Kvant kompüterləri və kvant hesablamaları - yeni ilə birlikdə informasiya məkanımıza əlavə olundu , və digər yüksək texnologiyalı terminlər. Eyni zamanda, İnternetdə heç vaxt başımdakı tapmacanı bir araya gətirəcək material tapa bilmədim "Kvant kompüterləri necə işləyir". Bəli, çox gözəl əsərlər var, o cümlədən Habr haqqında (bax. ), şərhlər, adətən olduğu kimi, daha çox məlumatlandırıcı və faydalıdır, amma başımdakı şəkil, necə deyərlər, əlavə edilmədi.
Və bu yaxınlarda həmkarlarım yanıma gəlib soruşdular: “Kvant kompüterinin necə işlədiyini başa düşürsən? Bizə deyə bilərsinizmi?” Və sonra başa düşdüm ki, beynimdə tutarlı bir şəkil yaratmaqda problemi olan tək mən deyiləm.
Nəticədə, kvant kompüterləri haqqında məlumatları ardıcıl məntiq dövrəsinə yığmağa cəhd edildi. əsas səviyyə, riyaziyyata və kvant dünyasının quruluşuna dərindən batırılmadan, kvant kompüterinin nə olduğu, hansı prinsiplər əsasında fəaliyyət göstərdiyi, alimlərin onu yaradıb işlədərkən hansı problemlərlə üzləşdiyi izah edilib.
Mündəricat
İmtina
Müəllif kvant hesablamaları üzrə mütəxəssis deyil və Məqalənin hədəf auditoriyası kvant mütəxəssisləri deyil, eyni İT adamlarıdır, onlar da başlarında “Kvant kompüterləri necə işləyir” adlı bir şəkil birləşdirmək istəyirlər. Buna görə də, məqalədəki bir çox anlayışlar kvant texnologiyalarını “əsas” səviyyədə daha yaxşı başa düşmək üçün qəsdən sadələşdirilmişdir, lakin .
Məqalədə bəzi yerlərdə başqa mənbələrdən materiallar istifadə olunur, . Mümkünsə, orijinal mətnə, cədvələ və ya rəqəmə birbaşa keçidlər və göstərişlər daxil edilir. Əgər haradasa nəyisə (yaxud kimisə) unutmuşamsa, yazın, düzəldəcəm.
Giriş
Bu fəsildə kvant dövrünün necə başladığına, kvant kompüteri ideyasının motivasiyaedici səbəbi nə olduğuna, hazırda bu sahədə aparıcı oyunçuların kimlər (hansı ölkələr və korporasiyalar) olduğuna qısaca nəzər salacağıq və həmçinin qısaca danışacağıq. kvant hesablamalarının inkişafının əsas istiqamətləri haqqında.
Bütün necə başladı
Kvant dövrünün başlanğıc nöqtəsi M.Plankın ilk dəfə irəli sürdüyü 1900-cü il hesab olunur. ki, enerji davamlı olaraq deyil, ayrı-ayrı kvantlarda (hissələrdə) yayılır və udulur. İdeya o dövrün bir çox görkəmli alimləri - Bor, Eynşteyn, Heyzenberq, Şrödinger tərəfindən mənimsənilmiş və inkişaf etdirilmiş və nəticədə belə bir elmin yaranmasına və inkişafına səbəb olmuşdur. . İnternetdə kvant fizikasının bir elm kimi formalaşması ilə bağlı çoxlu yaxşı materiallar var, bu yazıda bu barədə ətraflı danışmayacağıq, lakin yeni kvant erasına daxil olduğumuz tarixi göstərmək lazım idi.
Kvant fizikası gündəlik həyatımıza bir çox ixtira və texnologiya gətirdi, onlarsız ətrafımızdakı dünyanı təsəvvür etmək indi çətindir. Məsələn, indi məişət texnikasından (lazer səviyyələri və s.) yüksək texnologiyalı sistemlərə qədər (görmə korreksiyası üçün lazerlər, salam) hər yerdə istifadə olunan lazer. ). Güman etmək məntiqli olardı ki, gec-tez kimsə hesablama üçün kvant sistemlərindən niyə istifadə etməyək fikri ilə çıxış edəcək. Və sonra 1980-ci ildə baş verdi.
Vikipediya göstərir ki, kvant hesablamaları haqqında ilk ideya 1980-ci ildə alimimiz Yuri Manin tərəfindən ifadə edilib. Lakin onlar həqiqətən də bu barədə yalnız 1981-ci ildə, məşhur R.Feynman danışanda başladılar , qeyd edib ki, klassik kompüterdə kvant sisteminin təkamülünü effektiv şəkildə simulyasiya etmək mümkün deyil. O, elementar bir model təklif etdi , bu cür modelləşdirməni həyata keçirə biləcək.
var hansıda daha akademik və ətraflı nəzərdən keçirilir, lakin biz qısaca danışacağıq:
Kvant kompüterlərinin yaradılması tarixində əsas mərhələlər:
- [1994]. P. Şor. Tərəfindən hazırlanmış
- [1998]. yaradılmışdır
- [2001]. IBM icrasını təqdim etdi 15 nömrənin genişləndirilməsi üçün
- [2007-2016]. 128-2000 kubitlik kompüter yaradır və inkişaf etdirir
- [2012]. Kaliforniya Universitetində həyata keçirilir
- [2016]. Google 9 kubitlik kompüterdə
- [2017]. (üç atom)
- [2019]. . Buludda 20 kubitlik kompüter
- [2019]. . 53 qubit kompüter. ?
Göründüyü kimi, ideyanın yarandığı andan 17 kubitli kompüterdə ilk tətbiqinə qədər 1981 il (1998-ci ildən 2-ci ilə qədər), kubitlərin sayı 21-ə yüksələnə qədər isə 1998 il (2019-ci ildən 53-cu ilə qədər) keçdi. Şor alqoritminin nəticəsini (bir az sonra daha ətraflı nəzərdən keçirəcəyik) 11-dən 2001-ə yüksəltmək 2012 il çəkdi (15-ci ildən 21-ci ilə qədər). Feynman haqqında danışdıqlarını həyata keçirmək və ən sadə fiziki sistemləri modelləşdirməyi öyrənmək.
Kvant hesablamalarının inkişafı ləng gedir. Alim və mühəndislərin qarşısında çox çətin vəzifələr durur, kvant halları çox qısamüddətli və kövrəkdir və onları hesablamalar aparmaq üçün kifayət qədər uzun müddət saxlamaq üçün temperaturun saxlanıldığı on milyonlarla dollara sarkofaqlar tikməli olurlar. mütləq sıfırdan bir qədər yuxarı olan və xarici təsirlərdən maksimum dərəcədə qorunan. Sonra bu vəzifələr və problemlər haqqında daha ətraflı danışacağıq.
Aparıcı Oyunçular
Bu bölmə üçün slaydlar məqalədən götürülmüşdür , tədqiqatçıdan Aleksey Fedorov. İcazə verin sizə birbaşa sitatlar verim:
Texnoloji cəhətdən uğurlu olan bütün ölkələr hazırda kvant texnologiyalarını fəal şəkildə inkişaf etdirirlər. Bu tədqiqata böyük məbləğdə vəsait qoyulur və kvant texnologiyalarını dəstəkləmək üçün xüsusi proqramlar yaradılır.
Kvant yarışında təkcə dövlətlər deyil, özəl şirkətlər də iştirak edir. Ümumilikdə, Google, IBM, Intel və Microsoft bu yaxınlarda kvant kompüterlərinin inkişafına təxminən 0,5 milyard dollar sərmayə qoyub, böyük laboratoriyalar və tədqiqat mərkəzləri yaradıblar.
Habré və İnternetdə çoxlu məqalələr var, məsələn, , и , burada müxtəlif ölkələrdə kvant texnologiyalarının inkişafı ilə bağlı işlərin mövcud vəziyyəti daha ətraflı araşdırılır. İndi bizim üçün əsas odur ki, bütün qabaqcıl texnoloji cəhətdən inkişaf etmiş ölkələr və oyunçular bu istiqamətdə tədqiqatlara külli miqdarda vəsait yatırırlar ki, bu da mövcud texnoloji çıxılmaz vəziyyətdən çıxış yoluna ümid verir.
