Komputery kwantowe kontra COVID-19

Pandemia przyniosła dezorganizację porządku, do którego byliśmy przyzwyczajeni przez ostatnie kilkadziesiąt lat. Czy technologia pomoże nam zminimalizować szkody, jakie przyniósł ze sobą obecny kryzys? Jaką rolę w tym procesie mogą mieć komputery kwantowe?

Podziel się

facebook twitter linkedin email
Quantum computing blog Norbert Biedrzycki COVID-19

Wstrząs, jaki przeżywamy, z pewnością wpłynie na priorytety badawcze, kierunki rozwoju i modele ekonomiczne branży technologicznej. Firmy przynależące do BIG TECH angażują aktualnie sporą część swojego potencjału do rozwoju takich projektów, jak strony internetowe agregujące informacje na temat wirusa, interaktywne mapy ukazujące rozwój ognisk chorobowych, aplikacje pozwalające na rejestrację i śledzenie zachowań osób zakażonych. Wszystkie te projekty mają wspólną cechę, niezwykłą jak na standardy dotychczas obecne w silnie skomercjalizowanym świecie inteligentnych technologii. Ich realizacja wymaga bliskiej, opartej na zaufaniu współpracy technologicznych gigantów z instytucjami państwowymi i środowiskami, które reprezentują wiele grup społecznych i zawodowych. Prywatno-publiczne partnerstwo jest bezprecedensowe i może z czasem zaowocować zmianami w systemie wartości, które do tej pory definiowały globalny system ekonomiczny. Czy komputery kwantowe pomogą w walce z COVID-19?

Czy branża technologiczna będzie zmieniała losy świata, czy może tylko wykorzysta obecną sytuację do poprawy wizerunku – jeszcze za wcześnie, by wyrokować.

Kubity zamiast bitów

W czasie epidemii mamy okazję przekonać się, jak w nowej sytuacji, w której stykamy się z chaotycznym napływem danych o różnym charakterze, sprawdza się technologia kwantowa. Przed omówieniem przykładów wpływu obecnej sytuacji na zainteresowanie komputerami kwantowymi, przypomnę w skrócie zasadę, na jakiej opiera się ich działanie. Ich najmniejszą jednostką jest kubit. W przeciwieństwie do klasycznych bitów, które mogą mieć wartość 0 lub 1, kubity mogą osiągać jednocześnie wartość 0 i 1. Stan, w którym możliwe jest działanie w oparciu o dwie przeciwstawne wartości, nazywamy „superpozycją”. Podczas gdy klasyczne bity działają niezależnie, kubity oddziałują na siebie, tworząc współzależności nazywane „splątaniem”. Wymienione cechy umożliwiają złożone operacje i wykładniczy wzrost stanów: jeden kubit reprezentuje dwa stany 0 i 1, dwa kubity cztery stany, trzy kubity osiem stanów itd. W rezultacie komputery kwantowe mogą rozwiązywać powierzone im zadania znacznie szybciej, niż komputery, które znamy z codziennego użycia.

Sto milionów światów

Do przedstawienia korzyści z zastosowania technologii kwantowej użyję prostej analogii. Wyobraźmy sobie sytuację, w której chcemy w ciągu kilkudziesięciu sekund odnaleźć informację ukrytą w jednej ze stu milionów książek. Używając komputera konwencjonalnego jesteśmy skazani na niepowodzenie. Natomiast maszyna kwantowa wyjdzie z tego zadania zwycięsko, bo podczas swej pracy będzie zachowa się tak, jakby działała równolegle w 100 milionach alternatywnych rzeczywistości, analizując zawartość każdej książki w tym samym czasie. Zamiast rozwiązywania problemów krok po kroku, tak jak w przypadku klasycznych komputerów, komputery kwantowe rozwiązują więc cały problem za jednym razem.

