Εν συντομία για τους κβαντικούς αλγόριθμους και τις οικογένειές τους
Ένας από τους στόχους της ανάπτυξης των κβαντικών τεχνολογιών είναι η επιτάχυνση
Ένα σημείο εκκίνησης στην ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστώνσκεφτείτε τη δεκαετία του '90. Ακόμη και τότε, υπήρχαν οι πρώτοι αλγόριθμοι για κβαντικούς υπολογιστές, για παράδειγμα, ο αλγόριθμος Deutsch, αλλά είχαν πρωτίστως ακαδημαϊκό ενδιαφέρον. Λίγο αργότερα, οι Αμερικανοί επιστήμονες Peter Shor και Lov Grover ανέπτυξαν δύο ουσιαστικά διαφορετικούς, αλλά πολύ πολύτιμους κβαντικούς αλγόριθμους από πρακτική άποψη. Ο αλγόριθμος του Shor έπεισε τον κόσμο ότι οι κβαντικές τεχνολογίες έχουν πολύ πραγματικές εφαρμογές και ότι ο κβαντικός υπολογιστής απειλεί τις σύγχρονες μεθόδους προστασίας κρυπτογραφικών πληροφοριών. Και η ιδέα του Grover έδειξε ότι με τη βοήθεια των κβάντων, μπορείτε να αναζητήσετε αδόμητα δεδομένα πιο γρήγορα από ό,τι με τη βοήθεια των κλασικών τεχνολογιών (και, όπως αποδείχθηκε αργότερα, με τη μέγιστη διαθέσιμη επιτάχυνση σε αυτήν την εργασία).
Και οι δύο ανακαλύψεις δεν έχουν ακόμη φέρει άμεση πρακτικήοικονομικά αποτελέσματα. Παρ 'όλα αυτά, η εποχή της μελέτης των quant ως εφαρμοσμένου εργαλείου ξεκίνησε με αυτά - και άλλοι αλγόριθμοι που είναι πιο εφαρμόσιμοι στην πραγματικότητα βασίζονται σε αυτά.
Για παράδειγμα, ο αλγόριθμος Zalka-Wiesner θα βοηθήσειδημιουργούν νέα φάρμακα και νέα υλικά. Αλγόριθμος Ambainis - αναλύει δεδομένα, όπως εικόνες και κείμενα. Μια άλλη από τις πιο αξιοσημείωτες εφευρέσεις είναι ο αλγόριθμος Harrow-Hassidim-Lloyd, ο οποίος λύνει ένα σύστημα γραμμικών εξισώσεων σε κβαντικούς υπολογιστές. Αυτό θα προωθήσει σημαντικά την επεξεργασία μεγάλων δεδομένων, τη μοντελοποίηση πολύπλοκων συστημάτων και, τελικά, μπορεί να είναι ένα ακόμη βήμα προς τη δημιουργία ισχυρής τεχνητής νοημοσύνης.
Εμφανίζονται νέες ιδέες για κβαντικούς αλγόριθμουςτακτικά: τα περισσότερα παρατίθενται στον ιστότοπο Quantum Algorithm Zoo και μπορείτε να δείτε παραδείγματα υλοποίησης στο Github. Εκτός από τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Κίνα, η Ισπανία συμβάλλει σε μεγάλο βαθμό σε αυτήν την τάση — ηγείται της ανάπτυξης οικονομικών αλγορίθμων χάρη στην ενεργό κίνηση της startup Multiverse Computing. Η Αγγλία έχει επιτυχημένες λύσεις για την αναγνώριση ομιλίας και τη μοντελοποίηση χημικών διεργασιών. Σύντομα, η Ινδία θα κάνει επίσης ένα όνομα για τον εαυτό της - πολλά πανεπιστημιακά μαθήματα σε κβαντικές περιοχές ξεκινούν εκεί.
