Новые вычислительные алгоритмы расширяют границы квантового будущего

схожие новости

Чтобы полностью реализовать потенциал квантовых вычислений, ученые должны начать с основ: разработки пошаговых процедур или алгоритмов для квантовых компьютеров для выполнения простых задач, таких как разложение числа на множители. Эти простые алгоритмы затем можно использовать в качестве строительных блоков для более сложных вычислений, говорится в пресс-релизе Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми, коротко — Фермилаб.

Прасант Шьямсундар, научный сотрудник Квантового института Фермилаб при Министерстве энергетики, сделал именно это. В препринте, выпущенном в феврале, он объявил о двух новых алгоритмах, основанных на существующих работах в этой области, для дальнейшего разнообразия типов задач, которые могут решать квантовые компьютеры.

— Есть определенные задачи, которые можно выполнять быстрее с помощью квантовых компьютеров, что полезно узнать, — сказал Шьямсундар, — Эти новые алгоритмы выполняют общие задачи, и я надеюсь, что они вдохновят людей на создание еще большего количества подобных алгоритмов на их основе.

Квантовые алгоритмы Шьямсундара также полезны при поиске определенной записи в несортированном наборе данных. Предположим, что у нас есть стопка из 100 виниловых пластинок, и мы поручаем компьютеру найти в стопке один джазовый альбом.

Классически компьютер должен был бы изучить каждую отдельную запись и принять решение «да» или «нет» относительно того, ищем ли мы этот альбом, на основе заданного набора критериев поиска.

— У вас есть запрос, и компьютер дает вам результат, — сказал Шьямсундар, — В данном случае возникает вопрос: удовлетворяет ли эта запись моему набору критериев? И ответ лишь один — да или нет.

Для поиска нужной записи может потребоваться всего несколько запросов, если она находится в верхней части стека, или около 100 запросов, если запись находится в нижней части. В среднем классический компьютер находит правильную запись с помощью 50 запросов, или половины от общего числа в стеке.

С другой стороны, квантовый компьютер обнаружил бы джазовый альбом намного быстрее. Это потому, что он имеет возможность анализировать все записи сразу, используя квантовый эффект, называемый суперпозицией.

Благодаря этому свойству количество запросов, необходимых для поиска джазового альбома, составляет всего около 10 — квадратный корень из числа записей в стеке. Это явление известно как квантовое ускорение и является результатом уникального способа хранения информации квантовыми компьютерами.

Классические компьютеры используют единицы хранения, называемые битами, для сохранения и анализа данных. Биту можно присвоить одно из двух значений: 0 или 1.

Квантовая версия этого называется кубитом. Кубиты также могут быть 0 или 1, но, в отличие от своих классических аналогов, они также могут быть комбинацией обоих значений одновременно. Это называется суперпозицией и позволяет квантовым компьютерам одновременно оценивать несколько записей или состояний.

Кубиты могут быть в суперпозиции 0 и 1, в то время как классические биты могут быть только одним или другим

— Если один кубит может находиться в суперпозиции 0 и 1, это означает, что два кубита могут находиться в суперпозиции четырех возможных состояний, — сказал Шьямсундар, — Количество доступных состояний растет экспоненциально с увеличением количества используемых кубитов.

Это огромное преимущество при решении задач, требующих больших вычислительных мощностей. Обратной стороной, однако, является то, что суперпозиции являются вероятностными по своей природе — они не дадут определенных результатов относительно отдельных состояний. Возьмем как пример подбрасывание монеты: в воздухе ее состояние не определено; вероятность выпадения орла или решки составляет 50%. Только когда монета достигает поверхности, она приобретает точное значение.

Аналогичным образом работают квантовые суперпозиции. Они представляют собой комбинацию отдельных состояний, каждое из которых имеет свою собственную вероятность появления при измерении.

Но процесс измерения не обязательно сводит суперпозицию к искомому значению. Это зависит от вероятности, связанной с правильным состоянием.

— Если мы создадим суперпозицию записей и измерим ее, мы не обязательно получим правильный ответ, — сказал Шьямсундар.

Следовательно, чтобы полностью извлечь выгоду из ускорения, обеспечиваемого квантовыми компьютерами, ученые должны каким-то образом иметь возможность извлекать правильную запись, которую они ищут. В противном случае преимущество перед классическими компьютерами теряется.

Около 25 лет назад ученые разработали алгоритм, который будет выполнять серию операций с суперпозицией для увеличения вероятностей одних отдельных состояний и подавления других в зависимости от заданного набора критериев поиска. Это означает, что когда придет время проводить измерения, суперпозиция, скорее всего, схлопнется до состояния, которое они ищут.

Но ограничение этого алгоритма в том, что он может применяться только к логическим ситуациям или ситуациям, которые можно запросить с ответом «да» или «нет», как при поиске джазового альбома в стопке из нескольких записей.

