Pe scurt despre algoritmii cuantici și familiile lor
Unul dintre obiectivele dezvoltării tehnologiilor cuantice este accelerarea
Un punct de plecare în dezvoltarea calculului cuanticluați în considerare anii 90. Chiar și atunci, primii algoritmi pentru calculatoarele cuantice au existat, de exemplu, algoritmul Deutsch, dar au fost în primul rând de interes academic. Ceva mai târziu, oamenii de știință americani Peter Shor și Lov Grover au dezvoltat doi algoritmi cuantici esențial diferiți, dar foarte valoroși din punct de vedere practic. Algoritmul lui Shor a convins lumea că tehnologiile cuantice au aplicații foarte reale și că computerul cuantic amenință metodele moderne de protecție a informațiilor criptografice. Iar ideea lui Grover a indicat că, cu ajutorul cuantelor, puteți căuta prin date nestructurate mai rapid decât cu ajutorul tehnologiilor clasice (și, după cum s-a dovedit mai târziu, cu accelerația maximă disponibilă în această sarcină).
Ambele descoperiri nu au adus încă practică directărezultate economice. Cu toate acestea, epoca studierii cuantilor ca instrument aplicat a început cu ei - și alți algoritmi care sunt mai aplicabili în realitate se bazează pe ei.
De exemplu, algoritmul Zalka-Wiesner va ajutaa crea noi medicamente și noi materiale. Algoritmul Ambainis - analizează date, cum ar fi imagini și texte. O alta dintre cele mai notabile invenții este algoritmul Harrow-Hassidim-Lloyd, care rezolvă un sistem de ecuații liniare pe computere cuantice. Acest lucru va avansa foarte mult în procesarea datelor mari, modelarea sistemelor complexe și, în cele din urmă, poate fi un alt pas către crearea unei inteligențe artificiale puternice.
Apar noi idei pentru algoritmi cuanticiîn mod regulat: majoritatea sunt listate pe site-ul web Quantum Algorithm Zoo, iar exemplele de implementare pot fi văzute pe Github. Pe lângă Statele Unite și China, Spania este o mare contribuție la această tendință – conduce dezvoltarea algoritmilor financiari datorită mișcării active a startup-ului Multiverse Computing. Anglia are soluții de succes pentru recunoașterea vorbirii și modelarea proceselor chimice. În curând, India își va face și un nume – acolo sunt lansate numeroase cursuri universitare în domenii cuantice.
Ceea ce încă încetinește progresul cuantic
Deci, un algoritm cuantic.Să începem cu cuvântul mai ușor de înțeles „algoritm”, care înseamnă o anumită secvență de acțiuni, o rețetă pentru obținerea unui anumit rezultat. Cuvântul „cuantic” în acest caz se adaugă la capacitatea noastră de a avea anumite operații logice care nu sunt disponibile în lumea clasică. Datorită fenomenelor de fizică cuantică - suprapunere și încurcare - folosind operații logice asupra stărilor obiectelor cuantice, este posibil să se creeze stări cuantice complexe care ar necesita în mod clasic o mulțime de numere pentru a descrie. De exemplu, pentru a descrie starea a 50 de qubiți, în general, sunt necesare până la 2^50 de numere. Dacă utilizați corect această proprietate a sistemelor cuantice și calculați secvența de transformări și apoi implementați-le pe un computer cuantic, puteți găsi răspunsul la întrebarea dorită în cazul în care un computer clasic ar necesita mult timp și resurse de memorie.
S-ar părea că creați-vă diferiți algoritmi pentrusarcini diferite, iar în teorie există deja zeci, dacă nu sute, dintre ele. Dar când vine vorba de practică și de accelerare semnificativă (adică, exponențială), dezvoltarea algoritmilor cuantici se confruntă cu anumite bariere. Și, prin urmare, apariția de noi algoritmi cuantici care pot duce la schimbări radicale este destul de rară: în fiecare deceniu există doar 5-10 noi algoritmi cuantici interesanți.
