L'informatica quantistica è l'informatica quantistica - novu , chì hè stata aghjunta à u nostru spaziu infurmazione cù , è altri termini high-tech. À u listessu tempu, ùn aghju mai pussutu truvà materiale nant'à Internet chì si mette inseme u puzzle in u mio capu chjamatu "cumu funziona l'informatica quantistica". Iè, ci sò parechje opere eccellenti, cumpresu nantu à Habr (vede. ), cumenti à quale, cum'è di solitu u casu, sò ancu più informativi è utili, ma a stampa in u mo capu, cum'è dicenu, ùn aghjunghje micca.
È pocu tempu, i mo culleghi sò ghjunti à mè è mi dumandanu: "Avete capitu cumu funziona un computer quantisticu? Ci pò dì?” È tandu aghju realizatu chì ùn sò micca solu quellu chì hà un prublema di mette una stampa coherente in a mo testa.
In u risultatu, hè statu fattu un tentativu di cumpilà l'infurmazioni nantu à l'informatica quantistica in un circuitu logicu coherente in quale livellu basicu, senza immersione prufonda in matematica è a struttura di u mondu quantum, hè statu spiegatu ciò chì hè un computer quantisticu, chì principii opera, è chì prublemi i scientisti facenu quandu u creanu è l'operanu.
Indice di cuntenutu
Disclaimer
L'autore ùn hè micca un espertu in l'informatica quantistica, è U publicu di destinazione di l'articulu hè a stessa ghjente IT, micca specialisti quantum, chì volenu ancu mette inseme una stampa in a so testa chjamata "Cumu funziona l'informatica quantistica". Per via di questu, assai cuncetti in l'articulu sò deliberatamente simplificati per capisce megliu e tecnulugia quantistica à un livellu "basicu", ma senza .
L'articulu in certi lochi usa materiali da altre fonti, . In ogni casu pussibule, ligami diretti è indicazione à u testu, tavula o figura originale sò inseriti. S'è aghju scurdatu di qualcosa (o qualcunu) in qualchì locu, scrivite è correghju.
Introduzione
In questu capitulu, guardemu brevemente cumu cuminciò l'era quantum, quale era u mutivu motivatore per l'idea di un computer quantisticu, chì (chì paesi è corporazioni) sò attualmente i principali attori in questu campu, è ancu parlà brevemente. circa i principali direzzione di sviluppu di l'informatica quantistica.
Cumu si cuminciò tuttu
U puntu di iniziu di l'era quantum hè cunsideratu cum'è 1900, quandu M. Planck prima prupostu chì l'energia hè emessa è assorbita micca continuamente, ma in quanta (porzioni) separati. L'idea hè stata ripresa è sviluppata da parechji scentifichi eccezziunali di quellu tempu - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, chì ultimamente hà purtatu à a creazione è u sviluppu di una scienza cum'è. . Ci hè una mansa di boni materiali in Internet nantu à a furmazione di a fisica quantistica cum'è una scienza; in questu articulu ùn avemu micca aspittà nantu à questu in dettu, ma era necessariu indicà a data quandu avemu intrutu in a nova era quantistica.
A fisica quantistica hà purtatu assai invenzioni è tecnulugii in a nostra vita di ogni ghjornu, senza quale hè avà difficiule d'imagine u mondu intornu à noi. Per esempiu, un laser, chì hè oghji utilizatu in ogni locu, da l'apparecchi di casa (livellu di laser, etc.) à i sistemi high-tech (lasers per a correzione di a visione, salutu). ). Saria logicu per suppone chì prima o dopu qualchissia vi vene cù l'idea chì perchè ùn aduprà sistemi quantum per l'informatica. È dopu in 1980 hè accadutu.
Wikipedia indica chì a prima idea di l'informatica quantistica hè stata espressa in 1980 da u nostru scientist Yuri Manin. Ma veramente cuminciaru à parlà solu in u 1981, quandu u famosu R. Feynman , hà nutatu chì hè impussibile di simulà l'evoluzione di un sistema quantum in un computer classicu in modu efficaci. Hà prupostu un mudellu elementari , chì serà capaci di realizà tali mudeli.
Ci hè un , induve hè cunsideratu più accademicu è in dettaglio, ma andemu brevemente:
Tappe maiò in a storia di a creazione di l'informatica quantistica:
- [1994]. P. Riva. Cuncepitu da
- [1998]. Criatu
- [2001]. IBM hà introduttu l'esecuzione per l'espansione di u numeru 15
- [2007-2016]. crea è sviluppa un urdinatore cù 128-2000 qubits
- [2012]. Implementatu à l'Università di California
- [2016]. Google nantu à un computer di 9 qubit
- [2017] (trè atomi)
- [2019] . Computer 20-qubit in u nuvulu
- [2019] . 53 qubit computer. ?
Comu pudete vede, 17 anni sò passati (da 1981 à 1998) da u mumentu di l'idea à a so prima implementazione in un urdinatore cù 2 qubits, è 21 anni (da 1998 à 2019) finu à chì u numeru di qubits hà aumentatu à 53. Ci hà pigliatu 11 anni (da u 2001 à u 2012) per migliurà u risultatu di l'algoritmu di Shor (avemu a fighjulà in più dettagliu un pocu dopu) da u numeru 15 à 21. Inoltre, solu trè anni fà avemu ghjuntu à u puntu di implementendu ciò chì Feynman hà parlatu, è amparà à mudificà i sistemi fisichi più simplici.
U sviluppu di l'informatica quantistica hè lentu. I scientisti è l'ingegneri sò affruntati cù travaglii assai difficiuli, i stati quantistici sò assai brevi è fragili, è per priservà li abbastanza longu per fà calculi, anu da custruisce sarcophagi per decine di milioni di dollari, in quale a temperatura hè mantinuta. ghjustu sopra à u zero assolutu, è chì sò massimamente prutetti da influenze esterne. Dopu avemu da parlà di sti travaglii è prublemi in più detail.
I ghjucatori principali
I slides per questa sezione sò pigliati da l'articulu , da u ricercatore Alexey Fedorov. Permettemu di dà citazioni dirette:
Tutti i paesi di successu tecnologicu sò attualmente sviluppati attivamente tecnulugia quantistica. Una quantità enorme di soldi hè stata investita in sta ricerca, è sò creati prugrammi speciali per sustene e tecnulugia quantistica.
Micca solu i stati, ma ancu e cumpagnie private participanu à a razza quantistica. In u tutale, Google, IBM, Intel è Microsoft anu investitu recentemente circa $ 0,5 miliardi in u sviluppu di l'informatica quantistica è creanu grandi laboratori è centri di ricerca.
Ci sò assai articuli nantu à Habré è in Internet, per esempiu, , и , In quale u statu attuale di l'affari cù u sviluppu di tecnulugii quantum in diversi paesi hè esaminatu in più detail. A cosa principal per noi avà hè chì tutti i principali paesi è i ghjucatori tecnologicamente sviluppati sò invistisce enormi quantità di soldi in ricerca in questa direzzione, chì dà a speranza per una manera di esce da l'impasse tecnologica attuale.
