Trumpai apie kvantinius algoritmus ir jų šeimas
Vienas iš kvantinių technologijų plėtros tikslų – paspartinti
Atspirties taškas kuriant kvantinį skaičiavimąpagalvokite apie 90-uosius. Jau tada egzistavo pirmieji kvantinių kompiuterių algoritmai, pavyzdžiui, Deutsch algoritmas, tačiau jie pirmiausia buvo akademiniai. Kiek vėliau amerikiečių mokslininkai Peteris Šoras ir Lovas Groveris sukūrė du iš esmės skirtingus, bet praktiniu požiūriu labai vertingus kvantinius algoritmus. Šoro algoritmas įtikino pasaulį, kad kvantinės technologijos turi labai realius pritaikymus ir kad kvantinis kompiuteris kelia grėsmę šiuolaikiniams kriptografinės informacijos apsaugos metodams. Ir Groverio idėja nurodė, kad kvantų pagalba galite ieškoti nestruktūrizuotų duomenų greičiau nei naudojant klasikines technologijas (ir, kaip vėliau buvo įrodyta, su maksimaliu šios užduoties pagreičiu).
Abu atradimai dar neatnešė tiesioginės praktikosekonominius rezultatus. Nepaisant to, su jais prasidėjo kvantų, kaip taikomosios priemonės, tyrimo era – jais remiasi kiti realybėje labiau pritaikomi algoritmai.
Pavyzdžiui, padės Zalka-Wiesner algoritmassukurti naujus vaistus ir naujas medžiagas. Ambainio algoritmas – analizuoja duomenis, tokius kaip vaizdai ir tekstai. Dar vienas žymiausių išradimų – Harrow-Hassidim-Lloyd algoritmas, išsprendžiantis tiesinių lygčių sistemą kvantiniuose kompiuteriuose. Tai labai pagerins didelių duomenų apdorojimą, sudėtingų sistemų modeliavimą ir galiausiai gali būti dar vienas žingsnis stipraus dirbtinio intelekto kūrimo link.
Atsiranda naujų idėjų kvantiniams algoritmamsreguliariai: dauguma yra išvardytos Quantum Algorithm Zoo svetainėje, o įgyvendinimo pavyzdžius galima peržiūrėti Github. Be JAV ir Kinijos, prie šios tendencijos labai prisideda Ispanija – ji pirmauja kuriant finansinius algoritmus dėl aktyvaus startuolio Multiverse Computing judėjimo. Anglija turi sėkmingų kalbos atpažinimo ir cheminių procesų modeliavimo sprendimų. Netrukus Indija taip pat išgarsės – čia pradedama daugybė universitetinių kursų kvantinėse srityse.
Kas vis dar stabdo kvantinę pažangą
Taigi, kvantinis algoritmas.Pradėkime nuo suprantamesnio žodžio „algoritmas“, kuris reiškia tam tikrą veiksmų seką, receptą tam tikram rezultatui gauti. Žodis „kvantinis“ šiuo atveju padidina mūsų gebėjimą atlikti tam tikras logines operacijas, kurių nėra klasikiniame pasaulyje. Kvantinės fizikos reiškinių – superpozicijos ir susipynimo – dėka, naudojant kvantinių objektų būsenų logines operacijas, galima sukurti sudėtingas kvantines būsenas, kurioms apibūdinti klasikiniu būdu reikėtų daug skaičių. Pavyzdžiui, norint apibūdinti 50 kubitų būseną, paprastai reikia iki 2^50 skaičių. Jei teisingai panaudosite šią kvantinių sistemų savybę ir apskaičiuosite loginių transformacijas, o vėliau jas įgyvendinus kvantiniame kompiuteryje, galima rasti atsakymą į norimą klausimą tuo atveju, kai klasikinis kompiuteris pareikalautų daug laiko ir atminties resursų.
Atrodytų, susikurkite sau skirtingus algoritmusskirtingų užduočių, o teoriškai jų jau yra dešimtys, jei ne šimtai. Tačiau kalbant apie praktiką ir reikšmingą (t. y. eksponentinį) pagreitį, kvantinių algoritmų kūrimas susiduria su tam tikromis kliūtimis. Todėl naujų kvantinių algoritmų, galinčių sukelti radikalius pokyčius, atsiradimas yra gana retas: kas dešimtmetį atsiranda tik 5–10 naujų įdomių kvantinių algoritmų.
