Quantum Computing, alături de Artificial Intelligence, reprezintă una dintre cele mai promițătoare şi atrăgătoare frontiere ale tehnologiei postmoderne, oferind un potențial imens în rezolvarea problemelor complexe ce depășesc capacitatea computerelor clasice. Dezvoltarea în acest domeniu a atins un nivel fascinant, generând o serie de provocări și accelerând interesul major al unor companii de vârf.
În prezent, tehnologia cuantică a ajuns la un punct în care experimentele practice au depășit stadiul teoretic. Companii și institute de cercetare din întreaga lume au făcut progrese semnificative în construirea qubits, unități de informație cuantică și în dezvoltarea algoritmilor cuantici. Astfel, IBM, Google, Microsoft din SUA, Alibaba, Huawei şi Baidu din China, dar şi Institutul Fraunhofer din Europa sunt doar câteva dintre companiile care au investit masiv în cercetarea cuantică și care au reușit să atingă „supremația cuantică” în anumite domenii, demonstrând că un computer cuantic poate rezolva anumite funcţii mult mai rapid şi mai bine decât unul clasic.
Cu toate acestea, există provocări semnificative care împiedică adoptarea largă a calculului cuantic. Unul dintre principalele obstacole este gestionarea erorilor cuantice. De ce? Qubits sunt sensibili la interferențe externe și pot să-și piardă informația cu mult mai ușor decât biții clasici. Cercetătorii lucrează la dezvoltarea unor tehnologii de corectare a erorilor pentru a face computerele cuantice mai fiabile.
Un alt aspect important în Quantum Computing este problema scalabilității. Până în prezent, majoritatea computerelor cuantice au fost mici, cu un număr limitat de qubits. Pentru a rezolva probleme complexe este necesară creșterea numărului de qubits și crearea unor sisteme cuantice interconectate.
În ceea ce privește direcțiile de acțiune, comunitatea științifică și industria se concentrează pe mai multe aspecte. În primul rând, cercetarea continuă pentru dezvoltarea hardware-ului cuantic mai robust și eficient. Companiile investesc în diverse tehnologii, precum qubits supraconductori sau qubits bazate pe topologii exotice, pentru a găsi soluții mai bune la provocările actuale.
În paralel, se acordă o atenție deosebită dezvoltării software-ului cuantic. Algoritmii cuantici sunt esențiali pentru a exploata pe deplin puterea computerelor cuantice. Cercetătorii lucrează la adaptarea și optimizarea algoritmilor clasici pentru a funcționa eficient pe arhitecturi cuantice. De asemenea, colaborarea între sectoarele public și privat este crucială pentru progresul continuu. Multe guverne și organizații investesc în proiecte de cercetare cuantică, iar parteneriatele între aceste entități și companii private pot accelera ritmul dezvoltării.
Care sunt companiile fanion în Quantum Computing?
La nivel global, există câteva companii și institute care sunt considerate lideri în domeniul calculului cuantic, iar acestea sunt implicate în dezvoltarea tehnologiilor cuantice și a aplicațiilor specifice. Este important să reținem că pe măsură ce domeniul evoluează rapid, clasamentul și contribuțiile pot suferi schimbări semnificative:
- IBM Quantum: IBM este recunoscută pentru contribuțiile semnificative la dezvoltarea calculului cuantic. A dezvoltat și pus la dispoziție publicului IBM Quantum Experience, o platformă accesibilă pentru a experimenta computerele cuantice și a dezvolta algoritmi cuantici. IBM a lucrat și la dezvoltarea unui procesor cuantic de 127 de qubits, numit Eagle.
- Google Quantum AI Lab: Google este cunoscută pentru atingerea „supremației cuantice” în 2019, când a demonstrat că un computer cuantic, numit Sycamore, a rezolvat o problemă specifică mai rapid decât cel mai puternic supercalculator clasic. Google explorează aplicații în domenii precum simulările moleculare, optimizarea și învățarea automată cuantică.
- Microsoft Quantum: Microsoft investește în cercetarea cuantică și dezvoltarea unui limbaj de programare cuantic numit Q#, americanii au dezvoltat și lansat Azure Quantum, o platformă de cloud computing cuantic pentru cercetători și dezvoltatori.
