Quantum Beat
547 subscribers
114 photos
101 links
Пульс отрасли. Квантовые технологии и алгоритмы, вдохновляющие на решение практических бизнес-задач. Канал компании QuSolve: info@qusolve.ru. Резиденты Сколково с 2021 года
Download Telegram
Правительство США видит перспективу в применении гибридного подхода к решению задач комбинаторной оптимизации

DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) выбрала Rigetti Computing и USRA (ассоциация космических исследований университетов) для поставки оборудования и софта для второго этапа программы ONISQ.

Это программа по разработке гибридных решений, которые сочетают доступные на сегодня квантовые устройства небольшого размера с классическими компьютерами. Несмотря на то, что это делается под эгидой Пентагона, программа подразумевает решение сложных задач графикования не только в военной сфере (расчет оптимальных планов развертывания войск и т.п.), но и в гражданской (управление цепочками поставок, маршрутизация транспорта и др.).

Начальную фазу программы запустили в 2020 году - тогда в качестве квантовой части архитектуры были использованы 32- и 40-кубитные системы Rigetti, а текущая фаза подразумевает использование уже 80-кубитной системы, названной Aspen-M.

80 кубит - еще очень-очень мало, чтобы решать практические задачи целиком на квантовом компьютере. Кроме того, нерешенные проблемы современных квантовых вычислений - не только в количестве кубит, но и в допустимом количестве итераций алгоритма и помехах, влияющих на точность результата. А сможет ли гибридный подход доказать свое преимущество - посмотрим, поглядим.
Новое решение проблемы комбинаторной оптимизации в системах велопроката

The spring is coming, как говорится. Самое время обратить скучающий взор на проблему комбинаторной оптимизации в системе городского велопроката.

Когда на отдельных станциях скапливается слишком много велосипедов, а другие стоят пустыми, велосипеды перевозят между ними на грузовиках - возникает осадочек по поводу “зелености” велотранспорта. Исследователи уже неоднократно пытались оптимизировать количество велосипедов на каждой станции. Однако это были небольшие модельные попытки: либо ставились ограничения по станциям (до ста), либо не было лимита по времени.

Теперь ученые из Токийского университета подошли к проблеме всерьез и предлагают метаэвристический алгоритм, а именно tabu search, который исследует допустимые и недопустимые пространства решений. Это поможет быстрее находить решения даже для большого количества станций. Задачу они сформулировали как «проблема маршрутизации системы велопроката с несколькими транспортными средствами с мягкими ограничениями».

Результаты радуют. Всего за 14,7 секунд ученые рассчитали оптимальный вариант загрузки для сети из 30 станций, чуть меньше минуты потребовалось для 50 станций. Во всех случаях система находит наиболее оптимальные решения. Для сравнения — оптимизатор Gurobi перебирал допустимые решения для 30 станций около 12 часов.

Почему мы рассказываем об этом кейсе у себя в канале? Tabu search - алгоритм, работающий на классическом железе, но во многом построенный на идеях квантовых вычислений.
Как растут инвестиции в разработку квантовых компьютеров

В индустрию потекли серьезные венчурные деньги. В 2021 году инвесторы вложили $1,02 млрд в компании, которые работают над квантовыми вычислениями. По данным PitchBook это больше, чем за три предыдущих года вместе взятых. Сравните только: $187,5 млн в 2019 году, $93,5 млн - в 2015.

В первую тройку по размерам сделок вошли PsiQuantum, Xanadu и Rigetti, которые, как мы помним, неплохо себя чувствуют на контрактах с DARPA. Сейчас основные деньги идут в разработку мощностей, которые будут готовы к работе лет через восемь, но инвесторы делают ставку, что коммерциализация может начаться раньше.

Отрасль, разумеется, тоже растет. Еще в 2013 году квантовыми вычислениями занимались пара романтичных стартапов, к 2020 году на рынке работало уже около двухсот команд. Чаще всего они строят бизнес на квантовом моделировании, линейной алгебре для искусственного интеллекта и машинного обучения, квантовой оптимизации.

Самые ранние возможности использования квантового компьютера ожидаются в четырех отраслях: фармацевтика, химия, автомобилестроение и финансы. В России, кстати, идеи квантовых вычислений активно используют металлурги, а мы им активно помогаем.
Квантовая телефонная сеть заработала в МГУ

В конце 2021 года МГУ совместно с компанией “ИнфоТеКС” ввели в эксплуатацию первую в России Университетскую Квантовую Сеть. В основе УКС лежит квантовая криптографическая система выработки и распределения ключей ViPNet QSS. Сейчас она, кстати, проходит сертификацию ФСБ России.