Pagrindinis sunkumas susijęs su tuo, kad matematikų ir teoretikų mintyse algoritmai veikia idealiame kompiuteryje. Tačiau tikrieji kvantiniai kompiuteriai nėra visiškai atsparūs klaidoms.
Kliūtys susiveda į tai, kad labai sunku sukurti galingą be klaidų kvantinę sistemą:
- Kvantiniai objektai yra labai jautrūs menkiausiamaplinkos pokyčiai: net minimalus kvantinės informacijos nutekėjimas į aplinką algoritmo vykdymo metu gali sukelti galutinio atsakymo iškraipymą. Ir tai nepaisant to, kad tam tikrais atvejais stabilaus kubitų veikimo sąlygos turi būti palaikomos labai specifinės: pavyzdžiui, temperatūra turi būti artima absoliučiam nuliui, tai yra, atitikti -273,15 ° C.
- Triukšmas turi įtakos skaičiavimo procesui – dėlnuolat susiduriant su klaidomis, operacijų, kurias galima įgyvendinti kvantiniame algoritme, skaičius dabar ribojamas iki kelių dešimčių, o norint laimėti sprendžiant pramonės problemas, reikia atlikti tūkstančius operacijų.
- Iki šiol nepavyko sukurti reikiamo skaičiausbe klaidų, tai yra, loginiai kubitai. Pavyzdžiui, norint apskaičiuoti vertybinių popierių rinkoje veikiančios įmonės rizikas, reikia mažiausiai 200 loginių kubitų, įlaužti kriptografiją – apie 6 tūkst., o prognozuoti finansinių išvestinių priemonių vertę realiu laiku – 7,5 tūkst. sudėtingesnėms užduotims, tokioms kaip greitas įsilaužimas į tinklą, bitkoinas ar naujų medžiagų modeliavimas, reikia nuo kelių dešimčių iki šimtų milijonų. Tuo tarpu šiandien kvantiniai prietaisai neturi daugiau nei vienetų klaidoms atsparių kubitų.
Kovoti su kvantiniu triukšmu, mokslininkaisiūlo skirtingus taisymo būdus – ir jie tikrai padeda sumažinti klaidų lygį sistemoje. Tačiau jų poveikis skaičiavimams žymiai sumažės tik po tam tikro laiko. Prognozės skiriasi: „IonQ“ laikosi 2025 m., o „Google“ skaičiuojant 2029 m.
Kaip greitai kvantiniai algoritmai pakeis mūsų gyvenimą
Kvantinė kompiuterija dar nepasiekė pagrindinio srauto, betjau turi įtakos gyvenimo lygiui arba netrukus darys. Pavyzdžiui, kvantinis kompiuteris „D-Wave“ parodė galimybę žymiai pagreitinti Los Andželo jūrų uosto darbą (kol atliekami bandymų duomenų tyrimai), „Daimler“ ir „IBM Quantum“ ruošiasi sukurti kvantines baterijas elektrinėms transporto priemonėms ir RKC ir „QBoard“ projektas, atsižvelgdami į „Rosatom“ interesus, sukūrė kvantinį algoritmą saugiam branduolinių atliekų šalinimui.
Greičiausiai – per 2–3 metus – jie pasireikšvariaciniai algoritmai optimizavimo problemoms spręsti, kurie plačiai taikomi beveik bet kurioje pramonės šakoje. Tai hibridinių kompiuterių klasė: kvantinė dalis yra atsakinga už būsenos pokyčius, o klasikinė padeda stabilizuoti šį procesą. Ir kadangi hibridinius modelius įgyvendinti daug paprasčiau nei visiškai kvantinius, jiems pakanka esamų kvantinių kompiuterių galios. RKC ir QBoard projektas naudoja kvantinius algoritmus, kad išspręstų cheminio modeliavimo problemas automobilių pramonės labui. Tačiau variacinių algoritmų kūrimas susiduria su daugybe iššūkių. Kelyje į jų įgyvendinimą visa kvantinio skaičiavimo sritis laukia įdomių atradimų.
Skaityti daugiau:
Seniausias kada nors rastas kirilicos tekstas
„Web“ aptiko neįtikėtinai didelių žvaigždžių pėdsakų: jos mirė visatos aušroje
Žemės stratosferoje užfiksuoti keisti garsai: kaip mokslininkai bando suprasti jų prigimtį
Viršelio nuotrauka: „Starline“ vaizdas „Freepik“.