Īsumā par kvantu algoritmiem un to saimēm
Viens no kvantu tehnoloģiju attīstības mērķiem ir paātrināt
Sākumpunkts kvantu skaitļošanas attīstībāViņi domā, ka ir 90. gadi. Pat tad pastāvēja pirmie kvantu datoru algoritmi, piemēram, Deutsch algoritms, taču tie galvenokārt bija akadēmiski interesējoši. Nedaudz vēlāk amerikāņu zinātnieki Pīters Šors un Lovs Grovers izstrādāja divus būtībā atšķirīgus, bet no praktiskā viedokļa ļoti vērtīgus kvantu algoritmus. Šora algoritms pārliecināja pasauli, ka kvantu tehnoloģijai ir ļoti reāli pielietojumi un ka kvantu dators apdraud mūsdienu kriptogrāfijas informācijas drošības metodes. Un Grovera ideja norādīja, ka ar kvantu palīdzību ir iespējams meklēt nestrukturētos datos ātrāk nekā izmantojot klasiskās tehnoloģijas (un, kā vēlāk tika pierādīts, ar maksimālo šajā uzdevumā pieejamo paātrinājumu).
Abi atklājumi vēl nav devuši tiešu praktisku darbībuekonomiskie rezultāti. Neskatoties uz to, viņi aizsāka kvantu kā lietišķa instrumenta izpētes laikmetu, un uz tiem ir balstīti citi algoritmi, kas ir piemērotāki realitātē.
Piemēram, palīdzēs Zalka-Wiesner algoritmsradīt jaunas zāles un jaunus materiālus. Ambaiņa algoritms ir analizēt datus, piemēram, attēlus un tekstus. Vēl viens no ievērojamākajiem izgudrojumiem ir Harrow-Hassidim-Lloyd algoritms, kas atrisina lineāro vienādojumu sistēmu kvantu datoros. Tas ievērojami veicinās lielo datu apstrādi, sarežģītu sistēmu modelēšanu un galu galā var būt vēl viens solis spēcīga mākslīgā intelekta radīšanā.
Rodas jaunas idejas kvantu algoritmiemregulāri: lielākā daļa ir uzskaitīti Quantum Algorithm Zoo vietnē, un ieviešanas piemērus var atrast vietnē Github. Papildus ASV un Ķīnai lielu ieguldījumu šajā tendencē sniedz Spānija - tā ir līdere finanšu algoritmu izstrādē, pateicoties startup Multiverse Computing aktīvai kustībai. Anglijā ir veiksmīgi risinājumi runas atpazīšanai un ķīmisko procesu modelēšanai. Iespējams, ka drīzumā arī Indija darīs zināmu savu klātbūtni, jo tur tiks uzsākti daudzi universitāšu kursi kvantu jomās.
Kas joprojām palēnina kvantu progresu?
Tātad, kvantu algoritms.Sāksim ar saprotamāku vārdu “algoritms”, kas nozīmē noteiktu darbību secību, recepti noteikta rezultāta iegūšanai. Vārds "kvants" šajā gadījumā papildina mūsu spēju veikt noteiktas loģiskas darbības, kas nav pieejamas klasiskajā pasaulē. Pateicoties kvantu fizikas parādībām - superpozīcijai un sapīšanai -, izmantojot loģiskās operācijas ar kvantu objektu stāvokļiem, ir iespējams izveidot sarežģītus kvantu stāvokļus, kuru aprakstīšanai klasiski būtu nepieciešams daudz skaitļu. Piemēram, lai aprakstītu 50 kubitu stāvokli, parasti ir nepieciešami līdz 2^50 cipariem. Ja pareizi izmantojat šo kvantu sistēmu īpašību un aprēķina loģisko transformācijas un pēc tam tās realizēt kvantu datorā, var rast atbildi uz vēlamo jautājumu gadījumā, ja klasiskais dators prasītu daudz laika un atmiņas resursu.
Šķiet, ka jums vajadzētu izveidot dažādus algoritmus sevdažādi uzdevumi - un teorētiski to ir desmitiem, ja ne simtiem. Bet, ja mēs runājam par praksi un ievērojamu (t.i., eksponenciālu) paātrinājumu, kvantu algoritmu izstrāde saskaras ar zināmām barjerām. Un tāpēc jaunu kvantu algoritmu parādīšanās, kas var izraisīt radikālas izmaiņas, ir diezgan reti sastopama: katrā desmitgadē ir tikai 5-10 jauni interesanti kvantu algoritmi.
