Kurz über Quantenalgorithmen und ihre Familien
Eines der Ziele der Entwicklung von Quantentechnologien ist die Beschleunigung
Ein Ausgangspunkt in der Entwicklung des QuantencomputingsDenken Sie an die 90er Jahre. Schon damals gab es die ersten Algorithmen für Quantencomputer, zum Beispiel den Deutsch-Algorithmus, aber sie waren in erster Linie von akademischem Interesse. Etwas später entwickelten die amerikanischen Wissenschaftler Peter Shor und Lov Grover zwei grundsätzlich unterschiedliche, aber aus praktischer Sicht sehr wertvolle Quantenalgorithmen. Shors Algorithmus überzeugte die Welt davon, dass Quantentechnologien sehr reale Anwendungen haben und dass der Quantencomputer moderne Methoden des kryptografischen Informationsschutzes bedroht. Und Grovers Idee deutete darauf hin, dass man mit Hilfe von Quanten unstrukturierte Daten schneller durchsuchen kann als mit Hilfe klassischer Technologien (und, wie sich später herausstellte, mit der maximal verfügbaren Beschleunigung für diese Aufgabe).
Beide Entdeckungen haben noch keine direkte praktische Umsetzung gebrachtwirtschaftliche Ergebnisse. Dennoch begann mit ihnen die Ära der Untersuchung von Quanten als angewandtes Werkzeug – und andere in der Realität anwendbarere Algorithmen basieren auf ihnen.
Dabei hilft beispielsweise der Zalka-Wiesner-Algorithmusneue Medikamente und neue Materialien entwickeln. Ambainis-Algorithmus – Analysieren Sie Daten wie Bilder und Texte. Eine weitere bemerkenswerteste Erfindung ist der Harrow-Hassidim-Lloyd-Algorithmus, der ein System linearer Gleichungen auf Quantencomputern löst. Dies wird die Verarbeitung großer Datenmengen und die Modellierung komplexer Systeme erheblich vorantreiben und könnte letztendlich ein weiterer Schritt zur Schaffung einer starken künstlichen Intelligenz sein.
Neue Ideen für Quantenalgorithmen entstehenregelmäßig: Die meisten sind auf der Website des Quantum Algorithm Zoo aufgeführt, und Implementierungsbeispiele können auf Github angeschaut werden. Neben den USA und China leistet Spanien einen großen Beitrag zu diesem Trend – es ist dank der aktiven Bewegung des Startups Multiverse Computing führend bei der Entwicklung von Finanzalgorithmen. England verfügt über erfolgreiche Lösungen für die Spracherkennung und die Modellierung chemischer Prozesse. Bald wird sich auch Indien einen Namen machen – dort werden zahlreiche Universitätsstudiengänge in Quantenbereichen gestartet.
Was den Quantenfortschritt immer noch bremst
Also ein Quantenalgorithmus.Beginnen wir mit dem verständlicheren Wort „Algorithmus“, das eine bestimmte Abfolge von Aktionen bedeutet, ein Rezept, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. Das Wort „Quantum“ trägt in diesem Fall zu unserer Fähigkeit bei, bestimmte logische Operationen durchzuführen, die in der klassischen Welt nicht verfügbar sind. Dank der Phänomene der Quantenphysik – Überlagerung und Verschränkung – ist es mithilfe logischer Operationen an den Zuständen von Quantenobjekten möglich, komplexe Quantenzustände zu erzeugen, für deren Beschreibung klassischerweise viele Zahlen erforderlich wären. Um beispielsweise den Zustand von 50 Qubits zu beschreiben, sind im Allgemeinen bis zu 2^50 Zahlen erforderlich. Wenn Sie diese Eigenschaft von Quantensystemen richtig nutzen und die Folge logischer Transformationen durchzuführen und sie dann auf einem Quantencomputer umzusetzen, können Sie die Antwort auf die gewünschte Frage dann finden, wenn ein klassischer Computer viel Zeit und Speicherressourcen erfordern würde.
Es scheint, dass Sie verschiedene Algorithmen für sich selbst erstellenverschiedene Aufgaben, und theoretisch gibt es bereits Dutzende, wenn nicht Hunderte davon. Aber wenn es um die Praxis und eine signifikante (d. h. exponentielle) Beschleunigung geht, stößt die Entwicklung von Quantenalgorithmen auf gewisse Hindernisse. Und deshalb ist das Aufkommen neuer Quantenalgorithmen, die zu radikalen Veränderungen führen können, eher selten: Jedes Jahrzehnt gibt es nur 5–10 neue interessante Quantenalgorithmen.
