Kort om kvantealgoritmer og deres familier
Et af målene med udviklingen af kvanteteknologier er at accelerere
Et udgangspunkt i udviklingen af kvanteberegningoverveje 90'erne. Allerede dengang eksisterede de første algoritmer til kvantecomputere, for eksempel Deutsch-algoritmen, men de var primært af akademisk interesse. Noget senere udviklede de amerikanske videnskabsmænd Peter Shor og Lov Grover to væsentligt forskellige, men meget værdifulde kvantealgoritmer fra et praktisk synspunkt. Shors algoritme overbeviste verden om, at kvanteteknologier har meget reelle applikationer, og at kvantecomputeren truer moderne metoder til kryptografisk informationsbeskyttelse. Og Grovers idé indikerede, at du ved hjælp af kvanta kan søge gennem ustrukturerede data hurtigere end ved hjælp af klassiske teknologier (og, som det senere blev bevist, med den maksimale acceleration, der er tilgængelig i denne opgave).
Begge opdagelser har endnu ikke bragt direkte praktiskeøkonomiske resultater. Ikke desto mindre begyndte æraen med at studere kvanter som et anvendt værktøj med dem - og andre algoritmer, der er mere anvendelige i virkeligheden, er baseret på dem.
For eksempel vil Zalka-Wiesner-algoritmen hjælpeskabe nye lægemidler og nye materialer. Ambainis algoritme - analyser data, såsom billeder og tekster. En anden af de mest bemærkelsesværdige opfindelser er Harrow-Hassidim-Lloyd-algoritmen, som løser et system af lineære ligninger på kvantecomputere. Dette vil i høj grad fremme behandlingen af big data, modelleringen af komplekse systemer og i sidste ende kan være endnu et skridt hen imod skabelsen af stærk kunstig intelligens.
Nye ideer til kvantealgoritmer dukker opregelmæssigt: de fleste er opført på Quantum Algorithm Zoo-webstedet, og implementeringseksempler kan ses på Github. Ud over USA og Kina er Spanien en stor bidragyder til denne tendens - den fører udviklingen af finansielle algoritmer takket være den aktive bevægelse af opstarten Multiverse Computing. England har succesfulde løsninger til talegenkendelse og kemisk procesmodellering. Snart vil Indien også skabe sig et navn - adskillige universitetskurser i kvanteområder bliver lanceret dér.
Hvad der stadig bremser kvantefremskridt
Altså en kvantealgoritme.Lad os starte med det mere forståelige ord "algoritme", som betyder en bestemt rækkefølge af handlinger, en opskrift på at opnå et bestemt resultat. Ordet "kvante" i dette tilfælde tilføjer til vores evne til at have visse logiske operationer, som ikke er tilgængelige i den klassiske verden. Takket være kvantefysikkens fænomener - superposition og sammenfiltring - ved hjælp af logiske operationer på kvanteobjekters tilstande, er det muligt at skabe komplekse kvantetilstande, som klassisk ville kræve en masse tal at beskrive. For eksempel, for at beskrive tilstanden af 50 qubits, kræves der generelt op til 2^50 tal. Hvis du bruger denne egenskab ved kvantesystemer korrekt og beregner rækkefølgen af logiske transformationer, og derefter implementere dem på en kvantecomputer, kan du finde svaret på det ønskede spørgsmål i det tilfælde, hvor en klassisk computer ville kræve en masse tid og hukommelsesressourcer.
Det ser ud til at skabe dig forskellige algoritmer tilforskellige opgaver, og i teorien er der allerede snesevis, hvis ikke hundredvis, af dem. Men når det kommer til praksis og betydelig (dvs. eksponentiel) acceleration, løber udviklingen af kvantealgoritmer ind i visse barrierer. Og derfor er fremkomsten af nye kvantealgoritmer, der kan føre til radikale ændringer, ret sjældent: Hvert årti er der kun 5-10 nye interessante kvantealgoritmer.
Den største vanskelighed er relateret til det faktum, at algoritmer i matematikere og teoretikere kører på en ideel computer. Men rigtige kvantecomputere er slet ikke fejlsikre.
Forhindringerne bunder i, at det er meget svært at skabe et kraftfuldt fejlfrit kvantesystem:
- Kvanteobjekter er meget følsomme over for det mindstemiljøændringer: selv minimal lækage af kvanteinformation til miljøet under udførelsen af algoritmen kan føre til en forvrængning af det endelige svar. Og dette på trods af, at betingelserne for stabil drift af qubits i visse tilfælde skal opretholdes meget specifikke: for eksempel skal temperaturen være tæt på det absolutte nul, det vil sige svare til -273,15 ° C.
- Støj påvirker beregningsprocessen - pgakonstant udsættelse for fejl, antallet af operationer, der kan implementeres i en kvantealgoritme, er nu begrænset til flere dusin, mens der kræves tusindvis af operationer for at vinde, når industrielle problemer løses.
- Indtil videre har det ikke været muligt at oprette det nødvendige antalfejlfri, det vil sige logiske qubits. For eksempel, for at beregne risiciene for en virksomhed, der opererer på værdipapirmarkedet, kræves der minimum 200 logiske qubits, for at knække kryptografi - omkring 6 tusinde, og for at forudsige værdien af finansielle derivater i realtid - 7,5 tusind. mere komplekse opgaver som hurtig hacking af netværket, bitcoin eller modellering af nye materialer kræver fra flere tiere til hundredvis af millioner. Hvorimod kvanteenheder i dag ikke har mere end enheder af fejlsikre qubits.
For at håndtere kvantestøj, forskeretilbyder forskellige rettelsesmetoder – og de er virkelig med til at reducere fejlniveauet i systemet. Men deres effekt på beregninger kan kun reduceres betydeligt efter en vis tid. Prognoserne varierer: IonQ sætter det til 2025, og Google regner med 2029.
Hvor hurtigt vil kvantealgoritmer ændre vores liv
Quantum computing har ikke ramt mainstream endnu, menallerede påvirker levestandarden - eller vil snart være det. For eksempel har D-Wave kvantecomputeren vist evnen til at fremskynde arbejdet i Los Angeles-havnen betydeligt (mens der forskes i testdata), Daimler og IBM Quantum er ved at skabe kvantebatterier til elektriske køretøjer, og RKC og QBoard-projektet har udviklet en kvantealgoritme til sikker bortskaffelse af nukleart affald i Rosatoms interesse.
Hurtigst - inden for 2-3 år - vil de manifestere sigvariationsalgoritmer til løsning af optimeringsproblemer, der er bredt anvendelige i næsten enhver industri. Dette er en hybrid computerklasse: kvantedelen er ansvarlig for ændringer i tilstanden, og den klassiske del hjælper med at stabilisere denne proces. Og da hybridmodeller er meget enklere at implementere end fuldt kvantemodeller, er kraften i eksisterende kvantecomputere tilstrækkelig til dem. RKC og QBoard-projektet bruger kvantealgoritmer til at løse kemiske modelleringsproblemer i bilindustriens interesse. Udviklingen af variationsalgoritmer står imidlertid over for en hel række udfordringer. På vej til deres implementering vil hele feltet af kvantecomputere stå over for interessante opdagelser.
Læs mere:
Ældste kyrilliske tekst nogensinde fundet
"Webb" fandt spor af utroligt store stjerner: de døde ved universets daggry
Mærkelige lyde optaget i jordens stratosfære: hvordan videnskabsmænd forsøger at forstå deres natur
Forsidefoto: Billede af starline på Freepik