الحواسيب الكمومية والحوسبة الكمومية - جديدة ، والتي تمت إضافتها إلى مساحة المعلومات لدينا مع , وغيرها من مصطلحات التكنولوجيا الفائقة. في الوقت نفسه، لم أتمكن مطلقًا من العثور على مادة على الإنترنت من شأنها أن تجمع اللغز في رأسي يسمى "كيف تعمل الحواسيب الكمومية". نعم، هناك العديد من الأعمال الممتازة، بما في ذلك حبر (انظر. )، التعليقات التي، كما هو الحال عادة، هي أكثر إفادة ومفيدة، ولكن الصورة في رأسي، كما يقولون، لم تضيف ما يصل.
ومؤخرًا جاء إلي زملائي وسألوني: "هل تفهم كيف يعمل الكمبيوتر الكمي؟ هل يمكنك إخبارنا؟" ثم أدركت أنني لست الوحيد الذي لديه مشكلة في تكوين صورة متماسكة في ذهني.
ونتيجة لذلك، جرت محاولة لتجميع المعلومات حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية في دائرة منطقية متسقة المستوى الأساسي، دون الانغماس العميق في الرياضيات وبنية العالم الكميتم شرح ماهية الحاسوب الكمي، وما هي المبادئ التي يعمل عليها، وما هي المشاكل التي يواجهها العلماء عند إنشائه وتشغيله.
جدول المحتويات
تنصل
المؤلف ليس خبيرا في الحوسبة الكمومية، و الجمهور المستهدف للمقال هو نفس موظفي تكنولوجيا المعلومات، وليس متخصصي الكم، الذين يريدون أيضًا تجميع صورة في رؤوسهم تسمى "كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية". ولهذا السبب، تم تبسيط العديد من المفاهيم الواردة في المقالة عمدًا لفهم التقنيات الكمومية بشكل أفضل على المستوى "الأساسي"، ولكن بدون .
المقالة في بعض الأماكن تستخدم مواد من مصادر أخرى، . حيثما أمكن، يتم إدراج روابط وإشارات مباشرة إلى النص الأصلي أو الجدول أو الشكل. إذا نسيت شيئًا (أو شخصًا ما) في مكان ما، فاكتب وسأصححه.
مقدمة
في هذا الفصل سننظر بإيجاز في كيفية بدء عصر الكم، وما هو السبب المحفز لفكرة الكمبيوتر الكمي، ومن (أي الدول والشركات) هم اللاعبون الرائدون حاليًا في هذا المجال، ونتحدث أيضًا بإيجاز حول الاتجاهات الرئيسية لتطوير الحوسبة الكمومية.
كيف بدأ كل شيء
تعتبر نقطة البداية لعصر الكم هي عام 1900، عندما طرح م. بلانك لأول مرة هذه الطاقة تنبعث وتُمتص ليس بشكل مستمر، ولكن بكميات منفصلة (أجزاء). تم التقاط الفكرة وتطويرها من قبل العديد من العلماء البارزين في ذلك الوقت - بور، أينشتاين، هايزنبرغ، شرودنغر، مما أدى في النهاية إلى إنشاء وتطوير مثل هذا العلم مثل . هناك الكثير من المواد الجيدة على الإنترنت حول تكوين فيزياء الكم كعلم، في هذه المقالة لن نتناول هذا بالتفصيل، ولكن كان من الضروري الإشارة إلى التاريخ الذي دخلنا فيه عصر الكم الجديد.
لقد أدخلت فيزياء الكم العديد من الاختراعات والتقنيات إلى حياتنا اليومية، والتي بدونها يصعب الآن تخيل العالم من حولنا. على سبيل المثال، الليزر، الذي يستخدم الآن في كل مكان، من الأجهزة المنزلية (مستويات الليزر، وما إلى ذلك) إلى الأنظمة عالية التقنية (الليزر لتصحيح الرؤية، مرحبًا ). سيكون من المنطقي أن نفترض أنه عاجلاً أم آجلاً سيأتي شخص ما بفكرة لماذا لا نستخدم الأنظمة الكمومية للحوسبة. ثم حدث ذلك في عام 1980.
تشير ويكيبيديا إلى أن الفكرة الأولى للحوسبة الكمومية تم التعبير عنها في عام 1980 من قبل عالمنا يوري مانين. لكنهم بدأوا بالفعل الحديث عن ذلك فقط في عام 1981، عندما كان ر. فاينمان الشهير وأشار إلى أنه من المستحيل محاكاة تطور النظام الكمي على جهاز كمبيوتر كلاسيكي بطريقة فعالة. واقترح نموذجا الابتدائية والتي سوف تكون قادرة على تنفيذ مثل هذه النمذجة.
هناك ، حيث يتم تناوله بشكل أكاديمي وتفصيلي أكثر، ولكننا سنتناوله بإيجاز:
المعالم الرئيسية في تاريخ إنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية:
- [1994]. بي شور. صمم بواسطة
- [1998]. مخلوق
- [2001]. قدمت شركة IBM التنفيذ لتوسيع العدد 15
- [2007،2016-XNUMX]. إنشاء وتطوير جهاز كمبيوتر بسعة 128-2000 كيوبت
- [2012]. تم تنفيذها في جامعة كاليفورنيا
- [2016]. جوجل على جهاز كمبيوتر 9 كيوبت
- [2017]. (ثلاث ذرات)
- [2019]. . كمبيوتر 20 كيوبت في السحابة
- [2019]. . كمبيوتر 53 كيوبت. ?
وكما ترون، فقد مرت 17 سنة (من 1981 إلى 1998) منذ لحظة ظهور الفكرة وحتى تنفيذها لأول مرة في حاسوب ذي 2 كيوبت، و21 سنة (من 1998 إلى 2019) حتى لحظة زيادة عدد الكيوبتات إلى 53. استغرق الأمر 11 عامًا (من 2001 إلى 2012) لتحسين نتيجة خوارزمية شور (سننظر إليها بمزيد من التفصيل بعد قليل) من الرقم 15 إلى 21. وأيضًا، قبل ثلاث سنوات فقط وصلنا إلى نقطة تنفيذ ما تحدث عنه فاينمان، وتعلم كيفية تصميم أبسط الأنظمة الفيزيائية.
إن تطوير الحوسبة الكمومية بطيء. يواجه العلماء والمهندسون مهام صعبة للغاية، فالحالات الكمومية قصيرة العمر وهشة للغاية، ومن أجل الحفاظ عليها لفترة كافية لإجراء الحسابات، يتعين عليهم بناء توابيت بعشرات الملايين من الدولارات، يتم فيها الحفاظ على درجة الحرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق، والتي تتمتع بأقصى قدر من الحماية من التأثيرات الخارجية. بعد ذلك سنتحدث عن هذه المهام والمشاكل بمزيد من التفصيل.
أبرز اللاعبين
شرائح هذا القسم مأخوذة من المقالة ، من الباحث أليكسي فيدوروف. اسمحوا لي أن أقدم لكم اقتباسات مباشرة:
تعمل جميع البلدان الناجحة تقنيًا حاليًا على تطوير تقنيات الكم. يتم استثمار أموال ضخمة في هذا البحث، ويتم إنشاء برامج خاصة لدعم التقنيات الكمومية.
ولا تشارك الدول فحسب، بل الشركات الخاصة أيضًا في السباق الكمي. في المجمل، استثمرت شركات جوجل وآي بي إم وإنتل ومايكروسوفت مؤخرًا حوالي 0,5 مليار دولار في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأنشأت مختبرات ومراكز أبحاث كبيرة.
هناك العديد من المقالات عن حبري وعلى الإنترنت، على سبيل المثال، , и ، حيث يتم فحص الوضع الحالي مع تطور تقنيات الكم في مختلف البلدان بمزيد من التفصيل. الشيء الرئيسي بالنسبة لنا الآن هو أن جميع الدول واللاعبين الرائدين في مجال التكنولوجيا يستثمرون أموالاً ضخمة في الأبحاث في هذا الاتجاه، مما يعطي الأمل في إيجاد مخرج من المأزق التكنولوجي الحالي.
اتجاهات التنمية
في الوقت الحالي (قد أكون مخطئًا، صححوني) تتركز الجهود الرئيسية (والنتائج الأكثر أو الأقل أهمية) لجميع اللاعبين الرئيسيين في مجالين:
- أجهزة الكمبيوتر الكمومية المتخصصة، والتي تهدف إلى حل مشكلة واحدة محددة، على سبيل المثال، مشكلة التحسين. مثال على المنتج هو أجهزة الكمبيوتر الكمومية D-Wave.
