Quantum computers ug quantum computing - bag-o , nga gidugang sa among espasyo sa impormasyon uban sa , ug uban pang high-tech nga termino. Sa samang higayon, wala gyud ko makakitag materyal sa Internet nga maghiusa sa puzzle sa akong ulo nga gitawag "Giunsa ang pagtrabaho sa quantum computer". Oo, adunay daghang maayo kaayo nga mga buhat, lakip ang Habr (tan-awa. ), ang mga komento nga, sama sa kasagaran nga kaso, labi pa nga labi ka kasayuran ug mapuslanon, apan ang litrato sa akong ulo, ingon sa ilang giingon, wala makadugang.
Ug bag-o lang ang akong mga kauban miduol kanako ug nangutana, “Nakasabot ka ba kon sa unsang paagi naglihok ang quantum computer? Makasulti ka ba kanamo?” Ug dayon akong naamgohan nga dili lang ako ang adunay problema sa pagbutang og usa ka managsama nga hulagway sa akong ulo.
Ingon usa ka sangputanan, usa ka pagsulay ang gihimo aron makolekta ang kasayuran bahin sa mga kompyuter sa quantum sa usa ka makanunayon nga sirkito sa lohika diin sukaranan nga lebel, nga wala’y lawom nga pagpaunlod sa matematika ug istruktura sa kalibutan nga quantum, gipatin-aw kung unsa ang quantum computer, unsa nga mga prinsipyo ang naglihok niini, ug unsa nga mga problema ang giatubang sa mga siyentipiko sa paghimo ug pag-operate niini.
Mga sulud sa sulud
Disclaimer
Ang tagsulat dili eksperto sa quantum computing, ug Ang target nga mamiminaw sa artikulo mao ang parehas nga mga tawo sa IT, dili mga espesyalista sa quantum, kinsa gusto usab nga magbutang og usa ka hulagway sa ilang mga ulo nga gitawag og "Giunsa ang quantum computers nagtrabaho." Tungod niini, daghang mga konsepto sa artikulo ang tinuyo nga gipasimple aron mas masabtan ang mga teknolohiya sa quantum sa usa ka "basic" nga lebel, apan wala .
Ang artikulo sa pipila ka mga dapit naggamit sa mga materyales gikan sa ubang mga tinubdan, . Kung mahimo, ang mga direktang link ug mga timailhan sa orihinal nga teksto, lamesa o numero gisal-ut. Kung nakalimtan nako ang usa ka butang (o usa ka tawo) sa usa ka lugar, pagsulat ug tul-iron ko kini.
Pasiuna
Niini nga kapitulo, atong tan-awon sa makadiyot kung giunsa nagsugod ang quantum nga panahon, unsa ang makapadasig nga rason sa ideya sa usa ka quantum computer, kinsa (nga mga nasud ug mga korporasyon) sa pagkakaron ang nanguna nga mga magdudula niini nga natad, ug usab sa mubo nga pakigpulong mahitungod sa mga nag-unang direksyon sa pagpalambo sa quantum computing.
Giunsa kini pagsugod
Ang punto sa pagsugod sa quantum nga panahon giisip nga 1900, sa diha nga M. Planck unang gibutang sa unahan nga ang enerhiya gibuga ug gisuhop dili padayon, apan sa lain nga quanta (mga bahin). Ang ideya gikuha ug gipalambo sa daghang mga bantugan nga mga siyentipiko niadtong panahona - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, nga sa katapusan misangpot sa paglalang ug pagpalambo sa maong siyensiya sama sa . Adunay daghang maayo nga mga materyales sa Internet bahin sa pagporma sa quantum physics ingon usa ka siyensya; sa kini nga artikulo dili naton kini hisgotan sa detalye, apan kinahanglan nga ipakita ang petsa kung kanus-a kita misulod sa bag-ong panahon sa quantum.
Ang quantum physics nagdala og daghang mga imbensyon ug teknolohiya sa atong adlaw-adlaw nga kinabuhi, nga kung wala kini lisud nga mahanduraw ang kalibutan sa atong palibot. Pananglitan, ang usa ka laser, nga gigamit na karon bisan asa, gikan sa mga gamit sa panimalay (mga lebel sa laser, ug uban pa) hangtod sa mga high-tech nga sistema (mga laser alang sa pagtul-id sa panan-aw, hello ). Makataronganon ang paghunahuna nga sa madugay o sa madali adunay makahunahuna nga nganong dili gamiton ang mga sistema sa quantum alang sa pag-compute. Ug unya sa 1980 kini nahitabo.
Gipakita sa Wikipedia nga ang unang ideya sa quantum computing gipahayag niadtong 1980 sa atong siyentista nga si Yuri Manin. Apan nagsugod sila sa paghisgot bahin niini lamang sa 1981, sa dihang ang iladong R. Feynman , namatikdan nga imposible nga masundog ang ebolusyon sa usa ka quantum system sa usa ka klasikal nga kompyuter sa episyente nga paagi. Gisugyot niya ang usa ka modelo sa elementarya , nga makahimo sa pagbuhat sa ingon nga modelo.
Adunay usa ka , diin giisip nga mas akademiko ug sa detalye, apan atong hisgotan sa makadiyot:
Panguna nga mga milestone sa kasaysayan sa paghimo sa mga kompyuter nga quantum:
- [1994]. P. Baybayon. Gidisenyo ni
- [1998]. Gibuhat
- [2001]. Gipaila sa IBM ang pagpatay alang sa pagpalapad sa numero 15
- [2007-2016]. nagmugna ug nagpalambo sa usa ka kompyuter nga adunay 128-2000 qubits
- [2012]. Gipatuman sa Unibersidad sa California
- [2016]. Google sa 9-qubit nga kompyuter
- [2017]. (tulo ka atomo)
- [2019]. . 20-qubit nga kompyuter sa panganod
- [2019]. . 53 qubit nga kompyuter. ?
Sama sa imong nakita, 17 ka tuig na ang milabay (gikan sa 1981 hangtod 1998) gikan sa panahon sa ideya hangtod sa una nga pagpatuman niini sa usa ka kompyuter nga adunay 2 qubit, ug 21 ka tuig (gikan sa 1998 hangtod 2019) hangtod ang gidaghanon sa mga qubit nadugangan sa 53. Nagkinahanglan kini og 11 ka tuig (gikan sa 2001 ngadto sa 2012) aron mapalambo ang resulta sa Shor's algorithm (atong tan-awon kini sa mas detalyado sa ulahi) gikan sa numero 15 ngadto sa 21. Usab, tulo ka tuig lamang ang milabay miabut kami sa punto sa pagpatuman sa gisulti ni Feynman, ug pagkat-on sa pagmodelo sa pinakasimple nga pisikal nga mga sistema.
Ang pag-uswag sa quantum computing hinay. Ang mga siyentista ug mga inhenyero nag-atubang sa lisud kaayo nga mga buluhaton, ang mga estado sa quantum mubo ra ug huyang, ug aron mapreserbar kini nga igo aron mahimo ang mga kalkulasyon, kinahanglan nila nga magtukod og sarcophagi sa napulo ka milyon nga dolyar, diin ang temperatura gipadayon. labaw sa hingpit nga zero, ug nga labing gipanalipdan gikan sa mga impluwensya sa gawas. Sunod atong hisgutan kini nga mga buluhaton ug mga problema sa mas detalyado.
Nanguna nga mga Manlalaro
Ang mga slide alang niini nga seksyon gikuha gikan sa artikulo , gikan sa tigdukiduki Alexey Fedorov. Hatagan ko ikaw ug direkta nga mga kinutlo:
Ang tanan nga mga nasud nga malampuson sa teknolohiya karon aktibo nga nagpalambo sa mga teknolohiya sa quantum. Usa ka dako nga kantidad sa salapi ang gipuhunan sa kini nga panukiduki, ug ang mga espesyal nga programa aron suportahan ang mga teknolohiya sa quantum gihimo.
Dili lamang mga estado, apan ang mga pribadong kompanya usab ang nag-apil sa lumba sa quantum. Sa kinatibuk-an, ang Google, IBM, Intel ug Microsoft bag-o lang namuhunan sa mga $0,5 bilyon sa pagpalambo sa quantum computers ug nagmugna og dagkong mga laboratoryo ug research center.
Adunay daghang mga artikulo sa Habré ug sa Internet, pananglitan, , и , diin ang kasamtangan nga kahimtang sa mga kalihokan uban sa pagpalambo sa quantum teknolohiya sa lain-laing mga nasud gisusi sa mas detalyado. Ang nag-unang butang alang kanamo karon mao nga ang tanan nga nanguna nga mga nasud nga naugmad sa teknolohiya ug mga magdudula namuhunan sa daghang kantidad sa salapi sa panukiduki sa kini nga direksyon, nga naghatag paglaum alang sa usa ka paagi gikan sa karon nga pagkaguba sa teknolohiya.
