Cyfrifiaduron cwantwm a chyfrifiadura cwantwm - newydd , a ychwanegwyd at ein gofod gwybodaeth ynghyd â , a thermau uwch-dechnoleg eraill. Ar yr un pryd, doeddwn i byth yn gallu dod o hyd i ddeunydd ar y Rhyngrwyd a fyddai'n llunio'r pos yn fy mhen o'r enw “sut mae cyfrifiaduron cwantwm yn gweithio”. Oes, mae yna lawer o weithiau rhagorol, gan gynnwys ar Habr (gw. ), sylwadau y mae, fel sy'n digwydd fel arfer, hyd yn oed yn fwy addysgiadol a defnyddiol, ond nid oedd y darlun yn fy mhen, fel y dywedant, yn adio i fyny.
Ac yn ddiweddar daeth fy nghydweithwyr ataf a gofyn, “Ydych chi'n deall sut mae cyfrifiadur cwantwm yn gweithio? Allwch chi ddweud wrthym?” Ac yna sylweddolais nad fi yw’r unig un sydd â phroblem gyda llunio llun cydlynol yn fy mhen.
O ganlyniad, ceisiwyd casglu gwybodaeth am gyfrifiaduron cwantwm i gylched rhesymeg gyson lle lefel sylfaenol, heb drochi dwfn mewn mathemateg a strwythur y byd cwantwm, esboniwyd beth yw cyfrifiadur cwantwm, pa egwyddorion y mae'n gweithredu arnynt, a pha broblemau y mae gwyddonwyr yn eu hwynebu wrth ei greu a'i weithredu.
Tabl cynnwys
Ymwadiad
Nid yw'r awdur yn arbenigwr mewn cyfrifiadura cwantwm, a Yr un bobl TG yw cynulleidfa darged yr erthygl, nid arbenigwyr cwantwm, sydd hefyd eisiau rhoi llun yn eu pennau o'r enw “Sut mae cyfrifiaduron cwantwm yn gweithio.” Oherwydd hyn, mae llawer o gysyniadau yn yr erthygl yn cael eu symleiddio'n fwriadol i ddeall technolegau cwantwm yn well ar lefel “sylfaenol”, ond heb .
Mae'r erthygl mewn rhai mannau yn defnyddio deunyddiau o ffynonellau eraill, . Lle bynnag y bo modd, mewnosodir dolenni uniongyrchol ac arwyddion i'r testun, tabl neu ffigur gwreiddiol. Os anghofiais i rywbeth (neu rywun) yn rhywle, ysgrifennwch a byddaf yn ei gywiro.
Cyflwyniad
Yn y bennod hon, byddwn yn edrych yn fyr ar sut y dechreuodd y cyfnod cwantwm, beth oedd y rheswm ysgogol dros y syniad o gyfrifiadur cwantwm, pwy (pa wledydd a chorfforaethau) yw'r chwaraewyr blaenllaw yn y maes hwn ar hyn o bryd, a hefyd yn siarad yn fyr am brif gyfeiriadau datblygiad cyfrifiadura cwantwm.
Sut y dechreuodd
Ystyrir mai man cychwyn y cyfnod cwantwm yw 1900, pan gyflwynodd M. Planck gyntaf bod egni'n cael ei allyrru a'i amsugno nid yn barhaus, ond mewn cwanta (dognau) ar wahân. Cafodd y syniad ei godi a'i ddatblygu gan lawer o wyddonwyr rhagorol y cyfnod hwnnw - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, a arweiniodd yn y pen draw at greu a datblygu gwyddoniaeth fel . Mae yna lawer o ddeunyddiau da ar y Rhyngrwyd ynglŷn â ffurfio ffiseg cwantwm fel gwyddoniaeth; yn yr erthygl hon ni fyddwn yn canolbwyntio ar hyn yn fanwl, ond roedd angen nodi'r dyddiad y daethom i mewn i'r oes cwantwm newydd.
Mae ffiseg cwantwm wedi dod â llawer o ddyfeisiadau a thechnolegau i'n bywydau bob dydd, a hebddynt mae'n anodd dychmygu'r byd o'n cwmpas. Er enghraifft, laser, sydd bellach yn cael ei ddefnyddio ym mhobman, o offer cartref (lefelau laser, ac ati) i systemau uwch-dechnoleg (laserau ar gyfer cywiro golwg, helo ). Byddai'n rhesymegol tybio yn hwyr neu'n hwyrach y bydd rhywun yn meddwl am y syniad beth am ddefnyddio systemau cwantwm ar gyfer cyfrifiadura. Ac yna yn 1980 fe ddigwyddodd.
Mae Wikipedia yn nodi bod y syniad cyntaf o gyfrifiadura cwantwm wedi'i fynegi ym 1980 gan ein gwyddonydd Yuri Manin. Ond maent yn wir yn dechrau siarad am y peth yn unig yn 1981, pan fydd y adnabyddus R. Feynman , nododd ei bod yn amhosibl efelychu esblygiad system cwantwm ar gyfrifiadur clasurol mewn ffordd effeithlon. Cynigiodd fodel elfennol , a fydd yn gallu cynnal modelu o'r fath.
Mae yna ym mha yn cael ei ystyried yn fwy academaidd a manwl, ond byddwn yn mynd drosodd yn fyr:
Cerrig milltir mawr yn hanes creu cyfrifiaduron cwantwm:
- [1994]. P. Traeth. Cynlluniwyd gan
- [1998]. Wedi creu
- [2001]. Cyflwynodd IBM ddienyddiad ar gyfer ehangu rhif 15
- [2007-2016]. creu a datblygu cyfrifiadur gyda 128-2000 qubits
- [2012]. Gweithredwyd ym Mhrifysgol California
- [2016]. Google ar gyfrifiadur 9-qubit
- [2017]. (tri atom)
- [2019]. . Cyfrifiadur 20-qubit yn y cwmwl
- [2019]. . Cyfrifiadur 53 qubit. ?
Fel y gwelwch, mae 17 mlynedd wedi mynd heibio (o 1981 i 1998) o eiliad y syniad i'w weithrediad cyntaf mewn cyfrifiadur gyda 2 qubits, a 21 mlynedd (o 1998 i 2019) nes i nifer y cwbits gynyddu i 53. Cymerodd 11 mlynedd (o 2001 i 2012) i wella canlyniad algorithm Shor (byddwn yn edrych arno'n fanylach ychydig yn ddiweddarach) o'r rhif 15 i 21. Hefyd, dim ond tair blynedd yn ôl y daethom at y pwynt o gweithredu'r hyn y soniodd Feynman amdano, a dysgu modelu'r systemau ffisegol symlaf.
Mae datblygiad cyfrifiadura cwantwm yn araf. Mae gwyddonwyr a pheirianwyr yn wynebu tasgau anodd iawn, mae gwladwriaethau cwantwm yn fyrhoedlog ac yn fregus iawn, ac er mwyn eu cadw'n ddigon hir i wneud cyfrifiadau, mae'n rhaid iddynt adeiladu sarcophagi am ddegau o filiynau o ddoleri, lle mae'r tymheredd yn cael ei gynnal. ychydig yn uwch na sero absoliwt, ac sy'n cael eu hamddiffyn i'r eithaf rhag dylanwadau allanol. Nesaf byddwn yn siarad am y tasgau a'r problemau hyn yn fwy manwl.
Chwaraewyr Arwain
Mae'r sleidiau ar gyfer yr adran hon wedi'u cymryd o'r erthygl , gan ymchwilydd Alexei Fedorov. Gadewch imi roi dyfynbrisiau uniongyrchol i chi:
Mae pob gwlad sy'n dechnolegol lwyddiannus ar hyn o bryd wrthi'n datblygu technolegau cwantwm. Mae swm enfawr o arian yn cael ei fuddsoddi yn yr ymchwil hwn, ac mae rhaglenni arbennig i gefnogi technolegau cwantwm yn cael eu creu.
Nid yn unig taleithiau, ond hefyd mae cwmnïau preifat yn cymryd rhan yn y ras cwantwm. Yn ddiweddar, mae Google, IBM, Intel a Microsoft wedi buddsoddi tua $0,5 biliwn yn natblygiad cyfrifiaduron cwantwm ac wedi creu labordai mawr a chanolfannau ymchwil.
Mae llawer o erthyglau ar Habré ac ar y Rhyngrwyd, er enghraifft, , и , lle mae'r sefyllfa bresennol gyda datblygiad technolegau cwantwm mewn gwahanol wledydd yn cael ei archwilio'n fanylach. Y prif beth i ni nawr yw bod yr holl wledydd a chwaraewyr technolegol blaenllaw yn buddsoddi symiau enfawr o arian mewn ymchwil i'r cyfeiriad hwn, sy'n rhoi gobaith am ffordd allan o'r cyfyngder technolegol presennol.
