Kvantni računari i kvantno računarstvo - novo , koji je dodan u naš informativni prostor zajedno sa , i drugi visokotehnološki pojmovi. U isto vrijeme, nikada nisam uspio pronaći materijal na internetu koji bi složio zagonetku u mojoj glavi pod nazivom "kako rade kvantni kompjuteri". Da, ima mnogo odličnih radova, uključujući i na Habru (vidi. ), komentari na koje su, kako to obično biva, još informativniji i korisniji, ali se slika u mojoj glavi, kako kažu, nije slagala.
A nedavno su mi kolege prišle i pitale: „Da li razumete kako funkcioniše kvantni kompjuter? Možete li nam reći?” A onda sam shvatio da nisam jedini kome je problem da sastavim koherentnu sliku u svojoj glavi.
Kao rezultat toga, pokušano je da se kompiliraju informacije o kvantnim kompjuterima u konzistentno logičko kolo u kojem osnovni nivo, bez dubokog uranjanja u matematiku i strukturu kvantnog svijeta, objašnjeno je šta je kvantni računar, na kojim principima radi i sa kakvim se problemima suočavaju naučnici pri stvaranju i rukovanju njime.
Sadržaj
Odricanje od odgovornosti
Autor nije stručnjak za kvantno računanje, i Ciljna publika članka su isti IT ljudi, a ne kvantni stručnjaci, koji takođe žele da sastave sliku u svojim glavama pod nazivom "Kako kvantni računari rade." Zbog toga su mnogi koncepti u članku namjerno pojednostavljeni kako bi bolje razumjeli kvantne tehnologije na „osnovnom“ nivou, ali bez .
Članak na nekim mjestima koristi materijale iz drugih izvora, . Gdje god je moguće, ubacuju se direktne veze i indikacije na originalni tekst, tabelu ili sliku. Ako sam negdje nešto (ili nekoga) zaboravio, napišite i ispraviću.
Uvod
U ovom poglavlju ćemo ukratko pogledati kako je počela kvantna era, šta je bio motivirajući razlog za ideju kvantnog kompjutera, ko su (koje zemlje i korporacije) trenutno vodeći igrači u ovoj oblasti, a takođe ćemo ukratko govoriti o glavnim pravcima razvoja kvantnog računarstva.
Kako je sve počelo
Početnom tačkom kvantne ere smatra se 1900. godina, kada je M. Planck prvi put iznio da se energija emituje i apsorbuje ne neprekidno, već u odvojenim kvantima (porcijama). Ideju su preuzeli i razvili mnogi istaknuti naučnici tog vremena - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, što je na kraju dovelo do stvaranja i razvoja takve nauke kao što je . Na internetu postoji mnogo dobrih materijala o formiranju kvantne fizike kao nauke u ovom članku se nećemo detaljnije zadržavati, ali je bilo potrebno naznačiti datum kada smo ušli u novu kvantnu eru.
Kvantna fizika donijela je mnoge izume i tehnologije u naš svakodnevni život, bez kojih je danas teško zamisliti svijet oko nas. Na primjer, laser, koji se danas koristi svuda, od kućnih aparata (laserski nivoi itd.) do visokotehnoloških sistema (laseri za korekciju vida, zdravo ). Logično bi bilo pretpostaviti da će prije ili kasnije neko doći na ideju zašto ne koristiti kvantne sisteme za računanje. A onda se to dogodilo 1980. godine.
Wikipedia ukazuje da je prvu ideju o kvantnom računarstvu izrazio 1980. naš naučnik Yuri Manin. Ali o tome su zaista počeli da govore tek 1981. godine, kada je poznati R. Feynman , napomenuo je da je nemoguće simulirati evoluciju kvantnog sistema na klasičnom kompjuteru na efikasan način. Predložio je elementarni model , koji će moći da izvrši takvo modeliranje.
Postoji a , pri čemu razmatra se akademski i detaljnije, ali ćemo ukratko preći:
Glavne prekretnice u istoriji stvaranja kvantnih kompjutera:
- [1994]. P. Shore. Kreirao
- [1998]. Created
- [2001]. IBM je uveo izvršenje za proširenje broja 15
- [2007-2016]. kreira i razvija kompjuter sa 128-2000 kubita
- [2012]. Implementirano na Univerzitetu Kalifornije
- [2016]. Google na računaru od 9 kubita
- [2017]. (tri atoma)
- [2019]. . Računar od 20 kubita u oblaku
- [2019]. . 53 qubit kompjuter. ?
Kao što vidite, prošlo je 17 godina (od 1981. do 1998.) od trenutka nastanka ideje do njene prve implementacije na računaru sa 2 kubita, i 21 godina (od 1998. do 2019.) dok se broj kubita nije povećao na 53. Bilo je potrebno 11 godina (od 2001. do 2012.) da se rezultat Šorovog algoritma (pogledaćemo ga detaljnije malo kasnije) sa broja 15 na 21. Takođe, pre samo tri godine došli smo do implementirati ono o čemu je Feynman govorio i naučiti modelirati najjednostavnije fizičke sisteme.
Razvoj kvantnog računarstva je spor. Naučnici i inženjeri su suočeni sa veoma teškim zadacima, kvantna stanja su vrlo kratkog veka i krhka, a da bi ih očuvali dovoljno dugo za izvođenje proračuna, moraju da grade sarkofage za desetine miliona dolara, u kojima se održava temperatura malo iznad apsolutne nule, a koji su maksimalno zaštićeni od vanjskih utjecaja. U nastavku ćemo detaljnije govoriti o ovim zadacima i problemima.
Vodeći igrači
Slajdovi za ovaj odjeljak preuzeti su iz članka , od istraživača Alexey Fedorov. Dozvolite mi da vam dam direktne citate:
Sve tehnološki uspješne zemlje trenutno aktivno razvijaju kvantne tehnologije. U ovo istraživanje se ulaže ogroman novac, a kreiraju se i posebni programi za podršku kvantnim tehnologijama.
Ne samo države, već i privatne kompanije učestvuju u kvantnoj trci. Ukupno su Google, IBM, Intel i Microsoft nedavno uložili oko 0,5 milijardi dolara u razvoj kvantnih računara i stvorili velike laboratorije i istraživačke centre.
Postoji mnogo članaka na Habré-u i na internetu, npr. , и , u kojem se detaljnije razmatra trenutno stanje s razvojem kvantnih tehnologija u različitim zemljama. Za nas je sada najvažnije da sve vodeće tehnološki razvijene zemlje i igrači ulažu ogromne količine novca u istraživanje u ovom pravcu, što daje nadu za izlaz iz sadašnjeg tehnološkog ćorsokaka.
Smjernice razvoja
Trenutno (mogu da griješim, ispravite me) glavni napori (i manje-više značajni rezultati) svih vodećih igrača koncentrisani su u dvije oblasti:
- Specijalizovani kvantni računari, koji su usmjereni na rješavanje jednog specifičnog problema, na primjer, problema optimizacije. Primjer proizvoda su D-Wave kvantni kompjuteri.
