Sissejuhatus
Kvantarvutid saavad palju kära, kuid tõde on see, et me pole ikka veel kindlad, milleks need head on. Need seadmed kasutavad subatomaarse maailma omapärast füüsikat ja neil on potentsiaal teha arvutusi, mida tavalised klassikalised arvutid lihtsalt ei suuda. Kuid on osutunud raskeks leida näiteid mis tahes algoritmide kohta, millel on selge "kvantieelis", mis võimaldab jõudlust väljaspool klassikaliste masinate käeulatust.
Enamiku 2010. aastatest arvasid paljud arvutiteadlased, et ühel konkreetsel rakenduste rühmal on selle eelise leidmiseks suurepärane võimalus. Teatud andmeanalüüsi arvutused oleksid eksponentsiaalselt kiiremad, kui neid kvantarvuti purustaks.
Siis tuli Ewin Tang. Hiljuti 18. aastal 2018-aastase kolledži lõpetajana leidis ta klassikaliste arvutite jaoks uue viisi nende probleemide lahendamiseks. laksutades eelis, mida kvantalgoritmid lubasid. Paljude jaoks, kes töötavad kvantarvutitega, Kõlintöö oli arvestus. "Need ülipõnevad kasutusjuhtumid hukkusid ükshaaval," ütles Chris Cade, teoreetiline arvutiteadlane Hollandi kvantarvutite uurimiskeskuses QuSoft.
Kuid üks algoritm jäi terveks: kvantpööre nišimatemaatilisele lähenemisviisile andmete "kuju" uurimiseks, mida nimetatakse topoloogiliseks andmeanalüüsiks (TDA). Pärast septembris toimunud kirjutist usuvad teadlased nüüd, et need TDA arvutused jäävad klassikaliste arvutite jaoks kaugemale, võib-olla varjatud seose tõttu kvantfüüsikaga. Kuid see kvanteeline võib ilmneda ainult väga spetsiifilistel tingimustel, mis seab selle praktilisuse kahtluse alla.
Seth Lloyd, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi kvantmehaanikainsener, kes kaasloos kvant-TDA algoritmi, mäletab selle päritolu eredalt. Tema ja kaasfüüsik Paolo Zanardi osalesid 2015. aastal Püreneede mägede idüllilises linnas kvantfüüsika töötoas. Mõned päevad pärast konverentsi jätsid nad kõned vahele, et hotelli terrassil aega veeta, kui nad üritasid oma pead "hullu abstraktse" matemaatilise tehnika ümber mähkida. nad olid kuulnud andmete analüüsimiseks.
Zanardi oli armunud TDA aluseks olevasse matemaatikasse, mis oli juurdunud topoloogia, matemaatika haru, mis tegeleb tunnustega, mis jäävad alles, kui kujundeid kokku suruda, venitada või väänata. "See on üks neist matemaatika harudest, mis lihtsalt imbub kõike," ütles Vedran Dunjko, Leideni ülikooli kvantarvutusteadlane. "See on igal pool." Üks valdkonna keskseid küsimusi on aukude arv objektis, mida nimetatakse Betti numbriks.
Topoloogia võib ulatuda meie tuttavast kolmest mõõtmest kaugemale, võimaldades teadlastel arvutada Betti arve nelja-, 10- ja isegi 100-mõõtmelistes objektides. See muudab topoloogia ahvatlevaks tööriistaks suurte andmehulkade kuju analüüsimiseks, mis võib sisaldada ka sadu korrelatsioonide ja seoste mõõtmeid.
Sissejuhatus
Praegu saavad klassikalised arvutid arvutada Betti numbreid ainult kuni nelja mõõtmega. Sellel Pürenee hotelli terrassil üritasid Lloyd ja Zanardi seda barjääri murda. Pärast umbes nädalast arutelu ja võrrandite kritseldamist oli neil kvantalgoritmi luud, mis suutis hinnata Betti numbreid väga suurte mõõtmetega andmekogumites. Nad avaldatud 2016. aastal ja teadlased tervitasid seda andmeanalüüsi kvantrakenduste rühma, millel on nende arvates oluline kvanteeline.
Kahe aasta jooksul oli TDA ainus, mida Tangi töö ei mõjutanud. Kuigi Tang tunnistab, et TDA on "teistest tõeliselt erinev", jäi tema ja teised teadlased mõtlema, mil määral võis selle põgenemine olla juhus.
Dunjko ja tema kolleegid otsustasid teha veel ühe võimaluse, et leida TDA jaoks klassikaline algoritm, mis võiks selle kvanteelise välja lüüa. Selleks püüdsid nad Tangi meetodeid selle konkreetse rakenduse jaoks rakendada, teadmata, mis juhtub. "Me ei olnud tõesti kindlad. Oli põhjust arvata, et see võib-olla elab "tangistamise" üle," meenutas ta.
