Ukratko o kvantnim algoritmima i njihovim obiteljima
Jedan od ciljeva razvoja kvantnih tehnologija je ubrzanje
Polazna točka u razvoju kvantnog računalstvarazmislite o 90-ima. Već tada su postojali prvi algoritmi za kvantna računala, primjerice Deutschov algoritam, no oni su bili prvenstveno od akademskog interesa. Nešto kasnije američki znanstvenici Peter Shor i Lov Grover razvili su dva bitno različita, ali s praktičnog stajališta vrlo vrijedna kvantna algoritma. Shorov algoritam uvjerio je svijet da kvantne tehnologije imaju vrlo stvarnu primjenu i da kvantno računalo ugrožava suvremene metode kriptografske zaštite informacija. A Groverova ideja ukazala je na to da uz pomoć kvanta možete pretraživati nestrukturirane podatke brže nego uz pomoć klasičnih tehnologija (i, kako se kasnije pokazalo, s maksimalnom ubrzanjem dostupnom u ovom zadatku).
Oba otkrića još nisu donijela izravnu praktičnuekonomski rezultati. Ipak, s njima je započela era proučavanja kvantiteta kao primijenjenog alata – a na njima se temelje i drugi realno primjenjiviji algoritmi.
Na primjer, Zalka-Wiesnerov algoritam će pomoćistvarati nove lijekove i nove materijale. Ambainisov algoritam - analizira podatke, kao što su slike i tekstovi. Još jedan od najznačajnijih izuma je Harrow-Hassidim-Lloydov algoritam, koji rješava sustav linearnih jednadžbi na kvantnim računalima. To će uvelike unaprijediti obradu velikih podataka, modeliranje složenih sustava i u konačnici može biti još jedan korak prema stvaranju snažne umjetne inteligencije.
Pojavljuju se nove ideje za kvantne algoritmeredovito: većina je navedena na web stranici Quantum Algorithm Zoo, a primjeri implementacije mogu se pogledati na Githubu. Osim Sjedinjenih Američkih Država i Kine, Španjolska je veliki doprinos ovom trendu — predvodi razvoj financijskih algoritama zahvaljujući aktivnom kretanju startupa Multiverse Computing. Engleska ima uspješna rješenja za prepoznavanje govora i modeliranje kemijskih procesa. Uskoro će se i Indija proslaviti - tamo se pokreću brojni sveučilišni tečajevi u kvantnim područjima.
Što još usporava kvantni napredak
Dakle, kvantni algoritam.Počnimo s razumljivijom riječi "algoritam", što znači određeni slijed radnji, recept za dobivanje određenog rezultata. Riječ "kvant" u ovom slučaju dodaje našoj sposobnosti da imamo određene logičke operacije koje nisu dostupne u klasičnom svijetu. Zahvaljujući fenomenima kvantne fizike - superpoziciji i isprepletenosti - korištenjem logičkih operacija na stanjima kvantnih objekata, moguće je stvoriti složena kvantna stanja koja bi klasično zahtijevala puno brojeva za opis. Na primjer, da bi se opisalo stanje 50 kubita, općenito je potrebno do 2^50 brojeva. Ako ispravno koristite ovo svojstvo kvantnih sustava i izračunate slijed logičkih transformacije, a zatim ih implementirati na kvantnom računalu, možete pronaći odgovor na željeno pitanje u slučaju kada bi klasično računalo zahtijevalo puno vremena i memorijskih resursa.
Čini se da sami stvorite različite algoritme zarazličite zadatke, au teoriji ih već ima na desetke, ako ne i stotine. Ali kada je riječ o praksi i značajnom (tj. eksponencijalnom) ubrzanju, razvoj kvantnih algoritama nailazi na određene prepreke. Stoga je pojava novih kvantnih algoritama koji mogu dovesti do radikalnih promjena prilično rijetka: svakog desetljeća postoji samo 5-10 novih zanimljivih kvantnih algoritama.