Indicazioni di sviluppu
À u mumentu (puderia esse sbagliatu, per piacè correggimi), i sforzi principali (è risultati più o menu significativi) di tutti i principali attori sò cuncentrati in dui spazii:
- Computer quantum specializati, chì sò destinati à risolve un prublema specificu specificu, per esempiu, un prublema di ottimisazione. Un esempiu di un pruduttu hè l'informatica quantistica D-Wave.
- Computer quantum universale - chì sò capaci di implementà algoritmi quantistici arbitrarii (Shor, Grover, etc.). Implementazioni da IBM, Google.
Altri vettori di sviluppu chì a fisica quantistica ci dà, cum'è:
- cum'è una basa per
- è assai di più
Di sicuru, hè ancu nantu à a lista di i zoni di ricerca, ma attualmente ùn pare micca esse risultati più o menu significativi.
Inoltre, pudete leghje , bè, google "", Per esempiu, , и .
Basi. Oggettu quantum è sistemi quantum
A cosa più impurtante per capisce da sta sezione hè chì
Computer quantum (a cuntrariu di u solitu) usa cum'è trasportatori di informazioni oggetti quantistici, è per fà i calculi, l'uggetti quantum deve esse cunnessi in sistema quantum.
Cosa hè un oggettu quantum?
Oggettu quantum - un ughjettu di u micromondu (mondu quantum) chì mostra proprietà quantum:
- Hà un statu definitu cù dui livelli di frontiera
- Hè in una superposizione di u so statu finu à u mumentu di a misurazione
- Entangles si cù altri ogetti per creà sistemi quantum
- Soddisfa u teorema senza clonazione (u statu di l'ughjettu ùn pò micca esse copiatu)
Fighjemu ogni pruprietà in più detail:
Hà un statu definitu cù dui livelli di frontiera (statu finale)
Un esempiu classicu di u mondu reale hè una munita. Havi un statu "side", chì piglia dui livelli di frontiera - "capi" è "coda".
Hè in una superposizione di u so statu finu à u mumentu di a misurazione
Lancianu una munita, vola è gira. Mentre hè in rotazione, hè impussibile di dì in quale di i livelli di cunfini si trova u so statu "side". Ma appena sbattemu è fighjemu u risultatu, a superposizione di i stati si colapseghja subitu in unu di dui stati di frontiera - "capi" è "coda". Slapping una munita in u nostru casu hè una misurazione.
Entangles si cù altri ogetti per creà sistemi quantum
Hè difficiule cù una munita, ma pruvemu. Immaginate chì avemu lanciatu trè muniti in modu chì giranu appiccicati l'un à l'altru, questu hè ghjungle cù muniti. À ogni mumentu di u tempu, ùn hè micca solu ognuna di elli in una superposizione di stati, ma sti stati influenzanu mutualmente (i muniti collide).
Soddisfa u teorema senza clonazione (u statu di l'ughjettu ùn pò micca esse copiatu)
Mentre chì i muniti sò volati è spinning, ùn ci hè micca manera chì pudemu creà una copia di u statu di spinning di qualsiasi di e muniti, separati da u sistema. U sistema vive in sè stessu è hè assai ghjilosu di liberà ogni infurmazione à u mondu esternu.
Uni pochi più parolle nantu à u cuncettu stessu "suppressioni", in quasi tutti l'articuli a superposizione hè spiegata cum'è "hè in tutti i stati à u stessu tempu", chì hè, sicuru, veru, ma à volte inutilmente cunfusu. Una superposizione di stati pò ancu esse imaginata cum'è u fattu chì in ogni mumentu di u tempu un oggettu quantum hà ci sò certe probabilità di colapsà in ognuna di i so livelli di cunfini, è in u totale queste probabilità sò naturalmente uguali à 1.. In seguitu, quandu si cunsiderà u qubit, stendemu nantu à questu in più detail.
Per i muniti, questu pò esse visualizatu - secondu a vitezza iniziale, l'angulu di scaccià, u statu di l'ambienti in quale a munita vola, in ogni mumentu, a probabilità di ottene "capi" o "coda" hè diversu. E, cum'è diciatu prima, u statu di una tale munita volante pò esse imaginatu cum'è "essa in tutti i so stati di cunfini à u stessu tempu, ma cù diverse probabilità di a so implementazione".
Ogni ughjettu per quale e proprietà di sopra sò scontri è chì pudemu creà è cuntrullà pò esse usatu cum'è un trasportatore d'infurmazioni in un computer quantum.
Un pocu più luntanu, parlemu di u statu attuale di l'affari cù l'implementazione fisica di qubits cum'è oggetti quantistici, è ciò chì i scientisti sò avà aduprà in questa capacità.
Allora a terza pruprietà dichjara chì l'uggetti quantum ponu esse intricati per creà sistemi quantum. Cosa hè un sistema quantum?
Sistema quantum - un sistema di oggetti quantistici intrecciati cù e seguenti proprietà:
- Un sistema quantum hè in una superposizione di tutti i stati pussibuli di l'uggetti di quale hè custituitu
- Hè impussibile di cunnosce u statu di u sistema finu à u mumentu di a misurazione
- À u mumentu di a misurazione, u sistema implementa una di e varianti pussibuli di i so stati di cunfini
(è, guardendu un pocu avanti)
Corollariu per i prugrammi quantistici:
- Un prugramma quantum hà un statu datu di u sistema à l'input, una superposizione in l'internu, una superposizione à l'output
- À l'output di u prugramma dopu a misurazione avemu una implementazione probabilistica di unu di i pussibuli stati finali di u sistema (più eventuali errori)
- Ogni prugramma quantum hà una architettura di chimney (input -> output. Ùn ci sò micca loops, ùn pudete micca vede u statu di u sistema à mezu à u prucessu).
Comparazione di un computer quantum è un cunvinziunali
Comparamu avà un urdinatore cunvinziunali è un quantum.
| ordinatore ordinariu | Computer quantum | |
|
Logica
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0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fisica
|
Transistor semiconductor | Oggettu quantum |
|
Media carrier
|
Livelli di tensione | Polarizazione, spin, ... |
|
Operazioni
|
NOT, AND, OR, XOR over bits | Valvole: CNOT, Hadamard,... |
|
Relazione
|
Chip semiconductor | Cunfusione cù l'altri |
|
Algoritmi
|
Standard (vede Whip) | Speciali (Shore, Grover) |
|
Principiu
|
Digitale, deterministu | Analogicu, probabilisticu |
Livellu logicu
In un computer regulare questu hè un pocu. Ben cunnisciutu da noi in tuttu bit deterministicu. Puderà piglià valori di 0 o 1. Face perfettamente cù u rolu unità logica per un urdinatore rigulari, ma hè cumplettamente inadatta per descriverà u statu ughjettu quantum, chì, cum'è avemu digià dettu, in u salvaticu hè situatu insovrapposizioni di i so stati cunfini.
Questu hè ciò chì sò ghjunti . In i so stati di frontiera, rializeghja stati simili à 0 è 1 , è in superposizione rapprisenta distribuzione di probabilità nantu à i so stati cunfini |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a è b rapprisentanu , è i quadrati di i so moduli sò e probabilità reali di ottene esattamente tali valori di i stati di cunfini. |0> и |1>, se colapsate u qubit cù una misurazione avà.