- أجهزة الكمبيوتر الكمومية العالمية - القادرة على تنفيذ خوارزميات الكم التعسفية (شور، جروفر، وما إلى ذلك). تطبيقات من IBM، جوجل.
ناقلات أخرى للتطور التي تقدمها لنا فيزياء الكم، مثل:
- كأساس ل
- وأكثر بكثير
بالطبع، إنه مدرج أيضًا في قائمة مجالات البحث، ولكن في الوقت الحالي لا يبدو أن هناك نتائج أكثر أو أقل أهمية.
بالإضافة إلى ذلك يمكنك أن تقرأ "حسنا جوجل""، على سبيل المثال، , и .
الأساسيات. الكائن الكمي والأنظمة الكمومية
أهم شيء يجب فهمه من هذا القسم هو ذلك
الكمبيوتر الكمي (على عكس المعتاد) يستخدم كحاملات للمعلومات كائنات كموميةولإجراء العمليات الحسابية، يجب أن تكون الأجسام الكمومية متصلة ببعضها البعض النظام الكمي.
ما هو الكائن الكمي؟
كائن الكم - كائن من العالم الصغير (عالم الكم) يُظهر خصائص كمومية:
- لديه حالة محددة مع مستويين من الحدود
- هو في تراكب حالته حتى لحظة القياس
- يتشابك مع كائنات أخرى لإنشاء أنظمة كمومية
- يفي بنظرية عدم الاستنساخ (لا يمكن نسخ حالة الكائن)
دعونا نلقي نظرة على كل عقار بمزيد من التفاصيل:
لديه حالة محددة بمستويين حدوديين (الحالة النهائية)
المثال الكلاسيكي في العالم الحقيقي هو العملة المعدنية. لها حالة "جانبية" تأخذ مستويين حدوديين - "الرؤوس" و"الذيول".
هو في تراكب حالته حتى لحظة القياس
لقد ألقوا عملة معدنية، فهي تطير وتدور. أثناء دورانه، من المستحيل تحديد أي من المستويات الحدودية تقع حالته "الجانبية". ولكن بمجرد أن نتوقف عن ذلك وننظر إلى النتيجة، ينهار تراكب الحالات على الفور إلى إحدى الحالتين الحدوديتين - "الرؤوس" و"الذيول". إن صفع العملة المعدنية في حالتنا هو قياس.
يتشابك مع كائنات أخرى لإنشاء أنظمة كمومية
الأمر صعب بالنسبة للعملة المعدنية، لكن دعونا نحاول. تخيل أننا قذفنا ثلاث عملات معدنية بحيث تدور ملتصقة ببعضها البعض، وهذا بمثابة تلاعب بالعملات المعدنية. في كل لحظة من الزمن، لا يكون كل واحد منهم في حالة تراكب من الحالات فحسب، بل تؤثر هذه الحالات بشكل متبادل على بعضها البعض (تتصادم العملات المعدنية).
يفي بنظرية عدم الاستنساخ (لا يمكن نسخ حالة الكائن)
أثناء طيران العملات المعدنية وتدورها، لا توجد طريقة تمكننا من إنشاء نسخة من حالة الدوران لأي من العملات المعدنية، بشكل منفصل عن النظام. يعيش النظام داخل نفسه ويشعر بغيرة شديدة من نشر أي معلومات للعالم الخارجي.
بضع كلمات أخرى حول المفهوم نفسه "التراكبات"، في جميع المقالات تقريبًا يتم شرح التراكب على أنه "في جميع الولايات في نفس الوقت" وهذا بالطبع صحيح، ولكنه في بعض الأحيان مربك بلا داع. يمكن أيضًا تصور تراكب الحالات على أنه حقيقة وجود جسم كمي في كل لحظة من الزمن هناك احتمالات معينة للانهيار في كل مستوى من مستوياتها الحدودية، وفي المجمل، تساوي هذه الاحتمالات بشكل طبيعي 1. لاحقًا، عند النظر في الكيوبت، سنتناول هذا الأمر بمزيد من التفصيل.
بالنسبة للعملات المعدنية، يمكن تصور ذلك - اعتمادًا على السرعة الأولية، وزاوية القذف، وحالة البيئة التي تطير فيها العملة المعدنية، وفي كل لحظة زمنية يختلف احتمال الحصول على "الصورة" أو "الصورة". وكما ذكرنا سابقًا، يمكن تصور حالة مثل هذه العملة الطائرة على أنها "تتواجد في جميع حالاتها الحدودية في نفس الوقت، ولكن مع اختلاف احتمالات تنفيذها".
يمكن استخدام أي كائن تتوفر فيه الخصائص المذكورة أعلاه ويمكننا إنشاؤه والتحكم فيه كحامل معلومات في الكمبيوتر الكمي.
سنتحدث بعد ذلك بقليل عن الوضع الحالي مع التنفيذ المادي للبتات الكمومية ككائنات كمومية، وما يستخدمه العلماء الآن بهذه الصفة.
لذا تنص الخاصية الثالثة على أن الأجسام الكمومية يمكن أن تتشابك لتكوين أنظمة كمومية. ما هو النظام الكمي؟
نظام الكم - نظام من الأجسام الكمومية المتشابكة بالخصائص التالية:
- يكون النظام الكمي في حالة تراكب لجميع الحالات الممكنة للأشياء التي يتكون منها
- من المستحيل معرفة حالة النظام حتى لحظة القياس
- في لحظة القياس، يقوم النظام بتنفيذ أحد المتغيرات المحتملة لحالاته الحدودية
(وينظر للأمام قليلاً)
نتيجة طبيعية للبرامج الكمومية:
- يحتوي البرنامج الكمي على حالة معينة من النظام عند المدخل، وتراكب في الداخل، وتراكب في المخرج
- عند مخرجات البرنامج بعد القياس لدينا تنفيذ احتمالي لإحدى الحالات النهائية المحتملة للنظام (بالإضافة إلى الأخطاء المحتملة)
- يحتوي أي برنامج كمي على بنية مدخنة (الإدخال -> الإخراج. لا توجد حلقات، ولا يمكنك رؤية حالة النظام في منتصف العملية).
مقارنة بين الحاسوب الكمي والحاسوب التقليدي
دعونا الآن نقارن بين الكمبيوتر التقليدي والكمبيوتر الكمي.
| كمبيوتر عادي | الكمبيوتر الكمي | |
|
منطق
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>، a^2+b^2=1` |
|
فيزياء
|
ترانزستور أشباه الموصلات | كائن الكم |
|
الناقل الاعلامي
|
مستويات الجهد | الاستقطاب، الدوران،… |
|
العمليات
|
NOT، AND، OR، XOR على البتات | الصمامات: CNOT، Hadamard،… |
|
الترابط
|
شريحة أشباه الموصلات | الارتباك مع بعضهم البعض |
|
الخوارزميات
|
قياسي (انظر السوط) | العروض الخاصة (شور، جروفر) |
|
مبدأ
|
الرقمية والحتمية | التناظرية، الاحتمالية |
مستوى المنطق
في الكمبيوتر العادي هذا قليل. معروف لنا من خلال وعبر بت حتمية. يمكن أن يأخذ قيمًا إما 0 أو 1. وهو يتواءم تمامًا مع الدور وحدة منطقية لجهاز كمبيوتر عادي، ولكنه غير مناسب على الإطلاق لوصف الحالة كائن الكم، والتي، كما قلنا من قبل، تقع في البريةتراكبات حالاتهم الحدودية.
هذا ما توصلوا إليه . في حالاتها الحدودية تدرك حالات مشابهة لـ 0 و 1 ، وفي التراكب يمثل التوزيع الاحتمالي على الدول الحدودية |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1يمثل أ و ب ، ومربعات وحداتها هي الاحتمالات الفعلية للحصول على مثل هذه القيم بالضبط للحالات الحدودية |0> и |1>, إذا قمت بطي الكيوبت بالقياس الآن.
الطبقة المادية
على المستوى التكنولوجي الحالي للتطور، يتم التنفيذ المادي للقليل لجهاز كمبيوتر تقليدي ترانزستور أشباه الموصلاتبالنسبة للكم كما قلنا من قبل، أي كائن الكم. في القسم التالي سنتحدث عن ما يتم استخدامه حاليًا كوسائط مادية للبتات الكمومية.
