ไม่ใช่แค่ชอร์และโกรเวอร์: มีอัลกอริธึมควอนตัมอะไรบ้าง

สั้น ๆ เกี่ยวกับอัลกอริทึมควอนตัมและครอบครัวของพวกเขา

เป้าหมายประการหนึ่งของการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมคือการเร่งความเร็ว

คำนวณนับแสนล้านครั้งเพื่อให้การค้นหาวิธีแก้ไขปัญหาต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นการคำนวณโครงสร้างของวัสดุหรือการเพิ่มประสิทธิภาพพอร์ตการลงทุน ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น - และเพื่อให้มนุษยชาติเริ่มสำรวจขอบเขตใหม่

จุดเริ่มต้นในการพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์พิจารณายุค 90 ถึงอย่างนั้น อัลกอริทึมแรกสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมก็มีอยู่ เช่น อัลกอริทึมของ Deutsch แต่ก็เป็นที่สนใจทางวิชาการเป็นหลัก ในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Peter Shor และ Lov Grover ได้พัฒนาอัลกอริธึมควอนตัมที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน แต่มีค่ามากจากมุมมองที่ใช้งานได้จริง อัลกอริทึมของ Shor ทำให้โลกเชื่อว่าเทคโนโลยีควอนตัมมีการใช้งานจริง และคอมพิวเตอร์ควอนตัมคุกคามวิธีการสมัยใหม่ในการป้องกันข้อมูลเข้ารหัส และแนวคิดของโกรเวอร์ระบุว่าด้วยความช่วยเหลือของควอนตัม คุณสามารถค้นหาผ่านข้อมูลที่ไม่มีโครงสร้างได้เร็วกว่าความช่วยเหลือจากเทคโนโลยีแบบดั้งเดิม (และตามที่ได้มีการพิสูจน์ในภายหลัง ด้วยความเร่งสูงสุดที่มีในงานนี้)

การค้นพบทั้งสองยังไม่ได้นำไปสู่การปฏิบัติโดยตรงผลลัพธ์ทางเศรษฐกิจ อย่างไรก็ตาม ยุคของการศึกษาควอนต์ในฐานะเครื่องมือประยุกต์ได้เริ่มต้นขึ้น และอัลกอริทึมอื่นๆ

ตัวอย่างเช่น อัลกอริทึม Zalka-Wiesner จะช่วยได้สร้างยาใหม่และวัสดุใหม่ อัลกอริทึม Ambainis - วิเคราะห์ข้อมูล เช่น รูปภาพและข้อความ สิ่งประดิษฐ์ที่โดดเด่นที่สุดอีกชิ้นหนึ่งคืออัลกอริธึม Harrow-Hassidim-Lloyd ซึ่งแก้ระบบสมการเชิงเส้นบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม สิ่งนี้จะช่วยยกระดับการประมวลผลข้อมูลขนาดใหญ่ การสร้างแบบจำลองของระบบที่ซับซ้อน และท้ายที่สุดอาจเป็นอีกก้าวหนึ่งสู่การสร้างปัญญาประดิษฐ์ที่แข็งแกร่ง

แนวคิดใหม่สำหรับอัลกอริทึมควอนตัมเกิดขึ้นเป็นประจำ: ส่วนใหญ่แสดงอยู่ในเว็บไซต์ Quantum Algorithm Zoo และสามารถดูตัวอย่างการใช้งานได้ที่ Github นอกจากสหรัฐอเมริกาและจีนแล้ว สเปนยังเป็นผู้สนับสนุนหลักให้กับเทรนด์นี้ — มันเป็นผู้นำในการพัฒนาอัลกอริทึมทางการเงินด้วยการเคลื่อนไหวอย่างแข็งขันของสตาร์ทอัพ Multiverse Computing อังกฤษมีโซลูชันที่ประสบความสำเร็จสำหรับการรู้จำเสียงและการสร้างแบบจำลองกระบวนการทางเคมี เร็วๆ นี้ อินเดียจะสร้างชื่อให้กับตัวเองเช่นกัน โดยมีการเปิดสอนหลักสูตรมหาวิทยาลัยหลายแห่งในสาขาควอนตัมที่นั่น

อะไรที่ทำให้ความก้าวหน้าของควอนตัมช้าลง?