Cyfarwyddiadau datblygu
Ar hyn o bryd (gallwn fod yn anghywir, cywirwch fi), mae prif ymdrechion (a chanlyniadau mwy neu lai arwyddocaol) yr holl chwaraewyr blaenllaw wedi'u crynhoi mewn dau faes:
- Cyfrifiaduron cwantwm arbenigol, sydd wedi'u hanelu at ddatrys un broblem benodol benodol, er enghraifft, problem optimeiddio. Enghraifft o gynnyrch yw cyfrifiaduron cwantwm D-Wave.
- Cyfrifiaduron cwantwm cyffredinol — sy'n gallu gweithredu algorithmau cwantwm mympwyol (Shor, Grover, ac ati). Gweithrediadau gan IBM, Google.
Fectorau datblygiad eraill y mae ffiseg cwantwm yn eu rhoi i ni, megis:
- fel sail i
- a llawer mwy
Wrth gwrs, mae hefyd ar y rhestr o feysydd ar gyfer ymchwil, ond ar hyn o bryd mae'n ymddangos nad oes canlyniadau mwy neu lai arwyddocaol.
Yn ogystal, gallwch ddarllen , wel, google "", Er enghraifft, , и .
Hanfodion. Gwrthrych cwantwm a systemau cwantwm
Y peth pwysicaf i'w ddeall o'r adran hon yw hynny
Cyfrifiadur cwantwm (yn wahanol i'r arfer) fel cludwyr gwybodaeth gwrthrychau cwantwm, ac i wneud cyfrifiadau, rhaid cysylltu gwrthrychau cwantwm i mewn system cwantwm.
Beth yw gwrthrych cwantwm?
Gwrthrych cwantwm - gwrthrych y microfyd (byd cwantwm) sy'n arddangos priodweddau cwantwm:
- Mae ganddo gyflwr diffiniedig gyda dwy lefel ffin
- Mae mewn arosodiad o'i gyflwr hyd foment y mesur
- Yn cysylltu ei hun â gwrthrychau eraill i greu systemau cwantwm
- Yn bodloni'r theorem dim clonio (ni ellir copïo cyflwr gwrthrych)
Edrychwn ar bob eiddo yn fwy manwl:
Mae ganddo gyflwr diffiniedig gyda dwy lefel ffin (cyflwr terfynol)
Enghraifft glasurol o'r byd go iawn yw darn arian. Mae ganddo gyflwr “ochr”, sy'n cymryd dwy lefel ffin - “pennau” a “cynffonnau”.
Mae mewn arosodiad o'i gyflwr hyd foment y mesur
Maent yn taflu darn arian, mae'n hedfan ac yn troelli. Tra ei fod yn cylchdroi, mae'n amhosibl dweud ym mha un o'r lefelau ffin y mae ei gyflwr “ochr”. Ond cyn gynted ag y byddwn yn ei slamio ac edrych ar y canlyniad, mae arosodiad taleithiau yn cwympo ar unwaith yn un o ddau gyflwr ffiniol - “pennau” a “cynffonnau”. Mae slapio darn arian yn ein hachos ni yn fesuriad.
Yn cysylltu ei hun â gwrthrychau eraill i greu systemau cwantwm
Mae'n anodd gyda darn arian, ond gadewch i ni geisio. Dychmygwch ein bod wedi taflu tri darn arian fel eu bod yn cylchdroi gan lynu wrth ei gilydd, mae hyn yn jyglo gyda darnau arian. Ar bob eiliad o amser, nid yn unig y mae pob un ohonynt mewn arosodiad o daleithiau, ond mae'r cyflyrau hyn yn dylanwadu ar ei gilydd (mae'r darnau arian yn gwrthdaro).
Yn bodloni'r theorem dim clonio (ni ellir copïo cyflwr gwrthrych)
Tra bod y darnau arian yn hedfan ac yn nyddu, nid oes unrhyw ffordd y gallwn greu copi o gyflwr nyddu unrhyw un o'r darnau arian, ar wahân i'r system. Mae'r system yn byw o fewn ei hun ac yn eiddigeddus iawn o ryddhau unrhyw wybodaeth i'r byd tu allan.
Ychydig mwy o eiriau am y cysyniad ei hun “arosodiadau”, ym mron pob erthygl esbonnir arosodiad fel “Mae ym mhob talaith ar yr un pryd”, sydd, wrth gwrs, yn wir, ond ar adegau yn ddryslyd yn ddiangen. Gellir dychmygu arosodiad cyflyrau hefyd fel y ffaith bod gan wrthrych cwantwm ar bob eiliad o amser mae yna debygolrwydd arbennig o gwympo i bob un o'i lefelau ffin, ac mae'r tebygolrwydd hwn yn naturiol yn hafal i 1. Yn ddiweddarach, wrth ystyried y cwbit, byddwn yn canolbwyntio ar hyn yn fanylach.
Ar gyfer darnau arian, gellir delweddu hyn - yn dibynnu ar y cyflymder cychwynnol, ongl y taflu, cyflwr yr amgylchedd y mae'r darn arian yn hedfan ynddo, mae'r tebygolrwydd o gael "pennau" neu "gynffonau" yn wahanol ar bob eiliad mewn amser. Ac, fel y soniwyd yn gynharach, gellir dychmygu cyflwr darn arian hedfan o'r fath fel “bod yn ei holl wladwriaethau terfyn ar yr un pryd, ond gyda thebygolrwydd gwahanol o'u gweithredu.”
Gellir defnyddio unrhyw wrthrych y bodlonir y priodweddau uchod ar ei gyfer ac y gallwn ei greu a'i reoli fel cludwr gwybodaeth mewn cyfrifiadur cwantwm.
Ychydig ymhellach byddwn yn siarad am y sefyllfa bresennol gyda gweithrediad corfforol qubits fel gwrthrychau cwantwm, a'r hyn y mae gwyddonwyr yn ei ddefnyddio ar hyn o bryd.
Felly mae'r trydydd eiddo yn nodi y gall gwrthrychau cwantwm fynd yn sownd i greu systemau cwantwm. Beth yw system cwantwm?
System cwantwm — system o wrthrychau cwantwm maglu sydd â'r priodweddau canlynol:
- Mae system cwantwm mewn arosodiad o bob cyflwr posibl o'r gwrthrychau y mae'n eu cynnwys
- Mae'n amhosibl gwybod cyflwr y system tan yr eiliad y caiff ei fesur
- Ar hyn o bryd o fesur, mae'r system yn gweithredu un o'r amrywiadau posibl o'i ffiniau
(ac, edrych ymlaen ychydig)
Canlyneb ar gyfer rhaglenni cwantwm:
- Mae gan raglen cwantwm gyflwr penodol y system yn y mewnbwn, arosodiad y tu mewn, arosodiad yn yr allbwn
- Ar allbwn y rhaglen ar ôl mesur mae gennym weithrediad tebygol o un o gyflyrau terfynol posibl y system (ynghyd â gwallau posibl)
- Mae gan unrhyw raglen cwantwm bensaernïaeth simnai (mewnbwn -> allbwn. Nid oes unrhyw ddolenni, ni allwch weld cyflwr y system yng nghanol y broses.)
Cymhariaeth o gyfrifiadur cwantwm ac un confensiynol
Gadewch i ni nawr gymharu cyfrifiadur confensiynol ac un cwantwm.
| cyfrifiadur rheolaidd | Cyfrifiadur cwantwm | |
|
Rhesymeg
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Ffiseg
|
Transistor lled-ddargludyddion | Gwrthrych cwantwm |
|
Cludwr gwybodaeth
|
Lefelau foltedd | Pegynu, troelli,… |
|
Gweithrediadau
|
NID, A, NEU, XOR dros ddarnau | Falfiau: CNOT, Hadamard,… |
|
Perthynas
|
Sglodion lled-ddargludyddion | Dryswch â'i gilydd |
|
Algorithmau
|
Safonol (gweler Chwip) | Cwnstabliaid Gwirfoddol (Shore, Grover) |
|
Egwyddor
|
Digidol, penderfynol | Analog, tebygol |
Lefel rhesymeg
Mewn cyfrifiadur rheolaidd mae hyn yn dipyn. Yn adnabyddus i ni drwyddo a thrwy darn penderfynol. Gall gymryd gwerthoedd o naill ai 0 neu 1. Mae'n ymdopi'n berffaith â'r rôl uned resymegol ar gyfer cyfrifiadur rheolaidd, ond yn gwbl anaddas ar gyfer disgrifio'r cyflwr gwrthrych cwantwm, sydd, fel y dywedasom eisoes, yn y gwyllt wedi ei leoli ynarosodiadau eu taleithiau terfyn.
Dyma beth wnaethon nhw feddwl . Yn ei daleithiau ffin mae'n gwireddu cyflyrau tebyg i 0 ac 1 , ac mewn arosodiad yn cynrychioli dosbarthiad tebygolrwydd dros ei gyflwr terfyn |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1cynrychiolia a b , a sgwariau eu modiwlau yw'r tebygolrwydd gwirioneddol o gael union werthoedd o'r fath o'r cyflyrau terfyn |0> и |1>, os byddwch yn cwympo'r qubit gyda mesuriad ar hyn o bryd.
