kwantowego – zostaną, choćby wstępnie, rozwiązanie.

I tak, w grudniu 2021 roku naukowcy z Politechniki Federalnej w Zurychu poinformowali o stworzeniu systemu zapewniającego szybką i w pełni automatyczną korekcję błędów w kwantowych środowiskach obliczeniowych, który jest na tyle wydajny, że umożliwia faktyczną operacjonalizację obliczeń kwantowych. „Wykazanie, że błędy w komputerze kwantowym przechowującym dane w postaci kubitów można szybko i wielokrotnie korygować, jest przełomem na drodze do zbudowania praktycznego komputera kwantowego” – mówi Andreas Wallraff, profesor na Wydziale Fizyki i dyrektor Centrum Kwantowego na Politechniki Federalnej w Zurychu.

Zapewnienie skutecznej korekcji błędów dla kwantowych środowisk obliczeniowych jest niezbędne, ponieważ istota przetwarzania kwantowego sprawia, że nawet pojedyncze obliczenia na kubitach są niepewne, zaś same kubity niestabilne. Dodatkowo, kubity oddziałują na siebie wzajemnie, a kontrolowanie takich interakcji jest obecnie bardzo złożone. Na to nakłada się też kwestia tzw. szumu kwantowego (błędów związanych z oddziaływaniem środowiska zewnętrznego na komputer kwantowy), a także błędami na poziomie danych, pomiarów czy działania bramek kwantowych.

Coraz bliżej komercyjnych zastosowań quantum computing

Pojawiające się coraz częściej informacje o przełomowych rozwiązaniach i odkryciach pozwalających okiełznać kubity pozwalają sądzić, że już w najbliższych latach pokonane zostaną główne bariery utrudniające wykorzystanie przetwarzania kwantowego w realnych scenariuszach. Komercjalizacja technologii kwantowych wydaje się tym bliższa, że obok startupów i instytucji naukowych skalę inwestycji w obszarze przetwarzania kwantowego nieustannie rozszerzają także największe firmy technologiczne.

Na rozwój technologii quantum computing miliardy dolarów przeznaczają m.in. koncerny, takie jak: Amazon, Google, IBM czy Microsoft. Jednocześnie, już dziś większość dostawców usług publicznej chmury obliczeniowej oferuje dostęp do zasobów wykorzystujących model przetwarzania kwantowego. Stwarza to unikalne możliwości eksperymentowania z technologiami kwantowymi. Niezależnie od tego, według analityków pierwsze, dostępne powszechnie, komercyjne rozwiązania wykorzystujące przetwarzanie kwantowe mogą pojawić się już w 2030 roku. Biorąc pod uwagę skalę potencjalnych korzyści, ale i zmian niezbędnych do wykorzystania pełni możliwości przetwarzania kwantowego przygotowania do takiej transformacji warto zacząć już teraz.

Eksperci McKinsey & Co podkreślają, że organizacje powinny rozpocząć m.in. działania zmierzające do opracowania strategii wykorzystania technologii quantum computing w ich działalności i szerzej, w całych branżach. To zaś wymaga wnikliwej oceny zarówno możliwości nowej technologii, jak i sytuacji firmy, jej otoczenia, a także potrzeb i strategicznych planów biznesu. Inicjatywy takie powinny jak najszybciej podjąć szczególnie organizacje działające w tych branżach, dla których potencjał transformacyjny związany z możliwością diametralnego skrócenia czasu wykonywania złożonych obliczeń będzie największy. Eksperci ostrzegają przy tym, że tylko odpowiednio przygotowane organizacje dysponujące przemyślają strategią wdrożenia i użycia technologii kwantowych będą w stanie zgarnąć premię za pierwszeństwo.

Cztery branże na które w największy sposób wpłynie przetwarzanie kwantowe

Ogromny potencjał wynikający z nieosiągalnej wcześniej i oczekiwanej po komputerach kwantowych skali mocy obliczeniowej sprawia, że przetwarzanie kwantowe przestaje być obszarem, który dojrzałe organizacje mogą dalej ignorować. Jeśli założyć, że pierwsze komputery kwantowe trafią do użytku komercyjnego w 2030 roku to, zdaniem ekspertów McKinsey & Co, prym w operacjonalizacji ich możliwości wiodą przede wszystkim cztery branże: sektor farmaceutyczny, chemiczny, motoryzacja i finanse. W tych czterech sektorach krótkoterminowy potencjał przetwarzania kwantowego jest najwyższy i stosunkowo łatwy do wykorzystania. Nie są to jednak prognozy bezpodstawne.

Autorzy wspomnianego raportu McKinsey & Co przeprowadzili badanie ankietowe na grupie niemal 50 ekspertów związanych z rozwojem przetwarzania kwantowego. Wnioski posłużyły m.in. do podsumowania faktycznych kierunków ewolucji technologii quantum computing oraz oceny możliwości ich wykorzystania w początkowym etapie komercjalizacji. Na podstawie przeprowadzonej analizy opracowano też dobre praktyki wspierające przygotowanie organizacji do perspektywy wdrożenia technologii kwantowych. W ogólnym ujęciu zastosowania biznesowe przetwarzania kwantowego można podzielić na te, związane z symulacjami, faktoryzacją, sztuczną inteligencją i optymalizacją. W ujęciu szczegółowym, korzyści związane z zastosowaniem tej technologii różnią się w zależności od branż.

