En bref sur les algorithmes quantiques et leurs familles
Одна из целей развития квантовых технологий — ускорить
Un point de départ dans le développement de l’informatique quantiqueIls pensent que nous sommes dans les années 90. Déjà à cette époque, les premiers algorithmes pour ordinateurs quantiques existaient, par exemple l’algorithme de Deutsch, mais ils présentaient avant tout un intérêt académique. Un peu plus tard, les scientifiques américains Peter Shor et Love Grover ont développé deux algorithmes quantiques essentiellement différents, mais très précieux d'un point de vue pratique. L'algorithme de Shor a convaincu le monde que les technologies quantiques ont des applications très réelles et qu'un ordinateur quantique menace les méthodes modernes de sécurité des informations cryptographiques. Et l’idée de Grover indiquait qu’avec l’aide des quanta, il est possible de rechercher dans des données non structurées plus rapidement qu’en utilisant les technologies classiques (et, comme cela a été prouvé plus tard, avec l’accélération maximale disponible pour cette tâche).
Les deux découvertes n’ont pas encore apporté de résultats pratiques directs.résultats économiques. Néanmoins, ils ont ouvert l'ère de l'étude du quantique en tant qu'outil appliqué - et d'autres algorithmes plus applicables dans la réalité sont basés sur eux.
Par exemple, l'algorithme de Zalka-Wiesner aideracréer de nouveaux médicaments et de nouveaux matériaux. L'algorithme d'Ambainis consiste à analyser des données, telles que des images et des textes. Une autre invention les plus remarquables est l’algorithme de Harrow-Hassidim-Lloyd, qui résout un système d’équations linéaires sur des ordinateurs quantiques. Cela fera progresser considérablement le traitement des mégadonnées et la modélisation de systèmes complexes et pourrait, à terme, constituer une nouvelle étape vers la création d’une intelligence artificielle puissante.
De nouvelles idées pour les algorithmes quantiques émergentrégulièrement : la plupart sont répertoriés sur le site Web de Quantum Algorithm Zoo, et des exemples de mise en œuvre peuvent être trouvés sur Github. Outre les États-Unis et la Chine, l'Espagne apporte une contribution majeure à cette tendance : elle est leader dans le développement d'algorithmes financiers grâce au mouvement actif de la startup Multiverse Computing. L'Angleterre dispose de solutions efficaces en matière de reconnaissance vocale et de modélisation de processus chimiques. L'Inde devrait également bientôt faire connaître sa présence, avec le lancement de nombreux cursus universitaires dans les domaines quantiques.
Qu’est-ce qui ralentit encore le progrès quantique ?
Donc, un algorithme quantique.Commençons par le mot plus compréhensible « algorithme », qui désigne une certaine séquence d'actions, une recette pour obtenir un certain résultat. Le mot « quantique » dans ce cas ajoute à notre capacité à réaliser certaines opérations logiques qui ne sont pas disponibles dans le monde classique. Grâce aux phénomènes de physique quantique - superposition et intrication - utilisant des opérations logiques sur les états d'objets quantiques, il est possible de créer des états quantiques complexes qui nécessiteraient classiquement beaucoup de nombres pour être décrits. Par exemple, pour décrire l’état de 50 qubits, en général, jusqu’à 2^50 nombres sont nécessaires. Si vous utilisez correctement cette propriété des systèmes quantiques et calculez la séquence des logiques logiques. transformations, puis les implémenter sur un ordinateur quantique, vous pouvez trouver la réponse à la question souhaitée dans le cas où un ordinateur classique nécessiterait beaucoup de temps et de ressources mémoire.
Il semblerait que vous devriez créer vous-même différents algorithmestâches différentes - et en théorie, il y en a en réalité des dizaines, voire des centaines. Mais si l’on parle de pratique et d’accélération significative (c’est-à-dire exponentielle), le développement d’algorithmes quantiques se heurte à certains obstacles. Par conséquent, l’émergence de nouveaux algorithmes quantiques pouvant conduire à des changements radicaux est plutôt rare : pour chaque décennie, il n’y a que 5 à 10 nouveaux algorithmes quantiques intéressants.
La principale difficulté vient du fait que dans la tête des mathématiciens et des théoriciens, les algorithmes fonctionnent sur un ordinateur idéal. Cependant, les vrais ordinateurs quantiques ne sont pas du tout à l’abri des erreurs.
Les obstacles se résument au fait qu'il est très difficile de créer un système quantique puissant et sans erreur :
- Les objets quantiques sont très sensibles au moindrechangements dans l'environnement : même une fuite minime d'informations quantiques dans l'environnement lors de l'exécution de l'algorithme peut conduire à une distorsion de la réponse finale. Et ce malgré le fait que les conditions pour un fonctionnement stable des qubits doivent dans certains cas être maintenues très spécifiques : par exemple, la température doit être proche du zéro absolu, c'est-à-dire correspondre à –273,15 °C.
- Le bruit affecte le processus de calcul - en raison deexposition constante aux erreurs, le nombre d'opérations pouvant être mises en œuvre dans un algorithme quantique est désormais limité à plusieurs dizaines, tandis que gagner dans la résolution de problèmes industriels nécessite des milliers d'opérations.
- Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de créer la quantité requisesans erreur, c'est-à-dire des qubits logiques. Par exemple, pour calculer les risques d'une entreprise opérant sur le marché des valeurs mobilières, il faut au moins 200 qubits logiques, pour déchiffrer la cryptographie - environ 6 000 et pour prédire le coût des dérivés financiers en temps réel - 7,5 mille. des tâches plus complexes, comme pirater rapidement un réseau, Bitcoin ou simuler de nouveaux matériaux, nécessitent entre plusieurs dizaines et centaines de millions. Alors qu’aujourd’hui, les appareils quantiques ne disposent que de quelques qubits à l’épreuve des erreurs.
Pour faire face au bruit quantique, les scientifiquesproposent différentes méthodes de correction - et elles contribuent réellement à réduire le niveau d'erreurs dans le système. Mais leur effet sur les calculs ne peut être considérablement réduit qu'après un certain temps. Les prévisions varient : IonQ le situe à 2025, et Google en comptant sur 2029.
Dans combien de temps les algorithmes quantiques changeront-ils nos vies ?
Квантовые вычисления еще не стали массовыми, но уже влияют на уровень жизни — или повлияют в скором времени. К примеру, квантовый вычислитель D-Wave показал возможность в разы ускорить работу морского порта Лос-Анджелеса (пока проводятся исследования на тестовых данных), Daimler с IBM Quantum вот-вот создадут квантовые батареи для электромобилей, а РКЦ и проект QBoard разработали квантовый алгоритм для безопасного захоронения ядерных отходов в интересах Росатома.
Быстрее всего — в течение 2-3 лет — себя проявят вариационные алгоритмы для решения оптимизационных задач, широко применимых практически в любой отрасли. Это гибридный класс вычислений: квантовая часть отвечает за изменения состояния, а классическая часть помогает стабилизировать этот процесс. И, поскольку гибридные модели намного проще в реализации, чем полностью квантовые, для них достаточно мощностей уже существующих квантовых компьютеров. РКЦ и проект QBoard используют квантовые алгоритмы при решении задач химического моделирования в интересах автомобильной индустрии. Однако разработка вариационных алгоритмов сталкивается с целым набором вызовов. На пути к их внедрению всю область квантовых вычислений ждут интересные открытия.
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