Stručne o kvantových algoritmoch a ich rodinách
Jedným z cieľov rozvoja kvantových technológií je zrýchlenie
Východiskový bod vo vývoji kvantových počítačovzvážte 90. roky. Už vtedy existovali prvé algoritmy pre kvantové počítače, napríklad algoritmus Deutsch, ale boli v prvom rade akademického záujmu. O niečo neskôr americkí vedci Peter Shor a Lov Grover vyvinuli dva v podstate odlišné, ale z praktického hľadiska veľmi cenné kvantové algoritmy. Shorov algoritmus presvedčil svet, že kvantové technológie majú veľmi reálne využitie a že kvantový počítač ohrozuje moderné metódy ochrany kryptografických informácií. A Groverova myšlienka naznačovala, že pomocou kvantá môžete vyhľadávať v neštruktúrovaných dátach rýchlejšie ako pomocou klasických technológií (a ako sa neskôr ukázalo, s maximálnym zrýchlením, ktoré je v tejto úlohe k dispozícii).
Oba objavy zatiaľ nepriniesli priamu praxhospodárske výsledky. Napriek tomu sa nimi začala éra štúdia kvantity ako aplikovaného nástroja – a na nich sú založené ďalšie v realite použiteľnejšie algoritmy.
Pomôže napríklad Zalka-Wiesnerov algoritmusvytvárať nové lieky a nové materiály. Algoritmus Ambainis – analyzuje dáta, ako sú obrázky a texty. Ďalším z najvýznamnejších vynálezov je algoritmus Harrow-Hassidim-Lloyd, ktorý rieši systém lineárnych rovníc na kvantových počítačoch. To výrazne posunie spracovanie veľkých dát, modelovanie zložitých systémov a v konečnom dôsledku to môže byť ďalší krok k vytvoreniu silnej umelej inteligencie.
Objavujú sa nové nápady pre kvantové algoritmypravidelne: väčšina je uvedená na webovej stránke Quantum Algorithm Zoo a príklady implementácie si môžete pozrieť na Github. Okrem Spojených štátov a Číny k tomuto trendu výrazne prispieva Španielsko, ktoré vedie vývoj finančných algoritmov vďaka aktívnemu pohybu startupu Multiverse Computing. Anglicko má úspešné riešenia pre rozpoznávanie reči a modelovanie chemických procesov. Čoskoro sa preslávi aj India – tam sa spúšťajú početné univerzitné kurzy v kvantových oblastiach.
Čo stále spomaľuje kvantový pokrok
Takže kvantový algoritmus.Začnime zrozumiteľnejším slovom „algoritmus“, čo znamená určitú postupnosť akcií, recept na dosiahnutie určitého výsledku. Slovo „kvantový“ v tomto prípade pridáva na našej schopnosti mať určité logické operácie, ktoré nie sú dostupné v klasickom svete. Vďaka fenoménom kvantovej fyziky – superpozícii a previazanosti – pomocou logických operácií na stavoch kvantových objektov je možné vytvárať zložité kvantové stavy, ktorých popis by klasicky vyžadoval veľa čísel. Napríklad na opísanie stavu 50 qubitov je vo všeobecnosti potrebných až 2^50 čísel. Ak správne použijete túto vlastnosť kvantových systémov a vypočítate postupnosť logických transformácií a následne ich implementovať na kvantovom počítači, môžete nájsť odpoveď na požadovanú otázku v prípade, že by klasický počítač vyžadoval veľa času a pamäťových zdrojov.
Zdalo by sa, že si vytvoríte rôzne algoritmyrôzne úlohy a teoreticky sú ich už desiatky, ak nie stovky. Ale pokiaľ ide o prax a výrazné (t. j. exponenciálne) zrýchlenie, vývoj kvantových algoritmov naráža na určité bariéry. A preto je vznik nových kvantových algoritmov, ktoré môžu viesť k radikálnym zmenám, pomerne zriedkavý: každé desaťročie existuje iba 5–10 nových zaujímavých kvantových algoritmov.
