Κβαντικοί υπολογιστές και κβαντικοί υπολογιστές - νέοι , το οποίο προστέθηκε στον ενημερωτικό μας χώρο μαζί με , και άλλους όρους υψηλής τεχνολογίας. Ταυτόχρονα, δεν μπόρεσα ποτέ να βρω υλικό στο Διαδίκτυο που θα συνέθετε το παζλ στο κεφάλι μου που ονομάζεται «Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές». Ναι, υπάρχουν πολλά εξαιρετικά έργα, συμπεριλαμβανομένου του Habr (βλ. ), σχόλια στα οποία, όπως συμβαίνει συνήθως, είναι ακόμη πιο κατατοπιστικά και χρήσιμα, αλλά η εικόνα στο κεφάλι μου, όπως λένε, δεν αθροίστηκε.
Και πρόσφατα οι συνάδελφοί μου με πλησίασαν και με ρώτησαν: «Καταλαβαίνετε πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής; Μπορείς να μας πεις;» Και τότε συνειδητοποίησα ότι δεν είμαι ο μόνος που έχω πρόβλημα να συνθέσω μια συνεκτική εικόνα στο μυαλό μου.
Ως αποτέλεσμα, έγινε μια προσπάθεια να συγκεντρωθούν πληροφορίες για κβαντικούς υπολογιστές σε ένα συνεπές λογικό κύκλωμα στο οποίο βασικό επίπεδο, χωρίς βαθιά εμβάπτιση στα μαθηματικά και τη δομή του κβαντικού κόσμου, εξηγήθηκε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής, με ποιες αρχές λειτουργεί και ποια προβλήματα αντιμετωπίζουν οι επιστήμονες κατά τη δημιουργία και τη λειτουργία του.
πίνακας περιεχομένων
Αποποίηση ευθυνών
Ο συγγραφέας δεν είναι ειδικός στον κβαντικό υπολογισμό και Το κοινό-στόχος του άρθρου είναι οι ίδιοι άνθρωποι της πληροφορικής, όχι οι ειδικοί της κβαντικής, που θέλουν επίσης να δημιουργήσουν μια εικόνα στο κεφάλι τους με τίτλο «Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές». Εξαιτίας αυτού, πολλές έννοιες στο άρθρο απλοποιούνται σκόπιμα για την καλύτερη κατανόηση των κβαντικών τεχνολογιών σε «βασικό» επίπεδο, αλλά χωρίς .
Το άρθρο σε ορισμένα σημεία χρησιμοποιεί υλικά από άλλες πηγές, . Όπου είναι δυνατόν, εισάγονται άμεσοι σύνδεσμοι και ενδείξεις για το αρχικό κείμενο, τον πίνακα ή το σχήμα. Αν ξέχασα κάτι (ή κάποιον) κάπου, γράψτε και θα το διορθώσω.
Εισαγωγή
Σε αυτό το κεφάλαιο, θα δούμε εν συντομία πώς ξεκίνησε η κβαντική εποχή, ποιος ήταν ο κινητήριος λόγος για την ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή, ποιος (ποιες χώρες και εταιρείες) είναι σήμερα οι κορυφαίοι παίκτες σε αυτόν τον τομέα, και επίσης θα μιλήσουμε εν συντομία σχετικά με τις κύριες κατευθύνσεις ανάπτυξης των κβαντικών υπολογιστών.
Πώς ξεκίνησαν όλα
Το σημείο εκκίνησης της κβαντικής εποχής θεωρείται το 1900, όταν ο Μ. Πλανκ προέβαλε για πρώτη φορά ότι η ενέργεια εκπέμπεται και απορροφάται όχι συνεχώς, αλλά σε ξεχωριστά κβάντα (μερίδες). Η ιδέα υιοθετήθηκε και αναπτύχθηκε από πολλούς εξαιρετικούς επιστήμονες εκείνης της εποχής - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, που τελικά οδήγησε στη δημιουργία και ανάπτυξη μιας τέτοιας επιστήμης όπως . Υπάρχουν πολλά καλά υλικά στο Διαδίκτυο σχετικά με το σχηματισμό της κβαντικής φυσικής ως επιστήμης· σε αυτό το άρθρο δεν θα σταθούμε λεπτομερώς σε αυτό, αλλά ήταν απαραίτητο να αναφέρουμε την ημερομηνία κατά την οποία μπήκαμε στη νέα κβαντική εποχή.
Η κβαντική φυσική έχει φέρει πολλές εφευρέσεις και τεχνολογίες στην καθημερινή μας ζωή, χωρίς τις οποίες είναι πλέον δύσκολο να φανταστούμε τον κόσμο γύρω μας. Για παράδειγμα, ένα λέιζερ, που χρησιμοποιείται πλέον παντού, από οικιακές συσκευές (επίπεδα λέιζερ κ.λπ.) μέχρι συστήματα υψηλής τεχνολογίας (λέιζερ για διόρθωση όρασης, γεια σου ). Θα ήταν λογικό να υποθέσουμε ότι αργά ή γρήγορα κάποιος θα σκεφτεί ότι γιατί να μην χρησιμοποιήσουμε κβαντικά συστήματα για υπολογιστές. Και τότε έγινε το 1980.
