Прогрес квантових технологій — Інвестиції в таланти та майбутнє

Вибрані аналітичні відомості

Прогрес квантових технологій — Інвестиції в таланти та майбутнє

Квантові технології становлять величезний потенціал для низки галузей, включно з обчисленнями, криптографією, матеріалознавством і навіть у медицині. Вкладення в дослідження і розробки в цій галузі дійсно зростають, і квантові обчислення стають дедалі важливішими в сучасному світі.

Квантові технології – це нова галузь науки й техніки, яка використовує квантові ефекти для вирішення складних завдань. Квантові технології мають потенціал для революційної зміни багатьох галузей, включно з охороною здоров’я, фінансами, енергетикою та виробництвом.

Останніми роками спостерігається значний прогрес у галузі квантових технологій. Було розроблено нові квантові процесори, які можуть виконувати обчислення, які неможливі для традиційних комп’ютерів. Були також досягнуті успіхи в галузі квантових комунікацій, які можуть забезпечити безпечнішу і надійнішу передачу даних.

Інвестиції у квантові технології зростають у всьому світі. Уряди, компанії та приватні інвестори вкладають кошти в дослідження і розробки в галузі квантових технологій. Інвестори підтримують встановлені квантові стартапи, технічний прогрес триває – хоча більш повільними темпами – і дедалі більше академічних установ пропонують квантові програми.

Експонат 1

Наше дослідження охоплює три основні галузі квантових технологій: квантові обчислення, квантові комунікації та квантове зондування. Аналіз ґрунтується на даних із різних джерел даних, включно із загальнодоступними джерелами даних та інтерв’ю експертів. Оскільки не всі значення угод публічно розкриваються, це дослідження не дає остаточного або вичерпного списку початкових і фінансових заходів. Незначні відхилення даних можуть існувати при оновленні баз даних.

Квантові комп'ютери: від ідеї до технологічної переваги

Квантові комп’ютери являють собою клас обчислювальних пристроїв, які використовують для оброблення інформації явища, характерні для окремих квантових систем, таких як атоми, іони, фотони тощо. Ключовими для квантових обчислень є суперпозиція – можливість квантових систем бути “одночасно” в декількох станах – і квантова заплутаність, що виявляється у взаємозв’язку між квантовими об’єктами.

У певних класах математичних задач квантові комп’ютери можуть продемонструвати суттєву перевагу над класичними технологіями.

Прикладами завдань є криптоаналітика, моделювання складних систем, обробка великих даних (big data) тощо. Наприклад, на розв’язання тестового завдання квантовому комп’ютеру вистачає кількох годин або хвилин, тоді як на класичному воно зайняло б понад 45 років. При цьому вже зараз є можливість розв’язувати прикладні задачі невеликого масштабу, наприклад, зі сфери хімії та машинного навчання.

Словник

Квантова механіка: наука, що вивчає поведінку матерії та енергії на субатомному рівні. Квантова механіка описує поведінку матерії та енергії в термінах квантів, які являють собою дискретні порції енергії або речовини.

Квантовий комп’ютер: комп’ютер, який використовує квантові ефекти для обробки інформації. Квантові комп’ютери використовують квантові біти (кубіти), які можуть перебувати у двох станах одночасно. Це дає змогу квантовим комп’ютерам розв’язувати задачі, які є NP-важкими для класичних комп’ютерів.

Квантовий біт (кубіт): елементарна одиниця інформації у квантовому комп’ютері. Кубіт може перебувати у двох станах одночасно, що називається квантовою суперпозицією.

Квантова суперпозиція: стан, у якому кубіт може перебувати у двох станах одночасно.

Квантова суперпозиція є однією з фундаментальних властивостей квантової механіки.

Квантова заплутаність: явище, за якого два кубіти пов’язані один з одним таким чином, що зміна стану одного кубіта призводить до миттєвої зміни стану іншого кубіта. Квантова заплутаність є однією з найдивовижніших властивостей квантової механіки.

Квантова телепортація: процес передачі інформації з одного кубіта на інший без фізичного переміщення інформації. Квантова телепортація є однією з найперспективніших галузей квантових обчислень.

