Svarīgs kvantu algoritms faktiski var būt dabas īpašība

DNS dubultās spirāles konceptuāls ilustrācija Tehnikas kundze; Oriģinālais attēls: Wikimedia commons

1996. gadā kvantu fiziķis Bell Labs Ņūdžersijā publicēja jaunu recepti meklēšanai datubāzē. N ieraksti. Datorzinātnieki jau sen ir zinājuši, ka šis process ilgst aptuveni N soļus, jo sliktākajā gadījumā interesējošais varētu būt pēdējais saraksta vienums.

Tomēr šis fiziķis Lovs Grovers parādīja, kā dīvainie kvantu mehānikas noteikumi ļāva veikt meklēšanu vairākos soļos, kas vienādi ar kvadrātsakni N .

Tas bija liels darījums. Meklēšana datu bāzēs ir datorzinātņu pamatuzdevums, ko izmanto visam, sākot no tālruņu numuru atrašanas līdz kriptogrāfisko kodu laušanai. Tātad jebkurš paātrinājums ir ievērojams progress.

Saistīts stāsts

Kas ir kvantu skaitļošana?

Kvantu mehānika nodrošināja papildu pavērsienu. Tajā laikā Grovera recepte bija tikai otrais kvantu algoritms, kas tika pierādīts ātrāk nekā tā klasiskais līdzinieks. (Pirmais bija Pītera Šora algoritms faktoringa skaitļiem, ko viņš atklāja 1994. gadā.) Grovera darbs bija svarīgs faktors, sagatavojot ceļu kvantu skaitļošanas revolūcijai, kas joprojām turpinās.

Taču, neraugoties uz interesi, Grovera algoritma ieviešana prasīja laiku, jo ir nozīmīgi tehniski izaicinājumi. Pirmais kvantu dators, kas spēj to ieviest, parādījās 1998. gadā, bet pirmā mērogojamā versija parādījās tikai 2017. gadā, un pat tad tas strādāja tikai ar trim kubitiem. Tāpēc ir ļoti nepieciešami jauni algoritma ieviešanas veidi.

Šodien Stéphane Guillet un kolēģi Tulonas Universitātē Francijā saka, ka tas var būt vieglāk, nekā kāds gaidīja. Viņi saka, ka viņiem ir pierādījumi, ka Grovera meklēšanas algoritms ir dabiski sastopama parādība. Mēs sniedzam pirmos pierādījumus tam, ka noteiktos apstākļos elektroni var dabiski uzvesties kā Grovera meklēšana, meklējot materiāla defektus, viņi saka.

Tam ir acīmredzama ietekme uz kvantu skaitļošanu, taču tā patiesā nozīme var būt daudz dziļāka. Jau kādu laiku teorētiķi ir diskutējuši par to, vai kvantu meklēšana varētu izskaidrot vienu no lielākajiem dzīves izcelsmes noslēpumiem. Ideja, ka Grovera meklējumi notiek dabā, beidzot varētu atrisināt šo mīklu.

Vispirms nedaudz fona. Tā kā Grovera meklēšanas algoritms ir ļoti būtisks, to var pārformulēt dažādos veidos. Viens no tiem ir kvantu pastaiga pa virsmu — veids, kā kvantu daļiņa nejauši pārvietotos no viena punkta uz otru.

Saistīts stāsts

Kas ir kvantu komunikācija? Pētnieki un uzņēmumi veido īpaši drošus sakaru tīklus, kas varētu būt kvantu interneta pamats. Tas darbojas šādi.

Skaidrs, ka šis process ir sava veida divdimensiju telpas meklēšana. Bet, tā kā kvantu daļiņa var izpētīt daudzus ceļus vienlaikus, tas ir daudz ātrāk nekā klasiskā meklēšana.

Virsmas raksturs būtiski ietekmē meklēšanu. Piemēram, viena veida virsmas sastāv no kvadrātveida režģa, kurā kvantu daļiņai ir četras iespējamās kustības katrā virsotnē.

Bet ir arī daudzi citi iespējamie režģi; piemēram, trīsstūrveida, kur kvantu daļiņai ir trīs izvēles iespējas katrā virsotnē. Trīsstūrveida režģis ir īpaši interesants, jo tas ir līdzīgs vairākiem dabā sastopamiem kristāliem līdzīgiem materiāliem, piemēram, Guillet un co.

Komanda koncentrējās uz to, kā simulēt to, kā Grovera meklēšana darbojas elektroniem, pētot trīsstūrveida un kvadrātveida režģus, taču tie ietvēra arī citus fiziski reālus efektus, piemēram, tīkla defektus caurumu veidā un kvantu īpašības, piemēram, traucējumu efektus.

Rezultāti ir acis atveroši. Viņi uzdod jautājumu, cik ātri elektrons var atrast caurumu režģī. Un komandas lielais sasniegums ir parādīt, ka šīs simulācijas atveido veidu, kā īstie elektroni uzvedas reālos materiālos.

