Неиспользованный потенциал квантового зондирования: советы для лидеров

Квантовое зондирование жизнеспособно и может затронуть многие сферы бизнеса. Вот что следует знать лидерам разных отраслей.

Квантовое зондирование, которое позволяет датчикам собирать данные на атомарном уровне, является проверенной технологией. Технология имеет широкое применение в коммерческих продуктах (таких как медицинские приборы), в сервисах (таких как навигация) и как средство управления внутренними процессами (такими как контроль качества) — и ее уже можно использовать. Оно позволяет проводить многие типы измерений, которые в настоящее время слишком сложны, недостаточно точны или просто неосуществимы иным способом. В зависимости от базовой технологии, размера, веса и мощности датчиков возможны различные варианты использования в различных отраслях промышленности, что делает возможным дальнейшее внедрение датчиков квантовых вычислений за пределами лаборатории.

“Квантовые сенсоры достигают уровня зрелости, который позволит нам проводить пилотные разработки в самых разных средах и для широкого спектра приложений”, — сказал Матье Мюнш, генеральный директор стартапа Qnami в области квантового зондирования.¹

Большинство оставшихся препятствий являются коммерческими и связаны с внедрением — такими как разработка и создание продуктов, вывод этих продуктов на рынок, построение поддерживающей экосистемы и управление переходом к использованию новых инструментов. Благодаря этим качествам лица, принимающие решения во многих отраслях, должны иметь хотя бы некоторое представление о квантовом зондировании.

В этой статье представлен обзор возможного влияния технологии на отрасль, а также обзор текущего состояния экосистемы квантового зондирования, в котором компании могли бы подумать об использовании технологии. В частности, заинтересованные компании могли бы изучить затраты и выгоды от вариантов использования квантового зондирования для себя и своих отраслей, настроить свои организации для взаимодействия с технологией и найти партнеров, с которыми они могли бы внести свой вклад в экосистему квантового зондирования. Путь к коммерциализации может оказаться относительно коротким, поэтому сейчас самое время ознакомиться с технологией и оценить ее.

Стабильно растущая экосистема, способная вносить изменения во все отрасли

Квантовые датчики обеспечивают более точные показания, чем традиционные датчики. Кроме того, технология обеспечивает большую согласованность, поскольку квантовые датчики зависят от физических констант, которые также обеспечивают калибровку датчиков. А поскольку квантовые датчики могут проводить более частые или даже непрерывные измерения, не требуя существенных компромиссов, таких как необходимость увеличения размеров датчиков, технология также обеспечивает возможность получения большего количества показаний.

Эти преимущества значительны, поскольку датчики распространены повсеместно, особенно в промышленности — вспомните о 14,8 миллиардах (и их число растет) устройств, подключенных к Интернету вещей, по всему миру.² Ниже мы исследуем, как повсеместное распространение делает влияние технологии потенциально далеко идущим, и обсуждаем развивающуюся экосистему.

Насколько широкое применение может принести существенную пользу

Наш анализ показывает, что возможности quantum sensing в области мониторинга, визуализации, навигации и идентификации окажут значительное влияние как на них самих, так и на стимулирующие процессы.³ Варианты использования этих возможностей охватывают широкий спектр отраслей, включая науки о жизни, энергетику и материалы, связь и логистику, а также микроэлектронику.⁴ Мы ожидаем, что влияние квантового зондирования на рынок будет умеренно возрастать по мере приближения к 2030 году, но считаем, что технология обладает потенциалом значительного ускорения и сбоев в последующие годы. Квантовое зондирование имеет четкие варианты использования в вышеуказанных секторах, может обеспечить совершенно новые варианты использования и решает нерешаемые или невозможные в настоящее время задачи.

