Rozwój komputerów kwantowych przebiega w ostatnim czasie bardzo dynamicznie. Specjaliści rozważają nawet możliwość stosowania ich w systemach wbudowanych.

Ta konwergencja może potencjalnie zmienić krajobraz urządzeń o niskim poborze mocy i wysokiej wydajności – oferując bezprecedensowe możliwości dla branż od motoryzacyjnej po telekomunikacyjną.

A co najlepsze? Nie jest to już tylko teoria. Wczesne wdrożenia dają nadzieję na rzeczywiste korzyści, zwłaszcza w obszarach, w których klasyczne obliczenia osiągają pułap wydajności. Ale jak dokładnie obliczenia kwantowe otwierają nowe możliwości w technologii wbudowanej i co to oznacza dla przyszłości inteligentnych urządzeń?

Czego możemy spodziewać się po kwantowych systemach wbudowanych?

Systemy wbudowane są niedocenianymi bohaterami nowoczesnej elektroniki. Przyczyniają się do rozwijania funkcjonalności w każdej dziedzinie związanej z elektroniką i informatyką – od urządzeń IoT po instrumenty medyczne. Są one nierozerwalnie związane z postępem w sieciach Wi-Fi i ich bezpieczeństwie.

Tradycyjnie systemy te opierają się na mikrokontrolerach (MCU) i procesorach zoptymalizowanych pod kątem wydajności i szybkości przy ograniczonych zasobach. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na urządzenia bardziej inteligentne i adaptacyjne, klasyczne systemy zaczynają wykazywać swoje ograniczenia.

Obliczenia kwantowe zapewniają nowatorskie podejście, wykorzystując bity kwantowe (kubity), które mogą reprezentować zarówno 0, jak i 1 jednocześnie poprzez superpozycję. Ta cecha, w połączeniu ze splątaniem kwantowym, pozwala na ogromny potencjał przetwarzania równoległego, otwierając drzwi do rozwiązywania złożonych problemów optymalizacyjnych i kryptograficznych wykładniczo szybciej niż klasyczne procesory.

Wyobraźmy sobie wbudowany system autonomicznego samochodu, który może wydajniej przetwarzać dane w czasie rzeczywistym, szybciej reagując na dynamiczne warunki na drodze. A może rozważyć kwantowe protokoły bezpieczeństwa, które sprawiają, że sieci IoT są praktycznie nie do złamania dzięki kwantowej dystrybucji kluczy (QKD). Nie są to odległe marzenia, ale wyłaniająca się rzeczywistość, ponieważ badania nad kwantowymi systemami wbudowanymi zyskują na popularności.

Sprzęt kwantowy w kontekście systemów wbudowanych

Jednym z kluczowych wyzwań związanych z integracją obliczeń kwantowych z systemami wbudowanymi jest rozmiar i złożoność operacyjna sprzętu kwantowego (rys. 1). Problem polega na tym, że obecne procesory kwantowe wymagają środowisk kriogenicznych i są dalekie od przenośności. Jednak ostatnie osiągnięcia w dziedzinie materiałów kwantowych i miniaturyzacji zaczynają wypełniać tę lukę.

Rys. 1. Obraz komputera kwantowego (źródło: thequantuminsider.com)

Startupy i instytucje badawcze aktywnie badają półprzewodnikowe kubity i fotoniczne procesory kwantowe, które mogą działać w temperaturze pokojowej. Jeśli te innowacje odniosą sukces, możliwe będzie tworzenie systemów hybrydowych, w których procesory klasyczne i kwantowe współistnieją na tej samej wbudowanej platformie, umożliwiając kontekstową dystrybucję obliczeń.

Co więcej, układy programowalne FPGA i układy ASIC są opracowywane w celu bezpośredniego połączenia z procesorami kwantowymi. Taka integracja pozwoliłaby urządzeniom wbudowanym na odciążenie określonych zadań do koprocesorów kwantowych, maksymalizując wydajność bez uszczerbku dla ograniczeń przestrzeni lub mocy.