ذاكرة متوسطة
للكمبيوتر العادي هذا هو كهرباء - مستويات الجهد، وجود أو غياب التيار، وما إلى ذلك، بالنسبة للكم - نفس الشيء حالة الجسم الكمي (اتجاه الاستقطاب، الدوران، وما إلى ذلك)، والتي قد تكون في حالة تراكب.
العمليات
لتنفيذ الدوائر المنطقية على جهاز كمبيوتر عادي، نستخدم المعروفة بالنسبة للعمليات على الكيوبتات، كان من الضروري التوصل إلى نظام عمليات مختلف تمامًا، يسمى . يمكن أن تكون البوابات ذات كيوبت مفردة أو مزدوجة، اعتمادًا على عدد الكيوبتات التي يتم تحويلها.
أمثلة على البوابات الكمومية:
هناك مفهوم مجموعة صمامات عالميةوهي كافية لإجراء أي حساب كمي. على سبيل المثال، تتضمن المجموعة الشاملة بوابة Hadamard، وبوابة تحول الطور، وبوابة CNOT، وبوابة π⁄8. بمساعدتهم، يمكنك إجراء أي حساب كمي على مجموعة عشوائية من الكيوبتات.
في هذه المقالة لن نتناول بالتفصيل نظام البوابات الكمومية، يمكنك قراءة المزيد عنها وعن العمليات المنطقية على الكيوبتات، على سبيل المثال، . الشيء الرئيسي الذي يجب تذكره:
- تتطلب العمليات على الأجسام الكمومية إنشاء عوامل منطقية جديدة (البوابات الكمومية).
- تأتي البوابات الكمومية في أنواع أحادية الكيوبت ومزدوجة الكيوبت.
- هناك مجموعات عالمية من البوابات التي يمكن استخدامها لإجراء أي حساب كمي
الترابط
ترانزستور واحد عديم الفائدة تمامًا بالنسبة لنا؛ لإجراء الحسابات، نحتاج إلى توصيل العديد من الترانزستورات ببعضها البعض، أي إنشاء شريحة شبه موصلة من ملايين الترانزستورات لبناء دوائر منطقية عليها، وفي النهاية الحصول على معالج حديث بشكله الكلاسيكي.
كما أن الكيوبت الواحد عديم الفائدة تمامًا بالنسبة لنا (حسنًا، ولو من الناحية الأكاديمية فقط)،
لإجراء العمليات الحسابية نحتاج إلى نظام من الكيوبتات (الأجسام الكمومية)
والتي، كما قلنا سابقًا، يتم إنشاؤها عن طريق تشابك الكيوبتات مع بعضها البعض بحيث تحدث التغييرات في حالاتها بطريقة منسقة.
الخوارزميات
إن الخوارزميات القياسية التي تراكمت لدى البشرية حتى الآن غير مناسبة تمامًا للتنفيذ على الكمبيوتر الكمي. نعم، بشكل عام ليست هناك حاجة. تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على منطق البوابة عبر الكيوبتات إنشاء خوارزميات مختلفة تمامًا، خوارزميات كمومية. من بين الخوارزميات الكمومية الأكثر شهرة، يمكن تمييز ثلاث منها:
- (التحليل)
- (بحث سريع في قاعدة بيانات غير مرتبة)
- (جواب السؤال دالة ثابتة أو متوازنة)
مبدأ
والفرق الأكثر أهمية هو مبدأ التشغيل. بالنسبة لجهاز كمبيوتر قياسي، هذا هو الرقمية، مبدأ حتمي بدقة، استنادًا إلى حقيقة أننا إذا قمنا بتعيين حالة أولية للنظام ومررناها عبر خوارزمية معينة، فستكون نتيجة الحسابات هي نفسها، بغض النظر عن عدد المرات التي نقوم فيها بإجراء هذا الحساب. في الواقع، هذا السلوك هو بالضبط ما نتوقعه من جهاز الكمبيوتر.
الكمبيوتر الكمي يعمل التناظرية، المبدأ الاحتمالي. نتيجة خوارزمية معينة في حالة أولية معينة هي عينة من التوزيع الاحتمالي التطبيقات النهائية للخوارزمية بالإضافة إلى الأخطاء المحتملة.
هذه الطبيعة الاحتمالية للحوسبة الكمومية ترجع إلى الجوهر الاحتمالي للغاية لعالم الكم. "إن الله لا يلعب النرد مع الكون."قال أينشتاين العجوز، لكن كل التجارب والملاحظات حتى الآن (في النموذج العلمي الحالي) تؤكد العكس.
التطبيقات المادية للكيوبتات
كما قلنا سابقًا، يمكن تمثيل الكيوبت بواسطة كائن كمي، أي كائن مادي يطبق الخصائص الكمومية الموضحة أعلاه. وهذا يعني، تقريبًا، أن أي جسم مادي توجد فيه حالتان وتكون هاتان الحالتان في حالة تراكب، يمكن استخدامه لبناء كمبيوتر كمي.
"إذا تمكنا من وضع الذرة في مستويين مختلفين والتحكم فيهما، فسيكون لديك كيوبت. إذا تمكنا من القيام بذلك مع أيون، فهو كيوبت. إنه نفس الشيء مع التيار. إذا قمنا بتشغيله في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في نفس الوقت، فسيكون لديك كيوبت.
هنالك к ، حيث يتم النظر في المجموعة المتنوعة الحالية من التطبيقات المادية للبت الكمي بمزيد من التفصيل، سنقوم ببساطة بإدراج أكثرها شهرة وشائعة:
- والعديد من الأفكار الغريبة الأخرى (الأنيونات، الخ)
من بين كل هذا التنوع، فإن الطريقة الأكثر تطورًا هي الطريقة الأولى للحصول على الكيوبتات، بناءً على . , , ويستخدمه اللاعبون الرائدون الآخرون لبناء أنظمتهم.
حسنا، اقرأ المزيد ممكن الكيوبتات من .
الأساسيات. كيف يعمل الحاسوب الكمي
المواد الخاصة بهذا القسم (المهمة والصور) مأخوذة من المقالة .
لذا، تخيل أن لدينا المهمة التالية:
هناك مجموعة من ثلاثة أشخاص: (أ) أندري، (ب) أولوديا و (ج) إريزها. هناك نوعان من سيارات الأجرة (0 و 1).
ومن المعروف أيضًا أن:
- (أ) أندري، (ب) أولوديا صديقان
- (أ) أندري، (ج) إريزها أعداء
- (ب) أولوديا و (ج) إريزها أعداء
المهمة: وضع الناس في سيارات الأجرة بحيث ماكس (الأصدقاء) и مين (الأعداء)
التقييم: L = (عدد الأصدقاء) - (عدد الأعداء) لكل خيار السكن
هام: بافتراض عدم وجود استدلالات، لا يوجد حل أمثل. في هذه الحالة، لا يمكن حل المشكلة إلا عن طريق البحث الكامل عن الخيارات.
الحل على جهاز كمبيوتر عادي
كيفية حل هذه المشكلة على جهاز كمبيوتر عادي (فائق) (أو مجموعة) - من الواضح ذلك تحتاج إلى تكرار جميع الخيارات الممكنة. إذا كان لدينا نظام متعدد المعالجات، فيمكننا موازاة حساب الحلول عبر العديد من المعالجات ومن ثم جمع النتائج.
لدينا خيارين محتملين للإقامة (سيارة أجرة 2 وسيارة أجرة 0) و1 أشخاص. مساحة الحل 2 ^ 3 = 8. يمكنك حتى مراجعة 8 خيارات باستخدام الآلة الحاسبة، وهذه ليست مشكلة. الآن دعونا نعقد المشكلة: لدينا 20 شخصًا وحافلتين، مساحة الحل 2^20 = 1. لا شيء معقد أيضًا. دعونا نزيد عدد الأشخاص بمقدار 2.5 مرة - خذ 50 شخصًا وقطارين، مساحة الحل الآن 2^50 = 1.12 × 10^15. بدأ الكمبيوتر العادي (الفائق) يواجه مشكلات خطيرة بالفعل. دعونا نزيد عدد الأشخاص مرتين، سيعطينا 2 شخص بالفعل 1.2 × 10 ^ 30 الخيارات الممكنة.
هذا كل شيء، لا يمكن حساب هذه المهمة في فترة زمنية معقولة.