Η Wikipedia δείχνει ότι η πρώτη ιδέα του κβαντικού υπολογισμού εκφράστηκε το 1980 από τον επιστήμονά μας Yuri Manin. Πραγματικά όμως άρχισαν να μιλάνε γι' αυτό μόλις το 1981, όταν ο γνωστός Ρ. Φάινμαν , σημείωσε ότι είναι αδύνατο να προσομοιωθεί η εξέλιξη ενός κβαντικού συστήματος σε έναν κλασικό υπολογιστή με αποτελεσματικό τρόπο. Πρότεινε ένα στοιχειώδες μοντέλο , η οποία θα μπορεί να πραγματοποιήσει τέτοια μοντελοποίηση.
Υπάρχει ένα , όπου θεωρείται πιο ακαδημαϊκά και αναλυτικά, αλλά θα αναφερθούμε εν συντομία:
Σημαντικά ορόσημα στην ιστορία της δημιουργίας κβαντικών υπολογιστών:
- [1994]. P. Shore. Σχεδιάστηκε από
- [1998]. Δημιουργήθηκε
- [2001]. Η IBM εισήγαγε την εκτέλεση για επέκταση του αριθμού 15
- [2007-2016]. δημιουργεί και αναπτύσσει έναν υπολογιστή με 128-2000 qubits
- [2012]. Εφαρμόστηκε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια
- [2016]. Google σε υπολογιστή 9 qubit
- [2017]. (τρία άτομα)
- [2019]. . Υπολογιστής 20 qubit στο cloud
- [2019]. . Υπολογιστής 53 qubit. ?
Όπως μπορείτε να δείτε, έχουν περάσει 17 χρόνια (από το 1981 έως το 1998) από τη στιγμή της ιδέας μέχρι την πρώτη εφαρμογή της σε υπολογιστή με 2 qubits και 21 χρόνια (από το 1998 έως το 2019) μέχρι να αυξηθεί ο αριθμός των qubits στα 53. Χρειάστηκαν 11 χρόνια (από το 2001 έως το 2012) για να βελτιωθεί το αποτέλεσμα του αλγορίθμου του Shor (θα το δούμε πιο αναλυτικά λίγο αργότερα) από τον αριθμό 15 στο 21. Επίσης, μόλις πριν από τρία χρόνια φτάσαμε στο σημείο να εφαρμόζοντας αυτό για το οποίο μίλησε ο Feynman και μάθετε να μοντελοποιείτε τα πιο απλά φυσικά συστήματα.
Η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών είναι αργή. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν πολύ δύσκολα καθήκοντα, οι κβαντικές καταστάσεις είναι πολύ βραχύβιες και εύθραυστες και για να διατηρηθούν αρκετά ώστε να κάνουν υπολογισμούς, πρέπει να κατασκευάσουν σαρκοφάγους για δεκάδες εκατομμύρια δολάρια, στις οποίες διατηρείται η θερμοκρασία ακριβώς πάνω από το απόλυτο μηδέν, και τα οποία προστατεύονται στο μέγιστο από εξωτερικές επιρροές. Στη συνέχεια θα μιλήσουμε για αυτές τις εργασίες και προβλήματα με περισσότερες λεπτομέρειες.
Κορυφαίοι Παίκτες
Οι διαφάνειες για αυτήν την ενότητα προέρχονται από το άρθρο , από ερευνητή Αλεξέι Φεντόροφ. Επιτρέψτε μου να σας δώσω απευθείας αποσπάσματα:
Όλες οι τεχνολογικά επιτυχημένες χώρες αναπτύσσουν αυτήν τη στιγμή ενεργά κβαντικές τεχνολογίες. Ένα τεράστιο χρηματικό ποσό επενδύεται σε αυτή την έρευνα και δημιουργούνται ειδικά προγράμματα για την υποστήριξη των κβαντικών τεχνολογιών.
Στον κβαντικό αγώνα δεν συμμετέχουν μόνο τα κράτη, αλλά και οι ιδιωτικές εταιρείες. Συνολικά, η Google, η IBM, η Intel και η Microsoft επένδυσαν πρόσφατα περίπου 0,5 δισεκατομμύρια δολάρια στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών και δημιούργησαν μεγάλα εργαστήρια και ερευνητικά κέντρα.