- Rigetti Computing: Rigetti este o companie care lucrează la construirea computerelor cuantice cu superconductor, această companie oferind și un serviciu de acces la ccomputere cuantice prin intermediul cloud-ului și care se concentrează pe dezvoltarea unor algoritmi cuantici practici.
- D-Wave Systems: D-Wave este cunoscută pentru construirea unor computere cuantice bazate pe tehnologia qubit-urilor supraconductor, iar specialiştii săi se focusează pe aplicații precum optimizarea combinatorială și simulările cuantice.
În ceea ce privește aplicațiile, dezvoltarea calculului cuantic are implicații semnificative în mai multe domenii. Unele aplicații notabile includ:
- Simularea moleculară: computerele cuantice pot simula comportamentul moleculelor și substanțelor chimice în mod mult mai eficient decât computerele clasice, având impact în cercetarea medicamentelor și materialelor.
- Optimizare: algoritmii cuantici pot fi utilizați pentru a rezolva probleme de optimizare complexe, cum ar fi cele legate de logistică sau planificare.
- Criptografie cuantică: Quantum Computing are, de asemenea, potențialul de a revoluționa securitatea informației prin dezvoltarea metodelor de criptare cuantice.
- Machine Learning cuantic: Integrarea conceptelor cuantice în domeniul învățării automate ne poate conduce la algoritmi mai eficienți pentru anumite tipuri de probleme.
- Finanțe cuantice: computerele cuantice pot fi folosite pentru analiza riscului în tranzacțiile financiare și pentru optimizarea portofoliilor.
Care este nivelul de competiţie în domeniul Quantum Computing între SUA, Europa şi Asia?
Toate cele trei continente sunt parte a unei competiții globale şi intense în domeniul calculului cuantic, fiind implicate în cursa pentru a deveni lideri în această tehnologie emergentă. Diferențele dintre aceste regiuni pot fi observate în abordarea față de importanţa acordată cercetării și dezvoltării, a resurselor disponibile, privind colaborările internaționale și prioritățile priivind aplicațiile specifice ale calculului cuantic. - Iată câteva aspecte relevante ale diferenţelor dintre jucătorii globali:
Statele Unite: Resurse Financiare: companii precum IBM, Google, Microsoft și numeroase start-up-uri beneficiază de resurse financiare semnificative și au investit sume semnificative în cercetarea cuantică.
- Colaborări Academice și Industriale: existența unui ecosistem puternic care implică colaborări între sectorul privat, guvern și instituții academice, cu proiecte precum Quantum Economic Development Consortium (QED-C) care încurajează cercetarea și dezvoltarea în acest domeniu.
- Inovație și Start-up-uri: Statele Unite au dezvoltat un mediu propice pentru inovație și au fost un teren fertil pentru numeroase start-up-uri care se concentrează pe tehnologiile cuantice.
Europa: Colaborări Internaționale: există o abordare coordonată în ceea ce privește cercetarea cuantică în cadrul Uniunii Europene. Programul de cercetare și inovare Horizon Europe include finanțare pentru proiecte cuantice, iar inițiative precum Quantum Flagship stimulează colaborările internaționale.
Fundații Academice: Europa are un istoric puternic în cercetarea științifică, iar unele universități și institute de cercetare au jucat un rol important în dezvoltarea tehnologiilor cuantice.
Accent pe Etică: Europa acordă o atenție deosebită aspectelor etice și de securitate în dezvoltarea tehnologiilor cuantice.
Asia: Investiții Guvernamentale: ţări precum China și Japonia au făcut investiții semnificative în cercetarea cuantică, cu obiective de a deveni lideri mondiali în acest domeniu până 2030.
- Eforturi de Dezvoltare Tehnologică: în special China s-a angajat în proiecte mari pentru construirea computerelor cuantice și a depus eforturi susținute pentru a depăși alte națiuni în această cursă.
- Start-up-uri și Inovare: există o creștere semnificativă a start-up-urilor cuantice în Asia, cu accent pe dezvoltarea tehnologiilor cuantice aplicate la diverse industrii emergente.
