Najbardziej znane algorytmy

Choć badacze opublikowali setki algorytmów kwantowych, do kanonu weszło zaledwie kilka — te, które dają udowodnione przyspieszenie lub realną nadzieję na praktyczne zastosowanie. Oto najważniejsze z nich.

Algorytm Shora (1994) — łamacz szyfrów

Co robi: rozkłada wielkie liczby na czynniki pierwsze i rozwiązuje pokrewne problemy (logarytm dyskretny). Przyspieszenie: wykładnicze — zadanie nie do wykonania klasycznie staje się wykonalne. Znaczenie: zagraża szyfrom RSA i ECC, na których stoi bezpieczeństwo internetu; to on uruchomił globalną migrację do kryptografii postkwantowej. Wymaga dużego komputera z korekcją błędów — dotąd faktoryzowano nim jedynie symboliczne liczby, jak 15 czy 21.

Algorytm Grovera (1996) — szukanie igły w stogu siana

Co robi: znajduje element spełniający warunek w nieuporządkowanym zbiorze. Przyspieszenie: kwadratowe — milion możliwości sprawdzamy w czasie odpowiadającym tysiącowi prób. Znaczenie: uniwersalny „dopalacz” do przeszukiwania i problemów typu „znajdź kombinację”; w kryptografii zmusza do wydłużenia kluczy symetrycznych (np. AES-128 → AES-256). Kwadratowe przyspieszenie jest jednak na dzisiejszym sprzęcie zbyt małe, by opłacało się w praktyce.

VQE (2014) — chemik kwantowy

Co robi: wariacyjnie znajduje stan o najniższej energii cząsteczki lub materiału — klucz do przewidywania reakcji chemicznych. Typ: hybrydowy (komputer kwantowy + klasyczny optymalizator), zaprojektowany specjalnie pod dzisiejszy „szumny” sprzęt. Znaczenie: najczęściej uruchamiany algorytm w chemii kwantowej i materiałoznawstwie; przyspieszenie nie jest gwarantowane matematycznie, ale podejście skaluje się wraz z postępem sprzętu.

QAOA (2014) — optymalizator

Co robi: szuka przybliżonych rozwiązań problemów kombinatorycznych — trasy pojazdów, harmonogramy, portfele inwestycyjne. Typ: hybrydowy, jak VQE. Znaczenie: najpopularniejszy algorytm optymalizacyjny na komputery bramkowe i bramkowy „konkurent” wyżarzania D-Wave; czy da realną przewagę nad metodami klasycznymi — to wciąż otwarte pytanie badawcze.

Kwantowe Monte Carlo / szacowanie amplitudy

Co robi: przyspiesza symulacje losowe używane w finansach i inżynierii. Przyspieszenie: kwadratowe. Znaczenie: największa nadzieja sektora finansowego — szczegóły w artykule o metodzie Monte Carlo. Wymaga sprzętu z korekcją błędów.

HHL (2009) — równania liniowe

Co robi: rozwiązuje wielkie układy równań liniowych — fundament inżynierii i uczenia maszynowego. Przyspieszenie: wykładnicze, ale z ważnymi gwiazdkami: dane trzeba umieć szybko załadować, a wynikiem jest stan kwantowy, nie gotowa lista liczb. Znaczenie: zapalnik całej dziedziny kwantowego uczenia maszynowego (QML).

Ściąga

AlgorytmDo czegoPrzyspieszenieKiedy użyteczny
Shorłamanie RSA/ECCwykładniczepo zbudowaniu dużych maszyn z korekcją błędów
Groverprzeszukiwaniekwadratoweodległa przyszłość
VQEchemia, materiałyheurystycznetestowany już dziś
QAOAoptymalizacjaheurystycznetestowany już dziś
Kwantowe Monte Carlofinanse, ryzykokwadratoweok. 2030 (szacunki)
HHLrównania liniowe, MLwykładnicze*odległa przyszłość
* przy spełnieniu dodatkowych warunków dotyczących danych