בקצרה על אלגוריתמים קוונטיים ומשפחותיהם
אחת המטרות של פיתוח טכנולוגיות קוונטיות היא להאיץ
נקודת מוצא בפיתוח המחשוב הקוונטיקחו בחשבון את שנות ה-90. כבר אז, האלגוריתמים הראשונים למחשבים קוונטיים היו קיימים, למשל, האלגוריתם דויטש, אבל הם היו בעלי עניין אקדמי בעיקר. מעט מאוחר יותר, המדענים האמריקאים פיטר שור ולוב גרובר פיתחו שני אלגוריתמים קוונטיים שונים במהותם, אך בעלי ערך רב מנקודת מבט מעשית. האלגוריתם של שור שכנע את העולם שלטכנולוגיות קוונטיות יש יישומים אמיתיים מאוד ושהמחשב הקוונטי מאיים על שיטות מודרניות להגנה על מידע קריפטוגרפי. והרעיון של גרובר הצביע על כך שבעזרת הקוואנטה, ניתן לחפש בנתונים לא מובנים מהר יותר מאשר בעזרת טכנולוגיות קלאסיות (וכפי שהוכח מאוחר יותר, בתאוצה המקסימלית הזמינה במשימה זו).
שתי התגליות עדיין לא הביאו מעשיים ישיריםתוצאות כלכליות. למרות זאת, עידן חקר הקוונטים ככלי יישומי החל איתם - ועליהם מתבססים אלגוריתמים אחרים שיותר ישימים במציאות.
לדוגמה, האלגוריתם של זלקה-ויזנר יעזורליצור תרופות חדשות וחומרים חדשים. אלגוריתם Ambainis - נתח נתונים, כגון תמונות וטקסטים. עוד מההמצאות הבולטות ביותר הוא האלגוריתם הארו-חסידים-לויד, הפותר מערכת של משוואות ליניאריות במחשבים קוונטיים. זה יקדם מאוד את עיבוד הנתונים הגדולים, המודלים של מערכות מורכבות, ובסופו של דבר עשוי להיות צעד נוסף לקראת יצירת בינה מלאכותית חזקה.
רעיונות חדשים לאלגוריתמים קוונטיים צציםבאופן קבוע: רובם מופיעים באתר החיות של Quantum Algorithm Zoo, וניתן להציץ בדוגמאות יישום ב- Github. בנוסף לארצות הברית וסין, ספרד תורמת גדולה למגמה זו - היא מובילה את פיתוח האלגוריתמים הפיננסיים הודות לתנועה הפעילה של הסטארט-אפ Multiverse Computing. לאנגליה יש פתרונות מוצלחים לזיהוי דיבור ומידול תהליכים כימיים. בקרוב, גם הודו תעשה לעצמה שם - קורסים אוניברסיטאיים רבים בתחומים קוונטיים מושקים שם.
מה שעדיין מאט את ההתקדמות הקוונטית
אז, אלגוריתם קוונטי.נתחיל עם המילה המובנת יותר "אלגוריתם", שמשמעותה רצף מסוים של פעולות, מתכון להשגת תוצאה מסוימת. המילה "קוונטי" במקרה זה מוסיפה ליכולת שלנו לבצע פעולות לוגיות מסוימות שאינן זמינות בעולם הקלאסי. הודות לתופעות הפיזיקה הקוונטית - סופרפוזיציה והסתבכות - באמצעות פעולות לוגיות על מצבי אובייקטים קוונטיים, ניתן ליצור מצבים קוונטיים מורכבים שבאופן קלאסי ידרשו הרבה מספרים כדי לתארם. לדוגמה, כדי לתאר את המצב של 50 קיוביטים, באופן כללי, נדרשים עד 2^50 מספרים. אם אתה משתמש נכון בתכונה זו של מערכות קוונטיות ומחשב את הרצף של טרנספורמציות, ולאחר מכן ליישם אותן במחשב קוונטי, תוכל למצוא את התשובה לשאלה הרצויה במקרה שבו מחשב קלאסי ידרוש משאבי זמן ומשאבי זיכרון רבים.
נראה כי ליצור לעצמך אלגוריתמים שונים עבורמשימות שונות, ובתיאוריה יש כבר עשרות, אם לא מאות, מהן. אבל כשזה מגיע לתרגול ולהאצה משמעותית (כלומר, מעריכית), הפיתוח של אלגוריתמים קוונטיים נתקל במחסומים מסוימים. ולכן, הופעתם של אלגוריתמים קוונטיים חדשים שיכולים להוביל לשינויים קיצוניים היא נדירה למדי: בכל עשור יש רק 5-10 אלגוריתמים קוונטיים חדשים ומעניינים.