توصيل الكمبيوتر العملاق
أقوى جهاز كمبيوتر حاليًا هو رقم 1 غير الإنتاجية 122 . لنفترض أننا نحتاج إلى 100 عملية لحساب خيار واحد، ثم لحل المشكلة لـ 100 شخص سنحتاج إلى:
(1.2 × 10 ^ 30 100) / 122×10^15 / (606024365،XNUMX) = 3 × 10 ^ 37 سنة.
كما نرى ومع زيادة أبعاد البيانات الأولية، فإن مساحة الحل تنمو وفقا لقانون القوة، في الحالة العامة، بالنسبة لـ N bits لدينا 2^N من خيارات الحل الممكنة، والتي بالنسبة لـ N الصغيرة نسبيًا (100) تعطينا مساحة حل غير محسوبة (على المستوى التكنولوجي الحالي).
هل هناك أي بدائل؟ كما كنت قد خمنت، نعم، هناك.
ولكن قبل أن نتطرق إلى كيفية وسبب قدرة أجهزة الكمبيوتر الكمومية على حل مشكلات كهذه بشكل فعال، دعونا نتوقف لحظة لتلخيص ماهيتها. توزيع الاحتمالات. لا تنزعج، هذه مقالة مراجعة، ولن تكون هناك أي رياضيات صعبة هنا، وسنكتفي بالمثال الكلاسيكي الذي يحتوي على حقيبة وكرات.
فقط القليل من التوافقيات ونظرية الاحتمالات ومجرب غريب
فلنأخذ كيسًا ونضعه فيه 1000 كرة بيضاء و 1000 كرة سوداء. سنجري تجربة - نخرج الكرة ونكتب اللون ونعيد الكرة إلى الكيس ونخلط الكرات الموجودة في الكيس.
تم التجربة 10 مرات سحبت 10 كرات سوداء. ربما؟ تمامًا. فهل تعطينا هذه العينة أي فكرة معقولة عن التوزيع الحقيقي في الحقيبة؟ من الواضح أنه لا. ما يجب القيام به - صحيح، صكرر التجربة مليون مرة واحسب ترددات الكرات السوداء والبيضاء. نحصل على سبيل المثال 49.95% أسود، 50.05% أبيض. في هذه الحالة، يكون هيكل التوزيع الذي نأخذ عينة منه (نأخذ كرة واحدة) واضحًا بالفعل إلى حد ما.
الشيء الرئيسي هو أن نفهم ذلك التجربة نفسها لها طبيعة احتمالية، بعينة واحدة (كرة) لن نعرف البنية الحقيقية للتوزيع، نحن بحاجة إلى تكرار التجربة عدة مرات ومتوسط النتائج.
دعونا إضافته إلى حقيبتنا 10 كرات حمراء و 10 كرات خضراء (أخطاء). دعونا نكرر التجربة 10 مرات. فيانسحبت 5 حمراء و 5 خضراء. ربما؟ نعم. يمكننا أن نقول شيئا عن التوزيع الحقيقي - لا. ما يجب القيام به - حسنًا، أنت تفهم.
لفهم بنية التوزيع الاحتمالي، من الضروري أخذ عينات متكررة من النتائج الفردية من هذا التوزيع ومتوسط النتائج.
ربط النظرية بالممارسة
الآن بدلًا من الكرات السوداء والبيضاء، لنأخذ كرات البلياردو ونضعها في كيس 1000 كرات برقم 2، 1000 كرات برقم 7 و 10 كرات بأرقام أخرى. دعونا نتخيل مجربًا تم تدريبه على أبسط الإجراءات (إخراج كرة، كتابة الرقم، إعادة الكرة إلى الكيس، خلط الكرات في الكيس) ويفعل ذلك في 150 ميكروثانية. حسنًا، مثل هذا المجرب للسرعة (ليس إعلانًا عن المخدرات!!!). وبعد ذلك، خلال 150 ثانية، سيكون قادرًا على إجراء تجربتنا مليون مرة وتزويدنا بمتوسط النتائج.
لقد أجلسوا المجرب، وأعطوه كيسًا، واستداروا بعيدًا، وانتظروا 150 ثانية، وحصلوا على:
رقم 2 - 49.5٪، رقم 7 - 49.5٪، الأرقام المتبقية في المجموع - 1٪.
نعم هذا صحيح، حقيبتنا عبارة عن كمبيوتر كمي مزود بخوارزمية تحل مشكلتناوالكرات هي الحلول الممكنة. نظرًا لوجود حلين صحيحين إذن سيعطينا الكمبيوتر الكمي أيًا من هذه الحلول الممكنة باحتمالات متساوية، وأخطاء بنسبة 0.5% (10/2000)، والتي سنتحدث عنها لاحقا.
للحصول على نتيجة كمبيوتر كمي، تحتاج إلى تشغيل الخوارزمية الكمومية عدة مرات على نفس مجموعة بيانات الإدخال ومتوسط النتيجة.
قابلية التوسع للكمبيوتر الكمي
تخيل الآن أنه بالنسبة لمهمة تتضمن 100 شخص (مساحة الحل 2^100 نتذكر هذا)، وهناك أيضًا قراران صحيحان فقط. بعد ذلك، إذا أخذنا 100 كيوبت وكتبنا خوارزمية تحسب دالتنا الموضوعية (L، انظر أعلاه) على هذه الكيوبتات، فسنحصل على حقيبة تحتوي على 1000 كرة برقم أول إجابة صحيحة، و1000 برقم الإجابة الصحيحة الأولى. رقم الإجابة الصحيحة الثانية و10 كرات مع أرقام أخرى. وفي غضون الـ 150 ثانية نفسها، سيعطينا المجرب تقديرًا للتوزيع الاحتمالي للإجابات الصحيحة.
يمكن اعتبار وقت تنفيذ الخوارزمية الكمومية (مع بعض الافتراضات) ثابتًا O(1) فيما يتعلق بأبعاد مساحة الحل (2^N).
وهذه بالتحديد خاصية الكمبيوتر الكمي - ثبات وقت التشغيل فيما يتعلق بتعقيد قانون القوة المتزايد لمساحة الحل هو المفتاح.
Qubit والعوالم الموازية
كيف يحدث هذا؟ ما الذي يسمح للكمبيوتر الكمي بإجراء العمليات الحسابية بهذه السرعة؟ الأمر كله يتعلق بالطبيعة الكمومية للكيوبت.
انظر، لقد قلنا أن الكيوبت يشبه الجسم الكمي يدرك إحدى حالتيه عند ملاحظتهولكنه موجود في "الطبيعة البرية". تراكبات الدولأي أنه في كلتا الحالتين الحدوديتين في وقت واحد (مع بعض الاحتمال).
أخذ (أ) أندريا وتخيل حالتها (في أي مركبة هي 0 أو 1) على أنها كيوبت. ثم لدينا (في الفضاء الكمي) عالمين متوازيين، في واحد (A) يجلس في سيارة أجرة 0، في عالم آخر - في سيارة أجرة 1. في سيارتين أجرة في نفس الوقتولكن مع وجود بعض الاحتمالية للعثور عليه في كل واحد منهم أثناء المراقبة.
أخذ (ب) الشباب ودعونا نتخيل أيضًا حالته على شكل كيوبت. ينشأ عالمان متوازيان آخران. لكن في الوقت الحالي هذه الأزواج من العوالم (A) и (B) لا تتفاعل على الإطلاق. ما يجب القيام به لإنشاء ذات صلة نظام؟ هذا صحيح، نحن بحاجة إلى هذه الكيوبتات ربط (الخلط). نحن نأخذها ونخلطها (أ) مع (ب) - نحصل على نظام كمي مكون من اثنين من الكيوبتات (أ، ب)، مدركا في نفسه أربعة مترابطة عوالم موازية. يضيف (س) سيرجي وحصلنا على نظام من ثلاث كيوبتات (اي بي سي)، تنفيذ ثمانية مترابطة عوالم موازية.
إن جوهر الحوسبة الكمومية (تنفيذ سلسلة من البوابات الكمومية عبر نظام من البتات الكمومية المتصلة) هو حقيقة أن الحساب يحدث في جميع العوالم المتوازية في وقت واحد.
ولا يهم كم منهم لدينا، 2^3 أو 2^100، سيتم تنفيذ الخوارزمية الكمومية في وقت محدود على كل هذه العوالم المتوازية وسوف تعطينا النتيجة، وهي عينة من التوزيع الاحتمالي لاستجابات الخوارزمية.
