Характеристики на квантовите компютри

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

Правя фейспалм след всяко прочитане на подобна фраза. До добро това не доведе, 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 на задържане на когерентност (време на декогеренция)
3. Ниво на грешки
4. Архитектура на процесора
5. Цена, наличност, условия на поддържане, време на 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 трябва да се закупят точно толкова кубити, колкото са необходими за решаване на задачата. За разработчика на ексклузивни игрални автомати е достатъчен един кубит на автомат (за генериране на случайни числа). За 'брутфорс' на RSA-2048 — поне 2048 кубита.

Най-известните квантови алгоритми носят имената на Гровер и Шор. Гровер позволява 'хакване' на хешове. За крах на биткоина са нужни компютри с поне 256 кубита на борда (може да се манипулира с трудността на биткоина, но да се спрем на тази кръгла цифра). Шор позволява факторизация на числа. За факторизация на число с дължина n двоични разряда са необходими поне n кубита.

Текущият максимум: 50 кубита (вече 72?). И всъщност, 50 кубита е предел. Предел на симулацията на квантовия компютър. В теория можем да симулираме всякакво количество кубити на класически изчислители. В практиката, добавянето на един кубит в симулацията изисква удвояване на класическите изчислители. Добавете тук слуховете за удвояване на кубитите всяка година и попитайте себе си: как да дебъгвате алгоритми за 25651210242048 кубита? Няма симулатор, на квантовия процесор точка на прекъсване не може да бъде поставена.

Време на задържане на когерентност (време на декогеренция)

Когерентността и когерентността не са едно и също. Предпочитам да сравнявам когерентността с регенерацията на оперативната памет. На RAM плочката има милиарди клетки, на всяка от които има заряд, нулев или единичен. Този заряд има много интересна характеристика – той се струпва. Първоначално „единичната“ клетка става клетка с 0.99, след това 0.98 и т.н. Съответно, на нулевата натрупва 0.01, 0.02, 0.03… Трябва да се обнови този заряд, да се „регенерира“. Всичко, което е под половината, се нулира до нула, а всичко останало достига до единица.

Квантовите процесори не могат да се регенерират. Съответно, на всички изчисления има един цикъл, до първия „протекъл“ кубит. Времето до първия „протекъл“ се нарича време на декогеренция. Когерентността е състояние, при което кубитите все още не са „протекли“. Тук можете да погледнете малко по-възрастни обяснения.

Декогеренцията е свързана с броя на кубитите: колкото повече кубити, толкова по-трудно е да се запази когерентността. От друга страна, при наличие на голям брой кубити, можете да отделите част от тях за корекция на грешки, свързани с декогеренцията. Оттук произтича, че броят на кубитите сам по себе си не решава нищо. Можете да удвоите броя на кубитите и да похарчите 90% от тях за фиксация на декогеренцията.

Приблизително тук възниква понятието логически кубит. Грубо казано, ако имате процесор на 100 кубита, но 40 от тях са насочени към фиксация на декогерентността — остават ви 60 логически кубити. Тези, на които изпълнявате алгоритъма си. Концептът за логически кубити в момента е по-скоро теоретичен, за практическите реализации лично не съм чувал.

Грешки и тяхната корекция

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

Математиците предлагат решение: корекция на грешки. Има алгоритми. Реализацията на едно заплитане на 2 логически кубити изисква 100 000 физически кубита. Битко-капец ще настъпи след дълго време.

Архитектура на процесора

Строго казано, квантови компютри няма. Има само квантови процесори. Защо е нужна оперативна памет, когато времето за работа е ограничено до милисекунди? Аз програмирам на Q#, но това е език с високо ниво. Отделих си 15 кубита и правя каквото искам с тях. Искал съм, заплел съм първия кубит с десетия. Желал съм — заплел съм първите шест.

На реален процесор такава свобода няма. Помолих да заплета първия кубит с 15 — компилаторът генерира 26 допълнителни операции. Ако ми провърви. Ако не ми провърви — ще генерира стотици. Работата е там, че кубитът може да се заплита само с съседи. Повече от 6 съседи на кубит не съм виждал. В принципа, има оптимизиращи квантови компилатори, но те са все още по-скоро теоретични.

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

Цена, наличност, условия на съхранение, време за амортизация, инструментариум за програмиране…

Цените не се афишират, наличността за обикновения гражданин е почти нулева, времето за амортизация практически не е изчислявано, инструментите за програмиране съвсем навлизат. Документация на arxiv.org.

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

В допълнение към списъка отгоре, харесвам вариантите от PerlPower и Alter2:

Добре би било всяка статия за нов квантов компютър да започва с две характеристики — число на едновременни заплетени кубити и време за задържане на кубитите.

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

Източник: habr.com