Квантовый компьютер помог решить практическую задачу

Шведские физики впервые использовали прототип квантового компьютера, чтобы решить реальную оптимизационную задачу. Ее суть состоит в том, чтобы снизить стоимость эксплуатации авиалайнеров и максимизировать эффективность их расписания. Статью с результатами их работы опубликовал научный журнал Physical Review Applied.

"Наш план состоял в том, чтобы сначала убедиться, что наши подходы работают на небольших масштабах, и лишь потом начать наращивать мощность нашего компьютера", – рассказал один из авторов исследования, физик из Технологического университета Чалмерса (Швеция) Йонас Бюлендер.

Квантовыми компьютерами называют вычислительные устройства, которые в своей работы используют принципы квантовой механики. В отличие от обычных компьютеров, которые состоят из битов – единиц информации, которые содержат либо 1, либо 0, квантовые компьютеры состоят кубитов – ячеек памяти и примитивных вычислительных модулей, которые хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.

Полноценных квантовых компьютеров ученые пока не создали. Сейчас существуют только их прототипы – например, в 2017 году физик из Гарвардского университета Михаил Лукин рассказал о создании 51-кубитного прототипа, а компания Google в 2019-м году – о 53-кубитном прототипе под названием Sycamore, совсем недавно китайские ученые создали фотонный квантовый компьютер "Цзю Чжан".

Год назад специалисты Google объявили о достижении так называемого "квантового превосходства" – Sycamore справился с алгоритмом, который не под силу ни одному из существующих обычных компьютеров. Этот алгоритм был связан с выработкой случайных чисел, никакой практической ценности в нем не было. Следующей задачей для участников "квантовой гонки" стало решение столь же сложной, но осмысленной задачи с реальным прикладным значением.

Бюлендер и его коллеги сделали первый большой шаг к этой цели. С помощью квантового процессора на основе двух и пяти кубитов они решили реальную оптимизационную задачу – QAOA, адаптировав ее для работы с небольшим количеством квантовых ячеек памяти. Таким образом физики попытались решить задачу "бортовых номеров", связанную с оптимизацией маршрутов и расписания полетов авиалайнеров.

Дело в том, что доходы авиационных компаний и их расходы на поддержание парка воздушных судов очень сильно зависят от того, как долго самолеты простаивают, ожидая следующего рейса в аэропорту. Это время можно минимизировать, если подобрать для каждого самолета цели и маршруты таким образом, чтобы он почти все время находился в воздухе.

Если количество рейсов и самолетов достигает десятков или сотен, то решить подобную задачу с помощью классических компьютеров практически невозможно. Однако простой квантовый компьютер, созданный на основе нескольких десятков кубитов, может решить ее относительно легко.

Бюлендер и его коллеги показали, что этого возможно добиться и для меньшего числа кубитов. Они адаптировали алгоритм QAOA для работы с 8, 15 и 25 ячейками памяти. После этого они проверили работу упрощенной версии алгоритма на двухкубитном прототипе квантового компьютера, который работает почти с нулевым уровнем ошибок. При проверке они воспользовались реальными данными, которые предоставила авиалогистическая компания Jeppesen.

В следующем году ученые планируют проверить полноценную версию этого алгоритма на новой версии своего квантового процессора, которая будет состоять из двух десятков сверхпроводящих кубитов. Физики надеются, что эти опыты покажут, что разработанные ими алгоритм и вычислительная машина могут просчитывать оптимальные маршруты полета для нескольких сотен авиалайнеров.

Фото: © P Photo/Seth Wenig