Stratu fisicu
À u livellu tecnulugicu attuale di u sviluppu, l'implementazione fisica di un pocu per un computer cunvinziunali hè transistor semiconductor, per quantum, cum'è avemu digià dettu, ogni ughjettu quantum. In a sezzione dopu, parlemu di ciò chì hè attualmente utilizatu cum'è media fisicu per i qubits.
Medio di almacenamento
Per un urdinatore normale questu hè elettricità - livelli di tensione, prisenza o assenza di corrente, etc., per quantum - u listessu statu di un oggettu quantum (direzzione di polarizazione, spin, etc.), chì pò esse in un statu di superposizione.
Operazioni
Per implementà i circuiti lògichi in un computer regulare, avemu usatu ben cunnisciutu , Per l'operazioni nantu à i qubits era necessariu di vene cun un sistema di operazioni completamente diversu, chjamatu . Gates pò esse un qubit o doppiu qubit, secondu quantu qubits sò cunvertiti.
Esempii di porte quantum:
Ci hè un cuncettu set di valvola universale, chì sò abbastanza per fà qualsiasi calculu quantum. Per esempiu, un inseme universale include una porta Hadamard, una porta di shift, una porta CNOT è una porta π⁄8. Cù u so aiutu, pudete fà qualsiasi calculu quantum nantu à un settore arbitrariu di qubits.
In questu articulu ùn avemu micca aspittà in dettagliu nantu à u sistema di porte quantum; pudete leghje più nantu à elli è operazioni logiche nantu à qubits, per esempiu, . A cosa principale da ricurdà:
- L'operazioni nantu à l'uggetti quantistici necessitanu a creazione di novi operatori lògichi (porte quantum)
- I cancelli quantistici venenu in tipi di qubit unicu è doppiu qubit.
- Ci sò setti universali di porte chì ponu esse aduprati per fà qualsiasi calculu quantum
Relazione
Un transistor hè cumplettamente inutile per noi; per fà i calculi, avemu bisognu di cunnette parechji transistori l'un à l'altru, vale à dì, creà un chip semiconductor da milioni di transistori nantu à quale custruisce circuiti lògichi, è, in fine, uttene un processore mudernu in a so forma classica.
Un qubit hè ancu cumplettamente inutile per noi (bene, sia solu in termini accademici),
per fà i calculi avemu bisognu di un sistema di qubits (oggetti quantistici)
chì, cum'è avemu digià dettu, hè creatu da entangling qubits cun l'altri in modu chì i cambiamenti in i so stati sò in una manera coordinata.
Algoritmi
L'algoritmi standard chì l'umanità hà accumulatu finu à a data sò completamente inadatti per l'implementazione in un computer quantum. Iè, in generale ùn ci hè micca bisognu. L'urdinatori quantistici basati nantu à a logica di a porta nantu à i qubits necessitanu a creazione di algoritmi completamente differenti, algoritmi quantistici. Di l'algoritmi quantum più cunnisciuti, trè ponu esse distinti:
- (factorization)
- (ricerca rapida in una basa di dati senza ordine)
- (risposta à a quistione, funzione constante o equilibrata)
Principiu
È a diferenza più impurtante hè u principiu di u funziunamentu. Per un urdinatore standard hè questu Principiu digitale, strettamente deterministicu, basatu annantu à u fattu chì se avemu stabilitu un statu iniziale di u sistema è u passava per un algoritmu datu, allora u risultatu di i calculi serà u listessu, ùn importa quante volte avemu esecutatu stu calculu. In realtà, stu cumpurtamentu hè esattamente ciò chì aspittemu da un computer.
L'urdinatore quantisticu funziona analogu, principiu probabilisticu. U risultatu di un algoritmu datu à un statu iniziale datu hè campione da una distribuzione di probabilità implementazioni finali di l'algoritmu più eventuali errori.
Questa natura probabilistica di l'informatica quantistica hè duvuta à l'essenza assai probabilistica di u mondu quantum. "Diu ùn ghjoca micca à dadi cù l'universu"., hà dettu u vechju Einstein, ma tutti l'esperimenti è l'osservazioni finu à avà (in u paradigmu scientificu attuale) cunfirmanu u cuntrariu.
Implementazioni fisiche di qubits
Comu avemu digià dettu, un qubit pò esse rapprisintatu da un oggettu quantum, vale à dì, un ughjettu fisicu chì implementa e proprietà quantum descritte sopra. Vale à dì, à pocu pressu, ogni ughjettu fisicu in quale ci sò dui stati è sti dui stati sò in un statu di superposizione pò esse usatu per custruisce un computer quantum.
"Se pudemu mette un atomu in dui livelli diffirenti è cuntrullà elli, allora avete un qubit. Se pudemu fà questu cun un ion, hè un qubit. Hè listessu cù u currente. Se l'avemu eseguitu in u sensu orariu è à u stessu tempu, avete un qubit ".
Ci sò к , in quale l'attuale varietà di implementazioni fisiche di u qubit hè cunsideratu in più detail, simpricimenti elencu u più cunnisciutu è cumuni:
- è parechje altre idee esotiche (anioni, etc.)
Di tutta sta diversità, u più sviluppatu hè u primu metudu di ottene qubits, basatu nantu . , , è altri attori principali l'utilizanu per custruisce i so sistemi.
Ebbè, leghje più pussibule qubits da .
Basi. Cumu funziona un computer quantisticu
I materiali per questa sezione (task and pictures) sò pigliati da l'articulu .
Allora, imaginate chì avemu u compitu seguente:
Ci hè un gruppu di trè persone: (A)ndrey, (B)olodya è (C)erezha. Ci sò dui taxi (0 è 1).
Hè cunnisciutu ancu chì:
- (A)ndrey, (B)olodya sò amichi
- (A)ndrey, (C)erezha sò nemichi
- (B)olodya è (C)erezha sò nemichi
Task: Pone a ghjente in taxi per quessa Max (amichi) и Min (nemici)
Valutazione: L = (numeru di amichi) - (numeru di nemici) per ogni opzione di alloghju
IMPORTANTE: Assumindu chì ùn ci hè micca heuristiche, ùn ci hè micca una suluzione ottima. In questu casu, u prublema pò esse solu solu da una ricerca cumpleta di opzioni.
Soluzione nantu à un urdinatore ordinariu
Cumu risolve stu prublema in un ordinariu (super) ordinariu (o cluster) - hè chjaru chì avete bisognu di cercà tutte l'opzioni pussibuli. Se avemu un sistema multiprocessore, pudemu parallelizà u calculu di suluzioni à traversu parechji processori è poi cullà i risultati.
Avemu 2 possibili opzioni di alloghju (taxi 0 è taxi 1) è 3 persone. Spaziu di suluzione 2 ^ 3 = 8. Pudete ancu passà per 8 opzioni cù una calculatrice, questu ùn hè micca un prublema. Avà compie u prublema - avemu 20 persone è dui autobus, u spaziu suluzione 2^20 = 1. Nunda complicata ancu. Aumentemu u numeru di persone da 2.5 volte - pigliate 50 persone è dui treni, u spaziu di suluzione hè avà 2^50 = 1.12 x 10^15. Un ordinariu ordinariu (super) hè digià cuminciatu à avè prublemi seri. Aumentemu u numeru di persone da 2 volte, 100 persone ci daranu digià 1.2 x 10 ^ 30 opzioni pussibuli.
