🥇Eigenschaften von Quantencomputern

Die Leistung eines Quantencomputers wird in Qubits gemessen, der grundlegenden Einheit der Messung in einem Quantencomputer. Quelle.

Ich mache einen Facepalm nach jedem Lesen einer solchen Phrase. Das hat nicht gut geendet, das Sehvermögen fängt an nachzulassen; bald werde ich mich an Meklon wenden müssen.

Ich denke, es ist Zeit, die grundlegenden Parameter eines Quantencomputers ein wenig zu systematisieren. Es gibt mehrere:

Anzahl der Qubits
Kohärenzzeit (Dekohärenzzeit)
Fehlerquote
Architektur des Prozessors
Preis, Verfügbarkeit, Betriebsbedingungen, Amortisationszeit, Programmierwerkzeuge usw.

Anzahl der Qubits

Hier ist alles offensichtlich, je mehr, desto besser. In der Realität muss man jedoch für Qubits bezahlen, und idealerweise sollte man genau so viele Qubits kaufen, wie für die Ausführung der Aufgabe erforderlich sind. Für einen Entwickler exklusiver Spielautomaten genügt ein Qubit pro Automat (zur Generierung von Zufallszahlen). Für das "Brute Forcing" von RSA-2048 sind mindestens 2048 Qubits erforderlich.

Die am meisten beworbenen Quantenalgorithmen sind nach Grover und Shor benannt. Grover ermöglicht es, Hashes zu "hacken". Für den Zusammenbruch von Bitcoin werden Computer mit mindestens 256 Qubits benötigt (man kann zwar an der Schwierigkeit von Bitcoin schrauben, aber lassen wir es bei dieser runden Zahl). Shor ermöglicht die Faktorisierung von Zahlen. Für die Faktorisierung einer Zahl mit n Binärstellen benötigt man mindestens n Qubits.

Aktuelles Maximum: 50 Qubits (schon 72?). Und tatsächlich ist 50 Qubits das Limit. Das Limit der Simulation eines Quantencomputers. Theoretisch können wir jede Anzahl von Qubits auf klassischen Computer simulieren. In der Praxis erfordert das Hinzufügen eines Qubits zur Simulation eine Verdopplung der klassischen Rechner. Fügen Sie dazu die Gerüchte über die Verdopplung der Qubits jedes Jahr hinzu, und fragen Sie sich: Wie debuggt man Algorithmen für 25651210242048 Qubits? Es gibt keinen Simulator, und auf dem Quantenprozessor kann man keinen Haltepunkt setzen.

Kohärenzzeit (Dekohärenzzeit)

Kohärenz und Kohärenz sind nicht dasselbe. Ich ziehe es vor, die Kohärenz mit der Regeneration des Arbeitsspeichers zu vergleichen. Auf einem RAM-Riegel gibt es Milliarden von Zellen, von denen jede eine Ladung hat, null oder eins. Diese Ladung hat eine sehr interessante Eigenschaft - sie sinkt ab. Ursprünglich wird eine „eins“ Zelle zu einer Zelle von 0.99, dann 0.98 und so weiter. Dementsprechend sammelt sich auf der Null 0.01, 0.02, 0.03... Diese Ladung muss aktualisiert, „regeneriert“ werden. Alles, was kleiner als die Hälfte ist, wird auf null zurückgesetzt, alles andere wird auf eins geführt.

Quantenprozessoren lassen sich nicht regenerieren. Dementsprechend gibt es für alle Berechnungen einen Zyklus, bis zum ersten „undichten“ Qubit. Die Zeit bis zum ersten „Leck“ nennt man Dekohärenzzeit. Kohärenz ist der Zustand, in dem die Qubits noch nicht „geleckt“ sind. Hier Man kann sich etwas erwachsenere Erklärungen anschauen.

Dekohärenz hängt von der Anzahl der Qubits ab: Je mehr Qubits vorhanden sind, desto schwieriger ist es, die Kohärenz aufrechtzuerhalten. Andererseits kann man bei einer großen Anzahl von Qubits einen Teil davon zur Fehlerkorrektur verwenden, die mit der Dekohärenz verbunden ist. Daraus ergibt sich, dass die Anzahl der Qubits allein nichts löst. Man kann die Anzahl der Qubits verdoppeln und 90% von ihnen für die Behebung der Dekohärenz verwenden.