Αυτό που εξακολουθεί να επιβραδύνει την κβαντική πρόοδο
Λοιπόν, ένας κβαντικός αλγόριθμος.Ας ξεκινήσουμε με την πιο κατανοητή λέξη "αλγόριθμος", που σημαίνει μια συγκεκριμένη ακολουθία ενεργειών, μια συνταγή για την απόκτηση ενός συγκεκριμένου αποτελέσματος. Η λέξη "κβαντικό" σε αυτή την περίπτωση προσθέτει στην ικανότητά μας να έχουμε ορισμένες λογικές πράξεις που δεν είναι διαθέσιμες στον κλασικό κόσμο. Χάρη στα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής - υπέρθεση και εμπλοκή - χρησιμοποιώντας λογικές πράξεις στις καταστάσεις κβαντικών αντικειμένων, είναι δυνατό να δημιουργηθούν σύνθετες κβαντικές καταστάσεις που κλασικά θα απαιτούσαν πολλούς αριθμούς για να περιγραφούν. Για παράδειγμα, για να περιγραφεί η κατάσταση των 50 qubits, γενικά, απαιτούνται έως και 2^50 αριθμοί. Εάν χρησιμοποιήσετε σωστά αυτήν την ιδιότητα των κβαντικών συστημάτων και υπολογίσετε την ακολουθία των λογικών μετασχηματισμούς και στη συνέχεια να τους εφαρμόσετε σε έναν κβαντικό υπολογιστή, μπορείτε να βρείτε την απάντηση στην επιθυμητή ερώτηση στην περίπτωση που ένας κλασικός υπολογιστής θα απαιτούσε πολύ χρόνο και πόρους μνήμης.
Φαίνεται ότι δημιουργήστε διαφορετικούς αλγόριθμους για τον εαυτό σαςδιαφορετικές εργασίες, και θεωρητικά υπάρχουν ήδη δεκάδες, αν όχι εκατοντάδες, από αυτές. Αλλά όταν πρόκειται για πρακτική και σημαντική (δηλαδή, εκθετική) επιτάχυνση, η ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων συναντά ορισμένα εμπόδια. Και επομένως, η εμφάνιση νέων κβαντικών αλγορίθμων που μπορούν να οδηγήσουν σε ριζικές αλλαγές είναι μάλλον σπάνια: κάθε δεκαετία υπάρχουν μόνο 5-10 νέοι ενδιαφέροντες κβαντικοί αλγόριθμοι.
Η κύρια δυσκολία σχετίζεται με το γεγονός ότι στο μυαλό των μαθηματικών και των θεωρητικών, οι αλγόριθμοι τρέχουν σε έναν ιδανικό υπολογιστή. Ωστόσο, οι πραγματικοί κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι καθόλου στεγανοί.
Τα εμπόδια συνοψίζονται στο γεγονός ότι είναι πολύ δύσκολο να δημιουργηθεί ένα ισχυρό κβαντικό σύστημα χωρίς σφάλματα:
- Τα κβαντικά αντικείμενα είναι πολύ ευαίσθητα στο παραμικρόπεριβαλλοντικές αλλαγές: ακόμη και η ελάχιστη διαρροή κβαντικών πληροφοριών στο περιβάλλον κατά την εκτέλεση του αλγορίθμου μπορεί να οδηγήσει σε παραμόρφωση της τελικής απάντησης. Και αυτό παρά το γεγονός ότι οι συνθήκες για τη σταθερή λειτουργία των qubits σε ορισμένες περιπτώσεις πρέπει να διατηρούνται πολύ συγκεκριμένες: για παράδειγμα, η θερμοκρασία πρέπει να είναι κοντά στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή να αντιστοιχεί σε -273,15 ° C.
- Ο θόρυβος επηρεάζει τη διαδικασία υπολογισμού - λόγωσυνεχής έκθεση σε σφάλματα, ο αριθμός των πράξεων που μπορούν να υλοποιηθούν σε έναν κβαντικό αλγόριθμο περιορίζεται πλέον σε αρκετές δεκάδες, ενώ απαιτούνται χιλιάδες λειτουργίες για να κερδηθούν κατά την επίλυση βιομηχανικών προβλημάτων.