Квантове обчислення: галузь інформатики, що займається розробленням і використанням квантових комп’ютерів. Квантове обчислення має потенціал для розв’язання задач, які є NP-важкими для класичних комп’ютерів.

Квантове моделювання: використання квантових комп’ютерів для моделювання складних систем. Квантове моделювання має потенціал для розв’язання задач, які є надто складними для моделювання на класичних комп’ютерах.

Квантове шифрування: використання квантових комп’ютерів для створення безпечних комунікацій. Квантове шифрування є однією з найбезпечніших форм шифрування.

Квантові технології перебувають під рекордними інвестиціями, продемонструвавши прогрес і перспективи в розвитку. Сьогодні в індустрії обладнання більше половини інвестицій спрямовані на стартапи і великі технологічні компанії, які першими вступили в боротьбу за таланти. Вони прагнуть вирішити фундаментальні питання в цій сфері та створити відмовостійкі квантові системи, необхідні для розкриття повного потенціалу технології. Незважаючи на деякі невідомі аспекти, технологія стрімко розвивається.

Попит на квантових фахівців зміщується від розробників програмного забезпечення до підприємств, готових використовувати цю технологію. Лідери в різних галузях уже почали формувати квантові команди і тестувати алгоритми на поточному поколінні квантових систем. Застосування квантових алгоритмів для поліпшення шифрування у фінансових послугах, оптимізації логістичних маршрутів і поліпшення вибору місць для клінічних випробувань у фармацевтиці вже перебуває у фокусі уваги.

У галузі освіти, програми для квантових фахівців поки що не набули широкого поширення на університетському рівні. Однак компанії можуть застосувати ті самі стратегії, які були успішними у створенні команд штучного інтелекту, для залучення квантових талантів.

Підйом квантових обчислень

Величезний потенціал квантових обчислень для збоїв традиційно стримується його розширеними термінами розробки. Квантовий комп’ютер, здатний функціонувати в масштабі, може бути нежиттєздатним до 2040 року – і, можливо, пізніше. Досі інвестори розраховували на тривалий термін, і галузевим спостерігачам доводилося дивитися за межі традиційних показників, щоб оцінити значущий прогрес.

Суперечливі ознаки затьмарюють світогляд. З одного боку, світові технологічні компанії витрачають мільярди доларів, намагаючись домогтися переваги в квантових обчисленнях, і національні уряди виділили значні суми грошей для мобілізації своїх наукових спільнот. З іншого боку, вищі відсоткові ставки посилили потік фінансування для стартапів, що призвело до появи “квантової зими”, в якій інвестиції вичерпуються і душать інновації.

Критичне питання полягає в тому, чи будуть квантові обчислення слідувати траєкторії, що нагадує дослідження космосу (, в якій концентрація інвестицій і чітка мета привели до посадки на Місяць у відносно короткі терміни) або ядерний синтез (, де недавні прориви тільки зміцнили землю, яка все ще залишилася для покриття). Наше дослідження ринку на цьому етапі не показало чітких ознак квантової зими, що настає.

Усі ці технології мають подолати одну або кілька ключових проблем:

Високі двокубітні ворота в масштабі. Для відмовостійких квантових комп’ютерів потрібне підтримання високої точності (, яку зазвичай розуміють як таку, що перевищує 99,99 відсотка).

Швидкість. Обмежений проміжок часу життя вимагає, щоб операції затвора відбувалися досить високими темпами, щоб забезпечити складні обчислення і виконати повне обчислення за розумну і значущу суму часу.

Мульти-кубітна мережа. На універсальному квантовому комп’ютері кубіти можуть, у принципі, підключатися до будь-якого іншого кубіта на пристрої для виконання операцій затвора, або безпосередньо, або через ворота SWAP.3 Основна проблема для багатьох кубітів полягає в з’єднанні кубітів між чіпами.

Індивідуальний контроль квитків у масштабі. Контроль окремих кубітів стає дедалі складнішим у міру збільшення числа кубітів.

Потужність охолодження і контроль навколишнього середовища. У міру масштабування квантових комп’ютерів вимоги до розміру і потужності холодильного обладнання стають непомірно високими.

Виробнича. Виробництво великої кількості квантових комп’ютерів потребуватиме автоматизації виробництва і тестування. Тоді як деякі проєкти можуть використовувати наявні технології, інші потребуватимуть розроблення нових технологій виробництва.

