Что такое квантовый алгоритм?

Квантовый алгоритм - это набор компьютерных инструкций для анализа проблем, который не основан на классических математических или вероятностных вычислениях, но вместо этого использует уникальную природу квантовой реальности, где один бит данных может представлять два противоположных значения, таких как единое и ноль в двоичной логике. В самом строгом смысле, квантовый алгоритм требует, чтобы функционировал квантовый компьютер, который не существует ни в одной производственной форме с 2011 года. Однако теоретическая компьютерная наука, по крайней мере, создала аналоги истинного вычисления квантового алгоритма по состоянию на 2011 год, с примерами таких как алгоритмы Дойча, Шора и Гровера.

Квантовый алгоритм Дойча был изобретен в 1985 году и назван в честь израильско-британского физика Дэвида Дойча, который работает в Оксфордском университете в Великобритании. Алгоритм Дойча, как и большинство наборов компьютерных инструкций в квантовых вычислениях, ценится за их способность выступать в качестве своего рода ярлыка для решения проблем обработки и, следовательно, решения проблем на уровне микрочипа. В стандартных вероятностных вычислениях всем возможным состояниям для решения проблем должно быть присвоено значение распределения, и для всех них выполняются вычисления, чтобы определить, какой ответ или значение имеет наибольшую вероятность того, чтобы быть корректным. В квантовых вычислениях с использованием алгоритма Дойча каждое возможное состояние решения объединяется в так называемый единичный вектор, который движется к определенному типу решения или преобразования состояния. Это основывается на принципе, известном как квантовая суперпозиция, применительно к математике, где ожидается, что решения проблем будут существовать одновременно во всех возможных состояниях, что существенно устраняет необходимость в длительной вероятностной обработке логики.

Квантовые алгоритмы Шора и Гровера действуют аналогичным образом, но предназначены для определенных типов компьютерной обработки. Алгоритм Шора используется для математического факторинга, а алгоритм Гровера - для поиска значимых данных в компьютеризированных списках или базах данных, в которых отсутствует определяемая структура. Хотя оба алгоритма работают на классических компьютерных системах, которые выполняют стандартные типы обработки, было продемонстрировано, что их дизайн намного превосходит классические алгоритмы, основанные на вероятности, для тех же типов задач. Алгоритм Шора экспоненциально быстрее, а алгоритм Гровера - квадратично быстрее или имеет квадратное значение быстрее, чем стандартная вычислительная методология. Квантовый алгоритм Шора назван в честь Питера Шора, американского профессора математики, который разработал его в 1994 году, а квантовый алгоритм Гровера назван в честь Лова Гровера, индийско-американского ученого-компьютерщика, который разработал его в 1996 году.

Одним из уникальных аспектов квантовых вычислений является то, что вычисления не основаны на дискретных значениях, которые могут быть произвольно выделены, а вместо этого существуют в состоянии квантовой запутанности. Стандартные значения в расчете входят в состояние суперпозиции, где ими манипулируют экспоненциально в виде амплитуд или диапазонов значений, и каждый бит или куб информации называют запутанными друг с другом. Это делает каждую точку данных взаимозависимой, а не дискретной величиной, как в традиционных вычислениях, что является основой того, как квантовые алгоритмы могут быть намного быстрее при обработке данных, чем традиционные алгоритмы.