Рассмотрим науки о жизни, в которых технология может поддерживать визуализацию как для базовых показателей, так и для таких проблем, как нарушения сердечно-сосудистой системы и мозга. Эти возможности визуализации также могут быть применены в средствах массовой информации и развлечениях, таких как продвинутые игровые интерфейсы, которые используют тонкие сигналы, поступающие от пользователей. Эксперты прогнозируют, что неинвазивные интерфейсы мозг–компьютер могут помочь пользователям контролировать медиа и взаимодействовать с ними.⁵

В области навигации квантовое зондирование может помочь автомобильной и сборочной промышленности контролировать и оптимизировать производственные линии, а также выявлять неисправные детали на производстве. Точные атомные часы, магнитные датчики, инерциальные измерительные устройства (которые могут измерять удельный вес объектов и угловые скорости) и магнитометры (которые измеряют изменения магнитного поля Земли) — все это могло бы повысить точность навигации.

Скромная, но развивающаяся экосистема

“За последние десятилетия в области науки и разработки оборудования для квантового зондирования была проделана огромная работа, и теперь эта технология также может извлечь выгоду из достижений в смежных областях”, — сказала нам Надя Карлстен, вице-президент SandboxAQ по продуктам. “Увеличение количества типов датчиков и усовершенствованные технологии управления означают, что системы квантового зондирования становятся все меньше и больше подходят для коммерческого применения, а более совершенные методы машинного обучения позволяют улучшить соотношение сигнал/ шум в реальных ситуациях”.

На данный момент количество стартапов и корпораций, работающих в области квантового зондирования, невелико по сравнению с аналогом отрасли квантовых вычислений. За последние два года экосистема квантового зондирования приобрела несколько стартапов, и на сегодняшний день в общей сложности 48 стартапов в области квантового зондирования. Для сравнения, за тот же период был запущен 261 стартап в области квантовых вычислений. И хотя половина автономных стартапов в области квантового зондирования сосредоточена на компонентах, исследование McKinsey предполагает, что по сравнению с количеством игроков инвестиции в разработку оборудования и приложений и сервисов пропорционально намного выше.⁶

Основные компоненты экосистемы квантового зондирования — аппаратное и программное обеспечение — уже находятся на стадии прототипа, что свидетельствует о высоком уровне технологической зрелости. Однако в настоящее время большая часть доходов экосистемы поступает от компонентов (деталей, которые идут на создание аппаратных систем) и совместных исследовательских проектов, а не от коммерческих предложений.⁷ Учтите, что оборудование и компоненты в настоящее время являются наиболее развитой областью экосистемы, если судить по количеству компаний (любого уровня зрелости), работающих в этой области (рисунок).

Выставка

Тем временем аппаратные продукты с квантовым зондированием находятся в стадии разработки, и относительно небольшое количество стартапов в этой части экосистемы привлекают значительные инвестиции. На данный момент большая часть исследований аппаратного обеспечения сосредоточена на поиске правильного сочетания чувствительности, размера, веса и других характеристик (таких как защита квантовых сенсоров от шума, обсуждается ниже), чтобы технология могла широко продаваться и использоваться для широкого спектра вариантов использования и потребностей, в которых квантовый сенсор превзошел бы своего классического аналога. Например, квантовые датчики, используемые для получения изображений в производстве полупроводников, отдают приоритет нанометровой точности, а не весу, в то время как квантовые навигационные датчики на большинстве самолетов могут отдавать приоритет весу.

Одним из способов решения технических проблем является защита квантовых датчиков от шума окружающей среды. Снижение уровня шума окружающей среды для отдельных датчиков за счет экранирования, как правило, требует компромисса в стоимости и удобстве использования. Альтернативный подход к снижению шума окружающей среды заключается в использовании систем датчиков для усиления измеряемого сигнала и исключения шума, а не в том, чтобы полагаться на один датчик. Еще один подход заключается в использовании искусственного интеллекта для изучения характеристик шума, который мешает считыванию показаний для конкретного сигнала, чтобы усилить сигнал по сравнению с шумом. Несколько совместных предприятий корпораций и стартапов в области квантового зондирования также нацелены на стандартизацию и совершенствование методов разработки и производства продуктов с квантовым зондированием.

