Brevemente sobre algoritmos quânticos e suas famílias
Um dos objetivos do desenvolvimento de tecnologias quânticas é acelerar
Um ponto de partida no desenvolvimento da computação quânticaconsidere os anos 90. Já existiam os primeiros algoritmos para computadores quânticos, por exemplo, o algoritmo de Deutsch, mas eram principalmente de interesse acadêmico. Um pouco mais tarde, os cientistas americanos Peter Shor e Lov Grover desenvolveram dois algoritmos quânticos essencialmente diferentes, mas muito valiosos do ponto de vista prático. O algoritmo de Shor convenceu o mundo de que as tecnologias quânticas têm aplicações muito reais e que o computador quântico ameaça os métodos modernos de proteção de informações criptográficas. E a ideia de Grover indicou que, com a ajuda de quanta, você pode pesquisar dados não estruturados mais rapidamente do que com a ajuda de tecnologias clássicas (e, como foi provado posteriormente, com a aceleração máxima disponível nessa tarefa).
Ambas as descobertas ainda não trouxeram benefícios práticos diretosresultados econômicos. No entanto, a era do estudo dos quants como ferramenta aplicada começou com eles - e outros algoritmos mais aplicáveis na realidade são baseados neles.
Por exemplo, o algoritmo Zalka-Wiesner ajudarácriar novos medicamentos e novos materiais. Algoritmo de Ambainis - analisa dados, como imagens e textos. Outra das invenções mais notáveis é o algoritmo Harrow-Hassidim-Lloyd, que resolve um sistema de equações lineares em computadores quânticos. Isso avançará muito no processamento de big data, na modelagem de sistemas complexos e, em última análise, pode ser outro passo para a criação de uma inteligência artificial forte.
Surgem novas ideias para algoritmos quânticosregularmente: a maioria está listada no site do Quantum Algorithm Zoo, e exemplos de implementação podem ser vistos no Github. Além dos Estados Unidos e da China, a Espanha é um grande contribuinte para essa tendência — lidera o desenvolvimento de algoritmos financeiros graças ao movimento ativo da startup Multiverse Computing. A Inglaterra tem soluções de sucesso para reconhecimento de voz e modelagem de processos químicos. Em breve, a Índia também fará seu nome - vários cursos universitários em áreas quânticas estão sendo lançados lá.
O que ainda retarda o progresso quântico
Vamos começar com a palavra mais compreensível "algoritmo", que significa uma certa sequência de ações, uma receitaA palavra "quantum", neste caso, acrescentaSomos capazes de ter certas operações lógicas que não estão disponíveis no mundo clássico.Graças aos fenômenos da física quântica, como superposição e emaranhamento, é possível criar estados quânticos complexos com a ajuda de operações lógicas sobre os estados de objetos quânticos, que classicamente exigiriam muitos números para descrever.Por exemplo, para descrever o estado de 50 qubits, até 2^50 números são geralmente necessários.Se você usar essa propriedade dos sistemas quânticos corretamente, calcular uma sequência de transformações lógicas e, em seguida, implementá-las em um computador quântico, você pode encontrar a respostapara a pergunta certa no caso de um computador clássico exigir muito tempo e recursos de memória.
Parece que você mesmo cria algoritmos diferentes paratarefas diferentes e, em teoria, já existem dezenas, senão centenas, delas. Mas quando se trata de prática e aceleração significativa (ou seja, exponencial), o desenvolvimento de algoritmos quânticos encontra certas barreiras. E, portanto, o surgimento de novos algoritmos quânticos que podem levar a mudanças radicais é bastante raro: a cada década, existem apenas 5 a 10 novos algoritmos quânticos interessantes.
A principal dificuldade está relacionada ao fato de que, na mente de matemáticos e teóricos, os algoritmos rodam em um computador ideal. No entanto, os computadores quânticos reais não são à prova de erros.
Os obstáculos se resumem ao fato de que é muito difícil criar um sistema quântico poderoso e livre de erros:
- Objetos quânticos são muito sensíveis ao menormudanças ambientais: mesmo um vazamento mínimo de informação quântica no ambiente durante a execução do algoritmo pode levar a uma distorção da resposta final. E isso apesar do fato de que as condições para o funcionamento estável dos qubits em certos casos devem ser mantidas muito específicas: por exemplo, a temperatura deve estar próxima do zero absoluto, ou seja, corresponder a -273,15 ° C.
- O ruído afeta o processo de cálculo - devido aexposição constante a erros, o número de operações que podem ser implementadas em um algoritmo quântico está agora limitado a várias dezenas, enquanto milhares de operações são necessárias para vencer na resolução de problemas industriais.
- Até agora, não foi possível criar o número necessáriolivre de erros, ou seja, qubits lógicos. Por exemplo, para calcular os riscos de uma empresa que opera no mercado de valores mobiliários, é necessário um mínimo de 200 qubits lógicos, para quebrar criptografia - cerca de 6 mil, e para prever o valor de derivativos financeiros em tempo real - 7,5 mil. tarefas mais complexas, como hacking rápido da rede, bitcoin ou modelagem de novos materiais, requerem de várias dezenas a centenas de milhões. Considerando que hoje, os dispositivos quânticos não possuem mais do que unidades de qubits à prova de erro.
Para lidar com o ruído quântico, os cientistasoferecem diferentes métodos de correção - e eles realmente ajudam a reduzir o nível de erros no sistema. Mas seu efeito nos cálculos só pode ser reduzido significativamente após um certo tempo. As previsões variam: a IonQ estima isso em 2025 e o Google contando com 2029.
Em quanto tempo os algoritmos quânticos mudarão nossas vidas
A computação quântica ainda não atingiu o mainstream, masjá estão a afectar os padrões de vida – ou irão afectar em breve. Por exemplo, o computador quântico D-Wave mostrou a capacidade de acelerar significativamente o trabalho do porto marítimo de Los Angeles (enquanto pesquisas estão sendo conduzidas em dados de teste), Daimler e IBM Quantum estão prestes a criar baterias quânticas para veículos elétricos, e RKC e o projeto QBoard desenvolveram um algoritmo quântico para descarte seguro de resíduos nucleares no interesse da Rosatom.
Mais rapidamente - dentro de 2 a 3 anos - eles se manifestarãoalgoritmos variacionais para resolver problemas de otimização que são amplamente aplicáveis em quase todos os setores. Esta é uma aula de computação híbrida: a parte quântica é responsável pelas mudanças de estado, e a parte clássica ajuda a estabilizar esse processo. E, como os modelos híbridos são muito mais simples de implementar do que os totalmente quânticos, o poder dos computadores quânticos existentes é suficiente para eles. O RKC e o projeto QBoard usam algoritmos quânticos para resolver problemas de modelagem química no interesse da indústria automotiva. No entanto, o desenvolvimento de algoritmos variacionais enfrenta todo um conjunto de desafios. No caminho para sua implementação, todo o campo da computação quântica enfrentará descobertas interessantes.
Consulte Mais informação:
Texto cirílico mais antigo já encontrado
"Webb" encontrou vestígios de estrelas incrivelmente grandes: elas morreram no início do universo
Sons estranhos gravados na estratosfera da Terra: como os cientistas estão tentando entender sua natureza
Foto da capa: Imagem por starline no Freepik