Haen gorfforol
Ar y lefel dechnolegol bresennol o ddatblygiad, mae gweithredu corfforol ychydig ar gyfer cyfrifiadur confensiynol transistor lled-ddargludyddion, ar gyfer cwantwm, fel y dywedasom eisoes, unrhyw wrthrych cwantwm. Yn yr adran nesaf byddwn yn siarad am yr hyn sy'n cael ei ddefnyddio ar hyn o bryd fel cyfryngau ffisegol ar gyfer qubits.
Cyfrwng storio
Ar gyfer cyfrifiadur rheolaidd mae hyn trydan - lefelau foltedd, presenoldeb neu absenoldeb cerrynt, ac ati, ar gyfer cwantwm - yr un peth cyflwr gwrthrych cwantwm (cyfeiriad polareiddio, sbin, ac ati), a all fod mewn cyflwr o arosodiad.
Gweithrediadau
I weithredu cylchedau rhesymeg ar gyfrifiadur rheolaidd, rydym yn defnyddio adnabyddus , ar gyfer gweithrediadau ar qubits roedd yn angenrheidiol i ddod i fyny gyda system gwbl wahanol o weithrediadau, a elwir . Gall gatiau fod yn un cwbit neu'n ddwbl qubit, yn dibynnu ar faint o qubits sy'n cael eu trosi.
Enghreifftiau o gatiau cwantwm:
Mae yna gysyniad set falf cyffredinol, sy'n ddigonol i wneud unrhyw gyfrifiad cwantwm. Er enghraifft, mae set gyffredinol yn cynnwys giât Hadamard, giât shifft cam, giât CNOT, a giât π⁄8. Gyda'u cymorth, gallwch chi wneud unrhyw gyfrifiad cwantwm ar set mympwyol o qubits.
Yn yr erthygl hon ni fyddwn yn canolbwyntio'n fanwl ar y system o gatiau cwantwm; gallwch ddarllen mwy amdanynt a gweithrediadau rhesymegol ar qubits, er enghraifft, . Y prif beth i'w gofio:
- Mae gweithrediadau ar wrthrychau cwantwm yn gofyn am greu gweithredwyr rhesymegol newydd (giatiau cwantwm)
- Daw gatiau cwantwm mewn mathau un-qubit a dwbl-qubit.
- Mae setiau cyffredinol o gatiau y gellir eu defnyddio i wneud unrhyw gyfrifiant cwantwm
Perthynas
Mae un transistor yn gwbl ddiwerth i ni; er mwyn gwneud cyfrifiadau mae angen i ni gysylltu llawer o'r transistorau â'i gilydd, hynny yw, creu sglodyn lled-ddargludyddion o filiynau o dransistorau i adeiladu cylchedau rhesymegol arnynt, ac, yn y pen draw, cael prosesydd modern yn ei ffurf glasurol.
Mae un qubit hefyd yn gwbl ddiwerth i ni (wel, os mewn termau academaidd yn unig),
i wneud cyfrifiadau mae angen system o qubits (gwrthrychau cwantwm)
sydd, fel y dywedasom eisoes, yn cael ei greu trwy glymu cwbits â'i gilydd fel bod newidiadau yn eu cyflwr yn digwydd mewn modd cydgysylltiedig.
Algorithmau
Mae'r algorithmau safonol y mae dynoliaeth wedi'u cronni hyd yn hyn yn gwbl anaddas i'w gweithredu ar gyfrifiadur cwantwm. Oes, yn gyffredinol nid oes angen. Mae cyfrifiaduron cwantwm sy'n seiliedig ar resymeg adwy dros qubits yn gofyn am greu algorithmau cwbl wahanol, algorithmau cwantwm. O'r algorithmau cwantwm mwyaf adnabyddus, gellir gwahaniaethu rhwng tri:
- (ffactoreiddio)
- (chwiliad cyflym mewn cronfa ddata heb ei drefnu)
- (ateb i'r cwestiwn, swyddogaeth gyson neu gytbwys)
Egwyddor
A'r gwahaniaeth pwysicaf yw'r egwyddor weithredu. Ar gyfer cyfrifiadur safonol mae hyn digidol, egwyddor gwbl benderfyniaethol, yn seiliedig ar y ffaith, os byddwn yn gosod rhywfaint o gyflwr cychwynnol y system a'i basio trwy algorithm penodol, yna bydd canlyniad y cyfrifiadau yr un peth, ni waeth faint o weithiau y byddwn yn rhedeg y cyfrifiad hwn. Mewn gwirionedd, yr ymddygiad hwn yw'r union beth yr ydym yn ei ddisgwyl gan gyfrifiadur.
Cyfrifiadur Quantum yn rhedeg ymlaen analogue, egwyddor debygol. Canlyniad algorithm penodol ar gyflwr cychwynnol penodol yw sampl o ddosraniad tebygolrwydd gweithrediadau terfynol yr algorithm ynghyd â gwallau posibl.
Hanfod debygol iawn y byd cwantwm sy'n gyfrifol am natur debygol cyfrifiadura cwantwm. “Nid yw Duw yn chwarae dis gyda’r bydysawd.”, meddai hen Einstein, ond mae'r holl arbrofion ac arsylwadau hyd yn hyn (yn y patrwm gwyddonol presennol) yn cadarnhau'r gwrthwyneb.
Gweithrediadau ffisegol qubits
Fel y dywedasom eisoes, gall qubit gael ei gynrychioli gan wrthrych cwantwm, hynny yw, gwrthrych ffisegol sy'n gweithredu'r priodweddau cwantwm a ddisgrifir uchod. Hynny yw, yn fras, gellir defnyddio unrhyw wrthrych ffisegol lle mae dau gyflwr ac mae'r ddau gyflwr hyn mewn cyflwr o arosodiad i adeiladu cyfrifiadur cwantwm.
“Os gallwn ni roi atom mewn dwy lefel wahanol a’u rheoli, yna mae gennych chi qubit. Os gallwn ni wneud hyn gydag ïon, mae'n qubit. Mae'r un peth gyda'r presennol. Os byddwn yn ei redeg yn glocwedd ac yn wrthglocwedd ar yr un pryd, mae gennych chi qubit.”
Mae к , lle mae'r amrywiaeth bresennol o weithrediadau corfforol y qubit yn cael ei ystyried yn fwy manwl, byddwn yn rhestru'r rhai mwyaf adnabyddus a chyffredin yn syml:
- a llawer o syniadau egsotig eraill (anionau, ac ati)
O'r holl amrywiaeth hwn, y mwyaf datblygedig yw'r dull cyntaf o gael qubits, yn seiliedig ar . , , ac mae chwaraewyr blaenllaw eraill yn ei ddefnyddio i adeiladu eu systemau.
Wel, darllenwch fwy posibl qubits o .
Hanfodion. Sut mae cyfrifiadur cwantwm yn gweithio
Daw'r deunyddiau ar gyfer yr adran hon (tasg a lluniau) o'r erthygl .
Felly, dychmygwch fod gennym y dasg ganlynol:
Mae yna grŵp o dri o bobl: (A)ndrey, (B) olodya a (C)erezha. Mae dau dacsi (0 ac 1).
Mae hefyd yn hysbys bod:
- Mae (A)ndrey, (B)olodya yn ffrindiau
- Mae (A)ndrey, (C) erezha yn elynion
- Mae (B) olodya a (C)erezha yn elynion
Tasg: Rhowch bobl mewn tacsis fel bod Uchafswm (ffrindiau) и Isaf (gelynion)
Rating: L = (nifer o ffrindiau) - (nifer y gelynion) ar gyfer pob opsiwn llety
PWYSIG: Gan dybio nad oes unrhyw heuristics, nid oes ateb gorau posibl. Yn yr achos hwn, dim ond trwy chwiliad cyflawn o opsiynau y gellir datrys y broblem.
Ateb ar gyfrifiadur arferol
Sut i ddatrys y broblem hon ar gyfrifiadur (neu glwstwr) rheolaidd (uwch) - mae'n amlwg hynny mae angen i chi ddolennu trwy'r holl opsiynau posibl. Os oes gennym system amlbrosesydd, yna gallwn gyfochrog â chyfrifo datrysiadau ar draws sawl prosesydd ac yna casglu'r canlyniadau.
Mae gennym ni 2 opsiwn llety posib (tacsi 0 a thacsi 1) a 3 pherson. Gofod datrysiad 2^3 = 8. Gallwch hyd yn oed fynd trwy 8 opsiwn gan ddefnyddio cyfrifiannell, nid yw hyn yn broblem. Nawr, gadewch i ni gymhlethu'r broblem - mae gennym ni 20 o bobl a dau fws, y gofod ateb 2^20 = 1. Dim byd cymhleth chwaith. Gadewch i ni gynyddu nifer y bobl 2.5 gwaith - cymerwch 50 o bobl a dau drên, mae'r gofod datrysiad bellach 2^50 = 1.12 x 10^15. Mae cyfrifiadur cyffredin (uwch) eisoes yn dechrau cael problemau difrifol. Gadewch i ni gynyddu nifer y bobl 2 waith, bydd 100 o bobl yn ei roi i ni eisoes 1.2 x 10 ^ 30 opsiynau posibl.