Nie zapominajmy również o niedawno zaprezentowanym przez Microsoft układzie kwantowym Majorana 1, zaprojektowanym specjalnie do rozwiązywania problemów na skalę przemysłową (rys. 2). Krok po kroku zbliżamy się do kwantowej rzeczywistości, ale jak mają się do tego urządzenia wbudowane?

Rys. 2. Układ kwantowy Majorana 1 firmy Microsoft (źródło: microsoft.com)

Algorytmy dostosowane do wbudowanych systemów kwantowych

W tym kontekście należy zauważyć, że główną przeszkodą są ograniczenia sprzętowe. W związku z tym sukces systemów wbudowanych z ulepszoną technologią kwantową będzie ostatecznie zależał od wyspecjalizowanych algorytmów zoptymalizowanych pod kątem ograniczonych środowisk. Muszą one być energooszczędne i zdolne do działania na dużą skalę.

W przeciwieństwie do algorytmów kwantowych ogólnego przeznaczenia, takich jak algorytmy Shora lub Grovera, systemy budowane wymagają niestandardowych rozwiązań dostosowanych do aplikacji w czasie rzeczywistym.

Kwantowe algorytmy przybliżonej optymalizacji (QAOA) i wariacyjne kwantowe rozwiązania własne (VQE) są obiecującymi kandydatami do zadań takich jak alokacja zasobów i rozpoznawanie wzorców w kontekstach osadzonych. Zamiast martwić się o koszty chmury, będziemy mogli skupić się na osiągnięciu maksymalnej wydajności w wielu dziedzinach, od finansów po teleopiekę zdrowotną i produkcję.

Wspomniane algorytmy, gdy są uruchamiane w hybrydowych systemach kwantowo-klasycznych, mogą radykalnie usprawnić procesy podejmowania decyzji w systemach czasu rzeczywistego, takich jak predykcyjna konserwacja w przemysłowym IoT lub adaptacyjne przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji.

Praktyczne zastosowania i przypadki użycia wbudowanych systemów kwantowych

Wbudowane systemy wspomagane kwantowo są gotowe wywrzeć znaczący wpływ na wiele sektorów, pomimo, że sam termin brzmi abstrakcyjnie. Wszystko, co wymaga wydajności, mocy obliczeniowej i dopasowania wielu systemów, może na tym skorzystać. Dlatego, najwięcej mogą zyskać branże, takie jak:

Motoryzacja: Algorytmy kwantowe mogą optymalizować przepływ ruchu i zarządzanie trasami dla pojazdów autonomicznych, poprawiając zarówno bezpieczeństwo, jak i wydajność. Mogą uwzględniać zmiany w korkach, wypadki, warunki pogodowe i wiele innych.

Opieka zdrowotna: Wbudowane procesory kwantowe mogą zrewolucjonizować obrazowanie medyczne i diagnostykę, zapewniając szybsze, dokładniejsze analizy złożonych zestawów danych.

Cyberbezpieczeństwo: Odporne na kwantowe algorytmy kryptograficzne osadzone w urządzeniach IoT mogą zabezpieczać sieci przed potencjalnymi atakami kwantowymi w przyszłości.

Energetyka: Inteligentne sieci mogą skorzystać z algorytmów optymalizacji kwantowej, które poprawiają dystrybucję energii i równoważenie obciążenia, zwiększając wysiłki na rzecz zrównoważonego rozwoju.

Wyzwania na przyszłość

Pomimo przełomowego potencjału obliczeń kwantowych w systemach wbudowanych, ich natychmiastową adopcję utrudnia kilka istotnych wyzwań. Mają one różne „poziomy trudności”, przy czym niektóre można rozwiązać w ciągu kilku lat, a inne prawdopodobnie pozostaną zagadkami, gdy zbliżymy się do XXII wieku.