Mga direksyon sa pag-uswag
Sa pagkakaron (mahimo kong masayop, palihog tul-ira ako), ang nag-unang mga paningkamot (ug mas daghan o dili kaayo mahinungdanon nga mga resulta) sa tanang nag-unang mga magdudula gikonsentrar sa duha ka mga dapit:
- Espesyal nga quantum nga mga kompyuter, nga gitumong sa pagsulbad sa usa ka piho nga piho nga problema, pananglitan, usa ka problema sa pag-optimize. Usa ka pananglitan sa usa ka produkto mao ang D-Wave quantum computers.
- Universal quantum nga mga kompyuter - nga makahimo sa pagpatuman sa arbitraryong quantum algorithms (Shor, Grover, ug uban pa). Mga pagpatuman gikan sa IBM, Google.
Ang ubang mga vector sa kalamboan nga gihatag kanato sa quantum physics, sama sa:
- isip basehan sa
- ug daghan pa
Siyempre, naa usab kini sa lista sa mga lugar alang sa panukiduki, apan sa pagkakaron ingon og wala’y labi o dili kaayo hinungdanon nga mga sangputanan.
Dugang pa makabasa ka , maayo, google "", Pananglitan, , и .
Mga sukaranan. Quantum object ug quantum system
Ang labing importante nga butang nga masabtan gikan niini nga seksyon mao kana
Quantum nga kompyuter (dili sama sa naandan) gigamit isip tigdala sa impormasyon quantum nga mga butang, ug aron mahimo ang mga kalkulasyon, ang mga butang nga quantum kinahanglan nga konektado sistema sa quantum.
Unsa ang quantum object?
Quantum nga butang - usa ka butang sa microworld (quantum world) nga nagpakita sa quantum properties:
- Adunay gipiho nga estado nga adunay duha ka lebel sa utlanan
- Anaa sa usa ka superposisyon sa kahimtang niini hangtod sa higayon sa pagsukod
- Nalambigit sa kaugalingon sa ubang mga butang aron makamugna og quantum system
- Nakatagbaw sa no-cloning theorem (ang kahimtang sa butang dili makopya)
Atong tan-awon ang matag kabtangan sa mas detalyado:
Adunay gipiho nga estado nga adunay duha ka lebel sa utlanan (katapusan nga estado)
Usa ka klasiko nga tinuod nga kalibutan nga pananglitan mao ang usa ka sensilyo. Kini adunay usa ka "kilid" nga estado, nga adunay duha ka lebel sa utlanan - "mga ulo" ug "mga ikog".
Anaa sa usa ka superposisyon sa kahimtang niini hangtod sa higayon sa pagsukod
Giitsa nila ang usa ka sensilyo, kini naglupad ug nagtuyok. Samtang kini nagtuyok, imposible nga isulti kung diin sa mga lebel sa utlanan nahimutang ang estado nga "kilid" niini. Apan sa diha nga atong gibunalan kini ug tan-awon ang resulta, ang superposisyon sa mga estado nahugno dayon ngadto sa usa sa duha ka utlanan nga estado - "mga ulo" ug "mga ikog". Ang paghapak sa usa ka sensilyo sa among kaso usa ka pagsukod.
Nalambigit sa kaugalingon sa ubang mga butang aron makamugna og quantum system
Lisud sa usa ka sensilyo, apan atong sulayan. Hunahunaa nga nag-itsa kami og tulo ka mga sensilyo aron sila magtuyok nga nagkupot sa usag usa, kini nag-juggling sa mga sensilyo. Sa matag gutlo sa panahon, dili lamang ang matag usa kanila anaa sa superposisyon sa mga estado, apan kini nga mga estado nag-impluwensya sa usag usa (ang mga sensilyo nagbangga).
Nakatagbaw sa no-cloning theorem (ang kahimtang sa butang dili makopya)
Samtang ang mga sensilyo naglupad ug nagtuyok, walay paagi nga kita makahimo og usa ka kopya sa spinning state sa bisan unsa nga mga sensilyo, bulag sa sistema. Ang sistema nagpuyo sa iyang kaugalingon ug nasina pag-ayo sa pagpagawas sa bisan unsang kasayuran sa gawas nga kalibutan.
Pipila pa nga mga pulong bahin sa konsepto mismo "mga superposisyon", sa halos tanang artikulo superposisyon kay gipatin-aw ingon "naa sa tanan nga estado sa parehas nga oras", nga, siyempre, tinuod, apan usahay dili kinahanglan nga makalibog. Ang usa ka superposisyon sa mga estado mahimo usab nga mahanduraw ingon ang kamatuoran nga sa matag gutlo sa panahon adunay usa ka butang nga quantum adunay piho nga mga kalagmitan sa pagkahugno sa matag usa sa mga lebel sa utlanan niini, ug sa kinatibuk-an kini nga mga kalagmitan natural nga katumbas sa 1. Sa ulahi, kung tagdon ang qubit, hisgotan naton kini sa mas detalyado.
Alang sa mga sensilyo, kini mahimong mahanduraw - depende sa inisyal nga tulin, ang anggulo sa pag-itsa, ang kahimtang sa palibot diin ang sensilyo naglupad, sa matag gutlo sa panahon ang posibilidad nga makakuha og "mga ulo" o "mga ikog" lahi. Ug, sama sa nahisgotan na, ang kahimtang sa ingon nga naglupad nga sensilyo mahimong mahanduraw nga "naa sa tanan nga mga utlanan niini sa parehas nga oras, apan adunay lainlaing mga posibilidad sa ilang pagpatuman."
Ang bisan unsang butang diin ang mga kabtangan sa ibabaw nahimamat ug nga mahimo naton ug kontrolon mahimong magamit ingon usa ka tigdala sa kasayuran sa usa ka kompyuter nga quantum.
Usa ka gamay nga dugang maghisgot kami bahin sa karon nga kahimtang sa mga kalihokan sa pisikal nga pagpatuman sa mga qubit ingon mga butang nga quantum, ug kung unsa ang gigamit karon sa mga siyentipiko sa kini nga kapasidad.
Mao nga ang ikatulo nga kabtangan nag-ingon nga ang mga butang nga quantum mahimong masamok aron makahimo mga sistema sa quantum. Unsa ang sistema sa quantum?
Sistema sa quantum — usa ka sistema sa mga butang nga nalambigit sa quantum nga adunay mosunod nga mga kabtangan:
- Ang sistema sa quantum anaa sa usa ka superposisyon sa tanang posibleng estado sa mga butang diin kini naglangkob
- Imposible nga mahibal-an ang kahimtang sa sistema hangtod sa oras sa pagsukod
- Sa panahon sa pagsukod, ang sistema nagpatuman sa usa sa posible nga mga variant sa mga utlanan nga estado niini
(ug, nagtan-aw sa unahan gamay)
Corollary alang sa quantum nga mga programa:
- Ang programa sa quantum adunay gihatag nga kahimtang sa sistema sa input, usa ka superposisyon sa sulod, usa ka superposisyon sa output
- Sa output sa programa human sa pagsukod kita adunay probabilistic nga pagpatuman sa usa sa posible nga katapusang estado sa sistema (plus posible nga mga sayop)
- Ang bisan unsang quantum nga programa adunay arkitektura sa chimney (input -> output. Walay mga loops, dili nimo makita ang estado sa sistema sa tunga-tunga sa proseso.)
Pagtandi sa usa ka quantum computer ug usa ka conventional
Atong itandi karon ang usa ka naandan nga kompyuter ug usa ka quantum.
| regular nga kompyuter | Quantum nga kompyuter | |
|
Mga Pangatarungan
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Panglawas
|
Semiconductor transistor | Quantum nga butang |
|
Tagdala sa impormasyon
|
Mga lebel sa boltahe | Polarization, spin,… |
|
operasyon
|
DILI, UG, O, XOR sa mga bit | Mga balbula: CNOT, Hadamard,… |
|
Relasyon
|
Semiconductor chip | Kalibog sa usag usa |
|
Algorithm
|
Standard (tan-awa ang Whip) | Espesyal (Shore, Grover) |
|
ЏџЂРёїїїїї
|
Digital, deterministiko | Analog, probabilistiko |
Ang lebel sa lohika
Sa usa ka regular nga kompyuter kini usa ka gamay. Nailhan mi sa kanunay deterministikong gamay. Makuha ang mga kantidad nga 0 o 1. Kini hingpit nga nakasagubang sa papel lohikal nga yunit alang sa usa ka regular nga kompyuter, apan hingpit nga dili angay alang sa paghulagway sa estado butang nga quantum, nga, sa ato nang giingon, sa wild nahimutang sasuperposisyon sa ilang mga utlanan nga estado.
Mao kini ang ilang nahimo . Sa mga utlanan niini nakaamgo kini sa mga estado nga susama sa 0 ug 1 , ug sa superposisyon nagrepresentar pag-apod-apod sa kalagmitan sa mga utlanan niini |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a ug b nagrepresentar , ug ang mga kwadro sa ilang mga module mao ang aktuwal nga mga posibilidad nga makuha ang eksakto nga mga kantidad sa mga estado sa utlanan |0> и |1>, kung imong gub-on ang qubit sa usa ka sukod karon.