- Univerzalni kvantni kompjuteri — koji su sposobni da implementiraju proizvoljne kvantne algoritme (Shor, Grover, itd.). Implementacije od IBM-a, Google-a.
Drugi vektori razvoja koje nam daje kvantna fizika, kao što su:
- kao osnova za
- i još mnogo toga
Naravno, i to je na listi oblasti za istraživanje, ali za sada se čini da nema više ili manje značajnih rezultata.
Dodatno možete čitati , pa, guglaj”", Na primjer, , и .
Osnove. Kvantni objekt i kvantni sistemi
Najvažnija stvar koju treba razumjeti iz ovog odjeljka je to
Kvantni kompjuter (za razliku od uobičajenih) koristi kao nosioce informacija kvantne objekte, a da bi se izvršili proračuni, kvantni objekti moraju biti povezani kvantni sistem.
Šta je kvantni objekat?
Kvantni objekat - objekt mikrosvijeta (kvantnog svijeta) koji pokazuje kvantna svojstva:
- Ima definirano stanje s dva granična nivoa
- Nalazi se u superpoziciji svog stanja do trenutka mjerenja
- Zapliće se sa drugim objektima kako bi stvorio kvantne sisteme
- Zadovoljava teoremu bez kloniranja (stanje objekta se ne može kopirati)
Pogledajmo svaku nekretninu detaljnije:
Ima definirano stanje s dva granična nivoa (krajnje stanje)
Klasičan primjer iz stvarnog svijeta je novčić. Ima „bočno“ stanje, koje ima dva granična nivoa – „glave“ i „repove“.
Nalazi se u superpoziciji svog stanja do trenutka mjerenja
Bacili su novčić, on leti i vrti se. Dok se rotira, nemoguće je reći na kojem se od graničnih nivoa nalazi njegovo „bočno“ stanje. Ali čim ga zalupimo i pogledamo rezultat, superpozicija stanja se odmah urušava u jedno od dva granična stanja – “glave” i “repove”. Lupanje novčića u našem slučaju je mjera.
Zapliće se sa drugim objektima kako bi stvorio kvantne sisteme
Teško je sa novčićem, ali hajde da probamo. Zamislite da smo bacili tri novčića tako da se rotiraju držeći se jedan za drugi, ovo je žongliranje sa novčićima. U svakom trenutku vremena, ne samo da je svako od njih u superpoziciji stanja, već ta stanja međusobno utiču jedno na drugo (kovanice se sudaraju).
Zadovoljava teoremu bez kloniranja (stanje objekta se ne može kopirati)
Dok novčići lete i okreću se, ne postoji način da kreiramo kopiju stanja okretanja bilo kog novčića, odvojeno od sistema. Sistem živi u sebi i vrlo je ljubomoran na objavljivanje bilo kakve informacije u vanjski svijet.
Još nekoliko riječi o samom konceptu "superpozicije", u skoro svim člancima se superpozicija objašnjava kao "je u svim državama u isto vrijeme", što je, naravno, tačno, ali ponekad nepotrebno zbunjujuće. Superpozicija stanja se takođe može zamisliti kao činjenica da u svakom trenutku vremena kvantni objekat ima postoje određene vjerovatnoće kolapsa u svaki od njegovih graničnih nivoa, a u zbroju ove vjerovatnoće su prirodno jednake 1. Kasnije, kada razmatramo kubit, detaljnije ćemo se zadržati na tome.
Za novčiće, to se može vizualizirati - ovisno o početnoj brzini, kutu bacanja, stanju okruženja u kojem novčić leti, u svakom trenutku je vjerovatnoća da će se dobiti "glave" ili "repovi" različita. I, kao što je ranije spomenuto, stanje takvog letećeg novčića može se zamisliti kao „da se nalazi u svim svojim graničnim stanjima u isto vrijeme, ali s različitim vjerovatnoćama njihove implementacije“.
Svaki objekat za koji su ispunjena gornja svojstva i koji možemo kreirati i kontrolisati može se koristiti kao nosilac informacija u kvantnom računaru.
Malo dalje ćemo govoriti o trenutnom stanju stvari sa fizičkom implementacijom kubita kao kvantnih objekata, io tome šta naučnici sada koriste u tom svojstvu.
Dakle, treće svojstvo kaže da se kvantni objekti mogu zapetljati da bi stvorili kvantne sisteme. Šta je kvantni sistem?
Kvantni sistem — sistem zapletenih kvantnih objekata sa sljedećim svojstvima:
- Kvantni sistem je u superpoziciji svih mogućih stanja objekata od kojih se sastoji
- Nemoguće je znati stanje sistema do trenutka mjerenja
- U trenutku mjerenja, sistem implementira jednu od mogućih varijanti svojih graničnih stanja
(i gledajući malo unapred)
Posljedica za kvantne programe:
- Kvantni program ima dato stanje sistema na ulazu, superpoziciju unutra, superpoziciju na izlazu
- Na izlazu programa nakon mjerenja imamo probabilističku implementaciju jednog od mogućih konačnih stanja sistema (plus moguće greške)
- Svaki kvantni program ima arhitekturu dimnjaka (ulaz -> izlaz. Nema petlji, ne možete vidjeti stanje sistema usred procesa.)
Poređenje kvantnog računara i konvencionalnog
Hajde sada da uporedimo konvencionalni računar i kvantni računar.
| običan kompjuter | Kvantni kompjuter | |
|
Logika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fizika
|
Poluprovodnički tranzistor | Kvantni objekat |
|
Nositelj informacija
|
Nivoi napona | Polarizacija, okretanje,… |
|
operacije
|
NOT, AND, OR, XOR preko bitova | Ventili: CNOT, Adamard,… |
|
Veza
|
Poluprovodnički čip | Zabuna jedni s drugima |
|
Algoritmi
|
Standardno (vidi bič) | Posebne ponude (Shore, Grover) |
|
Princip
|
Digitalno, determinističko | Analogno, vjerovatno |
Logički nivo
U običnom računaru to je malo. Nama je dobro poznat deterministički bit. Može imati vrijednosti od 0 ili 1. Savršeno se nosi sa ulogom logička jedinica za običan računar, ali je potpuno neprikladan za opisivanje stanja kvantni objekat, koji se, kao što smo već rekli, u divljini nalazi usuperpozicije njihovih graničnih stanja.
Ovo su oni smislili . U svojim graničnim stanjima ostvaruje stanja slična 0 i 1 , au superpoziciji predstavlja raspodjela vjerovatnoće preko njegovih graničnih stanja |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a i b predstavljaju , a kvadrati njihovih modula su stvarne vjerovatnoće da se dobiju upravo takve vrijednosti graničnih stanja |0> и |1>, ako sada srušite kubit mjerenjem.