Hè cusì, stu compitu ùn pò esse calculatu in un tempu raghjone.
Cunnette un supercomputer
L'urdinatore più putente attualmente hè u numeru 1 di , questu , produtividade 122 . Assumimu chì avemu bisognu di 100 operazioni per calculà una opzione, dopu per risolve u prublema per 100 persone avemu bisognu:
(1.2 x 10^30 100) / 122 × 10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 anni.
Cumu pudemu vede cum'è a dimensione di i dati iniziali cresce, u spaziu suluzione cresce secondu una lege di putenza, in u casu generale, per N bits avemu 2^N opzioni di suluzione pussibuli, chì per N relativamente chjuchi (100) ci danu un spaziu di suluzione micca calculatu (à u livellu tecnulugicu attuale).
Ci hè qualchì alternativa? Cum'è avete capitu, sì, ci hè.
Ma prima di entrà in cumu è perchè l'urdinatori quantistici ponu risolve in modu efficace i prublemi cum'è questi, pigliemu un mumentu per ricuperà ciò chì sò. distribuzione di probabilità. Ùn vi allarmate, questu hè un articulu di rivista, ùn ci sarà micca una matematica dura quì, faremu cun l'esempiu classicu cù un saccu è boli.
Solu una piccula combinatoria, teoria di probabilità è un stranu sperimentatore
Pigliamu un saccu è mettemu in ellu 1000 boli bianchi è 1000 neri. Avemu da fà un esperimentu - pigliate a bola, scrivite u culore, rinviate a bola in u saccu è mischjà e boli in u saccu.
L'esperimentu hè statu fattu 10 volte, tirava fora 10 boli neri. Forse? Piuttostu. Questa mostra ci dà una idea raghjone di a distribuzione vera in u saccu? Ovviamente micca. Ciò chì deve esse fattu - ghjustu, pripetite l'esperimentu un milione di volte è calculate e frequenze di boli bianchi è neri. Avemu, per esempiu 49.95% neru è 50.05% biancu. In questu casu, a struttura di a distribuzione da quale avemu mostratu (piglià una bola) hè digià più o menu chjaru.
A cosa principal hè di capisce chì l'esperimentu stessu hà una natura probabilistica, cù una mostra (palla) ùn sapemu micca a vera struttura di a distribuzione, avemu bisognu di ripetiri l'esperimentu parechje volte è mediu i risultati.
Aghjunghjemu à a nostra borsa 10 boli rossi è 10 verdi (errori). Ripitemu l'esperimentu 10 volte. INtiratu fora 5 rossi è 5 verdi. Forse? Iè. Pudemu dì qualcosa di a distribuzione vera - No. Ciò chì deve esse fattu - bè, avete capitu.
Per capiscenu a struttura di una distribuzione di probabilità, hè necessariu di campionà ripetutamente i risultati individuali da questa distribuzione è mediu i risultati.
Cunnettendu a teoria cù a pratica
Avà invece di palle bianche è nere, pigliamu e bola di biliardo è mette in un saccu 1000 boli cù u numeru 2, 1000 cù u numeru 7 è 10 boli cù altri numeri. Imaginemu un sperimentatore chì hè furmatu in l'azzioni più simplici (piglià una bola, scrivite u numeru, mette a bola torna in u saccu, mischjà e boli in u saccu) è face questu in 150 microseconds. Ebbè, un tali sperimentatore nantu à a velocità (micca una publicità di droga !!!). Allora in 150 seconde hà da pudè fà u nostru esperimentu 1 milione di volte è ci furnisce i risultati di media.
Ils s'assirent à l'experimentateur, lui donnèrent un sac, s'éloignèrent, attendu 150 secondes et reçurent :
numeru 2 - 49.5%, numeru 7 - 49.5%, u restu numari in totale - 1%.
Iè hè ghjustu, u nostru saccu hè un computer quantum cun un algoritmu chì risolve u nostru prublema, è i boli sò pussibuli suluzioni. Siccomu ci sò dui suluzioni curretti, dunque un computer quantisticu ci darà qualcunu di sti suluzione pussibuli cù uguali probabilità, è 0.5% (10/2000) errori, di quale parleremu dopu.
Per ottene u risultatu di un computer quantisticu, avete bisognu di eseguisce l'algoritmu quantum parechje volte nantu à u stessu set di dati di input è mediu u risultatu.
Scalabilità di un computer quantum
Avà imaginate chì per un compitu chì implica 100 persone (spaziu suluzione 2^100 ricurdamu questu), ci sò ancu solu duie decisioni currette. Allora, si pigliamu 100 qubits è scrivite un algoritmu chì calcula a nostra funzione objetiva (L, vede sopra) nantu à questi qubits, allora avemu da ottene un saccu in quale ci sarà 1000 boli cù u numeru di a prima risposta curretta, 1000 cù u numeru di a seconda risposta curretta è 10 boli cù altri numeri. È in i stessi 150 seconde, u nostru sperimentatore ci darà una stima di a distribuzione di probabilità di e risposte currette..
U tempu d'esekzione di un algoritmu quantisticu (cun certi supposizioni) pò esse cunsideratu constante O(1) in quantu à a dimensione di u spaziu di suluzione (2^N).
È questu hè precisamente a pruprietà di un computer quantum - costanza di runtime in relazione à a cumplessità di a lege di u putere crescente di u spaziu di suluzione hè a chjave.
Qubit è mondi paralleli
Cumu succede questu? Chì permette à un computer quantisticu di fà calculi cusì rapidamente? Hè tuttu nantu à a natura quantum di u qubit.
Fighjate, avemu dettu chì un qubit hè cum'è un oggettu quantum rializeghja unu di i so dui stati quandu osservatu, ma in "natura salvatica" hè in sovrapposizioni di stati, vale à dì, hè in i dui stati di cunfini simultaneamente (cù una certa probabilità).
Pigliate (A)ndreya è imagine u so statu (in quale veiculu hè - 0 o 1) cum'è un qubit. Allora avemu (in u spaziu quantum) dui mondi paralleli, in unu (A) si mette in taxi 0, in un altru mondu - in taxi 1. In dui taxis à u stessu tempu, ma cù una certa probabilità di truvà in ognuna di elli durante l'osservazione.
Pigliate (B) ghjovanu è imaginemu ancu u so statu cum'è qubit. Dui altri mondi paralleli nascenu. Ma per avà sti coppie di mondi (A) и (AT) ùn interagisce micca in tuttu. Ciò chì deve esse fattu per creà in relazione sistema? Hè propiu, avemu bisognu di sti qubits ligà (confusa). Pigliemu è cunfundemu (A) cù (B) - avemu un sistema quantum di dui qubits (A, B), rializendu in sè stessu quattru interdipendenti mondi paralleli. Add (S)ergey è avemu un sistema di trè qubits (ABC), implementendu ottu interdipendenti mondi paralleli.