Наука в Епоху Інновацій: Шлях до Майбутнього

Відмітки про Нобелівську премію 2022 року у фізиці для Алена Аспекта, Джона Клаузера та Антона Цейлінгера підкреслили значущість квантових технологій. Ці вчені, працюючи над квантовою заплутаністю, заклали основи для майбутніх розробок у цій галузі. У 2022 році провідні технологічні компанії, такі як IBM, представили квантові процесори зі значною кількістю кубітів, що свідчить про прагнення до розширення можливостей квантових обчислень до 2025 року.

Однак, незважаючи на ці прориви, ми бачимо деяке сповільнення в дослідженнях квантових технологій. Кількість патентів у цій галузі знизилася на 61 відсоток, а кількість опублікованих робіт зменшилася на 5 відсотків з 2021 по 2022 рік.

Ці тенденції можуть свідчити про те, що проблеми, які залишилися в розвитку квантових технологій, виявляються все більш складними. Одним із головних завдань залишається створення квантового комп’ютера, здатного обробляти дані без помилок, тобто бути “відмовостійким”. Незважаючи на зростання розмірів квантових комп’ютерів, їхня точність поки що не досягає оптимального рівня.

У кожному з п’яти основних підходів до квантових комп’ютерів існують свої складнощі та обмеження. Фотонні пристрої, наприклад, схильні до фотонних збоїв, що може призвести до помилок в обчисленнях. Пристрої, засновані на іонній пастці та нейтральних атомах, ще не досягли швидкості обробки, необхідної для масштабування кількості кубітів. Спін-пристрої та надпровідні пристрої потребують подальшого розвитку систем управління та охолодження для роботи з тисячами кубітів.

Квантові технології продовжують привертати увагу та інвестиції, але виклики та складнощі в розвитку залишаються. У цьому контексті, підприємствам важливо починати планування своїх стратегій квантових обчислень вже зараз.

Майбутнє квантових технологій: Роль талантів у розвитку

Ще одна проблема для квантових обчислень – знайти достатньо кваліфікованих кандидатів, щоб ця технологія повністю розкрила свій потенціал. У наших бесідах з технічними керівниками, інвесторами та вченими вони майже розділилися щодо того, чи був ринок талантів достатнім для задоволення попиту: 45 відсотків відзначили брак талантів, в той час, як 55 відсотків повідомили, що немає проблем з пошуком кваліфікованих кандидатів.

Невідповідність може бути пояснена кількома факторами. Невеликі стартапи ростуть в університетських дослідницьких лабораторіях і зазвичай мають прямий доступ до кваліфікованих кандидатів. Більші компанії можуть мати менший зв’язок із цими кадровими фондами, і їм буде складніше залучати співробітників із відповідним рівнем знань. Розрив талантів у квантових технологіях скоротився у 2022 році.

Наш аналіз показує, що майже дві третини відкритих робочих місць у галузі (450 із 717) можуть бути заповнені новими випускниками магістратури з квантових технологій у 2022 році. У 2021 році тільки близько третини з цих робочих місць (290 з 851) можуть бути заповнені Цей прогрес стався, хоча кількість вакансій у квантових технологіях збільшилася на 19 відсотків з 2021 по 2022 рік.

Надалі розрив може скоротитися, почасти тому, що дедалі більше академічних установ інтегрують квант у свої навчальні програми та тому, що університети виробляють на 55 відсотків більше випускників магістратури з квантових технологій. Згідно з нашими дослідженнями, кількість університетів із формальними магістерськими програмами з квантових технологій зросла з 29 у 2021 році до 50 у 2022 році.

Додаток 1

Наш аналіз показує, що робочі місця, які залишилися, можуть бути заповнені випускниками з галузей, пов’язаних із квантовими технологіями, які випускають близько 350 000 випускників магістратури на рік по всьому світу.

Талант у цих галузях — біохімія, хімія, електроніка та хімічна інженерія, інформаційні та комунікаційні технології, математика і статистика, а також фізика — найчисельніші та сконцентровані в Європейському Союзі. У 2020 році 303 з кожного мільйона жителів ЄС були новоспеченими випускниками магістратури в галузі, що має відношення до квантових технологій.

Крім того, всесвітній пул що працюю є талантів з деякими знаннями, що належати до квантових технологій, може бути висококваліфікованим для задоволення потреб галузі. Наприклад, системні архітектори, розробники алгоритмів штучного інтелекту і машинного навчання, а також інші, що володіють традиційними навичками кодування і штучного інтелекту, можуть пройти кваліфікацію лише за шість місяців для кодування і поліпшення квантових алгоритмів. Звісно, навіть у той час, коли технологічні фірми звільняють працівників, такий талант уже мати попит.

Кубіти = квантові біти.

SWAP-шлюз” свопи “стан двох кубітів.

П’ять виробників оголосили про плани зі створення відмовостійкого обладнання для квантових обчислень до 2030 року. Якщо цей графік збережеться, галузь, ймовірно, встановить явну квантову перевагу для багатьох випадків використання на той час.

"Бум програмного забезпечення для квантових обчислень: нова парадигма та перспективи"

Кількість програмно-орієнтованих стартапів збільшується швидше, ніж будь-який інший сегмент ланцюжка створення вартості квантово-комп’ютерних обчислень. У галузі програмного забезпечення учасники галузі наразі пропонують індивідуальні послуги і прагнуть розвивати готові послуги, коли галузь стає більш зрілою. Оскільки програмне забезпечення для квантових обчислень продовжує розвиватися, організації зможуть модернізувати свої програмні інструменти і в кінцевому підсумку використовувати повністю квантові інструменти. Тим часом, квантові обчислення вимагають нової парадигми програмування – і стека програмного забезпечення. Щоб створити спільноти розробників навколо своїх пропозицій, більші учасники галузі часто надають свої набори для розроблення програмного забезпечення безкоштовно.

Більші учасники ринку часто надають свої набори для розробки програмного забезпечення безкоштовно, прагнучи створити активну спільноту розробників навколо своїх продуктів. Це дає змогу розширити доступ до технологій квантових обчислень і сприяє їх подальшому розвитку.

З Хмарами на горизонті: Перспективи квантових обчислень

Зрештою, хмарні послуги квантових обчислень стають золотим стандартом у сфері обчислювальних технологій. Можливість доступу до квантових комп’ютерів через хмарні платформи переосмислює способи роботи з цією передовою технологією. З появою персональних і мобільних квантових обчислень на горизонті, хмарні сервіси будуть ключовим інструментом для попереднього знайомства користувачів з потенціалом квантових технологій. Ось чому контроль над цією частиною екосистеми може принести видатні результати і реальне панування в індустрії обчислювальних технологій.

Важливим аспектом є також зниження бар’єрів для доступу до хмарних квантових обчислень. Це може містити розробку простих у використанні інтерфейсів, а також розширення доступності хмарних квантових ресурсів для широкого кола користувачів.

Необхідно також приділяти увагу питанням масштабованості та гнучкості хмарних квантових сервісів. З розвитком технологій і збільшенням попиту, важливо мати гнучку інфраструктуру, здатну масштабуватися відповідно до потреб ринку.

Нарешті, важливо продовжувати дослідження в галузі хмарних квантових обчислень з метою оптимізації та поліпшення наявних технологій і методів надання послуг.

Приклади використання в промисловості

Найвідоміші варіанти використання вписуються в чотири архетипи: квантове моделювання, квантова лінійна алгебра для ШІ та машинного навчання, квантова оптимізація і пошук, а також квантова факторизація. Ми повністю описуємо їх у звіті, а також викладаємо питання, на які мають зважати лідери під час оцінки можливих варіантів використання.

