Stručný úvod do kvantových algoritmů a jejich rodin
Jedním z cílů vývoje kvantových technologií je akcelerace
Devadesátá léta 20. století jsou považována za výchozí bod ve vývoji kvantových počítačů. Již tehdy existovaly první algoritmy pro kvantové počítače, jako je Deutschův algoritmus, ale byly primárně akademicky zajímavé.O něco později americký vědec Peter Shorey Love GroverVyvinuli jsme dva kvantové algoritmy, které jsou v podstatě odlišné, ale z praktického hlediska velmi cenné.Shorův algoritmus přesvědčil svět, že kvantová technologie má velmi reálné uplatnění a že kvantový počítačA Groverova myšlenka poukázala na to, že s pomocí kvant je možné prohledávat nestrukturovaná data rychleji než s pomocí klasických technologií (a jak se později ukázalo, s maximální akcelerací, která je pro tento úkol k dispozici).
Oba objevy zatím nepřinesly přímé praktické ekonomické výsledky, ale zahájily éru studia kvant jako aplikovaného nástroje a jsou základem pro další, reálnější algoritmy.
Například Zalka-Wiesnerův algoritmus pomůže vytvořit nové léky a nové materiály.Dalším z nejpozoruhodnějších vynálezů je Harrowův-Hassidimův-Lloydův algoritmus, který řeší soustavu lineárních rovnic na kvantových počítačích.To výrazně pokročí ve zpracování velkých dat, modelování složitých systémů a v konečném důsledkubýt dalším krokem k vytvoření silné umělé inteligence.
Pravidelně se objevují nové nápady na kvantové algoritmy: většina z nich je uvedena na webu Quantum Algorithm Zoo a příklady implementací lze nalézt na Githubu.Kromě Spojených států a Číny k tomuto trendu výrazně přispívajíŠpanělsko je lídrem ve vývoji finančních algoritmů díky aktivnímu hnutí startupu Multiverse Computing.Anglie má úspěšná řešení pro rozpoznávání řeči a modelování chemických procesů.Brzy se Indie jistě přihlásí - zavádějí to tamČetné univerzitní kurzy v kvantových oborech.
Co zpomaluje kvantový pokrok
Začněme srozumitelnějším slovem "algoritmus", což znamená určitou posloupnost akcí, receptSlovo "kvantové" v tomto případě přidáváJsme schopni mít určité logické operace, které nejsou dostupné v klasickém světě.Díky jevům kvantové fyziky, jako je superpozice a provázanost, je možné pomocí logických operací na stavech kvantových objektů vytvářet složité kvantové stavy, které by klasicky vyžadovaly spoustu čísel k popisu.Například k popisu stavu 50 qubitů se obecně vyžaduje až 2^50 čísel.Pokud tuto vlastnost kvantových systémů použijete správně, vypočítáte posloupnost logických transformací a pak je implementujete na kvantovém počítači, můžete najít odpověďna správnou otázku v případě, že by klasický počítač vyžadoval mnoho času a paměťových zdrojů.
Zdálo by se, že můžete vytvářet různé algoritmy pro různé úkoly a teoreticky jich jsou již desítky, ne-li stovky.Pokud se ale bavíme o praxi a významné (tj.e. exponenciální) zrychlení, naráží vývoj kvantových algoritmů na určité bariéry.Proto je vznik nových kvantových algoritmů, které mohou vést k radikálním změnám, poměrně vzácný: za desetiletí existuje pouze 5-10 nových zajímavých kvantových algoritmů.
Hlavní potíž pramení ze skutečnosti, že v myslích matematiků a teoretiků algoritmy fungujíSkutečné kvantové počítače však nejsou vůči nim vůbec imunníChyby.
Překážkou je, že je velmi obtížné vytvořit výkonný, bezchybný kvantový systém:
- Kvantové objekty jsou velmi citlivé na sebemenšízměny v prostředí: i minimální únik kvantové informace do prostředí během provádění algoritmu může vést ke zkreslení konečné odpovědi. A to přesto, že podmínky pro stabilní provoz qubitů musí být v určitých případech udržovány velmi specifické: například teplota se musí blížit absolutní nule, tedy odpovídat –273,15 °C.
- Hluk ovlivňuje proces výpočtu - kvůlineustálé vystavení chybám, počet operací, které lze implementovat v kvantovém algoritmu, je nyní omezen na několik desítek, přičemž k vítězství při řešení průmyslových problémů jsou zapotřebí tisíce operací.
- Dosud nebylo možné vytvořit požadované množstvíbezchybné, tedy logické qubity. Například pro výpočet rizik společnosti působící na trhu s cennými papíry je potřeba minimálně 200 logických qubitů, k prolomení kryptografie - asi 6 tisíc a k předpovědi nákladů na finanční deriváty v reálném čase - 7,5 tisíc za sudé složitější úkoly, jako je rychlé hacknutí sítě, bitcoinu nebo simulace nových materiálů, potřebujete od několika desítek až po stovky milionů. Zatímco dnes kvantová zařízení nemají více než několik qubitů odolných proti chybám.
Vypořádat se s kvantovým šumem, vědcinabízejí různé metody oprav – a skutečně pomáhají snižovat úroveň chyb v systému. Ale jejich vliv na výpočty se výrazně sníží až po určité době. Předpovědi se liší: IonQ to uvádí na rok 2025 a Google počítá se s rokem 2029.
Jak brzy změní kvantové algoritmy naše životy?
Quantum computing se ještě nedostal do hlavního proudu, alejiž ovlivňují životní úroveň – nebo brzy budou. Například kvantový počítač D-Wave prokázal schopnost výrazně urychlit práci námořního přístavu v Los Angeles (zatímco probíhá výzkum na testovacích datech), Daimler a IBM Quantum se chystají vytvořit kvantové baterie pro elektrická vozidla a RKC a projekt QBoard vyvinuly kvantový algoritmus pro bezpečnou likvidaci jaderného odpadu v zájmu Rosatomu.
Nejrychleji - během 2-3 let - se projevívariační algoritmy pro řešení optimalizačních problémů, které jsou široce použitelné v téměř každém odvětví. Toto je hybridní výpočetní třída: kvantová část je zodpovědná za změny stavu a klasická část pomáhá tento proces stabilizovat. A protože hybridní modely jsou mnohem jednodušší na implementaci než ty plně kvantové, výkon stávajících kvantových počítačů pro ně stačí. RKC a projekt QBoard využívají kvantové algoritmy k řešení problémů chemického modelování ve prospěch automobilového průmyslu. Vývoj variačních algoritmů však čelí celé řadě problémů. Na cestě k jejich implementaci bude celá oblast kvantových počítačů čelit zajímavým objevům.
Přečtěte si více:
Nejstarší text v azbuce, jaký byl kdy nalezen
"Webb" našel stopy neuvěřitelně obrovských hvězd: zemřely na úsvitu vesmíru
Podivné zvuky zaznamenané ve stratosféře Země: jak se vědci snaží pochopit jejich povahu
Titulní foto: Obrázek od starline na Freepiku