Коротко про квантові алгоритми та їхні сім'ї
Одна з цілей розвитку квантових технологій – прискорити
Точкою відліку у розвитку квантових обчисленьвважають 90-ті. Вже тоді існували перші алгоритми для квантових комп'ютерів, наприклад алгоритм Дойча, але вони мали, перш за все, академічний інтерес. Дещо пізніше американські вчені Пітер Шор і Лов Гровер розробили два різні по суті, але дуже цінні з практичної точки зору квантові алгоритми. Алгоритм Шора переконав світ, що квантові технології мають цілком реальне застосування і що квантовий комп'ютер загрожує сучасним методам криптографічного захисту інформації. А ідея Гровера вказала на те, що за допомогою квантів можна здійснити пошук за неструктурованими даними швидше, ніж за допомогою класичних технологій (а як потім було доведено — з гранично доступним у цій задачі прискоренням).
Обидва відкриття поки не принесли прямих практичнихекономічні результати. Тим не менш, з них почалася ера вивчення квантів як прикладного інструменту - і на них засновані інші алгоритми, що застосовуються в реальності.
Наприклад, алгоритм Залки — Візнера допоможестворити нові ліки та нові матеріали. Алгоритм Амбайнісу – проаналізувати дані, наприклад, зображення та тексти. Ще один із найпомітніших винаходів — алгоритм Харроу — Хасідіма — Ллойда, який вирішує систему лінійних рівнянь на квантових комп'ютерах. Це значно просуне обробку великих даних, моделювання складних систем, а зрештою може стати ще одним кроком на шляху створення сильного штучного інтелекту.
Нові ідеї квантових алгоритмів виникаютьрегулярно: більшість перераховані на сайті Quantum Algorithm Zoo, а приклади реалізації можна подивитися на Github. Крім США та Китаю, великий внесок у цей тренд робить Іспанія – вона лідирує у розробці фінансових алгоритмів завдяки активному руху стартапу Multiverse Computing. Англія має успішні рішення щодо розпізнавання мови та моделювання хімічних процесів. Незабаром напевно заявить і Індія — там запускають численні університетські курси за квантовими напрямками.
Що ж гальмує квантовий прогрес
Отже квантовий алгоритм.Почнемо з більш зрозумілого слова «алгоритм», під яким мається на увазі деяка послідовність дій, рецепт отримання певного результату. Слово "квантовий" у цьому випадку додає нам можливість мати певні логічні операції, які недоступні у класичному світі. Завдяки явищам квантової фізики - суперпозиції та заплутаності - за допомогою логічних операцій над станами квантових об'єктів можна створювати складні квантові стани, для опису яких класично знадобилося б дуже багато чисел. Наприклад, для опису стану 50 кубитів потрібно у випадку до 2^50 чисел. Якщо правильно використати таку властивість квантових систем і розрахувати послідовність логічних nbsp; перетворень, та був реалізувати їх у квантовому комп'ютері, можна знайти у відповідь потрібне питання у разі, коли класичному комп'ютеру знадобилося дуже багато часу й ресурсів пам'яті.
Здавалося б, створювай собі різні алгоритми підрізні завдання — і в теорії їх справді вже десятки, якщо не сотні. Але якщо йдеться про практику і про значне (тобто експонентне) прискорення, розвиток квантових алгоритмів упирається у певні бар'єри. І тому поява нових квантових алгоритмів, здатних призвести до радикальних змін, — радше рідкість: на кожне десятиліття припадає лише по 5–10 нових цікавих квантових алгоритмів.
Основна складність пов'язана з тим фактом, що в головах математиків та теоретиків алгоритми працюють на ідеальному комп'ютері. Проте реальні квантові комп'ютери не захищені від помилок.
Перешкоди зводяться до того, що створити потужну безпомилкову квантову систему дуже важко:
- Квантові об'єкти дуже чутливі до найменшихзміни навколишнього середовища: навіть мінімальне просочування квантової інформації в процесі виконання алгоритму в навколишнє середовище може призвести до спотворення підсумкової відповіді. І це при тому, що умови для стійкої роботи кубитів у певних випадках необхідно підтримувати дуже специфічні: наприклад, температура має бути близькою до абсолютного нуля, тобто відповідати –273,15 °C.
- Шуми впливають на процес обчислень - черезпостійного впливу помилок кількість операцій, які можна реалізувати в квантовому алгоритмі, зараз обмежена кількома десятками, тоді як для виграшу при вирішенні індустріальних завдань потрібні тисячі операцій.
- Поки що не вдалося створити потрібну кількістьбезпомилкових, тобто логічних кубітів. Наприклад, для розрахунку ризиків компанії, що працює на ринку цінних паперів, потрібно щонайменше 200 логічних кубитів, для злому криптографії — близько 6 тис., а для передбачення вартості фінансових деривативів у реальному часі — 7,5 тис. Для ще складніших завдань на кшталт швидкого злому мережі, біткоїну або моделювання нових матеріалів потрібно від кількох десятків до сотень мільйонів. Тоді як на сьогодні квантові пристрої не мають більше, ніж одиницями захищених від помилок кубитів.
Щоб упоратися з квантовими шумами, вченіпропонують різні методи корекції, і вони дійсно дозволяють знизити рівень помилок у системі. Але значно зменшити їхній ефект на обчислення зможуть лише через певний час. Прогнози варіюються: IonQ ставить на 2025 рік, а Google розраховує на 2029 рік.
Коли квантові алгоритми змінять наше життя
Квантові обчислення ще не стали масовими, алевже впливають на рівень життя або вплинуть незабаром. Наприклад, квантовий обчислювач D-Wave показав можливість у рази прискорити роботу морського порту Лос-Анджелеса (поки проводяться дослідження на тестових даних), Daimler з IBM Quantum ось-ось створять квантові батареї для електромобілів, а РКЦ і проект QBoard розробили квантовий алгоритм безпечного поховання ядерних відходів на користь Росатому.
Найшвидше - протягом 2-3 років - себе проявлятьваріаційні алгоритми для вирішення оптимізаційних завдань, які широко застосовуються практично в будь-якій галузі. Це гібридний клас обчислень: квантова частина відповідає зміни стану, а класична частина допомагає стабілізувати цей процес. І оскільки гібридні моделі набагато простіше в реалізації, ніж повністю квантові, для них достатньо потужностей вже існуючих квантових комп'ютерів. РКЦ та проект QBoard використовують квантові алгоритми при вирішенні завдань хімічного моделювання на користь автомобільної індустрії. Однак розробка варіаційних алгоритмів стикається з цілим набором викликів. На шляху до впровадження всю область квантових обчислень чекають цікаві відкриття.
Читати далі:
Знайдено найстаріший кириличний текст з будь-коли знайдених
«Вебб» знайшов сліди неймовірно величезних зірок: вони загинули на зорі Всесвіту
Дивні звуки зафіксували у стратосфері Землі: як вчені намагаються зрозуміти їхню природу
Фото на обкладинці: Зображення від starline на Freepik