ENJOY THIS COMPLIMENTARY EXCERPT
If you are interested in reading the complete report, please reach out to [email protected]
Quantum Computing:
THOUGHT Countdown to a LEADERSHIP MAR 2020 Quantum Leap
Dr. Owen Rogers, Research Vice President, Cloud Transformation James Sanders, Analyst, Cloud Transformation Rachel Dunning, Research Associate Matthew Utter, Research Associate
Quantum computing would make a profound impact to society’s viewpoint of what is possible, particularly in scientific fields where problems are simply too vast to solve. But it’s not a panacea, and huge hurdles lie in bringing it to mainstream adoption. However, it is increasingly in the public eye, with big players looking to educate the next generation, and startups receiving speculative funding. Now is the time to experiment and to keep an open mind, but don’t expect miracles anytime soon.
©2020 451 Research, LLC | WWW.451RESEARCH.COM REPORT EXCERPT
About the Authors
Dr. Owen Rogers Research Vice President, Cloud Transformation As Research Vice President, Owen Rogers leads the firm’s Digital Economics Unit, which serves to help customers understand the economics behind digital and cloud technologies so they can make informed choices when costing and pricing their own products and services, as well as those from their vendors, suppliers and competitors. Owen is the architect of the Cloud Price Index, 451 Research’s benchmark indicator of the costs of public, private and managed clouds, and the Cloud Price Codex, our global survey of cloud pricing methods and mechanisms. Owen is also head of 451 Research’s Center of Excellence for Quantum Technologies. Owen has previously held product management positions at Cable & Wireless and Claranet, and has developed a number of hosting and cloud services. He is a Chartered Engineer, a Member of the British Computer Society and a member of the Royal Economic Society. In 2013, he completed his PhD thesis on the economics of cloud computing at the University of Bristol. Owen was named ‘Innovative Analyst of the Year’ in the Institute of Industry Analyst Relations’ global awards in 2018.
James Sanders Rachel Dunning Analyst, Cloud Transformation Research Associate
Matthew Utter Research Associate
Quantum Computing: Countdown to a Quantum Leap ©COPYRIGHT 2020 451 RESEARCH. ALL RIGHTS RESERVED. REPORT EXCERPT
Key Findings
• Quantum computing will have profound impact on technology and even society if (and we emphasize if) it becomes mainstream. However, there are still huge hurdles to overcome. We think we are at least a decade away from quantum computing solving a problem that is currently unsolvable in useful timeframes using a traditional computer.
• A quantum computer allows all states to encoded in the uncertainty of the characteristics of a subatomic particle and then evaluated once, as opposed to a traditional computer where each state must be encoded and evaluated separately. Many problems that would take too long to solve today (measured in thousands of years) could be solved in a matter of minutes or hours. The challenge is in getting such small particles under control, and preventing tiny interactions corrupting the data we are trying to process.
• Investments from the likes of IBM, Microsoft, Google, Amazon and Honeywell are unlikely to have made a financial return yet, but if quantum computing becomes mainstream, the returns will be significant.
• Quantum computing vendors are informing and educating the next generation for when quantum computing is commercially viable. Vendors hope this gives them the ability to capitalize when the technology becomes mainstream.
• The fundamental use case of quantum computing is to solve problems with so many permutations that they can’t be processed in human timeframes. We believe the key use cases will be scientific (chemical engineering, physics, biochemistry, healthcare, materials engineering and mathematics), where there is a need to compute and resolve a vast quantity of states.
• Quantum computers should be thought of as an entrant in the class of compute accelerators that provide specific capability in a hybrid model alongside general-purpose processors. Increase in adoption and reduction of the costs of FPGAs, ASICs and GPUs may make quantum computing’s economic argument less clear cut.
• Although cracking keys is often cited as a use case, new quantum-proof algorithms, technologies, and even simply increasing key lengths in some cases can effectively mitigate this threat today and in the longer term.
• Our recommendation is that companies with even a slight interest should free up one of their developers to experiment for a few hours a week, just so they are better placed to identify quantum computing opportunities. Those that already have a problem in mind that promises a big return should test the waters with quantum computing vendors.