Fizički sloj
Na trenutnom tehnološkom nivou razvoja, fizička implementacija bita za konvencionalni računar je poluprovodnički tranzistor, za kvant, kao što smo već rekli, bilo kog kvantnog objekta. U sljedećem dijelu ćemo govoriti o tome šta se trenutno koristi kao fizički medij za kubite.
Sredstvo za skladištenje
Za običan računar ovo je struja - nivoi napona, prisustvo ili odsustvo struje, itd., za kvantne - isto stanje kvantnog objekta (smjer polarizacije, spin, itd.), koji može biti u stanju superpozicije.
operacije
Za implementaciju logičkih kola na običnom računaru koristimo dobro poznate , za operacije nad kubitima je bilo potrebno osmisliti potpuno drugačiji sistem operacija, tzv . Gejtovi mogu biti jednokubitni ili dvokubitni, ovisno o tome koliko se kubita pretvara.
Primjeri kvantnih kapija:
Postoji koncept univerzalni set ventila, koji su dovoljni za izvođenje bilo kakvog kvantnog proračuna. Na primjer, univerzalni set uključuje Adamardovu kapiju, kapiju pomaka faze, CNOT kapiju i π⁄8 kapiju. Uz njihovu pomoć možete izvesti bilo koji kvantni proračun na proizvoljnom skupu kubita.
U ovom članku nećemo se detaljnije zadržavati na sistemu kvantnih kapija, možete pročitati više o njima i logičkim operacijama na kubitima, na primjer, . Glavna stvar koju treba zapamtiti:
- Operacije na kvantnim objektima zahtijevaju kreiranje novih logičkih operatora (kvantnih kapija)
- Kvantne kapije dolaze u jednokubitnim i dvokubitnim tipovima.
- Postoje univerzalni setovi kapija koji se mogu koristiti za izvođenje bilo kojeg kvantnog proračuna
Veza
Jedan tranzistor nam je potpuno beskoristan da bismo izvršili proračune, potrebno je povezati mnogo tranzistora jedan s drugim, odnosno napraviti poluvodički čip od miliona tranzistora na kojem ćemo graditi logička kola, i, na kraju, dobiti moderan procesor u njegovom klasičnom obliku.
Jedan kubit nam je također potpuno beskoristan (pa, makar samo u akademskom smislu),
za izvođenje proračuna potreban nam je sistem kubita (kvantnih objekata)
koji, kao što smo već rekli, nastaje preplitanjem kubita jedan s drugim tako da se promjene u njihovim stanjima dešavaju na koordiniran način.
Algoritmi
Standardni algoritmi koje je čovječanstvo akumuliralo do danas potpuno su neprikladni za implementaciju na kvantnom kompjuteru. Da, generalno nema potrebe. Kvantni računari zasnovani na logici kapije preko kubita zahtevaju kreiranje potpuno različitih algoritama, kvantnih algoritama. Od najpoznatijih kvantnih algoritama mogu se razlikovati tri:
- (faktorizacija)
- (brza pretraga u neuređenoj bazi podataka)
- (odgovor na pitanje, konstantna ili uravnotežena funkcija)
Princip
A najvažnija razlika je princip rada. Za standardni računar to je digitalni, strogo deterministički princip, na osnovu činjenice da ako postavimo neko početno stanje sistema i prođemo ga kroz dati algoritam, onda će rezultat proračuna biti isti, bez obzira koliko puta izvršimo ovaj proračun. Zapravo, ovakvo ponašanje je upravo ono što očekujemo od računara.
Kvantni kompjuter radi analogni, probabilistički princip. Rezultat datog algoritma u datom početnom stanju je uzorak iz distribucije vjerovatnoće konačne implementacije algoritma plus moguće greške.
Ova probabilistička priroda kvantnog računarstva je posledica same verovatnoće suštine kvantnog sveta. "Bog se ne igra kockicama sa svemirom.", rekao je stari Ajnštajn, ali svi dosadašnji eksperimenti i zapažanja (u trenutnoj naučnoj paradigmi) potvrđuju suprotno.
Fizičke implementacije kubita
Kao što smo već rekli, kubit se može predstaviti kvantnim objektom, odnosno fizičkim objektom koji implementira kvantna svojstva opisana gore. To jest, grubo govoreći, svaki fizički objekat u kojem postoje dva stanja i ta dva stanja su u stanju superpozicije može se koristiti za izgradnju kvantnog kompjutera.
“Ako možemo staviti atom na dva različita nivoa i kontrolirati ih, onda imate kubit. Ako to možemo učiniti sa jonom, to je kubit. Isto je i sa strujom. Ako ga pokrenemo u smjeru kazaljke na satu i suprotno od kazaljke na satu u isto vrijeme, imate kubit.”
Postoje к , u kojem se detaljnije razmatra trenutna raznolikost fizičkih implementacija kubita, jednostavno ćemo navesti najpoznatije i najčešće:
- i mnoge druge egzotične ideje (anioni, itd.)
Od sve ove raznolikosti, najrazvijenija je prva metoda dobijanja kubita, zasnovana na . , , i drugi vodeći igrači ga koriste za izgradnju svojih sistema.
Pa, pročitajte više moguće qubits from .
Osnove. Kako radi kvantni kompjuter
Materijali za ovaj odjeljak (zadatak i slike) preuzeti su iz članka .
Dakle, zamislite da imamo sljedeći zadatak:
Postoji grupa od tri osobe: (A)ndrey, (B)olodya i (C)erezha. Postoje dva taksija (0 i 1).
Takođe je poznato da:
- (A)ndrey, (B)olodya su prijatelji
- (A)ndrey, (C)erezha su neprijatelji
- (B)olodya i (C)erezha su neprijatelji
Zadatak: Postavite ljude u taksije tako da Max(prijatelji) и Min (neprijatelji)
Ocjena: L = (broj prijatelja) - (broj neprijatelja) za svaku opciju smještaja
VAŽNO: Pod pretpostavkom da nema heuristika, nema ni optimalnog rješenja. U ovom slučaju, problem se može riješiti samo potpunim pretraživanjem opcija.
Rješenje na običnom računaru
Kako riješiti ovaj problem na običnom (super) računaru (ili klasteru) - to je jasno morate proći kroz sve moguće opcije. Ako imamo višeprocesorski sistem, onda možemo paralelizirati izračunavanje rješenja na nekoliko procesora i zatim prikupiti rezultate.
Imamo 2 moguće opcije smještaja (taxi 0 i taxi 1) i 3 osobe. Prostor za rješenje 2 ^ 3 = 8. Možete čak i proći kroz 8 opcija koristeći kalkulator, to nije problem. Sada da zakomplikujemo problem - imamo 20 ljudi i dva autobusa, prostor za rešenje 2^20 = 1. Nista komplikovano. Povećajmo broj ljudi za 2.5 puta - uzmi 50 ljudi i dva voza, prostor za rješenje je sada 2^50 = 1.12 x 10^15. Običan (super) računar već počinje da ima ozbiljnih problema. Hajde da povećamo broj ljudi za 2 puta, 100 ljudi će nam već dati 1.2 x 10^30 moguće opcije.
