Röviden a kvantumalgoritmusokról és családjukról
A kvantumtechnológiák fejlesztésének egyik célja a felgyorsítás
Kiindulópont a kvantumszámítástechnika fejlesztésébenAzt hiszik, a 90-es évek. Már akkor is léteztek az első kvantumszámítógép-algoritmusok, például a Deutsch algoritmus, de ezek elsősorban tudományos érdeklődésre számot tartóak voltak. Valamivel később Peter Shor és Love Grover amerikai tudósok két alapvetően eltérő, de gyakorlati szempontból nagyon értékes kvantumalgoritmust fejlesztettek ki. Shor algoritmusa meggyőzte a világot arról, hogy a kvantumtechnológiának nagyon is reális alkalmazásai vannak, és hogy a kvantumszámítógép veszélyezteti a kriptográfiai információbiztonság modern módszereit. Grover ötlete pedig azt jelezte, hogy a kvantumok segítségével gyorsabban lehet keresni a strukturálatlan adatok között, mint a klasszikus technológiákkal (és ahogy később bebizonyosodott, az ehhez a feladathoz elérhető maximális gyorsulással).
Mindkét felfedezés még nem hozott közvetlen gyakorlatotgazdasági eredményeket. Ennek ellenére megkezdték a kvantum mint alkalmazott eszköz tanulmányozásának korszakát – és más, a valóságban jobban alkalmazható algoritmusok is ezekre épülnek.
Például a Zalka-Wiesner algoritmus segítúj gyógyszereket és új anyagokat készíteni. Ambainis algoritmusa adatok, például képek és szövegek elemzésére szolgál. A másik legfigyelemreméltóbb találmány a Harrow-Hassidim-Lloyd algoritmus, amely egy lineáris egyenletrendszert old meg kvantumszámítógépeken. Ez jelentősen előmozdítja a big data feldolgozását, a komplex rendszerek modellezését, végső soron pedig újabb lépés lehet az erős mesterséges intelligencia létrehozása felé.
Új ötletek születnek a kvantumalgoritmusokkal kapcsolatbanrendszeresen: a legtöbb szerepel a Quantum Algorithm Zoo honlapján, megvalósítási példák pedig a Githubon találhatók. Az USA és Kína mellett Spanyolország is nagyban hozzájárul ehhez a trendhez – a Multiverse Computing startup aktív mozgásának köszönhetően vezető szerepet tölt be a pénzügyi algoritmusok fejlesztésében. Anglia sikeres megoldásokat kínál a beszédfelismerésre és a kémiai folyamatok modellezésére. Valószínűleg hamarosan India is nyilvánosságra hozza jelenlétét, és számos kvantumterületi egyetemi képzés indul ott.
Mi lassítja még mindig a kvantumfejlődést?
Tehát egy kvantum algoritmus.Kezdjük az érthetőbb „algoritmus” szóval, amely egy bizonyos műveletsort, egy bizonyos eredmény elérésének receptjét jelenti. A „kvantum” szó ebben az esetben növeli azon képességünket, hogy bizonyos logikai műveleteket végezzünk, amelyek a klasszikus világban nem elérhetők. A kvantumfizika jelenségeinek - a szuperpozíciónak és az összefonódásnak - köszönhetően a kvantumobjektumok állapotain végzett logikai műveletek segítségével olyan összetett kvantumállapotok hozhatók létre, amelyek leírásához klasszikusan nagyon sok számra lenne szükség. Például az 50 qubit állapotának leírásához általában legfeljebb 2^50 számra van szükség. Ha helyesen használja a kvantumrendszerek ezen tulajdonságát, és kiszámítja a logikai transzformációkat, majd kvantumszámítógépen valósítva meg a választ a kívánt kérdésre abban az esetben, ha egy klasszikus számítógép sok időt és memória erőforrást igényelne.
Úgy tűnik, hogy különböző algoritmusokat kell létrehoznia magánakkülönböző feladatokat – és elméletben valójában több tucat, ha nem több száz van belőlük. De ha gyakorlatról és jelentős (azaz exponenciális) gyorsulásról beszélünk, akkor a kvantumalgoritmusok fejlesztése bizonyos akadályokba ütközik. Ezért meglehetősen ritka az új kvantumalgoritmusok megjelenése, amelyek radikális változásokhoz vezethetnek: minden évtizedben mindössze 5-10 új érdekes kvantumalgoritmus létezik.