Cât de avansată e China în Quantum Computing şi prin ce jucători, cu ce aplicaţii?
China face investiții semnificative în cercetarea și dezvoltarea tehnologiilor cuantice, cu scopul de a deveni lider mondial în acest domeniu. Iată câteva aspecte relevante din acest efort:
Prin Investiții guvernamentale guvernul chinez a alocat resurse semnificative pentru dezvoltarea calculului cuantic prin diverse programe și inițiative. Planul China’s Quantum Information Science and Development Action Plan, lansat în 2017, a stabilit obiective ambițioase pentru dezvoltarea cuantum computing, comunicării cuantice și altor tehnologii cuantice.
Proiectul Jinan este unul dintre cele mai notabile, care vizează construirea unui centru de comunicații cuantice securizate. Aceasta reflectă interesul China în dezvoltarea tehnologiilor cuantice pentru securitatea comunicațiilor.
China National Laboratory for Quantum Information Sciences a fost inaugurat în Hefei, care este destinat cercetării fundamentale și aplicate în domeniul cuantic.
Dacă ne referim la progresele în tehnologia cuantică cu un singur foton, China reușit să ajungă la rezultate notabile în tehnologia cuantică cu un singur foton, inclusiv realizarea experimentelor privind teleportarea cuantică și transmiterea informațiilor cuantice pe distanțe semnificative.
În privinţa participării companiilor, unele precum Alibaba, Huawei și Baidu sunt implicate în cercetarea și dezvoltarea tehnologiilor cuantice. Alibaba, de exemplu, a lansat platforma Aliyun Quantum, oferind acces la servicii de calcul cuantic prin cloud.
În ceea ce privește aplicațiile, China se concentrează pe diverse domenii strategice:
- Comunicații cuantice securizate prin care explorează extensiv comunicarea cuantică și criptografia cuantică pentru a asigura securitatea informațiilor în transferul de date.
- Simulări cuantice prin care computerele cuantice sunt utilizate pentru simularea comportamentului materialelor și moleculelor la nivel cuantic, cu potențiale implicații în cercetarea științifică și dezvoltarea de noi materiale.
- Optimizarea cuantică prin aplicații precum optimizarea logistică sau rezolvarea problemelor complexe de programare lineară care pot beneficia de puterea computerelor cuantice.
Care este situaţia Quantum Computing în Europa de Est?
Printre țările care au manifestat interes și au demarat proiecte în domeniul calculului cuantic în Europa de Est, câteva pot fi menționate:
- România: universități și institute de cercetare din România au fost implicate în proiecte și colaborări privind cercetarea cuantică. Există eforturi pentru a dezvolta expertiza locală și pentru a implica comunitatea academică în acest domeniu strategic pentru viitorul apropiat.
- Polonia: universitățile poloneze au fost implicate în cercetarea cuantică, iar existența unor centre de cercetare și colaborări internaționale arată interesul crescut pentru această tehnologie.
- Ungaria a avut inițiative în cercetarea cuantică, inclusiv colaborări cu instituții și companii internaționale pentru a dezvolta expertiză și a accelera progresul în acest domeniu.
În ceea ce privește direcțiile de dezvoltare, Europa de Est, la fel ca și alte regiuni, s-ar putea concentra pe diverse aspecte ale calculului cuantic:
- Cercetare academică: universitățile din aceste țări ar putea să dezvolte capacități în cercetarea fundamentală în domeniul cuantic și să formeze viitori specialiști în acest domeniu.
- Colaborări internaționale: participarea la proiecte și colaborări cu instituții de cercetare și companii din alte țări poate accelera progresul în domeniul cuantic.
- Dezvoltarea competențelor tehnice: înființarea de programe educaționale și formare pentru a dezvolta competențe în tehnologii cuantice, cum ar fi programarea cuantică și ingineria cuantică.
Care sunt tematicile de abordare a Quantum Computing la IBM şi la Institutul Fraunhofer?
La Institutul Fraunhofer și IBM, două entități de renume în domeniul tehnologiilor cuantice, se desfășoară o serie de activități și inițiative strategice în domeniul calculului cuantic.