Dyna ni, ni ellir cyfrifo'r dasg hon mewn cyfnod rhesymol o amser.
Cysylltu uwchgyfrifiadur
Y cyfrifiadur mwyaf pwerus ar hyn o bryd yw rhif 1 o Mae'n , cynhyrchiant 122 . Gadewch i ni dybio bod angen 100 o lawdriniaethau i gyfrifo un opsiwn, yna i ddatrys y broblem ar gyfer 100 o bobl bydd angen:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 mlynedd.
Fel y gwelwn wrth i ddimensiwn y data cychwynnol gynyddu, mae'r gofod datrysiad yn tyfu yn unol â chyfraith pŵer, yn yr achos cyffredinol, ar gyfer darnau N mae gennym 2^N opsiynau datrysiad posibl, sydd ar gyfer N cymharol fach (100) yn rhoi gofod datrysiad heb ei gyfrifo (ar y lefel dechnolegol bresennol) i ni.
A oes unrhyw ddewisiadau eraill? Fel y gallech fod wedi dyfalu, oes, mae yna.
Ond cyn i ni fynd i mewn i sut a pham y gall cyfrifiaduron cwantwm ddatrys problemau fel y rhain yn effeithiol, gadewch i ni gymryd eiliad i ailadrodd beth ydyn nhw. dosbarthiad tebygolrwydd. Peidiwch â dychryn, mae hon yn erthygl adolygu, ni fydd unrhyw fathemateg galed yma, byddwn yn gwneud y tro gyda'r enghraifft glasurol gyda bag a pheli.
Dim ond ychydig o combinatorics, theori tebygolrwydd ac arbrofwr rhyfedd
Gadewch i ni gymryd bag a'i roi ynddo 1000 o beli gwyn a 1000 o beli du. Byddwn yn cynnal arbrawf - tynnu'r bêl allan, ysgrifennu'r lliw, dychwelyd y bêl i'r bag a chymysgu'r peli yn y bag.
Cynhaliwyd yr arbrawf 10 gwaith, tynnu allan 10 pêl ddu. Efallai? Eithaf. A yw'r sampl hwn yn rhoi unrhyw syniad rhesymol inni o'r gwir ddosbarthiad yn y bag? Yn amlwg ddim. Beth sydd angen ei wneud - iawn, tailadrodd yr arbrawf filiwn o weithiau a chyfrifo amleddau peli du a gwyn. Cawn, er enghraifft 49.95% du a 50.05% gwyn. Yn yr achos hwn, mae strwythur y dosbarthiad yr ydym yn samplu ohono (tynnu un bêl allan) eisoes fwy neu lai yn glir.
Y prif beth yw deall hynny mae gan yr arbrawf ei hun natur debygol, gydag un sampl (pêl) ni fyddwn yn gwybod gwir strwythur y dosbarthiad, mae angen inni ailadrodd yr arbrawf lawer gwaith a chyfartaledd y canlyniadau.
Gadewch i ni ei ychwanegu at ein bag 10 pêl goch a 10 pêl werdd (gwallau). Gadewch i ni ailadrodd yr arbrawf 10 gwaith. YNtynnu allan 5 coch a 5 gwyrdd. Efallai? Oes. Gallwn ddweyd rhywbeth am y gwir ddosraniad — Na. Beth sydd angen ei wneud - wel, rydych chi'n deall.
Er mwyn ennill dealltwriaeth o strwythur dosraniad tebygolrwydd, mae angen samplu canlyniadau unigol o'r dosraniad hwn dro ar ôl tro a chyfartaleddu'r canlyniadau.
Cysylltu theori ag ymarfer
Nawr yn lle peli du a gwyn, gadewch i ni gymryd peli biliards a'u rhoi mewn bag 1000 o beli gyda rhif 2, 1000 gyda pheli rhif 7 a 10 gyda rhifau eraill. Gadewch i ni ddychmygu arbrofwr sydd wedi'i hyfforddi yn y camau symlaf (tynnwch bêl allan, ysgrifennwch y rhif, rhowch y bêl yn ôl yn y bag, cymysgwch y peli yn y bag) ac mae'n gwneud hyn mewn 150 microseconds. Wel, arbrofwr o'r fath ar gyflymder (nid hysbyseb cyffuriau!!!). Yna mewn 150 eiliad bydd yn gallu perfformio ein harbrawf 1 miliwn o weithiau a rhoi'r canlyniadau cyfartalog i ni.
Eisteddodd yr arbrofwr i lawr, rhoi bag iddo, troi i ffwrdd, aros 150 eiliad a derbyn:
rhif 2 - 49.5%, rhif 7 - 49.5%, y niferoedd sy'n weddill i gyd - 1%.
Ydy Mae hynny'n gywir, mae ein bag yn gyfrifiadur cwantwm gydag algorithm sy'n datrys ein problem, ac mae'r peli yn atebion posibl. Gan fod dau ateb cywir, felly bydd cyfrifiadur cwantwm yn rhoi unrhyw un o'r atebion posibl hyn i ni gyda thebygolrwydd cyfartal, a gwallau 0.5% (10/2000)., y byddwn yn siarad amdano yn nes ymlaen.
I gael canlyniad cyfrifiadur cwantwm, mae angen i chi redeg yr algorithm cwantwm sawl gwaith ar yr un set ddata mewnbwn a chyfartaledd y canlyniad.
Scalability cyfrifiadur cwantwm
Nawr dychmygwch hynny ar gyfer tasg sy'n cynnwys 100 o bobl (gofod datrysiad 2^100 cofiwn hyn), nid oes hefyd ond dau benderfyniad cywir. Yna, os byddwn yn cymryd 100 qubits ac yn ysgrifennu algorithm sy'n cyfrifo ein swyddogaeth gwrthrychol (L, gweler uchod) dros y cwbits hyn, yna byddwn yn cael bag lle bydd 1000 o beli gyda rhif yr ateb cywir cyntaf, 1000 gyda rhif yr ail ateb cywir a 10 pêl gyda rhifau eraill. Ac o fewn yr un 150 eiliad bydd ein harbrofwr yn rhoi amcangyfrif i ni o ddosbarthiad tebygolrwydd atebion cywir.
Gellir ystyried bod amser gweithredu algorithm cwantwm (gyda rhai tybiaethau) yn gyson O(1) mewn perthynas â dimensiwn y gofod datrysiad (2^N).
Ac mae hyn yn union eiddo cyfrifiadur cwantwm - cysondeb amser rhedeg mewn perthynas â chyfraith pŵer cynyddol cymhlethdod y gofod ateb yw'r allwedd.
Qubit a bydoedd cyfochrog
Sut mae hyn yn digwydd? Beth sy'n caniatáu i gyfrifiadur cwantwm wneud cyfrifiadau mor gyflym? Mae'n ymwneud â natur cwantwm y qubit.
Edrychwch, dywedasom fod cwbit fel gwrthrych cwantwm yn sylweddoli un o'i ddau gyflwr wrth arsylwi, ond mewn “ natur wyllt ” y mae i mewn arosodiadau taleithiau, hynny yw, ei fod yn ei ddau gyflwr terfyn ar yr un pryd (gyda pheth tebygolrwydd).
Gadewch i ni gymryd (A)ndreya a dychmygwch ei gyflwr (ymha gerbyd y mae - 0 neu 1) fel cwbit. Yna mae gennym ni (yn y gofod cwantwm) dau fyd cyfochrog, mewn un (A) yn eistedd mewn tacsi 0, mewn byd arall - mewn tacsi 1. Mewn dau dacsi ar yr un pryd, ond gyda pheth tebygolrwydd o ddod o hyd iddo ym mhob un ohonynt yn ystod arsylwi.
Gadewch i ni gymryd (B) ifanc a gadewch i ni hefyd ddychmygu ei gyflwr fel cwbit. Mae dau fyd cyfochrog arall yn codi. Ond am y tro y parau hyn o fydoedd (A) и (AT) peidiwch â rhyngweithio o gwbl. Beth sydd angen ei wneud i greu perthynol system? Mae hynny'n iawn, mae angen y qubits hyn arnom clymu (drysu). Rydym yn ei gymryd ac yn ei ddrysu (A) gyda (B) — rydym yn cael system cwantwm o ddau qubit (A, B), sylweddoli o fewn ei hun bedwar rhyngddibynnol bydoedd cyfochrog. Ychwanegu (S)ergei a chawn system o dri qubits (ABC), gweithredu wyth rhyngddibynnol bydoedd cyfochrog.
Hanfod cyfrifiadura cwantwm (gweithredu cadwyn o gatiau cwantwm dros system o qubits cysylltiedig) yw'r ffaith bod y cyfrifiad yn digwydd ym mhob byd cyfochrog ar yr un pryd.