Квантові технології можуть бути використані в різних галузях промисловості, де вони можуть надати значну перевагу порівняно з класичними обчислювальними методами. Ось деякі з прикладів:

Фармацевтична промисловість: Квантові обчислення можуть використовуватися для більш швидкого пошуку нових ліків, аналізу молекулярних властивостей і прогнозування реакцій.
Матеріали та хімічна промисловість: Дослідження нових матеріалів, аналіз кристалічних структур і прогнозування властивостей матеріалів.
Фінансовий сектор: Розв’язання оптимізаційних проблем, опрацювання та аналіз великих обсягів фінансових даних, оптимізація портфелів.
Транспорт і логістика: Оптимізація маршрутів, управління логістикою та вирішення складних оптимізаційних завдань.
Енергетика: Розробка нових матеріалів для сонячних батарей, розв’язання оптимізаційних задач для джерел альтернативної енергії.
Харчова промисловість: Оптимізація виробництва та управління ланцюжком постачання.
Безпека та криптографія: Розробка квантових систем шифрування та безпеки для захисту інформації.
Дослідження нових препаратів і медичних технологій: Використання квантових обчислень для моделювання молекулярних взаємодій та аналізу біологічних систем.

Це лише кілька загальних прикладів. Квантові технології відкривають нові можливості в багатьох інших сферах промисловості та досліджень.

Шлях вперед для квантових обчислень

Тим часом лідери бізнесу в кожному секторі мають підготуватися до дозрівання квантових обчислень.

Приблизно до 2030 року ми вважаємо, що у випадках використання квантових обчислень буде гібридна операційна модель, яка є перехресною між квантовими та звичайними високопродуктивними обчисленнями. Наприклад, звичайні високопродуктивні комп’ютери можуть отримати вигоду з квантових алгоритмів.

Після 2030 року інтенсивні поточні дослідження приватних компаній і державних установ залишатимуться життєво важливими для поліпшення квантового обладнання та забезпечення складніших – і складніших – варіантів використання. Шість ключових факторів – фінансування, доступність, стандартизація, галузеві консорціуми, талант і цифрова інфраструктура – визначатимуть шлях технології до комерціалізації.

Лідери за межами індустрії квантових обчислень можуть зробити п’ять конкретних кроків для підготовки до дозрівання квантових обчислень:

Слідкуйте за розвитком галузі та активно перевіряйте варіанти використання квантових обчислень за допомогою власної команди експертів з квантових обчислень або співпрацюючи з галузевими організаціями та приєднуючись до консорціуму з квантових обчислень.

Розуміти найбільш значні ризики, збої та можливості у своїх галузях.

Подумайте, чи варто співпрацювати з гравцями квантових обчислень або інвестувати в них — переважно програмне забезпечення, – щоб полегшити доступ до знань і талантів.

Подумайте про набір внутрішніх талантів квантових обчислень. Навіть невеликої команди з трьох експертів може бути достатньо, щоб допомогти організації вивчити можливі варіанти використання і проаналізувати потенційні стратегічні інвестиції у квантові обчислення.

Підготуйтеся шляхом створення цифрової інфраструктури, яка може задовольнити основні експлуатаційні вимоги квантових обчислень; зробити відповідні дані доступними в цифрових базах даних і налаштувати звичайні обчислювальні робочі процеси, щоб вони були готові до квантових обчислень, коли стане доступним більш потужне квантове обладнання.

Реалізація більшої цінності від проектів даних

Традиційна мудрість говорить, що отримання повної вартості з даних починається з визначення правильних варіантів використання. Немає сумнівів у тому, що належний вибір варіантів використання і правильний рівень володіння в бізнес-сфері необхідні для створення реальної вартості активів даних компанії. Однак підходи, засновані виключно на окремих випадках використання, часто не беруть до уваги важливість створення правильних технологічних факторів. Багато проєктів даних розроблено та реалізовано для задоволення нагальної потреби, але вони часто нехтують включенням (або затримують розгляд функцій) або елементів дизайну, які мають вирішальне значення для інтеграції та роботи в масштабі. У результаті цей спосіб роботи часто додає організаційні та фінансові витрати після впровадження початкового варіанту використання.

“Якщо ми зробимо A, ми отримаємо B-вигоду” – логічний підхід у більшості ситуацій, але в проєктах із даними він менший. Фактично, цей модульний, а не системний або великий фокус часто призводить до втрачених можливостей і постійних витрат.

Навпаки, вигоди від більш широких інвестицій у проєкти даних можуть бути значними. Наш досвід показує, що правильне здійснення інвестицій по всьому ланцюжку створення вартості даних може скоротити час виконання для випадків використання на три-шість місяців, а загальну вартість володіння даними – на 10 до 20 відсотків.