Увеличение количества типов датчиков и усовершенствованные технологии управления означают, что системы квантового зондирования становятся все меньше и больше подходят для коммерческих приложений, а более совершенные методы машинного обучения позволяют улучшить соотношение сигнал/ шум в реальных ситуациях.Надя Карлстен, SandboxAQ

ПоделитьсяБоковая панель

Набор технологий квантового зондирования

По мере развития аппаратного обеспечения ценность прикладного программного обеспечения и сервисов возрастает (подробнее о стеке технологий квантового зондирования см. на боковой панели “Стек технологий квантового зондирования”).

Развитие экосистемы квантового зондирования еще больше повысит ценность программного обеспечения и услуг. Современные датчики, как правило, дороги, и их использование в основном ограничено использованием отдельных датчиков. В будущем появление подходящего программного обеспечения позволит обмениваться данными между датчиками и комбинировать их для создания новых вариантов использования. Кроме того, обмен данными должен сделать возможным использование датчиков более чем одним пользователем и для более чем одной цели. Такое сочетание датчиков в экосистеме снизит затраты для отдельных участников и повысит общую точность датчиков. Координация экосистемы и соответствующих ей участников сегодня далека от ясности; тем не менее, будущая ценность компаний, использующих квантовое зондирование, будет зависеть от охвата ими цепочки создания стоимости и соответствующего развития экосистемы.

Между тем возможностей в экосистеме квантового зондирования предостаточно, и наши исследования показывают, что корпорации уже изучают их. Согласно анализу McKinsey, более 80% инвестиций в квантовые технологии с 2001 по 2023 год поступили от венчурного капитала и корпоративных инвесторов.⁸ Инвестиции в квантовое зондирование со стороны известных компаний, вероятно, превышают примерно 380 миллионов долларов, которые стартапы в области квантового зондирования привлекли с 2003 по 2021 год.⁹ Примечательно, что пять стартапов с наиболее богатым финансированием привлекли более 80 процентов финансирования индустрии квантовой сенсорики.¹⁰ Но такая концентрация финансирования не означает концентрации самой отрасли. Полная цепочка создания стоимости экосистемы квантового зондирования еще не построена, поэтому еще есть место для многих других участников.

Приближаем потенциал квантового зондирования к реальности

По словам Матье Мюнша из Qnami, компании, изучающие и подтверждающие свои варианты использования, могут обеспечить себе конкурентное преимущество, поскольку наращивание производства требует времени. Как потенциальные участники экосистемы квантового зондирования, лица, принимающие корпоративные решения, могут оценить возможное влияние технологии на свои отрасли и организации, прежде чем готовить свои организации к работе с технологией и налаживанию партнерских отношений для присоединения к экосистеме.

Оценка влияния квантового зондирования на отрасль и корпорацию

Поскольку квантовому зондированию пока не уделяется большого внимания, первым шагом для большинства корпоративных заинтересованных сторон было бы определить варианты использования квантового зондирования. Исходя из этого, лица, принимающие решения, могут оценить ценность и затраты каждого варианта использования в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективе. Заинтересованные стороны в компаниях могут выявить наиболее важные проблемы, которые может решить квантовое зондирование, и направить остальную экосистему квантового зондирования к сотрудничеству для их решения.