A does dim ots faint ohonyn nhw sydd gennym ni, 2^3 neu 2^100, bydd yr algorithm cwantwm yn cael ei weithredu mewn amser cyfyngedig dros yr holl fydoedd cyfochrog hyn a bydd yn rhoi canlyniad i ni, sef sampl o ddosbarthiad tebygolrwydd ymatebion yr algorithm.
Er mwyn deall yn well, gellir dychmygu hynny mae cyfrifiadur cwantwm ar y lefel cwantwm yn rhedeg 2^N prosesau datrysiad cyfochrog, pob un ohonynt yn gweithio ar un opsiwn posibl, yna yn casglu canlyniadau'r gwaith - a yn rhoi'r ateb i ni ar ffurf arosodiad o'r datrysiad (dosbarthiad tebygolrwydd o ymatebion), ac o hynny rydym yn samplu un bob tro (ar gyfer pob arbrawf).
Cofiwch yr amser sydd ei angen ar ein harbrofwr (150 µs) i gynnal yr arbrawf, bydd hyn yn ddefnyddiol i ni ychydig ymhellach, pan fyddwn yn sôn am brif broblemau cyfrifiaduron cwantwm a'r amser dadgydlyniad.
Algorithmau cwantwm
Fel y crybwyllwyd eisoes, nid yw algorithmau confensiynol sy'n seiliedig ar resymeg ddeuaidd yn berthnasol i gyfrifiadur cwantwm sy'n defnyddio rhesymeg cwantwm (giatiau cwantwm). Iddo ef, roedd angen meddwl am rai newydd sy'n manteisio'n llawn ar y potensial sy'n gynhenid i natur cwantwm cyfrifiadureg.
Yr algorithmau mwyaf adnabyddus heddiw yw:
Yn wahanol i rai clasurol, nid yw cyfrifiaduron cwantwm yn gyffredinol.
Dim ond nifer fach o algorithmau cwantwm sydd wedi'u canfod hyd yn hyn.
Diolch am y ddolen i , man lle, yn ôl yr awdur (), mae cynrychiolwyr gorau'r byd cwantwm-algorithmig wedi'u casglu ac yn parhau i gasglu.
Yn yr erthygl hon ni fyddwn yn dadansoddi algorithmau cwantwm yn fanwl; mae yna lawer o ddeunyddiau rhagorol ar y Rhyngrwyd ar gyfer unrhyw lefel o gymhlethdod, ond mae angen i ni fynd yn fyr dros y tri rhai mwyaf enwog o hyd.
Algorithm Shor.
Yr algorithm cwantwm mwyaf enwog yw (a ddyfeisiwyd yn 1994 gan y mathemategydd Saesneg ), sydd wedi'i anelu at ddatrys y broblem o ffactorio rhifau yn ffactorau cysefin (problem ffactoreiddio, logarithm arwahanol).
Yr algorithm hwn a nodir fel enghraifft pan fyddant yn ysgrifennu y bydd eich systemau bancio a'ch cyfrineiriau yn cael eu hacio'n fuan. O ystyried nad yw hyd yr allweddi a ddefnyddir heddiw yn ddim llai na 2048 did, nid yw'r amser ar gyfer cap wedi dod eto.
Hyd yn hyn yn fwy na diymhongar. Canlyniadau Ffactoreiddio Gorau gydag Algorithm Shor - Rhifau и , sy'n llawer llai na 2048 did. Ar gyfer y canlyniadau sy'n weddill o'r tabl, un gwahanol cyfrifiadau, ond hyd yn oed y canlyniad gorau yn ôl yr algorithm hwn (291311) yn bell iawn o gais go iawn.
Gallwch ddarllen mwy am algorithm Shor, er enghraifft,. Ynglŷn â gweithredu ymarferol - .
Un o cymhlethdod a'r pŵer gofynnol i ffactorio rhif 2048-did yw cyfrifiadur gyda . Cysgwn yn dawel.
algorithm Grover
- datrys y broblem rhifo, hynny yw, dod o hyd i ateb i'r hafaliad F(X) = 1, lle mae F o n newidynnau. Cynigiwyd gan fathemategydd Americanaidd в .
Gellir defnyddio algorithm Grover i ddarganfod и cyfres rhif. Yn ogystal, gellir ei ddefnyddio i ddatrys problemau trwy chwiliad cynhwysfawr ymhlith llawer o atebion posibl. Gall hyn olygu enillion cyflymder sylweddol o gymharu ag algorithmau clasurol, er heb ddarparu "" yn gyffredinol.
Gallwch ddarllen mwyNeu ... Ac eto Mae esboniad da o'r algorithm gan ddefnyddio'r enghraifft o blychau a phêl, ond, yn anffodus, am resymau y tu hwnt i reolaeth unrhyw un, nid yw'r wefan hon yn agor i mi o Rwsia. Os oes gennych chi wedi'i rwystro hefyd, felly dyma grynodeb byr:
algorithm Grover. Dychmygwch fod gennych N darn o flychau caeedig wedi'u rhifo. Maent i gyd yn wag ac eithrio un, sy'n cynnwys pêl. Eich tasg: darganfyddwch rif y blwch y mae'r bêl ynddo (mae'r rhif anhysbys hwn yn aml yn cael ei ddynodi gan y llythyren w).
Sut i ddatrys y broblem hon? Y ffordd fwyaf dwl yw cymryd tro yn agor y blychau, ac yn hwyr neu'n hwyrach byddwch yn dod ar draws bocs gyda phêl. Ar gyfartaledd, faint o focsys sydd angen eu gwirio cyn dod o hyd i flwch gyda phêl? Ar gyfartaledd, mae angen ichi agor tua hanner y blychau N/2. Y prif beth yma yw, os byddwn yn cynyddu nifer y blychau 100 gwaith, yna bydd nifer cyfartalog y blychau y mae angen eu hagor cyn dod o hyd i'r blwch gyda'r bêl hefyd yn cynyddu gan yr un 100 gwaith.
Nawr gadewch i ni wneud un eglurhad arall. Gadewch inni beidio ag agor y blychau ein hunain gyda'n dwylo a gwirio am bresenoldeb pêl ym mhob un, ond mae yna gyfryngwr penodol, gadewch i ni ei alw'n Oracle. Rydyn ni'n dweud wrth yr Oracle, “ticiwch blwch rhif 732,” ac mae'r Oracle yn gwirio ac yn ateb yn onest, “does dim pêl ym mlwch rhif 732.” Nawr, yn lle dweud faint o focsys sydd angen i ni eu hagor ar gyfartaledd, rydyn ni’n dweud “sawl gwaith ar gyfartaledd y dylen ni fynd i’r Oracle er mwyn darganfod nifer y blwch gyda’r bêl”
Mae'n ymddangos, os ydym yn cyfieithu'r broblem hon gyda blychau, pêl a'r Oracle i iaith cwantwm, rydym yn cael canlyniad rhyfeddol: i ddod o hyd i nifer y blwch gyda phêl ymhlith blychau N, mae angen i ni aflonyddu ar yr Oracle yn unig am SQRT (N) amseroedd!
Hynny yw, mae cymhlethdod y dasg chwilio gan ddefnyddio algorithm Grover yn cael ei leihau gan wraidd sgwâr yr amseroedd.
Algorithm Deutsch-Jozi
Algorithm Deutsch-Jozsa (a elwir hefyd yn algorithm Deutsch-Jozsa) - [algorithm cwantwm](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , a daeth yn un o'r enghreifftiau cyntaf o algorithmau a ddyluniwyd i'w gweithredu arnynt . _
Y broblem Deutsch-Jozsi yw penderfynu a yw ffwythiant sawl newidyn deuaidd F(x1, x2, ... xn) yn gyson (yn cymryd naill ai'r gwerth 0 neu 1 ar gyfer unrhyw ddadl) neu'n gytbwys (ar gyfer hanner y parth mae'n ei gymryd y gwerth 0, am yr hanner arall 1). Yn yr achos hwn, fe'i hystyrir yn priori hysbys bod y swyddogaeth naill ai'n gyson neu'n gytbwys.
Gallwch chi hefyd ddarllen . Esboniad symlach:
Mae algorithm Deutsch (Deutsch-Jozsi) yn seiliedig ar rym 'n Ysgrublaidd, ond mae'n caniatáu iddo gael ei wneud yn gyflymach nag arfer. Dychmygwch fod darn arian ar y bwrdd a bod angen ichi ddarganfod a yw'n ffug ai peidio. I wneud hyn, mae angen i chi edrych ar y darn arian ddwywaith a phenderfynu: mae "pennau" a "chynffonau" yn real, mae dau "ben", dwy "gynffon" yn ffug. Felly, os ydych chi'n defnyddio algorithm cwantwm Deutsch, yna gellir gwneud y penderfyniad hwn gydag un cipolwg - mesur.
