Kort over kwantumalgoritmen en hun families
Een van de doelstellingen van de ontwikkeling van kwantumtechnologieën is versnelling
Een startpunt in de ontwikkeling van quantum computingdenk aan de jaren 90. Toen al bestonden de eerste algoritmen voor kwantumcomputers, bijvoorbeeld het Deutsch-algoritme, maar die waren vooral van academisch belang. Iets later ontwikkelden de Amerikaanse wetenschappers Peter Shor en Lov Grover twee wezenlijk verschillende, maar vanuit praktisch oogpunt zeer waardevolle kwantumalgoritmen. Het algoritme van Shor overtuigde de wereld ervan dat kwantumtechnologieën zeer reële toepassingen hebben en dat de kwantumcomputer een bedreiging vormt voor moderne methoden voor cryptografische informatiebescherming. En het idee van Grover gaf aan dat je met behulp van quanta sneller door ongestructureerde gegevens kunt zoeken dan met behulp van klassieke technologieën (en, zoals later werd bewezen, met de maximale versnelling die beschikbaar is in deze taak).
Beide ontdekkingen hebben nog niet direct praktisch gebrachteconomische resultaten. Desalniettemin begon het tijdperk van het bestuderen van quants als een toegepast hulpmiddel ermee - en andere algoritmen die in werkelijkheid meer toepasbaar zijn, zijn erop gebaseerd.
Het Zalka-Wiesner-algoritme zal bijvoorbeeld helpennieuwe medicijnen en nieuwe materialen creëren. Ambainis-algoritme - analyseer gegevens, zoals afbeeldingen en teksten. Een andere opmerkelijke uitvinding is het Harrow-Hassidim-Lloyd-algoritme, dat een systeem van lineaire vergelijkingen op kwantumcomputers oplost. Dit zal de verwerking van big data en het modelleren van complexe systemen enorm bevorderen en kan uiteindelijk een volgende stap zijn in de richting van het creëren van sterke kunstmatige intelligentie.
Er ontstaan nieuwe ideeën voor kwantumalgoritmenregelmatig: de meeste staan vermeld op de Quantum Algorithm Zoo-website en implementatievoorbeelden kunnen worden bekeken op Github. Naast de Verenigde Staten en China levert Spanje een grote bijdrage aan deze trend - het leidt de ontwikkeling van financiële algoritmen dankzij de actieve beweging van de startup Multiverse Computing. Engeland heeft succesvolle oplossingen voor spraakherkenning en chemische procesmodellering. Binnenkort zal ook India naam maken: daar worden tal van universitaire opleidingen op kwantumgebied gelanceerd.
Wat de kwantumvooruitgang nog steeds vertraagt
Een kwantumalgoritme dus.Laten we beginnen met het begrijpelijker woord 'algoritme', wat een bepaalde reeks acties betekent, een recept voor het verkrijgen van een bepaald resultaat. Het woord 'kwantum' draagt in dit geval bij aan ons vermogen om bepaalde logische bewerkingen uit te voeren die in de klassieke wereld niet beschikbaar zijn. Dankzij de fenomenen van de kwantumfysica – superpositie en verstrengeling – die gebruik maken van logische bewerkingen op de toestanden van kwantumobjecten, is het mogelijk om complexe kwantumtoestanden te creëren waarvoor klassiek veel getallen nodig zijn om te beschrijven. Om bijvoorbeeld de toestand van 50 qubits te beschrijven, zijn doorgaans maximaal 2^50 getallen vereist. Als je deze eigenschap van kwantumsystemen correct gebruikt en de volgorde van logische transformaties uit te voeren en deze vervolgens op een kwantumcomputer te implementeren, kun je het antwoord op de gewenste vraag vinden in het geval dat een klassieke computer veel tijd en geheugenbronnen zou vergen.
Het lijkt erop dat je voor jezelf verschillende algoritmen maaktverschillende taken, en in theorie zijn dat er al tientallen, zo niet honderden. Maar als het gaat om praktijk en significante (d.w.z. exponentiële) versnelling, stuit de ontwikkeling van kwantumalgoritmen op bepaalde barrières. En daarom is de opkomst van nieuwe kwantumalgoritmen die tot radicale veranderingen kunnen leiden vrij zeldzaam: elk decennium zijn er slechts 5-10 nieuwe interessante kwantumalgoritmen.