Квантовый компьютер может увеличивать вероятности одних отдельных записей и подавлять другие, на что указывает размер и цвет дисков в выходной суперпозиции. Стандартные методы позволяют оценивать только логические сценарии или сценарии, на которые можно ответить положительно или отрицательно

Сценарии с нелогическими выходами представляют проблему. Музыкальные жанры точно не определены, поэтому лучший подход к проблеме джазовой записи может заключаться в том, чтобы попросить компьютер оценить альбомы по тому, насколько они «джазовые». Это может выглядеть так, как если бы каждой записи присваивалась оценка по шкале от 1 до 10.

Новые алгоритмы усиления расширяют возможности квантовых компьютеров для обработки небулевых сценариев, позволяя использовать расширенный диапазон значений для характеристики отдельных записей, таких как оценки, присвоенные каждому диску в выходной суперпозиции выше

Раньше ученым приходилось преобразовывать нелогические задачи, подобные этой, в задачи с логическими выходами.

— Вы бы установили порог и сказали, что любое состояние ниже этого порога плохо, а любое состояние выше этого порога хорошо, — сказал Шьямсундар. В нашем примере с джазовой пластинкой это было бы равносильно утверждению, что все с оценкой от 1 до 5 не является джазом, а от 5 до 10 — является.

Но Шьямсундар расширил это понятие, так что логическое преобразование больше не требуется. Он называет этот новый метод алгоритмом небулевого квантового усиления амплитуды.

— Если проблема требует ответа «да» или «нет», новый алгоритм идентичен предыдущему, — сказал Шьямсундар, — Но теперь это становится открытым для большего количества задач; есть много проблем, которые можно решить более естественно с помощью оценки, а не однозначного ответа.

Второй алгоритм, представленный в статье, получивший название алгоритма оценки квантового среднего значения, позволяет ученым оценивать средний рейтинг всех записей. Другими словами, он может оценить, насколько «джазовый» стек в целом.

Оба алгоритма избавляются от необходимости сводить сценарии к вычислениям только с двумя типами выходных данных и вместо этого позволяют использовать диапазон выходных данных для более точной характеристики информации с квантовым ускорением по сравнению с классическими методами вычислений.

Подобные процедуры могут показаться примитивными и абстрактными, но они создают важную основу для более сложных и полезных задач в квантовом будущем. В области физики недавно представленные алгоритмы могут в конечном итоге позволить ученым быстрее достичь целевой чувствительности в определенных экспериментах. Шьямсундар также планирует использовать эти алгоритмы в квантовом машинном обучении.

Читать еще

Комментарий

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Пожалуйста, введите ваш комментарий!
пожалуйста, введите ваше имя здесь

Популярные новости

Определенные медикаменты способны изменять гены

В Чикаго, в Университете Иллинойса, провели опыт с лабораторными мышами, в ходе которого выяснилось, что гены можно изменить. И для этого не нужно разрабатывать...

Выяснилось, как осьминоги «пробуют на вкус» вещи касанием

Уникальные нервные клетки, обнаруженные в присосках животного, могут обнаруживать защитные химические вещества жертвы. Щупальца осьминога обладают собственным разумом. Как стало известно порталу PHG.ru, международный интернет-журнал...

Ученые используют синхротронное рентгеновское излучение для борьбы с COVID-19

Две команды, частично работающие в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, обнаружили кое-что, что в будущем может привести к появлению новых лекарств от COVID-19. Исследователи...

Человеческий организм воспринимает лишь два сезона года, а не четыре

Человеческое тело явно не соглашается с матушкой-природой в том, сколько сезонов существует. По мнению группы исследователей Стэнфордского университета, вместо четырех сезонов в биологии человека их...

В Долине Смерти обнаружены бактерии, жившие в эволюционном застое 175 млн лет

Американские ученые нашли на территории Долины Смерти бактерии, находящиеся в эволюционном застое много миллионов лет. Специалисты провели анализ микроорганизмов и благодаря химическим реакциям, спровоцированным радиоактивностью,...

В России создали усовершенствованный противовирусный препарат

Российские специалисты разработали препарат, который способен оказать противовирусное и антиоксидантное действие. Как сообщает ToDay News Ufa, авторами данной разработки являются представители Уральского федерального университета...

Найден способ восстановления сил старых грызунов

Ученые за месяц разработали способ восстановления сил «пожилых» грызунов до такой степени, что те спокойно могут состязаться с молодыми организмами. Метод  уже применили на...

Ученые превращают опасную для пожара древесину в биотопливо

Команды Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Национальных лабораторий Сандия (Sandia National Laboratories) совместно разработали оптимизированный и эффективный процесс преобразования древесины в жидкое...

Мощнейший ракетный двигатель в Китае прошёл огневые испытания

Самый мощный на данный момент в Китайской Народной Республике секционный твердотопливный ракетный двигатель гражданского назначения успешно завершил огневые тесты 30 декабря. Об этом в...