Pandemiczny chaos danych

Odnieśmy to do naszej pandemicznej rzeczywistości. W krótkim czasie musimy znaleźć informacje dotyczącą pochodzenia wirusa, opracować modele jego rozprzestrzeniania się, kontrolować zachowanie osób na kwarantannie, opracować recepturę nowych wersji szczepionek, sprawdzić efektywność nowych łańcuchów dostaw, zmierzyć wytrzymałość systemów opieki zdrowotnej, przeanalizować konsekwencje ekonomiczne pandemii, itd. Jak widać, pracujemy na niespotykanej dotąd masie danych o różnej naturze i potrzebujemy błyskawicznych wniosków z symulacji. Tylko technologia kwantowa – przynajmniej teoretycznie – może podejmować się tak złożonych zadań obliczeniowych. Według Briana C. Britta, badacza z University of Alabama, obliczenia kwantowe doskonale nadają się do tego, by oceniać rozprzestrzenianie się wirusa w sieciach. Nie ma przy tym znaczenia, czy badamy wirusowo przenoszony film, mem, czy SARS-CoV-2. Kwantowa technologia dostarcza narzędzi analitycznych, dla których rodzaj dostępnych danych nie ma kluczowego wpływu na sukces w obliczeniach.

Kwantowe przebudzenie uwagi

Zainteresowanie branży wykorzystaniem komputerów w nowej rzeczywistości rośnie. W 2020 roku IDC przedstawiła wyniki ankiety przeprowadzonej wśród 520 użytkowników IT i firm na całym świecie, wśród których znaleźli się także użytkownicy komputerów kwantowych. Ponad 75 proc. respondentów stwierdziło, że ich organizacje są teraz wyjątkowo zainteresowane obliczeniami kwantowymi. 52 proc. ankietowanych planuje eksperymenty z technologią obliczeń kwantowych w ciągu najbliższych 18–24 miesięcy. Według specjalistów, komputery kwantowe mogłyby pomagać we wczesnej identyfikacji kryzysów podobnych do tego, jaki obecnie przeżywamy. Mogłyby pomóc w sporządzaniu analiz pozwalających na spowolnienie transmisji wirusa. Byłyby użyteczne w tworzeniu nowych, alternatywnych modeli łańcucha dostaw, w sytuacji, gdy te dotychczasowe przeżywają trzęsienie ziemi.

Kwanty w chmurze

Przykłady konkretnych działań i zastosowań już widać. Firma D-Wave Systems od marca oferuje bezpłatny dostęp do usługi przetwarzania w chmurze, udostępniając zarówno klasyczne jak i kwantowe zasoby. Umożliwi to rozwiązywaniu złożonych problemów analitycznych, w których występuje nawet 10 tys. zmiennych. Dzięki usłudze możliwe jest tworzenie hybrydowych, kwantowo-klasycznych symulacji, które mogą przyspieszyć rozwiązywanie problemów z obszaru farmakologii i epidemiologii wywołanych przez COVID-19. 

Świat farmacji chce kwantów

W innej, ciekawej publikacji BCG na temat wpływu komputerów kwantowych na R&D w farmacji, jej autorzy przedstawiają kilka możliwości zastosowania technologii kwantowej do badań nad nowymi substancjami leczniczymi. Przytoczę za autorami główne obietnice, jakie składa farmacji i medycynie technologia kwantowa:

  • Obliczenia kwantowe mogą przyspieszyć, poprawić jakość i obniżyć koszty procesów badawczo-rozwojowych bogatych w dane.
  • Komputery kwantowe zapewniają potężne narzędzia do badania złożonych układów, takich jak fizjologia człowieka i wpływ leków na układy biologiczne i organizmy żywe.
  • Superkomputery kwantowe mogą ułatwić modelowanie struktur molekularnych, mapowanie interakcji między lekiem a jego celem. Mogą być też użyteczne w symulacji metabolizmu, dystrybucji i interakcji leku.
  • Wirtualne narzędzia przesiewowe są szybsze niż procesy chemiczne stosowane do przeszukiwania dużych bibliotek związków chemicznych. Są one trójwymiarowymi reprezentacjami cząsteczek pochodzących z mechaniki kwantowej, które służą do określania interakcji między lekami a ich celami.