De grootste moeilijkheid houdt verband met het feit dat in de hoofden van wiskundigen en theoretici algoritmen op een ideale computer draaien. Echte kwantumcomputers zijn echter helemaal niet foutloos.
De obstakels komen neer op het feit dat het erg moeilijk is om een krachtig, foutloos kwantumsysteem te creëren:
- Kwantumobjecten zijn zeer gevoelig voor het kleinsteomgevingsveranderingen: zelfs minimale lekkage van kwantuminformatie naar de omgeving tijdens de uitvoering van het algoritme kan leiden tot een vertekening van het uiteindelijke antwoord. En dit ondanks het feit dat de voorwaarden voor de stabiele werking van qubits in bepaalde gevallen zeer specifiek moeten worden gehandhaafd: de temperatuur moet bijvoorbeeld dicht bij het absolute nulpunt liggen, dat wil zeggen overeenkomen met -273,15 ° C.
- Ruis beïnvloedt het berekeningsproces - als gevolg vanDoor de constante blootstelling aan fouten is het aantal bewerkingen dat in een kwantumalgoritme kan worden geïmplementeerd nu beperkt tot enkele tientallen, terwijl er duizenden bewerkingen nodig zijn om te winnen bij het oplossen van industriële problemen.
- Tot nu toe is het niet gelukt om het vereiste aantal aan te makenfoutloos, dat wil zeggen logische qubits. Om bijvoorbeeld de risico's te berekenen van een bedrijf dat op de effectenmarkt actief is, zijn minimaal 200 logische qubits nodig, om cryptografie te kraken - ongeveer 6 duizend, en om de waarde van financiële derivaten in realtime te voorspellen - 7,5 duizend. complexere taken zoals het snel hacken van het netwerk, bitcoin of het modelleren van nieuwe materialen vereisen enkele tientallen tot honderden miljoenen. Terwijl kwantumapparaten tegenwoordig niet meer hebben dan eenheden van foutbestendige qubits.
Om met kwantumruis om te gaan, wetenschappersbieden verschillende correctiemethoden aan - en ze helpen echt het foutenniveau in het systeem te verminderen. Maar hun effect op berekeningen kan pas na een bepaalde tijd aanzienlijk worden verminderd. De voorspellingen lopen uiteen: IonQ schat het op 2025, en Google rekenend op 2029.
Hoe snel kwantumalgoritmen ons leven zullen veranderen
Quantum computing heeft nog geen mainstream bereikt, maar...hebben nu al invloed op de levensstandaard – of zullen dat binnenkort gaan doen. De D-Wave-kwantumcomputer heeft bijvoorbeeld aangetoond dat hij het werk in de zeehaven van Los Angeles aanzienlijk kan versnellen (terwijl er onderzoek wordt gedaan naar testgegevens), Daimler en IBM Quantum staan op het punt kwantumbatterijen voor elektrische voertuigen te maken, en RKC en het QBoard-project hebben in het belang van Rosatom een kwantumalgoritme ontwikkeld voor de veilige opslag van kernafval.
Het snelst - binnen 2-3 jaar - zullen zich manifesterenvariatiealgoritmen voor het oplossen van optimalisatieproblemen die breed toepasbaar zijn in vrijwel elke branche. Dit is een hybride computerklasse: het kwantumdeel is verantwoordelijk voor toestandsveranderingen, en het klassieke deel helpt dit proces te stabiliseren. En omdat hybride modellen veel eenvoudiger te implementeren zijn dan volledig kwantummodellen, is de kracht van bestaande kwantumcomputers daarvoor voldoende. RKC en het QBoard-project gebruiken kwantumalgoritmen om chemische modelleringsproblemen op te lossen in het belang van de auto-industrie. De ontwikkeling van variatiealgoritmen kent echter een hele reeks uitdagingen. Op weg naar de implementatie ervan zal het hele veld van quantum computing met interessante ontdekkingen worden geconfronteerd.
Lees verder:
Oudste Cyrillische tekst ooit gevonden
"Webb" vond sporen van ongelooflijk grote sterren: ze stierven aan het begin van het universum
Vreemde geluiden opgenomen in de stratosfeer van de aarde: hoe wetenschappers hun aard proberen te begrijpen
Omslagfoto: Afbeelding door starline op Freepik