Problemau cyfrifiaduron cwantwm
Wrth ddylunio a gweithredu cyfrifiaduron cwantwm, mae gwyddonwyr a pheirianwyr yn wynebu nifer enfawr o broblemau, sydd hyd yma wedi'u datrys gyda graddau amrywiol o lwyddiant. Yn ôl () gellir nodi'r gyfres ganlynol o broblemau:
- Sensitifrwydd i'r amgylchedd a rhyngweithio â'r amgylchedd
- Cronni gwallau yn ystod cyfrifiadau
- Anawsterau wrth gychwyn cyflyrau cwbit i ddechrau
- Anawsterau wrth greu systemau aml-qubit
Rwy'n argymell yn fawr darllen yr erthygl "”, yn enwedig y sylwadau iddo.
Gadewch i ni drefnu'r holl brif broblemau yn dri grŵp mawr ac edrych yn agosach ar bob un ohonynt:
Anghydlyniad
.
Cyflwr cwantwm peth bregus iawnmae cwbits mewn cyflwr maglu yn hynod o ansefydlog, gall (ac mae) unrhyw ddylanwad allanol ddinistrio'r cysylltiad hwn. Newid tymheredd gan y ffracsiwn lleiaf o radd, gwasgedd, ffoton ar hap yn hedfan gerllaw - mae hyn i gyd yn ansefydlogi ein system.
Er mwyn datrys y broblem hon, mae sarcophagi tymheredd isel yn cael eu hadeiladu, lle mae'r tymheredd (-273.14 gradd Celsius) ychydig yn uwch na sero absoliwt, gydag ynysu uchaf y siambr fewnol gyda'r prosesydd rhag holl ddylanwadau (posibl) yr amgylchedd allanol.
Gelwir hyd oes uchaf system cwantwm o sawl cwbit wedi'u maglu, pan fydd yn cadw ei briodweddau cwantwm ac y gellir ei ddefnyddio ar gyfer cyfrifiadau, yn amser datgydlyniad.
Ar hyn o bryd, mae'r amser dadgydlyniad yn yr atebion cwantwm gorau ar y drefn degau a channoedd o ficrosecondau.
Mae gwych lle gallwch chi edrych o'r holl systemau cwantwm a grëwyd. Mae'r erthygl hon yn cynnwys dim ond dau brif brosesydd fel enghreifftiau - gan IBM ac oddi yno . Fel y gallwn weld, nid yw'r amser dad-gydlyniad (T2) yn fwy na 200 μs.
Ni ddarganfyddais union ddata ar Sycamorwydden, ond yn y rhan fwyaf rhoddir dau rif - 1 miliwn o gyfrifiadau mewn 200 eiliad, mewn man arall — am 130 eiliad heb golli signalau rheoli, ac ati.. Mewn unrhyw achos, mae hyn yn rhoi i ni mae amser datgydlyniad tua 150 μs. Cofiwch ein arbrofwr gyda bag? Wel, dyma fe.
| Enw Cyfrifiadur | N Qubits | Max paru | T2 (µs) |
| IBM Q System Un | 20 | 6 | 70 |
| Sycamorwydden Google | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Beth mae dad-gydlyniad yn ein bygwth ni?
Y brif broblem yw, ar ôl 150 μs, y bydd ein system gyfrifiadurol o qubits N sownd yn dechrau allbynnu sŵn gwyn tebygol yn hytrach na dosbarthiad tebygol o atebion cywir.
Hynny yw, mae angen inni:
- Cychwyn y system qubit
- Perfformio cyfrifiad (cadwyn o weithrediadau giât)
- Darllenwch y canlyniad
A gwnewch hyn i gyd mewn 150 microseconds. Doedd gen i ddim amser - trodd y canlyniad yn bwmpen.
Ond nid dyna'r cyfan…
Gwallau
Fel y dywedasom, mae prosesau cwantwm a chyfrifiadura cwantwm yn debygol eu natur, ni allwn fod 100% yn sicr o unrhyw beth, ond dim ond gyda rhywfaint o debygolrwydd. Gwaethygir y sefyllfa ymhellach gan y ffaith fod mae cyfrifiadura cwantwm yn dueddol o gamgymeriadau. Y prif fathau o wallau mewn cyfrifiadura cwantwm yw:
- Mae gwallau cydlyniad yn cael eu hachosi gan gymhlethdod y system a'r rhyngweithio â'r amgylchedd allanol
- Gwallau cyfrifiannol giât (oherwydd natur cwantwm cyfrifiant)
- Gwallau wrth ddarllen y cyflwr terfynol (canlyniad)
Gwallau sy'n gysylltiedig â dad-gydlyniad, yn ymddangos cyn gynted ag y byddwn yn maglu ein qubits a dechrau gwneud cyfrifiadau. Po fwyaf o qubits rydym yn maglu, y mwyaf cymhleth yw'r system, a'r hawsaf yw ei ddinistrio. Mae sarcophagi tymheredd isel, siambrau gwarchodedig, yr holl driciau technolegol hyn wedi'u hanelu'n union at leihau nifer y gwallau ac ymestyn yr amser dadgydlyniad.
Gwallau cyfrifiannol Gate - gall unrhyw weithrediad (giât) ar qubits, gyda pheth tebygolrwydd, ddod i ben gyda gwall, ac i weithredu'r algorithm mae angen i ni berfformio cannoedd o gatiau, felly dychmygwch yr hyn a gawn ar ddiwedd gweithrediad ein algorithm. Yr ateb clasurol i'r cwestiwn yw "Beth yw'r tebygolrwydd o gwrdd â deinosor mewn elevator?" - 50x50, naill ai byddwch chi'n cwrdd ai peidio.
Gwaethygir y broblem ymhellach gan y ffaith nad yw dulliau cywiro gwall safonol (dyblygu cyfrifiadau a chyfartaleddu) yn gweithio yn y byd cwantwm oherwydd y theorem dim clonio. Canys mewn cyfrifiadura cwantwm roedd yn rhaid ei ddyfeisio . Yn fras, rydyn ni'n cymryd N cwbits cyffredin ac yn gwneud 1 ohonyn nhw cwbit rhesymegol gyda chyfradd gwallau is.
Ond dyma broblem arall yn codi - cyfanswm nifer y cwbits. Edrychwch, gadewch i ni ddweud bod gennym ni brosesydd gyda 100 qubits, gyda 80 cwbits yn cael eu defnyddio ar gyfer cywiro gwallau, yna dim ond 20 sydd gennym ar ôl ar gyfer cyfrifiadau.
Gwallau wrth ddarllen y canlyniad terfynol — fel y cofiwn, cyflwynir canlyniad cyfrifiadau cwantwm i ni yn y ffurf dosbarthiad tebygolrwydd o atebion. Ond gall darllen y cyflwr terfynol hefyd fethu â gwall.
Ar yr un Ceir tablau cymharol o broseswyr yn ôl lefelau gwall. Er mwyn cymharu, gadewch i ni gymryd yr un proseswyr ag yn yr enghraifft flaenorol - IBM и :
| cyfrifiadur | 1-Ffyddlondeb Gate Qubit | 2-Ffyddlondeb Porth Qubit | Darllen Allan Fidelity |
| IBM Q System Un | 99.96% | 98.31% | - |
| Sycamorwydden Google | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Yma yn fesur o debygrwydd dau gyflwr cwantwm. Gellir mynegi maint y gwall yn fras fel 1-Fidelity. Fel y gallwn weld, gwallau ar gatiau 2-qubit a gwallau darllen allan yw'r prif rwystr i weithredu algorithmau cymhleth a hir ar gyfrifiaduron cwantwm presennol.
Gallwch chi hefyd ddarllen mlynedd o i ddatrys y broblem o gywiro gwall.
Pensaernïaeth prosesydd
Mewn egwyddor, rydym yn adeiladu ac yn gweithredu cylchedau o ddwsinau o qubits maglu, mewn gwirionedd mae popeth yn fwy cymhleth. Mae'r holl sglodion cwantwm (proseswyr) presennol yn cael eu hadeiladu yn y fath fodd fel eu bod yn darparu di-boen cyfathrachu un cwbit yn unig â'i gymdogion, o'r rhai nid oes mwy na chwech.
Os bydd angen i ni gysylltu'r cwbit 1af, dyweder, gyda'r 12fed, yna bydd yn rhaid i ni adeiladu cadwyn o weithrediadau cwantwm ychwanegol, cynnwys cwbits ychwanegol, ac ati, sy'n cynyddu'r lefel gwallau cyffredinol. Ie, a pheidiwch ag anghofio am amser dadgydlyniad, efallai erbyn i chi orffen cysylltu'r qubits i'r gylched sydd ei angen arnoch, bydd amser yn dod i ben a bydd y gylched gyfan yn troi'n generadur sŵn gwyn braf.
Hefyd, peidiwch ag anghofio hynny Mae pensaernïaeth yr holl broseswyr cwantwm yn wahanol, a bydd angen “ail-grynhoi” y rhaglen a ysgrifennwyd yn yr efelychydd yn y modd “cysylltedd popeth-i-bawb” ym mhensaernïaeth sglodyn penodol. Mae hyd yn oed i gyflawni'r llawdriniaeth hon.
