Kort om kvantealgoritmer og deres familier
Одна из целей развития квантовых технологий — ускорить
Et utgangspunkt i utviklingen av kvanteberegningtenk på 90-tallet. Allerede da eksisterte de første algoritmene for kvantedatamaskiner, for eksempel Deutsch-algoritmen, men de var først og fremst av akademisk interesse. Noe senere utviklet de amerikanske vitenskapsmennene Peter Shor og Lov Grover to vesentlig forskjellige, men svært verdifulle kvantealgoritmer fra et praktisk synspunkt. Shors algoritme overbeviste verden om at kvanteteknologier har svært reelle applikasjoner og at kvantedatamaskinen truer moderne metoder for beskyttelse av kryptografisk informasjon. Og Grovers idé indikerte at ved hjelp av kvanter kan du søke gjennom ustrukturerte data raskere enn ved hjelp av klassiske teknologier (og, som det senere ble bevist, med den maksimale akselerasjonen som er tilgjengelig i denne oppgaven).
Begge funnene har ennå ikke brakt direkte praktiskøkonomiske resultater. Ikke desto mindre begynte æraen med å studere kvanter som et anvendt verktøy med dem - og andre algoritmer som er mer anvendelige i virkeligheten er basert på dem.
For eksempel vil Zalka-Wiesner-algoritmen hjelpelage nye medisiner og nye materialer. Ambainis-algoritme - analyser data, som bilder og tekster. En annen av de mest bemerkelsesverdige oppfinnelsene er Harrow-Hassidim-Lloyd-algoritmen, som løser et system med lineære ligninger på kvantedatamaskiner. Dette vil i stor grad fremme behandlingen av store data, modelleringen av komplekse systemer, og kan til slutt være et nytt skritt mot å skape sterk kunstig intelligens.
Nye ideer for kvantealgoritmer dukker oppregelmessig: de fleste er oppført på nettstedet Quantum Algorithm Zoo, og implementeringseksempler kan ses på Github. I tillegg til USA og Kina, er Spania en stor bidragsyter til denne trenden – den leder utviklingen av finansielle algoritmer takket være den aktive bevegelsen til oppstarten Multiverse Computing. England har vellykkede løsninger for talegjenkjenning og kjemisk prosessmodellering. Snart vil India også gjøre seg bemerket - en rekke universitetskurs i kvanteområder blir lansert der.
Det som fortsatt bremser kvantefremgangen
Итак, квантовый алгоритм. Начнем с более понятного слова «алгоритм», под которым подразумевается некоторая последовательность действий, рецепт по получению определенного результата. Слово «квантовый» в этом случае добавляет нам возможность иметь определенные логические операции, которые недоступны в классическом мире. Благодаря явлениям квантовой физики — суперпозиции и запутанности — при помощи логических операций над состояниями квантовых объектов можно создавать сложные квантовые состояния, для описания которых классически потребовалось бы очень много чисел. Например, для описания состояния 50 кубитов требуется в общем случае до 2^50 чисел. Если правильно использовать такое свойство квантовых систем и рассчитать последовательность логических преобразований, а затем реализовать их на квантовом компьютере, можно найти ответ на нужный вопрос в том случае, когда классическому компьютеру потребовалось бы очень много времени и ресурсов памяти.
Det ser ut til å lage deg forskjellige algoritmer forforskjellige oppgaver, og i teorien er det allerede dusinvis, om ikke hundrevis, av dem. Men når det kommer til praksis og betydelig (dvs. eksponentiell) akselerasjon, støter utviklingen av kvantealgoritmer på visse barrierer. Og derfor er fremveksten av nye kvantealgoritmer som kan føre til radikale endringer ganske sjelden: hvert tiår er det bare 5–10 nye interessante kvantealgoritmer.
Den største vanskeligheten er knyttet til det faktum at i hodet til matematikere og teoretikere kjører algoritmer på en ideell datamaskin. Men ekte kvantedatamaskiner er ikke i det hele tatt feilsikre.
Препятствия сводятся к тому, что создать мощную безошибочную квантовую систему очень трудно:
- Kvanteobjekter er veldig følsomme for det minstemiljøendringer: selv minimal lekkasje av kvanteinformasjon til miljøet under utførelsen av algoritmen kan føre til en forvrengning av det endelige svaret. Og dette til tross for at betingelsene for stabil drift av qubits i visse tilfeller må opprettholdes veldig spesifikke: for eksempel må temperaturen være nær absolutt null, det vil si tilsvare -273,15 ° C.
- Шумы влияют на процесс вычислений — из-за постоянного воздействия ошибок количество операций, которое можно реализовать в квантовом алгоритме, сейчас ограничено несколькими десятками, тогда как для выигрыша при решении индустриальных задач требуются тысячи операций.
- Så langt har det ikke vært mulig å opprette det nødvendige antalletfeilfri, det vil si logiske qubits. For eksempel, for å beregne risikoen for et selskap som opererer i verdipapirmarkedet, kreves det minimum 200 logiske qubits, for å knekke kryptografi - omtrent 6 tusen, og forutsi verdien av finansielle derivater i sanntid - 7,5 tusen. For selv mer komplekse oppgaver som rask hacking av nettverket, bitcoin eller modellering av nye materialer krever fra flere titalls til hundrevis av millioner. Mens kvanteenheter i dag ikke har mer enn enheter med feilsikre qubits.
Чтобы справиться с квантовыми шумами, ученые предлагают разные методы коррекции, — и они действительно позволяют снизить уровень ошибок в системе. Но значительно уменьшить их эффект на вычисления смогут лишь через определенное время. Прогнозы варьируются: IonQ ставит на 2025 год, а Google рассчитывает на 2029-й.
Hvor raskt vil kvantealgoritmer forandre livene våre
Квантовые вычисления еще не стали массовыми, но уже влияют на уровень жизни — или повлияют в скором времени. К примеру, квантовый вычислитель D-Wave показал возможность в разы ускорить работу морского порта Лос-Анджелеса (пока проводятся исследования на тестовых данных), Daimler с IBM Quantum вот-вот создадут квантовые батареи для электромобилей, а РКЦ и проект QBoard разработали квантовый алгоритм для безопасного захоронения ядерных отходов в интересах Росатома.
Быстрее всего — в течение 2-3 лет — себя проявят вариационные алгоритмы для решения оптимизационных задач, широко применимых практически в любой отрасли. Это гибридный класс вычислений: квантовая часть отвечает за изменения состояния, а классическая часть помогает стабилизировать этот процесс. И, поскольку гибридные модели намного проще в реализации, чем полностью квантовые, для них достаточно мощностей уже существующих квантовых компьютеров. РКЦ и проект QBoard используют квантовые алгоритмы при решении задач химического моделирования в интересах автомобильной индустрии. Однако разработка вариационных алгоритмов сталкивается с целым набором вызовов. На пути к их внедрению всю область квантовых вычислений ждут интересные открытия.
Les mer:
Eldste kyrilliske tekst noensinne funnet
"Webb" fant spor av utrolig store stjerner: de døde ved universets morgen
Merkelige lyder registrert i jordens stratosfære: hvordan forskere prøver å forstå deres natur
Forsidebilde: Bilde av starline på Freepik