הקושי העיקרי קשור לעובדה שבמוחם של מתמטיקאים ותיאורטיקנים, אלגוריתמים פועלים על מחשב אידיאלי. עם זאת, מחשבים קוונטיים אמיתיים אינם חסיני שגיאות כלל.
המכשולים מסתכמים בעובדה שקשה מאוד ליצור מערכת קוונטית חזקה ללא שגיאות:
- אובייקטים קוונטיים רגישים מאוד למעטשינויים סביבתיים: אפילו דליפה מינימלית של מידע קוונטי לסביבה במהלך ביצוע האלגוריתם עלולה להוביל לעיוות של התשובה הסופית. וזאת למרות העובדה שהתנאים לפעולה יציבה של קיוביטים במקרים מסוימים חייבים להישמר מאוד ספציפיים: למשל, הטמפרטורה צריכה להיות קרובה לאפס המוחלט, כלומר להתאים ל-273.15 מעלות צלזיוס.
- רעש משפיע על תהליך החישוב - עקבחשיפה מתמדת לטעויות, מספר הפעולות שניתן ליישם באלגוריתם קוונטי מוגבל כעת לכמה עשרות, בעוד שניצחון בפתרון בעיות תעשייתיות דורש אלפי פעולות.
- עד כה לא ניתן היה ליצור את המספר הנדרשללא שגיאות, כלומר קיוביטים לוגיים. למשל, כדי לחשב את הסיכונים של חברה הפועלת בשוק ניירות הערך, נדרשים מינימום של 200 קיוביטים לוגיים, לפיצוח קריפטוגרפיה - כ-6 אלף, ולחזות את שווי הנגזרים הפיננסיים בזמן אמת - 7.5 אלף. משימות מורכבות יותר כמו פריצה מהירה לרשת, ביטקוין או מודלים של חומרים חדשים דורשות בין כמה עשרות למאות מיליונים. בעוד שכיום, למכשירים קוונטיים אין יותר מיחידות של קיוביטים חסיני שגיאות.
כדי להתמודד עם רעש קוונטי, מדעניםמציעים שיטות תיקון שונות - והן באמת עוזרות להפחית את רמת השגיאות במערכת. אבל ההשפעה שלהם על חישובים יכולה להיות מופחתת באופן משמעותי רק לאחר זמן מסוים. התחזיות משתנות: IonQ מציבה את זה ב-2025, ו-Google בסמוך על 2029.
תוך כמה זמן אלגוריתמים קוונטיים ישנו את חיינו
מחשוב קוונטי עדיין לא הגיע למיינסטרים, אבלכבר משפיעים על רמת החיים - או יהיו בקרוב. לדוגמה, המחשב הקוונטי D-Wave הראה את היכולת להאיץ משמעותית את עבודתו של נמל הים של לוס אנג'לס (בזמן שנערך מחקר על נתוני בדיקה), דיימלר ו-IBM Quantum עומדות ליצור סוללות קוונטיות עבור כלי רכב חשמליים, וכן RKC ופרויקט QBoard פיתחו אלגוריתם קוונטי לסילוק בטוח של פסולת גרעינית למען האינטרסים של Rosatom.
הכי מהר - תוך 2-3 שנים - הם יבואו לידי ביטויאלגוריתמים וריאציות לפתרון בעיות אופטימיזציה הניתנות ליישום נרחב כמעט בכל תעשייה. זוהי מחלקת מחשוב היברידי: החלק הקוונטי אחראי לשינויים במצב, והחלק הקלאסי עוזר לייצב תהליך זה. ומכיוון שדגמים היברידיים הרבה יותר פשוטים ליישום מאשר מודלים קוונטיים מלאים, הכוח של מחשבים קוונטיים קיימים מספיק להם. RKC ופרויקט QBoard משתמשים באלגוריתמים קוונטיים כדי לפתור בעיות מודלים כימיים למען האינטרסים של תעשיית הרכב. עם זאת, הפיתוח של אלגוריתמים וריאציות עומד בפני מערך שלם של אתגרים. בדרך ליישומם, כל תחום המחשוב הקוונטי יעמוד בפני תגליות מעניינות.
קרא עוד:
הטקסט הקירילי העתיק ביותר שנמצא אי פעם
"ווב" מצא עקבות של כוכבים ענקיים להפליא: הם מתו עם שחר היקום
צלילים מוזרים שהוקלטו בסטרטוספירה של כדור הארץ: איך מדענים מנסים להבין את טבעם
תמונת שער: תמונה מאת starline ב-Freepik