İnkişaf istiqamətləri
Hazırda (səhv edə bilərəm, məni düzəldin) bütün aparıcı oyunçuların əsas səyləri (və az-çox əhəmiyyətli nəticələr) iki sahədə cəmlənib:
- Xüsusi kvant kompüterləri, bunlar konkret konkret problemin, məsələn, optimallaşdırma probleminin həllinə yönəlmişdir. Məhsula misal olaraq D-Wave kvant kompüterlərini göstərmək olar.
- Universal kvant kompüterləri — ixtiyari kvant alqoritmlərini həyata keçirməyə qadir olanlar (Shor, Grover və s.). IBM, Google-dan tətbiqlər.
Kvant fizikasının bizə verdiyi digər inkişaf vektorları, məsələn:
- üçün əsas kimi
- və daha çox
Təbii ki, o da tədqiqat aparılacaq sahələr siyahısındadır, lakin hazırda az-çox əhəmiyyətli nəticələr görünmür.
Əlavə olaraq oxuya bilərsiniz , yaxşı, google "", Misal üçün, , и .
Əsaslar. Kvant obyekti və kvant sistemləri
Bu hissədən başa düşmək üçün ən vacib şey budur
Kvant kompüter (adi haldan fərqli olaraq) informasiya daşıyıcısı kimi istifadə edir kvant obyektləri, və hesablamalar aparmaq üçün kvant obyektləri birləşdirilməlidir kvant sistemi.
Kvant obyekti nədir?
Kvant obyekti - kvant xassələrini nümayiş etdirən mikrodünyanın obyekti (kvant dünyası):
- İki sərhəd səviyyəsi ilə müəyyən edilmiş vəziyyətə malikdir
- Ölçmə anına qədər öz vəziyyətinin superpozisiyasındadır
- Kvant sistemləri yaratmaq üçün digər obyektlərlə qarışır
- Klonlanmayan teoremi təmin edir (obyektin vəziyyəti kopyalana bilməz)
Hər bir əmlaka daha ətraflı baxaq:
İki sərhəd səviyyəsi ilə müəyyən edilmiş vəziyyətə malikdir (son vəziyyət)
Klassik real dünya nümunəsi sikkədir. Onun iki sərhəd səviyyəsini - "başlar" və "quyruqları" götürən "yan" vəziyyəti var.
Ölçmə anına qədər öz vəziyyətinin superpozisiyasındadır
Bir sikkə atdılar, uçur və fırlanır. Fırlanan zaman onun “yan” vəziyyətinin hansı sərhəd səviyyələrində yerləşdiyini söyləmək mümkün deyil. Ancaq biz onu yerə yıxıb nəticəyə baxan kimi dövlətlərin superpozisiyası dərhal iki sərhəd vəziyyətindən birinə - “başlar” və “quyruqlar”a dağılır. Bizim vəziyyətimizdə sikkə vurmaq bir ölçüdür.
Kvant sistemləri yaratmaq üçün digər obyektlərlə qarışır
Bir sikkə ilə çətindir, amma cəhd edək. Təsəvvür edin ki, biz üç sikkə atdıq ki, onlar bir-birinə yapışaraq fırlanır, bu, sikkələrlə hoqqalamaqdır. Zamanın hər anında nəinki onların hər biri dövlətlərin superpozisiyasındadır, həm də bu dövlətlər bir-birinə qarşılıqlı təsir göstərir (sikkələr toqquşur).
Klonlanmayan teoremi təmin edir (obyektin vəziyyəti kopyalana bilməz)
Sikkələr uçarkən və fırlanarkən, sistemdən ayrı olaraq hər hansı sikkələrin fırlanma vəziyyətinin surətini yarada bilməyimiz mümkün deyil. Sistem öz daxilində yaşayır və hər hansı bir məlumatı xarici dünyaya buraxmağa çox qısqanclıqla yanaşır.
Konsepsiyanın özü haqqında bir neçə kəlmə "superpozisiyalar", demək olar ki, bütün məqalələrdə superpozisiya kimi izah edilir “eyni anda bütün ştatlardadır”, bu, əlbəttə ki, doğrudur, lakin bəzən lazımsız yerə çaşqınlıq yaradır. Vəziyyətlərin superpozisiyasını hər bir zaman anında kvant obyektinin olması faktı kimi də təsəvvür etmək olar. onun hər bir sərhəd səviyyəsinə çökmə ehtimalları var və ümumilikdə bu ehtimallar təbii olaraq 1-ə bərabərdir.. Daha sonra qubiti nəzərdən keçirərkən bu barədə daha ətraflı dayanacağıq.
Sikkələr üçün bu vizuallaşdırıla bilər - ilkin sürətdən, atma bucağından, sikkənin uçduğu mühitin vəziyyətindən asılı olaraq, hər an "baş" və ya "quyruq" əldə etmə ehtimalı fərqlidir. Və daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, belə bir uçan sikkənin vəziyyətini "eyni anda bütün sərhəd dövlətlərində olmaq, lakin onların həyata keçirilməsinin müxtəlif ehtimalları ilə" təsəvvür etmək olar.
Yuxarıdakı xassələrin qarşılandığı və bizim yarada və idarə edə bildiyimiz istənilən obyekt kvant kompüterində informasiya daşıyıcısı kimi istifadə edilə bilər.
Bir az daha sonra kubitlərin kvant obyektləri kimi fiziki həyata keçirilməsi ilə bağlı mövcud vəziyyət və elm adamlarının indi bu qabiliyyətdə istifadə etdikləri barədə danışacağıq.
Beləliklə, üçüncü xüsusiyyət kvant obyektlərinin kvant sistemlərini yaratmaq üçün bir-birinə qarışa biləcəyini bildirir. Kvant sistemi nədir?
Kvant sistemi — aşağıdakı xassələrə malik dolaşıq kvant obyektləri sistemi:
- Kvant sistemi özündən ibarət olan obyektlərin bütün mümkün vəziyyətlərinin superpozisiyasındadır
- Ölçmə anına qədər sistemin vəziyyətini bilmək mümkün deyil
- Ölçmə anında sistem onun sərhəd vəziyyətinin mümkün variantlarından birini həyata keçirir
(və bir az irəliyə baxaraq)
Kvant proqramları üçün nəticə:
- Kvant proqramı girişdə sistemin verilmiş vəziyyətinə, daxilində superpozisiyaya, çıxışda superpozisiyaya malikdir.
- Ölçmədən sonra proqramın çıxışında, sistemin mümkün son vəziyyətlərindən birinin (plus mümkün səhvlər) ehtimal olunan icrası var.
- İstənilən kvant proqramı baca arxitekturasına malikdir (giriş -> çıxış. Döngülər yoxdur, prosesin ortasında sistemin vəziyyətini görə bilməzsiniz.)
Kvant kompüteri ilə şərti kompüterin müqayisəsi
İndi adi kompüterlə kvant kompüterini müqayisə edək.
| adi komputer | Kvant kompüter | |
|
Məntiq
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fizika
|
Yarımkeçirici tranzistor | Kvant obyekti |
|
İnformasiya daşıyıcısı
|
Gərginlik səviyyələri | Qütbləşmə, spin,… |
|
Əməliyyatlar
|
Bit üzərində DEYİL, AND, OR, XOR | Vanalar: CNOT, Hadamard,… |
|
Münasibət
|
Yarımkeçirici çip | Bir-biri ilə qarışıqlıq |
|
Alqoritmlər
|
Standart (bax qamçı) | Xüsusi təkliflər (Shore, Grover) |
|
Prinsip
|
Rəqəmsal, deterministik | Analoq, ehtimal |
Məntiq səviyyəsi
Adi bir kompüterdə bu bir azdır. Bizə yaxşı məlumdur deterministik bit. 0 və ya 1 dəyərlərini qəbul edə bilər. Rolu mükəmməl şəkildə yerinə yetirir məntiqi vahid adi bir kompüter üçün, lakin vəziyyəti təsvir etmək üçün tamamilə yararsızdır kvant obyekti, ki, artıq dediyimiz kimi, təbiətdə yerləşironların sərhəd dövlətlərinin superpozisiyaları.