Pisikal nga layer
Sa kasamtangan nga teknolohikal nga lebel sa kalamboan, ang pisikal nga pagpatuman sa usa ka gamay alang sa usa ka conventional computer mao ang semiconductor transistor, alang sa quantum, sama sa giingon na namo, bisan unsang butang nga quantum. Sa sunod nga seksyon atong hisgutan kung unsa ang gigamit karon ingon pisikal nga media alang sa mga qubit.
Dugangan sa pagtipig
Alang sa usa ka regular nga kompyuter mao kini kuryente - lebel sa boltahe, presensya o pagkawala sa kasamtangan, ug uban pa, alang sa quantum - parehas kahimtang sa usa ka butang nga quantum (direksyon sa polarization, spin, etc.), nga mahimong anaa sa usa ka kahimtang sa superposition.
operasyon
Aron ipatuman ang mga logic circuit sa usa ka regular nga kompyuter, gigamit namon ang ilado , alang sa mga operasyon sa mga qubit kinahanglan nga maghimo usa ka hingpit nga lahi nga sistema sa mga operasyon, nga gitawag . Ang mga ganghaan mahimong single-qubit o double-qubit, depende kung pila ka qubit ang nakabig.
Mga pananglitan sa mga ganghaan sa quantum:
Adunay usa ka konsepto universal valve set, nga igo na aron mahimo ang bisan unsang pagkalkula sa quantum. Pananglitan, ang usa ka unibersal nga set naglakip sa usa ka Hadamard gate, usa ka phase shift gate, usa ka CNOT gate, ug usa ka π⁄8 gate. Sa ilang tabang, mahimo nimo ang bisan unsang pagkalkula sa quantum sa usa ka arbitraryong hugpong sa mga qubit.
Sa kini nga artikulo dili kami maghisgot nga detalyado sa sistema sa mga ganghaan sa quantum; mahimo nimong mabasa ang dugang bahin niini ug lohikal nga mga operasyon sa mga qubit, pananglitan, . Ang nag-unang butang nga hinumduman:
- Ang mga operasyon sa mga butang nga quantum nanginahanglan paghimo og bag-ong mga lohikal nga operator (mga ganghaan sa quantum)
- Ang mga ganghaan sa quantum moabut sa mga tipo nga single-qubit ug double-qubit.
- Adunay mga unibersal nga hugpong sa mga ganghaan nga magamit sa paghimo sa bisan unsang quantum computation
Relasyon
Ang usa ka transistor hingpit nga wala’y kapuslanan alang kanamo, aron mahimo ang mga kalkulasyon kinahanglan namon nga magkonektar sa daghang mga transistor sa usag usa, nga mao, paghimo usa ka semiconductor chip gikan sa milyon-milyon nga mga transistor diin magtukod mga lohikal nga sirkito. ug, sa katapusan, pagkuha usa ka modernong processor sa klasiko nga porma niini.
Ang usa ka qubit hingpit usab nga wala’y kapuslanan alang kanamo (maayo, kung sa mga termino sa akademiko),
aron mahimo ang mga kalkulasyon kinahanglan namon ang usa ka sistema sa mga qubit (mga butang nga quantum)
nga, sa ato nang giingon, gimugna pinaagi sa paglambigit sa mga qubit sa usag usa aron ang mga pagbag-o sa ilang mga estado mahitabo sa usa ka koordinado nga paagi.
Algorithm
Ang sumbanan nga mga algorithm nga natipon sa katawhan hangtod karon hingpit nga dili angay alang sa pagpatuman sa usa ka quantum computer. Oo, sa kinatibuk-an walay panginahanglan. Ang mga kompyuter nga kuwantum nga gibase sa lohika sa ganghaan sa mga qubit nanginahanglan paghimo sa hingpit nga lainlaing mga algorithm, mga algorithm sa quantum. Sa labing inila nga quantum algorithm, tulo ang mahimong mailhan:
- (factorization)
- (dali nga pagpangita sa usa ka wala masunud nga database)
- (tubag sa pangutana, makanunayon o balanse nga gimbuhaton)
ЏџЂРёїїїїї
Ug ang labing hinungdanon nga kalainan mao ang prinsipyo sa operasyon. Alang sa usa ka standard nga kompyuter mao kini digital, hugot nga deterministikong prinsipyo, pinasikad sa kamatuoran nga kon kita magbutang ug pipila ka inisyal nga kahimtang sa sistema ug moagi niini pinaagi sa usa ka gihatag nga algorithm, nan ang resulta sa mga kalkulasyon mao ra gihapon, bisag pila ka beses nato kini nga kalkulasyon. Sa tinuud, kini nga pamatasan mao gyud ang atong gipaabut gikan sa usa ka kompyuter.
Ang quantum computer nagdagan analogue, probabilistic nga prinsipyo. Ang resulta sa gihatag nga algorithm sa gihatag nga inisyal nga kahimtang mao sample gikan sa probability distribution katapusan nga pagpatuman sa algorithm plus posible nga mga sayop.
Kini nga probabilistic nga kinaiya sa quantum computing tungod sa probabilistic nga esensya sa quantum nga kalibutan. "Ang Dios wala magdula og dice sa uniberso.", miingon ang tigulang nga Einstein, apan ang tanan nga mga eksperimento ug mga obserbasyon hangtod karon (sa karon nga paradigma sa siyensya) nagpamatuod sa kaatbang.
Pisikal nga pagpatuman sa mga qubit
Sa ato nang giingon, ang usa ka qubit mahimong irepresentar sa usa ka butang nga quantum, nga mao, usa ka pisikal nga butang nga nagpatuman sa mga kabtangan sa quantum nga gihulagway sa ibabaw. Sa ato pa, sa halos pagsulti, ang bisan unsang pisikal nga butang diin adunay duha ka estado ug kining duha ka estado naa sa usa ka estado sa superposisyon mahimong magamit sa paghimo sa usa ka quantum computer.
"Kung mahimo naton ibutang ang usa ka atomo sa duha ka lainlaing lebel ug kontrolon kini, nan ikaw adunay usa ka qubit. Kung mahimo naton kini sa usa ka ion, kini usa ka qubit. Parehas kini sa kasamtangan. Kung gipadagan namon kini nga sunud-sunod ug sa parehas nga oras, adunay ka usa ka qubit.
Adunay к , diin ang karon nga lainlain nga pisikal nga pagpatuman sa qubit gikonsiderar nga mas detalyado, among ilista ang labing inila ug kasagaran:
- ug daghang uban pang mga eksotikong ideya (anion, ug uban pa)
Sa tanan nga kini nga pagkalainlain, ang labing naugmad mao ang una nga pamaagi sa pagkuha sa mga qubit, base sa . , , ug uban pang nanguna nga mga magdudula naggamit niini sa pagtukod sa ilang mga sistema.
Aw, basaha pa posible qubits gikan sa .
Mga sukaranan. Giunsa ang pagtrabaho sa quantum computer
Ang mga materyal alang niini nga seksyon (buhat ug mga hulagway) gikuha gikan sa artikulo .
Busa, hunahunaa nga kita adunay mosunod nga buluhaton:
Adunay usa ka grupo sa tulo ka mga tawo: (A)ndrey, (B)olodya ug (C)erezha. Adunay duha ka taxi (0 ug 1).
Nasayran usab nga:
- (A) Andrey, (B) Olodya mga higala
- Si (A)ndrey, (C)erezha mga kaaway
- Si (B)olodya ug (C)erezha mga kaaway
Buluhaton: Ibutang ang mga tawo sa mga taxi aron Max(mga higala) и Min(kaaway)
Rating: L = (gidaghanon sa mga higala) - (gidaghanon sa mga kaaway) alang sa matag kapilian sa akomodasyon
IMPORTANTE: Sa paghuna-huna nga walay heuristics, walay labing maayo nga solusyon. Sa kini nga kaso, ang problema masulbad lamang pinaagi sa usa ka kompleto nga pagpangita sa mga kapilian.
Solusyon sa usa ka regular nga kompyuter
Sa unsa nga paagi sa pagsulbad niini nga problema sa usa ka regular nga (super) computer (o cluster) - kini mao ang tin-aw nga kinahanglan nimo nga i-loop ang tanan nga posible nga mga kapilian. Kung kita adunay usa ka multiprocessor nga sistema, nan mahimo natong iparehas ang pagkalkula sa mga solusyon sa daghang mga processor ug dayon kolektahon ang mga resulta.
Adunay kami 2 nga posible nga kapilian sa akomodasyon (taxi 0 ug taxi 1) ug 3 ka tawo. Solusyon nga luna 2^3 = 8. Mahimo ka pa nga moagi sa 8 nga mga kapilian gamit ang usa ka calculator, dili kini problema. Karon atong komplikado ang problema - kita adunay 20 ka tawo ug duha ka bus, ang luna sa solusyon 2^20 = 1. Wala usab komplikado. Atong dugangan ang gidaghanon sa mga tawo sa 2.5 ka beses - magdala og 50 ka tawo ug duha ka tren, ang luna sa solusyon mao na karon 2^50 = 1.12 x 10^15. Ang usa ka ordinaryo (super) nga kompyuter nagsugod na nga adunay seryoso nga mga problema. Atong dugangan ang gidaghanon sa mga tawo sa 2 ka beses, 100 ka mga tawo ang mohatag kanato na 1.2 x 10 ^ 30 posible nga mga kapilian.