Uchafswm cysylltedd ac uchafswm nifer y qubits ar gyfer yr un sglodion uchaf:
| Enw Cyfrifiadur | N Qubits | Max paru | T2 (µs) |
| IBM Q System Un | 20 | 6 | 70 |
| Sycamorwydden Google | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Ac, er mwyn cymharu, tabl gyda data o'r genhedlaeth flaenorol o broseswyr. Cymharwch nifer y qubits, amser dad-gydlyniad a chyfradd gwallau gyda'r hyn sydd gennym ar hyn o bryd gyda'r genhedlaeth newydd. Eto i gyd, mae'r cynnydd yn araf, ond yn symud.
Felly:
- Ar hyn o bryd nid oes unrhyw bensaernïaeth gwbl gysylltiedig â > 6 qubits
- Er mwyn maglu qubit 0 s ar brosesydd go iawn, er enghraifft, efallai y bydd angen sawl dwsin o weithrediadau ychwanegol ar qubit 15
- Mwy o weithrediadau -> mwy o wallau -> dylanwad cryfach dadgydlyniad
Canlyniadau
Decoherence yw gwely Procrustean o gyfrifiadura cwantwm modern. Rhaid i ni ffitio popeth i 150 μs:
- Cychwyn cyflwr cychwynnol cwbits
- Cyfrifiadura problem gan ddefnyddio gatiau cwantwm
- Cywiro gwallau i gael canlyniadau ystyrlon
- Darllenwch y canlyniad
Hyd yn hyn mae'r canlyniadau yn siomedig, serch hynny honni cyflawni 0.5s amser cadw cydlyniad ar gyfrifiadur cwantwm yn seiliedig ar :
Rydym yn mesur amser cydlyniad qubit dros 0.5 s, a chyda cysgodi magnetig rydym yn disgwyl i hyn wella i fod yn hwy na 1000 s.
Gallwch hefyd ddarllen am y dechnoleg hon neu er enghraifft .
Cymhlethir y sefyllfa ymhellach gan y ffaith, wrth wneud cyfrifiadau cymhleth, bod angen defnyddio cylchedau cywiro gwallau cwantwm, sydd hefyd yn bwyta'r amser a'r cwbitau sydd ar gael.
Ac yn olaf, nid yw pensaernïaeth fodern yn caniatáu gweithredu cynlluniau maglu sy'n well nag 1 mewn 4 neu 1 mewn 6 am gost fach iawn.
Ffyrdd o ddatrys problemau
I ddatrys y problemau uchod, defnyddir y dulliau a'r dulliau canlynol ar hyn o bryd:
- Defnyddio cryochambers gyda thymheredd isel (10 mK (–273,14°C))
- Defnyddio unedau prosesydd sydd wedi'u hamddiffyn i'r eithaf rhag dylanwadau allanol
- Defnyddio Systemau Cywiro Gwall Cwantwm (Logic Qubit)
- Defnyddio optimizers wrth raglennu cylchedau ar gyfer prosesydd penodol
Mae ymchwil hefyd yn cael ei gynnal gyda'r nod o gynyddu'r amser dadgydlyniad, chwilio am weithrediadau corfforol newydd (a gwella hysbys) o wrthrychau cwantwm, optimeiddio cylchedau cywiro, ac ati, ac ati. Mae yna gynnydd (edrychwch uchod ar nodweddion sglodion pen blaen cynharach a heddiw), ond hyd yn hyn mae'n araf, yn araf iawn, iawn.
D-Ton
Cyfrifiadur D-Wave 2000Q 2000-qubit. Ffynhonnell:
Ynghanol cyhoeddiad Google o gyflawni goruchafiaeth cwantwm gan ddefnyddio prosesydd 53-qubit, и gan y cwmni D-Wave, y mae nifer y qubits yn y miloedd, braidd yn ddryslyd. Wel, mewn gwirionedd, pe bai 53 qubits yn gallu cyflawni goruchafiaeth cwantwm, yna beth mae cyfrifiadur â 2048 qubits yn gallu ei wneud? Ond nid yw popeth mor dda ...
Yn fyr (wedi'i gymryd o'r wici):
Cyfrifiaduron gweithio ar yr egwyddor (), yn gallu datrys is-ddosbarth cyfyngedig iawn o broblemau optimeiddio, ac nid ydynt yn addas ar gyfer gweithredu algorithmau cwantwm traddodiadol a gatiau cwantwm.
Am fwy o fanylion gallwch ddarllen, er enghraifft, , (yn ofalus, efallai na fydd yn agor o Rwsia), neu в oddi wrth ei . Gyda llaw, dwi'n argymell yn fawr darllen ei flog yn gyffredinol, mae yna lawer o ddeunydd da yno
Yn gyffredinol, o ddechrau'r cyhoeddiadau, roedd gan y gymuned wyddonol gwestiynau am gyfrifiaduron D-Wave. Er enghraifft, yn 2014, cwestiynodd IBM y ffaith bod D-Wave Daeth i'r pwynt, yn 2015, bod Google, ynghyd â NASA, wedi prynu un o'r cyfrifiaduron cwantwm hyn ac ar ôl ymchwil , ie, mae'r cyfrifiadur yn gweithio ac yn cyfrifo'r broblem yn gyflymach nag un arferol. Gallwch ddarllen mwy am ddatganiad Google ac, er enghraifft, .
Y prif beth yw na ellir defnyddio cyfrifiaduron D-Wave, gyda'u cannoedd a miloedd o qubits, i gyfrifo a rhedeg algorithmau cwantwm. Ni allwch redeg algorithm Shor arnynt, er enghraifft. Y cyfan y gallant ei wneud yw defnyddio rhai mecanweithiau cwantwm i ddatrys problem optimeiddio benodol. Gallwn ystyried bod D-Wave yn ASIC cwantwm ar gyfer tasg benodol.
Ychydig am efelychu cyfrifiadur cwantwm
Gellir efelychu cyfrifiadura cwantwm ar gyfrifiadur arferol. Yn wir, :
- Gall cyflwr y qubit fod rhif cymhlyg, yn meddiannu o ddarnau 2x32 i 2x64 (8-16 bytes) yn dibynnu ar bensaernïaeth y prosesydd
- Gellir cynrychioli cyflwr N Qubits cysylltiedig fel rhifau cymhlyg 2^N, h.y. 2 ^(3+N) ar gyfer pensaernïaeth 32-did a 2 ^ (4+N) ar gyfer 64-bit.
- Gall matrics 2^N x 2^N gynrychioli gweithrediad cwantwm ar N qubits
Yna:
- I storio'r cyflyrau efelychiedig o 10 qubits, mae angen 8 KB
- I storio cyflwr 20 qubits mae angen 8 MB arnoch
- I storio cyflwr 30 qubits, mae angen 8 GB
- Mae angen 40 terabytes i storio cyflwr o 8 qubits
- I storio cyflwr 50 qubits, mae angen 8 Petabytes, ac ati.
I gymharu, () yn cario dim ond 2.8 Petabytes o gof.
— Dosbarthwyd 49 qubit y llynedd i'r uwchgyfrifiadur Tsieineaidd mwyaf ()
Mae terfyn efelychu cyfrifiadur cwantwm ar systemau clasurol yn cael ei bennu gan faint o RAM sydd ei angen i storio cyflwr y cwbits.
Rwyf hefyd yn argymell darllen . Oddi yno:
Trwy weithredu - ar gyfer efelychiad cywir o gylched 49-qubit sy'n cynnwys tua 39 o “gylchoedd” (haenau annibynnol o gatiau) 2^63 lluosi cymhleth - 4 Pflops o uwchgyfrifiadur am 4 awr
Mae efelychu cyfrifiadur cwantwm 50+ qubit ar systemau clasurol yn cael ei ystyried yn amhosibl mewn amser rhesymol. Dyma hefyd pam y defnyddiodd Google brosesydd 53-qubit ar gyfer ei arbrawf goruchafiaeth cwantwm.
Goruchafiaeth cyfrifiadura cwantwm.
Mae Wikipedia yn rhoi'r diffiniad canlynol i ni o oruchafiaeth cyfrifiadura cwantwm:
Goruchafiaeth cwantwm - gallu dyfeisiau i ddatrys problemau na all cyfrifiaduron clasurol eu datrys yn ymarferol.
Mewn gwirionedd, mae cyflawni goruchafiaeth cwantwm yn golygu, er enghraifft, y gellir datrys ffactoreiddio niferoedd mawr gan ddefnyddio algorithm Shor mewn amser digonol, neu gellir efelychu moleciwlau cemegol cymhleth ar y lefel cwantwm, ac ati. Hynny yw, mae cyfnod newydd wedi cyrraedd.
Ond mae rhywfaint o fwlch yng ngeiriad y diffiniad, “na all cyfrifiaduron clasurol eu datrys yn ymarferol" Mewn gwirionedd, mae hyn yn golygu, os ydych chi'n creu cyfrifiadur cwantwm o 50+ qubits ac yn rhedeg rhywfaint o gylched cwantwm arno, yna, fel y trafodwyd uchod, ni ellir efelychu canlyniad y gylched hon ar gyfrifiadur arferol. Hynny yw ni fydd cyfrifiadur clasurol yn gallu ail-greu canlyniad cylched o'r fath.