Bu, onların gəldiyi şeydir . Sərhəd əyalətlərində 0 və 1-ə bənzər vəziyyətləri həyata keçirir , və superpozisiyada təmsil edir onun sərhəd dövlətləri üzərində ehtimal paylanması |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a və b təmsil edir , və onların modullarının kvadratları sərhəd dövlətlərinin tam olaraq belə dəyərlərini əldə etməyin faktiki ehtimallarıdır |0> и |1>, əgər siz indi ölçmə ilə qubiti çökdürsəniz.
Fiziki təbəqə
Hazırkı texnoloji inkişaf səviyyəsində şərti kompüter üçün bitin fiziki həyata keçirilməsidir yarımkeçirici tranzistor, kvant üçün, artıq dediyimiz kimi, istənilən kvant obyekti. Növbəti hissədə hal-hazırda kubitlər üçün fiziki media kimi istifadə edilənlərdən danışacağıq.
Saxlama mühiti
Adi bir kompüter üçün bu elektrik - gərginlik səviyyələri, cərəyanın olması və ya olmaması və s., kvant üçün - eyni kvant obyektinin vəziyyəti (qütbləşmə istiqaməti, spin və s.), superpozisiya vəziyyətində ola bilər.
Əməliyyatlar
Adi bir kompüterdə məntiq sxemlərini həyata keçirmək üçün biz tanınmış istifadə edirik , kubitlər üzərində əməliyyatlar üçün tamamilə fərqli bir əməliyyat sistemi ilə tanış olmaq lazım idi . Qapılar neçə kubit çevrildiyindən asılı olaraq tək kubit və ya iki kubit ola bilər.
Kvant qapılarının nümunələri:
Bir konsepsiya var universal klapan dəsti, hər hansı bir kvant hesablamasını yerinə yetirmək üçün kifayətdir. Məsələn, universal dəstə Hadamard qapısı, faza keçid qapısı, CNOT qapısı və π⁄8 qapısı daxildir. Onların köməyi ilə siz ixtiyari kubitlər dəstində istənilən kvant hesablamasını həyata keçirə bilərsiniz.
Bu yazıda biz kvant qapıları sistemi üzərində ətraflı dayanmayacağıq, onlar haqqında daha çox oxuya bilərsiniz və qubitlərdəki məntiqi əməliyyatlar, məsələn, . Xatırlamaq lazım olan əsas şey:
- Kvant obyektləri üzərində əməliyyatlar yeni məntiqi operatorların (kvant qapıları) yaradılmasını tələb edir.
- Kvant qapıları tək kubit və iki kubit növlərində olur.
- İstənilən kvant hesablamasını yerinə yetirmək üçün istifadə edilə bilən universal qapı dəstləri var
Münasibət
Bir tranzistor bizim üçün tamamilə yararsızdır, hesablamalar aparmaq üçün bir çox tranzistoru bir-birinə bağlamalıyıq, yəni milyonlarla tranzistordan yarımkeçirici çip yaratmalıyıq ki, bunun üzərində məntiqi sxemlər qurulsun. və nəhayət, klassik formada müasir prosessor əldə edin.
Bir qubit də bizim üçün tamamilə yararsızdır (yaxşı, yalnız akademik baxımdan),
Hesablamalar aparmaq üçün bizə kubitlər (kvant obyektləri) sistemi lazımdır.
ki, artıq dediyimiz kimi, qubitlərin bir-birinə qarışması ilə yaradılır ki, onların vəziyyətlərində dəyişikliklər koordinasiyalı şəkildə baş verir.
Alqoritmlər
Bəşəriyyətin bu günə qədər topladığı standart alqoritmlər kvant kompüterində həyata keçirmək üçün tamamilə yararsızdır. Bəli, ümumiyyətlə, ehtiyac yoxdur. Qubitlər üzərində qapı məntiqinə əsaslanan kvant kompüterləri tamamilə fərqli alqoritmlərin, kvant alqoritmlərinin yaradılmasını tələb edir. Ən məşhur kvant alqoritmlərindən üçü ayırd etmək olar:
- (faktorizasiya)
- (sifarişsiz verilənlər bazasında sürətli axtarış)
- (sualın cavabı, sabit və ya balanslaşdırılmış funksiya)
Prinsip
Və ən mühüm fərq əməliyyat prinsipidir. Standart bir kompüter üçün bu rəqəmsal, ciddi deterministik prinsip, ona əsaslanaraq ki, əgər sistemin hansısa ilkin vəziyyətini təyin etsək və onu verilmiş alqoritmdən keçirsək, bu hesablamanı neçə dəfə yerinə yetirsək də, hesablamaların nəticəsi eyni olacaq. Əslində, bu davranış kompüterdən gözlədiyimiz şeydir.
Kvant kompüteri işləyir analoq, ehtimal prinsipi. Verilmiş ilkin vəziyyətdə verilmiş alqoritmin nəticəsidir ehtimal paylanmasından nümunə alqoritmin son tətbiqləri və mümkün səhvlər.
Kvant hesablamasının bu ehtimal xarakteri kvant dünyasının çox ehtimal mahiyyəti ilə bağlıdır. "Allah kainatla zar oynamaz."” dedi qoca Eynşteyn, lakin indiyə qədər aparılan bütün təcrübələr və müşahidələr (indiki elmi paradiqmada) bunun əksini təsdiqləyir.
Qubitlərin fiziki həyata keçirilməsi
Artıq dediyimiz kimi, qubit kvant obyekti, yəni yuxarıda təsvir olunan kvant xassələrini həyata keçirən fiziki obyekt ilə təmsil oluna bilər. Yəni, kobud şəkildə desək, iki vəziyyətin olduğu və bu iki vəziyyətin superpozisiya vəziyyətində olduğu istənilən fiziki obyekt kvant kompüterini qurmaq üçün istifadə edilə bilər.
“Əgər biz bir atomu iki fərqli səviyyəyə qoya bilsək və onları idarə edə bilsək, deməli sizdə bir kubit var. Bunu bir ionla edə bilsək, bu bir kubitdir. Cari ilə eynidir. Onu eyni anda saat əqrəbi istiqamətində və saat əqrəbinin əksinə işləsək, bir qubitiniz var.
Yoxdur к Qubitin mövcud fiziki tətbiqlərinin daha ətraflı nəzərdən keçirildiyi , biz sadəcə ən məşhur və ümumi olanları sadalayacağıq:
- və bir çox başqa ekzotik fikirlər (anionlar və s.)
Bütün bu müxtəliflikdən ən çox inkişaf etdirilən, əsaslanan kubitlərin əldə edilməsinin ilk üsuludur . , , və digər aparıcı oyunçular sistemlərini qurmaq üçün ondan istifadə edirlər.
Yaxşı, daha çox oxuyun mümkündür dan kubitlər .
Əsaslar. Kvant kompüteri necə işləyir
Bu bölmə üçün materiallar (tapşırıq və şəkillər) məqalədən götürülmüşdür .
Beləliklə, təsəvvür edin ki, bizim aşağıdakı vəzifəmiz var:
Üç nəfərdən ibarət bir qrup var: (A)ndrey, (B)olodya və (C)erezha. İki taksi var (0 və 1).
O da məlumdur ki:
- (A) Andrey, (B) Olodya dostdur
- (A)ndrey, (C)erezha düşməndirlər
- (B)olodya və (C)erezha düşməndirlər
Tapşırıq: insanları taksilərə elə yerləşdirin ki Maks (dostlar) и Min(düşmənlər)
Rating: L = (dostların sayı) - (düşmənlərin sayı) hər bir yaşayış seçimi üçün
ƏHƏMİYYƏTLİ: Evristikanın olmadığını fərz etsək, optimal həll yoxdur. Bu vəziyyətdə problem yalnız variantların tam axtarışı ilə həll edilə bilər.
Adi bir kompüterdə həll
Bu problemi adi (super) kompüterdə (və ya klasterdə) necə həll etmək olar - aydındır ki bütün mümkün variantları döndərməlisiniz. Əgər bizim çoxprosessorlu sistemimiz varsa, onda biz bir neçə prosessor üzrə həllərin hesablanmasını paralelləşdirə və sonra nəticələri toplaya bilərik.