ومن أجل فهم أفضل، يمكن للمرء أن يتخيل ذلك يقوم الكمبيوتر الكمومي على المستوى الكمي بتشغيل عمليات حل متوازية بمقدار 2^N، كل واحد منهم يعمل على خيار واحد ممكن، ثم يجمع نتائج العمل - و يعطينا الجواب في شكل تراكب الحل (التوزيع الاحتمالي للاستجابات)، والذي نأخذ منه عينة واحدة في كل مرة (لكل تجربة).
تذكر الوقت الذي يتطلبه المجرب لدينا (150 ميكروثانية) لإجراء التجربة، سيكون هذا مفيدًا لنا أكثر قليلاً، عندما نتحدث عن المشكلات الرئيسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية وزمن فك الترابط.
خوارزميات الكم
كما ذكرنا سابقًا، فإن الخوارزميات التقليدية القائمة على المنطق الثنائي لا تنطبق على الكمبيوتر الكمي الذي يستخدم المنطق الكمي (البوابات الكمومية). بالنسبة له، كان من الضروري التوصل إلى حلول جديدة تستغل الإمكانات الكامنة في الطبيعة الكمومية للحوسبة بشكل كامل.
الخوارزميات الأكثر شهرة اليوم هي:
على عكس الحواسيب الكلاسيكية، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست عالمية.
تم العثور على عدد قليل فقط من الخوارزميات الكمومية حتى الآن.
شكرا للارتباط به ، مكان، وفقا للمؤلف () ، تم جمع أفضل ممثلي عالم الخوارزميات الكمومية وما زالوا يتجمعون.
في هذه المقالة لن نقوم بتحليل الخوارزميات الكمومية بالتفصيل؛ فهناك الكثير من المواد الممتازة على الإنترنت لأي مستوى من التعقيد، ولكننا لا نزال بحاجة إلى مراجعة أشهر ثلاثة منها بشكل مختصر.
خوارزمية شور.
أشهر خوارزمية الكم هي (اخترعها عالم الرياضيات الإنجليزي عام 1994 ) ، والذي يهدف إلى حل مشكلة تحليل الأعداد إلى عوامل أولية (مشكلة التحليل، اللوغاريتم المنفصل).
يتم الاستشهاد بهذه الخوارزمية كمثال عندما يكتبون أن أنظمتك المصرفية وكلمات المرور الخاصة بك سيتم اختراقها قريبًا. وبالنظر إلى أن طول المفاتيح المستخدمة اليوم لا يقل عن 2048 بت، فإن وقت الحد الأقصى لم يحن بعد.
حتى الآن أكثر من متواضعة. أفضل نتائج التحليل باستخدام خوارزمية شور - الأعداد и وهو أقل بكثير من 2048 بت. بالنسبة للنتائج المتبقية من الجدول، مختلفة الحسابات، ولكن حتى أفضل نتيجة لهذه الخوارزمية (291311) بعيدة جدًا عن التطبيق الحقيقي.
يمكنك قراءة المزيد عن خوارزمية شور، على سبيل المثال،. حول التنفيذ العملي - .
واحد من التعقيد والقدرة المطلوبة لتحليل رقم 2048 بت هو جهاز كمبيوتر به . ننام بسلام.
خوارزمية جروفر
- حل مشكلة التعداد، أي إيجاد حل للمعادلة F(X) = 1، حيث F من n المتغيرات. تم اقتراحه من قبل عالم رياضيات أمريكي в .
يمكن استخدام خوارزمية جروفر للعثور على и سلسلة أرقام. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامه لحل المشاكل من خلال بحث شامل بين العديد من الحلول الممكنة. قد يستلزم ذلك زيادة كبيرة في السرعة مقارنة بالخوارزميات الكلاسيكية، على الرغم من عدم توفير "" على العموم.
يمكنك قراءة المزيدأو . بعد هناك شرح جيد للخوارزمية باستخدام مثال الصناديق والكرة، ولكن للأسف لأسباب خارجة عن إرادة أحد، لا يفتح لي هذا الموقع من روسيا. اذا كنت تمتلك تم حظره أيضًا، لذا إليك ملخصًا قصيرًا:
خوارزمية جروفر. تخيل أن لديك عدد N من الصناديق المغلقة المرقمة. جميعها فارغة باستثناء واحدة تحتوي على كرة. مهمتك: معرفة رقم الصندوق الذي توجد فيه الكرة (غالبًا ما يُشار إلى هذا الرقم غير المعروف بالحرف w).
كيفية حل هذه المشكلة؟ الطريقة الأكثر غباءً هي التناوب في فتح الصناديق، وعاجلاً أم آجلاً سوف تجد صندوقًا به كرة. في المتوسط، كم عدد المربعات التي يجب التحقق منها قبل العثور على صندوق به كرة؟ في المتوسط، تحتاج إلى فتح حوالي نصف صناديق N/2. الشيء الرئيسي هنا هو أنه إذا قمنا بزيادة عدد الصناديق بمقدار 100 مرة، فإن متوسط عدد الصناديق التي يجب فتحها قبل العثور على الصندوق الذي يحتوي على الكرة سيزيد أيضًا بنفس الـ 100 مرة.
الآن دعونا نقدم توضيحا آخر. دعونا لا نفتح الصناديق بأنفسنا بأيدينا ونتحقق من وجود كرة في كل منها، ولكن هناك وسيط معين، دعنا نسميه أوراكل. نقول لأوراكل، "خانة الاختيار رقم 732"، وتتحقق أوراكل بصدق وتجيب، "لا توجد كرة في المربع رقم 732". الآن، بدلاً من قول عدد الصناديق التي نحتاج إلى فتحها في المتوسط، نقول "كم مرة في المتوسط يجب أن نذهب إلى Oracle للعثور على رقم الصندوق الذي به الكرة"
اتضح أننا إذا قمنا بترجمة هذه المشكلة مع الصناديق والكرة والأوراكل إلى لغة كمومية، فسنحصل على نتيجة رائعة: للعثور على عدد المربع الذي يحتوي على كرة بين الصناديق N، نحتاج إلى إزعاج Oracle فقط فيما يتعلق بـ SQRT (ن) مرات!
وهذا يعني أن تعقيد مهمة البحث باستخدام خوارزمية جروفر يتم تقليله بواسطة الجذر التربيعي للمرات.
خوارزمية دويتش-جوزي
خوارزمية Deutsch-Jozsa (يشار إليها أيضًا بخوارزمية Deutsch-Jozsa) - [خوارزمية الكم](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в ، وأصبح أحد الأمثلة الأولى للخوارزميات المصممة للتنفيذ عليها . _
تتمثل مسألة Deutsch-Jozsi في تحديد ما إذا كانت دالة مكونة من عدة متغيرات ثنائية F(x1, x2, ...xn) ثابتة (تأخذ إما القيمة 0 أو 1 لأي وسيطات) أو متوازنة (لنصف المجال الذي تستغرقه) القيمة 0، للنصف الآخر 1). وفي هذه الحالة يعتبر معروفا مسبقا أن الدالة إما ثابتة أو متوازنة.
يمكنك أيضا أن تقرأ . تفسير أبسط:
تعتمد الخوارزمية الألمانية (Deutsch-Jozsi) على القوة الغاشمة، ولكنها تسمح بتنفيذها بشكل أسرع من المعتاد. تخيل أن هناك عملة معدنية على الطاولة وتحتاج إلى معرفة ما إذا كانت مزيفة أم لا. للقيام بذلك، عليك أن تنظر إلى العملة مرتين وتحدد: "الصورة" و"الصورة" حقيقية، و"الصورة" و"الصورة" مزيفة. لذلك، إذا كنت تستخدم خوارزمية الكم الألمانية، فيمكن إجراء هذا التحديد بنظرة واحدة - القياس.
مشاكل الحواسيب الكمومية
عند تصميم وتشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، يواجه العلماء والمهندسون عددًا كبيرًا من المشكلات، والتي تم حلها حتى الآن بدرجات متفاوتة من النجاح. وفق () يمكن تحديد سلسلة المشاكل التالية:
- الحساسية للبيئة والتفاعل مع البيئة
- تراكم الأخطاء أثناء العمليات الحسابية
- صعوبات في التهيئة الأولية لحالات الكيوبت
- صعوبات في إنشاء أنظمة متعددة الكيوبت
أنصح بشدة بقراءة المقال ""، وخاصة التعليقات عليه.