To je to, ovaj zadatak se ne može izračunati u razumnom vremenu.
Povezivanje superkompjutera
Najmoćniji računar trenutno je broj 1 , ovo , produktivnost 122 . Pretpostavimo da nam je potrebno 100 operacija da izračunamo jednu opciju, a zatim da riješimo problem za 100 ljudi trebat će nam:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 godina.
Kao što vidimo kako se dimenzija početnih podataka povećava, prostor rješenja raste prema zakonu stepena, u opštem slučaju, za N bitova imamo 2^N mogućih opcija rešenja, što nam za relativno mali N (100) daje neproračunat (na trenutnom tehnološkom nivou) prostor rešenja.
Postoje li alternative? Kao što ste možda pretpostavili, da, postoji.
Ali prije nego što uđemo u to kako i zašto kvantni računari mogu efikasno riješiti probleme poput ovih, odvojimo trenutak da rezimiramo šta su oni. raspodjela vjerovatnoće. Ne brinite, ovo je pregledni članak, tu neće biti teške matematike, zadovoljit ćemo se klasičnim primjerom s torbom i loptama.
Samo malo kombinatorike, teorije vjerovatnoće i čudnog eksperimentatora
Uzmimo torbu i stavimo je u nju 1000 bijelih i 1000 crnih loptica. Provest ćemo eksperiment - izvaditi lopticu, zapisati boju, vratiti lopticu u vreću i pomiješati kuglice u vrećici.
Eksperiment je izveden 10 puta, izvukao 10 crnih loptica. Možda? Sasvim. Da li nam ovaj uzorak daje razumnu predstavu o pravoj distribuciji u torbi? Očigledno ne. Šta treba uraditi - tačno, strponovite eksperiment milion puta i izračunajte frekvencije crnih i bijelih kuglica. Dobijamo npr 49.95% crne i 50.05% bijele. U ovom slučaju je struktura distribucije iz koje uzorkujemo (vadimo jednu kuglicu) već manje-više jasna.
Glavna stvar je razumjeti to sam eksperiment ima vjerovatnoću, sa jednim uzorkom (loptom) nećemo znati pravu strukturu distribucije, eksperiment moramo ponoviti mnogo puta i prosjek rezultata.
Dodajmo ga u našu torbu 10 crvenih i 10 zelenih loptica (greške). Ponovimo eksperiment 10 puta. INizvukao 5 crvenih i 5 zelenih. Možda? Da. Možemo reći nešto o pravoj distribuciji - Ne. Šta treba da se uradi - dobro, razumete.
Da bi se steklo razumijevanje strukture distribucije vjerovatnoće, potrebno je više puta uzorkovati pojedinačne ishode iz ove distribucije i usrednjavati rezultate.
Povezivanje teorije sa praksom
Sada umjesto crnih i bijelih lopti, uzmimo loptice za bilijar i stavimo ih u vreću 1000 loptica sa brojem 2, 1000 sa brojem 7 i 10 loptica sa drugim brojevima. Zamislimo eksperimentatora koji je obučen u najjednostavnijim radnjama (vadi loptu, zapisuje broj, vraća lopticu u vreću, miješa loptice u vrećici) i to radi za 150 mikrosekundi. Pa takav eksperimentator na brzini (ne reklama za drogu!!!). Tada će za 150 sekundi moći izvesti naš eksperiment milion puta i dajte nam rezultate usrednjavanja.
Posjeli su eksperimentatora, dali mu torbu, okrenuli se, čekali 150 sekundi i dobili:
broj 2 - 49.5%, broj 7 - 49.5%, preostali brojevi ukupno - 1%.
Da, tako je, naša torba je kvantni kompjuter sa algoritmom koji rešava naš problem, a kuglice su moguća rješenja. Pošto postoje dva tačna rješenja, onda kvantni kompjuter će nam dati bilo koje od ovih mogućih rješenja sa jednakom vjerovatnoćom i greškama od 0.5% (10/2000), o čemu ćemo kasnije.
Da biste dobili rezultat kvantnog računara, potrebno je da pokrenete kvantni algoritam više puta na istom skupu ulaznih podataka i dobijete prosjek rezultata.
Skalabilnost kvantnog računara
Sada zamislite to za zadatak koji uključuje 100 ljudi (prostor rješenja 2^100 pamtimo ovo), također postoje samo dvije ispravne odluke. Zatim, ako uzmemo 100 kubita i napišemo algoritam koji izračunava našu ciljnu funkciju (L, vidi gore) preko ovih kubita, onda ćemo dobiti vreću u kojoj će biti 1000 loptica sa brojem prvog tačnog odgovora, 1000 sa broj drugog tačnog odgovora i 10 loptica sa drugim brojevima. I unutar istih 150 sekundi naš eksperimentator će nam dati procjenu distribucije vjerovatnoće tačnih odgovora.
Vrijeme izvršenja kvantnog algoritma (uz neke pretpostavke) može se smatrati konstantnim O(1) s obzirom na dimenziju prostora rješenja (2^N).
A to je upravo svojstvo kvantnog kompjutera - konstantnost vremena izvođenja u odnosu na rastući zakon stepena složenost prostora rješenja je ključ.
Kubit i paralelni svjetovi
Kako se to događa? Šta omogućava kvantnom računaru da izvodi proračune tako brzo? Sve je u kvantnoj prirodi kubita.
Gledajte, rekli smo da je kubit poput kvantnog objekta ostvaruje jedno od svoja dva stanja kada se posmatra, ali u "divljoj prirodi" je u superpozicije država, odnosno nalazi se u oba svoja granična stanja istovremeno (sa određenom vjerovatnoćom).
Uzmi (A)ndreya i zamislite njegovo stanje (u kojem vozilu je - 0 ili 1) kao kubit. Tada imamo (u kvantnom prostoru) dva paralelna sveta, u jednom (A) sjedi u taksiju 0, u drugom svijetu - u taksiju 1. U dva taksija u isto vrijeme, ali sa izvesnom verovatnoćom da se to nađe u svakom od njih tokom posmatranja.
Uzmi (B) mlad i zamislimo njegovo stanje kao kubit. Nastaju još dva paralelna svijeta. Ali za sada ovi parovi svjetova (A) и (IN) ne komunicirajte uopšte. Šta treba učiniti da se stvori povezane sistem? Tako je, trebaju nam ovi kubiti vezati (zbuniti). Uzimamo i zbunjujemo (A) sa (B) — dobijamo kvantni sistem od dva kubita (A, B), realizujući u sebi četiri međuzavisne paralelni svetovi. Dodati (S)ergey i dobijamo sistem od tri kubita (ABC), implementacija osam međuzavisne paralelni svetovi.