2 mümkün yaşayış variantımız var (taksi 0 və taksi 1) və 3 nəfər. Həll sahəsi 2 ^ 3 = 8. Siz hətta kalkulyatordan istifadə edərək 8 variantdan keçə bilərsiniz, bu problem deyil. İndi problemi mürəkkəbləşdirək - 20 nəfərimiz və iki avtobusumuz var, həll sahəsi 2^20 = 1. Heç bir şey mürəkkəb deyil. Gəlin insanların sayını 2.5 dəfə artıraq - 50 nəfər və iki qatar götürək, həll sahəsi indi 2^50 = 1.12 x 10^15. Adi (super) kompüterdə artıq ciddi problemlər yaranmağa başlayır. Adamların sayını 2 dəfə artıraq, onsuz da 100 nəfər verəcək 1.2 x 10^30 mümkün variantlar.
Budur, bu vəzifəni ağlabatan müddətdə hesablamaq olmaz.
Superkompüterin qoşulması
Hal-hazırda ən güclü kompüter 1 nömrəlidir , bu , məhsuldarlıq 122 . Tutaq ki, bir variantı hesablamaq üçün 100 əməliyyat lazımdır, sonra 100 nəfər üçün problemi həll etmək üçün bizə lazımdır:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 il.
Gördüyümüz kimi ilkin məlumatların ölçüsü artdıqca, həll sahəsi güc qanununa uyğun olaraq böyüyür, ümumi halda, N bit üçün 2^N mümkün həll variantımız var ki, bu da nisbətən kiçik N (100) üçün bizə hesablanmamış (cari texnoloji səviyyədə) həll sahəsi verir.
Alternativlər varmı? Təxmin etdiyiniz kimi, bəli, var.
Ancaq kvant kompüterlərinin bu kimi problemləri necə və nə üçün effektiv şəkildə həll edə biləcəyinə başlamazdan əvvəl, onların nə olduğunu qısaca nəzərdən keçirək. ehtimal paylanması. Narahat olmayın, bu baxış məqaləsidir, burada heç bir çətin riyaziyyat olmayacaq, biz çanta və toplarla klassik nümunə ilə məşğul olacağıq.
Sadəcə bir az kombinatorika, ehtimal nəzəriyyəsi və qəribə bir eksperimentator
Gəlin bir çanta götürüb içinə qoyaq 1000 ağ və 1000 qara top. Bir təcrübə aparacağıq - topu çıxarın, rəngini yazın, topu çantaya qaytarın və topları çantaya qarışdırın.
Təcrübə 10 dəfə aparılıb 10 qara top çıxardı. Ola bilər? Olduqca. Bu nümunə bizə çantadakı həqiqi paylama haqqında ağlabatan bir fikir verirmi? Aydındır ki, yox. Nə etmək lazımdır - doğru, stəcrübəni milyon dəfə təkrarlayın və qara və ağ topların tezliyini hesablayın. Məsələn, alırıq 49.95% qara və 50.05% ağ. Bu vəziyyətdə, nümunə götürdüyümüz (bir top çıxarırıq) paylanmanın strukturu artıq az və ya çox aydındır.
Əsas odur ki, bunu başa düşək eksperimentin özü ehtimal xarakteri daşıyır, bir nümunə (top) ilə paylanmanın əsl strukturunu bilməyəcəyik, təcrübəni dəfələrlə təkrarlamalıyıq və nəticələri orta hesabla.
Gəlin çantamıza əlavə edək 10 qırmızı və 10 yaşıl top (səhvlər). Təcrübəni 10 dəfə təkrar edək. IN5 qırmızı və 5 yaşıl çıxardı. Ola bilər? Bəli. Həqiqi paylama haqqında bir şey deyə bilərik - Xeyr. Nə etmək lazımdır - yaxşı başa düşürsən.
Ehtimal paylanmasının strukturunu başa düşmək üçün bu bölgüdən fərdi nəticələri təkrar-təkrar seçib götürmək və nəticələri orta hesabla götürmək lazımdır.
Nəzəriyyə ilə təcrübənin əlaqələndirilməsi
İndi ağ-qara toplar yerinə bilyard toplarını götürüb çantaya qoyaq 1000 nömrəli 2 top, 1000 nömrəli 7 və digər nömrələri olan 10 top. Təsəvvür edək ki, ən sadə hərəkətlərə (topu çıxarın, nömrəni yazın, topu yenidən çantaya qoyun, topları çantaya qarışdırın) öyrədilən və bunu 150 mikrosaniyə ərzində yerinə yetirən bir eksperimentator. Yaxşı, sürət üzrə belə bir eksperimentator (dərman reklamı deyil!!!). Sonra 150 saniyə ərzində o, bizim təcrübəmizi 1 milyon dəfə yerinə yetirə biləcək və bizə ortalama nəticələri təqdim edin.
Eksperimentatoru oturdub, ona çanta verdilər, üz çevirdilər, 150 saniyə gözlədilər və aldılar:
2 nömrə - 49.5%, 7 nömrə - 49.5%, cəmi qalan rəqəmlər - 1%.
Bəli doğrudur, çantamız problemimizi həll edən alqoritmi olan kvant kompüteridir, və toplar mümkün həllərdir. Çünki iki düzgün həll yolu var kvant kompüteri bizə bu mümkün həllərdən hər hansı birini eyni ehtimalla və 0.5% (10/2000) səhvlə verəcəkdir., bundan sonra danışacağıq.
Kvant kompüterinin nəticəsini əldə etmək üçün eyni giriş məlumat dəstində kvant alqoritmini bir neçə dəfə işlətməli və nəticəni orta hesabla götürməlisiniz.
Kvant kompüterinin miqyası
İndi təsəvvür edin ki, 100 nəfərin iştirak etdiyi tapşırıq üçün (həll sahəsi 2^100 bunu xatırlayırıq), yalnız iki düzgün qərar da var. Sonra 100 kubit götürsək və bu kubitlər üzərində məqsəd funksiyamızı (L, yuxarıya bax) hesablayan bir alqoritm yazsaq, onda ilk düzgün cavabın nömrəsi olan 1000 topun, 1000 ilə 10 top olacağı bir çanta alacağıq. ikinci düzgün cavabın nömrəsi və digər nömrələrlə XNUMX top. Eyni 150 saniyə ərzində eksperimentatorumuz bizə düzgün cavabların ehtimal paylanmasının təxminini verəcəkdir..
Kvant alqoritminin icra müddəti (bəzi fərziyyələrlə) həll fəzasının ölçüsünə (1^N) münasibətdə sabit O(2) hesab edilə bilər.
Və bu, dəqiq kvant kompüterinin xüsusiyyətidir - iş vaxtının sabitliyi artan güc qanunu ilə əlaqədar olaraq həll məkanının mürəkkəbliyi açardır.
Qubit və paralel dünyalar
Bu necə baş verir? Kvant kompüterinə hesablamaları bu qədər tez yerinə yetirməyə nə imkan verir? Bütün bunlar qubitin kvant təbiəti ilə bağlıdır.
Baxın, biz dedik ki, qubit kvant obyekti kimidir müşahidə olunduqda iki vəziyyətindən birini həyata keçirir, lakin "vəhşi təbiətdə" var dövlətlərin superpozisiyaları, yəni o, hər iki sərhəd vəziyyətində eyni vaxtda (müəyyən ehtimalla) olur.
Alın (A) ndreya və onun vəziyyətini (hansı vasitədə - 0 və ya 1) qubit kimi təsəvvür edin. Sonra (kvant məkanında) iki paralel dünya, birində (A) taksidə oturur 0, başqa dünyada - taksidə 1. Eyni anda iki taksidə, lakin müşahidə zamanı onların hər birində müəyyən ehtimalla.
Alın (B) gənc və onun vəziyyətini də qubit kimi təsəvvür edək. Digər iki paralel dünya yaranır. Ancaq hələlik bu dünya cütləri (A) и (B) ümumiyyətlə əlaqə saxlamayın. Yaratmaq üçün nə etmək lazımdır əlaqəli sistem? Düzdür, bu qubitlərə ehtiyacımız var bağlamaq (çaşdırmaq). Biz onu götürüb qarışdırırıq (A) ilə (B) — iki kubitlik kvant sistemi alırıq (A, B), öz daxilində dörd dərk edir bir-birindən asılı paralel dünyalar. əlavə et (S)ergey və üç kubitlik bir sistem alırıq (ABC), səkkiz həyata keçirir bir-birindən asılı paralel dünyalar.
Kvant hesablamasının mahiyyəti (birləşdirilmiş kubitlər sistemi üzərində kvant qapıları zəncirinin həyata keçirilməsi) hesablamanın bütün paralel dünyalarda eyni vaxtda baş verməsidir.
