Krótko o algorytmach kwantowych i ich rodzinach
Jednym z celów rozwoju technologii kwantowych jest przyspieszenie
Punkt wyjścia w rozwoju obliczeń kwantowychrozważ lata 90. Już wtedy istniały pierwsze algorytmy dla komputerów kwantowych, na przykład algorytm Deutscha, ale były one głównie przedmiotem zainteresowania akademickiego. Nieco później amerykańscy naukowcy Peter Shor i Lov Grover opracowali dwa zasadniczo różne, ale bardzo wartościowe algorytmy kwantowe z praktycznego punktu widzenia. Algorytm Shora przekonał świat, że technologie kwantowe mają bardzo realne zastosowania i że komputer kwantowy zagraża nowoczesnym metodom ochrony informacji kryptograficznych. A pomysł Grovera wskazywał, że za pomocą kwantów można przeszukiwać nieustrukturyzowane dane szybciej niż za pomocą klasycznych technologii (i, jak się później okazało, z maksymalnym przyspieszeniem dostępnym w tym zadaniu).
Oba odkrycia nie przyniosły jeszcze bezpośredniego praktycznego zastosowaniawyniki ekonomiczne. Niemniej jednak wraz z nimi rozpoczęła się era badania kwantów jako narzędzia stosowanego - i na nich opierają się inne algorytmy, które mają większe zastosowanie w rzeczywistości.
Pomoże na przykład algorytm Zalka-Wiesneratworzyć nowe leki i nowe materiały. Algorytm Ambainisa - analizuj dane, takie jak obrazy i teksty. Innym z najbardziej godnych uwagi wynalazków jest algorytm Harrow-Chassidim-Lloyd, który rozwiązuje układ równań liniowych na komputerach kwantowych. To znacznie przyspieszy przetwarzanie dużych zbiorów danych, modelowanie złożonych systemów, a docelowo może być kolejnym krokiem w kierunku stworzenia silnej sztucznej inteligencji.
Pojawiają się nowe pomysły na algorytmy kwantoweregularnie: większość z nich jest wymieniona na stronie Quantum Algorithm Zoo, a przykłady implementacji można zerknąć na Githubie. Oprócz Stanów Zjednoczonych i Chin duży wkład w ten trend ma Hiszpania — przewodzi rozwojowi algorytmów finansowych dzięki aktywnemu ruchowi startupu Multiverse Computing. Anglia ma udane rozwiązania do rozpoznawania mowy i modelowania procesów chemicznych. Wkrótce sławę zyskają także Indie — uruchamiane są tam liczne kursy uniwersyteckie z dziedzin kwantowych.
Co wciąż spowalnia postęp kwantowy
A więc algorytm kwantowy.Zacznijmy od bardziej zrozumiałego słowa „algorytm”, które oznacza określoną sekwencję działań, przepis na uzyskanie określonego wyniku. Słowo „kwantowy” w tym przypadku zwiększa naszą zdolność do wykonywania pewnych operacji logicznych, które nie są dostępne w świecie klasycznym. Dzięki zjawiskom fizyki kwantowej – superpozycji i splątaniu – wykorzystując operacje logiczne na stanach obiektów kwantowych, możliwe jest tworzenie złożonych stanów kwantowych, których opis klasycznie wymagałby dużej liczby liczb. Na przykład, aby opisać stan 50 kubitów, potrzeba ogólnie do 2^50 liczb. Jeśli poprawnie wykorzystasz tę właściwość układów kwantowych i obliczysz ciąg logiczny transformacji, a następnie zaimplementować je na komputerze kwantowym, można znaleźć odpowiedź na zadane pytanie w przypadku, gdy klasyczny komputer wymagałby dużo czasu i zasobów pamięci.
Wydawałoby się, że tworzysz sobie różne algorytmy dlaróżnych zadań, a w teorii są ich już dziesiątki, jeśli nie setki. Ale jeśli chodzi o praktykę i znaczące (tj. wykładnicze) przyspieszenie, rozwój algorytmów kwantowych napotyka pewne bariery. Dlatego pojawienie się nowych algorytmów kwantowych, które mogą prowadzić do radykalnych zmian, jest raczej rzadkie: co dekadę pojawia się tylko 5–10 nowych, interesujących algorytmów kwantowych.