Die Hauptschwierigkeit hängt mit der Tatsache zusammen, dass in der Vorstellung von Mathematikern und Theoretikern Algorithmen auf einem idealen Computer laufen. Allerdings sind echte Quantencomputer überhaupt nicht fehlersicher.
Die Hindernisse lassen sich auf die Tatsache zurückführen, dass es sehr schwierig ist, ein leistungsfähiges, fehlerfreies Quantensystem zu schaffen:
- Quantenobjekte reagieren sehr empfindlich auf kleinste DetailsUmweltveränderungen: Selbst ein minimaler Verlust von Quanteninformationen in die Umgebung während der Ausführung des Algorithmus kann zu einer Verzerrung der endgültigen Antwort führen. Und das, obwohl die Bedingungen für den stabilen Betrieb von Qubits in bestimmten Fällen ganz konkret eingehalten werden müssen: Beispielsweise muss die Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt liegen, also -273,15 °C entsprechen.
- Rauschen beeinflusst den Berechnungsprozess – aufgrund vonAufgrund der ständigen Fehleranfälligkeit ist die Anzahl der Operationen, die in einem Quantenalgorithmus implementiert werden können, mittlerweile auf mehrere Dutzend begrenzt, während bei der Lösung industrieller Probleme Tausende von Operationen erforderlich sind.
- Bisher konnte die benötigte Anzahl nicht erstellt werdenfehlerfreie, also logische Qubits. Um beispielsweise die Risiken eines auf dem Wertpapiermarkt tätigen Unternehmens zu berechnen, sind mindestens 200 logische Qubits erforderlich, um die Kryptographie zu knacken – etwa 6.000 und um den Wert von Finanzderivaten in Echtzeit vorherzusagen – 7,5.000. Für sogar Komplexere Aufgaben wie das schnelle Hacken des Netzwerks, Bitcoin oder die Modellierung neuer Materialien erfordern mehrere zehn bis hunderte Millionen. Während Quantengeräte heute nicht mehr als Einheiten fehlersicherer Qubits haben.
Um mit Quantenrauschen umzugehen, Wissenschaftlerbieten verschiedene Korrekturmethoden an – und sie tragen wirklich dazu bei, die Fehlerquote im System zu reduzieren. Ihr Einfluss auf die Berechnungen kann jedoch erst nach einer gewissen Zeit deutlich reduziert werden. Die Prognosen variieren: IonQ geht von 2025 aus, und Google Ich rechne mit 2029.
Wie schnell werden Quantenalgorithmen unser Leben verändern?
Quantencomputing ist noch nicht im Mainstream angekommen, aberwirken sich bereits auf den Lebensstandard aus – oder werden es bald sein. Beispielsweise hat der D-Wave-Quantencomputer gezeigt, dass er die Arbeit des Seehafens von Los Angeles erheblich beschleunigen kann (während Testdaten erforscht werden), Daimler und IBM Quantum sind dabei, Quantenbatterien für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, und RKC und das QBoard-Projekt haben im Interesse von Rosatom einen Quantenalgorithmus zur sicheren Entsorgung von Atommüll entwickelt.
Am schnellsten – innerhalb von 2-3 Jahren – manifestieren sie sichVariationsalgorithmen zur Lösung von Optimierungsproblemen, die in nahezu jeder Branche weit verbreitet sind. Dies ist ein Hybrid-Computing-Kurs: Der Quantenteil ist für Zustandsänderungen verantwortlich und der klassische Teil hilft, diesen Prozess zu stabilisieren. Und da Hybridmodelle viel einfacher zu implementieren sind als Vollquantenmodelle, reicht die Leistung vorhandener Quantencomputer für sie aus. RKC und das QBoard-Projekt nutzen Quantenalgorithmen, um chemische Modellierungsprobleme im Interesse der Automobilindustrie zu lösen. Die Entwicklung von Variationsalgorithmen steht jedoch vor einer ganzen Reihe von Herausforderungen. Auf dem Weg zu ihrer Umsetzung wartet das gesamte Gebiet des Quantencomputings auf interessante Entdeckungen.
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