دعونا ننظم جميع المشكلات الرئيسية في ثلاث مجموعات كبيرة ونلقي نظرة فاحصة على كل منها:
فك الترابط
.
الحالة الكمومية شيء هش للغايةالكيوبتات في حالة التشابك تكون غير مستقرة على الإطلاق، أي تأثير خارجي يمكن (ويفعل) تدمير هذا الاتصال. التغير في درجة الحرارة بأقل جزء من الدرجة، والضغط، وفوتون عشوائي يطير في مكان قريب - كل هذا يزعزع استقرار نظامنا.
ولحل هذه المشكلة، يتم بناء توابيت ذات درجة حرارة منخفضة، تكون فيها درجة الحرارة (-273.14 درجة مئوية) أعلى بقليل من الصفر المطلق، مع أقصى عزل للغرفة الداخلية مع المعالج من جميع تأثيرات البيئة الخارجية (المحتملة).
يُطلق على الحد الأقصى لعمر نظام كمي مكون من عدة كيوبتات متشابكة، والذي يحتفظ خلاله بخصائصه الكمومية ويمكن استخدامه في الحسابات، وقت فك الترابط.
حاليًا، زمن فك الترابط في أفضل الحلول الكمومية هو في حدود عشرات ومئات من الميكروثانية.
يوجد ملف حيث يمكنك أن تبحث لجميع أنظمة الكم التي تم إنشاؤها. تتضمن هذه المقالة اثنين فقط من أفضل المعالجات كأمثلة - من شركة IBM ومن . كما نرى فإن زمن فك الترابط (T2) لا يتجاوز 200 ميكروثانية.
لم أجد بيانات دقيقة عن الجميز، ولكن في معظمها يتم إعطاء رقمين - مليون عملية حسابية في 1 ثانيةفي مكان آخر - ل 130 ثانية دون فقدان إشارات التحكم، إلخ.. على أية حال، هذا يعطينا وقت فك الترابط حوالي 150 ميكروثانية. تذكر لدينا مجرب مع حقيبة؟ حسنا، هنا هو.
| اسم الكمبيوتر | ن كيوبت | ماكس يقترن | T2 (ميكرو ثانية) |
| IBM Q نظام واحد | 20 | 6 | 70 |
| جوجل الجميز | 53 | 4 | ~ 150-200 |
ما الذي يهددنا به فك الترابط؟
المشكلة الرئيسية هي أنه بعد 150 ميكرو ثانية، سيبدأ نظام الحوسبة الخاص بنا المكون من عدد N من البتات الكمومية المتشابكة في إصدار ضوضاء بيضاء احتمالية بدلاً من التوزيع الاحتمالي للحلول الصحيحة.
أي أننا نحتاج إلى:
- تهيئة نظام الكيوبت
- إجراء عملية حسابية (سلسلة عمليات البوابة)
- قراءة النتيجة
وقم بكل هذا في 150 ميكروثانية. لم يكن لدي الوقت - تحولت النتيجة إلى قرع.
لكن هذا ليس كل شيء ...
أخطاء
كما قلنا، العمليات الكمومية والحوسبة الكمومية هي احتمالية بطبيعتهالا يمكننا أن نكون متأكدين بنسبة 100% من أي شيء، ولكن مع وجود بعض الاحتمالات فقط. ومما يزيد الوضع تفاقما حقيقة ذلك الحوسبة الكمومية عرضة للخطأ. الأنواع الرئيسية للأخطاء في الحوسبة الكمومية هي:
- تنجم أخطاء فك الترابط عن تعقيد النظام وتفاعله مع البيئة الخارجية
- بوابة الأخطاء الحسابية (بسبب الطبيعة الكمومية للحساب)
- أخطاء في قراءة الحالة النهائية (النتيجة)
الأخطاء المرتبطة بفك الترابط، تنشأ على الفور بمجرد أن نشبك الكيوبتات الخاصة بنا ونبدأ في إجراء العمليات الحسابية. كلما زاد عدد الكيوبتات التي نتشابكها، أصبح النظام أكثر تعقيدًا، وكان تدميره أسهل. التوابيت ذات درجة الحرارة المنخفضة، والغرف المحمية، كل هذه الحيل التكنولوجية تهدف على وجه التحديد إلى تقليل عدد الأخطاء وتمديد وقت فك الترابط.
بوابة الأخطاء الحسابية - أي عملية (بوابة) على الكيوبتات يمكن، مع بعض الاحتمالات، أن تنتهي بخطأ، ولتنفيذ الخوارزمية نحتاج إلى تنفيذ مئات البوابات، لذا تخيل ما نحصل عليه في نهاية تنفيذ الخوارزمية لدينا. الإجابة الكلاسيكية على السؤال هي "ما هو احتمال مقابلة ديناصور في المصعد؟" - 50x50، إما أن تلتقي أم لا.
وتتفاقم المشكلة أكثر بسبب حقيقة أن طرق تصحيح الأخطاء القياسية (ازدواجية الحسابات والمتوسطات) لا تعمل في العالم الكمي بسبب نظرية عدم الاستنساخ. ل في الحوسبة الكمومية كان لا بد من اختراعها . بشكل تقريبي، نأخذ N من الكيوبتات العادية ونصنع واحدة منها الكيوبت المنطقي مع انخفاض معدل الخطأ.
ولكن هنا تنشأ مشكلة أخرى - إجمالي عدد الكيوبتات. انظر، لنفترض أن لدينا معالجًا يحتوي على 100 كيوبت، منها 80 كيوبت تُستخدم لتصحيح الأخطاء، ثم يتبقى لدينا 20 فقط لإجراء العمليات الحسابية.
أخطاء في قراءة النتيجة النهائية — كما نتذكر، يتم عرض نتيجة الحسابات الكمومية لنا في النموذج التوزيع الاحتمالي للإجابات. لكن قراءة الحالة النهائية قد تفشل أيضًا بسبب وجود خطأ.
على نفس توجد جداول مقارنة للمعالجات حسب مستويات الخطأ. للمقارنة، خذ نفس المعالجات كما في المثال السابق - IBM и :
| الحاسوب | 1-إخلاص بوابة الكيوبت | 2-Qubit بوابة الإخلاص | دقة القراءة |
| IBM Q نظام واحد | 99.96% | 98.31% | - |
| جوجل الجميز | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
ومن هو مقياس للتشابه بين حالتين الكم. يمكن التعبير عن حجم الخطأ تقريبًا بـ 1-الإخلاص. كما نرى، فإن الأخطاء في البوابات ذات 2 كيوبت وأخطاء القراءة هي العقبة الرئيسية أمام تنفيذ خوارزميات معقدة وطويلة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الموجودة.
يمكنك أيضا أن تقرأ سنوات من لحل مشكلة تصحيح الخطأ.
بنية المعالج
من الناحية النظرية نحن نبني ونعمل دوائر من عشرات الكيوبتات المتشابكة، في الواقع كل شيء أكثر تعقيدًا. تم تصميم جميع الرقائق الكمومية (المعالجات) الموجودة بطريقة تجعلها غير مؤلمة تشابك كيوبت واحد فقط مع جيرانه، والتي لا يزيد عددها عن ستة.
إذا أردنا ربط الكيوبت الأول، على سبيل المثال، بالكيوبت الثاني عشر، فسيتعين علينا ذلك بناء سلسلة من العمليات الكمية الإضافية، تتضمن كيوبتات إضافية، وما إلى ذلك، مما يزيد من مستوى الخطأ الإجمالي. نعم، ولا تنسى وقت فك الترابطربما بحلول الوقت الذي تنتهي فيه من توصيل الكيوبتات بالدائرة التي تحتاجها، سينتهي الوقت وتتحول الدائرة بأكملها إلى مولد ضوضاء بيضاء لطيف.
أيضا لا تنسى ذلك تختلف بنية جميع المعالجات الكمومية، وسيحتاج البرنامج المكتوب في المحاكي في وضع "الاتصال الشامل للجميع" إلى "إعادة ترجمته" إلى بنية شريحة معينة. هناك حتى لتنفيذ هذه العملية.