Onların neçəsinin olmasının fərqi yoxdur, 2^3 və ya 2^100, kvant alqoritmi bütün bu paralel dünyalar üzərində sonlu zamanda icra olunacaq və bizə alqoritmin cavablarının ehtimal paylanmasından bir nümunə olan bir nəticə verəcəkdir.
Daha yaxşı başa düşmək üçün bunu təsəvvür etmək olar kvant səviyyəsindəki kvant kompüteri 2^N paralel həll prosesini həyata keçirir, hər biri bir mümkün variant üzərində işləyir, sonra işin nəticələrini toplayır - və həllin superpozisiyası şəklində bizə cavab verir (cavabların ehtimal paylanması), ondan hər dəfə birini seçirik (hər təcrübə üçün).
Təcrübəçimizin tələb etdiyi vaxtı xatırlayın (150 µs) Təcrübəni həyata keçirmək üçün, bu, kvant kompüterlərinin əsas problemlərindən və dekoherens vaxtından danışarkən bir az daha faydalı olacaq.
Kvant alqoritmləri
Artıq qeyd edildiyi kimi, ikili məntiqə əsaslanan şərti alqoritmlər kvant məntiqindən (kvant qapıları) istifadə edən kvant kompüterinə tətbiq edilmir. Onun üçün hesablamanın kvant təbiətinə xas olan potensialdan tam istifadə edən yenilərini ortaya qoymaq lazım idi.
Bu gün ən məşhur alqoritmlər bunlardır:
Klassik kompüterlərdən fərqli olaraq, kvant kompüterləri universal deyil.
İndiyə qədər yalnız az sayda kvant alqoritmi tapılıb.
Təşəkkür keçid üçün , müəllifə görə (), kvant-alqoritmik dünyanın ən yaxşı nümayəndələri toplanıb və toplanmaqda davam edir.
Bu yazıda biz kvant alqoritmlərini ətraflı təhlil etməyəcəyik; İnternetdə istənilən mürəkkəblik səviyyəsi üçün çoxlu əla materiallar var, lakin hələ də ən məşhur üçü qısaca nəzərdən keçirməliyik.
Şor alqoritmi.
Ən məşhur kvant alqoritmidir (1994-cü ildə ingilis riyaziyyatçısı tərəfindən icad edilmişdir ), ədədlərin sadə amillərə (faktorlara ayırma məsələsi, diskret loqarifm) faktorlaşdırılması məsələsinin həllinə yönəlmişdir.
Bank sistemlərinizin və parollarınızın tezliklə sındırılacağını yazanda, məhz bu alqoritm nümunə kimi göstərilir. Nəzərə alsaq ki, bu gün istifadə olunan düymələrin uzunluğu 2048 bitdən az deyil, qapağın vaxtı hələ gəlməyib.
Günə təvazökardan daha çox. Şor alqoritmi ilə ən yaxşı faktorizasiya nəticələri - Nömrələr и , bu 2048 bitdən çox azdır. Cədvəldən qalan nəticələr üçün fərqlidir hesablamalar, lakin bu alqoritmə (291311) görə ən yaxşı nəticə belə real tətbiqdən çox uzaqdır.
Siz Shor alqoritmi haqqında daha çox oxuya bilərsiniz, məsələn,. Praktiki icra haqqında - .
Birindən mürəkkəbliyi və tələb olunan gücü 2048 bitlik bir rəqəmə sahib bir kompüterdir . Rahat yatırıq.
Qrover alqoritmi
- sadalama məsələsinin həlli, yəni tənliyin həllinin tapılması F(X) = 1, F haradadır etibarən n dəyişənlər. Amerikalı riyaziyyatçı tərəfindən təklif edilmişdir в .
tapmaq üçün Qrover alqoritmindən istifadə etmək olar и nömrə seriyası. Bundan əlavə, həll etmək üçün istifadə edilə bilər bir çox mümkün həllər arasında hərtərəfli axtarış vasitəsilə problemlər. Bu, klassik alqoritmlərlə müqayisədə əhəmiyyətli sürət artımlarına səbəb ola bilər, baxmayaraq ki, təmin edilmədən "" ümumiyyətlə.
Ətraflı oxuya bilərsinizVə ya . Daha çox Qutular və top nümunəsindən istifadə edərək alqoritmin yaxşı izahı var, amma təəssüf ki, heç kimin iradəsindən asılı olmayan səbəblərə görə bu sayt mənim üçün Rusiyadan açılmır. Varsa də bloklanıb, ona görə də qısa xülasə:
Qrover alqoritmi. Təsəvvür edin ki, sizdə N ədəd nömrələnmiş qapalı qutu var. Bir topdan başqa, hamısı boşdur. Tapşırıq: topun yerləşdiyi qutunun nömrəsini tapın (bu naməlum nömrə çox vaxt w hərfi ilə işarələnir).
Bu problemi necə həll etmək olar? Ən axmaq yol növbə ilə qutuları açmaqdır və gec-tez top olan qutu ilə qarşılaşacaqsınız. Topu olan qutu tapılmadan əvvəl orta hesabla neçə qutu yoxlanılmalıdır? Orta hesabla, N/2 qutularının təxminən yarısını açmalısınız. Burada əsas odur ki, qutuların sayını 100 dəfə artırsaq, o zaman top olan qutu tapılmadan əvvəl açılması lazım olan qutuların orta sayı da eyni 100 dəfə artacaq.
İndi bir daha aydınlıq gətirək. Gəlin qutuları özümüz əlimizlə açıb hər birində topun olub-olmadığını yoxlayaq, amma müəyyən bir vasitəçi var, ona Oracle deyək. Biz Oracle-a deyirik ki, “732 nömrəli qutuyu yoxlayın” və Oracle vicdanla yoxlayır və “732 nömrəli qutuda top yoxdur” cavabını verir. İndi orta hesabla neçə qutu açmalı olduğumuzu demək əvəzinə “toplu qutunun nömrəsini tapmaq üçün Oracle-a orta hesabla neçə dəfə getməliyik” deyirik.
Belə çıxır ki, qutular, top və Oracle ilə bağlı bu problemi kvant dilinə çevirsək, diqqətəlayiq nəticə əldə edirik: N qutular arasında top olan qutunun sayını tapmaq üçün Oracle-ı yalnız SQRT haqqında narahat etməliyik. (N) dəfə!
Yəni, Qroverin alqoritmindən istifadə edərək axtarış tapşırığının mürəkkəbliyi dəfələrin kvadrat kökü ilə azalır.
Deutsch-Jozi alqoritmi
Deutsch-Jozsa alqoritmi (həmçinin Deutsch-Jozsa alqoritmi adlanır) - [kvant alqoritmi](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , və icra üçün nəzərdə tutulmuş alqoritmlərin ilk nümunələrindən biri oldu . _
Deutsch-Jozsi problemi bir neçə ikili dəyişənlərin F(x1, x2, ... xn) funksiyasının sabit (hər hansı arqumentlər üçün 0 və ya 1 qiymətini alır) və ya balanslı (aldığı domenin yarısı üçün) olduğunu müəyyən etməkdir. dəyəri 0, digər yarısı üçün 1). Bu halda funksiyanın ya sabit, ya da balanslı olduğu apriori məlum hesab olunur.
Siz də oxuya bilərsiniz . Daha sadə izahat:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) alqoritmi kobud gücə əsaslanır, lakin onu adi haldan daha sürətli etməyə imkan verir. Təsəvvür edin ki, stolun üstündə sikkə var və onun saxta olub-olmadığını öyrənmək lazımdır. Bunu etmək üçün sikkəyə iki dəfə baxmaq və müəyyən etmək lazımdır: "başlar" və "quyruqlar" həqiqi, iki "baş", iki "quyruq" saxtadır. Beləliklə, Deutsch kvant alqoritmindən istifadə etsəniz, bu təyinatı bir baxışla - ölçmə ilə etmək olar.