L'essenza di l'informatica quantistica (l'implementazione di una catena di porte quantum nantu à un sistema di qubits cunnessi) hè u fattu chì u calculu si trova in tutti i mondi paralleli simultaneamente.
È ùn importa micca quanti di elli avemu, 2^3 o 2^100, l'algoritmu quantum serà eseguitu in tempu finitu nantu à tutti questi mondi paralleli è ci darà un risultatu, chì hè una mostra da a distribuzione di probabilità di e risposte di l'algoritmu.
Per capisce megliu, si pò imaginà chì un computer quantum à u livellu quantum corre 2^N prucessi di suluzione parallella, ognuna di quale travaglia nantu à una opzione pussibule, poi raccoglie i risultati di u travagliu - è ci dà a risposta in forma di una superposizione di a suluzione (distribuzione di probabilità di risposti), da quale avemu un campionu ogni volta (per ogni esperimentu).
Ricurdativi di u tempu necessariu da u nostru sperimentatore (150 µs) per fà l'esperimentu, questu serà utile per noi un pocu più, quandu parlemu di i prublemi principali di l'informatica quantistica è u tempu di decoherenza.
Algoritmi quantistici
Comu digià dettu, l'algoritmi cunvinziunali basati nantu à a logica binaria ùn sò micca applicabili à un computer quantum chì utilizeghja a logica quantistica (quantum gates). Per ellu, era necessariu di vene cun novi chì sfruttanu pienamente u putenziale inherente à a natura quantistica di l'informatica.
L'algoritmi più cunnisciuti oghje sò:
A cuntrariu di quelli classici, i computer quantistici ùn sò micca universali.
Solu un picculu numeru di algoritmi quantum hè statu trovu finu à avà.
Спасибо per u ligame à , un locu induve, secondu l'autore (), i migliori rapprisentanti di u mondu quantum-algoritmu sò stati cullati è cuntinueghjanu à cullà.
In questu articulu ùn analizzeremu micca l'algoritmi quantistici in dettaglio; ci sò assai materiali eccellenti in Internet per ogni livellu di cumplessità, ma avemu sempre bisognu di passà brevemente nantu à i trè più famosi.
L'algoritmu di Shor.
L'algoritmu quantum più famosu hè (inventatu in u 1994 da u matematicu inglese ), chì hè destinatu à risolve u prublema di factoring numeri in fattori primi (prublemu di factorizazione, logaritmu discretu).
Hè questu algoritmu chì hè citatu cum'è un esempiu quandu scrivenu chì i vostri sistemi bancari è password seranu prestu pirate. Cunsiderendu chì a durata di e chjave aduprate oghje ùn hè micca menu di 2048 bits, u tempu per un capu ùn hè ancu ghjuntu.
A ora, più chè modestu. I migliori risultati di factorizazione cù l'algoritmu di Shor - Numeri и , chì hè assai menu di 2048 bits. Per i risultati rimanenti da a tavula, un altru calculi, ma ancu u megliu risultatu sicondu stu algoritmu (291311) hè assai luntanu da l'applicazione reale.
Pudete leghje più nantu à l'algoritmu di Shor, per esempiu,. Circa l'implementazione pratica - .
Unu di cumplessità è putenza necessaria à fattori un numeru 2048-bit hè un urdinatore cù . Dormimu in pace.
L'algoritmu di Grover
- risolve u prublema di enumerazione, vale à dì truvà una suluzione à l'equazioni F(X) = 1, induve F hè от n variabili. Hè statu prupostu da un matematicu americanu в .
L'algoritmu di Grover pò esse usatu per truvà и serie numerica. Inoltre, pò esse usatu per risolve prublemi attraversu una ricerca exhaustiva trà parechje soluzioni pussibuli. Questu pò implicà un aumentu di velocità significativu cumparatu cù l'algoritmi classici, anche senza furnisce "" in generale.
Pudete leghje piùo . Eppuru Ci hè una bona spiegazione di l'algoritmu cù l'esempiu di scatuli è una bola, ma, sfurtunatamenti, per ragioni fora di u cuntrollu di qualcunu, stu situ ùn hè micca apertu per mè da Russia. Sì avete hè ancu bluccatu, dunque quì hè un brevi riassuntu:
L'algoritmu di Grover. Imagine chì avete N pezzi di scatuli chjusi numerati. Sò tutti vioti eccettu unu, chì cuntene una bola. U vostru compitu: scuprite u numeru di a casella in quale si trova u ballu (stu numeru scunnisciutu hè spessu indicatu da a lettera w).
Cumu risolve stu prublema? U modu più stupidu hè di turnà à apre e scatuli, è prima o dopu vi truverete una scatula cù una bola. In media, quante scatuli deve esse verificatu prima di truvà una casella cù una bola? In media, avete bisognu di apre circa a mità di scatuli N/2. A cosa principal quì hè chì si cresce u numeru di scatuli da 100 volte, allora u numeru mediu di scatuli chì deve esse apertu prima chì a scatula cù u ballu si trova ancu cresce da u listessu 100 volte.
Avà facemu una altra precisazione. Ùn apremu micca e scatuli noi stessi cù e nostre mani è verificate a presenza di una bola in ognunu, ma ci hè un certu intermediariu, chjamemu Oracle. Dicemu à l'Oracle, "check box number 732", è l'Oracle onestamente verifica è risponde, "ùn ci hè micca una bola in box number 732". Avà, invece di dì quante scatuli avemu bisognu di apre in media, dicemu "quante volte in media duvemu andà à l'Oracle per truvà u numeru di scatula cù a bola"
Ci hè chì si traduce stu prublema cù scatuli, una bola è l'Oracle in lingua quantistica, avemu un risultatu notevule: per truvà u numeru di una scatula cù una bola trà N scatuli, avemu bisognu di disturbà l'Oracle solu nantu à SQRT. (N) volte!
Questu hè, a cumplessità di u travagliu di ricerca cù l'algoritmu di Grover hè ridutta da a radica quadrata di i tempi.
Algoritmu Deutsch-Jozi
L'algoritmu di Deutsch-Jozsa (ancu chjamatu algoritmu di Deutsch-Jozsa) - [algoritmu quantum](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , è diventa unu di i primi esempi di algoritmi cuncepiti per esse eseguiti . _
U prublema di Deutsch-Jozsi hè di determinà s'ellu una funzione di parechje variabili binari F(x1, x2, ... xn) hè custante (piglia u valore 0 o 1 per qualsiasi argumenti) o equilibrata (per a mità di u duminiu hè necessariu). u valore 0, per l'altra mità 1). In questu casu, hè cunsideratu a priori cunnisciutu chì a funzione hè o custante o equilibrata.
Pudete ancu leghje . Una spiegazione più simplice:
L'algoritmu Deutsch (Deutsch-Jozsi) hè basatu annantu à a forza bruta, ma permette di fà più veloce di u solitu. Imagine chì ci hè una munita nantu à a tavula è avete bisognu di sapè s'ellu hè falsificatu o micca. Per fà questu, avete bisognu di guardà a munita duie volte è determinà: "heads" è "tails" sò veri, dui "heads", dui "tails" sò falsi. Allora, s'è vo aduprate l'algoritmu quantum Deutsch, allura sta determinazione pò esse fatta cun un sguardu - misurazione.