- Μέχρι στιγμής, δεν έχει καταστεί δυνατή η δημιουργία του απαιτούμενου αριθμούχωρίς σφάλματα, δηλαδή λογικά qubits. Για παράδειγμα, για τον υπολογισμό των κινδύνων μιας εταιρείας που δραστηριοποιείται στην αγορά κινητών αξιών, απαιτούνται τουλάχιστον 200 λογικά qubits, για να σπάσει η κρυπτογραφία - περίπου 6 χιλιάδες, και για να προβλεφθεί η αξία των χρηματοοικονομικών παραγώγων σε πραγματικό χρόνο - 7,5 χιλιάδες. πιο περίπλοκες εργασίες όπως η γρήγορη παραβίαση του δικτύου, το bitcoin ή η μοντελοποίηση νέων υλικών απαιτούν από αρκετές δεκάδες έως εκατοντάδες εκατομμύρια. Ενώ σήμερα, οι κβαντικές συσκευές δεν έχουν περισσότερες από μονάδες qubits χωρίς σφάλματα.
Για να αντιμετωπίσουν τον κβαντικό θόρυβο, επιστήμονεςπροσφέρουν διαφορετικές μεθόδους διόρθωσης - και συμβάλλουν πραγματικά στη μείωση του επιπέδου των σφαλμάτων στο σύστημα. Αλλά η επίδρασή τους στους υπολογισμούς μπορεί να μειωθεί σημαντικά μόνο μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Οι προβλέψεις ποικίλλουν: το IonQ το θέτει στο 2025 και η Google υπολογίζοντας το 2029.
Πόσο σύντομα οι κβαντικοί αλγόριθμοι θα αλλάξουν τη ζωή μας
Η κβαντική πληροφορική δεν έχει φτάσει ακόμα στο mainstream, αλλάεπηρεάζουν ήδη το βιοτικό επίπεδο—ή θα επηρεάσουν σύντομα. Για παράδειγμα, ο κβαντικός υπολογιστής D-Wave έχει δείξει την ικανότητα να επιταχύνει σημαντικά το έργο του θαλάσσιου λιμένα του Λος Άντζελες (ενώ διεξάγεται έρευνα για δεδομένα δοκιμών), η Daimler και η IBM Quantum πρόκειται να δημιουργήσουν κβαντικές μπαταρίες για ηλεκτρικά οχήματα και Η RKC και το έργο QBoard έχουν αναπτύξει έναν κβαντικό αλγόριθμο για την ασφαλή διάθεση πυρηνικών αποβλήτων προς το συμφέρον της Rosatom.
Πιο γρήγορα - μέσα σε 2-3 χρόνια - θα εκδηλωθούνμεταβλητοί αλγόριθμοι για την επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης που είναι ευρέως εφαρμόσιμοι σχεδόν σε κάθε κλάδο. Αυτή είναι μια υβριδική κατηγορία υπολογιστών: το κβαντικό μέρος είναι υπεύθυνο για τις αλλαγές στην κατάσταση και το κλασικό μέρος βοηθά στη σταθεροποίηση αυτής της διαδικασίας. Και, δεδομένου ότι τα υβριδικά μοντέλα είναι πολύ πιο απλά στην εφαρμογή από τα πλήρως κβαντικά, η ισχύς των υπαρχόντων κβαντικών υπολογιστών είναι επαρκής για αυτά. Η RKC και το έργο QBoard χρησιμοποιούν κβαντικούς αλγόριθμους για την επίλυση προβλημάτων χημικής μοντελοποίησης προς το συμφέρον της αυτοκινητοβιομηχανίας. Ωστόσο, η ανάπτυξη μεταβλητών αλγορίθμων αντιμετωπίζει μια ολόκληρη σειρά προκλήσεων. Στο δρόμο για την υλοποίησή τους, ολόκληρο το πεδίο των κβαντικών υπολογιστών θα αντιμετωπίσει ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις.
Διαβάστε περισσότερα:
Το παλαιότερο κυριλλικό κείμενο που βρέθηκε ποτέ
Ο "Webb" βρήκε ίχνη απίστευτα τεράστιων αστεριών: πέθαναν στην αυγή του σύμπαντος
Παράξενοι ήχοι που καταγράφηκαν στη στρατόσφαιρα της Γης: πώς οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν τη φύση τους
Φωτογραφία εξωφύλλου: Image by starline στο Freepik