Kvant kompüterlərinin problemləri
Kvant kompüterlərinin layihələndirilməsi və istismarı zamanı alimlər və mühəndislər bu günə qədər müxtəlif dərəcədə müvəffəqiyyətlə həll edilmiş çoxlu sayda problemlərlə üzləşirlər. görə () aşağıdakı problemlər silsiləsi müəyyən edilə bilər:
- Ətraf mühitə həssaslıq və ətraf mühitlə qarşılıqlı əlaqə
- Hesablamalar zamanı xətaların yığılması
- Qubit vəziyyətlərinin ilkin işə salınması ilə bağlı çətinliklər
- Çoxqubit sistemlərin yaradılmasında çətinliklər
Məqaləni oxumağı çox tövsiyə edirəm "”, xüsusən ona edilən şərhlər.
Bütün əsas problemləri üç böyük qrupda təşkil edək və onların hər birinə daha yaxından nəzər salaq:
Dekoherens
.
Kvant vəziyyəti çox kövrək şeydolaşıq vəziyyətdə olan qubitlər son dərəcə qeyri-sabitdir, istənilən xarici təsir bu əlaqəni poza bilər (və edir).. Bir dərəcənin ən kiçik hissəsi ilə temperaturun dəyişməsi, təzyiq, yaxınlıqda uçan təsadüfi bir foton - bütün bunlar sistemimizi sabitsizləşdirir.
Bu problemi həll etmək üçün temperaturun (-273.14 dərəcə Selsi) mütləq sıfırdan bir qədər yuxarı olduğu, daxili kameranın prosessorla xarici mühitin bütün (mümkün) təsirlərindən maksimum təcrid olunduğu aşağı temperaturlu sarkofaqlar tikilir.
Bir neçə dolaşıq kubitdən ibarət kvant sisteminin maksimum ömrü, bu müddət ərzində öz kvant xassələrini saxlayır və hesablamalar üçün istifadə oluna bilər, dekoherens vaxtı adlanır.
Hal-hazırda, ən yaxşı kvant məhlullarında dekoherensasiya vaxtı qaydasındadır onlarla və yüzlərlə mikrosaniyə.
Möhtəşəm var hara baxa bilersen bütün yaradılmış kvant sistemlərinin. Bu məqaləyə misal olaraq yalnız iki ən yaxşı prosessor daxildir - IBM-dən və . Gördüyümüz kimi, dekoherensiyanın müddəti (T2) 200 μs-dən çox deyil.
Sycamore haqqında dəqiq məlumat tapmadım, amma ən çox iki nömrə verilir - 1 saniyədə 200 milyon hesablama, başqa yerdə - üçün İdarəetmə siqnallarını itirmədən 130 saniyə və s.. Hər halda, bu bizə verir dekoherens müddəti təxminən 150 μs-dir. Yadda saxla bizim çanta ilə eksperimentator? Yaxşı, o, budur.
| Kompüter Adı | N Qubits | Maks cütləşdi | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Decoherence bizi nə ilə təhdid edir?
Əsas problem ondan ibarətdir ki, 150 μs-dən sonra N dolaşmış kubitdən ibarət hesablama sistemimiz düzgün həllərin ehtimal paylanması əvəzinə ehtimal ağ səs-küy çıxarmağa başlayacaq.
Yəni bizə lazımdır:
- Qubit sistemini işə salın
- Hesablama aparın (qapı əməliyyatları zənciri)
- Nəticəni oxuyun
Və bütün bunları 150 mikrosaniyədə edin. Vaxtım yox idi - nəticə balqabaq oldu.
Ancaq bu, hamısı deyil…
Səhvlər
Dediyimiz kimi kvant prosesləri və kvant hesablamaları ehtimal xarakteri daşıyır, biz heç nəyə 100% əmin ola bilmərik, ancaq müəyyən ehtimalla. Vəziyyəti daha da gərginləşdirir kvant hesablamaları səhvlərə meyllidir. Kvant hesablamalarında əsas səhv növləri bunlardır:
- Dekoherens xətaları sistemin mürəkkəbliyi və xarici mühitlə qarşılıqlı əlaqə nəticəsində yaranır
- Qapı hesablama xətaları (hesablamanın kvant xarakterinə görə)
- Son vəziyyəti oxumaqda səhvlər (nəticə)
Dekoherens ilə əlaqəli səhvlər, biz qubitlərimizi qarışdırıb hesablamalar aparmağa başlayan kimi görünür. Nə qədər çox qubit dolasaq, sistem bir o qədər mürəkkəb olur, və onu məhv etmək bir o qədər asan olar. Aşağı temperaturlu sarkofaqlar, qorunan kameralar, bütün bu texnoloji hiylələr dəqiq olaraq səhvlərin sayını azaltmağa və dekoherensiyanın müddətini uzatmağa yönəlib.
Qapı hesablama səhvləri - kubitlər üzərində istənilən əməliyyat (qapı) müəyyən ehtimalla xəta ilə bitə bilər və alqoritmi həyata keçirmək üçün yüzlərlə qapı yerinə yetirməliyik, ona görə də alqoritmimizin icrasının sonunda nə əldə etdiyimizi təsəvvür edin. Sualın klassik cavabı "Liftdə dinozavrla qarşılaşma ehtimalı nədir?" - 50x50, ya görüşəcəksən, ya da yox.
Problemi daha da ağırlaşdırır ki, standart xətaların düzəldilməsi üsulları (hesablamaların təkrarlanması və orta hesablamalar) klonlanmayan teorem səbəbindən kvant aləmində işləmir. üçün kvant hesablamasında icad edilməli idi . Kobud desək, N adi kubit götürürük və onlardan 1-ni edirik məntiqi kubit daha aşağı səhv nisbəti ilə.
Ancaq burada başqa bir problem ortaya çıxır - kubitlərin ümumi sayı. Baxın, tutaq ki, 100 kubitlik bir prosessorumuz var, bunun 80 qubiti səhvlərin düzəldilməsi üçün istifadə olunur, onda hesablamalar üçün yalnız 20-si qalıb.
Yekun nəticəni oxumaqda səhvlər — xatırladığımız kimi, kvant hesablamalarının nəticəsi formada bizə təqdim olunur cavabların ehtimal paylanması. Ancaq son vəziyyəti oxumaq da bir səhvlə uğursuz ola bilər.
Eynilə Səhv səviyyələrinə görə prosessorların müqayisəli cədvəlləri mövcuddur. Müqayisə üçün əvvəlki nümunədə olduğu kimi eyni prosessorları götürək - IBM и :
| Kompüter | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Oxu Sadiqliyi |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Burada iki kvant vəziyyətinin oxşarlığının ölçüsüdür. Xətanın böyüklüyü təxminən 1-Sədaqət kimi ifadə edilə bilər. Gördüyümüz kimi, 2 kubitlik qapılardakı xətalar və oxunuş xətaları mövcud kvant kompüterlərində mürəkkəb və uzun alqoritmlərin icrasına əsas maneədir.
Siz də oxuya bilərsiniz ildən səhvlərin düzəldilməsi problemini həll etmək.
Prosessor arxitekturası
Teorik olaraq biz qurur və işləyirik onlarla dolaşıq kubitdən ibarət dövrələr, əslində hər şey daha mürəkkəbdir. Bütün mövcud kvant çipləri (prosessorlar) ağrısız təmin edəcək şəkildə qurulur bir qubitin yalnız qonşuları ilə qarışması, onlardan altıdan çox deyil.
Əgər 1-ci kubitlə, məsələn, 12-ci ilə qarışmaq lazımdırsa, onda məcbur olacağıq əlavə kvant əməliyyatları zəncirini qurmaq, əlavə kubitləri və s. cəlb edir ki, bu da ümumi səhv səviyyəsini artırır. Bəli və unutma dekoherentasiya vaxtı, ola bilsin ki, qubitləri sizə lazım olan dövrəyə qoşmağı tamamlayana qədər vaxt bitəcək və bütün dövrə çevriləcək. gözəl ağ səs-küy generatoru.
Bunu da unutma Bütün kvant prosessorlarının arxitekturası fərqlidir, və emulyatorda “hamıya qoşulma” rejimində yazılmış proqramı xüsusi çipin arxitekturasına “yenidən tərtib etmək” lazımdır. Hətta var bu əməliyyatı yerinə yetirmək üçün.
Eyni üst çiplər üçün maksimum əlaqə və maksimum qubit sayı:
| Kompüter Adı | N Qubits | Maks cütləşdi | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Və müqayisə üçün, əvvəlki nəsil prosessorların məlumatları ilə cədvəl. Qubitlərin sayını, decoherence vaxtını və səhv dərəcəsini yeni nəsillə indi əldə etdiklərimizlə müqayisə edin. Yenə də irəliləyiş yavaş, lakin hərəkətdədir.