Выявление наиболее ценных вариантов использования помогает определить, какую технологию квантового зондирования использовать, поскольку потенциал определенных вариантов использования раскрывается с помощью соответствующей технологии. Среди разрабатываемых коммерческих приложений наиболее часто используются твердотельные спины, нейтральные атомы, сверхпроводящие схемы и захваченные ионы. Эти технологии квантового зондирования продемонстрировали возможности в отношении различных физических свойств, включая магнитные и электрические поля, вращение, ускорение, температуру, силу тяжести, время и давление, что делает их пригодными для широкого спектра коммерческих применений.¹¹

Наиболее очевидным преимуществом квантовых сенсоров является их способность проводить измерения, которые невозможно или непрактично выполнить с помощью традиционных сенсоров. Во многих случаях квантовые сенсоры могут быть меньше или более чувствительны, чем традиционные сенсоры. Условия, при которых необходимо проводить измерения, также могут сделать невозможными измерения с помощью традиционных датчиков. Например, обнаружение магнитного поля внутри термоядерного реактора невозможно с помощью традиционных датчиков, поскольку внутренняя температура термоядерного реактора может достигать 150 000 000 ° C. Но квантовые сенсоры на основе алмазов могли бы выдержать и снимать показания в таких условиях.

Конечно, многие варианты использования квантового зондирования представляют собой усовершенствования классических датчиков, которые создают ценность не за счет проведения измерений, которые ранее были невозможны, а за счет упрощения и снижения текущих затрат. Затем корпорациям, рассматривающим технологию для своих организаций или отраслей, необходимо будет определить, соответствуют ли классические датчики их потребностям и когда целесообразно использовать квантовые датчики.

Со временем эта оценка будет меняться. На данный момент квантовые сенсоры дороже традиционных в большинстве случаев использования. Однако экономическое обоснование использования квантовых сенсоров может еще больше измениться в пользу квантовых сенсоров по мере того, как производство квантовых сенсоров становится налаженным, стандартизированным и усовершенствованным.

Компании уже начали изучать влияние вариантов использования квантового зондирования. Одна транснациональная компания работает над миниатюризацией квантовых датчиков, применяя технологию для использования в медицине (особенно в диагностике) и в сверхточной навигации, работая с партнерами из государственного и частного секторов над внедрением своих навигационных систем в аэрокосмической отрасли.

Единого наилучшего пути продвижения вперед не существует. Компании, предпринимающие аналогичные усилия, могли бы сотрудничать с исследователями, тестировать различные технологии квантового зондирования, разрабатывать свои собственные датчики и экспериментировать с интеграцией готовых датчиков с квантовыми сенсорами в системах. Правильное сочетание подходов зависит от конкретной организации, возглавляющей усилия.

Создание организации для квантового зондирования

Имея на руках приоритетные варианты использования, лица, принимающие корпоративные решения, могут оценить возможности своих организаций с точки зрения той поддержки, которая потребуется для этих вариантов использования, а затем найти и собрать подходящие команды. Эта серия решений касается как талантов, так и организационного дизайна: отбора подходящих талантов, обучения людей и создания условий, которые позволили бы специфическому сочетанию талантов компании эффективно внедрять инновации. Лицам, принимающим решения, также необходимо будет определить, какого рода таланты следует привлекать на каждом этапе развития и как обеспечить эффективное общение сотрудников с разным опытом — например, физиков и конечных пользователей.

В случаях использования, связанных со сбором данных, которые никогда ранее не собирались, потребуется задействовать новые команды для управления датчиками. Примечательно, что зачастую конечные пользователи технологий квантового зондирования не обладают опытом в области квантового зондирования или квантовой физики. Например, ожидается, что медицинские техники, медсестры и врачи будут использовать инструменты визуализации с поддержкой квантового зондирования. Удовлетворение потребностей этих пользователей, которые не являются экспертами в квантовых технологиях, делает разработку юзабилити, обучение и повышение квалификации критически важными.

В то же время квантовые сенсоры генерируют большие и сложные наборы данных — до десяти терабайт в секунду, по словам Кевина Бергхоффа, генерального директора QuantumDiamonds. Инструменты искусственного интеллекта могут помочь как пользователям, так и экспертам в области квантового зондирования интерпретировать данные и генерировать идеи. Любые решения с квантовым зондированием также должны соответствовать существующим процессам, иначе они могут оказаться непригодными.

В случаях использования, когда организации отслеживают разработку квантовых сенсоров, чтобы определить подходящее время для их внедрения, корпоративные заинтересованные стороны могли бы заранее определить, какие команды могут пострадать, когда придет время, и быть готовыми повысить их квалификацию или укомплектовать дополнительными членами команды.

Партнерство для быстрого присоединения к экосистеме

Партнерские отношения могут помочь крупным организациям реализовать наиболее приоритетные варианты использования. Они могут способствовать сокращению разрыва между лабораторными прототипами и промышленными приложениями, что крайне важно для раскрытия всего потенциала квантовых датчиков и повышения их реальной ценности.

“Партнерство с организациями, которые обладают опытом в конкретной предметной области, является ключом к обеспечению того, чтобы вся система не только работала лучше, но и была органично интегрирована в среду, для работы в которой она предназначена”, — сказала Надя Карлстен из SandboxAQ.

Когда дело доходит до партнерских отношений, корпоративным лидерам следует определить, какую роль они хотят играть в экосистеме квантового зондирования. Исходя из этих целей, организации могли бы оценить свои собственные ценностные предложения и устранить любые пробелы в стратегических возможностях, включая мощные аналитические возможности и экспертные знания предметной области. Действительно, подход к созданию комплексных продуктов жизненно важен для продвижения существующих компонентов и создания (часто необходимых) новых рынков с полностью разработанными инновационными продуктами. Однако, поскольку экосистема квантового зондирования все еще невелика, пул потенциальных партнеров невелик, что затрудняет поиск хорошего партнера.

Эта реальность повышает важность оценки соответствия. Обе стороны должны потратить время и ресурсы на определение своих внутренних возможностей, определение того, где они могут стать партнерами, и выявление способностей, которыми не обладает ни один из партнеров.

Любая компания, заинтересованная в партнерстве, должна найти партнеров, которые хотят работать в совместимом — предпочтительно быстром—темпе, потому что разработки в этой области происходят быстро. Партнеры также должны быть готовы к быстрому развороту и размышлениям о пока неизвестных факторах, влияющих на партнерство, таких как возможности, вызовы, препятствия и риски. На самом деле партнерство должно быть структурировано таким образом, чтобы максимально упростить реагирование — гибкий итеративный подход.

Наконец, прежде чем вступать в партнерство, вовлеченные стороны должны также обсудить в общих чертах, как они будут делиться интеллектуальной собственностью, клиентами и накопленными данными.

Партнерство с организациями, которые обладают опытом в конкретных областях применения, является ключом к обеспечению того, чтобы вся система не только работала лучше, но и была органично интегрирована в среду, для работы в которой она предназначена.Надя Карлстен, SandboxAQ

Если корпорация рассматривает возможность партнерства со стартапом, лица, принимающие решения в уже существующей компании, должны быть готовы к тому, что их организация возьмет на себя множество обязанностей, связанных с разработкой оборудования и управлением поставщиками — другими словами, задач, для которых более крупные организации с большими ресурсами подходят лучше, чем стартап.

Партнерские отношения будут особенно актуальны при рассмотрении общего охвата цепочки создания стоимости в экосистеме. Хотя многие компании сегодня не обладают собственными возможностями, партнерские отношения дают возможность обеспечить более широкий охват экосистемы без того, чтобы одна компания брала на себя разработку всех возможностей в одиночку.

---

Широкое внедрение квантового зондирования близко к реальности, поэтому лицам, принимающим решения в различных отраслях, пора подумать о том, как это может вписаться в их стратегии и захотят ли они участвовать в усилиях по коммерциализации.

ОБ АВТОРЕ (АВТОРАХ)

Хеннинг Соллер является партнером франкфуртского офиса McKinsey, Нико Мор является партнером офиса в Дюссельдорфе, Анна Хайд является ассоциированным партнером офиса в Цюрихе и Мартина Гшвендтнер является консультантом офиса в Мюнхене.

Авторы хотели бы поблагодарить Матиджу Зеско за его вклад в эту статью.

Источник