Ellu see tegi. Tulemustes, mis postitati esmakordselt eeltrükina 2020. aastal ja avaldati tänavu oktoobris Kvant, Dunjko meeskond näitas et TDA ellujäämine ei olnud juhus. Klassikalise algoritmi leidmiseks, mis suudaks kvantalgoritmiga sammu pidada, "peaksite tegema midagi muud kui lihtsalt pimesi rakendama Ewin Tangi [protsessi] Seth Lloydi algoritmile," ütles Cade, üks artikli kaasautoritest.
Me ei tea kindlalt, et klassikalised algoritmid ei suuda TDA-le järele jõuda, kuid me võime selleni varsti jõuda. "Neljast sammust, mida peame selle tõestamiseks tegema... võib-olla oleme teinud kolm," ütles Marcos Crichigno, teoreetiline füüsik idufirmas QC Ware. Seni parimad tõendid pärinevad dokumendist, mille ta postitas eelmisel aastal koos Cade'iga, mis näitab, et sarnane topoloogiline arvutus ei saa tõhusalt lahendada klassikaliste arvutite abil. Crichigno töötab praegu selle nimel, et tõestada sama tulemust konkreetselt TDA jaoks.
Crichigno kahtlustab, et TDA vastupidavus viitab loomupärasele – ja täiesti ootamatule – seosele kvantmehaanikaga. See seos tuleneb supersümmeetriast, osakeste füüsika teooriast, mis pakub sügavat sümmeetriat ainet moodustavate osakeste ja jõude kandvate osakeste vahel. Nagu füüsik Ed Witten 1980. aastatel selgitas, selgub, et topoloogia matemaatilised tööriistad suudavad neid supersümmeetrilisi süsteeme hõlpsasti kirjeldada. Witteni tööst inspireeritud Crichigno on olnud selle ühenduse ümberpööramine kasutades supersümmeetriat topoloogia uurimiseks.
"See on jama. See on tõesti, tõesti, väga kummaline seos, ”ütles Dunjko, kes ei osalenud Crichigno töös. «Mul tekib haneliha. Sõna otseses mõttes."
See peidetud kvantühendus võib olla see, mis eristab TDA-d teistest, ütles Cade, kes on selles Crichignoga koostööd teinud. "See on sisuliselt kvantmehaaniline probleem, kuigi see ei tundu nii," ütles ta.
Kuid kuigi TDA on praegu kvanteelise näide, on hiljutised uuringud pärit Amazon veebiteenused, Google ja Lloydi labor MIT-is on märkimisväärselt kitsendanud võimalikke stsenaariume, mille puhul eelis on kõige ilmsem. Et algoritm töötaks eksponentsiaalselt kiiremini kui klassikalised tehnikad – tavaline kvanteelise riba – peab kõrgmõõtmeliste aukude arv olema mõeldamatult suur, suurusjärgus triljoneid. Vastasel juhul ei ole algoritmi lähendustehnika lihtsalt tõhus, pühkides ära kõik olulised edusammud võrreldes klassikaliste arvutitega.
See on reaalsetes andmetes "raske tingimuste kogum", ütles Cade, kes ei olnud seotud üheski kolmest dokumendist. Raske on kindlalt teada, kas need tingimused üldse eksisteerivad, nii et praegu on meil ainult intuitsioon, ütles Ryan Babbush, üks Google'i uuringu vanemautoreid ja ei tema ega Cade ei eelda, et need tingimused on tavalised.
Tang, praegu Washingtoni ülikooli doktorant, ei arva, et TDA on praktiline kvantrakendus, mida valdkond neid piiranguid arvestades otsib. "Ma arvan, et valdkond tervikuna on ümber kujundatud", et algoritmide otsimisest eemalduda, ütles ta. Ta loodab, et kvantarvutid on kõige kasulikumad kvantsüsteemide endi tundmaõppimiseks, mitte klassikaliste andmete analüüsimiseks.
Kuid hiljutise töö taga olevad teadlased ei näe TDA-d ummikuna. Kõigi uurimisrühmade vahel toimunud Zoomi kohtumisel pärast hiljutiste eeltrükkide ilmumist oli "igaühel meist idee, mida edasi teha," ütles Dunjko, kes töötas Google'i meeskonnaga. Näiteks Crichigno loodab, et topoloogia ja kvantmehaanika vahelise seose uurimine toob kaasa ootamatumaid kvantprobleeme, mis võivad olla eriti sobivad kvantarvutamiseks.
Alati on oht, et loov uus klassikaline lähenemine teeb seda, mida Tang ja Dunjko ei suutnud, ja lõpuks TDA allapoole. "Ma ei panustaks oma maja, auto ega kassiga, et seda ei juhtu," ütles Dunjko. "Kuid lugu pole surnud. Ma arvan, et see on peamine põhjus, miks ma üldse ei muretse."