Cwestiwn athronyddol yn hytrach yw a yw canlyniad o'r fath yn gyfystyr â goruchafiaeth cwantwm go iawn ai peidio. Ond deall beth wnaeth Google a beth mae'n seiliedig arno angenrheidiol.
Datganiad Goruchafiaeth Cwantwm Google
Prosesydd 54-qubit sycamorwydden
Felly, ym mis Hydref 2019, cyhoeddodd datblygwyr Google erthygl yn y cyhoeddiad gwyddonol Nature “" Cyhoeddodd yr awduron gyflawni goruchafiaeth cwantwm am y tro cyntaf mewn hanes gan ddefnyddio prosesydd Sycamorwydden 54-qubit.
Mae erthyglau sycamorwydden ar-lein yn aml yn cyfeirio at naill ai prosesydd 54-qubit neu brosesydd 53-qubit. Y gwir yw bod yn ôl , mae'r prosesydd yn gorfforol yn cynnwys 54 qubits, ond mae un ohonynt yn ddi-waith ac wedi'i dynnu allan o wasanaeth. Felly, mewn gwirionedd mae gennym brosesydd 53-qubit.
Ar y we reit fan yna defnyddiau ar y pwnc hwn, yr oedd y graddau yn amrywio o i .
Dywedodd tîm cyfrifiadura cwantwm IBM hynny yn ddiweddarach . Mae'r cwmni'n honni y bydd cyfrifiadur confensiynol yn ymdopi â'r dasg hon yn yr achos gwaethaf mewn 2,5 diwrnod, a bydd yr ateb canlyniadol yn fwy cywir na chyfrifiadur cwantwm. Gwnaethpwyd y casgliad hwn yn seiliedig ar ganlyniadau dadansoddiad damcaniaethol o sawl dull optimeiddio.
Ac, wrth gwrs, yn ei Ni allwn anwybyddu'r datganiad hwn. Ei ynghyd a'r holl gysylltiadau a fel arfer, maent yn werth treulio'ch amser arnynt. Ar y canolbwynt y Cwestiynau Cyffredin hwn, a gofalwch eich bod yn darllen y sylwadau, mae dolenni i ddogfennau rhagarweiniol a ddatgelwyd ar-lein cyn y cyhoeddiad swyddogol.
Beth wnaeth Google mewn gwirionedd? I gael dealltwriaeth fanwl, darllenwch Aaronson, ond yn fyr yma:
Gallaf, wrth gwrs, ddweud wrthych, ond rwy'n teimlo braidd yn dwp. Mae’r cyfrifiad fel a ganlyn: mae’r arbrofwr yn cynhyrchu cylched cwantwm ar hap C (h.y., dilyniant ar hap o gatiau 1-qubit a 2-qubit rhwng cymdogion agosaf, gyda dyfnder o, er enghraifft, 20, yn gweithredu ar rwydwaith 2D o n = 50-60 qubits). Yna mae'r arbrofwr yn anfon C i'r cyfrifiadur cwantwm, ac yn gofyn iddo gymhwyso C i gyflwr cychwynnol o 0, mesur y canlyniad yn y sail {0,1}, anfon dilyniant n-did a arsylwyd (llinyn) yn ôl, ac ailadrodd nifer o fil neu filiynau o weithiau. Yn olaf, gan ddefnyddio ei wybodaeth o C, mae'r arbrofwr yn cynnal prawf ystadegol i weld a yw'r canlyniad yn cyfateb i'r allbwn disgwyliedig o'r cyfrifiadur cwantwm.
Yn fyr iawn:
- Mae cylched ar hap o hyd 20 o 53 qubits yn cael ei chreu gan ddefnyddio gatiau
- Mae'r gylched yn dechrau gyda'r cyflwr cychwynnol [0…0] ar gyfer cyflawni
- Llinyn didau ar hap (sampl) yw allbwn y gylched
- Nid yw dosbarthiad y canlyniad ar hap (ymyrraeth)
- Mae dosbarthiad y samplau a gafwyd yn cael ei gymharu â'r un disgwyliedig
- Yn cloi Goruchafiaeth Cwantwm
Hynny yw, gweithredodd Google broblem synthetig ar brosesydd 53-qubit, ac mae'n seilio ei honiad o gyflawni goruchafiaeth cwantwm ar y ffaith ei bod yn amhosibl efelychu prosesydd o'r fath ar systemau safonol mewn amser rhesymol.
Er mwyn deall - Nid yw'r adran hon yn lleihau cyflawniad Google mewn unrhyw ffordd, mae'r peirianwyr yn wirioneddol wych, ac mae'r cwestiwn a ellir ystyried hyn yn rhagoriaeth cwantwm go iawn ai peidio, fel y crybwyllwyd yn gynharach, yn fwy athronyddol na pheirianneg. Ond rhaid inni ddeall, ar ôl cyflawni rhagoriaeth gyfrifiadol o'r fath, nad ydym wedi symud ymlaen un cam tuag at y gallu i redeg algorithm Shor ar rifau 2048-bit.
Crynodeb
Mae cyfrifiaduron cwantwm a chyfrifiadura cwantwm yn faes addawol iawn, ifanc iawn a hyd yn hyn ychydig iawn o faes technoleg gwybodaeth sy'n gymwys yn ddiwydiannol.
Bydd datblygiad cyfrifiadura cwantwm (rywbryd) yn caniatáu inni ddatrys problemau:
- Modelu systemau ffisegol cymhleth ar y lefel cwantwm
- Anhydawdd ar gyfrifiadur arferol oherwydd cymhlethdod cyfrifiannol
Y prif broblemau wrth greu a gweithredu cyfrifiaduron cwantwm:
- Anghydlyniad
- Gwallau (dadlyniad a giât)
- Pensaernïaeth prosesydd (cylchedau cwbit wedi'u cysylltu'n llawn)
Cyflwr presennol:
- Yn wir - y cychwyn cyntaf .
- Nid oes unrhyw gamfanteisio masnachol GO IAWN eto (ac nid yw'n glir pryd y bydd)
Beth all helpu:
- Rhyw fath o ddarganfyddiad corfforol sy'n lleihau cost gwifrau a gweithredu proseswyr
- Darganfod rhywbeth a fydd yn cynyddu amser datgydlyniad yn ôl trefn maint a/neu leihau gwallau
Yn fy marn i (barn gwbl bersonol), Yn y patrwm gwyddonol presennol o wybodaeth, ni fyddwn yn cyflawni llwyddiant sylweddol wrth ddatblygu technolegau cwantwm, yma mae angen torri tir newydd ansoddol mewn rhyw faes o wyddoniaeth sylfaenol neu gymhwysol, a fydd yn rhoi hwb i syniadau a dulliau newydd.
Yn y cyfamser, rydym yn ennill profiad mewn rhaglennu cwantwm, casglu a chreu algorithmau cwantwm, profi syniadau, ac ati, ac ati. Rydym yn aros am ddatblygiad arloesol.
Casgliad
Yn yr erthygl hon, aethom trwy'r prif gerrig milltir yn natblygiad cyfrifiaduron cwantwm a chyfrifiaduron cwantwm, archwiliwyd egwyddor eu gweithrediad, archwiliwyd y prif broblemau sy'n wynebu peirianwyr wrth ddatblygu a gweithredu proseswyr cwantwm, a hefyd yn edrych ar ba aml-qubit Mewn gwirionedd mae cyfrifiaduron D. Wave a chyhoeddiad diweddar Google o gyflawni goruchafiaeth cwantwm.
Y tu ôl i'r llenni mae cwestiynau am raglennu cyfrifiaduron cwantwm (ieithoedd, ymagweddau, dulliau, ac ati) a chwestiynau sy'n ymwneud â gweithrediad corfforol penodol proseswyr, sut mae qubits yn cael eu rheoli, eu cysylltu, eu darllen, ac ati. Efallai mai dyma fydd testun yr erthygl neu erthyglau nesaf.
Diolch am eich sylw, rwy'n gobeithio y bydd yr erthygl hon yn ddefnyddiol i rywun.
(C)
Cydnabyddiaethau
ar gyfer prawfddarllen a sylwadau ar y testun ffynhonnell, yn ogystal ag ar gyfer yr erthygl
am sylwadau llawn gwybodaeth ar , ac nid yn unig iddi, a helpodd i raddau helaeth i mi ddarganfod y pos hwn.
I holl awduron erthyglau a chyhoeddiadau y defnyddiwyd eu deunyddiau wrth ysgrifennu'r erthygl hon.
Rhestr o adnoddau
Erthyglau Materion Cyfoes o [Gwasg yr Academïau Cenedlaethol]
Erthyglau o Habr (mewn trefn ar hap)
Erthyglau heb eu didoli (ond dim llai diddorol) oddi ar y Rhyngrwyd
Cyrsiau a darlithoedd
Ffynhonnell: hab.com