Belə ki:
- Hazırda > 6 kubit olan tam əlaqəli arxitektura yoxdur
- Həqiqi prosessorda qubit 0 s-ni qarışdırmaq üçün, məsələn, qubit 15 bir neçə onlarla əlavə əməliyyat tələb edə bilər.
- Daha çox əməliyyat -> daha çox səhv -> dekoherensiyanın daha güclü təsiri
Nəticələri
Dekoherens müasir kvant hesablamalarının Prokrust yatağıdır. Hər şeyi 150 μs-ə uyğunlaşdırmalıyıq:
- Qubitlərin ilkin vəziyyətinin işə salınması
- Kvant qapılarından istifadə edərək problemin hesablanması
- Mənalı nəticələr əldə etmək üçün səhvləri düzəldin
- Nəticəni oxuyun
Bu günə qədər nəticələr məyus olsa da əsasında kvant kompüterində 0.5s koherensiyanın saxlanma müddətinə nail olmaq iddiası :
Biz 0.5 s-dən çox bir qubit koherens vaxtını ölçürük və maqnit qoruma ilə bunun 1000 s-dən daha uzun olacağını gözləyirik
Bu texnologiya haqqında da oxuya bilərsiniz və ya məsələn .
Vəziyyəti daha da çətinləşdirir ki, mürəkkəb hesablamalar apararkən həm vaxtı, həm də mövcud qubitləri yeyən kvant xətalarının düzəldilməsi sxemlərindən istifadə etmək lazımdır.
Və nəhayət, müasir arxitekturalar dolaşıq sxemlərin 1-də 4-dən və ya 1-da 6-dən daha yaxşı həyata keçirilməsinə imkan vermir.
Problemlərin həlli yolları
Yuxarıda göstərilən problemləri həll etmək üçün hazırda aşağıdakı yanaşma və üsullardan istifadə olunur:
- Aşağı temperaturlu (10 mK (-273,14°C)) kriokameralardan istifadə
- Xarici təsirlərdən maksimum dərəcədə qorunan prosessor bloklarından istifadə
- Kvant Səhvləri Korreksiya Sistemlərindən İstifadə (Logic Qubit)
- Müəyyən bir prosessor üçün sxemləri proqramlaşdırarkən optimallaşdırıcılardan istifadə
Tədqiqatlar, həmçinin dekoherensiyanın vaxtının artırılması, kvant obyektlərinin yeni (və məlum olan) fiziki tətbiqlərinin axtarışı, korreksiya sxemlərinin optimallaşdırılması və s. Tərəqqi var (yuxarıda əvvəlki və indiki ən yüksək səviyyəli çiplərin xüsusiyyətlərinə baxın), lakin bu günə qədər yavaş, çox, çox yavaşdır.
D-dalğa
D-Wave 2000Q 2000-qubit kompüter. Mənbə:
Google-un 53 kubitlik prosessordan istifadə edərək kvant üstünlüyünə nail olduğunu elan etməsi fonunda, и kubitlərin sayının minlərlə olduğu D-Wave şirkətindən bir qədər qarışıqdır. Yaxşı, həqiqətən, 53 kubit kvant üstünlüyünə nail ola bilsəydi, onda 2048 kubitlik bir kompüter nəyə qadirdir? Amma hər şey o qədər də yaxşı deyil...
Qısacası (vikidən götürülmüşdür):
Kompüterlər prinsipi üzərində işləyir (), optimallaşdırma problemlərinin çox məhdud alt sinfini həll edə bilər və ənənəvi kvant alqoritmləri və kvant qapılarını həyata keçirmək üçün uyğun deyil.
Ətraflı məlumat üçün oxuya bilərsiniz, məsələn, , (ehtiyatlı olun, Rusiyadan açılmaya bilər) və ya в ondan . Yeri gəlmişkən, onun bloqunu ümumiyyətlə oxumağı çox tövsiyə edirəm, orada çoxlu yaxşı materiallar var
Ümumiyyətlə, elanların ilk günlərindən elmi ictimaiyyətin D-Wave kompüterləri ilə bağlı sualları var idi. Məsələn, 2014-cü ildə IBM D-Wave faktını şübhə altına aldı İş o yerə çatdı ki, 2015-ci ildə Google NASA ilə birlikdə bu kvant kompüterlərindən birini aldı və araşdırmalardan sonra , bəli, kompüter adi birindən daha tez işləyir və problemi hesablayır. Google-un bəyanatı haqqında ətraflı oxuya bilərsiniz və məsələn, .
Əsas odur ki, yüzlərlə və minlərlə kubitli D-Wave kompüterləri kvant alqoritmlərini hesablamaq və işlətmək üçün istifadə edilə bilməz. Məsələn, Şorun alqoritmini onların üzərində işlədə bilməzsiniz. Onların edə biləcəyi yeganə şey müəyyən optimallaşdırma problemini həll etmək üçün müəyyən kvant mexanizmlərindən istifadə etməkdir. D-Wave-in müəyyən bir tapşırıq üçün kvant ASIC olduğunu düşünə bilərik.
Kvant kompüter emulyasiyası haqqında bir az
Kvant hesablamaları adi bir kompüterdə təqlid edilə bilər. Həqiqətən, :
- Qubitin vəziyyəti ola bilər kompleks ədəd, prosessor arxitekturasından asılı olaraq 2x32 ilə 2x64 bit (8-16 bayt) tutur
- N əlaqəli qubitin vəziyyəti 2^N kompleks ədəd kimi təqdim edilə bilər, yəni. 2-bit arxitektura üçün 3^(32+N) və 2-bit üçün 4^(64+N).
- N qubit üzərində kvant əməliyyatı 2^N x 2^N matrisi ilə təmsil oluna bilər
Sonra:
- 10 kubitlik təqlid edilmiş vəziyyətləri saxlamaq üçün 8 KB lazımdır
- 20 kubitlik vəziyyətləri saxlamaq üçün sizə 8 MB lazımdır
- 30 kubitlik vəziyyətləri saxlamaq üçün 8 GB lazımdır
- 40 kubitlik vəziyyətləri saxlamaq üçün 8 terabayt lazımdır
- 50 kubitlik vəziyyətləri saxlamaq üçün 8 Petabayt lazımdır və s.
Müqayisə üçün () cəmi 2.8 Petabayt yaddaş daşıyır.
— Keçən il ən böyük Çin superkompüterinə 49 kubit çatdırıldı ()
Klassik sistemlərdə kvant kompüterini simulyasiya etmək limiti kubitlərin vəziyyətini saxlamaq üçün tələb olunan RAM miqdarı ilə müəyyən edilir.
Mən də oxumağı tövsiyə edirəm . Oradan:
Əməliyyatla - təxminən 49 "dövlədən" (müstəqil qapı təbəqələri) ibarət 39 kubitlik dövrənin dəqiq emulyasiyası üçün 2^63 mürəkkəb vurma - 4 saat ərzində superkompüterin 4 Pflopu
Klassik sistemlərdə 50+ kubitlik kvant kompüterini təqlid etmək ağlabatan müddətdə qeyri-mümkün hesab olunur. Buna görə də Google kvant üstünlüyü təcrübəsi üçün 53 kubitlik prosessordan istifadə etdi.
Kvant hesablamalarının üstünlüyü.
Vikipediya bizə kvant hesablamalarının üstünlüyünün aşağıdakı tərifini verir:
Kvant üstünlüyü - qabiliyyət klassik kompüterlərin praktiki olaraq həll edə bilmədiyi problemləri həll etmək üçün cihazlar.
Əslində, kvant üstünlüyünə nail olmaq o deməkdir ki, məsələn, Şor alqoritmindən istifadə etməklə böyük ədədlərin faktorlara bölünməsi adekvat vaxtda həll oluna bilər və ya mürəkkəb kimyəvi molekullar kvant səviyyəsində təqlid edilə bilər və s. Yəni yeni dövr gəlib çatıb.
Amma tərifin ifadəsində müəyyən boşluq var”.klassik kompüterlərin praktiki olaraq həll edə bilmədiyi" Əslində, bu o deməkdir ki, əgər siz 50+ kubitlik kvant kompüteri yaratsanız və onun üzərində hansısa kvant dövrəsini işlətsəniz, yuxarıda müzakirə etdiyimiz kimi, bu dövrənin nəticəsini adi kompüterdə təqlid etmək olmaz. Yəni klassik kompüter belə bir sxemin nəticəsini yenidən yarada bilməyəcək.