Autorzy opracowania podkreślają, że korzyści ze stosowania technologii kwantowych – chociaż bardzo duże – nie mogą przesłaniać faktu, że mamy tu ciągle do czynienia z wysokimi poziomami błędów. Kubity są jednostkami niestabilnymi, podatnymi na wpływy zewnętrzne, które prowadzą do zakłócenia systemów kwantowych. Coraz lepszy sprzęt i rozwój technologii algorytmicznych powinny jednak w ciągu najbliższych lat pomóc w promowaniu technologii kwantowej jako użytecznego narzędzia, które będzie zmieniać współczesną farmakologię a nawet funkcjonowanie służby zdrowia.

Quantum computing blog Norbert Biedrzycki COVID-19

Kwanty zmieniają łańcuchy dostaw

Pandemia wywołała olbrzymie zaburzenia globalnych systemów logistycznych i łańcuchów dostaw. Czy technologia kwantowa mogłaby pomóc w przywróceniu równowagi? Zdecydowanie tak. Komputery kwantowe mogą sprawdzać się w chaosie związanym z szacowaniem zasobów – dotyczy to wszelkich produktów, a dzisiaj w szczególności leków, maseczek, testów – i określaniem najbardziej efektywnych sposobów ich dystrybucji. Odpowiednia koordynacja działań w tak dużych skupiskach ludzkich jak Chiny jest dzisiaj na wagę złota. Komputery kwantowe mogą też przydać się do monitorowania komunikatów, które w zmasowanej ilości zalewają dzisiejsze media – zarówno te tradycyjne jak i społecznościowe. Takie językowe analizy mogą być nieocenione w monitorowaniu nadchodzących, nowych kryzysów.

Czego możemy się spodziewać?

Kilkadziesiąt lat temu pracownicy laboratoriów naukowych obsługujący komputery o wielkich gabarytach nie śnili o tym, że na początku XXI wieku możliwości zwykłego smartfona będą tysiąc razy większe od maszyn, które wówczas były w użyciu. Jeszcze niecały rok temu my wszyscy nie śniliśmy, o pustych ulicach i zamkniętych granicach. Niezwykła sytuacja może zaowocować przełomem również na polu kwantowej technologii. Przed wybuchem epidemii realiści twierdzili, że na poważne zmiany w tej kwestii musimy poczekać kilkanaście lat. Problemy, z jakimi się obecnie stykamy, mogą ten okres znacznie skrócić. Świat potrzebuje pozytywnej zmiany i dotyczy to także obszaru technologii.

.    .   .

Cytowane prace:

Wiley Online Library, Brian C. BrittQuantum Engineering, Modeling viral diffusion using quantum computational network simulation, Link, 2020. 

IDC,  Meredith WhalenLarry Carvalho,  Philip Carnelley, IDC FutureScape: Worldwide IT Industry 2020 Predictions, Quantum computing primer, Link, 2020. 

BCG, Frank Ruess, The Next Decade in Quantum Computing—and How to Play, Link, 2020. 

.    .   .

Powiązane artykuły:

– Czy komputery kwantowe pozwolą nam złamać zasady fizyki?

– Czy algorytmy będą popełniać zbrodnie wojenne?

– Komputer kwantowy – pogromca blochchain?

– Sztuczna inteligencja to nowa elektryczność

Skomentuj

4 comments

  1. Andrzej44

    Wynik obliczen komp kwantowych będzie tym bardziej dokładny, im więcej komputer wykona obliczeń. Innymi słowy, komputer kwantowy tak naprawdę określa prawdopodobieństwo, jaki jest wynik danej operacji, ale przy dużej liczbie powtórzeń jest to wystarczające, aby uznać go za prawdziwy. W wielu wypadkach znając już wynik, np. przy poszukiwaniu prywatnych kluczy RSA, można bardzo szybko zweryfikować kilka najbardziej prawdopodobnych rozwiązań i wybrać to właściwe. Czyli najwazniejsze jest efektywne zaprojektowanie algorytmow kwantowych – prawdopodobienstwa.