1. Farmacja

Technologie przetwarzania kwantowego dysponują potencjałem, aby zrewolucjonizować działalność badawczo-rozwojową przemysłu farmaceutycznego. Obecnie opracowanie nowego lekarstwa kosztuje średnio ponad 2 mld USD, a od rozpoczęcia prac do wprowadzenia produktu na rynek upływa zwykle więcej niż dekada. Tymczasem, przetwarzanie kwantowe może pozwolić na przyspieszenie badań, a także zwiększenie ich efektywności i precyzyjności. Efektem byłoby skrócenie czasu opracowywania nowych produktów medycznych, a co za tym idzie potencjalnie poprawić też jakości i długość życia pacjentów. Dodatkowo, przetwarzanie kwantowe może pozwolić na usprawnienia w obszarze produkcji farmaceutyków, a także zaopatrzenia i dystrybucji.

2. Sektor chemiczny

Podstawowy scenariusz wykorzystania technologii przetwarzania kwantowego w branży chemicznej obejmuje usprawnienia w obszarze prac badawczo-rozwojowych, produkcji oraz optymalizacji łańcuchów dostaw. Przykładowo, potencjalne usprawnienia mogą dotyczyć procesów projektowania katalizatorów stosowanych w produkcji środków chemicznych. Jednocześnie, wykorzystywane w formie katalizatorów substancje – dobrane na bazie złożonych, wielowymiarowych obliczeń – mogą pozwolić na znaczące zmniejszenie energochłonności produkcji. Potencjalnie możliwe stanie się też przebudowanie procesów produkcyjnych tak, aby poprawić ich efektywność lub zmniejszyć emisję szkodliwych substancji. Autorzy analizy podkreślają, że koszty produkcji światowego sektora chemicznego sięgają 800 mld USD rocznie. Aż 50% tej kwoty dotyczy procesów opartych na katalizie, co oznacza, że oparty na nowych katalizatorach wzrost wydajności produkcji na poziomie jedynie 5% oznacza dla branży oszczędności na poziomie 20 mld USD.

3. Motoryzacja

W przypadku przemysłu motoryzacyjnego gros korzyści związanych z zastosowaniem przetwarzania kwantowego dotyczy prac badawczo-rozwojowych, projektowania oraz zarządzania łańcuchami dostaw i procesami produkcyjnymi. Potencjalne korzyści biznesowe w szczególnym stopniu dotyczą właśnie możliwości wielowymiarowego zoptymalizowania złożonych, ale powtarzalnych operacji produkcyjnych, w szczególności realizowanych w wysoce zautomatyzowany sposób. Zdaniem autorów raportu wzrost wydajności produkcji na poziomie 5% ma ogromne znaczenie dla branży, w której globalne koszty w tej dziedzinie sięgają nawet 500 mld USD rocznie. Realne są też zastosowania przetwarzania kwantowego w szerzej rozumianym sektorze transportu samochodowego, przykładowo w kontekście zarządzania mobilnością pojazdów, czy optymalizacją ruchu drogowego.

4. Finanse

Korzyści związane z wykorzystaniem przetwarzania kwantowego na potrzeby sektora finansów sięgają m.in. zarządzania portfelem i ryzykiem finansowym, a jako takie mogą pozwalać na kompleksową optymalizację procesów ofertowania usług finansowych oraz powszechną ich personalizację. Eksperci firmy McKinsey & Co zauważają jednak, że w sektorze finansów potrzebne będą bardziej zaawansowane rozwiązania kwantowe niż we wcześniej wspomnianych branżach. Sprawia to, że efekty komercjalizacji technologii kwantowych stają się bardziej odległe w czasie. Ich wartość jest jednak niebagatelna. W 2021 roku wartość globalnego rynku pożyczek finansowych sięgnęła niemal 7 bln USD. Oznacza to, że rozwiązania pozwalające uwolnić kapitał i lepiej zarządzać zabezpieczeniami kredytów niosą ze sobą znaczny potencjał biznesowy. Na to nakładają się też potencjalne korzyści osiągalne w krótszej perspektywie, w oparciu o mniej rozbudowane systemy przetwarzania kwantowego.

Kiedy nastąpi przełom w quantum computing?

Eksperci McKinsey & Co prognozują, że do 2030 roku będziemy świadkami stopniowego wzrostu faktycznych scenariuszy użycia technologii przetwarzania kwantowego. Będą one jednak oparte na włączeniu tego typu założenia lub metody do operacji wykorzystujących tradycyjne komputery w celu podniesienia ogólnej wydajności takiego środowiska. Po 2030 roku pojawiać będą się zaś pierwsze przypadki wykorzystania w pełni możliwości przetwarzania kwantowego. Tempo komercjalizacji takich rozwiązań zależeć ma jednak od szeregu czynników – finansowania, dostępności i standaryzacji technologii, a także zaangażowania organizacji branżowych oraz rozwoju kompetencji i infrastruktury. Gra jest jednak warta świeczki, bo wedle szacunków McKinsey & Co potencjał korzyści tylko w czterech wspomnianych branżach sięga łącznie do 2035 roku nawet 700 mld USD.