Suština kvantnog računarstva (implementacija lanca kvantnih kapija preko sistema povezanih kubita) je činjenica da se izračunavanje odvija u svim paralelnim svetovima istovremeno.
I nije važno koliko ih imamo, 2^3 ili 2^100, kvantni algoritam će se izvršavati u konačnom vremenu u svim ovim paralelnim svjetovima i daće nam rezultat, koji je uzorak iz distribucije vjerovatnoće odgovora algoritma.
Radi boljeg razumijevanja, to se može zamisliti kvantni kompjuter na kvantnom nivou pokreće 2^N paralelnih procesa rješenja, od kojih svaki radi na jednoj mogućoj opciji, zatim prikuplja rezultate rada - i daje nam odgovor u obliku superpozicije rješenja (distribucija vjerovatnoće odgovora), iz koje uzorkujemo po jedan svaki put (za svaki eksperiment).
Zapamtite vrijeme potrebno našem eksperimentatoru (150 µs) za izvođenje eksperimenta, ovo će nam biti od koristi malo dalje, kada govorimo o glavnim problemima kvantnih kompjutera i vremenu dekoherencije.
Kvantni algoritmi
Kao što je već spomenuto, konvencionalni algoritmi zasnovani na binarnoj logici nisu primjenjivi na kvantne kompjutere koji koriste kvantnu logiku (kvantne kapije). Za njega je bilo potrebno osmisliti nove koje u potpunosti iskorištavaju potencijal svojstven kvantnoj prirodi računarstva.
Najpoznatiji algoritmi danas su:
Za razliku od klasičnih, kvantni računari nisu univerzalni.
Do sada je pronađen samo mali broj kvantnih algoritama.
Spasibo za link do , mesto gde je, prema rečima autora (), prikupljeni su i nastavljaju da se okupljaju najbolji predstavnici kvantno-algoritamskog svijeta.
U ovom članku nećemo detaljno analizirati kvantne algoritme na internetu postoji mnogo odličnih materijala za bilo koji nivo složenosti, ali ipak moramo ukratko proći kroz tri najpoznatija.
Šorov algoritam.
Najpoznatiji kvantni algoritam je (izumio 1994. godine engleski matematičar ), koji ima za cilj rješavanje problema razlaganja brojeva u proste faktore (problem faktorizacije, diskretni logaritam).
Upravo ovaj algoritam se navodi kao primjer kada pišu da će vam uskoro biti hakovani bankarski sistemi i lozinke. S obzirom da dužina ključeva koji se danas koriste nije manja od 2048 bita, vrijeme za ograničenje još nije došlo.
Do danas, više nego skroman. Najbolji rezultati faktorizacije sa Shorovim algoritmom - brojevi и , što je mnogo manje od 2048 bita. Za preostale rezultate iz tabele drugačije proračuna, ali čak i najbolji rezultat prema ovom algoritmu (291311) je veoma daleko od stvarne primjene.
Možete pročitati više o Shorovom algoritmu, na primjer,. O praktičnoj implementaciji - .
Jedan od složenost i potrebna snaga za faktoriranje 2048-bitnog broja je kompjuter sa . Spavamo mirno.
Groverov algoritam
- rješavanje problema nabrajanja, odnosno pronalaženje rješenja jednačine F(X) = 1, gdje je F iz n varijable. Predložio ga je američki matematičar в .
Groverov algoritam se može koristiti za pronalaženje и numeričke serije. Osim toga, može se koristiti za rješavanje problema kroz iscrpnu pretragu među mnogim mogućim rješenjima. Ovo može dovesti do značajnog povećanja brzine u odnosu na klasične algoritme, iako bez pružanja "" Uglavnom.
Možete pročitati višeili . Još Postoji dobro objašnjenje algoritma na primjeru kutija i lopte, ali, nažalost, iz razloga koji su izvan bilo čije kontrole, ova stranica mi se ne otvara iz Rusije. Ako imate je također blokiran, pa evo kratkog sažetka:
Groverov algoritam. Zamislite da imate N komada numeriranih zatvorenih kutija. Sve su prazne osim jedne, koja sadrži loptu. Vaš zadatak: saznajte broj kutije u kojoj se nalazi lopta (ovaj nepoznati broj često se označava slovom w).
Kako riješiti ovaj problem? Najgluplji način je da naizmjence otvarate kutije i prije ili kasnije ćete naići na kutiju sa loptom. Koliko kutija u prosjeku treba provjeriti prije nego što se pronađe kutija sa loptom? U prosjeku, trebate otvoriti oko pola od N/2 kutija. Ovdje je najvažnije da ako povećamo broj kutija za 100 puta, onda će se prosječan broj kutija koje treba otvoriti prije nego što se kutija sa loptom pronađe također povećati za istih 100 puta.
Sada da napravimo još jedno pojašnjenje. Nemojmo sami rukama otvarati kutije i provjeravati ima li kuglice u svakoj, već postoji određeni posrednik, nazovimo ga Oracle. Kažemo Oracleu, „kvačicu broj 732“, a Oracle iskreno provjerava i odgovara: „u kutiji broj 732 nema kuglice“. Sada, umjesto da kažemo koliko kutija u prosjeku trebamo otvoriti, mi kažemo „koliko puta u prosjeku trebamo otići u Oracle da bismo pronašli broj kutije sa loptom“
Ispostavilo se da ako ovaj problem sa kutijama, loptom i Oracleom prevedemo na kvantni jezik, dobijamo izvanredan rezultat: da bismo pronašli broj kutije sa loptom među N kutija, moramo poremetiti Oracle samo oko SQRT-a. (N) puta!
To jest, složenost zadatka pretraživanja pomoću Groverovog algoritma je smanjena za kvadratni korijen puta.
Deutsch-Jozi algoritam
Deutsch-Jozsa algoritam (također poznat kao Deutsch-Jozsa algoritam) - [kvantni algoritam](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , i postao je jedan od prvih primjera algoritama dizajniranih da se na njima izvršavaju . _
Deutsch-Jozsi problem je odrediti da li je funkcija nekoliko binarnih varijabli F(x1, x2, ... xn) konstantna (za bilo koji argument uzima vrijednost 0 ili 1) ili uravnotežena (za polovinu domene koju je potrebno vrijednost 0, za drugu polovinu 1). U ovom slučaju, smatra se a priori poznatom da je funkcija ili konstantna ili uravnotežena.
Možete i čitati . Jednostavnije objašnjenje:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) algoritam je zasnovan na gruboj sili, ali omogućava da se radi brže nego inače. Zamislite da se na stolu nalazi novčić i treba da otkrijete da li je lažan ili ne. Da biste to učinili, morate dvaput pogledati novčić i odrediti: "glave" i "repovi" su stvarne, dvije "glave", dva "repa" su lažne. Dakle, ako koristite Deutsch kvantni algoritam, onda se ovo određivanje može izvršiti jednim pogledom - mjerenjem.
