Накратко за квантовите алгоритми и техните семейства
Една от целите на развитието на квантовите технологии е да се ускорят
Отправна точка в развитието на квантовите компютрипомислете за 90-те години. Още тогава съществуват първите алгоритми за квантови компютри, например алгоритъмът на Дойч, но те представляват предимно академичен интерес. Малко по-късно американските учени Питър Шор и Лов Гроувър разработиха два съществено различни, но много ценни от практическа гледна точка квантови алгоритъма. Алгоритъмът на Шор убеди света, че квантовите технологии имат много реални приложения и че квантовият компютър застрашава съвременните методи за криптографска защита на информацията. И идеята на Гроувър показа, че с помощта на кванти можете да търсите в неструктурирани данни по-бързо, отколкото с помощта на класическите технологии (и, както по-късно беше доказано, с максималното ускорение, налично в тази задача).
И двете открития все още не са донесли пряка практикаикономически резултати. Въпреки това ерата на изучаване на квантите като приложен инструмент започва с тях - и други алгоритми, които са по-приложими в реалността, се основават на тях.
Например, алгоритъмът Zalka-Wiesner ще помогнесъздават нови лекарства и нови материали. Алгоритъм на Ambainis - анализира данни, като изображения и текстове. Друго от най-забележителните изобретения е алгоритъмът на Хароу-Хасидим-Лойд, който решава система от линейни уравнения на квантови компютри. Това ще усъвършенства значително обработката на големи данни, моделирането на сложни системи и в крайна сметка може да бъде още една стъпка към създаването на силен изкуствен интелект.
Появяват се нови идеи за квантови алгоритмиредовно: повечето са изброени на уебсайта на Quantum Algorithm Zoo, а примери за внедряване могат да бъдат надникнати в Github. В допълнение към САЩ и Китай, Испания има голям принос за тази тенденция — тя води развитието на финансови алгоритми благодарение на активното движение на стартъпа Multiverse Computing. Англия има успешни решения за разпознаване на реч и моделиране на химически процеси. Скоро Индия също ще си направи име - там стартират множество университетски курсове в квантовите области.
Какво все още забавя квантовия прогрес
И така, квантов алгоритъм.Нека започнем с по-разбираемата дума „алгоритъм“, която означава определена последователност от действия, рецепта за получаване на определен резултат. Думата "квантов" в този случай добавя към способността ни да имаме определени логически операции, които не са налични в класическия свят. Благодарение на феномените на квантовата физика - суперпозиция и заплитане - с помощта на логически операции върху състоянията на квантовите обекти е възможно да се създадат сложни квантови състояния, които класически биха изисквали много числа за описание. Например, за да се опише състоянието на 50 кубита, като цяло са необходими до 2^50 числа. Ако използвате правилно това свойство на квантовите системи и изчислите последователността от логически трансформации и след това да ги приложите на квантов компютър, можете да намерите отговора на желания въпрос в случай, че класическият компютър би изисквал много време и ресурси на паметта.
Изглежда, че създайте сами различни алгоритми заразлични задачи, а на теория вече има десетки, ако не и стотици такива. Но когато става въпрос за практика и значително (т.е. експоненциално) ускорение, развитието на квантовите алгоритми се натъква на определени бариери. И следователно появата на нови квантови алгоритми, които могат да доведат до радикални промени, е доста рядко: всяко десетилетие има само 5-10 нови интересни квантови алгоритми.
Основната трудност е свързана с факта, че в съзнанието на математиците и теоретиците алгоритмите работят на идеален компютър. Истинските квантови компютри обаче изобщо не са устойчиви на грешки.
Препятствията се свеждат до факта, че е много трудно да се създаде мощна квантова система без грешки:
- Квантовите обекти са много чувствителни към най-малкотопромени в околната среда: дори минимално изтичане на квантова информация в околната среда по време на изпълнение на алгоритъма може да доведе до изкривяване на крайния отговор. И това въпреки факта, че условията за стабилна работа на кубитите в определени случаи трябва да се поддържат много специфични: например температурата трябва да е близка до абсолютната нула, тоест да съответства на -273,15 ° C.
- Шумът влияе на процеса на изчисление - порадипостоянно излагане на грешки, броят на операциите, които могат да бъдат приложени в квантовия алгоритъм, сега е ограничен до няколко десетки, докато победата при решаването на индустриални проблеми изисква хиляди операции.
- Досега не е било възможно да се създаде необходимата бройкабез грешки, тоест логически кубити. Например, за да се изчислят рисковете на компания, оперираща на пазара на ценни книжа, са необходими минимум 200 логически кубита, за кракване на криптография - около 6 хиляди, а за прогнозиране на стойността на финансови деривати в реално време - 7,5 хиляди. по-сложни задачи като бързо хакване на мрежата, биткойн или моделиране на нови материали изискват от няколко десетки до стотици милиони. Докато днес квантовите устройства нямат повече от единици устойчиви на грешки кубити.
За да се справят с квантовия шум, ученипредлагат различни методи за коригиране - и те наистина помагат за намаляване на нивото на грешки в системата. Но ефектът им върху изчисленията може да бъде значително намален само след определено време. Прогнозите варират: IonQ го определя за 2025 г., а Google разчитайки на 2029 г.
Колко скоро квантовите алгоритми ще променят живота ни
Квантовите изчисления все още не са навлезли в мейнстрийма, новече засягат жизнения стандарт - или скоро ще бъдат. Например, квантовият компютър D-Wave показа способността значително да ускори работата на пристанището на Лос Анджелис (докато се провеждат изследвания върху данни от тестове), Daimler и IBM Quantum са на път да създадат квантови батерии за електрически превозни средства и RKC и проектът QBoard разработиха квантов алгоритъм за безопасно погребване на ядрени отпадъци в интерес на Росатом.
Най-бързо - в рамките на 2-3 години - те ще се проявятвариационни алгоритми за решаване на оптимизационни проблеми, които са широко приложими в почти всяка индустрия. Това е хибриден компютърен клас: квантовата част е отговорна за промените в състоянието, а класическата част помага за стабилизирането на този процес. И тъй като хибридните модели са много по-лесни за изпълнение от напълно квантовите, мощността на съществуващите квантови компютри е достатъчна за тях. RKC и проектът QBoard използват квантови алгоритми за решаване на проблеми с химическото моделиране в интерес на автомобилната индустрия. Въпреки това, разработването на вариационни алгоритми е изправено пред цял набор от предизвикателства. По пътя към внедряването им цялата област на квантовите компютри ще се изправи пред интересни открития.
Прочетете още:
Най-старият текст на кирилица, намиран някога
"Уеб" откри следи от невероятно огромни звезди: те умряха в зората на Вселената
Странни звуци, записани в стратосферата на Земята: как учените се опитват да разберат природата им
Снимка на корицата: Изображение от starline на Freepik