Belə bir nəticənin real kvant üstünlüyünü təşkil edib-etməməsi daha çox fəlsəfi sualdır. Ancaq Google-un nə etdiyini və nəyə əsaslandığını anlayın zəruri.
Google-un Kvant Üstünlük Bəyanatı
Sycamore 54-qubit prosessor
Beləliklə, 2019-cu ilin oktyabrında Google tərtibatçıları Nature elmi nəşrində məqalə dərc etdilər." Müəlliflər 54-qubitlik Sycamore prosessorundan istifadə etməklə tarixdə ilk dəfə kvant üstünlüyünə nail olduqlarını elan ediblər.
Sycamore məqalələri tez-tez ya 54-qubit prosessora, ya da 53-qubit prosessora istinad edir. Həqiqət budur ki, görə , prosessor fiziki olaraq 54 kubitdən ibarətdir, lakin onlardan biri işləmir və xidmətdən çıxarılıb. Beləliklə, reallıqda 53 kubitlik prosessorumuz var.
İnternetdə elə orada dərəcəsi müxtəlif olan bu mövzuda materiallar üzrə .
Daha sonra IBM-in kvant hesablama komandası bunu bəyan etdi . Şirkət iddia edir ki, adi kompüter 2,5 gün ərzində ən pis halda bu tapşırığın öhdəsindən gələcək və nəticədə alınan cavab kvant kompüterindən daha dəqiq olacaq. Bu nəticə bir neçə optimallaşdırma metodunun nəzəri təhlilinin nəticələrinə əsasən hazırlanmışdır.
Və əlbəttə, onun içində Mən bu açıqlamaya məhəl qoya bilməzdim. Onun bütün bağlantılarla birlikdə və həmişəki kimi vaxtınızı sərf etməyə dəyər. Mərkəzdə bu FAQ və şərhləri oxumağınızdan əmin olun, rəsmi elandan əvvəl onlayn sızan ilkin sənədlərə bağlantılar var.
Google əslində nə etdi? Ətraflı başa düşmək üçün Aaronson-u oxuyun, lakin burada qısaca:
Mən, əlbəttə, sizə deyə bilərəm, amma özümü çox axmaq hiss edirəm. Hesablama belədir: eksperimentator təsadüfi C kvant dövrəsini yaradır (yəni, ən yaxın qonşular arasında 1-qubit və 2-qubit qapıların təsadüfi ardıcıllığı, məsələn, 20 dərinliyi ilə, n-lik 2D şəbəkədə fəaliyyət göstərir. = 50-60 kubit). Daha sonra eksperimentator C-ni kvant kompüterinə göndərir və ondan C-ni ilkin 0 vəziyyətinə tətbiq etməyi, nəticəni {0,1} əsasında ölçməyi, n-bitlik müşahidə ardıcıllığını (sətir) geri göndərməyi və bir neçə əməliyyatı təkrarlamağı xahiş edir. min və ya milyonlarla dəfə. Nəhayət, C biliklərindən istifadə edərək, təcrübəçi nəticənin kvant kompüterindən gözlənilən nəticəyə uyğun olub olmadığını yoxlamaq üçün statistik test aparır.
Çox qısaca:
- Qapılardan istifadə edərək 20 kubitdən 53 uzunluğunda təsadüfi dövrə yaradılır
- Dövrə icra üçün ilkin vəziyyətdən [0…0] başlayır
- Dövrənin çıxışı təsadüfi bit sətridir (nümunə)
- Nəticənin paylanması təsadüfi deyil (müdaxilə)
- Alınan nümunələrin paylanması gözlənilən ilə müqayisə edilir
- Kvant üstünlüyünü yekunlaşdırır
Yəni, Google 53 kubitlik prosessorda sintetik problem həyata keçirib və kvant üstünlüyünə nail olmaq iddiasını belə bir prosessoru standart sistemlərdə ağlabatan müddətdə təqlid etməyin mümkün olmaması ilə əsaslandırıb.
Anlamaq üçün - Bu bölmə heç bir şəkildə Google-un nailiyyətlərini azaltmır, mühəndislər həqiqətən böyükdürlər və bunun real kvant üstünlüyü hesab edilə bilərmi, yoxsa yox sualı, əvvəllər qeyd edildiyi kimi, mühəndislikdən daha fəlsəfidir. Ancaq başa düşməliyik ki, bu cür hesablama üstünlüyünə nail olmaqla, biz Şor alqoritmini 2048 bitlik nömrələrdə işlətmək qabiliyyətinə doğru bir addım da irəliləməmişik.
Xülasə
Kvant kompüterləri və kvant hesablamaları informasiya texnologiyalarının çox perspektivli, çox gənc və indiyə qədər sənayedə tətbiq oluna bilən sahəsidir.
Kvant hesablamasının inkişafı (bir gün) bizə problemləri həll etməyə imkan verəcək:
- Kvant səviyyəsində mürəkkəb fiziki sistemlərin modelləşdirilməsi
- Hesablama mürəkkəbliyinə görə adi bir kompüterdə həll edilə bilməz
Kvant kompüterlərinin yaradılması və istismarında əsas problemlər:
- Dekoherens
- Səhvlər (decoherence və gate)
- Prosessor arxitekturası (tam qoşulmuş qubit sxemləri)
Hazırkı vəziyyət:
- Əslində - ən başlanğıcı .
- Hələ heç bir REAL kommersiya istismarı yoxdur (və nə vaxt olacağı bəlli deyil)
Nə kömək edə bilər:
- Prosessorların məftil və əməliyyat xərclərini azaldan bir növ fiziki kəşf
- Böyüklük sırası ilə dekoherens vaxtını artıracaq və/və ya səhvləri azaldacaq bir şey kəşf etmək
Mənim fikrimcə (sırf şəxsi rəy), Biliyin hazırkı elmi paradiqmasında biz kvant texnologiyalarının inkişafında əhəmiyyətli uğurlar əldə etməyəcəyik, burada yeni ideyalara və metodlara təkan verəcək fundamental və ya tətbiqi elmin hansısa sahəsində keyfiyyətcə irəliləyiş lazımdır.
Bu arada biz kvant proqramlaşdırması, kvant alqoritmlərinin toplanması və yaradılması, ideyaların sınaqdan keçirilməsi və s. sahəsində təcrübə qazanırıq. Biz sıçrayış gözləyirik.
Nəticə
Bu yazıda biz kvant hesablamalarının və kvant kompüterlərinin inkişafının əsas mərhələlərini keçdik, onların iş prinsipini araşdırdıq, kvant prosessorlarının inkişafı və istismarında mühəndislərin qarşılaşdıqları əsas problemləri araşdırdıq, həmçinin çoxqubitin nə olduğuna baxdıq. D-kompüterləri əslində belədir.Wave və Google-un bu yaxınlarda kvant üstünlüyünə nail olmaq barədə elanı.
Pərdə arxasında kvant kompüterlərinin proqramlaşdırılması (dillər, yanaşmalar, üsullar və s.) və prosessorların xüsusi fiziki icrası, qubitlərin necə idarə olunması, əlaqələndirilməsi, oxunması və s. ilə bağlı suallar qalır. Ola bilsin ki, bu, növbəti məqalənin və ya məqalələrin mövzusu olacaq.
Diqqətiniz üçün təşəkkür edirəm, ümid edirəm ki, bu məqalə kimsə üçün faydalı olacaq.
(C)
Təşəkkürlər
mənbə mətninə korrektə və şərhlər, eləcə də məqalə üçün
haqqında məlumatla zəngin şərhlər üçün , və yalnız ona deyil, bu tapmacanı anlamağa çox kömək etdi.
Bu məqalənin yazılmasında materiallarından istifadə edilmiş bütün məqalə və nəşrlərin müəlliflərinə.
Resursların siyahısı
[The National Academies Press]-dən Cari Məqalələr
Habr-dan məqalələr (təsadüfi qaydada)
İnternetdən çeşidlənməmiş (lakin daha az maraqlı olmayan) məqalələr
Kurslar və mühazirələr
Mənbə: www.habr.com