Quantum Computing: Countdown to a Quantum Leap ©COPYRIGHT 2020 451 RESEARCH. ALL RIGHTS RESERVED. REPORT EXCERPT
Executive Summary
Introduction Quantum computing has been the subject of research since the early 1980s, and – theoretically – there is a huge basis to believe that the use of particles of unimaginable smallness could unlock problems that have been out of reach in realistic timeframes using traditional computing models. However, there are massive practical challenges in controlling these tiny particles for long Quantum enough to actually make them do what we want. Simply put, there are no guarantees that we can computing is a use them to solve practical problems. gamble and there are no guarantees, Yet the business case is strong – a practical quantum computer would open the door to but for such a incredible opportunities in physics, chemistry, machine learning, finance, healthcare and beyond. huge payoff, it is While no panacea, viable quantum computing would increase our ability to attack previously probably a risk insurmountable computational challenges, from the structure of materials to the folding of worth taking. proteins to nature’s ability to produce chemical reactions, which would be impractically time- consuming or impossible even with the deterministic computers we all use today.
We are still years away from creating such value with quantum systems, if it’s at all possible. But it’s telling that those investigating quantum computing are speaking up more and more. IBM, Google, Microsoft, AWS, Honeywell and other established players are making big announcements, even squabbling over relative progress. Startups are being funded to investigate technologies and even software development. Quantum computing is a gamble and there are no guarantees, but for such a huge payoff, it is probably a risk worth taking.
This report takes a look at the current state of quantum computing for a general audience. Quantum computing is a highly mathematical discipline and, unfortunately, our grasp of common sense in the macroworld we live in breaks down in the microworld. Our advice is to suspend preconceptions of what is possible and just accept that at such tiny distances, experiences and potentialities are different. The ‘Theory of Everything,’ which aims to reconcile physics at the macroworld and microworld level, shows this is a problem that isn’t just baffling for normal people, but for physicists too. Our aim is to enable a technology- or business-focused reader to gain a general understanding of the concepts.
This report relies on analogies to simplify the complexities and minutiae of quantum computing. Our representation of quantum computing is practical and utilitarian, intended as a fundamental primer for technology leaders to understand the opportunities and market. By its very definition, the ‘state of the art‘ of quantum computing is constantly iterating and evolving, though for present state, most industries should wait attentively for the right moment to invest capital.
Quantum Computing: Countdown to a Quantum Leap ©COPYRIGHT 2020 451 RESEARCH. ALL RIGHTS RESERVED. REPORT EXCERPT
Presently, we strongly encourage investing time. Experimentation in quantum computing – if even just a side project from a single developer interested in exploring frameworks and cloud- based quantum computers detailed in this report – can open the mind to future opportunities and potentialities when (if) quantum computing becomes mainstream. Allowing developer time to be spent now can provide an early – if small – advantage, at a tiny cost. Enterprises with a specific problem in mind have nothing to lose (and potentially much to gain longer term) by engaging vendors now.
The great physicist Richard Feynman said, “If you think you understand quantum mechanics, you don’t understand quantum mechanics.” Don’t try to get all the details today, just open your mind to the possibilities.
Methodology Following the launch of our Quantum Computing Centre of Excellence in 2019, the 451 Research Associate team set about collecting data from websites on companies working on quantum computing, be it as vendors selling hardware, providers offering quantum services, enterprises running proofs of concept, or startups dabbling in development. From this extensive list, 451 Research focused on companies selling or developing groundbreaking quantum technology and organized briefings supplemented with further investigation from public sources. The aim of this report is not to rank what is a very emerging market, but to show the current state of the art and educate business leaders on its potential impact.
Reports such as this one represents a holistic perspective on key emerging markets in the enterprise IT space. These markets evolve quickly, though, so 451 Research offers additional services that provide critical marketplace updates. These updated reports and perspectives are presented on a daily basis via the company’s core intelligence service, 451 Research Market Insight. Forward-looking M&A analysis and perspectives on strategic acquisitions and the liquidity environment for technology companies are also updated regularly via Market Insight, which is backed by the industry-leading 451 Research M&A KnowledgeBase.
Emerging technologies and markets are covered in 451 Research channels including Applied Infrastructure & DevOps; Cloud & Managed Services Transformation; Customer Experience & Commerce; Data, AI & Analytics; Datacenter Services & Infrastructure; Information Security; Internet of Things; and Workforce Productivity & Collaboration.
Beyond that, 451 Research has a robust set of quantitative insights covered in products such as Voice of the Enterprise, Voice of the Connected User Landscape, Voice of the Service Provider, Cloud Price Index, Market Monitor, the M&A KnowledgeBase and the Datacenter KnowledgeBase.
All of these 451 Research services, which are accessible via the web, provide critical and timely analysis specifically focused on the business of enterprise IT innovation.
For more information about 451 Research, please go to: www.451research.com.