A fő nehézség abból adódik, hogy a matematikusok és teoretikusok fejében az algoritmusok ideális számítógépen futnak. Az igazi kvantumszámítógépek azonban egyáltalán nem mentesek a hibáktól.
Az akadályok abból fakadnak, hogy nagyon nehéz hatékony, hibamentes kvantumrendszert létrehozni:
- A kvantumobjektumok nagyon érzékenyek a legkisebbre isa környezet változásai: az algoritmus végrehajtása során a kvantuminformációnak a környezetbe történő minimális szivárgása is a végső válasz torzulásához vezethet. És mindez annak ellenére, hogy a qubitek stabil működésének feltételeit bizonyos esetekben nagyon specifikusan kell fenntartani: például a hőmérsékletnek közel kell lennie az abszolút nullához, azaz meg kell felelnie a –273,15 °C-nak.
- A zaj befolyásolja a számítási folyamatot - miattAz állandó hibáknak való kitettség miatt a kvantumalgoritmusban megvalósítható műveletek száma ma már több tucatra korlátozódik, míg az ipari problémák megoldásában a győzelemhez több ezer műveletre van szükség.
- A szükséges mennyiséget eddig nem sikerült előteremtenihibamentes, azaz logikai qubitek. Például egy értékpapírpiacon működő vállalat kockázatainak kiszámításához legalább 200 logikai qubit szükséges, a kriptográfia feltöréséhez - körülbelül 6 ezer, a pénzügyi származékos termékek költségének valós idejű előrejelzéséhez - 7,5 ezer bonyolultabb feladatok, mint például egy hálózat, Bitcoin gyors feltörése, vagy új anyagok szimulálása, több tízmilliótól százmillióig terjedhet. Míg ma a kvantumeszközök nem rendelkeznek több hibabiztos qubittel.
A kvantumzaj kezelésére, tudósokkülönböző korrekciós módszereket kínálnak – és ezek valóban segítenek csökkenteni a rendszer hibaszintjét. De a számításokra gyakorolt hatásuk csak egy bizonyos idő elteltével csökken jelentősen. Az előrejelzések eltérőek: az IonQ 2025-re teszi, a Google pedig 2029-re számítva.
Mennyi időn belül változtatják meg életünket a kvantumalgoritmusok?
A kvantumszámítás még nem került be a mainstreambe, demár most hatással vannak az életszínvonalra – vagy hamarosan az lesz. Például a D-Wave kvantumszámítógép képes jelentősen felgyorsítani a Los Angeles-i tengeri kikötő munkáját (miközben a vizsgálati adatokkal kapcsolatos kutatásokat végeznek), a Daimler és az IBM Quantum kvantum akkumulátorok létrehozására készül elektromos járművekhez, és Az RKC és a QBoard projekt kvantum-algoritmust dolgozott ki a nukleáris hulladék biztonságos elhelyezésére a Rosatom érdekében.
Leggyorsabban - 2-3 éven belül - megnyilvánulnakvariációs algoritmusok optimalizálási problémák megoldására, amelyek széles körben alkalmazhatók szinte minden iparágban. Ez egy hibrid számítástechnikai osztály: a kvantum rész felelős az állapotváltozásokért, a klasszikus rész pedig segít stabilizálni ezt a folyamatot. És mivel a hibrid modellek megvalósítása sokkal egyszerűbb, mint a teljesen kvantummodellek, a meglévő kvantumszámítógépek teljesítménye elegendő számukra. Az RKC és a QBoard projekt kvantum-algoritmusokat használ a kémiai modellezési problémák megoldására az autóipar javára. A variációs algoritmusok fejlesztése azonban számos kihívással néz szembe. A megvalósítás felé vezető úton a kvantumszámítástechnika egész területe érdekes felfedezések előtt áll.
Olvass tovább:
A valaha talált legrégebbi cirill betűs szöveg
"Web" hihetetlenül hatalmas csillagok nyomait találta: meghaltak az univerzum hajnalán
Furcsa hangok a Föld sztratoszférájában: hogyan próbálják a tudósok megérteni természetüket
Borítókép: Starline kép a Freepik-en