Prublemi di l'informatica quantistica
Quandu cuncepisce è operanu computer quantistici, i scientisti è l'ingegneri facenu un gran numaru di prublemi, chì finu à a data sò stati risolti cù varii gradi di successu. Secondu () a seguente seria di prublemi ponu esse identificati:
- Sensibilità à l'ambiente è interazzione cù l'ambiente
- Accumulazione di errori durante i calculi
- Difficultà cù l'inizializazione iniziale di stati qubit
- Difficultà à creà sistemi multi-qubit
Vi cunsigliu assai di leghje l'articulu "", in particulare i cumenti à questu.
Organizemu tutti i prublemi principali in trè grandi gruppi è fighjemu più attente à ognunu di elli:
Decoerenza
.
Statu quantum cosa assai fragilei qubits in un statu intricatu sò estremamente instabili, ogni influenza esterna pò (è fà) distrugge sta cunnessione. Un cambiamentu di temperatura da a più chjuca frazione di un gradu, a pressione, un fotonu aleatoriu chì vola vicinu - tuttu questu destabilizza u nostru sistema.
Per risolve stu prublema, sò custruiti sarcophagi di bassa temperatura, in quale a temperatura (-273.14 gradi Celsius) hè un pocu sopra u cero assolutu, cù l'isolamentu massimu di a camera interna cù u processatore da tutte l'influenzi (posissibili) di l'ambiente esternu.
A vita massima di un sistema quantisticu di parechji qubits entangled, durante u quale mantene e so proprietà quantum è pò esse usatu per i calculi, hè chjamatu tempu di decoherenza.
Attualmente, u tempu di decoherenza in i megliu suluzioni quantum hè in l'ordine di decine è centinaie di microsecondi.
Ci hè una maraviglia induve pudete circà di tutti i sistemi quantistici creati. Questu articulu include solu dui prucessori superiori cum'è esempi - da IBM è da . Comu pudemu vede, u tempu di decoherenza (T2) ùn supera micca 200 μs.
Ùn aghju micca trovu dati esatti nantu à Sycamore, ma in u più sò datu dui numeri - 1 milione di calculi in 200 seconde, in altrò - per 130 seconde senza perdita di signali di cuntrollu, etc.. In ogni casu, questu ci dà U tempu di decoherenza hè di circa 150 μs. Ricurdate u nostru sperimentatore cù un saccu? Ebbè, quì hè.
| Nome di l'urdinatore | N Qubits | Max accoppiatu | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Chì ci minaccia a decoerenza ?
U prublema principali hè chì dopu à 150 μs, u nostru sistema di calculu di N qubits intricati principiarà à pruduce un rumore biancu probabilisticu invece di una distribuzione probabilistica di suluzioni currette.
Questu hè, avemu bisognu:
- Inizializza u sistema qubit
- Eseguite un calculu (catena di operazioni di porta)
- Leghjite u risultatu
È fate tuttu questu in 150 microseconds. Ùn aghju micca u tempu - u risultatu hè diventatu una zucca.
Ma ùn hè micca tuttu ...
Errori
Cumu l'avemu dettu, prucessi quantum è quantum computing sò probabilistic in natura, ùn pudemu micca esse 100% sicuru di qualcosa, ma solu cù una certa probabilità. A situazione hè ancu aggravata da u fattu chì L'informatica quantistica hè propensa à l'errore. I tipi principali di errore in l'informatica quantistica sò:
- L'errori di decoherenza sò causati da a cumplessità di u sistema è l'interazzione cù l'ambiente esternu
- Errori di calculu di Gate (per via di a natura quantistica di u calculu)
- Errori in a lettura di u statu finali (risultatu)
Errori assuciati à a decoherenza, apparisce appena avemu intricatu i nostri qubits è cuminciamu à fà calculi. Quantu più qubits entangle, u più cumplessu u sistema, è u più faciule hè di distrughjelu. Sarcophagi di bassa temperatura, camere protette, tutti questi trucchi tecnologichi sò precisamente destinati à riduce u nùmeru d'errori è allargà u tempu di decoherenza.
Errori di calculu Gate - ogni operazione (porta) nantu à i qubits pò, cù una certa probabilità, finisce cù un errore, è per implementà l'algoritmu avemu bisognu di realizà centinaie di porte, cusì imagine ciò chì uttene à a fine di l'esekzione di u nostru algoritmu. A risposta classica à a quistione hè "Quale hè a probabilità di scuntrà un dinosauru in un ascensore?" - 50x50, o scuntrà o micca.
U prublema hè ancu aggravatu da u fattu chì i metudi di currezzione di errore standard (duplicazione di calculi è media) ùn funziona micca in u mondu quantum per via di u teorema senza clonazione. Per in l'informatica quantistica avia da esse inventata . À pocu pressu, pigliamu N qubits ordinali è facemu 1 di elli qubit logicu cù un tassu d'errore più bassu.
Ma quì nasce un altru prublema - numeru tutale di qubits. Fighjate, dicemu chì avemu un processatore cù 100 qubits, di quale 80 qubits sò usati per a correzione di errore, allora avemu solu 20 per i calculi.
Errori in leghje u risultatu finali - cum'è ricurdamu, u risultatu di i calculi quantum hè prisentatu à noi in a forma distribuzione di probabilità di risposte. Ma a lettura di u statu finali pò ancu falla cù un errore.
Nantu à u listessu Ci sò tabelle comparative di processori per livelli d'errore. Per paragunà, pigliemu i stessi processori cum'è in l'esempiu precedente - IBM и :
| Sport | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Leghjite Fidelity |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
hè hè una misura di a similitudine di dui stati quantum. A magnitudine di l'errore pò esse espressa cum'è 1-Fidelity. Comu pudemu vede, l'errore nantu à e porte 2-qubit è l'errore di lettura sò l'ostaculu principale per eseguisce algoritmi cumplessi è longu nantu à i computer quantistici esistenti.
Pudete ancu leghje anni da per risolve u prublema di correzione di errore.
L'architettura di u processatore
In teoria, custruemu è operemu circuiti di decine di qubit intricati, in realtà tuttu hè più cumplicatu. Tutti i chips quantum esistenti (processori) sò custruiti in tale manera chì furniscenu senza dolore entanglement di un qubit solu cù i so vicini, di quale ùn ci sò più di sei.
S'ellu ci vole à intrecciate u 1u qubit, per dì, cù u 12, allora averemu da custruisce una catena di operazioni quantistiche supplementari, implica qubits supplementari, etc., chì aumenta u nivellu di errore generale. Iè, è ùn vi scurdate micca tempu di decoherenza, forse à u tempu chì finisci di cunnette i qubits in u circuitu chì avete bisognu, u tempu finisce è u circuitu tutale diventerà bellu generatore di rumore biancu.
Ùn vi scurdate ancu L'architettura di tutti i processori quantum hè diversu, è u prugramma scrittu in l'emulatore in u modu di "connettività all-to-all" deve esse "recompiled" in l'architettura di un chip specificu. Ci sò ancu per fà sta operazione.