Mao kana, kini nga buluhaton dili makalkulo sa usa ka makatarunganon nga gidugayon sa panahon.
Pagkonektar sa usa ka supercomputer
Ang labing gamhanan nga kompyuter sa pagkakaron mao ang numero 1 sa , kini , pagkaproduktibo 122 . Ibutang ta nga nagkinahanglan kita og 100 ka operasyon aron makalkulo ang usa ka opsyon, unya aron masulbad ang problema alang sa 100 ka tawo atong gikinahanglan:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 ka tuig.
Ingon sa atong makita samtang ang dimensyon sa inisyal nga data nagdugang, ang luna sa solusyon motubo sumala sa balaod sa gahum, sa kinatibuk-ang kaso, alang sa N bits kita adunay 2^N posible nga mga kapilian sa solusyon, nga alang sa medyo gamay nga N (100) naghatag kanato og wala makalkula (sa kasamtangan nga lebel sa teknolohiya) nga luna sa solusyon.
Aduna bay mga alternatibo? Sama sa imong natag-an, oo, adunay.
Apan sa dili pa kita mosulod sa unsa nga paagi ug ngano nga ang quantum nga mga kompyuter epektibo nga makasulbad sa mga problema nga sama niini, atong hisgotan sa makadiyot kung unsa kini. probability distribution. Ayaw pagkabalaka, kini usa ka artikulo sa pagrepaso, wala’y bisan unsang lisud nga matematika dinhi, buhaton namon ang klasiko nga pananglitan sa usa ka bag ug bola.
Gamay ra nga kombinasyon, teorya sa posibilidad ug usa ka katingad-an nga eksperimento
Magkuha ta ug bag ug ibutang kini 1000 puti ug 1000 itom nga bola. Maghimo kami usa ka eksperimento - kuhaa ang bola, isulat ang kolor, ibalik ang bola sa bag ug isagol ang mga bola sa bag.
Ang eksperimento gihimo 10 ka beses, mibunot og 10 ka itom nga bola. Tingali? Medyo. Naghatag ba kini nga sample sa bisan unsang makatarunganon nga ideya sa tinuod nga pag-apod-apod sa bag? Dayag nga dili. Unsa ang kinahanglan nga buhaton - husto, psublion ang eksperimento usa ka milyon ka beses ug kuwentaha ang mga frequency sa itom ug puti nga mga bola. Atong makuha, pananglitan 49.95% itom ug 50.05% puti. Sa kini nga kaso, ang istruktura sa pag-apod-apod diin kita nagsampol (pagkuha usa ka bola) labi pa o dili kaayo klaro.
Ang nag-unang butang mao ang pagsabut niana ang eksperimento mismo adunay probabilistic nga kinaiya, nga adunay usa ka sample (bola) dili nato mahibal-an ang tinuod nga istruktura sa pag-apod-apod, kinahanglan natong balikon ang eksperimento sa daghang mga higayon ug aberids ang mga resulta.
Idugang nato sa atong bag 10 pula ug 10 ka berdeng bola (mga sayop). Atong balikon ang eksperimento 10 ka beses. SAgibira 5 pula ug 5 berde. Tingali? Oo. Makasulti kita bahin sa tinuod nga pag-apod-apod - Dili. Unsa ang kinahanglan buhaton - maayo, nasabtan nimo.
Aron makabaton ug pagsabot sa istruktura sa usa ka probability distribution, gikinahanglan nga balik-balikon ang pag-sample sa indibidwal nga mga resulta gikan niini nga distribution ug aberids ang resulta.
Pagdugtong sa teorya sa praktis
Karon imbes nga mga bola nga itom ug puti, magkuha ta og mga bola sa bilyar ug ibutang kini sa usa ka bag 1000 ka bola nga adunay numero 2, 1000 nga adunay numero 7 ug 10 ka bola nga adunay ubang mga numero. Hunahunaa ang usa ka eksperimento nga gibansay sa pinakasimple nga mga aksyon (pagkuha og bola, isulat ang numero, ibalik ang bola sa bag, isagol ang mga bola sa bag) ug iyang buhaton kini sa 150 microseconds. Aw, ang ingon nga usa ka eksperimento sa katulin (dili usa ka advertisement sa droga!!!). Unya sa 150 segundos mahimo na niya ang among eksperimento 1 milyon nga beses ug ihatag kanamo ang kasagaran nga mga resulta.
Ilang gipalingkod ang eksperimento, gihatagan siya og bag, mitalikod, naghulat og 150 segundos ug nakadawat:
numero 2 - 49.5%, numero 7 - 49.5%, ang nahabilin nga mga numero sa kinatibuk-an - 1%.
Oo tama nga, ang among bag kay quantum computer nga naay algorithm nga makasulbad sa among problema, ug ang mga bola posible nga solusyon. Tungod kay adunay duha ka husto nga solusyon, nan ang usa ka quantum computer maghatag kanato sa bisan unsa niining posible nga mga solusyon nga adunay parehas nga posibilidad, ug 0.5% (10/2000) nga mga sayup, nga atong hisgotan unya.
Aron makuha ang resulta sa usa ka quantum computer, kinahanglan nimo nga ipadagan ang quantum algorithm sa makadaghang higayon sa samang input data set ug aberids ang resulta.
Scalability sa usa ka quantum computer
Karon hunahunaa nga alang sa usa ka buluhaton nga naglambigit sa 100 ka mga tawo (luna sa solusyon 2^100 nahinumduman nato kini), duha ra usab ang husto nga desisyon. Dayon, kung magkuha kita og 100 ka qubits ug magsulat og algorithm nga nagkalkula sa atong tumong nga function (L, tan-awa sa ibabaw) sa ibabaw niini nga mga qubit, nan kita makakuha og usa ka bag diin adunay 1000 ka bola nga adunay numero sa unang husto nga tubag, 1000 uban sa ang numero sa ikaduha nga husto nga tubag ug 10 ka bola sa ubang mga numero. Ug sa sulod sa parehas nga 150 segundos ang among eksperimento maghatag kanamo usa ka banabana sa posibilidad nga pag-apod-apod sa husto nga mga tubag.
Ang oras sa pagpatuman sa usa ka quantum algorithm (uban ang pipila ka mga pangagpas) mahimong isipon nga kanunay nga O (1) may kalabotan sa dimensyon sa luna sa solusyon (2 ^ N).
Ug kini tukma nga kabtangan sa usa ka quantum computer - pagpadayon sa runtime kalabot sa nagkadako nga power law complexity sa solusyon nga luna mao ang yawe.
Qubit ug parallel nga mga kalibutan
Sa unsang paagi kini mahitabo? Unsa ang nagtugot sa usa ka quantum computer sa paghimo sa mga kalkulasyon nga dali kaayo? Kini tanan mahitungod sa quantum nga kinaiya sa qubit.
Tan-awa, giingon namon nga ang usa ka qubit sama sa usa ka butang nga quantum nakaamgo sa usa sa duha ka estado niini kung giobserbahan, apan sa "ihalas nga kinaiyahan" kini anaa sa superposisyon sa mga estado, nga mao, kini anaa sa duha sa iyang utlanan estado sa dungan (uban sa pipila ka kalagmitan).
Atong kuhaon (A)ndreya ug hunahunaa ang kahimtang niini (kung asa kini nga awto - 0 o 1) ingon usa ka qubit. Unya naa mi (sa quantum space) duha ka parallel nga kalibutan, sa usa (A) naglingkod sa taxi 0, sa laing kalibutan - sa taxi 1. Sa duha ka taxi sa samang higayon, apan adunay pipila ka posibilidad nga makit-an kini sa matag usa kanila sa panahon sa obserbasyon.
Atong kuhaon (B) batan-on ug hunahunaon usab nato ang kahimtang niini isip qubit. Duha pa ka parallel nga kalibutan ang mitungha. Apan sa pagkakaron kini nga mga parisan sa kalibutan (A) и (SA) ayaw gyud pakig-uban. Unsa ang kinahanglan nga buhaton sa paghimo may kalabutan sistema? Husto, kinahanglan namon kini nga mga qubit ihigot (makalibog). Gikuha namo kini ug gilibog (A) uban sa (B) - nakakuha kami usa ka sistema sa quantum nga duha ka qubit (A, B), nakaamgo sa sulod sa iyang kaugalingon upat nagsalig sa usag usa parallel nga mga kalibutan. Idugang (S) ergey ug nakakuha kami usa ka sistema nga tulo ka qubit (ABC), pagpatuman sa walo nagsalig sa usag usa parallel nga mga kalibutan.
Ang esensya sa quantum computing (ang pagpatuman sa usa ka kutay sa quantum gate sa ibabaw sa usa ka sistema sa konektado nga mga qubit) mao ang kamatuoran nga ang kalkulasyon mahitabo sa tanang parallel nga mga kalibutan nga dungan.
Ug dili igsapayan kung pila ang naa nato, 2^3 o 2^100, ang quantum algorithm ipatuman sa takdang panahon sa tanan niining parallel nga mga kalibutan ug maghatag kanato og resulta, nga usa ka sample gikan sa probability distribution sa mga tubag sa algorithm.
Para sa mas maayong pagsabot, mahanduraw sa usa kana Ang usa ka quantum computer sa quantum level nagpadagan sa 2^N parallel solution nga mga proseso, ang matag usa kanila nagtrabaho sa usa ka posible nga kapilian, unya nagkolekta sa mga resulta sa trabaho - ug naghatag kanato sa tubag sa porma sa usa ka superposisyon sa solusyon (pag-apod-apod sa kalagmitan sa mga tubag), diin kami mag-sample matag higayon (alang sa matag eksperimento).
Hinumdomi ang oras nga gikinahanglan sa among eksperimento (150 µs) sa pagpahigayon sa eksperimento, kini mahimong mapuslanon kanato sa usa ka gamay nga dugang pa, sa diha nga kita maghisgot mahitungod sa mga nag-unang mga problema sa quantum computer ug ang decoherence nga panahon.
Quantum algorithms
Sama sa nahisgutan na, ang naandan nga mga algorithm nga gibase sa binary logic dili magamit sa usa ka quantum computer gamit ang quantum logic (mga ganghaan sa quantum). Alang kaniya, gikinahanglan ang paghimo og mga bag-o nga hingpit nga nagpahimulos sa potensyal nga kinaiyanhon sa quantum nga kinaiya sa pag-compute.
Ang labing inila nga mga algorithm karon mao ang:
Dili sama sa mga klasiko, ang quantum computer dili unibersal.
Gamay ra nga gidaghanon sa mga quantum algorithm ang nakit-an hangtod karon.
Спасибо para sa link sa , usa ka dapit diin, sumala sa tagsulat (), ang labing maayo nga mga representante sa quantum-algorithmic nga kalibutan nakolekta ug nagpadayon sa pagpundok.
Niini nga artikulo dili nato tukion ang mga quantum algorithm sa detalye; adunay daghan nga maayo kaayo nga mga materyales sa Internet alang sa bisan unsang lebel sa pagkakomplikado, apan kinahanglan pa natong susihon sa makadiyot ang tulo ka labing inila.
Algoritmo ni Shor.
Ang labing inila nga quantum algorithm mao ang (imbento niadtong 1994 sa English mathematician ), nga gitumong sa pagsulbad sa problema sa factoring numbers ngadto sa prime factors (factorization problem, discrete logarithm).
Kini mao ang algorithm nga gikutlo ingon nga usa ka panig-ingnan sa diha nga sila misulat nga ang imong banking sistema ug mga password sa dili madugay hacked. Gikonsiderar nga ang gitas-on sa mga yawe nga gigamit karon dili moubos sa 2048 bits, ang oras alang sa usa ka takup wala pa moabut.
Sa petsa, labaw pa sa kasarangan. Labing Maayo nga Resulta sa Factorization nga adunay Algorithm ni Shor - Mga Numero и , nga mas ubos kay sa 2048 bits. Alang sa nahabilin nga mga resulta gikan sa lamesa, lahi mga kalkulasyon, apan bisan ang labing maayo nga resulta sumala niini nga algorithm (291311) layo kaayo sa tinuod nga aplikasyon.
Mahimo nimong mabasa ang dugang bahin sa algorithm ni Shor, pananglitan,. Mahitungod sa praktikal nga pagpatuman - .
Usa ka pagkakomplikado ug gikinahanglang gahum sa pag-factor sa usa ka 2048-bit nga numero kay usa ka kompyuter nga adunay . Nakatulog mi nga malinawon.
Ang algorithm ni Grover
- pagsulbad sa problema sa enumeration, sa ato pa, pagpangita og solusyon sa equation F(X) = 1, diin ang F gikan sa n mga variable. Gisugyot sa usa ka Amerikanong matematiko в .
Ang algorithm ni Grover mahimong magamit sa pagpangita и serye sa numero. Dugang pa, kini mahimong gamiton sa pagsulbad mga problema pinaagi sa usa ka kompleto nga pagpangita taliwala sa daghang posible nga mga solusyon. Mahimong maglakip kini og mahinungdanong mga kadaugan sa tulin kumpara sa mga klasikal nga algorithm, bisan kung wala'y paghatag ""sa kinatibuk-an.
Makabasa ka ug dugang, o . Lami pa Adunay usa ka maayo nga pagpatin-aw sa algorithm gamit ang panig-ingnan sa mga kahon ug usa ka bola, apan, sa kasubo, alang sa mga hinungdan nga dili makontrol ni bisan kinsa, kini nga site wala magbukas alang kanako gikan sa Russia. Kung naa kay gibabagan usab, busa ania ang usa ka mubo nga summary:
Ang algorithm ni Grover. Hunahunaa nga ikaw adunay N ka piraso sa gi-numero nga sirado nga mga kahon. Silang tanan walay sulod gawas sa usa, nga adunay sulod nga bola. Ang imong buluhaton: hibal-i ang numero sa kahon kung diin nahimutang ang bola (kini nga wala mailhi nga numero kanunay nga gipunting sa letra w).
Unsaon pagsulbad kini nga problema? Ang labing kabuang nga paagi mao ang pagpuli-puli sa pag-abli sa mga kahon, ug sa madugay o sa madali makit-an nimo ang usa ka kahon nga adunay bola. Sa kasagaran, pila ka mga kahon ang kinahanglan nga susihon sa dili pa makit-an ang usa ka kahon nga adunay bola? Sa kasagaran, kinahanglan nimong ablihan ang mga katunga sa N/2 nga mga kahon. Ang panguna nga butang dinhi mao nga kung atong dugangan ang gidaghanon sa mga kahon sa 100 ka beses, nan ang kasagaran nga gidaghanon sa mga kahon nga kinahanglan ablihan sa dili pa makit-an ang kahon nga adunay bola mosaka usab sa parehas nga 100 ka beses.
Karon maghimo kita ug usa pa ka pagpatin-aw. Dili nato ablihan ang mga kahon gamit ang atong mga kamot ug susihon ang presensya sa bola sa matag usa, apan adunay usa ka tigpataliwala, tawgon nato siya nga Oracle. Gisultihan namo ang Oracle, "check box number 732," ug ang Oracle matinud-anon nga nagsusi ug mitubag, "walay bola sa box number 732." Karon, imbis nga isulti kung pila ka mga kahon ang kinahanglan namon nga ablihan sa kasagaran, giingon namon nga "pila ka beses sa kasagaran kinahanglan nga moadto kami sa Oracle aron makit-an ang numero sa kahon nga adunay bola"
Mopatim-aw nga kung atong hubaron kini nga problema sa mga kahon, bola ug Oracle ngadto sa quantum nga pinulongan, makakuha kita og talagsaon nga resulta: aron makit-an ang gidaghanon sa usa ka kahon nga adunay bola taliwala sa N nga mga kahon, kinahanglan natong disturbohon ang Oracle mahitungod lamang sa SQRT (N) mga panahon!
Sa ato pa, ang pagkakomplikado sa buluhaton sa pagpangita gamit ang algorithm ni Grover gipakunhod sa square root sa mga panahon.
Algoritmo sa Deutsch-Jozi
Deutsch-Jozsa algorithm (gitawag usab nga Deutsch-Jozsa algorithm) - [quantum algorithm](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , ug nahimong usa sa unang mga pananglitan sa mga algorithm nga gidisenyo nga ipatuman sa . _
Ang problema sa Deutsch-Jozsi mao ang pagtino kung ang usa ka function sa daghang binary variables F(x1, x2, ... xn) mao ang makanunayon (nagkuha sa bisan unsang kantidad nga 0 o 1 alang sa bisan unsang argumento) o balanse (alang sa katunga sa domain nga gikinahanglan. ang bili 0, para sa laing katunga 1). Sa kini nga kaso, kini giisip nga nahibal-an nga usa ka priori nga ang function usa ka kanunay o balanse.
Makabasa ka usab . Mas simple nga pagpatin-aw:
Ang algorithm sa Deutsch (Deutsch-Jozsi) gibase sa brute force, apan gitugotan kini nga mahimo nga mas paspas kaysa naandan. Hunahunaa nga adunay usa ka sensilyo sa lamesa ug kinahanglan nimo nga mahibal-an kung kini peke o dili. Aron mahimo kini, kinahanglan nimo nga tan-awon ang sensilyo sa makaduha ug mahibal-an: "mga ulo" ug "mga ikog" tinuod, duha ka "ulo", duha ka "ikog" mga peke. Busa, kon imong gamiton ang Deutsch quantum algorithm, nan kini nga determinasyon mahimo sa usa ka pagtan-aw - pagsukod.
Mga problema sa quantum computers
Kung nagdesinyo ug nag-operate sa mga kompyuter nga quantum, ang mga siyentipiko ug mga inhenyero nag-atubang sa daghang mga problema, nga hangtod karon nasulbad na sa lainlaing mga ang-ang sa kalampusan. Sumala sa () ang mosunod nga serye sa mga problema mahimong mailhan:
- Pagkasensitibo sa palibot ug pakig-uban sa kalikopan
- Pagtigum sa mga sayup sa panahon sa mga kalkulasyon
- Mga kalisud sa inisyal nga pagsugod sa mga estado sa qubit
- Mga kalisud sa paghimo sa mga sistema sa multi-qubit
Girekomenda nako ang pagbasa sa artikulo "”, labi na ang mga komento niini.
Atong organisahon ang tanang nag-unang problema ngadto sa tulo ka dagkong grupo ug tan-awon pag-ayo ang matag usa niini:
Dekoherensya
.
Quantum nga estado fragile kaayo nga butangAng mga qubit sa usa ka nasamok nga kahimtang labi ka dili lig-on, bisan unsang impluwensya sa gawas mahimo (ug mahimo) makaguba niini nga koneksyon. Usa ka pagbag-o sa temperatura pinaagi sa pinakagamay nga bahin sa usa ka degree, pressure, usa ka random nga photon nga naglupad sa duol - kining tanan nagdaot sa atong sistema.
Aron masulbad kini nga problema, ang ubos nga temperatura nga sarcophagi gitukod, diin ang temperatura (-273.14 degrees Celsius) gamay sa ibabaw sa absolute zero, nga adunay maximum nga pag-inusara sa internal nga lawak uban sa processor gikan sa tanan (posible) nga mga impluwensya sa gawas nga palibot.
Ang kinatas-ang tibuok kinabuhi sa usa ka sistema sa quantum sa pipila ka nalambigit nga mga qubit, diin kini nagpabilin sa iyang quantum nga mga kabtangan ug mahimong gamiton alang sa mga kalkulasyon, gitawag nga decoherence time.
Sa pagkakaron, ang decoherence time sa pinakamaayong quantum solutions naa sa han-ay sa napulo ug gatusan ka microseconds.
Adunay usa ka talagsaon asa ka mangita sa tanang gibuhat nga quantum system. Kini nga artikulo naglakip lamang sa duha ka top processors isip mga pananglitan - gikan sa IBM ug gikan sa . Sama sa atong makita, ang decoherence time (T2) dili molapas sa 200 μs.
Wala ko nakit-an ang eksaktong datos sa Sycamore, apan sa kadaghanan duha ka numero ang gihatag - 1 milyon nga kalkulasyon sa 200 segundos, sa laing dapit - kay 130 segundos nga walay pagkawala sa mga signal sa pagkontrol, ug uban pa.. Sa bisan unsa nga kaso, kini naghatag kanato Ang oras sa decoherence mga 150 μs. Hinumdomi ang atong eksperimento nga adunay usa ka bag? Aw, ania siya.
| Ngalan sa Kompyuter | N Qubits | Max gipares | T2 (µs) |
| IBM Q System Usa | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Unsay gihulga kanato sa decoherence?
Ang panguna nga problema mao nga pagkahuman sa 150 μs, ang among sistema sa pag-compute sa N entangled qubits magsugod sa pag-output sa probabilistic white noise imbes nga usa ka probabilistikong pag-apod-apod sa husto nga mga solusyon.
Sa ato pa, kinahanglan nato:
- Pagsugod sa qubit system
- Paghimo usa ka kalkulasyon (kadena sa mga operasyon sa ganghaan)
- Basaha ang resulta
Ug buhata kining tanan sa 150 microseconds. Wala koy panahon - ang resulta nahimong kalabasa.
Apan dili lang kana…
Mga sayup
Ingon sa giingon namon, quantum nga mga proseso ug quantum computing kay probabilistic sa kinaiyahan, dili kita mahimong 100% sigurado sa bisan unsang butang, apan adunay pipila lamang nga posibilidad. Ang kahimtang labi nga gipasamot sa kamatuoran nga Ang quantum computing dali nga sayup. Ang nag-unang matang sa mga sayop sa quantum computing mao ang:
- Ang mga kasaypanan sa dekoherensya tungod sa pagkakomplikado sa sistema ug pakig-uban sa gawas nga palibot
- Gate computational errors (tungod sa quantum nature of computation)
- Mga sayop sa pagbasa sa kataposang kahimtang (resulta)
Mga sayop nga nalangkit sa decoherence, makita diha-diha dayon sa atong pag-apil sa atong mga qubit ug magsugod sa pagbuhat sa mga kalkulasyon. Ang mas daghang mga qubit nga atong nalambigit, mas komplikado ang sistema, ug mas sayon ang paglaglag niini. Ang ubos nga temperatura nga sarcophagi, gipanalipdan nga mga lawak, kining tanan nga mga teknolohikal nga mga limbong tukma nga gitumong sa pagpakunhod sa gidaghanon sa mga sayup ug pagpalugway sa oras sa decoherence.
Gate computational mga sayop - Ang bisan unsang operasyon (ganghaan) sa mga qubit mahimo, nga adunay pipila nga posibilidad, matapos sa usa ka sayup, ug aron ipatuman ang algorithm nga kinahanglan namon nga himuon ang gatusan nga mga ganghaan, busa hunahunaa kung unsa ang among makuha sa katapusan sa pagpatuman sa among algorithm. Ang klasiko nga tubag sa pangutana mao ang "Unsa ang posibilidad nga makit-an ang usa ka dinosaur sa usa ka elevator?" - 50x50, magkita man mo o dili.
Ang problema labi nga gipasamot sa kamatuoran nga ang standard nga mga pamaagi sa pagtul-id sa sayup (pagdoble sa mga kalkulasyon ug pag-aberids) wala magtrabaho sa kalibutan sa quantum tungod sa walay-cloning nga teorama. Alang sa sa quantum computing kinahanglang imbento . Sa kasagaran nga pagsulti, nagkuha kami og N ordinaryo nga mga qubit ug gihimo ang 1 niini lohikal nga qubit nga adunay mas ubos nga rate sa sayup.
Apan dinhi mitungha ang laing problema - kinatibuk-ang gidaghanon sa mga qubit. Tan-awa, ingnon ta nga kita adunay usa ka processor nga adunay 100 ka qubit, diin 80 ka qubit ang gigamit alang sa pagtul-id sa sayup, unya adunay 20 na lang ang nahabilin alang sa mga kalkulasyon.
Mga sayop sa pagbasa sa kataposang resulta — sa atong nahinumduman, ang resulta sa quantum kalkulasyon gipresentar kanato sa porma probability distribution sa mga tubag. Apan ang pagbasa sa katapusang kahimtang mahimo usab nga mapakyas sa usa ka sayup.
Sa mao gihapon Adunay mga pagtandi nga mga lamesa sa mga processor pinaagi sa lebel sa sayup. Alang sa pagtandi, atong kuhaon ang parehas nga mga processor sama sa miaging pananglitan - IBM и :
| computer | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Pagkamatinud-anon sa pagbasa |
| IBM Q System Usa | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
kini mao ang maoy usa ka sukod sa pagkaparehas sa duha ka quantum states. Ang kadako sa kasaypanan mahimong halos ipahayag ingon 1-Fidelity. Sama sa atong nakita, ang mga sayup sa 2-qubit nga mga ganghaan ug mga sayup sa pagbasa mao ang nag-unang babag sa pagpatuman sa komplikado ug taas nga mga algorithm sa mga naglungtad nga quantum computer.
Makabasa ka usab mga tuig gikan sa aron masulbad ang problema sa pagtul-id sa sayup.
Ang arkitektura sa processor
Sa teorya kita nagtukod ug naglihok mga sirkito sa dosena nga mga qubit, sa pagkatinuod ang tanan mas komplikado. Ang tanan nga naglungtad nga quantum chips (processors) gitukod sa paagi nga wala’y sakit pagkalambigit sa usa ka qubit lamang sa mga silingan niini, diin dili mosobra sa unom.
Kung kinahanglan naton iapil ang 1st qubit, ingnon ta, sa ika-12, nan kinahanglan naton paghimo og kadena sa dugang nga quantum operations, naglakip sa dugang nga mga qubit, ug uban pa, nga nagdugang sa kinatibuk-ang lebel sa sayup. Oo, ug ayaw kalimti ang bahin panahon sa decoherence, tingali sa panahon nga mahuman nimo ang pagkonektar sa mga qubit ngadto sa sirkito nga imong gikinahanglan, ang oras matapos ug ang tibuok sirkito mahimong nindot nga white noise generator.
Ayaw usab kalimti kana Ang arkitektura sa tanan nga mga quantum processor lahi, ug ang programa nga gisulat sa emulator sa "all-to-all connectivity" mode kinahanglan nga "recompiled" sa arkitektura sa usa ka piho nga chip. Adunay bisan sa pagbuhat niini nga operasyon.
Maximum nga koneksyon ug maximum nga gidaghanon sa qubits alang sa parehas nga top chips:
| Ngalan sa Kompyuter | N Qubits | Max gipares | T2 (µs) |
| IBM Q System Usa | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Ug, alang sa pagtandi, lamesa nga adunay datos gikan sa miaging henerasyon sa mga processor. Itandi ang gidaghanon sa mga qubit, oras sa decoherence ug rate sa sayup sa kung unsa ang naa kanato karon sa bag-ong henerasyon. Bisan pa, hinay ang pag-uswag, apan naglihok.
Busa:
- Sa pagkakaron walay hingpit nga konektado nga mga arkitektura nga adunay> 6 qubits
- Aron mabutang ang qubit 0 s sa usa ka tinuod nga processor, pananglitan, ang qubit 15 mahimong magkinahanglan daghang dosena nga dugang nga mga operasyon.
- Daghang mga operasyon -> daghang mga sayup -> labi ka kusog nga impluwensya sa decoherence
Mga resulta
Ang Decoherence mao ang Procrustean bed sa modernong quantum computing. Kinahanglan natong ihaum ang tanan sa 150 μs:
- Pagsugod sa inisyal nga kahimtang sa mga qubit
- Pag-compute sa problema gamit ang quantum gate
- Pagtul-id sa mga sayop aron makakuha og makahuluganon nga mga resulta
- Basaha ang resulta
Sa pagkakaron ang mga resulta makapahigawad, bisan pa pag-angkon nga makab-ot ang 0.5s coherence retention time sa usa ka quantum computer nga gibase sa :
Gisukod namo ang usa ka qubit coherence time nga sobra sa 0.5 s, ug uban ang magnetic shielding among gilauman nga kini molambo nga mas taas pa sa 1000 s
Makabasa ka usab bahin niini nga teknolohiya o, pananglitan, .
Ang sitwasyon mas komplikado sa kamatuoran nga sa paghimo sa komplikado nga mga kalkulasyon gikinahanglan nga gamiton ang quantum error correction circuits, nga mokaon usab sa oras ug magamit nga mga qubit.
Ug sa katapusan, ang modernong mga arkitektura wala magtugot sa pagpatuman sa mga entanglement scheme nga mas maayo kaysa 1 sa 4 o 1 sa 6 sa gamay nga gasto.
Mga paagi sa pagsulbad sa mga problema
Aron masulbad ang mga problema sa ibabaw, ang mga mosunud nga pamaagi ug pamaagi gigamit karon:
- Paggamit sa mga cryochamber nga adunay ubos nga temperatura (10 mK (–273,14°C))
- Paggamit sa mga yunit sa processor nga labing gipanalipdan gikan sa mga impluwensya sa gawas
- Paggamit sa Quantum Error Correction Systems (Logic Qubit)
- Paggamit sa mga optimizer kung nagprograma sa mga sirkito alang sa usa ka piho nga processor
Gipahigayon usab ang panukiduki nga nagtumong sa pagdugang sa oras sa decoherence, pagpangita alang sa bag-o (ug pagpauswag sa nahibal-an) nga pisikal nga pagpatuman sa mga butang nga quantum, pag-optimize sa mga sirkito sa pagtul-id, ug uban pa. Adunay pag-uswag (tan-awa sa ibabaw ang mga kinaiya sa una ug karon nga top-end chips), apan hangtod karon kini hinay, kaayo, hinay kaayo.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-qubit nga kompyuter. Tinubdan:
Taliwala sa pahibalo sa Google sa pagkab-ot sa quantum supremacy gamit ang 53-qubit processor, и gikan sa kompanya nga D-Wave, diin ang gidaghanon sa mga qubit anaa sa linibo, medyo makalibog. Aw, sa tinuud, kung ang 53 qubits nakahimo sa pagkab-ot sa quantum supremacy, nan unsa ang mahimo sa usa ka kompyuter nga adunay 2048 qubits? Apan dili ang tanan maayo kaayo ...
Sa laktod (gikuha gikan sa wiki):
Mga kompyuter pagtrabaho sa prinsipyo (), makasulbad sa usa ka limitado kaayo nga subclass sa mga problema sa pag-optimize, ug dili angay alang sa pagpatuman sa tradisyonal nga quantum algorithm ug quantum gate.
Alang sa dugang nga mga detalye mahimo nimong basahon, pananglitan, , (pag-amping, mahimong dili ablihan gikan sa Russia), o в gikan sa iyang . Pinaagi sa dalan, girekomenda ko kaayo ang pagbasa sa iyang blog sa kinatibuk-an, adunay daghang maayong materyal didto
Sa kinatibuk-an, gikan sa sinugdanan sa mga pahibalo, ang siyentipikanhong komunidad adunay mga pangutana mahitungod sa D-Wave nga mga kompyuter. Pananglitan, sa 2014, gikuwestiyon sa IBM ang kamatuoran nga ang D-Wave Miabot sa punto nga sa 2015, ang Google, uban sa NASA, mipalit sa usa niining mga quantum computer ug human sa panukiduki , nga oo, ang kompyuter nagtrabaho ug nagkalkula sa problema nga mas paspas kay sa usa ka regular. Mahimo nimong mabasa ang dugang bahin sa pahayag sa Google ug, pananglitan, .
Ang nag-unang butang mao nga ang D-Wave nga mga kompyuter, uban sa ilang gatusan ug liboan nga mga qubit, dili magamit sa pagkalkulo ug pagpadagan sa mga algorithm sa quantum. Dili nimo mahimo ang algorithm sa Shor sa kanila, pananglitan. Ang mahimo ra nila mao ang paggamit sa piho nga mga mekanismo sa quantum aron masulbad ang usa ka piho nga problema sa pag-optimize. Mahimo natong isipon nga ang D-Wave usa ka quantum ASIC alang sa usa ka piho nga buluhaton.
Usa ka gamay bahin sa quantum computer emulation
Ang quantum computing mahimong sundogon sa usa ka regular nga kompyuter. Sa pagkatinuod, :
- Ang kahimtang sa qubit mahimong komplikado nga numero, nag-okupar gikan sa 2x32 ngadto sa 2x64 bits (8-16 bytes) depende sa arkitektura sa processor
- Ang estado sa N konektado nga mga qubit mahimong irepresentar isip 2^N complex nga mga numero, i.e. 2^(3+N) para sa 32-bit nga arkitektura ug 2^(4+N) para sa 64-bit.
- Ang usa ka quantum nga operasyon sa N qubits mahimong irepresentar sa usa ka 2^N x 2^N matrix
unya:
- Aron matipigan ang gisundog nga mga estado sa 10 qubits, 8 KB ang gikinahanglan
- Aron matipigan ang mga estado sa 20 qubits kinahanglan nimo ang 8 MB
- Aron matipigan ang mga estado sa 30 qubits, gikinahanglan ang 8 GB
- 40 Terabytes ang gikinahanglan sa pagtipig sa mga estado sa 8 qubits
- Aron matipigan ang mga estado sa 50 ka qubit, gikinahanglan ang 8 Petabytes, ug uban pa.
Alang sa pagtandi, () nagdala lamang ug 2.8 Petabytes sa memorya.
— 49 qubit nga gihatag sa miaging tuig sa pinakadako nga supercomputer sa China ()
Ang limitasyon sa pagsundog sa usa ka quantum computer sa mga klasikal nga sistema gitino sa gidaghanon sa RAM nga gikinahanglan aron tipigan ang kahimtang sa mga qubit.
Girekomenda usab nako ang pagbasa . Gikan didto:
Pinaagi sa operasyon - alang sa tukma nga pagsundog sa usa ka 49-qubit nga sirkito nga naglangkob sa mga 39 ka "siklo" (independente nga mga lut-od sa mga ganghaan) 2^63 complex multiplications - 4 Pflops sa usa ka supercomputer sulod sa 4 ka oras
Ang pagsundog sa usa ka 50+ qubit quantum computer sa mga klasikal nga sistema giisip nga imposible sa usa ka makatarunganon nga panahon. Kini usab ang hinungdan ngano nga gigamit sa Google ang usa ka 53-qubit nga processor alang sa eksperimento sa quantum supremacy.
Ang pagkalabaw sa quantum computing.
Ang Wikipedia naghatag kanato sa mosunod nga kahulugan sa quantum computing supremacy:
Quantum supremacy - abilidad mga himan aron masulbad ang mga problema nga halos dili masulbad sa klasikal nga mga kompyuter.
Sa pagkatinuod, ang pagkab-ot sa quantum supremacy nagpasabot nga, pananglitan, ang factorization sa dagkong mga numero gamit ang Shor algorithm mahimong masulbad sa igong panahon, o ang komplikadong kemikal nga mga molekula mahimong masundog sa quantum level, ug uban pa. Sa ato pa, niabot na ang bag-ong panahon.
Apan adunay pipila ka lusot sa mga pulong sa kahulugan, "nga halos dili masulbad sa mga klasikal nga kompyuter" Sa tinuud, kini nagpasabut nga kung maghimo ka usa ka quantum computer nga 50+ qubits ug magpadagan sa usa ka quantum circuit niini, nan, ingon sa among gihisgutan sa ibabaw, ang resulta niini nga sirkito dili masundog sa usa ka regular nga kompyuter. Kana mao ang usa ka klasikal nga kompyuter dili makahimo pag-usab sa resulta sa ingon nga sirkito.
Kung ang ingon nga resulta naglangkob sa tinuod nga quantum supremacy o dili usa ka pilosopikal nga pangutana. Apan sabta kung unsa ang gibuhat sa Google ug kung unsa kini gibase gikinahanglan.
Giangkon sa Google nga makab-ot ang quantum supremacy
Sycamore 54-qubit nga processor
Mao nga, kaniadtong Oktubre 2019, gipatik sa mga developer sa Google ang usa ka artikulo sa publikasyon sa siyensya nga Nature "" Gipahibalo sa mga tagsulat ang pagkab-ot sa quantum supremacy sa unang higayon sa kasaysayan gamit ang 54-qubit Sycamore processor.
Ang mga artikulo sa Sycamore online kanunay nga nagtumong sa usa ka 54-qubit processor o usa ka 53-qubit processor. Ang kamatuoran mao nga sumala sa , ang processor pisikal nga naglangkob sa 54 qubits, apan ang usa niini dili nagtrabaho ug gikuha gikan sa serbisyo. Sa ingon, sa tinuud kami adunay usa ka 53-qubit nga processor.
Sa web didto mga materyal sa niini nga hilisgutan, ang ang-ang sa nga lain-laing gikan sa sa .
Ang quantum computing team sa IBM sa ulahi nagpahayag niana . Giangkon sa kompanya nga ang usa ka naandan nga kompyuter makasagubang niini nga buluhaton sa labing grabe nga kaso sa 2,5 ka adlaw, ug ang sangputanan nga tubag mas tukma kaysa sa usa ka kompyuter nga quantum. Kini nga konklusyon gihimo base sa mga resulta sa usa ka teoretikal nga pagtuki sa daghang mga pamaagi sa pag-optimize.
Ug, siyempre, sa iyang Dili nako mabalewala kini nga pahayag. Iyang uban sa tanan nga mga link ug sama sa naandan, takus sila sa paggahin sa imong oras. Sa hub kini nga FAQ, ug siguruha nga basahon ang mga komento, adunay mga link sa pasiuna nga mga dokumento nga na-leak online sa wala pa ang opisyal nga pahibalo.
Unsa ang tinuod nga gibuhat sa Google? Alang sa usa ka detalyado nga pagsabut, basaha ang Aaronson, apan kadiyot dinhi:
Mahimo ko, siyempre, isulti kanimo, apan gibati ko nga tanga. Ang kalkulasyon mao ang mosunod: ang eksperimento nagmugna og random quantum circuit C (ie, random sequence sa 1-qubit ug 2-qubit gates tali sa labing duol nga silingan, nga adunay giladmon, pananglitan, 20, nga naglihok sa 2D network sa n = 50-60 qubits). Gipadala dayon sa eksperimento ang C sa quantum computer, ug gihangyo kini nga i-apply ang C sa inisyal nga kahimtang nga 0, sukdon ang resulta sa {0,1} nga basehan, ipadala pagbalik ang usa ka n-bit nga naobserbahan nga han-ay (kuwerdas), ug balika ang daghang libo o minilyon ka beses. Sa katapusan, gamit ang iyang kahibalo sa C, ang eksperimento naghimo ug estadistika nga pagsulay aron masuta kung ang resulta mohaum ba sa gipaabot nga output gikan sa quantum computer.
Sa mubo kaayo:
- Ang usa ka random nga sirkito sa gitas-on nga 20 sa 53 ka qubits gihimo gamit ang mga ganghaan
- Ang sirkito magsugod sa inisyal nga estado [0…0] para sa pagpatuman
- Ang output sa circuit usa ka random bit string (sample)
- Ang pag-apod-apod sa resulta dili random (pagpanghilabot)
- Ang pag-apod-apod sa nakuha nga mga sampol gitandi sa gipaabut
- Nagtapos sa Quantum Supremacy
Sa ato pa, gipatuman sa Google ang usa ka sintetikong problema sa usa ka 53-qubit processor, ug gibase ang pag-angkon niini nga makab-ot ang quantum supremacy sa kamatuoran nga imposible nga sundon ang ingon nga processor sa standard nga mga sistema sa makatarunganon nga oras.
Para sa pagsabot - Kini nga seksyon dili sa bisan unsang paagi makapakunhod sa nahimo sa Google, ang mga inhenyero talagsaon gayud, ug ang pangutana kon kini ba makonsiderar nga tinuod nga quantum superiority o dili, sama sa nahisgotan na, mas pilosopikal kay sa engineering. Apan kinahanglan natong masabtan nga sa nakab-ot ang ingon nga pagkalabaw sa komputasyonal, wala pa kita nag-uswag sa usa ka lakang padulong sa abilidad sa pagpadagan sa algorithm ni Shor sa 2048-bit nga mga numero.
Sumaryo
Ang mga quantum computer ug quantum computing usa ka maayo kaayo, bata pa kaayo ug hangtod karon gamay ra nga magamit sa industriya nga lugar sa teknolohiya sa impormasyon.
Ang pag-uswag sa quantum computing (sa umaabot) magtugot kanato sa pagsulbad sa mga problema:
- Pagmodelo sa komplikadong pisikal nga mga sistema sa lebel sa quantum
- Dili masulbad sa usa ka regular nga kompyuter tungod sa pagkakompyut sa computational
Ang mga nag-unang problema sa paghimo ug pag-operate sa mga quantum computer:
- Dekoherensya
- Mga kasaypanan (decoherence ug gate)
- Ang arkitektura sa processor (bug-os nga konektado nga qubit circuits)
Kasamtangang kahimtang:
- Sa pagkatinuod - ang sinugdanan .
- Wala pay TINUOD nga komersyal nga pagpahimulos (ug dili klaro kung kanus-a mahitabo)
Unsa ang makatabang:
- Pipila ka matang sa pisikal nga pagdiskobre nga makapamenos sa gasto sa mga wiring ug operating processors
- Pagdiskobre sa usa ka butang nga makadugang sa oras sa decoherence pinaagi sa usa ka han-ay sa gidak-on ug/o makapamenos sa mga sayop
Sa akong opinyon (purely personal nga opinyon), Sa karon nga paradigma sa siyensya sa kahibalo, dili naton makab-ot ang hinungdanon nga kalampusan sa pag-uswag sa mga teknolohiya sa quantum, dinhi kinahanglan nato ang usa ka qualitative breakthrough sa pipila ka dapit sa pundamental o gipadapat nga siyensiya, nga maghatag og kadasig sa bag-ong mga ideya ug pamaagi.
Sa kasamtangan, nakakuha kami og kasinatian sa quantum programming, pagkolekta ug paghimo og mga quantum algorithm, pagsulay sa mga ideya, ug uban pa. Naghulat kami alang sa usa ka breakthrough.
konklusyon
Niini nga artikulo, naagian namo ang mga nag-unang milestone sa pagpalambo sa quantum computing ug quantum computers, gisusi ang prinsipyo sa ilang operasyon, gisusi ang mga nag-unang problema nga giatubang sa mga inhenyero sa pagpalambo ug operasyon sa mga quantum processor, ug gitan-aw usab kung unsa ang multi-qubit D-computers sa tinuod mao. Wave ug Google sa bag-o nga pahibalo sa pagkab-ot sa quantum supremacy.
Ang nahabilin sa luyo sa mga talan-awon mao ang mga pangutana sa pagprograma sa mga quantum computer (mga pinulongan, mga pamaagi, mga pamaagi, ug uban pa) ug mga pangutana nga may kalabutan sa piho nga pisikal nga pagpatuman sa mga processor, kung giunsa pagdumala, gisumpay, pagbasa, ug uban pa ang mga qubit. Tingali kini ang ulohan sa sunod nga artikulo o mga artikulo.
Salamat sa imong pagtagad, nanghinaut ko nga kini nga artikulo mahimong mapuslanon sa usa ka tawo.
(C)
Mga Pasalamat
para sa pag-proofread ug mga komento sa tinubdan nga teksto, ingon man sa artikulo
para sa mga komentaryo nga puno sa impormasyon sa , ug dili lamang kaniya, nga nakatabang kanako nga masabtan kini nga puzzle.
Sa tanang tagsulat sa mga artikulo ug publikasyon kansang mga materyales gigamit sa pagsulat niini nga artikulo.
Listahan sa mga kahinguhaan
Mga Artikulo sa Current Affairs gikan sa [The National Academies Press]
Mga artikulo gikan sa Habr (sa random order)
Wala gihapoy (apan dili kaayo makaiikag) nga mga artikulo gikan sa Internet
Mga kurso ug mga lektyur
Source: www.habr.com