Hlavný problém súvisí so skutočnosťou, že v mysliach matematikov a teoretikov fungujú algoritmy na ideálnom počítači. Skutočné kvantové počítače však vôbec nie sú odolné voči chybám.
Prekážky sa scvrkávali na skutočnosť, že je veľmi ťažké vytvoriť výkonný kvantový systém bez chýb:
- Kvantové objekty sú veľmi citlivé na najmenšiezmeny prostredia: aj minimálny únik kvantových informácií do prostredia počas vykonávania algoritmu môže viesť k skresleniu konečnej odpovede. A to aj napriek tomu, že podmienky pre stabilnú prevádzku qubitov musia byť v určitých prípadoch udržiavané veľmi špecifické: napríklad teplota musí byť blízka absolútnej nule, to znamená -273,15 ° C.
- Hluk ovplyvňuje proces výpočtu - kvôlineustále vystavenie chybám, počet operácií, ktoré je možné implementovať v kvantovom algoritme, je teraz obmedzený na niekoľko desiatok, zatiaľ čo víťazstvo v riešení priemyselných problémov si vyžaduje tisíce operácií.
- Doteraz sa nepodarilo vytvoriť požadovaný početbezchybné, teda logické qubity. Napríklad na výpočet rizík spoločnosti pôsobiacej na trhu cenných papierov je potrebných minimálne 200 logických qubitov, na prelomenie kryptografie - asi 6 tisíc a na predpovedanie hodnoty finančných derivátov v reálnom čase - 7,5 tisíc. zložitejšie úlohy ako rýchle hacknutie siete, bitcoin alebo modelovanie nových materiálov si vyžadujú niekoľko desiatok až stoviek miliónov. Zatiaľ čo dnes kvantové zariadenia nemajú viac ako jednotky qubitov odolných voči chybám.
Vedci, aby sa vysporiadali s kvantovým šumomponúkajú rôzne metódy korekcie – a skutočne pomáhajú znižovať úroveň chýb v systéme. Ale ich vplyv na výpočty sa výrazne zníži až po určitom čase. Prognózy sa líšia: IonQ to uvádza na rok 2025 a Google počítajúc do roku 2029.
Ako skoro kvantové algoritmy zmenia naše životy
Kvantová výpočtová technika sa ešte nedostala do hlavného prúdu, aleuž ovplyvňujú životnú úroveň – alebo čoskoro budú. Napríklad kvantový počítač D-Wave ukázal schopnosť výrazne zrýchliť prácu námorného prístavu v Los Angeles (zatiaľ čo prebieha výskum na testovacích údajoch), Daimler a IBM Quantum sa chystajú vytvoriť kvantové batérie pre elektrické vozidlá a RKC a projekt QBoard vyvinuli kvantový algoritmus na bezpečnú likvidáciu jadrového odpadu v záujme Rosatomu.
Najrýchlejšie - do 2-3 rokov - sa prejaviavariačné algoritmy na riešenie optimalizačných problémov, ktoré sú široko použiteľné takmer v každom odvetví. Toto je hybridná výpočtová trieda: kvantová časť je zodpovedná za zmeny stavu a klasická časť pomáha stabilizovať tento proces. A keďže hybridné modely sú oveľa jednoduchšie na implementáciu ako plne kvantové, výkon existujúcich kvantových počítačov je pre ne dostatočný. RKC a projekt QBoard využívajú kvantové algoritmy na riešenie problémov chemického modelovania v prospech automobilového priemyslu. Vývoj variačných algoritmov však čelí celému radu výziev. Na ceste k ich implementácii čaká celá oblasť kvantových počítačov zaujímavé objavy.
Čítaj viac:
Najstarší cyrilický text, aký sa kedy našiel
"Webb" našiel stopy neuveriteľne obrovských hviezd: zomreli na úsvite vesmíru
Podivné zvuky zaznamenané v stratosfére Zeme: ako sa vedci snažia pochopiť ich povahu
Titulná fotografia: Obrázok od starline na Freepiku