الحد الأقصى للاتصال والحد الأقصى لعدد البتات لنفس الرقائق العليا:
| اسم الكمبيوتر | ن كيوبت | ماكس يقترن | T2 (ميكرو ثانية) |
| IBM Q نظام واحد | 20 | 6 | 70 |
| جوجل الجميز | 53 | 4 | ~ 150-200 |
و للمقارنة، جدول يحتوي على بيانات من الجيل السابق من المعالجات. قارن عدد الكيوبتات وزمن فك الترابط ومعدل الخطأ بما لدينا الآن مع الجيل الجديد. ومع ذلك، فإن التقدم بطيء، لكنه يتحرك.
لذلك:
- لا توجد حاليًا بنيات متصلة بشكل كامل بأكثر من 6 كيوبت
- لتشابك الكيوبت 0 ثانية على معالج حقيقي، على سبيل المثال، قد يتطلب الكيوبت 15 عدة عشرات من العمليات الإضافية
- المزيد من العمليات -> المزيد من الأخطاء -> تأثير أقوى لفك الترابط
نتائج
إن فك الترابط هو السرير Procrustean للحوسبة الكمومية الحديثة. يجب أن نلائم كل شيء في 150 ميكرو ثانية:
- تهيئة الحالة الأولية للكيوبتات
- حساب مشكلة باستخدام البوابات الكمومية
- تصحيح الأخطاء للحصول على نتائج ذات معنى
- اقرأ النتيجة
لكن النتائج حتى الآن مخيبة للآمال المطالبة بتحقيق وقت الاحتفاظ بالتماسك بمقدار 0.5 ثانية على كمبيوتر كمي يعتمد على :
نحن نقيس زمن تماسك الكيوبت بما يزيد عن 0.5 ثانية، ومع التدريع المغناطيسي نتوقع أن يتحسن هذا ليكون أطول من 1000 ثانية
يمكنك أيضًا أن تقرأ عن هذه التقنية أو على سبيل المثال .
ومما يزيد الوضع تعقيدًا حقيقة أنه عند إجراء حسابات معقدة، من الضروري استخدام دوائر تصحيح الأخطاء الكمومية، والتي تستهلك أيضًا الوقت والكيوبتات المتاحة.
وأخيرًا، لا تسمح الهندسة المعمارية الحديثة بتنفيذ مخططات تشابك أفضل من 1 في 4 أو 1 في 6 بأقل التكاليف.
طرق حل المشاكل
لحل المشاكل المذكورة أعلاه، يتم حاليا استخدام الأساليب والأساليب التالية:
- استخدام غرف التبريد ذات درجات حرارة منخفضة (10 مللي كلفن (–273,14 درجة مئوية))
- استخدام وحدات المعالج التي تتمتع بأقصى قدر من الحماية من التأثيرات الخارجية
- استخدام أنظمة تصحيح الأخطاء الكمومية (الكيوبت المنطقية)
- استخدام المحسنات عند برمجة الدوائر لمعالج معين
يتم إجراء الأبحاث أيضًا بهدف زيادة زمن فك الترابط، والبحث عن تطبيقات فيزيائية جديدة (وتحسين معروفة) للأجسام الكمومية، وتحسين دوائر التصحيح، وما إلى ذلك. هناك تقدم (انظر أعلاه إلى خصائص الرقائق المتطورة السابقة واليوم)، لكنه بطيء جدًا حتى الآن.
D-الموجة
كمبيوتر D-Wave 2000Q 2000 كيوبت. مصدر:
وسط إعلان جوجل عن تحقيق التفوق الكمي باستخدام معالج 53 كيوبت، и من شركة D-Wave، حيث يكون عدد الكيوبتات بالآلاف، أمر مربك إلى حد ما. حسنًا، حقًا، إذا كان 53 كيوبتًا قادرًا على تحقيق التفوق الكمي، فما الذي يستطيع الكمبيوتر الذي يحتوي على 2048 كيوبتًا أن يفعل؟ ولكن ليس كل شيء على ما يرام ...
باختصار (مأخوذ من الويكي):
أجهزة الكمبيوتر العمل على المبدأ ()، يمكنها حل فئة فرعية محدودة جدًا من مشكلات التحسين، وهي غير مناسبة لتنفيذ خوارزميات الكم التقليدية والبوابات الكمومية.
لمزيد من التفاصيل يمكنك القراءة، على سبيل المثال، , (حذر، قد لا يفتح من روسيا)، أو в منه . بالمناسبة، أوصي بشدة بقراءة مدونته بشكل عام، فهناك الكثير من المواد الجيدة هناك
بشكل عام، منذ بداية الإعلانات، كان لدى المجتمع العلمي أسئلة حول أجهزة الكمبيوتر D-Wave. على سبيل المثال، في عام 2014، شككت شركة IBM في حقيقة أن D-Wave وصل الأمر إلى حد أنه في عام 2015، اشترت شركة Google، بالتعاون مع وكالة ناسا، أحد أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه وبعد البحث نعم، يعمل الكمبيوتر ويحسب المشكلة بشكل أسرع من الكمبيوتر العادي. يمكنك قراءة المزيد عن بيان جوجل وعلى سبيل المثال .
الشيء الرئيسي هو أن أجهزة الكمبيوتر D-Wave، بمئات وآلاف الكيوبتات، لا يمكن استخدامها لحساب وتشغيل الخوارزميات الكمومية. لا يمكنك تشغيل خوارزمية شور عليها، على سبيل المثال. كل ما يمكنهم فعله هو استخدام آليات كمومية معينة لحل مشكلة تحسين معينة. يمكننا أن نعتبر أن D-Wave هو ASIC الكمي لمهمة محددة.
قليلا عن محاكاة الكمبيوتر الكمي
يمكن محاكاة الحوسبة الكمومية على جهاز كمبيوتر عادي. بالفعل، :
- يمكن أن تكون حالة الكيوبت عدد مركب، يشغل من 2x32 إلى 2x64 بت (8-16 بايت) اعتمادًا على بنية المعالج
- يمكن تمثيل حالة البتات الكمومية المتصلة بعدد 2^N، على سبيل المثال. 2^(3+N) للبنية 32 بت و2^(4+N) للبنية 64 بت.
- يمكن تمثيل العملية الكمية على N كيوبت بمصفوفة 2^N x 2^N
ثم:
- لتخزين الحالات التي تمت مضاهاتها والتي تبلغ 10 كيوبت، هناك حاجة إلى 8 كيلوبايت
- لتخزين حالات 20 كيوبت، تحتاج إلى 8 ميغابايت
- لتخزين حالات 30 كيوبت، هناك حاجة إلى 8 جيجابايت
- هناك حاجة إلى 40 تيرابايت لتخزين حالات 8 كيوبت
- لتخزين حالات 50 كيوبت، هناك حاجة إلى 8 بيتابايت، وما إلى ذلك.
وعلى سبيل المقارنة، () يحمل فقط 2.8 بيتابايت من الذاكرة.
- تم تسليم 49 كيوبت العام الماضي إلى أكبر كمبيوتر صيني عملاق ()
يتم تحديد حد محاكاة الكمبيوتر الكمومي على الأنظمة الكلاسيكية بمقدار ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) المطلوبة لتخزين حالة البتات الكمومية.
أوصي أيضًا بالقراءة . من هناك:
عن طريق التشغيل - لمحاكاة دقيقة لدائرة ذات 49 بتة تتكون من حوالي 39 "دورة" (طبقات مستقلة من البوابات) 2^63 عملية ضرب معقدة - 4 Pflops للكمبيوتر العملاق لمدة 4 ساعات
تعتبر محاكاة جهاز كمبيوتر كمي 50+ كيوبت على الأنظمة الكلاسيكية أمرًا مستحيلًا في وقت معقول. ولهذا السبب أيضًا استخدمت جوجل معالجًا بسرعة 53 كيوبت في تجربة التفوق الكمي.
تفوق الحوسبة الكمومية.
تقدم لنا ويكيبيديا التعريف التالي لتفوق الحوسبة الكمومية:
التفوق الكمي - القدرة أجهزة لحل المشكلات التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية حلها عمليًا.
وفي الواقع، فإن تحقيق التفوق الكمي يعني أنه، على سبيل المثال، يمكن حل تحليل الأعداد الكبيرة باستخدام خوارزمية شور في وقت مناسب، أو يمكن محاكاة الجزيئات الكيميائية المعقدة على المستوى الكمي، وما إلى ذلك. وهذا يعني أن حقبة جديدة قد وصلت.