Hier entsteht ungefähr das Konzept des logischen Qubits. Grob gesagt, wenn Sie einen Prozessor mit 100 Qubits haben, aber 40 davon zur Behebung der Dekohärenz verwendet werden – bleiben Ihnen 60 logische Qubits. Diejenigen, auf denen Sie Ihren Algorithmus ausführen. Das Konzept der logischen Qubits ist derzeit eher theoretisch; von praktischen Implementierungen habe ich persönlich nichts gehört.

Fehler und deren Korrektur

Ein weiteres Übel der Quantenprozessoren. Wenn Sie ein Qubit umkehren, endet die Operation mit einer Wahrscheinlichkeit von 2% mit einem Fehler. Wenn Sie 2 Qubits miteinander verknüpfen, steigt die Fehlerwahrscheinlichkeit auf 8%. Nehmen Sie eine Zahl mit 256 Bit, hashieren Sie sie auf SHA-256, zählen Sie die Anzahl der Operationen und berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, ALL diese Operationen fehlerfrei auszuführen.

Mathematiker bieten eine Lösung an: Fehlerkorrektur. Es gibt Algorithmen. Die Implementierung einer Verknüpfung von 2 logischen Qubits erfordert 100.000 physische Qubits. Der Bitcoin-Kollaps wird nicht so schnell eintreten.

Architektur des Prozessors

Streng genommen gibt es keine Quantencomputer. Es gibt nur Quantenprozessoren. Warum benötigt man RAM, wenn die Zeit zur Bearbeitung auf Millisekunden begrenzt ist? Ich programmiere in Q#, aber das ist eine Hochsprache. Ich habe mir 15 Qubits zugewiesen und mache damit, was ich will. Wenn ich will, verschränke ich das erste Qubit mit dem zehnten. Wenn ich es wünsche — verschränke ich die ersten sechs.

Auf einem realen Prozessor gibt es diese Freiheit nicht. Ich habe das erste Qubit mit dem 15. angesprochen — der Compiler generiert 26 zusätzliche Operationen. Wenn ich Glück habe. Wenn ich kein Glück habe — generiert er ein hunderter. Das Problem ist, dass ein Qubit nur mit Nachbarn verschränkt werden kann. Mehr als 6 Nachbarn pro Qubit habe ich nicht gesehen. Prinzipiell gibt es optimierende Quantenprogramm-Compiler, aber die sind bisher eher theoretisch.

Jeder Prozessor hat seinen eigenen Befehlssatz, und die Verbindungen zwischen den Qubits unterscheiden sich. In einer idealen Welt haben wir beliebige Rx, Ry, Rz und deren Kombinationen, plus freie Verschränkung über ein Dutzend Merkmale, plus Swap: schauen Sie sich die Operatoren in Quirkan. In der Realität haben wir jedoch mehrere Paare von Qubits, und die Verschränkung CNOT(q[0], q[1]) kostet eine Operation, während CNOT(q[1], q[0]) bereits 7 kostet. Und die Kohärenz schwindet...

Preis, Verfügbarkeit, Bedingungen, Amortisationszeit, Programmierwerkzeuge...

Preise werden nicht veröffentlicht, die Verfügbarkeit für den Durchschnittsbürger ist nahezu null, die Amortisationszeit ist in der Praxis nicht berechnet, Programmierwerkzeuge befinden sich erst in der Entwicklung. Dokumentation auf arxiv.org.

Welche Informationen sollte man also von Experten beim Release eines neuen Quantencomputers verlangen?

Neben der obigen Liste gefallen mir die Optionen von PerlPower und Alter2:

Es wäre schön, wenn jeder Artikel über einen neuen Quantencomputer mit zwei Eigenschaften beginnen würde — der Anzahl der gleichzeitigen verschränkten Qubits und der Haltezeit der Qubits.