Характеристики на квантовите компютри

Мощността на квантовия компютър се измерва в кубити, основната единица за измерване в квантов компютър. Източник.

Правя фейспалм след всяко прочитане на подобна фраза. До добро не е довело, зрението започва да пада; скоро ще трябва да се обърна към Meklon.

Мисля, че е време да систематизираме основните параметри на квантовия компютър. Те са няколко:

1. Брой кубити
2. Време за задържане на когерентността (време на декогеренция)
3. Ниво на грешки
4. Архитектура на процесора
5. Цена, наличност, условия за поддръжка, време за амортизация, инструменти за програмиране и т.н.

Брой кубити

Тук всичко е очевидно, колкото повече, толкова по-добре. В действителност обаче, за кубитите трябва да се плаща и в идеалния случай трябват точно толкова кубита, колкото са нужни за изпълнение на задачата. За разработчика на ексклузивни игрални автомати е достатъчен един кубит на автомат (за генериране на случаен резултат). За „брутфорс“ RSA-2048 са нужни минимум 2048 кубита.

Най-нашумелите квантови алгоритми носят имената на Гровър и Шор. Гровър позволява да се „ема” хешове. За срив на биткойна са необходими компютри с поне 256 кубита на борда (можете да поиграете с трудността на биткойна, но нека се ограничим до това закръглено число). Шор позволява да се факторизират числа. За факторизация на число с дължина n двоични разряда са нужни минимум n кубита.

Текущият максимум: 50 кубита (вече 72?). И всъщност, 50 кубита е пределът. Пределът на симулацията на квантовия компютър. Теоретично можем да симулираме всяко число кубити на класически компютри. На практика, добавянето на един кубит в симулацията изисква удвояване на класическите компютри. Добавете слуховете за удвояване на кубитите всяка година и си задайте въпроса: как да дебъгвате алгоритми за 25651210242048 кубита? Симулатор няма, на квантовия процесор не можете да поставите брейкпоинт.

Време за задържане на когерентността (време на декогеренция)

Когерентността и кохерентността не са едно и също. Предпочитам да сравня кохерентността с регенерацията на оперативната памет. На RAM плочката има милиарди клетки, всяка от които носи заряд, нулев или единичен. Този заряд има много интересна собственост — той се изразходва. Първоначално "единичната" клетка става клетка на 0.99, след това 0.98 и така нататък. Съответно, на нулевата се натрупват 0.01, 0.02, 0.03… Налага се този заряд да се актуализира, да се "регенерира". Всичко под половината се нулира, всичко останало достига единица.

Квантовите процесори не могат да се регенерират. Следователно, за всички изчисления има един цикъл, до първия "изтекъл" кубит. Времето до първото "изтичане" се нарича времето на декохерентност. Кохерентността е състояние, при което кубитите все още не са "протекли". Тук може да се видят малко по-възрастни обяснения.

Декохерентността е свързана с броя на кубитите: колкото повече кубити, толкова по-трудно е да се запази кохерентността. От друга страна, при наличие на голям брой кубити, част от тях може да се използва за корекция на грешки, свързани с декохерентността. Оттук следва, че количеството кубити само по себе си не решава нищо. Може да се удвои броят на кубитите и 90% от тях да бъдат похарчени за детекция на декохерентността.

Приблизително тук възниква понятието логически кубит. Грубо казано, ако имате процесор с 100 кубита, но 40 от тях са насочени към детекция на декохерентността — остават ви 60 логически кубита. Тези, на които изпълнявате вашия алгоритъм. Концепцията за логически кубити в момента е по-скоро теоретична, за практическите реализации лично не съм чул.

Грешки и тяхната корекция

Още едно изпитание за квантовите процесори. Ако инвертирате кубит, с вероятност 2% операцията ще завърши с грешка. Ако заплетете 2 кубита, вероятността за грешка достига 8%. Вземете число от 256 бита, хеширайте го с SHA-256, изчислете броя операции, изчислете вероятността да извършите ВСИЧКИ тези операции без грешка.

Математиците предлагат решение: корекция на грешки. Съществуват алгоритми. Реализацията на едно заплитане на 2 логически кубита изисква 100.000 физически кубита. Битко-капецът ще дойде скоро.

Архитектура на процесора

Строго погледнато, квантови компютри всъщност няма. Има само квантови процесори. Защо да имаш оперативка, когато времето за работа е ограничено до милисекунди? Програмирам на Q#, но това е език на високо ниво. Отделих си 15 кубита и правя с тях каквото пожелая. Искате — заплитам първия кубит с десетия. Искате — заплитам първите шест.

На реален процесор такава свобода няма. Поръчах да се заплете първият кубит с 15 — компилаторът генерира 26 допълнителни операции. Ако имам късмет. Ако нямам — ще генерира стотици. Фактът е, че кубитът може да се заплита само с близките си. Повече от 6 съседи на кубита не съм виждал. Всъщност има оптимизиращи квантови програми компилатори, но те все още са по-скоро теоретични.

Всеки процесор има свой собствен набор от инструкции, а връзките между кубитите варират. В идеален свят имаме произволни Rx, Ry, Rz и техните комбинации, плюс свободно заплитане по десет признака, плюс Swap: погледнете операторите в Quirk. В реалността обаче имаме няколко двойки кубити, и заплитането CNOT (q[0], q[1]) излиза в една операция, а CNOT(q[1], q[0]) — вече в 7. А когерентността изчезва...

Цена, наличност, условия на поддръжка, време на амортизация, инструменти за програмиране...

Цените не се афишират, достъпността за обикновен гражданин е почти нулева, времето на амортизация на практика не е изчислено, инструментите за програмиране едва започват. Документация на arxiv.org.

Каква информация трябва да изискваме от експертите при пускането на нов квантов компютър?

Освен списъка по-горе, харесвам вариантите от PerlPower и Alter2:

Би било хубаво всяка статия за нов квантов компютър да започва с две характеристики — броя на едновременните заплетени кубити, и времето за задържане на кубитите.

Или още по-добре — с времето за изпълнение на най-простия бенчмарк, например намирането на прости множители на числото 91.

Източник: habr.com