Galvenās grūtības rada fakts, ka matemātiķu un teorētiķu galvās algoritmi darbojas ideālā datorā. Tomēr īstie kvantu datori nemaz nav imūni pret kļūdām.
Šķēršļi ir saistīti ar to, ka ir ļoti grūti izveidot jaudīgu bezkļūdu kvantu sistēmu:
- Kvantu objekti ir ļoti jutīgi pret mazākoizmaiņas vidē: pat minimāla kvantu informācijas noplūde vidē algoritma izpildes laikā var izraisīt galīgās atbildes izkropļojumus. Un tas neskatoties uz to, ka nosacījumi stabilai kubitu darbībai noteiktos gadījumos ir jāuztur ļoti specifiski: piemēram, temperatūrai jābūt tuvu absolūtai nullei, tas ir, jāatbilst –273,15 °C.
- Troksnis ietekmē aprēķina procesu – sakarā arpastāvīgi pakļaujoties kļūdām, kvantu algoritmā realizējamo operāciju skaits tagad ir ierobežots līdz vairākiem desmitiem, savukārt, lai gūtu uzvaru rūpniecisko problēmu risināšanā, ir jāveic tūkstošiem operāciju.
- Līdz šim nav izdevies izveidot nepieciešamo daudzumubez kļūdām, tas ir, loģiski kubiti. Piemēram, lai aprēķinātu uzņēmuma riskus, kas darbojas vērtspapīru tirgū, ir nepieciešami vismaz 200 loģiskie kubiti, kriptogrāfijas uzlaušanai - aptuveni 6 tūkstoši un finanšu atvasināto instrumentu izmaksu prognozēšanai reālajā laikā - 7,5 tūkstoši sarežģītāki uzdevumi, piemēram, ātri uzlauzt tīklu, Bitcoin vai simulēt jaunus materiālus, jums ir nepieciešami no vairākiem desmitiem līdz simtiem miljonu. Tā kā mūsdienās kvantu ierīcēm nav vairāk par dažiem kļūdām drošiem kubitiem.
Lai tiktu galā ar kvantu troksni, zinātniekipiedāvā dažādas korekcijas metodes – un tās patiešām palīdz samazināt kļūdu līmeni sistēmā. Bet to ietekmi uz aprēķiniem var ievērojami samazināt tikai pēc noteikta laika. Prognozes atšķiras: IonQ norāda uz 2025. gadu, un Google rēķinoties ar 2029.
Cik drīz kvantu algoritmi mainīs mūsu dzīvi?
Kvantu skaitļošana vēl nav skārusi galveno virzienu, tačujau ietekmē dzīves līmeni vai drīz ietekmēs. Piemēram, kvantu dators D-Wave ir parādījis spēju ievērojami paātrināt Losandželosas jūras ostas darbu (kamēr tiek veikti pētījumi par testa datiem), Daimler un IBM Quantum gatavojas izveidot kvantu akumulatorus elektriskajiem transportlīdzekļiem, un RKC un QBoard projekts Rosatom interesēs ir izstrādājuši kvantu algoritmu kodolatkritumu drošai apglabāšanai.
Visātrāk - 2-3 gadu laikā - tie izpaudīsiesvariācijas algoritmi optimizācijas problēmu risināšanai, kas ir plaši pielietojami gandrīz jebkurā nozarē. Šī ir hibrīda skaitļošanas klase: kvantu daļa ir atbildīga par stāvokļa izmaiņām, un klasiskā daļa palīdz stabilizēt šo procesu. Un, tā kā hibrīda modeļus ir daudz vienkāršāk ieviest nekā pilnībā kvantu modeļus, tiem pietiek ar esošo kvantu datoru jaudu. RKC un QBoard projekts izmanto kvantu algoritmus ķīmiskās modelēšanas problēmu risināšanai automobiļu rūpniecības interesēs. Tomēr variācijas algoritmu izstrāde saskaras ar veselu izaicinājumu kopumu. Ceļā uz to ieviešanu visu kvantu skaitļošanas jomu gaida interesanti atklājumi.
Lasīt vairāk:
Ir atrasts vecākais jebkad atrastais kirilicas teksts.
"Web" atrada neticami milzīgu zvaigžņu pēdas: tās nomira Visuma rītausmā
Dīvainas skaņas, kas ierakstītas Zemes stratosfērā: kā zinātnieki cenšas izprast to dabu
Vāka fotoattēls: Starline attēls vietnē Freepik