Principala dificultate este legată de faptul că, în mintea matematicienilor și teoreticienilor, algoritmii rulează pe un computer ideal. Cu toate acestea, computerele cuantice reale nu sunt deloc rezistente la erori.
Obstacolele se rezumă la faptul că este foarte dificil să creezi un sistem cuantic puternic, fără erori:
- Obiectele cuantice sunt foarte sensibile la cel mai micschimbări de mediu: chiar și scurgerea minimă a informațiilor cuantice în mediu în timpul execuției algoritmului poate duce la denaturarea răspunsului final. Și asta, în ciuda faptului că condițiile pentru funcționarea stabilă a qubiților în anumite cazuri trebuie menținute foarte specifice: de exemplu, temperatura trebuie să fie aproape de zero absolut, adică să corespundă cu -273,15 ° C.
- Zgomotul afectează procesul de calcul - datorităexpunere constantă la erori, numărul de operațiuni care pot fi implementate într-un algoritm cuantic este acum limitat la câteva zeci, în timp ce câștigarea în rezolvarea problemelor industriale necesită mii de operațiuni.
- Până acum, nu a fost posibil să se creeze numărul necesarfără erori, adică qubiți logici. De exemplu, pentru a calcula riscurile unei companii care operează pe piața valorilor mobiliare, este necesar un minim de 200 de qubiți logici, pentru a sparge criptografia - aproximativ 6 mii și pentru a prezice valoarea derivatelor financiare în timp real - 7,5 mii. Pentru sarcini și mai complexe, cum ar fi piratarea rapidă a unei rețele, bitcoin sau modelarea de materiale noi, aveți nevoie de la câteva zeci la sute de milioane. În timp ce astăzi, dispozitivele cuantice nu au mai mult de unități de qubiți rezistenți la erori.
Pentru a face față zgomotului cuantic, oameni de științăoferă diferite metode de corectare - și ajută cu adevărat la reducerea nivelului de erori din sistem. Dar efectul lor asupra calculelor va fi redus semnificativ numai după un anumit timp. Prognozele variază: IonQ îl pune în 2025, iar Google numărând pe 2029.
Cât de curând algoritmii cuantici ne vor schimba viața
Calculul cuantic nu a ajuns încă în curentul mainstream, darafectează deja standardele de trai – sau vor fi în curând. De exemplu, computerul cuantic D-Wave a demonstrat capacitatea de a accelera semnificativ activitatea portului maritim din Los Angeles (în timp ce cercetările sunt efectuate pe datele de testare), Daimler și IBM Quantum sunt pe cale să creeze baterii cuantice pentru vehicule electrice și RKC și proiectul QBoard au dezvoltat un algoritm cuantic pentru eliminarea în siguranță a deșeurilor nucleare în interesul Rosatom.
Cel mai repede - în decurs de 2-3 ani - se vor manifestaalgoritmi variaționali pentru rezolvarea problemelor de optimizare care sunt aplicabile pe scară largă în aproape orice industrie. Aceasta este o clasă de calcul hibrid: partea cuantică este responsabilă de schimbările de stare, iar partea clasică ajută la stabilizarea acestui proces. Și, deoarece modelele hibride sunt mult mai simplu de implementat decât cele complet cuantice, puterea computerelor cuantice existente este suficientă pentru ele. RKC și proiectul QBoard folosesc algoritmi cuantici pentru a rezolva problemele de modelare chimică în beneficiul industriei auto. Cu toate acestea, dezvoltarea algoritmilor variaționali se confruntă cu un întreg set de provocări. Pe drumul spre implementarea lor, întregul domeniu al calculului cuantic este pregătit pentru descoperiri interesante.
Citeste mai mult:
Cel mai vechi text chirilic găsit vreodată
„Webb” a găsit urme de stele incredibil de uriașe: au murit în zorii universului
Sunete ciudate înregistrate în stratosfera Pământului: cum încearcă oamenii de știință să le înțeleagă natura
Fotografie de copertă: Imagine de starline pe Freepik