Сеть соединила пять квантовых
устройств, установленных на территории МГУ на Ленинских горах, Моховой улице и в Отрадном. При этом длина канала в рамках проекта достигла 40 км.

По традиции говорят, что квантовая сеть связывает Алису (отправителя сообщения) и Боба (получателя). Третьи лица не могут вторгнуться в квантовую беседу, так как такое вторжение, в силу фундаментальных законов квантовой физики, приведет к мгновенному разрушению канала связи. В тестовом режиме похожая сеть заработала летом и в другом московском вузе – НИТУ "МИСиС". Пока вузы думают над объединением своих усилий в этом направлении. Так что у самой известной криптографической пары в мире могут скоро появиться друзья в “МИСиС”, а затем, возможно, и в других вузах столицы.

Подробнее о квантовой коммуникации мы говорили в предыдущих постах. Как видите, с тех пор в России сделан ряд практических шагов по защите передаваемых по сети данных. За их развитие в нашей стране отвечает ОАО «РЖД».
Cambridge Quantum и Deutsche Bahn Netz AG используют новейшие квантовые алгоритмы для оптимизации расписания движения поездов

Cambridge Quantum объявили о партнерстве с Deutsche Bahn Netz, второй по величине транспортной компании в мире. При помощи квантовых компьютеров они пытаются оптимизировать движение поездов.

Задача составить расписание поездов кажется простой. Но с ростом пассажиропотока и развитием железнодорожной компании она становится непосильной не только для людей, но и для самых мощных классических компьютеров. К примеру, если одна станция должна в день принять 10 поездов в определенной последовательности, то таких последовательностей - 10! = 3 628 800. Если же надо принять 20 поездов, то таких комбинаций уже 2,4*10^18. Чтобы все их перебрать и сравнить с помощью, например, компьютера Apple последней модели, потребуется 2 дня и 17 часов. Понятно, что с практической задачей, в которой сотни станций и тысячи поездов, не справится простым перебором никакой современный компьютер. Поэтому единственный способ решать подобные задачи - разрабатывать алгоритмы, позволяющие находить близкие к оптимальным решения, не прибегая к перебору всех вариантов. Например, использовать параллельные вычисления, в т.ч. квантовые компьютеры, или комбинацию обоих подходов (по крайней мере, пока квантовые компьютеры еще слишком малы и слабы). Deutshe Bahn как раз решились опробовать одну из таких гибридных технологий, а именно, алгоритм комбинаторной оптимизации Filtering Variational Quantum Eigensolver (F-VQE). Компании удалось создать прототип оптимизатора расписания поездов, который учитывает в т.ч. смоделированные задержки.

Сотрудничество Cambridge Quantum и Deutsche Bahn показывает, как квантовые алгоритмы помогают создавать более быстрые и экологичные транспортные сети, - дождемся, однако, практического внедрения ;-).
Azure Quantum оптимизирует работу в дальнем космосе

Квантовая команда Microsoft разработала солвер для решения проблем планирования, связанных с дальним космосом. Задача заключается в том, как рассчитать оптимальную траекторию движения телескопа, чтобы изучить максимальное количество участков звездного неба в единицу времени, с учетом разного рода ограничений (погоды, вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, научных приоритетов и др.). По словам создателей, программа работает в облачной службе Azure Quantum и наглядно показывает, как люди могут использовать для работы квантовые вычисления на классических компьютерах для определенных сценариев оптимизации.

Солвер используется в т.ч. для планирования работы телескопа Джеймса Уэбба в рамках миссии Mars 2020, который недавно прислал первые снимки. Солвер работает на quantum-inspired алгоритмах, и, благодаря его внедрению, время нахождения оптимального решения сократилось с 2 часов до 16 минут.

Это хороший пример того, как облачный сервис и quantum-inspired оптимизация решают проблемы космического масштаба, не дожидаясь появления полноценных квантовых компьютеров.
Апокалипсиса не будет. Расходимся

Человечество уже неоднократно размышляло о возможных сценариях конца света: будь то эпидемия, комета или глобальное потепление… И вот уже СМИ пестрят заголовками о новой угрозе – квантовом апокалипсисе, увеличивая свой трафик и заставляя читателей нервничать.

