Webinar about quantum computing

1. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttivallankumous
Immo Salo

2. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Immo Salo
● Kouluttajana vuodesta 2003
● Yrittäjä vuodesta 2006
● Tietokirjailija vuodesta 2010
Avainsanat: Pilvipalvelut, Big Data, Tekoäly, Kvantti

3. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Immo Salo, kirjat
Julk. 2010 Julk. 2012 Julk. 2013 Julk. 2014
Cloud computing -
palvelut verkossa
Hyötyä
pilvipalveluista
Big Data -
tiedon vallankumous
Big data ja
pilvipalvelut
Vuonna 2021 työn alla uusi kirja, jossa aiheena kvanttivallankumous

4. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttivallankumous on tulossa
https://fortune.com/2020/12/01/quantum-computing-could-reach-the-market-by-2023-says-ibm-ceo/
“The impact [of quantum computing] on our clients...
is going to be in the hundreds of billions of dollars”
Arvind Krishna, CEO IBM

5. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Markkinat

6. Immo Salo, Qubit Value, 2021
1 000 mrd $
Kvanttimarkkinat vuonna 2035

7. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Markkinat vasta aloittamassa kasvuaan
Ennustaja v. 2019 v. 2030 v. 2035
Tractica 0,1 mrd $ 9 mrd $ ...
P&S Intelligence 0,5 mrd $ 64 mrd $ ...
... ... ... ...
McKinsey & Viva Technologies ... ... 1 000 mrd $

8. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Markkinoiden kehitysvaiheet (mukaillen BCG)
Aikahorisontti 3-5 vuotta +10 vuotta +20 vuotta
Aikakauden nimi
NISQ
(Noicy Intermediate-Scale Quantum)
Broad Quantum
Advantage
Full-scale Fault
Tolerance
Arvioitu vaikutus /
vuosi
(operating income)
2-5 mrd $ 25-50 mrd $ 450-850 mrd $
https://www.bcg.com/publications/2019/quantum-computers-create-value-when
Eniten hyötyvät toimialat/toiminta-alueet:
lääketiede, materiaalinkehitys, prototyypit tuotekehityksessä / simulaatiot, rahoitusala

9. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kehityksen nopeutta vaikea arvioida
Esimerkki: Google Alphafold (2020)
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03348-4

10. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttitietokoneet

11. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttitietokoneet ja kvanttilaskenta
“Quantum computing is the use of quantum phenomena
such as superposition and entanglement to perform
computation. Computers that perform quantum
computations are known as quantum computers.”
Wikipedia: Quantum Computing
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing

12. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Keskeisiä käsitteitä: ‘superposition’ ja ‘entanglement’
Superposition (superpositio):
Systeemi voi olla useassa eri tilassa samaan aikaan
Entanglement (lomittuminen):
Kaksi osasysteemiä ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa

13. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttitietokoneen keskeiset elementit
● Tila (jäähdytys, interferenssin hallinta...)
An area that houses the qubits
● Kommunikaatio (mikroaallot, laser, jännite...)
A method for transferring signals to the qubits
● Hallinta (käyttöliittymä hyödyntämiseen)
A classical computer to run a program and send instructions
https://azure.microsoft.com/en-gb/overview/what-is-quantum-computing/#how-it-works

14. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Bitit ja qubitit
Bit (perinteinen tietokone):
Joko 0 tai 1
Qubit (kvanttikone):
Superpositiossa lineaarinen välillä 0 ja 1
(qubit voi viitata elektronin spiniin, fotonin polarisaatio, fosforiatomin ydin…)
→ 2n
→ 2n
Eli x kappaletta kubitteja kykenee olemaan samanaikaisesti 2n
tilassa

15. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum gate (yksinkertaistus, portteja on erilaisia)
1
0
1
AND-
gate
0
1
1
1
AND-
gate
1
Perinteinen tietokone
0
1
Hadamard
gate
0
1
kvanttitietokone
50%/50% - Hadamard
- Pauli (X, Y, Z)
- Toffoli
- Deutch
jne.

16. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Tuloksen havainnointi - mittaus
0
1
0
1
0
1
Q.
gate
0
1
kvanttitietokone
1
Joko 0 tai 1

17. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quirk Quantum simulator
https://algassert.com/quirk

18. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Qubitien määrä kvanttikoneissa tällä hetkellä
Kubitteja on vielä vähän, mutta määrä kasvaa nopeasti
Yritys Qubitit Vuosi
IonQ 32 2020
Google / Sycamore 54 2020
IQM (Suomi) 50 2024
IBM 65 2020
IBM 1000 2023
D-Wave Systems 5000* 2020
* arkkitehtuuriltaan ei-yleiskäyttöinen eli soveltuu hyvin vain tietyntyyppisiin ongelmiin

19. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum Volume mittaamassa suorituskykyä
https://www.honeywell.com/us/en/news/2020/03/quantum-volume-the-power-of-quantum-computers
Quantum Volume -pääkomponentit
1. Qubitien määrä
2. Virheiden määrä
3. Qubitien väliset yhteydet
Suunta on
selvä →

20. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum Supremacy

21. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum Supremacy - Google, Sycamore
● Keväällä 2019 Google saavutti “quantum supremacyn”:
“We developed a new 54-qubit processor, named “Sycamore”, that is
comprised of fast, high-fidelity quantum logic gates, in order to perform the
benchmark testing. Our machine performed the target computation in 200
seconds, and from measurements in our experiment we determined that it
would take the world’s fastest supercomputer 10,000 years to produce a
similar output.”
https://www.theverge.com/2019/10/23/20928294/google-quantum-supremacy-sycamore-computer-qubit-milestone
Google blogikirjoitus 23.10.2019 - https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
* Väittämä “perinteisten” tietokoneiden kyvystä suoriutua vastaavasta tehtävästä yli 10 000
vuodessa kiistettiin nopeasti esim. IBM:n toimesta
*

22. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum Supremacy - Kiina, Jiuzhang
● Joulukuussa 2020 kiinalaiset tutkijat saavuttivat “quantum supremacyn”:
“We performed Gaussian boson sampling by sending 50 indistinguishable
single-mode squeezed states into a 100-mode ultralow-loss interferometer
with full connectivity and random matrix—the whole optical setup is
phase-locked—and sampling the output using 100 high-efficiency
single-photon detectors.”
https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1460
*

23. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttikoneet Suomessa

24. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttikoneita kehitetään myös Suomessa
“Kone tulee Espoon Otaniemessä sijaitsevaan VTT:n ja Aalto-yliopiston yhteiseen
kansalliseen mikro- ja nanoteknologiarakennukseen, Micronovaan.
Suomen hallitus rahoittaa projektia 20,7 miljoonalla eurolla. Koneen toimittaa
suomalainen kvanttialan startup-yritys IQM.”
https://yle.fi/uutiset/3-11649407 , https://www.meetiqm.com/

25. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttiohjelmointia opetetaan jo lukiolaisille
https://www.lukemaverkosto.fi/materiaali/microbit-kvanttinoppa/
“Otaniemen lukiossa järjestettiin
keväällä 2020 4.jaksossa
kvanttilaskennan lukiokurssi, jossa
lukiolaiset opettelivat ohjelmoimaan
IBM:n Qiskit – kirjaston avulla
oikeita kvanttipiirejä, ja piirin
toimintaa ohjaavia
kvanttialgoritmeja.
Micro:bit -kvanttinoppasovellus
rakennettin tältä tietopohjalta kesän
2020 STEAM-kesäkurssilla.”

26. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum Finland -Facebookryhmä
https://www.facebook.com/groups/467407383786060/

27. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Sovellusalueet

28. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Tulevaisuuden sovellusalueet
● Quantum Simulation
○ model complex molecules
● Optimization
○ solving multivariable problems with unprecedented speed
● Quantum Artificial Intelligence (QAI)
○ better algorithms
● Prime Factorization
○ which could revolutionize encryption.
https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/a-game-plan-for-quantum-computing#
salausten murtuminen?

29. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum Simulation → esimerkki: penisilliinin mallintaminen
“For scientists trying to design a compound that will attach itself to, and modify, a
target disease pathway, the critical first step is to determine the electronic
structure of the molecule. But modeling the structure of a molecule of an
everyday drug such as penicillin, which has 41 atoms at ground state, requires a
classical computer with some 1086 bits—more transistors than there are atoms in
the observable universe. Such a machine is a physical impossibility.
https://image-src.bcg.com/Images/BCG-Where-Will-Quantum-Computers-Create-Value%E2%80%94and-When-May-2019_tcm23-227603.pdf
But for quantum computers, this type of simulation is well within the realm of
possibility, requiring a processor with 286 quantum bits, or qubits.”

30. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum Optimization → esimerkki: kauppamatkustajan ongelma
“Kauppamatkustajan ongelmassa etsitään lyhintä reittiä, joka kulkee lukuisten
pisteiden läpi (myös ‘Travelling Santa’).”
Tämän on todistettu olevan ongelma, joka on ratkaistavissa kvanttikoneella myös
mittakaavassa, joka perinteiselle tietokoneelle usein jopa mahdoton:
Artikkeli (2018)
Esimerkki toteutusmallista (Avanade, Hollanti)

31. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Quantum AI → esimerkki: kuvantunnistus (modifioitu)
“Google demonstroi esimerkissään kvanttialgoritmin (TensorFlow Quantum)
tehokkuutta verrattuna klassiseen laskentaan nojaavaan:
https://www.tensorflow.org/quantum/tutorials/quantum_data
HUOM!
Toteutus oli demo, jossa lähdedataa
muokattiin niin, että kvanttialgoritmi
pystyi käyttämään tehokkaasti
suhteellista etuaan

32. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttikoneet pilvessä

33. Immo Salo, Qubit Value, 2021
“This is the way”

34. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Oma kvanttikone?
En usko.
Kvanttitietokoneiden läpimurto tapahtuu pilvipalveluiden kautta

35. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttikoneet pilvessä nyt, esimerkkejä
● Azure Quantum
● Amazon Braket
● IBM Quantum Experience
● Quantum Computing Playground (www.quantumplayground.net)
● D-Wave Systems, Leap
“More than 250 early applications across domains like optimization, AI,
and materials sciences already exist on D-Wave systems today”

36. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Mitä voi tehdä nyt?

37. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Seurata kehitystä ja ideoida
● Pysyä vauhtia kiihdyttävässä kehityksessä kärryillä
● Sovittaa omat tarpeet ja ideat mahdollisuuksiin
● Pyrkiä löytämään poikkeuksellista kilpailuetua, jota vaikea haastaa
● Startupeille avaa huikeita mahdollisuuksia
○ Rahoitusta tarjolla runsaasti
○ Markkinapotentiaali kasvaa eksponentiaalisesti
○ Distruptoiva teknologiamurros

38. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Ohjelmointityökaluja löytyy jo paljon
● Qiskit (IBM) → https://qiskit.org/
● Cirk (Google) → https://quantumai.google/cirq
● AWS Braket SDK → https://github.com/aws/amazon-braket-sdk-python
● TensorFlow Quantum → https://www.tensorflow.org/quantum
● Q#, Quantum Development Kit (Microsoft) → linkki
● Silq → https://silq.ethz.ch/

39. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kvanttiohjelmoinnin kurssi, Tieturi
21.04.2021

40. Immo Salo, Qubit Value, 2021
Kiitos!
Immo Salo
044 968 4514
immo.salo@qubitvalue.com
https://www.linkedin.com/in/immosalo
Qubit Value Oy