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

Эволюция мозга предков человека произошло 1,7 млн лет назад

Недавние исследования ученых показали, что развитие мозга предков человека до состояния, похожего на нынешний, началось примерно 1,7 миллионов лет назад. Ранее данный процесс относили...

7 причин, по которым стоит пить по утрам чай с лемонграссом

Учёные считают, что лемонграссовый чай богат питательными веществами, имеющими важное значение для здоровья и поддержания фигуры. Лемонграсс - лимонная трава. Выращивается как в диких, так...

Биологи объяснили, почему у китов и дельфинов большой мозг

Известно, что объём мозга связан с уровнем интеллекта, поэтому киты и дельфины умеют выполнять определённые сложные действия: обучать друг друга, подавать звуковые сигналы и...

Свитки Мертвого моря пророка Исайи могли создаваться одновременно разными писцами

Специалисты Университета Гронингена предложили способ исследования почерка с помощью искусственного интеллекта. Благодаря этому методу исследователи собираются расшифровать свитки Мертвого моря - рукописи, найденные в...

Австралийцы использовали плазму при создании сенсорных экранов

Австралийские исследователи использовали плазму для создания материала, который способен заменить дефицитный элемент, используемый в солнечных батареях, сенсорных экранах и прочих областях высокотехнологичного производства. Для работы...

EurekAlert: Обезьяны воспринимают визуальный мир так же, как человек

Израильские ученые из Йельского университета выяснили, что не только человек сознательно воспринимает визуальный мир, но и один из нечеловеческих видов тоже. А именно макака-резус. Специалисты...

НАСА назвало замену «Роскосмосу» в космосе

Семь государств стали членами в американской программе Artemis, которая предполагает создание окололунной станции и высадку человека на поверхность Луны, как сообщает интернет-портал «‎SpaceNews»‎. Космические...

Новые исследования поднимают вопрос этики в изучении человеческого мозга

Новые модели для изучения человеческого мозга показывают многообещающие перспективы для углубления понимания его строения, закладывая основу для новых терапевтических подходов к заболеваниям мозга, которые...

Ученые в Малайзии выслеживают шерстокрылов на деревьях

«‎Ученые сканировали верхушки деревьев через бинокль и тепловизионный монокуляр, а я смотрел на ветви и листья, делая вид, что знаю, что искать. Был прохладный...