Ученые физического и геологического факультетов Московского университета разработали алгоритм решения задачи анализа сейсмических данных с помощью специальных квантовых вычислителей («отжигателей»). Laser Physics Letters.
Важной задачей геологоразведки нефтяных месторождений является инверсия сейсмических данных – определение структуры и состава геологических пород по данным измерений отражённых сейсмических волн. Решение практических задач требует больших вычислительных ресурсов, даже при использовании мощных суперкомпьютеров выполнение занимает много времени. Это делает применение универсальных квантовых компьютеров для решения этих задач перспективным в будущем.
Главным направлением развития квантовых вычислений является создание вентильных квантовых компьютеров. В будущем именно их считают перспективными для роли универсального полномасштабного помехоустойчивого квантового вычислителя. Но научное сообщество оценивает возможности их создания и практического применения не раньше чем через 20 лет. Уже сейчас гибридные (квантово-классические) и квантово-инспирированные вычислители, так называемые отжигатели, способны решать практические задачи оптимизации среднего масштаба. Наиболее мощные современные отжигатели, такие как D-Wave, Toshiba, Fujitsu, Hitachi, NTT, позволяют работать с сотнями тысяч и даже миллионами бинарных переменных.
При разработке алгоритма был выбран 3D-алгоритм инверсии сейсмических данных в 1D-приближении при наличии информации об оцениваемых параметрах, задаваемой функциями произвольного вида. 1D-задача сейсмической инверсии формулируется как задача оптимизации функционала невязки между наблюдаемыми и модельными данными измерений. В соответствии с байесовским подходом задача оптимизации с учетом априорной информации формулируется как максимизация апостериорной вероятности модели. Задание априорной информации функциями произвольного вида существенно усложняет вычислительную сложность задачи, так как превращает ее в задачу оптимизации нелинейной многомерной функции со сложным ландшафтом. По этой причине органичным представляется использование квантового отжига для решения задачи, так как он лучше классических алгоритмов оптимизации работает с функциями, имеющими сложный ландшафт. Николай МалетинСотрудник кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского государственного университета.
Отжигатели предназначены для решения задач QUBO (квадратичная бинарная оптимизация без ограничений). Учёные МГУ разработали эффективный метод, позволяющий свести задачу оптимизации к задаче QUBO с экономией бинарных переменных. Оценки показывают, что новый метод позволяет решить на самых мощных отжигателях за одну итерацию практическую задачу с 50-100 слоями геологических пород с относительной погрешностью 3-5%.
Самым перспективным направлением квантования алгоритмов сейсмической инверсии кажутся методы геостатистической инверсии, например, байесовская линеаризованная AVO-инверсия. В отличие от методов детерминированной инверсии, геостатистическая инверсия генерирует множество реализаций моделей свойств горных пород, отвечающих априорным данным о строении среды и наблюдаемому волновому полю. Квантовый отжиг из-за стохастической природы подходит для решения таких задач с множеством возможных решений. В этом направлении будет продолжать работу межфакультетская команда. Михаил Токарев.
Источник информации: пресс-служба МГУ
Источник фото: ru.123rf.com