Quantum Computing: Countdown to a Quantum Leap ©COPYRIGHT 2020 451 RESEARCH. ALL RIGHTS RESERVED. REPORT EXCERPT
Table of Contents
1. Introduction to Quantum Computing 1 Schrödinger’s Cat ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1 The Quantum Treasure Chest ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1 Figure 1: Brute-Force Problem-Solving Approach �������������������������������������������������������������������������������������������� 2 Figure 2: Quantum Problem-Solving Approach ��������������������������������������������������������������������������������������������������3 Getting Down to Qubits �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������4 Quantum Gates: The Standard Universal Computer Architecture ����������������������������������������������������5 Quantum Annealing: A Specific Architecture for Specific Problems �����������������������������������������������6
2. Success Factors 7 Benchmark Use Cases ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 7 Figure 3: Most Overhyped Security Buzzwords �������������������������������������������������������������������������������������������������� 7 Role of Economics �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������8 Figure 4: A Minority of Providers Are Considering Quantum Computing ������������������������������������������10 Measuring Success ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������10
3. Types of Qubit 13 Superconducting ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������13 Trapped Ion ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������13 Spin Qubits/Quantum Dots �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������14 Topological ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������14
4. Hardware Is the Battleground 15 IBM ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������16 D-Wave ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 17 Rigetti Computing �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������18 Honeywell �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������19 IonQ �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������19 Quantum Circuits, Inc ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������20
Quantum Computing: Countdown to a Quantum Leap ©COPYRIGHT 2020 451 RESEARCH. ALL RIGHTS RESERVED. REPORT EXCERPT
5. Development and Services Open the Door 21 Qiskit ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������21 Q# ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������22 Amazon Braket �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������22 Azure Quantum �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������23 1QBit ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������23
6. Big Tech Companies Research in the Background 24 Microsoft ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������24 Amazon ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������24 Google �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������24 Intel �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������25
7. The Post-Quantum Era 26 Security Threat �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������26 Quantum Key Distribution ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������27
8. Recommendations 30
9. Further Reading 31
Appendix A – Companies Primarily Developing Quantum Computing Hardware and/or Systems 32
Appendix B – Companies/Projects Primarily Focusing on Quantum Computing Software Development 39 General ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 39 Vertical-Specific �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 44
Quantum Computing: Countdown to a Quantum Leap ©COPYRIGHT 2020 451 RESEARCH. ALL RIGHTS RESERVED. REPORT EXCERPT
1. Introduction to Quantum Computing
Schrödinger’s Cat Consider a thought experiment involving a cat – Schrödinger’s cat. The cat is placed in a box, along with a radioactive material. When a sensor detects the radioactive material has radiated a particle, a device releases toxic gas into the box, killing the poor cat. We put the cat into the box alive, close the lid and wait. Is the cat alive or dead?
There is no way of knowing unless we measure the cat’s state. We could open the box, acoustically listen for movements or x-ray the box. But these are all measurements, and we genuinely have no way of knowing if the cat is alive or dead unless we penetrate the box using such measurements. We can determine the probability of the cat being alive or dead after a certain time, but we can never be certain. Even if we knew everything about the state of the radioactive element before the cat goes in, we would not be able to know for sure when the fatal radioactive particle is released – in other words, the atomic and subatomic particles that determine when a radioactive particle is released have inherent unpredictability. In essence, until we measure, the cat is both alive and dead, in a state of what is called superposition.
At the subatomic level, this is actually the case – some particles don’t necessarily have an absolute state, which prompted Einstein’s famous quote, “God does not play dice.” He couldn’t accept that some things are just inherently unpredictable. Even if we have all the data there is, we cannot determine what will come next. In the vacuum of space, particles can appear out of nowhere and disappear within millionths of a second because of this inherent unpredictability. It is this superposition of all possibilities due to inherent uncertainty that gives quantum computing its potential.
The Quantum Treasure Chest Imagine we have an impenetrable chest, in which lies a treasure of vast importance – perhaps a cure for cancer, or the key to nuclear fusion. To access the chest, we must find the correct three-number combination of the padlock. If we don’t know the combination, the only way to access the chest is to try every possible combination from 000 to 999. But our chest is miles underground, and not easily accessible. In fact, to test every single combination, it takes a whole year of planning and implementation. In the worst case, if the code were 999, we’d have to wait 1,000 years to access the secrets inside (see Figure 1).
Quantum Computing: Countdown to a Quantum Leap ©COPYRIGHT 2020 451 RESEARCH. ALL RIGHTS RESERVED. REPORT EXCERPT
Figure 1: Brute-Force Problem-Solving Approach Source: 451 Research, 2020