Skalowalność

Główną przeszkodą technologiczną jest miniaturyzacja procesorów kwantowych, aby pasowały do ograniczonego kształtu typowego dla systemów wbudowanych. Obecne procesory kwantowe wymagają wysoce kontrolowanych środowisk, w tym chłodzenia kriogenicznego i ekranowania elektromagnetycznego, co czyni je niekompatybilnymi z mobilnymi urządzeniami kompaktowymi. I to nawet bez postrzegania technologii kwantowej w kontekście współczesnych przepisów. Mówiąc o platformach kwantowych, powiedzmy, do płatności, w jaki sposób uczynimy je zgodnymi z PCI? A co z opieką zdrowotną? Te dodatkowe koszty sprawią, że skalowanie będzie prawie niemożliwe.

Badania nad materiałami kwantowymi w temperaturze pokojowej, takimi jak kubity topologiczne i obwody fotoniczne, dają nadzieję na przezwyciężenie tego ograniczenia, ale praktyczna implementacja jest jeszcze odległa na wiele lat.

Pobór mocy

Systemy kwantowe, zwłaszcza te wymagające chłodzenia kriogenicznego, są znane ze swojego zapotrzebowania na energię. W przypadku systemów wbudowanych zaprojektowanych do operacji o niskim poborze mocy stanowi to poważne wyzwanie.

Innowacyjne rozwiązania chłodzące, a także postęp w energooszczędnych bramkach kwantowych i algorytmach korekcji błędów, będą miały kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że procesory kwantowe mogłyby działać w ramach ograniczeń energetycznych aplikacji wbudowanych.

Ekosystem oprogramowania

Opracowywanie niezawodnego oprogramowania łączącego systemy kwantowe i klasyczne pozostaje niedostatecznie zbadanym obszarem. Obecne ramy programistyczne dla obliczeń kwantowych, takie jak Qiskit i Cirq, nie są zoptymalizowane pod kątem środowisk wbudowanych.

Istnieje pilna potrzeba nowych narzędzi programistycznych, interfejsów API i kompilatorów wieloplatformowych, które ułatwią bezproblemową integrację między koprocesorami kwantowymi a tradycyjnymi mikrokontrolerami w systemach wbudowanych.

Koszt

Koszty produkcji procesorów kwantowych i powiązanego sprzętu są zaporowo wysokie, co ogranicza tę technologię do instytucji badawczych i dużych korporacji. Aby obliczenia kwantowe stały się wykonalne w systemach wbudowanych, procesy produkcyjne komponentów kwantowych muszą zostać skalowane w celu obniżenia kosztów.

Ponadto rozwój hybrydowych architektur łączących procesory klasyczne i kwantowe może zapewnić opłacalną ścieżkę do wczesnego etapu adopcji w produktach komercyjnych.

Wniosek

Komputery kwantowe w systemach wbudowanych nie są już spekulatywnym konceptem. To wschodząca rzeczywistość, która ma potencjał, aby zdefiniować na nowo sposób, w jaki myślimy o mocy przetwarzania w ograniczonych środowiskach.

W miarę dojrzewania technologii systemy wbudowane będą ewoluować od zwykłych kontrolerów określonych funkcji do wyrafinowanych urządzeń rozwiązujących problemy, zdolnych do radzenia sobie z wyzwaniami, które wcześniej wymagały superkomputerów.

Połączenie mechaniki kwantowej i technologii wbudowanej oznacza coś więcej niż tylko skok technologiczny — to ponowne wyobrażenie sobie możliwości obliczeniowych w najmniejszej skali. Branże, które wcześnie przyjmą tę konwergencję, nie tylko będą o krok przed innymi, ale pomogą ukształtować przyszłość, w której wbudowana inteligencja nie zna granic.

Autor oryginału: Sam Bocetta

Źródło: embedded.com