Исследователи из нескольких ведущих американских центров представили квантовый алгоритм, который может заметно расширить возможности будущих квантовых компьютеров. Он называется квантовым преобразованием Эрмита (quantum Hermite transform, QHT) и представляет собой новый базовый вычислительный блок — своего рода «квантовый примитив». Учёные считают, что он поможет эффективнее обрабатывать данные, моделировать физические системы и поддерживать приложения искусственного интеллекта.
Почему квантовым компьютерам нужны новые «кирпичики»
Квантовые компьютеры используют особые алгоритмы, опирающиеся на суперпозицию и запутанность. Хотя железо развивается быстро, программная экосистема всё ещё испытывает нехватку стандартных, многократно используемых примитивов. Большинство разработок до сих пор опирается на относительно узкий набор инструментов, таких как квантовое преобразование Фурье.
Классическое преобразование Эрмита давно применяется в физике, инженерии и обработке сигналов. Оно описывает, в частности, квантовый гармонический осциллятор и встречается в гауссовых моделях, которые широко используют в машинном обучении и анализе данных. До сих пор эффективно выполнять аналогичную операцию на квантовом компьютере было вычислительно дорого.
Как работает новый алгоритм
Команда разработала квантовую схему, которая выполняет преобразование Эрмита с логарифмическими накладными расходами. Это резко сокращает число операций по сравнению с предыдущими подходами.
Кроме того, алгоритм использует технику квантового быстрого продвижения вперёд (quantum fast-forwarding). Она позволяет вычислять будущее состояние определённых квантовых систем, не моделируя каждый промежуточный шаг. В сочетании с новыми методами подготовки состояний QHT даёт практичный способ более эффективно представлять и анализировать квантовую информацию.
По оценкам авторов, в подходящих условиях квантовое преобразование Эрмита обеспечивает экспоненциальное преимущество в скорости по сравнению с лучшими известными классическими методами для эквивалентных операций.
Где это может пригодиться
Хотя работа носит фундаментальный математический характер, её возможные применения выходят далеко за рамки теоретической физики. Поскольку функции Эрмита лежат в основе многих гауссовых моделей в статистике, машинном обучении и обработке сигналов, новый примитив потенциально способен ускорить квантовые алгоритмы в искусственном интеллекте, материаловедении, энергетических исследованиях и сложных научных симуляциях.
Ещё важнее, по мнению исследователей, то, что расширение библиотеки переиспользуемых квантовых примитивов позволит создавать принципиально новые классы алгоритмов, а не ограничиваться уже существующими подходами.
Пока отказоустойчивые квантовые компьютеры, способные запускать такие алгоритмы в полном масштабе, ещё только разрабатываются. Тем не менее учёные рассматривают новые алгоритмические примитивы как необходимые строительные блоки, которые в итоге определят, на что будут способны будущие квантовые системы. Квантовое преобразование Эрмита — не готовое приложение, а именно такой переиспользуемый инструмент, на котором смогут строиться следующие поколения квантовых алгоритмов.
