Giriş
Kuantum bilgisayarlar çok konuşuluyor ama gerçek şu ki, onların ne işe yarayacağından hâlâ emin değiliz. Bu cihazlar atom altı dünyanın kendine özgü fiziğini kullanır ve sıradan, klasik bilgisayarların yapamayacağı hesaplamaları yapma potansiyeline sahiptir. Ancak, klasik makinelerin erişemeyeceği performansı sağlayan net bir "kuantum avantajına" sahip herhangi bir algoritma örneği bulmanın zor olduğu ortaya çıktı.
2010'ların çoğunda, birçok bilgisayar bilimcisi, belirli bir uygulama grubunun bu avantajı bulma konusunda büyük bir şansa sahip olduğunu hissetti. Belirli veri analizi hesaplamaları, bir kuantum bilgisayar tarafından sıkıştırıldığında katlanarak daha hızlı olacaktır.
Sonra Ewin Tang geldi. 18'de 2018 yaşında bir üniversite mezunu olarak, klasik bilgisayarların bu sorunları çözmesi için yeni bir yol buldu. şapır şupur kuantum algoritmalarının vaat ettiği avantaj. Kuantum bilgisayarlar üzerinde çalışan birçok kişi için, Prazvanaişi bir hesaplaşmaydı. "Bu süper heyecan verici kullanım durumları birer birer ortadan kalktı" dedi. Chris Cade, Hollanda kuantum hesaplama araştırma merkezi QuSoft'ta teorik bir bilgisayar bilimcisi.
Ancak bir algoritma zarar görmeden hayatta kaldı: topolojik veri analizi (TDA) olarak adlandırılan, verilerin "şeklini" incelemek için niş bir matematiksel yaklaşımda kuantum dönüşü. Eylül ayındaki bir dizi makaleden sonra, araştırmacılar artık bu TDA hesaplamalarının, belki de kuantum fiziğiyle gizli bir bağlantı nedeniyle, klasik bilgisayarların kavrayışının ötesinde olduğuna inanıyorlar. Ancak bu kuantum avantajı, yalnızca son derece özel koşullar altında gerçekleşebilir ve bu da onun pratikliğini sorgulamaya neden olur.
Massachusetts Institute of Technology'de kuantum makine mühendisi olan ve kuantum TDA algoritmasının yaratıcılarından biri olan Seth Lloyd, kökenini canlı bir şekilde hatırlıyor. O ve fizikçi arkadaşı Paolo Zanardi 2015'te Pireneler'deki pastoral bir kasabada bir kuantum fiziği atölyesine katılıyorlardı. Konferansın ilk birkaç gününde, "çılgın soyut" bir matematik tekniğini anlamaya çalışırken, otelin verandasında takılmak için konuşmaları atlıyorlardı. verileri analiz etmek için duymuşlardı.
Zanardi, kökleri TDA'nın altında yatan matematiğe aşık olmuştu. topolojimatematiğin şekiller ezildiğinde, esnetildiğinde veya büküldüğünde kalan özelliklerle ilgili bir dalı. "Bu, matematiğin her şeyi içine sızdıran dallarından biridir," dedi. Vedran Dunjko, Leiden Üniversitesi'nde bir kuantum hesaplama araştırmacısı. "O heryerde." Alanın ana sorularından biri, Betti sayısı olarak adlandırılan bir nesnedeki deliklerin sayısıdır.
Topoloji, bildiğimiz üç boyutun ötesine geçerek araştırmacıların Betti sayılarını dört, 10 ve hatta 100 boyutlu nesnelerde hesaplamasına izin verebilir. Bu, topolojiyi, yüzlerce korelasyon ve bağlantı boyutunu da içerebilen büyük veri kümelerinin şekillerini analiz etmek için çekici bir araç haline getirir.
Giriş
Şu anda, klasik bilgisayarlar Betti sayılarını yalnızca yaklaşık dört boyuta kadar hesaplayabilir. Pirene otel avlusunda, Lloyd ve Zanardi bu engeli aşmaya çalıştı. Yaklaşık bir haftalık tartışma ve karalanmış denklemlerden sonra, çok yüksek boyutlardaki veri kümelerindeki Betti sayılarını tahmin edebilen bir kuantum algoritmasının temel bilgilerine sahip oldular. Onlar yayınlanan 2016'da ve araştırmacılar, anlamlı bir kuantum avantajı olduğuna inandıkları veri analizi için kuantum uygulamaları grubuna dahil ettiler.
İki yıl içinde TDA, Tang'ın çalışmasından etkilenmeyen tek şirket oldu. Tang, TDA'nın "diğerlerinden gerçekten farklı" olduğunu kabul etse de, o ve diğer araştırmacılar, kaçışının ne dereceye kadar şans eseri olabileceğini merak etmeye bırakıldı.
Dunjko ve meslektaşları, TDA için kuantum avantajını ortadan kaldırabilecek klasik bir algoritma bulmak için bir şans daha denemeye karar verdiler. Bunu yapmak için, ne olacağını bilmeden Tang'ın yöntemlerini bu özel uygulamaya uygulamaya çalıştılar. "Gerçekten emin değildik. Bunun 'Tangizasyon'dan sağ çıkabileceğine inanmak için nedenler vardı” diye hatırlıyordu.