Connettività massima è numeru massimu di qubits per i stessi chip top:
| Nome di l'urdinatore | N Qubits | Max accoppiatu | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
È, per paragone, tavula cù dati da a generazione precedente di processori. Comparate u numeru di qubits, u tempu di decoherenza è a rata di errore cù ciò chì avemu avà cù a nova generazione. Eppuru, u prugressu hè lentu, ma si move.
So:
- Ùn ci sò attualmente architetture cumpletamente cunnesse cù> 6 qubits
- Per entangle qubit 0 s nantu à un veru processore, per esempiu, qubit 15 pò esse bisognu di parechje decine di operazioni supplementari
- Più operazioni -> più errori -> influenza più forte di decoherenza
Risultati
A decoherenza hè u lettu Procusteanu di l'informatica quantistica muderna. Avemu da mette tuttu in 150 μs:
- Inizializazione di u statu iniziale di qubits
- Computing un prublema utilizendu porte quantum
- Corrige l'errori per ottene risultati significati
- Leghjite u risultatu
Finu a ora, i risultati sò deludenti, però pretendenu di ottene u tempu di retenzione di coerenza 0.5s in un computer quantum basatu nantu :
Misuremu un tempu di coerenza di qubit in più di 0.5 s, è cù a schermatura magnetica aspittemu chì questu migliurà per esse più di 1000 s.
Pudete ancu leghje nantu à sta tecnulugia o per esempiu .
A situazione hè più cumplicata da u fattu chì quandu si facenu calculi cumplessi, hè necessariu di utilizà circuiti di correzione di errore quantum, chì manghja ancu u tempu è i qubits dispunibili.
È infine, l'architetture muderne ùn permettenu micca implementà schemi di intricatu megliu cà 1 in 4 o 1 in 6 à u costu minimu.
Modi per risolve i prublemi
Per risolve i prublemi sopra, i seguenti approcci è metudi sò attualmente usati:
- Utilizà cryochambers cù basse temperature (10 mK (-273,14 ° C))
- Utilizendu unità di processore chì sò massimamente prutetti da influenze esterne
- Utilizà Sistemi di Correzione d'Errore Quantum (Qubit logicu)
- Utilizà l'ottimizzatori quandu i circuiti di prugrammazione per un processore specificu
A ricerca hè ancu realizata per aumentà u tempu di decoherenza, cercandu novi (è migliurà cunnisciuti) implementazioni fisiche di l'uggetti quantistici, ottimizendu i circuiti di correzione, etc., etc. Ci hè un prugressu (guardate sopra à e caratteristiche di i chips di prima è di l'oghje), ma finu à quì hè lento, assai, assai lento.
Onda D
Computer D-Wave 2000Q 2000-qubit. Fonte:
À mezu à l'annunziu di Google di ottene a supremazia quantistica utilizendu un processore di 53 qubit, и da a cumpagnia D-Wave, in quale u numeru di qubits hè in millaie, hè un pocu cunfusu. Ebbè, veramente, se 53 qubits sò stati capaci di ottene a supremazia quantistica, allora chì hè capace di un urdinatore cù 2048 qubits? Ma micca tuttu hè cusì bellu ...
In breve (presa da a wiki):
Computers travaglià nant'à u principiu (), ponu risolve una sottoclasse assai limitata di prublemi di ottimisazione, è ùn sò micca adattati per implementà algoritmi quantistici tradiziunali è cancelli quantum.
Per più dettagli, pudete leghje, per esempiu, , (attenzione, ùn pò micca apre da Russia), o в da u so . Per via, vi cunsigliu assai di leghje u so blog in generale, ci hè assai bonu materiale
In generale, da u principiu di l'annunzii, a cumunità scientifica hà avutu dumande nantu à i computer D-Wave. Per esempiu, in 2014, IBM hà interrugatu u fattu chì D-Wave Hè ghjuntu à u puntu chì in u 2015, Google, inseme cù a NASA, hà compru unu di sti computer quantistici è dopu a ricerca. , chì sì, l'urdinatore travaglia è calculate u prublema più veloce di un normale. Pudete leghje più nantu à a dichjarazione di Google è, per esempiu, .
A cosa principal hè chì i computer D-Wave, cù i so centu è millaie di qubits, ùn ponu micca esse usatu per calculà è eseguisce algoritmi quantum. Ùn pudete micca eseguisce l'algoritmu di Shor nantu à elli, per esempiu. Tuttu ciò chì ponu fà hè di utilizà certi meccanismi quantum per risolve un certu prublema di ottimisazione. Pudemu cunsiderà chì D-Wave hè un ASIC quantum per un compitu specificu.
Un pocu nantu à l'emulazione di l'informatica quantistica
L'informatica quantistica pò esse emulata in un computer regulare. In verità, :
- U statu di u qubit pò esse numeru cumplessu, occupendu da 2x32 à 2x64 bits (8-16 bytes) secondu l'architettura di processore
- U statu di N qubits cunnessi pò esse rapprisintatu cum'è 2 ^ N numeri cumplessi, i.e. 2^(3+N) per l'architettura 32-bit è 2^(4+N) per 64-bit.
- Una operazione quantistica nantu à N qubits pò esse rapprisintata da una matrice 2^N x 2^N
Allora:
- Per almacenà i stati emulati di 10 qubits, 8 KB sò necessarii
- Per almacenà i stati di 20 qubits avete bisognu di 8 MB
- Per almacenà i stati di 30 qubits, 8 GB sò necessarii
- 40 Terabytes sò necessarii per almacenà i stati di 8 qubits
- Per almacenà i stati di 50 qubits, 8 Petabytes sò necessarii, etc.
Per a paraguni, () porta solu 2.8 Petabytes di memoria.
- 49 qubit consegnati l'annu passatu à u più grande supercomputer cinese ()
U limitu di simule un computer quantum in sistemi classici hè determinatu da a quantità di RAM necessaria per almacenà u statu di i qubits.
Aghju cunsigliatu ancu a lettura . Da quì:
Per operazione - per l'emulazione precisa di un circuitu di 49 qubit custituitu di circa 39 "cicli" (strati indipendenti di porte) 2^63 multiplicazioni cumplessi - 4 Pflops di un supercomputer per 4 ore
Emulà un computer quantum 50+ qubit in sistemi classici hè cunsideratu impussibule in un tempu raghjone. Hè ancu per quessa chì Google hà utilizatu un processore 53-qubit per u so esperimentu di supremazia quantistica.
A supremazia di l'informatica quantistica.
Wikipedia ci dà a seguente definizione di supremazia di l'informatica quantistica:
A supremazia quantistica - capacità i dispusitivi per risolve i prublemi chì l'urdinatori classici praticamenti ùn ponu micca risolve.
In fatti, ghjunghje sin'à a supremazia quantum significa chì, per esempiu, u factorization di granni numari cù l 'algoritmu Shor pò esse risolta in tempu degne, o mulèculi chimichi cumplessi ponu esse emulated à u livellu quantum, etc. Vale à dì, una nova era hè ghjunta.
Ma ci hè una lacuna in a formulazione di a definizione, "chì i computer classici ùn ponu micca risolve" In fatti, questu significa chì sè create un computer quantum di 50+ qubits è eseguite un circuitu quantum nantu à questu, allora, cum'è avemu discututu sopra, u risultatu di stu circuitu ùn pò esse emulatu in un computer regulare. Hè un urdinatore classicu ùn serà micca capaci di ricreà u risultatu di un tali circuitu.
