Квантови компютри ще правят дългосрочни прогнози за времето

Дългосрочните прогнози за времето са задача по възможностите на квантовите компютри
(снимка: CC0 Public Domain)

Дългосрочните прогнози за времето ще станат реалност, когато се появят квантовите компютри, за които всички говорят напоследък, а много изследователски екипи работят това да се случи по-бързо.

Сложните процеси, свързани с дългосрочно прогнозиране на времето, могат да се опишат от нелинейни диференциални уравнения. Но учените не знаят как да ги решат със съществуващите методи, независимо от мощността на компютрите. Два научни екипа – от университета в Мериленд и Масачузетския технологичен институт – предлагат различни, ефективни подходи за решаване на нелинейни проблеми с помощта на квантови компютри, каквито всъщност все още няма.

Нелинейните задачи са по-точно задачи с „обратна връзка”. Към тях се отнася и прогнозата за времето. Какво ще бъде времето пред нашия прозорец след три дни зависи от това какво е времето днес. Това е обратната връзка: системата влияе на поведението си и зависи от състоянието си, а не само от входните параметри. Такива проблеми не се описват от системи с обикновени диференциални уравнения, които вече сме се научили да решаваме добре и бързо. Много от задачите, които трябва да решим, са просто нелинейни.

От друга страна, самото създаване на алгоритми за квантови компютри е нетривиална задача. Днес има много малко квантови алгоритми, които не могат да бъдат решени в реално време на класически компютри. Сега се появиха още две и за тях съобщава Quanta Magazine.

Екип от Университета в Мериленд адаптира квантов компютър за решаване на нелинейни проблеми, използвайки алгоритъма за линеаризация на Калман. Този метод позволява свеждане на нелинейната задача до набор от линейни уравнения. Проблемът е, че има безкрайно много такива уравнения. Въпреки че методът е разработен през 30-те години на миналия век, той остава в забвение. Но учените от Мериленд са се научили да отрязват „допълнителната” безкрайност във времето и да решават нелинеен проблем с определена точност на квантова машина.

Учените от MIT отиват по-далеч – те предлагат да се моделира всеки нелинеен проблем като кондензат на Бозе-Айнщайн. В това материално състояние всички частици са взаимосвързани и поведението на всяка от тях влияе върху останалите, а всички останали влияят върху него, тоест взаимодействието се връща по контура. Математиката, която описва кондензацията на Бозе-Айнщайн, е добре развита и много помага за изграждането на модела.

Тобиас Осборн, учен по квантова информация от университета в Лайбниц, Хановер, коментира предложението на MIT така: „Дайте ми любимото си нелинейно диференциално уравнение и ще ви изградя кондензат на Бозе-Айнщайн, който ще го моделира”.

Всъщност MIT предлага да се изгради един вид „чип” за квантов компютър, който работи като модел на кондензат на Бозе-Айнщайн. И в двата случая учените използват „стари” математически идеи за нови приложения.

Но за целта е необходим квантов компютър с няколко хиляди кубита, с който да се тестват моделите, предложени в Мериленд и MIT. Все още, за съжаление няма такива компютри.