Główna trudność polega na tym, że w umysłach matematyków i teoretyków algorytmy działają na idealnym komputerze. Jednak prawdziwe komputery kwantowe wcale nie są odporne na błędy.
Przeszkody sprowadzają się do tego, że bardzo trudno jest stworzyć potężny, wolny od błędów układ kwantowy:
- Obiekty kwantowe są bardzo wrażliwe na najdrobniejsze szczegółyzmiany środowiskowe: nawet minimalny wyciek informacji kwantowej do środowiska podczas wykonywania algorytmu może doprowadzić do zniekształcenia ostatecznej odpowiedzi. I to pomimo faktu, że warunki stabilnej pracy kubitów w niektórych przypadkach muszą być utrzymywane bardzo specyficznie: na przykład temperatura musi być bliska zeru bezwzględnemu, czyli odpowiadać -273,15°C.
- Hałas wpływa na proces obliczeniowy - z powoduciągłe narażenie na błędy, liczba operacji możliwych do zrealizowania w algorytmie kwantowym jest obecnie ograniczona do kilkudziesięciu, a wygrana w rozwiązywaniu problemów przemysłowych wymaga tysięcy operacji.
- Do tej pory nie udało się stworzyć wymaganej liczbybezbłędne, czyli kubity logiczne. Np. do obliczenia ryzyka firmy działającej na rynku papierów wartościowych potrzeba minimum 200 kubitów logicznych, do złamania kryptografii – ok. 6 tys., a do przewidywania wartości finansowych instrumentów pochodnych w czasie rzeczywistym – 7,5 tys. bardziej złożone zadania jak szybkie hakowanie sieci, bitcoinów czy modelowanie nowych materiałów wymagają od kilkudziesięciu do kilkuset milionów. Podczas gdy dzisiaj urządzenia kwantowe mają nie więcej niż jednostki kubitów odpornych na błędy.
Aby uporać się z szumem kwantowym, naukowcyoferują różne metody korekcji - i naprawdę pomagają zmniejszyć poziom błędów w systemie. Ale ich wpływ na obliczenia można znacznie zmniejszyć dopiero po pewnym czasie. Prognozy są różne: IonQ szacuje, że będzie to rok 2025, a Google licząc na rok 2029.
Jak szybko algorytmy kwantowe zmienią nasze życie
Obliczenia kwantowe nie weszły jeszcze do głównego nurtu, alejuż wpływają na poziom życia – lub wkrótce to nastąpi. Przykładowo komputer kwantowy D-Wave wykazał zdolność do znacznego przyspieszenia pracy portu morskiego w Los Angeles (w czasie badań na danych testowych), Daimler i IBM Quantum mają zamiar stworzyć baterie kwantowe do pojazdów elektrycznych, a RKC i projekt QBoard opracowały algorytm kwantowy do bezpiecznego usuwania odpadów nuklearnych w interesie Rosatom.
Najszybciej - w ciągu 2-3 lat - ujawnią sięwariacyjne algorytmy rozwiązywania problemów optymalizacyjnych, które mają szerokie zastosowanie w niemal każdej branży. To jest klasa obliczeń hybrydowych: część kwantowa odpowiada za zmiany stanu, a część klasyczna pomaga ustabilizować ten proces. A ponieważ modele hybrydowe są znacznie prostsze w realizacji niż modele w pełni kwantowe, moc istniejących komputerów kwantowych jest dla nich wystarczająca. RKC i projekt QBoard wykorzystują algorytmy kwantowe do rozwiązywania problemów związanych z modelowaniem chemicznym w interesie przemysłu motoryzacyjnego. Jednakże rozwój algorytmów wariacyjnych napotyka cały szereg wyzwań. W drodze do ich wdrożenia całą dziedzinę obliczeń kwantowych czekają ciekawe odkrycia.
Czytaj więcej:
Najstarszy tekst cyrylicy, jaki kiedykolwiek znaleziono
„Webb” znalazł ślady niewiarygodnie ogromnych gwiazd: umarły u zarania wszechświata
Dziwne dźwięki zarejestrowane w stratosferze Ziemi: jak naukowcy próbują zrozumieć ich naturę
Zdjęcie na okładce: Zdjęcie autorstwa starline na Freepik