Astfel, la Fraunhofer: Fraunhofer Gesellschaft este o organizație germană de cercetare aplicată care operează în diverse domenii tehnologice, inclusiv calcul cuantic. Iată câteva aspecte notabile pe care le putem sublinia:
- Quantum Computing Alliance: Institutul Fraunhofer face parte din Quantum Computing Alliance, o inițiativă germană care adună institute de cercetare, universități și companii pentru a stimula cercetarea și dezvoltarea în domeniul calculului cuantic.
- Cercetare Aplicată: Fraunhofer dezvoltă soluții practice și aplicații în domeniul calculului cuantic pentru diverse industrii. De exemplu, aceștia se implică în proiecte care vizează optimizarea algoritmilor cuantici pentru aplicații industriale specifice.
- Quantum Communication: Fraunhofer este, de asemenea, activ în domeniul comunicării cuantice, concentrându-se pe securitatea cuantică și dezvoltarea tehnologiilor de comunicare cuantice sigure.
Dacă ne referim la IBM, firma americană este una dintre companiile globale de vârf în dezvoltarea calculului cuantic și are contribuții semnificative în domeniu, dintre care subliniem următoarele:
- IBM Quantum Experience: IBM oferă acces public la IBM Quantum Experience, o platformă care permite cercetătorilor și dezvoltatorilor să lucreze cu computere cuantice IBM prin cloud.
- Quantum Computing Research: IBM investește semnificativ în cercetarea fundamentală în domeniul calculului cuantic. Ei sunt implicați în dezvoltarea de hardware cuantic (cum ar fi procesoarele cuantice) și în optimizarea algoritmilor cuantici.
- Open Source Quantum Development: IBM promovează dezvoltarea deschisă în domeniul calculului cuantic. Specialiştii IBM au lansat Qiskit, un framework de programare cuantic deschis și gratuit, care permite dezvoltatorilor să scrie și să execute algoritmi cuantici.
- Quantum Education: IBM oferă resurse educaționale în domeniul calculului cuantic, inclusiv cursuri online și materiale de învățare pentru a sprijini creșterea expertizei în acest domeniu.
Participarea la webinarii dedicate acestui domeniu face parte din privilegiul unui jurnalist care se bazează pe noile tehnologii comunicaţionale şi IT, cât şi pe studierea transformării digitale ca principala componentă sistemică şi holistică de dezvoltare a industriilor emergente şi convergente
Astfel, pe 14 noiembrie, Benedicte Borchgrevink, manager de relații externe la IBM Suedia a moderat un webinar pe tematica dezvoltării Quantum Computing – tendinţe şi provocări, la care am fost şi noi invitaţi.
Voi încerca, mai departe, să sumarizez ideile principale desprinse din acest webinar cu specialişti de prim rang în domeniul Quantum Computing, Dr. Hannah Venzl, Manager al Rețelei de competență Fraunhofer Quantum Computing (Head of Department Project Management of Large-Scale Projects | Competence Network Quantum Computing | Fraunhofer-Gesellschaft) şi Mikael Haglund, ambasador tehnic IBM Quantum.
Să începem cu concluziile…
„În privinţa situația calculului cuantic în Europa și dacă ne uităm la provocările actuale în ceea ce privește adoptarea acestuia, trebuie să începem cu adevărul că Europa este bine poziționată în cursa cuantică globală datorită comunităților de cercetare puternice, nivelului ridicat de cunoștințe, universităților relevante, instituțiilor de cercetare și industriilor care sunt avansate în domeniul cuantic”, susţine Dr. Hannah Venzl. “Cu toate acestea, sarcina noastră este de a continua să generăm venituri în Europa și de a ne asigura că know how-ul pe care îl avem aici rămâne pe continent și nu pleacă altundeva. Cursa este încă foarte deschisă, iar Europa trebuie să acționeze acum pentru a se asigura că talentele rămân aici.”, declară specialistul german.
Mai mult, chiar dacă hardware-ul actual este foarte bun din perspectiva cercetării și s-au făcut multe în ultimii ani, constatăm, în continuare, că hardware-ul nu este suficient de puternic pentru a rezolva cazuri de utilizare relevante pentru industrie.
Dacă ne gândim la cea mai mare întrebare, sau la cea mai mare provocare, în acest moment, este de a identifica cazurile de afaceri relevante și de a face ca utilizarea computerelor cuantice pentru proovocări din industrie să fie mult mai ieftină, mai rapidă și mai accesibilă – pentru a fi cu adevărat un succes.
De aceea, Haglund afirmă că datorită legilor europene privind confidențialitatea și a necesității ca sistemele de calcul cuantic să colaboreze cu sistemele clasice care respectă aceleași legi privind confidențialitatea, existența sistemelor cuantice pe teritoriul european este extrem de importantă pentru dezvoltarea și adoptarea calculului cuantic pe conținut.
Putem adăuga deficitul de talente și de competențe – programarea computerelor cuantice și dezvoltarea de hardware pentru acestea este foarte dificilă, în continuare. Avem, cu adevărat, nevoie de oameni instruiți și calificați care doresc să facă progrese în acest domeniu strategic. Trebuie să acționăm acum pentru a face față acestui deficit de talente și pentru a permite unui număr cât mai mare de persoane să lucreze cu tehnologia cuantică, conchide Dr. Hannah Venzl.
La rândul său, Mikael Haglund, ambasador tehnic IBM Quantum, se axează pe era utilității cuantice fiind convins că “intrăm în era utilității cuantice, în care computerele cuantice își demonstrează capacitatea de a rezolva probleme la o scară care depășește simularea clasică exactă. Pe scurt, utilitatea cuantică este ceea ce obținem atunci când un computer cuantic este capabil să efectueze calcule fiabile la o scară care depășește metodele de calcul clasic cu forță brută care oferă soluții exacte la problemele de calcul.”
În privinţa recentului anunț despre IBM Quantum Europe Datacenter, cei doi specialişti precizează că IBM va construi primul său centru de date cuantic european pentru a deservi ecosistemul în expansiune, conform informaţiei publicate de IBM.
Deopotrivă, Dr. Venzl este, de asemenea, de acord cu faptul că protecția datelor europene este un element-cheie, dar susţine că evoluțiile politice vor afecta modul în care regiunea se poate angaja cu diferite sisteme cuantice. Întrucât clasificarea calculului cuantic este așteptată să se schimbe („dual use”), ar putea veni un moment în care utilizarea tehnologiei americane de către companiile europene ar putea să însemne o provocare din cauza unor considerente juridice.
Aceasta afirmă că partenerii europeni pot accesa deja IBM Quantum System One la Fraunhofer și încurajează părțile interesate să o contacteze direct sau să viziteze websitul companiei la această adresă.
Cum putem aborda problema deficitului de competențe în domeniul calculului cuantic?
Dr. Venzl atrage atenția asupra următoarelor aspecte specifice: trebuie să ne asigurăm că publicul larg este interesat de domeniul tehnologiei cuantice prin creșterea conștientizării și stabilirea agendei. Astfel, tot mai mulți tineri ar trebui să fie interesați ca să studieze matematica, fizica și informatica, materii care reprezintă baza pentru perfecționarea ulterioară a competențelor în domeniul cuantic. Mai mult, trebuie să îi perfecționăm pe cei care au deja o pregătire relevantă în domeniul informaticii și altele asemenea.
Pe de altă parte, trebuie să creștem gradul de conștientizare și de cunoaștere a informaticii cuantice în rândul echipelor de conducere din instituţiile publice şi companii. Nu cred că fiecare companie va avea nevoie de o echipă proprie de calcul cuantic, dar mulți manageri din prezent nu au o imagine clară a ceea ce înseamnă calculul cuantic și ce ar putea însemna acesta pentru afacerea lor. Și este important, de asemenea, să le explicăm acestora și să le oferim suficiente competențe pentru a lua decizii înțelepte, fie în privinţa creării propriei echipe cuantice, fie a colaborării cu organizații precum Fraunhofer.
Ca obiectiv final, ne dorim ca informatica cuantică să se dezvolte astfel încât să nu fie nevoie să fii fizician cuantic pentru a utiliza sistemele cuantice, iar utilizarea să semene cu cea a sistemelor clasice actuale.