Problemi kvantnih računara
Prilikom projektovanja i rada kvantnih računara, naučnici i inženjeri se suočavaju sa ogromnim brojem problema, koji su do danas rešeni sa različitim stepenom uspeha. Prema () može se identifikovati sljedeći niz problema:
- Osetljivost na okolinu i interakcija sa okolinom
- Akumulacija grešaka tokom proračuna
- Poteškoće s početnim inicijalizacijom stanja kubita
- Poteškoće u kreiranju multi-kubit sistema
Toplo preporučujem da pročitate članak ““, posebno komentari na njega.
Organizirajmo sve glavne probleme u tri velike grupe i pobliže pogledajmo svaki od njih:
Dekoherencija
.
Kvantno stanje veoma krhka stvarkubiti u zapletenom stanju su izuzetno nestabilni, svaki vanjski utjecaj može (i može) uništiti ovu vezu. Promjena temperature za najmanji dio stepena, pritisak, slučajni foton koji leti u blizini - sve to destabilizira naš sistem.
Za rešavanje ovog problema ugrađuju se niskotemperaturni sarkofazi u kojima je temperatura (-273.14 stepeni Celzijusa) nešto iznad apsolutne nule, uz maksimalnu izolaciju unutrašnje komore sa procesorom od svih (mogućih) uticaja spoljašnje sredine.
Maksimalni životni vijek kvantnog sistema od nekoliko zapletenih kubita, tokom kojeg on zadržava svoja kvantna svojstva i može se koristiti za proračune, naziva se vrijeme dekoherencije.
Trenutno je vrijeme dekoherencije u najboljim kvantnim rješenjima reda veličine desetine i stotine mikrosekundi.
Postoji divan gde možete pogledati svih stvorenih kvantnih sistema. Ovaj članak uključuje samo dva vrhunska procesora kao primjere - iz IBM-a i od . Kao što vidimo, vrijeme dekoherencije (T2) ne prelazi 200 μs.
Nisam našao tačne podatke za Sycamore, ali u većini data su dva broja - 1 milion kalkulacija za 200 sekundi, na drugom mjestu - za 130 sekundi bez gubitka kontrolnih signala itd.. U svakom slučaju, to nam daje vrijeme dekoherencije je oko 150 µs. Zapamtite naše eksperimentator sa torbom? Pa, evo ga.
| Ime računara | N Qubits | Max uparen | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Čime nam prijeti dekoherencija?
Glavni problem je u tome što će nakon 150 μs, naš računarski sistem od N zamršenih kubita početi da emituje probabilistički bijeli šum umjesto probabilističke distribucije tačnih rješenja.
Odnosno, potrebno nam je:
- Inicijalizirajte qubit sistem
- Izvršite proračun (lanac operacija kapije)
- Pročitajte rezultat
I uradite sve ovo za 150 mikrosekundi. Nisam imao vremena - rezultat se pretvorio u bundevu.
Ali to nije sve…
Greške
Kao što smo rekli, kvantni procesi i kvantno računanje su po prirodi vjerovatnoće, ne možemo biti 100% sigurni ni u šta, ali samo sa izvesnom verovatnoćom. Situaciju dodatno otežava činjenica da kvantno računarstvo je sklono greškama. Glavne vrste grešaka u kvantnom računarstvu su:
- Greške dekoherencije uzrokovane su složenošću sistema i interakcijom sa vanjskim okruženjem
- Računske greške gejta (zbog kvantne prirode izračunavanja)
- Greške u čitanju konačnog stanja (rezultat)
Greške povezane s dekoherencijom, pojavljuju se čim zapetljamo naše kubite i počnemo raditi proračune. Što više kubita upletemo, sistem je složeniji, i lakše ga je uništiti. Niskotemperaturni sarkofazi, zaštićene komore, svi ovi tehnološki trikovi su upravo usmjereni na smanjenje broja grešaka i produženje vremena dekoherencije.
Računske greške kapije - bilo koja operacija (gejt) na kubitima može, sa izvesnom verovatnoćom, završiti greškom, a za implementaciju algoritma potrebno je izvesti stotine kapija, pa zamislite šta dobijamo na kraju izvršenja našeg algoritma. Klasičan odgovor na pitanje je "Kolika je vjerovatnoća da ćete sresti dinosaurusa u liftu?" - 50x50, ili ćeš se sresti ili ne.
Problem je dodatno otežan činjenicom da standardne metode korekcije grešaka (dupliciranje proračuna i usrednjavanje) ne funkcionišu u kvantnom svijetu zbog teoreme bez kloniranja. Za u kvantnom računarstvu je moralo biti izmišljeno . Grubo govoreći, uzmemo N običnih kubita i napravimo 1 od njih logički kubit sa nižom stopom greške.
Ali ovdje nastaje još jedan problem - ukupan broj kubita. Gledajte, recimo da imamo procesor sa 100 kubita, od kojih se 80 kubita koristi za ispravljanje grešaka, onda nam je ostalo samo 20 za proračune.
Greške u čitanju konačnog rezultata — kao što se sjećamo, rezultat kvantnih proračuna nam je predstavljen u obliku raspodjela vjerovatnoće odgovora. Ali čitanje konačnog stanja također može propasti uz grešku.
Na istom Postoje uporedne tabele procesora po nivoima greške. Za usporedbu, uzmimo iste procesore kao u prethodnom primjeru - IBM и :
| računar | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Readout Fidelity |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
to je je mjera sličnosti dvaju kvantnih stanja. Veličina greške može se grubo izraziti kao 1-Fidelity. Kao što vidimo, greške na 2-kubitnim gejtovima i greške očitavanja glavna su prepreka izvršavanju složenih i dugih algoritama na postojećim kvantnim računarima.
Možete i čitati godine od kako bi se riješio problem ispravljanja grešaka.
Arhitektura procesora
U teoriji mi gradimo i poslujemo kola od desetina zapletenih kubita, u stvarnosti je sve komplikovanije. Svi postojeći kvantni čipovi (procesori) su izgrađeni na takav način da pružaju bezbolan rad preplitanje jednog kubita samo sa susedima, kojih nema više od šest.
Ako treba da zapetljamo 1. kubit, recimo, sa 12., onda ćemo morati izgraditi lanac dodatnih kvantnih operacija, uključuju dodatne kubite, itd., što povećava ukupni nivo greške. Da, i ne zaboravite vrijeme dekoherencije, možda će vrijeme završiti i cijeli krug će se pretvoriti u lijep generator bijelog šuma.
Takođe ne zaboravite to Arhitektura svih kvantnih procesora je različita, a program napisan u emulatoru u načinu povezivanja „svi-svi“ morat će se „prekompajlirati“ u arhitekturu određenog čipa. Čak postoje da izvršite ovu operaciju.