Появление квантового компьютера действительно представляет угрозу привычному образу жизни, так как большинство методов интернет-шифрования станет бесполезным. А еще это означает конец криптовалют. В 2019 году 54-кубитному компьютеру Google потребовалось всего 200 секунд, чтобы выполнить расчет, на который у суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет.

И все же апокалипсиса не будет. Почему? Потому что учёные разрабатывают не только квантовый компьютер, но и квантовую криптографию и квантовую коммуникацию. Британское правительство уже защитило государственные данные пост-квантовой криптографией. Анализ запроса в Scopus по ключевым словам показал, что с 2015 года количество статей, упоминающим понятие «квантовая криптография», выросло в три раза. А мировой рынок квантовой криптографии, который оценивался в 93,1 млн долларов уже в 2020 году, достигнет 291,9 млн долларов к 2026 году. Да и до создания самого квантового компьютера с мощностью, которая сможет привести к “квантовому апокалипсису”, еще далеко. А когда все-таки он появится — все данные уже будут защищены от взлома.

Так что на каждое действие есть свое противодействие
Sunday morning quantum talk

Пять аналитиков решили ежемесячно собираться онлайн для обсуждения последних новостей из квантового мира. Эту серию видеороликов они назвали “Круглым столом”. Компания впервые собралась на конференции Q2B 2021 (одна из главных в мире конференций о квантовых вычислениях) в декабре и сочла это настолько полезным, что решила делать это на регулярной основе и записывать на видео. Эксперты намерены отслеживать свои прошлые прогнозы в области квантовых технологий и обсуждать актуальную информацию. Два выпуска уже есть!*

«Поскольку события происходят так быстро, людям из квантовой индустрии крайне важно иметь объективные, экспертные источники, которые помогут им отделить шумиху от реальности», — говорит Кениг, один из участников.

В первом эпизоде ведущие “Круглого стола” затронули самые разные вопросы: от конкретных кейсов по оптимизации процессов в порту Лос-Анджелеса до советов, как найти подходящего партнера по квантовому бизнесу.

Так что бегом смотреть или же просто … читать наш канал, где мы тоже экспертно предоставляем информацию из квантовой индустрии 🤓.
Алгоритм с квантовым поведением для оптимизации размещения скважин

Ученые из Малайзии и ОАЭ попробовали применить quantum-inspired алгоритмы к одной из самых сложных задач в нефтедобыче - оптимизации размещения скважин при разработке месторождения. Размещение скважин существенным образом влияет на себестоимость добычи, однако подобрать оптимальную схему непросто - нефтеносные пласты имеют сложную и неоднородную структуру, что влечет за собой не только большой объем вычислений, но и высокий риск “застрять” в локальном оптимуме вместо глобального (который является оптимальным решением среди всех возможных решений). Важное отличие эксперимента малазийских ученых еще и в том, что они впервые постарались создать универсальный алгоритм, который не потребуется воссоздавать с нуля для каждого нового месторождения.

Исследователи предложили ансамблевый подход, который сочетает в себе различные методы (QPSO и QBA) и корректирует свою стратегию в зависимости от успеха ее компонентов.

Собственно, одновременный поиск решений с помощью двух стратегий — ключевая особенность этого исследования — помог более точно справиться с кейсом. Одна голова хорошо, а две лучше!
NEC испытывает технологии квантовых вычислений для эффективной доставки запасных частей

NEC Fielding, подразделение корпорации NEC и ведущий поставщик услуг по обслуживанию коммуникационного оборудования, начала демонстрацию использования квантовых вычислений для повышения эффективности доставки запасных частей.
Компания ежедневно проводит в Токио несколько сот операций по техническому обслуживанию. Затраты на доставку запчастей и материалов можно снизить примерно на 30% за счет сокращения числа транспортных средств и оптимизации маршрутов. Большая комбинация переменных, – таких как районы доставки, типы и размеры деталей, использование грузовиков и мотоциклов, а также количество заказов, – требует квантовых вычислений, ведь обычным перебором вариантов на компьютере тут уже не справиться.

NEC планирует подготовку к полномасштабному внедрению в следующем году.
Интересно, что из этого получится и будут ли внедрены квантовые вычисления в японский город будущего Woven City. Надеемся, что да