Mikael Haglund susţine că importanța schimbului de cunoștințe prin intermediul partenerilor și al ecosistemului este vitală. “Pentru IBM, acest lucru înseamnă să colaborăm cu rețeaua noastră de universități și centre de cercetare pentru a contribui la educarea și pregătirea studenților pentru forța de muncă în domeniul cuantic și să oferim oportunități de cercetare pentru experții din domeniu interesați să exploreze domeniul cuantic care să-I ajute în domeniile lor de expertiză.
De asemenea, trebuie să avem o educație accesibilă pe scară largă, pe care IBM a dezvoltat-o prin manuale online, tutoriale, programe de vară virtuale și concursuri cuantice – toate acestea având ca scop să ajute utilizatorii să se familiarizeze rapid cu domeniul.
Intrăm într-o nouă paradigmă de calcul, în care facem progrese într-o perioadă de timp mult mai scurtă decât în cazul sistemelor de calcul clasice. Pe măsură ce accelerăm această călătorie, avem nevoie, de asemenea, ca managementul, planificatorii strategici și dezvoltatorii de afaceri să înțeleagă importanța calculului cuantic.”
Care sunt principalele direcţii de utilizare ale Quantum computing în industrie?
Dr. Venzl indică unele cazuri specifice de utilizare a calculului cuantic în industrie, ca de exemplu în domeniul logisticii: “să luăm exemplul unui furnizor de colete, care caută să planifice rutele pentru șoferii săi. Dacă un drum utilizat în mod obișnuit este blocat, iar șoferul trebuie să calculeze o nouă rută. Dacă informatica cuantică ar putea ajuta la luarea acestei decizii mai rapid și mai bine, ar fi de mare valoare, atât pentru șofer, cât și pentru companie. În Germania, vedem că informatica cuantică poate fi foarte valoroasă pentru industria auto și că industria este interesată să exploreze acest domeniu în continuare.”
De asemenea, Haglund ne oferă exemple de cazuri de utilizare în industrie pentru Europa: “considerăm că utilizarea calculului cuantic pentru a prezice efectul pe care energia regenerabilă îl are asupra rețelei electrice ar putea fi un caz de utilizare extrem de relevant.”, un exemplu relevant putând să fie studiat aici. Sau şi mai bine, cum puteţi accesa un video care descrie cel mai puternic Quantum Computer din Europa, la această adresă.
Care sunt cele mai recente evenimente notabile în domeniul QC la nivel European?
– În 2021, CERN s-a alăturat rețelei IBM Quantum Network pentru a utiliza calculul cuantic pentru noi modalități de a găsi modele în datele LHC. Computerele cuantice ar putea detecta conexiuni dincolo de puterea de detectare a computerelor clasice, atrăgând atenția asupra unor caracteristici ascunse ale universului.
– În 2022, Bosch și IBM au anunţat că vor desfășura proiecte comune de cercetare, abilitare și cazuri de utilizare în domeniul științei materialelor pentru pile de combustie, motoare electrice sau materiale avansate pentru senzori.
– În 2023, T-Systems a anunțat că va oferi clienților săi acces în cloud la computerele cuantice IBM.
– În 2023, Crédit Mutuel Alliance Fédérale este prima companie din Franța care s-a alăturat rețelei IBM Quantum Network, începând cu o fază de „scalare” cu echipa IBM Quantum, care include cercetări în domeniul experienței clienților, al gestionării fraudelor și al gestionării riscurilor.
O documentaţie relevantă în QC mai puteţi studia aici:
1. https://www.fraunhofer.de/en/quantumcomputing
2. https://www.nature.com/articles/d41586-023-01965-3
3. https://research.ibm.com/blog/utility-toward-useful-quantum
4. https://research.ibm.com/blog/100-qubit-utility
5. https://newsroom.ibm.com/2023-06-06-IBM-to-Build-its-First-European-Quantum-Data-Center-to-Serve-Expanding-Ecosystem
6. https://research.ibm.com/blog/fraunhofer-quantum-system-one