Maksimalna povezanost i maksimalan broj kubita za iste vrhunske čipove:
| Ime računara | N Qubits | Max uparen | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
I, poređenja radi, tabela sa podacima iz prethodne generacije procesora. Uporedite broj kubita, vreme dekoherencije i stopu greške sa onim što sada imamo sa novom generacijom. Ipak, napredak je spor, ali se kreće.
Dakle:
- Trenutno ne postoje potpuno povezane arhitekture sa > 6 kubita
- Da bi se qubit 0 s upleo na pravi procesor, na primjer, qubit 15 može zahtijevati nekoliko desetina dodatnih operacija
- Više operacija -> više grešaka -> jači utjecaj dekoherencije
Ishodi
Dekoherencija je prokrustovo ležište modernog kvantnog računarstva. Moramo sve uklopiti u 150 μs:
- Inicijalizacija početnog stanja kubita
- Računanje problema pomoću kvantnih kapija
- Ispravite greške da biste dobili značajne rezultate
- Pročitajte rezultat
Do sada su rezultati razočaravajući tvrdi da postiže vrijeme zadržavanja koherencije od 0.5s na kvantnom računaru zasnovanom na :
Mjerimo vrijeme koherentnosti kubita veće od 0.5 s, a s magnetnom zaštitom očekujemo da će se ovo poboljšati duže od 1000 s.
Također možete pročitati o ovoj tehnologiji ili na primer .
Situaciju dodatno komplikuje činjenica da je pri izvođenju složenih proračuna potrebno koristiti kvantne krugove za ispravljanje grešaka, što također troši i vrijeme i raspoložive kubite.
I konačno, moderne arhitekture ne dozvoljavaju implementaciju shema zapletanja boljih od 1 u 4 ili 1 u 6 uz minimalne troškove.
Načini rješavanja problema
Za rješavanje navedenih problema trenutno se koriste sljedeći pristupi i metode:
- Upotreba kriokomora sa niskim temperaturama (10 mK (–273,14°C))
- Korištenje procesorskih jedinica koje su maksimalno zaštićene od vanjskih utjecaja
- Korištenje kvantnih sistema za ispravljanje grešaka (logički kubit)
- Upotreba optimizatora prilikom programiranja kola za određeni procesor
Također se provode istraživanja s ciljem povećanja vremena dekoherencije, traženja novih (i poboljšanja poznatih) fizičkih implementacija kvantnih objekata, optimizacije korekcionih kola itd. itd. Ima napretka (pogledajte gore karakteristike ranijih i današnjih vrhunskih čipova), ali za sada je spor, vrlo, vrlo spor.
D-val
D-Wave 2000Q 2000-qubit računar. Izvor:
Usred Googleove najave o postizanju kvantne nadmoći pomoću procesora od 53 kubita, и iz kompanije D-Wave, u kojoj se broj kubita kreće u hiljadama, pomalo zbunjuje. Pa, zaista, ako je 53 kubita bilo u stanju da postigne kvantnu nadmoć, za šta je onda sposoban kompjuter sa 2048 kubita? Ali nije sve tako dobro...
Ukratko (preuzeto sa wikija):
Računari raditi po principu (), mogu riješiti vrlo ograničenu podklasu problema optimizacije i nisu pogodni za implementaciju tradicionalnih kvantnih algoritama i kvantnih kapija.
Za više detalja možete pročitati npr. , (pažljivo, možda se ne otvara iz Rusije), ili в od njegovog . Inače, toplo preporučujem čitanje njegovog bloga općenito, tamo ima puno dobrog materijala
Generalno, od samog početka najava, naučna zajednica imala je pitanja o D-Wave računarima. Na primjer, 2014. godine IBM je doveo u pitanje činjenicu da je D-Wave Došlo je do toga da je 2015. godine Google zajedno sa NASA-om kupio jedan od ovih kvantnih kompjutera i nakon istraživanja , da da, kompjuter radi i izračunava problem brže od običnog. Više o Googleovoj izjavi možete pročitati i, na primjer, .
Glavna stvar je da se D-Wave kompjuteri, sa svojim stotinama i hiljadama kubita, ne mogu koristiti za izračunavanje i pokretanje kvantnih algoritama. Na njima, na primjer, ne možete pokrenuti Shorov algoritam. Sve što mogu učiniti je koristiti određene kvantne mehanizme za rješavanje određenog problema optimizacije. Možemo smatrati da je D-Wave kvantni ASIC za određeni zadatak.
Malo o emulaciji kvantnog računara
Kvantno računarstvo se može emulirati na običnom računaru. Zaista, :
- Stanje kubita može biti kompleksni broj, koji zauzimaju od 2x32 do 2x64 bita (8-16 bajtova) u zavisnosti od arhitekture procesora
- Stanje N povezanih kubita može se predstaviti kao 2^N kompleksnih brojeva, tj. 2^(3+N) za 32-bitnu arhitekturu i 2^(4+N) za 64-bitnu.
- Kvantna operacija na N kubita može biti predstavljena matricom 2^N x 2^N
onda:
- Za pohranjivanje emuliranih stanja od 10 kubita potrebno je 8 KB
- Za pohranjivanje stanja od 20 kubita potrebno vam je 8 MB
- Za pohranjivanje stanja od 30 kubita potrebno je 8 GB
- Za pohranjivanje stanja od 40 kubita potrebno je 8 terabajta
- Za pohranjivanje stanja od 50 kubita potrebno je 8 petabajta itd.
Za poređenje, () nosi samo 2.8 petabajta memorije.
— 49 qubita isporučeno prošle godine najvećem kineskom superkompjuteru ()
Granica simulacije kvantnog računara na klasičnim sistemima određena je količinom RAM-a potrebnog za pohranjivanje stanja kubita.
Takođe preporučujem čitanje . Odatle:
Po radu - za preciznu emulaciju 49-kubitnog kola koje se sastoji od nekih 39 "ciklusa" (nezavisnih slojeva kapija) 2^63 kompleksna množenja - 4 Pflopsa superkompjutera za 4 sata
Emulacija kvantnog kompjutera od 50+ kubita na klasičnim sistemima smatra se nemogućim u razumnom vremenu. To je i razlog zašto je Google koristio procesor od 53 kubita za svoj eksperiment kvantne nadmoći.
Nadmoć kvantnog računarstva.
Wikipedia nam daje sljedeću definiciju nadmoći kvantnog računarstva:
Kvantna nadmoć - sposobnost uređaja za rješavanje problema koje klasični računari praktično ne mogu riješiti.
U stvari, postizanje kvantne nadmoći znači da se, na primjer, faktorizacija velikih brojeva korištenjem Shorovog algoritma može riješiti u odgovarajućem vremenu, ili da se složeni hemijski molekuli mogu emulirati na kvantnom nivou, itd. Odnosno, došla je nova era.