Ширший погляд на те, що потрібно проектам даних, може допомогти організаціям отримати від них більшу цінність.

Підготовка вашого бізнесу до кванту

Вочевидь, що підготовка до великих технологічних досягнень є ключовою частиною портфеля будь-якого керівника. Це особливо вірно для кванта, який може бути дуже руйнівним. Розв’язуючи обчислення, які неможливі з класичними обчисленнями, квант може робити явними всі види неявних знань у цей час. Це не просто революціонізує процеси; це також може радикально змінити робочу силу різних галузей.

Наприклад, у хімічних речовинах і фармацевтичних препаратах сьогоднішні синтетичні хіміки повинні створювати реальні молекули або тверді речовини для перевірки гіпотез про потенційні нові ліки або матеріали. Ці речовини часто не працюють, як очікувалося, що призводить до подальших циклів дорогого і трудомісткого синтезу і тестування. Якщо квантові комп’ютери можуть моделювати такі речовини експоненціально швидше, як і очікувалося, компаніям може знадобитися менше синтетичних хіміків. Неважко уявити таку математичну визначеність, що замінює досвід і судження професійних фахівців в інших галузях на багатоваріантні проблеми, такі як фінанси, страхування, транспорт і багато іншого.

Попри те, що ми навряд чи відчуємо такий вплив на суспільство протягом десятиліть, досвідчені лідери бізнесу майже в усіх галузях повинні розробити якусь квантову стратегію зараз. Вид підготовки залежить від того, чи перебуваєте ви в першій хвилі галузей, які можуть отримати вигоду від технології, чи використовує ваш бізнес випадки, які відповідають силі кванта, що зароджується, і чи вірите ви, що можете отримати перетворювальні або просто додаткові вигоди.

Захист довгоживучих активів даних

Підготовка до ери квантових обчислень є невід’ємним етапом для компаній, що володіють активами даних, які живуть довго. Особливу увагу слід приділити дотриманню високих стандартів кібербезпеки. Якщо ваша компанія залежить від довгострокового зберігання важливих даних і комерційних секретів, варто почати впровадження квантової криптографії просто зараз. Крім того, навіть якщо ваш бізнес не прямо пов’язаний із цими галузями, важливо стежити за розвитком квантових технологій, оскільки вони можуть істотно вплинути на різні сфери бізнесу. Необхідно усвідомлювати, що квантові обчислення являють собою потенційно трансформаційну силу, і підготовка до них – важливе стратегічне завдання для всіх підприємств.

У підсумку, квантові технології представляють великий потенціал для революції в різних галузях промисловості. Здатність розв’язувати складні проблеми та виконувати обчислення в надзвичайно короткий час відкриває нові горизонти для наукових досліджень, розвитку нових матеріалів, вдосконалення виробничих процесів та багато іншого. Важливо пам’ятати, що розвиток квантових технологій є поступовим процесом, і ми можемо очікувати надзвичайно цікаві досягнення в найближчому майбутньому.

ПРО АВТОРА(АХ)

Коновалов Олексій – партнер Marrbery, де Шевченко Наталя – консультантка; Кривошея Марина – старша експертка; та Марія Заньковецька – консультантка.

Автори хотіли б висловити подяку таким особам:

Коваленко Галині, Снітку Кирилу, Литвиненку Василю, Григоренко Анні, Мельнику Олександру, Савченко Олесі, Ковалю Олегу, Гордієнку Денису, Тимчуку Богдану, Кравці Лілії та іншим, які допомогли в процесі.

Автори хотіли б подякувати таким особам за їхній внесок у науку QuantinuumCambridge Quantum; Ендрю Хорслі, головний виконавчий директор Quantum Brilliance; Джон Мартініс, професор фізики в UCSB; Марк Меттінглі-Скотт, генеральний директор EMEA у Quantum Brilliance; Селія Мерцбахер, QED-C, виконавчий директор SRI International, виконавчий директор QED-C; Сем Мугель, технічний директор Multiverse Computing; Джеремі О’Брайєн, співзасновник та головний виконавчий директор PsiQuantum; Крістофер Савойя; Ендрю Хорслі. та іншим, які допомогли в процесі.

Вибрані аналітичні відомості