Репортаж от Wedoany，Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Северо-Восточного университета, Google Quantum AI и Техасского университета в Остине совместно разработали квантовый алгоритм, называемый квантовым эрмитовым преобразованием, который способен преодолеть ограничения на количество операций, выполняемых современными квантовыми компьютерами, превосходя по производительности классические системы. Эрмитово преобразование широко применяется в инженерии и физике для описания уровней энергии квантового гармонического осциллятора, а также лежит в основе распространённых гауссовых систем в машинном обучении и науке о данных, что указывает на широкие перспективы применения этой новой возможности. Доцент Северо-Восточного университета, также занимающий должность в Управлении вычислительных и информационных наук Брукхейвенской национальной лаборатории, Нин Бао (Ning Bao), отметил, что квантовое эрмитово преобразование — это квантовый алгоритм, реализующий эрмитово преобразование над квантовыми состояниями. Проект был запущен при финансировании Министерства энергетики США.
Разработка действительно полезных квантовых алгоритмов остаётся основным препятствием на пути реализации обещаний квантовых вычислений; в настоящее время в этой области не хватает стандартизированных операций для обеспечения квантового преимущества. Эта инновация представляет собой не просто квантовую симуляцию классического математического инструмента, но и структурно отличный новый примитив, который может расширить сферу применения квантовых вычислений, в том числе в области искусственного интеллекта. Исследовательская группа преодолела проблему низкой эффективности выполнения этих преобразований на квантовых компьютерах, разработав квантовую схему с логарифмическими затратами, что является значительным улучшением даже для больших квантовых состояний. Эта схема использует точную аппроксимацию эрмитовых функций и технику, ориентированную на гармонический осциллятор, что позволяет квантовому компьютеру быстро вычислять будущие состояния. В сочетании с новыми методами конфигурации кубитов квантовое эрмитово преобразование становится практичным и точным квантовым примитивом. Бао пояснил, что быстрое продвижение квантовой системы означает прямое вычисление её состояния в определённый момент времени; если временная эволюция длится долго, это может значительно сократить время, необходимое для подготовки квантового состояния. Бао подчеркнул, что значение этой работы заключается в том, что в квантовых вычислениях в настоящее время не хватает достаточного набора базовых алгоритмических примитивов, которые необходимы для более сложных алгоритмов.
Разработка квантового эрмитова преобразования решает ключевое узкое место, связанное с ограниченным количеством доступных базовых алгоритмов в квантовых вычислениях. Существующие методы обычно полагаются на вариации устоявшихся техник, таких как квантовое преобразование Фурье, что ограничивает диапазон квантового преимущества. Квантовое эрмитово преобразование предлагает структурно иной подход, способный открыть новые вычислительные пути. Этот новый алгоритм позволяет эффективно переносить математические операции, используемые в физике и машинном обучении, на квантовое оборудование. Ключевое новшество заключается в возможности выполнения преобразования с логарифмическими затратами, что означает, что количество необходимых вычислительных шагов пропорционально логарифму размера задачи, а не линейно, обеспечивая экспоненциальное ускорение для больших квантовых состояний. Исследовательская группа также внедрила технику, позволяющую квантовому компьютеру напрямую вычислять будущее состояние системы, минуя длительное моделирование. В сочетании с новыми методами правильной начальной конфигурации кубитов квантовое эрмитово преобразование создаёт практичный, высокоточный примитив, способный анализировать и представлять данные новыми способами. Бао отметил, что квантовые компьютеры мощны, но без квантовых алгоритмов сфера применения этой мощи очень ограничена. Разработка квантового эрмитова преобразования стала результатом проекта, финансируемого Министерством энергетики США, что подчёркивает важность постоянных инвестиций в расширение алгоритмической базы квантовых вычислений и их потенциального влияния в научных дисциплинах. Эта эффективность дополнительно усиливается способностью квантового эрмитова преобразования напрямую вычислять будущее состояние системы, значительно сокращая время подготовки.
