Я давно интересуюсь квантовыми вычислениями и пишу программы для 5– и 14-кубитных квантовых компьютеров IBM Q Experience. Сегодня я расскажу о технологиях, которые можно будет применять в машинном обучении после того, как квантовые вычисления завоюют мир.

Спойлер для дата сайентистов: в будущем у вас не получится запустить модель и уйти пить кофе на полдня. Квантовый компьютер щелкает задачи машинного обучения на раз, и отговорки вроде “модель обучается” уже не пройдут. Придется запускать не одну модель, а по меньшей мере миллион.

Многие слышали о том, что с помощью квантовых компьютеров злоумышленники могут взламывать современные системы шифрования. В отличие от классических компьютеров, для которых RSA и подобные ему криптографические алгоритмы являются хорошим препятствием для взлома, квантовые компьютеры находят простые множители за считанные минуты. Это означает, что перехваченная хакерами информация рано или поздно будет расшифрована.

Безусловно, некоторых такие области применения отпугивают от квантовых компьютеров. В этой статье мы сосредоточимся на позитивной стороне и рассмотрим, что нового квантовые вычисления смогут дать для такой области, как машинное обучение.

Что такое квантовое машинное обучение и в чем его отличие от обычного

В современных компьютерах, в том числе и для целей машинного обучения, вычисления производятся с помощью классических битов. В квантовых же компьютерах, которые в последнее время набирают популярность и активно развиваются, используются биты особого рода — квантовые биты, или сокращенно кубиты.

Для классического бита существуют два состояния — 0 и 1, тогда как для кубита возможно бесконечное количество комбинаций двух состояний — это так называемая суперпозиция. Если кот Шрёдингера из известного мысленного эксперимента до того, как открывают ящик, и жив, и мертв одновременно, то кубит до того, как его измерить, может находиться в суперпозиции, то есть равняться и нулю, и единице в один и тот же момент.

Если же используется несколько кубитов, то количество возможных состояний растет экспоненциально: для двух кубитов, находящихся в суперпозиции, число состояний равно четырем, а для трех кубитов — уже восемь состояний.

Эти состояния нельзя непосредственно измерить, но ими можно управлять. При этом квантовая схема находится с разной вероятностью в нескольких состояниях одновременно, что можно использовать для параллельных вычислений.

Множители при значениях кубитов называются амплитудами — это комплексные числа. Если вычислить модуль амплитуды и возвести его в квадрат, то получится вероятность состояния. Сумма вероятностей всех комбинаций состояний кубитов, как и следует ожидать, в итоге должна быть равна единице.

В качестве примеров разных состояний кубита можно привести спин электрона либо поляризацию фотона, но также возможны и другие варианты. Главное, чтобы в них также могли наблюдаться квантовые эффекты. Таким образом, кубитом может быть практически любая частица: электрон, фотон, ион и так далее.

Как частица может находиться в двух состояниях одновременно и почему при измерении кубита информация об одном из состояний полностью теряется? Наиболее распространены две интерпретации: