Co je kvantový algoritmus?

Kvantový algoritmus je sada počítačových instrukcí pro analýzu problémů, která není založena na klasických matematických nebo pravděpodobnostních výpočtech, ale místo toho používá jedinečnou povahu kvantové reality, kde jeden bit dat může představovat dvě protichůdné hodnoty, jako je jedna a jedna nula v binární logice. V nejpřísnějším slova smyslu vyžaduje kvantový algoritmus, aby fungoval kvantový počítač, který od roku 2011 neexistuje v žádné vyrobené formě. Teoretická informatika však od roku 2011 alespoň vytvořila analoga ke skutečnému výpočtu kvantového algoritmu, s příklady takových jako algoritmy Deutsch, Shor a Grover.

Deutschův kvantový algoritmus byl vynalezen v roce 1985 a pojmenován po izraelsko-britském fyziku Davidovi Deutschovi, který pracuje na Oxfordské univerzitě ve Velké Británii. Německý algoritmus, stejně jako většina sad počítačových instrukcí v kvantové práci na počítači, je ceněn pro jejich schopnost působit jako druh zkratky k problémům se zpracováním, a tedy k řešení problémů na úrovni mikročipů. Ve standardním pravděpodobnostním výpočtu musí být všem možným stavům pro řešení problémů přidělena distribuční hodnota a na všech z nich jsou prováděny výpočty, aby se určilo, která odezva nebo hodnota má nejvyšší pravděpodobnost, že budou správné. V kvantovém zpracování pomocí algoritmu Deutsch se každý možný stav řešení kombinuje do tzv. Jednotkového vektoru, který se pohybuje směrem ke specifickému typu transformace řešení nebo stavu. Toto se spoléhá na princip známý jako kvantová superpozice aplikovaná na matematiku, kde se očekává, že řešení problémů bude existovat ve všech možných stavech současně, což v podstatě vylučuje potřebu zdlouhavého pravděpodobnostního logického zpracování.

Kvantové algoritmy Shor a Grover fungují podobným způsobem, ale jsou určeny pro specifické typy počítačového zpracování. Algoritmus Shor se používá pro matematické faktorování a Groverův algoritmus pro vyhledávání smysluplných dat v počítačových seznamech nebo databázích, které postrádají definovatelnou strukturu. Ačkoli jsou oba algoritmy provozovány na klasických počítačových systémech, které provádějí standardní typy zpracování, bylo prokázáno, že jejich konstrukce je mnohem lepší než klasické algoritmy založené na pravděpodobnosti pro stejné typy úkolů. Shorův algoritmus je exponenciálně rychlejší a Grover je kvadraticky rychlejší nebo o druhou mocninu rychlejší než standardní výpočetní metodologie. Shorův kvantový algoritmus je pojmenován po Peteru Shorovi, americkém profesorovi matematiky, který jej vyvinul v roce 1994, a Groverův kvantový algoritmus je pojmenován po Lov Groverovi, indicko-americkém počítačovém vědci, který jej vyvinul v roce 1996.

Jedním z jedinečných aspektů kvantového zpracování je to, že výpočty nejsou založeny na diskrétních hodnotách, které lze libovolně oddělit, ale místo toho existují ve stavu kvantového zapletení. Standardní hodnoty ve výpočtu vstupují do stavu superpozice, kde jsou se všemi exponenciálně manipulovány jako s amplitudami nebo rozsahy hodnot a každý bit nebo quit informace je považován za vzájemně zapletený. Díky tomu je každý datový bod vzájemně závislý a nejedná se o diskrétní hodnotu jako v tradičním zpracování dat, což je základem toho, jak mohou být kvantové algoritmy při zpracování dat mnohem rychlejší než tradiční algoritmy.