Ali postoji neka rupa u formulaciji definicije, “koje klasični kompjuteri praktično ne mogu riješiti" U stvari, to znači da ako kreirate kvantni računar od 50+ kubita i pokrenete neko kvantno kolo na njemu, tada, kao što smo već raspravljali, rezultat ovog kola ne može se emulirati na običnom računaru. To je klasični kompjuter neće moći ponovo stvoriti rezultat takvog kola.
Da li takav rezultat predstavlja stvarnu kvantnu nadmoć ili ne, pre je filozofsko pitanje. Ali shvatite šta je Google uradio i na čemu se zasniva neophodno.
Googleova izjava o kvantnoj nadmoći
Sycamore 54-qubit procesor
Tako su u oktobru 2019. Google programeri objavili članak u naučnoj publikaciji Nature “" Autori su najavili postizanje kvantne nadmoći po prvi put u istoriji koristeći 54-kubit Sycamore procesor.
Članci na mreži Sycamore često se odnose na 54-kubitni ili 53-kubitni procesor. Istina je da prema , procesor se fizički sastoji od 54 kubita, ali jedan od njih nije u funkciji i povučen je iz upotrebe. Dakle, u stvarnosti imamo procesor od 53 kubita.
Na webu upravo tamo materijala na ovu temu, čiji je stepen varirao od do .
IBM-ov tim za kvantno računarstvo je to kasnije izjavio . Kompanija tvrdi da će se konvencionalni računar u najgorem slučaju nositi sa ovim zadatkom za 2,5 dana, a rezultat će biti tačniji od kvantnog računara. Ovaj zaključak donesen je na osnovu rezultata teorijske analize nekoliko metoda optimizacije.
I naravno, u njegovom Nisam mogao zanemariti ovu izjavu. Njegovo zajedno sa svim linkovima i kao i obično, na njih vrijedi potrošiti vaše vrijeme. Na čvorištu ova FAQ, i obavezno pročitajte komentare, postoje linkovi na preliminarne dokumente koji su procurili na internet prije službene objave.
Šta je Google zapravo uradio? Za detaljnije razumijevanje, pročitajte Aaronsona, ali ukratko ovdje:
Mogu vam, naravno, reći, ali se osjećam prilično glupo. Proračun je sljedeći: eksperimentator generiše nasumični kvantni krug C (tj. slučajni niz 1-kubitnih i 2-kubitnih kapija između najbližih susjeda, s dubinom od, na primjer, 20, koji djeluje na 2D mrežu od n = 50-60 kubita). Eksperimentator zatim šalje C kvantnom računaru i traži od njega da primijeni C na početno stanje 0, izmjeri rezultat na bazi {0,1}, pošalje nazad n-bitni posmatrani niz (string) i ponovi nekoliko hiljadu ili milione puta. Konačno, koristeći svoje znanje o C, eksperimentator izvodi statistički test da vidi da li se rezultat poklapa sa očekivanim izlazom kvantnog kompjutera.
Vrlo kratko:
- Nasumično kolo dužine 20 od 53 kubita kreira se pomoću kapija
- Kolo počinje sa početnim stanjem [0…0] za izvršenje
- Izlaz kola je nasumični niz bitova (uzorak)
- Distribucija rezultata nije nasumična (interferencija)
- Distribucija dobijenih uzoraka je upoređena sa očekivanom
- Zaključuje kvantnu supremaciju
To jest, Google je implementirao sintetički problem na procesor od 53 kubita, a svoju tvrdnju o postizanju kvantne nadmoći zasniva na činjenici da je nemoguće emulirati takav procesor na standardnim sistemima u razumnom vremenu.
Za razumevanje - Ovaj odjeljak ni na koji način ne umanjuje Googleovo postignuće, inženjeri su zaista sjajni, a pitanje može li se to smatrati stvarnom kvantnom superiornošću ili ne, kao što je ranije spomenuto, više je filozofsko nego inženjersko. Ali moramo shvatiti da nakon što smo postigli takvu računsku superiornost, nismo napredovali ni korak prema mogućnosti pokretanja Shorovog algoritma na 2048-bitnim brojevima.
Rezime
Kvantni računari i kvantno računarstvo su vrlo perspektivna, vrlo mlada i do sada malo industrijski primjenjiva oblast informacione tehnologije.
Razvoj kvantnog računarstva će nam (jednog dana) omogućiti da riješimo probleme:
- Modeliranje složenih fizičkih sistema na kvantnom nivou
- Nerješivo na običnom računaru zbog računske složenosti
Glavni problemi u stvaranju i radu kvantnih računara:
- Dekoherencija
- Greške (dekoherencija i kapija)
- Arhitektura procesora (potpuno povezana qubit kola)
Trenutno stanje stvari:
- Zapravo - sam početak .
- Još nema PRAVE komercijalne eksploatacije (i nije jasno kada će je biti)
Šta može pomoći:
- Neka vrsta fizičkog otkrića koje smanjuje troškove ožičenja i rada procesora
- Otkrivanje nečega što će povećati vrijeme dekoherencije za red veličine i/ili smanjiti greške
Po mom mišljenju (čisto lično mišljenje), U trenutnoj naučnoj paradigmi znanja nećemo postići značajnije uspjehe u razvoju kvantnih tehnologija, ovdje nam je potreban kvalitativni iskorak u nekoj oblasti fundamentalne ili primijenjene znanosti, koji će dati poticaj novim idejama i metodama.
U međuvremenu stičemo iskustvo u kvantnom programiranju, prikupljanju i kreiranju kvantnih algoritama, testiranju ideja, itd, itd. Čekamo iskorak.
zaključak
U ovom članku prošli smo kroz glavne prekretnice u razvoju kvantnog računarstva i kvantnih računara, ispitali princip njihovog rada, ispitali glavne probleme sa kojima se inženjeri susreću u razvoju i radu kvantnih procesora, a takođe smo pogledali šta je multi-kubit. D-računari zapravo jesu Wave i Google-ova nedavna najava o postizanju kvantne nadmoći.
Iza kulisa su ostala pitanja programiranja kvantnih kompjutera (jezici, pristupi, metode itd.) i pitanja vezana za specifičnu fizičku implementaciju procesora, kako se kubiti kontroliraju, povezuju, čitaju itd. Možda će to biti tema sljedećeg članka ili članaka.
Hvala na pažnji, nadam se da će ovaj članak nekome biti od koristi.
(C)
Zahvalnice
za lekturu i komentare na izvorni tekst, kao i za članak
za informativno bogate komentare na , i ne samo njoj, što mi je na mnogo načina pomoglo da shvatim ovu zagonetku.
Svim autorima članaka i publikacija čiji su materijali korišteni pri pisanju ovog članka.
Lista resursa
Aktuelni članci iz [The National Academies Press]
Članci sa Habra (nasumičnim redoslijedom)
Nerazvrstani (ali ne manje zanimljivi) članci s interneta
Kursevi i predavanja
izvor: www.habr.com