Citiem vārdiem sakot, tas ir pierādījums tam, ka brīvie elektroni, pārvietojoties pa noteiktu kristālu virsmu, dabiski īsteno Grovera meklēšanas algoritmu.

Saistīts stāsts

Saistīts stāsts

Tam ir tūlītēja ietekme uz kvantu skaitļošanu. [Šis darbs] var būt ceļš uz nopietnu tehnoloģisku lēcienu, kurā eksperimentālists apietu vajadzību pēc pilnvērtīga mērogojama un kļūdas labojoša kvantu datora un tā vietā izmantotu Grovera meklēšanas “dabiskos notikumus” meklēšanā. saka komanda.

Darbam ir arī ietekme uz mūsu domāšanu par ģenētisko kodu un dzīvības izcelsmi. Katra dzīvā būtne uz Zemes izmanto vienu un to pašu kodu, kurā DNS uzglabā informāciju, izmantojot četras nukleotīdu bāzes. Nukleotīdu sekvences kodē informāciju proteīnu konstruēšanai no 20 aminoskābju alfabēta.

Bet kāpēc šie skaitļi — četri un 20 —, nevis daži citi? 2000. gadā, tikai dažus gadus pēc tam, kad Grovers publicēja savu darbu, Apoorva Patel no Indijas Zinātņu institūta Bangalorā parādīja, kā Grovera algoritms varētu izskaidrot šos skaitļus .

Patela ideja ir saistīta ar veidu, kā DNS tiek savākta šūnās. Šādā situācijā šūnā esošajai molekulārajai iekārtai ir jāmeklē nukleotīdu bāzes molekulārā zupa, lai atrastu pareizo. Ja ir četras izvēles iespējas, klasiskā meklēšana vidēji aizņem četras darbības. Tātad katrā montāžas posmā iekārtai būtu jāizmēģina četras dažādas pamatnes.

Bet kvantu meklēšana, izmantojot Grovera algoritmu, ir daudz ātrāka: Patels parādīja, ka, ja ir četras izvēles iespējas, kvantu meklēšana vienā darbībā var atšķirt četras alternatīvas. Patiešām, četri ir optimālais skaitlis.

Šī domāšana arī izskaidro, kāpēc ir 20 aminoskābes. DNS katrs trīs nukleotīdu komplekts definē vienu aminoskābi. Tātad tripletu secība DNS nosaka aminoskābju secību proteīnā.

Bet olbaltumvielu montāžas laikā katra aminoskābe ir jāizvēlas no 20 dažādu iespēju zupas. Grovera algoritms izskaidro šos skaitļus: trīspakāpju kvantu meklēšana var atrast objektu datu bāzē, kurā ir līdz 20 veidu ierakstiem. Atkal 20 ir optimālais skaitlis.

Citiem vārdiem sakot, ja DNS un olbaltumvielu apkopošanā iesaistītajiem meklēšanas procesiem ir jābūt pēc iespējas efektīvākiem, bāzu skaitam jābūt četrām un aminoskābju skaitam 20 — tieši tik, cik ir atrasts. Vienīgais brīdinājums ir tāds, ka meklējumiem jābūt kvantitatīviem.

Kad Patels publicēja savu ideju, kvantu fiziķi to nekavējoties pamudināja. Tajā laikā viņi bija iestrēguši savos mēģinājumos kontrolēt kvantu procesus, ko viņi varēja paveikt, tikai izolējot kvantu daļiņas ekstremālos apstākļos, piemēram, temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei.

Acīmredzamā problēma, pēc viņu domām, ir tāda, ka dzīvās būtnes darbojas siltā, nekārtīgā vidē, kurā kvantu stāvokļi tiktu nekavējoties iznīcināti.

Biologi bija vienlīdz noraidoši, sakot, ka kvantu procesi nevarētu darboties dzīvās būtnēs.

Kopš tā laika ir parādījies arvien vairāk pierādījumu tam, ka kvantu procesiem ir svarīga loma vairākos bioloģiskos mehānismos. Piemēram, tagad tiek uzskatīts, ka fotosintēze būtībā ir kvantu process.

Guillet un co darbs paver jaunu skatījumu uz šo visu. Tas liek domāt, ka Grovera algoritms ir iespējams ne tikai noteiktos materiālos; šķiet, ka tas ir dabas īpašums. Un, ja tā ir taisnība, iebildumi pret Patela idejām sāk sabrukt.

Var gadīties, ka dzīve ir tikai piemērs Grovera kvantu meklēšanai darbā un ka šis algoritms pats par sevi ir dabas pamatīpašība. Tā ir liela ideja, ja tāda vispār ir bijusi.

Atsauce: arxiv.org/abs/1908.11213 : Grovera meklējumi kā dabā sastopama parādība

paslēpties