Se un tali risultatu custituisce una vera supremazia quantistica o micca hè piuttostu una quistione filosofica. Ma capisce ciò chì Google hà fattu è ciò chì hè basatu necessariu.
Dichjarazione di Supremacy Quantum di Google
Processore Sycamore 54-qubit
Cusì, in uttrovi 2019, i sviluppatori di Google anu publicatu un articulu in a publicazione scientifica Nature "." L'autori anu annunziatu u successu di a supremazia quantistica per a prima volta in a storia utilizendu u processore Sycamore 54-qubit.
L'articuli di Sycamore in linea spessu si riferiscenu à un processore 54-qubit o un processore 53-qubit. A verità hè chì secondu , u processatore fisicu hè custituitu da 54 qubits, ma unu di elli ùn hè micca travagliatu è hè statu fora di serviziu. Cusì, in realtà avemu un processore 53-qubit.
In u web ghjustu quì materiali nantu à stu tema, u gradu di quali variu da à .
A squadra di l'informatica quantistica di IBM hà dettu dopu . A cumpagnia dichjara chì un urdinatore cunvinziunali affruntà stu compitu in u peghju casu in 2,5 ghjorni, è a risposta resultanti serà più precisa chè quella di un computer quantum. Sta cunclusione hè stata fatta nantu à i risultati di una analisi teorica di parechji metudi di ottimisazione.
È, sicuru, in u so Ùn pudia ignurà sta dichjarazione. U so cù tutti i ligami è cum'è di solitu, valenu a pena di passà u vostru tempu. Nantu à u hub sta FAQ, è assicuratevi di leghje i cumenti, ci sò ligami per i ducumenti preliminari chì sò stati filtrati in linea prima di l'annunziu ufficiale.
Chì hà fattu Google veramente? Per una comprensione dettagliata, leghjite Aaronson, ma brevemente quì:
Vi possu, sicuru, dicu, ma mi sentu piuttostu stupidu. U calculu hè u seguitu: u sperimentatore genera un circuitu quantum aleatoriu C (vale à dì, una sequenza aleatoria di porte 1-qubit è 2-qubit trà i vicini più vicini, cù una prufundità di, per esempiu, 20, chì agisce nantu à una reta 2D di n. = 50-60 qubits). L'esperimentatore poi manda C à l'urdinatore quantum, è li dumanda di applicà C à un statu iniziale di 0, misurà u risultatu in a basa {0,1}, rinvià una sequenza osservata n-bit (stringa), è ripetite parechji milla o milioni di volte. Infine, aduprendu a so cunniscenza di C, l'sperimentatore esegue una prova statistica per vede s'ellu u risultatu currisponde à l'output previstu da l'urdinatore quantum.
Moltu brevi:
- Un circuitu aleatoriu di lunghezza 20 di 53 qubits hè creatu cù e porte
- U circuitu principia cù u statu iniziale [0…0] per l'esekzione
- L'output di u circuitu hè una stringa di bit aleatoriu (esempiu)
- A distribuzione di u risultatu ùn hè micca aleatoriu (interferenza)
- A distribuzione di i campioni ottenuti hè paragunata cù quella prevista
- Conclude a supremazia quantistica
Questu hè, Google hà implementatu un prublema sinteticu nantu à un processore 53-qubit, è basa a so pretensione di ottene a supremazia quantistica nantu à u fattu chì hè impussibile di emulà un tali processore in sistemi standard in un tempu raghjone.
Per capiscenu - Questa sezione ùn diminuisce in alcun modu a realizazione di Google, L'ingegneri sò veramente grandi, è a quistione di s'ellu si pò esse cunsideratu cum'è una superiorità quantum reale o micca, cum'è l'annunziate prima, hè più filosofica chè l'ingegneria. Ma duvemu capisce chì avè ottenutu una tale superiorità computazionale, ùn avemu micca avanzatu un passu versu a capacità di eseguisce l'algoritmu di Shor in numeri di 2048-bit.
Resumen
L'informatica quantistica è l'informatica quantistica sò una zona assai promettente, assai ghjovana è finu à avà pocu applicabile industrialmente di a tecnulugia di l'infurmazione.
U sviluppu di l'informatica quantistica (qualche ghjornu) permetterà di risolve i prublemi:
- Modelling sistemi fisici cumplessi à u livellu quantum
- Unsolvable in un computer regulare per via di a cumplessità computazionale
I prublemi principali in a creazione è u funziunamentu di l'informatica quantistica:
- Decoerenza
- Errori (decoherenza è porta)
- Architettura di processore (circuiti qubit cumpletamente cunnessi)
Situazione attuale:
- In fatti - u principiu assai .
- Ùn ci hè ancu una REAL sfruttamentu cummerciale (è ùn hè micca chjaru quandu ci serà)
Cosa pò aiutà:
- Qualchì tipu di scuperta fisica chì reduce u costu di i processatori di cablaggio è di operazione
- Scopre qualcosa chì aumenterà u tempu di decoherenza per un ordine di grandezza è / o riduce l'errore
In u mo parè (opinione puramente persunale), in l'attuale paradigma scientificu di a cunniscenza ùn averemu micca successu significativu in u sviluppu di e tecnulugia quantistica, quì avemu bisognu di una scuperta qualitativa in qualchì spaziu di scienza fundamentale o applicata, chì darà impetu à idee è metudi novi.
Intantu, avemu acquistatu sperienza in a prugrammazione quantistica, cullezzione è creazione di algoritmi quantistici, teste idee, etc., etc. Aspittemu una svolta.
cunchiusioni
In questu articulu, avemu passatu à traversu i tappe principali in u sviluppu di l'informatica quantistica è l'informatica quantistica, hà esaminatu u principiu di u so funziunamentu, hà guardatu i prublemi principali chì facenu fronte à l'ingegneri in u sviluppu è u funziunamentu di i prucessori quantistici, è hà vistu ancu ciò chì multi- Qubit D-computers sò in realtà. Wave è l'annunziu recente di Google di ottene a supremazia quantistica.
Lasciate daretu à i sceni sò quistioni di prugrammazione computer quantum (lingue, avvicinamenti, metudi, etc.) è dumande riguardanti l'implementazione fisica specifica di i prucessori, cumu i qubits sò amministrati, ligati, leghje, etc. Forsi questu serà u tema di u prossimu articulu o articuli.
Grazie per a vostra attenzione, spergu chì questu articulu serà utile à qualchissia.
(C)
Ringraziamenti
per a correzzione è i cumenti nantu à u testu fonte, è ancu per l'articulu
per i cumenti ricchi di informazioni , è micca solu à ella, chì largamente m'hà aiutatu à capisce stu puzzle.
À tutti l'autori di articuli è publicazioni chì i so materiali sò stati utilizati per scrive stu articulu.
Lista di risorse
Articuli d'Affari Attuali da [The National Accademies Press]
Articuli da Habr (in ordine aleatoriu)
Articuli senza classificazione (ma micca menu interessanti) da Internet
Corsi e lezioni
Source: www.habr.com