ดังนั้น อัลกอริธึมควอนตัมเริ่มจากคำว่า "อัลกอริทึม" ที่เข้าใจง่ายกว่าซึ่งหมายถึงลำดับของการกระทำซึ่งเป็นสูตรเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แน่นอน คำว่า "ควอนตัม" ในกรณีนี้เพิ่มความสามารถของเราในการดำเนินการเชิงตรรกะบางอย่างที่ไม่มีในโลกคลาสสิก ต้องขอบคุณปรากฏการณ์ของฟิสิกส์ควอนตัม - การซ้อนและการพัวพัน - โดยใช้การดำเนินการเชิงตรรกะกับสถานะของวัตถุควอนตัม จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างสถานะควอนตัมที่ซับซ้อนซึ่งในแบบดั้งเดิมต้องใช้ตัวเลขจำนวนมากในการอธิบาย ตัวอย่างเช่น ในการอธิบายสถานะของ 50 qubit โดยทั่วไป ต้องใช้ตัวเลขสูงสุด 2^50 ตัว หากคุณใช้คุณสมบัติของระบบควอนตัมนี้อย่างถูกต้องและคำนวณลำดับของตรรกะ  การแปลงแล้วนำไปใช้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัม คุณจะพบคำตอบสำหรับคำถามที่ต้องการในกรณีที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกต้องใช้เวลาและทรัพยากรหน่วยความจำมาก

ดูเหมือนว่าคุณควรสร้างอัลกอริธึมที่แตกต่างกันสำหรับตัวคุณเองงานที่แตกต่างกัน - และตามทฤษฎีแล้วมีงานหลายสิบหรือไม่ใช่หลายร้อยงาน แต่หากเรากำลังพูดถึงการฝึกฝนและการเร่งความเร็วที่สำคัญ (เช่น เอ็กซ์โพเนนเชียล) การพัฒนาอัลกอริธึมควอนตัมจะต้องเผชิญกับอุปสรรคบางประการ ดังนั้นการเกิดขึ้นของอัลกอริธึมควอนตัมใหม่ที่สามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงจึงค่อนข้างหายาก: ในแต่ละทศวรรษจะมีอัลกอริธึมควอนตัมใหม่ที่น่าสนใจเพียง 5-10 อัลกอริธึมเท่านั้น

ปัญหาหลักเกิดจากการที่อัลกอริธึมทำงานบนคอมพิวเตอร์ในอุดมคติในหัวของนักคณิตศาสตร์และนักทฤษฎี อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมจริงไม่สามารถต้านทานข้อผิดพลาดได้

อุปสรรคสำคัญอยู่ที่ความจริงที่ว่าเป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างระบบควอนตัมอันทรงพลังที่ปราศจากข้อผิดพลาด: 

• วัตถุควอนตัมมีความไวต่อสิ่งเล็กน้อยมากการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อม: แม้แต่การรั่วไหลของข้อมูลควอนตัมสู่สิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อยในระหว่างการทำงานของอัลกอริทึมก็สามารถนำไปสู่การบิดเบือนคำตอบสุดท้ายได้ และแม้ว่าเงื่อนไขสำหรับการทำงานที่เสถียรของคิวบิตในบางกรณีจะต้องได้รับการดูแลอย่างเฉพาะเจาะจงมาก ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิจะต้องใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ นั่นคือ สอดคล้องกับ –273.15 °C
• เสียงรบกวนส่งผลต่อกระบวนการคำนวณ - เนื่องจากการได้รับข้อผิดพลาดอย่างต่อเนื่อง ทำให้จำนวนการดำเนินการที่สามารถนำไปใช้ในอัลกอริธึมควอนตัมปัจจุบันถูกจำกัดอยู่หลายสิบครั้ง ในขณะที่การชนะในการแก้ปัญหาทางอุตสาหกรรมนั้นต้องใช้การดำเนินการหลายพันครั้ง
• จนถึงขณะนี้ยังไม่สามารถสร้างปริมาณที่ต้องการได้ปราศจากข้อผิดพลาด นั่นคือ คิวบิตเชิงตรรกะ ตัวอย่างเช่น ในการคำนวณความเสี่ยงของบริษัทที่ดำเนินงานในตลาดหลักทรัพย์ ต้องใช้ลอจิคัลคิวบิตขั้นต่ำ 200 คิวบิต เพื่อถอดรหัสการเข้ารหัส - ประมาณ 6,000 และเพื่อคาดการณ์ต้นทุนของอนุพันธ์ทางการเงินแบบเรียลไทม์ - 7.5 พัน สำหรับคู่ งานที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น แฮ็กเครือข่าย Bitcoin หรือจำลองวัสดุใหม่อย่างรวดเร็ว คุณต้องการตั้งแต่หลายสิบถึงหลายร้อยล้าน ในขณะที่อุปกรณ์ควอนตัมในปัจจุบันไม่มีคิวบิตที่ป้องกันข้อผิดพลาดเกินสองสามตัว