ولكن هناك ثغرة في صياغة التعريف، "والتي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية حلها عمليا" في الواقع، هذا يعني أنه إذا قمت بإنشاء جهاز كمبيوتر كمي يحتوي على أكثر من 50 كيوبت وقمت بتشغيل بعض الدوائر الكمومية عليه، فكما ناقشنا أعلاه، لا يمكن محاكاة نتيجة هذه الدائرة على جهاز كمبيوتر عادي. إنه لن يتمكن الكمبيوتر الكلاسيكي من إعادة إنشاء نتيجة مثل هذه الدائرة.
وسواء كانت هذه النتيجة تشكل تفوقًا كميًا حقيقيًا أم لا، فهي بالأحرى مسألة فلسفية. لكن افهم ما فعلته Google وما الذي يستند إليه ضروري.
بيان التفوق الكمومي لجوجل
معالج سيكامور 54 كيوبت
لذلك، في أكتوبر 2019، نشر مطورو جوجل مقالًا في المنشور العلمي Nature “" وأعلن المؤلفون تحقيق التفوق الكمي لأول مرة في التاريخ باستخدام معالج سيكامور 54 كيوبت.
غالبًا ما تشير مقالات Sycamore عبر الإنترنت إلى معالج 54 بت أو معالج 53 بت. والحقيقة هي أنه وفقا ل ، يتكون المعالج فعليًا من 54 كيوبت، لكن إحداها لا تعمل وتم إخراجها من الخدمة. وهكذا، في الواقع لدينا معالج 53 كيوبت.
على شبكة الإنترنت هناك المواد حول هذا الموضوع، والتي تختلف درجة منها إلى .
صرح فريق الحوسبة الكمومية التابع لشركة IBM بذلك لاحقًا . وتدعي الشركة أن الكمبيوتر التقليدي سيتعامل مع هذه المهمة في أسوأ الحالات خلال 2,5 يوم، وستكون الإجابة الناتجة أكثر دقة من إجابة الكمبيوتر الكمي. تم التوصل إلى هذا الاستنتاج بناءً على نتائج التحليل النظري للعديد من طرق التحسين.
وبالطبع، في تقريرها لم أستطع تجاهل هذا البيان. له جنبا إلى جنب مع كافة الروابط و كالعادة، فهي تستحق قضاء وقتك فيها. على المحور هذه الأسئلة الشائعة، وتأكد من قراءة التعليقات، فهناك روابط للوثائق الأولية التي تم تسريبها عبر الإنترنت قبل الإعلان الرسمي.
ماذا فعلت جوجل في الواقع؟ للحصول على فهم مفصل، اقرأ آرونسون، ولكن باختصار هنا:
أستطيع، بالطبع، أن أخبرك، لكنني أشعر بالغباء إلى حد ما. الحساب هو كما يلي: يقوم المُجرِّب بإنشاء دائرة كمومية عشوائية C (أي تسلسل عشوائي لبوابات 1 كيوبت و2 كيوبت بين أقرب الجيران، بعمق، على سبيل المثال، 20، يعمل على شبكة ثنائية الأبعاد تبلغ n = 2-50 كيوبت). يرسل المجرب بعد ذلك C إلى الكمبيوتر الكمي، ويطلب منه تطبيق C على الحالة الأولية 60، وقياس النتيجة على الأساس {0}، وإرسال تسلسل (سلسلة) ملاحظ من n بت، وتكرار عدة مرات. آلاف أو ملايين المرات. أخيرًا، باستخدام معرفته بلغة C، يقوم المجرب بإجراء اختبار إحصائي لمعرفة ما إذا كانت النتيجة تتطابق مع المخرجات المتوقعة من الكمبيوتر الكمي.
خلاصة القول، بالمختصر:
- يتم إنشاء دائرة عشوائية بطول 20 من 53 كيوبت باستخدام البوابات
- تبدأ الدائرة بالحالة الأولية [0…0] للتنفيذ
- إخراج الدائرة عبارة عن سلسلة بت عشوائية (عينة)
- توزيع النتيجة ليس عشوائيا (التداخل)
- تتم مقارنة توزيع العينات التي تم الحصول عليها مع العينة المتوقعة
- يختتم التفوق الكمي
وهذا يعني أن جوجل نفذت مشكلة اصطناعية على معالج 53 كيوبت، وتبني ادعاءها بتحقيق التفوق الكمي على حقيقة مفادها أنه من المستحيل محاكاة مثل هذا المعالج على الأنظمة القياسية في وقت معقول.
للتفاهم - لا يقلل هذا القسم بأي شكل من الأشكال من إنجازات Googleفالمهندسون رائعون حقًا، والسؤال عما إذا كان يمكن اعتبار هذا تفوقًا كميًا حقيقيًا أم لا، كما ذكرنا سابقًا، هو سؤال فلسفي أكثر من الهندسة. ولكن يجب علينا أن نفهم أنه بعد أن حققنا مثل هذا التفوق الحسابي، فإننا لم نتقدم خطوة واحدة نحو القدرة على تشغيل خوارزمية شور على أرقام 2048 بت.
ملخص
تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية والحوسبة الكمومية مجالًا واعدًا جدًا وصغيرًا جدًا وقليل التطبيق صناعيًا حتى الآن في مجال تكنولوجيا المعلومات.
إن تطوير الحوسبة الكمومية سيسمح لنا (في يوم من الأيام) بحل المشكلات:
- نمذجة النظم الفيزيائية المعقدة على المستوى الكمي
- غير قابلة للحل على جهاز كمبيوتر عادي بسبب التعقيد الحسابي
المشاكل الرئيسية في إنشاء وتشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية:
- فك الترابط
- الأخطاء (فك الترابط والبوابة)
- بنية المعالج (دوائر الكيوبت المتصلة بالكامل)
الوضع الراهن:
- في الواقع - البداية .
- لا يوجد استغلال تجاري حقيقي حتى الآن (وليس من الواضح متى سيحدث)
ما الذي يمكن أن يساعد:
- نوع من الاكتشاف المادي الذي يقلل من تكلفة الأسلاك وتشغيل المعالجات
- اكتشاف شيء من شأنه أن يزيد من وقت فك الترابط بمقدار كبير و/أو يقلل من الأخطاء
من وجهة نظري (رأي شخصي بحت) في النموذج العلمي الحالي للمعرفة، لن نحقق نجاحًا كبيرًا في تطوير تقنيات الكم، نحن هنا بحاجة إلى طفرة نوعية في بعض مجالات العلوم الأساسية أو التطبيقية، والتي سوف تعطي زخما للأفكار والأساليب الجديدة.
في هذه الأثناء، نكتسب خبرة في البرمجة الكمومية، وجمع وإنشاء خوارزميات الكم، واختبار الأفكار، وما إلى ذلك، وما إلى ذلك. نحن في انتظار اختراق.
اختتام
في هذا المقال، مررنا بالمعالم الرئيسية في تطوير الحوسبة الكمومية والحواسيب الكمومية، ودرسنا مبدأ عملها، ودرسنا المشاكل الرئيسية التي تواجه المهندسين في تطوير وتشغيل المعالجات الكمومية، ونظرنا أيضًا في ماهية الكيوبتات المتعددة في الواقع، أجهزة الكمبيوتر D هي كذلك، وإعلان Wave وGoogle الأخير عن تحقيق التفوق الكمي.
تُركت خلف الكواليس أسئلة حول برمجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية (اللغات والأساليب والأساليب وما إلى ذلك) والأسئلة المتعلقة بالتنفيذ المادي المحدد للمعالجات، وكيفية إدارة الكيوبتات وربطها وقراءتها وما إلى ذلك. وربما يكون هذا هو موضوع المقال أو المقالات القادمة.
شكرًا لك على اهتمامك، وآمل أن تكون هذه المقالة مفيدة لشخص ما.
(C)
شكر وتقدير
للتدقيق اللغوي والتعليقات على النص المصدر، وكذلك على المقال
للحصول على تعليقات غنية بالمعلومات على وليس لها فقط، مما ساعدني إلى حد كبير في حل هذا اللغز.
إلى جميع مؤلفي المقالات والمطبوعات الذين استخدمت موادهم في كتابة هذا المقال.
قائمة الموارد
مقالات الشؤون الحالية من [مطبعة الأكاديميات الوطنية]
مقالات من حبر (بترتيب عشوائي)
مقالات غير مصنفة (ولكنها ليست أقل إثارة للاهتمام) من الإنترنت
الدورات والمحاضرات
المصدر: www.habr.com