Hayatta kaldı. İlk olarak 2020'de ön baskı olarak yayınlanan ve bu Ekim ayında yayınlanan sonuçlarda Kuantum, Dunjko'nun ekibi gösterdi TDA'nın hayatta kalması tesadüf değildi. Makalenin ortak yazarlarından biri olan Cade, kuantum algoritmasına ayak uydurabilecek klasik bir algoritma bulmak için, "Ewin Tang'ın [işlemini] Seth Lloyd'un algoritmasına körü körüne uygulamaktan farklı bir şey yapmanız gerekir" dedi.
Klasik algoritmaların TDA'yı yakalayamayacağından emin değiliz, ancak yakında oraya ulaşabiliriz. "Bunu kanıtlamak için atmamız gereken dört adımdan... belki üçünü yaptık," dedi Marcos Crichigno, başlangıçta QC Ware'de teorik bir fizikçi. Şimdiye kadarki en iyi kanıt, geçen yıl yayınladığı ve Cade'in benzer bir topolojik hesaplama yaptığını gösteren bir makalesinden geliyor. verimli bir şekilde çözülemez klasik bilgisayarlar tarafından. Crichigno şu anda aynı sonucu özellikle TDA için kanıtlamak için çalışıyor.
Crichigno, TDA'nın esnekliğinin kuantum mekaniğiyle doğal - ve tamamen beklenmedik - bir bağlantıya işaret ettiğinden şüpheleniyor. Bu bağlantı, maddeyi oluşturan parçacıklar ile kuvvetleri taşıyan parçacıklar arasında derin bir simetri öneren parçacık fiziğindeki bir teori olan süpersimetriden gelir. Fizikçi Ed Witten'in 1980'lerde açıkladığı gibi, topolojinin matematiksel araçlarının bu süpersimetrik sistemleri kolayca tanımlayabildiği ortaya çıktı. Witten'in çalışmasından ilham alan Crichigno, bu bağlantıyı tersine çevirmek topolojiyi incelemek için süpersimetri kullanarak.
"Bu delirmiş. Bu gerçekten, gerçekten, gerçekten garip bir bağlantı," dedi Crichigno'nun çalışmasına dahil olmayan Dunjko. “Tüylerim diken diken oluyor. Kelimenin tam anlamıyla."
Bu konuda Crichigno ile çalışan Cade, bu gizli kuantum bağlantısının TDA'yı diğerlerinden ayıran şey olabileceğini söyledi. "Öyle görünmese de bu aslında özünde bir kuantum mekaniği sorunudur" dedi.
Ancak TDA şimdilik kuantum avantajının bir örneği olmaya devam etse de, son araştırmalar Amazon Ağ hizmetleri, Google ve Lloyd'un laboratuvarı MIT'de, avantajın en bariz olduğu olası senaryoları önemli ölçüde daralttı. Algoritmanın klasik tekniklerden katlanarak daha hızlı çalışması için - kuantum avantajı için olağan çubuk - yüksek boyutlu deliklerin sayısının trilyonlar mertebesinde düşünülemeyecek kadar büyük olması gerekir. Aksi takdirde, algoritmanın yaklaşım tekniği, klasik bilgisayarlara göre anlamlı herhangi bir gelişmeyi silerek verimli olmaz.
Üç makaleden hiçbirinde yer almayan Cade, bunun gerçek dünya verilerinde "bululması zor koşullar" olduğunu söyledi. Bu koşulların var olup olmadığını kesin olarak bilmek zor, bu yüzden şimdilik sadece sezgimiz var, dedi. ryan babbush, Google'ın çalışmasının kıdemli yazarlarından biri ve ne o ne de Cade bu koşulların yaygın olmasını beklemiyor.
Şu anda Washington Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan Tang, bu sınırlamalar göz önüne alındığında, TDA'nın alanın aradığı pratik kuantum uygulaması olduğunu düşünmüyor. Algoritma avcılığından uzaklaşmak için "Bence alan bir bütün olarak yeniden şekillendirildi" dedi. Kuantum bilgisayarların, klasik verileri analiz etmek için değil, kuantum sistemlerini öğrenmek için en yararlı olacağını düşünüyor.
Ancak son çalışmanın arkasındaki araştırmacılar, TDA'yı bir çıkmaz sokak olarak görmüyorlar. Google ekibiyle birlikte çalışan Dunjko, son ön baskılar çıktıktan sonra tüm araştırma ekipleri arasında yapılan bir Zoom toplantısında, "her birimizin bundan sonra ne yapacağımıza dair bir fikri vardı" dedi. Örneğin Crichigno, topoloji ve kuantum mekaniği arasındaki bu bağlantıyı sorgulamanın, özellikle kuantum hesaplamaya uygun olabilecek daha beklenmedik kuantum problemlerini ortaya çıkaracağını umuyor.
Tang ve Dunjko'nun yapamadığını yapan ve sonunda TDA'yı deviren yaratıcı yeni bir klasik yaklaşım tehdidi her zaman vardır. Dunjko, "Bunun olmayacağına dair evim, arabam veya kedim üzerine bahse girmem" dedi. "Ama hikaye ölmedi. Sanırım hiç endişelenmememin ana nedeni bu.”