Glavna poteškoća povezana je s činjenicom da se u glavama matematičara i teoretičara algoritmi pokreću na idealnom računalu. Međutim, prava kvantna računala uopće nisu otporna na pogreške.
Prepreke se svode na to da je vrlo teško stvoriti moćan kvantni sustav bez grešaka:
- Kvantni objekti vrlo su osjetljivi na najmanjupromjene okoline: čak i minimalno curenje kvantnih informacija u okolinu tijekom izvođenja algoritma može dovesti do iskrivljenja konačnog odgovora. I to unatoč činjenici da se uvjeti za stabilan rad kubita u određenim slučajevima moraju održavati vrlo specifičnim: na primjer, temperatura mora biti blizu apsolutne nule, odnosno odgovarati -273,15 ° C.
- Šum utječe na proces izračuna – zbogstalnoj izloženosti pogreškama, broj operacija koje se mogu implementirati u kvantni algoritam sada je ograničen na nekoliko desetaka, dok su tisuće operacija potrebne za pobjedu pri rješavanju industrijskih problema.
- Do sada nije bilo moguće stvoriti potreban brojbez grešaka, odnosno logičnih kubita. Primjerice, za izračun rizika tvrtke koja posluje na tržištu vrijednosnih papira potrebno je minimalno 200 logičkih kubita, za probijanje kriptografije oko 6 tisuća, a za predviđanje vrijednosti financijskih derivata u stvarnom vremenu 7,5 tisuća. složeniji zadaci poput brzog hakiranja mreže, bitcoina ili modeliranja novih materijala zahtijevaju od nekoliko desetaka do stotina milijuna. Dok danas kvantni uređaji nemaju više od jedinica kubita otpornih na pogreške.
Kako bi se nosili s kvantnim šumom, znanstvenicinude različite metode ispravljanja - i stvarno pomažu smanjiti razinu pogrešaka u sustavu. Ali njihov učinak na izračune može se značajno smanjiti tek nakon određenog vremena. Predviđanja su različita: IonQ predviđa 2025., a Google računajući na 2029.
Koliko će uskoro kvantni algoritmi promijeniti naše živote
Kvantno računalstvo još nije postalo popularno, aliveć utječu na životni standard—ili će uskoro biti. Na primjer, kvantno računalo D-Wave pokazalo je sposobnost značajnog ubrzanja rada luke u Los Angelesu (dok se provode istraživanja na testnim podacima), Daimler i IBM Quantum spremaju se izraditi kvantne baterije za električna vozila, a RKC i projekt QBoard razvili su kvantni algoritam za sigurno zbrinjavanje nuklearnog otpada u interesu Rosatoma.
Najbrže - u roku od 2-3 godine - oni će se manifestirativarijacijski algoritmi za rješavanje optimizacijskih problema koji su široko primjenjivi u gotovo svakoj industriji. Ovo je klasa hibridnog računalstva: kvantni dio je odgovoran za promjene stanja, a klasični dio pomaže stabilizirati ovaj proces. A budući da je hibridne modele puno jednostavnije implementirati od potpuno kvantnih, snaga postojećih kvantnih računala im je dovoljna. RKC i projekt QBoard koriste kvantne algoritme za rješavanje problema kemijskog modeliranja u interesu automobilske industrije. Međutim, razvoj varijacijskih algoritama suočava se s cijelim nizom izazova. Na putu njihove implementacije cijelo će se područje kvantnog računalstva suočiti sa zanimljivim otkrićima.
Čitaj više:
Najstariji ćirilični tekst ikada pronađen
"Webb" pronašao tragove nevjerojatno velikih zvijezda: umrle su u zoru svemira
Čudni zvukovi snimljeni u Zemljinoj stratosferi: kako znanstvenici pokušavaju razumjeti njihovu prirodu
Naslovna fotografija: Slika starline na Freepiku