เพื่อจัดการกับสัญญาณรบกวนควอนตัม นักวิทยาศาสตร์เสนอวิธีการแก้ไขที่แตกต่างกัน - และช่วยลดระดับข้อผิดพลาดในระบบได้อย่างแท้จริง แต่ผลกระทบต่อการคำนวณจะลดลงอย่างมากหลังจากผ่านไประยะหนึ่งเท่านั้น การคาดการณ์แตกต่างกันไป: IonQ กำหนดให้เป็นปี 2025 และ Google  นับถึงปี 2029

อัลกอริธึมควอนตัมจะเปลี่ยนชีวิตเราเร็วแค่ไหน?

คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังไม่เข้าสู่กระแสหลัก แต่กำลังส่งผลกระทบต่อมาตรฐานการครองชีพอยู่แล้ว—หรือจะเป็นเช่นนั้นในไม่ช้า ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัม D-Wave แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเร่งการทำงานของท่าเรือลอสแอนเจลิสได้อย่างมีนัยสำคัญ (ในขณะที่กำลังดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับข้อมูลการทดสอบ) เดมเลอร์และ IBM Quantum กำลังจะผลิตแบตเตอรี่ควอนตัมสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า และ RKC และโครงการ QBoard ได้พัฒนาอัลกอริธึมควอนตัมสำหรับการกำจัดกากนิวเคลียร์อย่างปลอดภัยเพื่อประโยชน์ของ Rosatom

เร็วที่สุด - ภายใน 2-3 ปี - พวกเขาจะปรากฏตัวออกมาอัลกอริธึมรูปแบบต่างๆ สำหรับการแก้ปัญหาการปรับให้เหมาะสมซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเกือบทุกอุตสาหกรรม นี่คือคลาสคอมพิวเตอร์แบบไฮบริด:  ส่วนควอนตัมมีหน้าที่รับผิดชอบในการเปลี่ยนแปลงสถานะ และส่วนคลาสสิกช่วยให้กระบวนการนี้มีเสถียรภาพ และเนื่องจากโมเดลไฮบริดนั้นใช้งานได้ง่ายกว่าโมเดลควอนตัมเต็มรูปแบบมาก พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีอยู่จึงเพียงพอสำหรับโมเดลเหล่านั้น RKC และโครงการ QBoard ใช้อัลกอริธึมควอนตัมเพื่อแก้ปัญหาการสร้างแบบจำลองทางเคมีเพื่อประโยชน์ของอุตสาหกรรมยานยนต์ อย่างไรก็ตาม การพัฒนาอัลกอริธึมแบบแปรผันต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย ระหว่างทางไปสู่การนำไปปฏิบัติ สาขาวิชาคอมพิวเตอร์ควอนตัมทั้งหมดมีไว้สำหรับการค้นพบที่น่าสนใจ

อ่านเพิ่มเติม:

ข้อความซีริลลิกที่เก่าแก่ที่สุดที่เคยพบ

"เวบบ์" พบร่องรอยของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ พวกมันตายในรุ่งอรุณของเอกภพ

เสียงประหลาดที่บันทึกไว้ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ของโลก: นักวิทยาศาสตร์พยายามเข้าใจธรรมชาติของมันอย่างไร

ภาพปก: รูปภาพโดย starline บน Freepik