Υπάρχουν πολλά άρθρα στο Habré και στο Διαδίκτυο, για παράδειγμα, , и , στο οποίο εξετάζεται λεπτομερέστερα η τρέχουσα κατάσταση με την ανάπτυξη των κβαντικών τεχνολογιών σε διάφορες χώρες. Το κύριο πράγμα για εμάς τώρα είναι ότι όλες οι κορυφαίες τεχνολογικά ανεπτυγμένες χώρες και παίκτες επενδύουν τεράστια χρηματικά ποσά στην έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση, η οποία δίνει ελπίδα για μια διέξοδο από το σημερινό τεχνολογικό αδιέξοδο.
Οδηγίες ανάπτυξης
Αυτή τη στιγμή (μπορεί να κάνω λάθος, παρακαλώ διορθώστε με), οι κύριες προσπάθειες (και περισσότερο ή λιγότερο σημαντικά αποτελέσματα) όλων των κορυφαίων παικτών συγκεντρώνονται σε δύο τομείς:
- Εξειδικευμένοι κβαντικοί υπολογιστές, που στοχεύουν στην επίλυση ενός συγκεκριμένου προβλήματος, για παράδειγμα, ενός προβλήματος βελτιστοποίησης. Ένα παράδειγμα προϊόντος είναι οι κβαντικοί υπολογιστές D-Wave.
- Καθολικοί κβαντικοί υπολογιστές — τα οποία είναι ικανά να υλοποιούν αυθαίρετους κβαντικούς αλγόριθμους (Shor, Grover, κ.λπ.). Υλοποιήσεις από την IBM, την Google.
Άλλοι φορείς ανάπτυξης που μας δίνει η κβαντική φυσική, όπως:
- ως βάση για
- και πολλά άλλα
Φυσικά, είναι επίσης στη λίστα των τομέων για έρευνα, αλλά προς το παρόν δεν φαίνεται να υπάρχουν περισσότερο ή λιγότερο σημαντικά αποτελέσματα.
Επιπλέον, μπορείτε να διαβάσετε Λοιπόν, google"", Για παράδειγμα, , и .
Βασικά. Κβαντικό αντικείμενο και κβαντικά συστήματα
Το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να καταλάβετε από αυτή την ενότητα είναι ότι
Κβαντικός υπολογιστής (σε αντίθεση με το συνηθισμένο) χρησιμοποιεί ως φορείς πληροφοριών κβαντικά αντικείμενακαι για να πραγματοποιηθούν οι υπολογισμοί, πρέπει να συνδεθούν κβαντικά αντικείμενα κβαντικό σύστημα.
Τι είναι ένα κβαντικό αντικείμενο;
Κβαντικό αντικείμενο - ένα αντικείμενο του μικροκόσμου (κβαντικός κόσμος) που παρουσιάζει κβαντικές ιδιότητες:
- Έχει μια καθορισμένη κατάσταση με δύο οριακά επίπεδα
- Βρίσκεται σε υπέρθεση της κατάστασής του μέχρι τη στιγμή της μέτρησης
- Μπλέκεται με άλλα αντικείμενα για να δημιουργήσει κβαντικά συστήματα
- Ικανοποιεί το θεώρημα μη κλωνοποίησης (η κατάσταση ενός αντικειμένου δεν μπορεί να αντιγραφεί)
Ας δούμε κάθε ακίνητο με περισσότερες λεπτομέρειες:
Έχει μια καθορισμένη κατάσταση με δύο οριακά επίπεδα (τελική κατάσταση)
Ένα κλασικό παράδειγμα του πραγματικού κόσμου είναι ένα νόμισμα. Έχει μια "πλευρική" κατάσταση, η οποία παίρνει δύο οριακά επίπεδα - "κεφάλια" και "ουρές".
Βρίσκεται σε υπέρθεση της κατάστασής του μέχρι τη στιγμή της μέτρησης
Πέταξαν ένα νόμισμα, πετάει και γυρίζει. Ενώ περιστρέφεται, είναι αδύνατο να πούμε σε ποιο από τα οριακά επίπεδα βρίσκεται η «πλευρική» του κατάσταση. Αλλά μόλις το κατακρεουργήσουμε και δούμε το αποτέλεσμα, η υπέρθεση των κρατών καταρρέει αμέσως σε μία από τις δύο οριακές καταστάσεις - «κεφάλια» και «ουρές». Το χτύπημα ενός νομίσματος στην περίπτωσή μας είναι μέτρο.
Μπλέκεται με άλλα αντικείμενα για να δημιουργήσει κβαντικά συστήματα
Είναι δύσκολο με ένα νόμισμα, αλλά ας προσπαθήσουμε. Φανταστείτε ότι πετάξαμε τρία νομίσματα έτσι ώστε να περιστρέφονται κολλώντας το ένα στο άλλο, αυτό είναι ταχυδακτυλουργία με κέρματα. Σε κάθε χρονική στιγμή, όχι μόνο το καθένα από αυτά βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων, αλλά αυτές οι καταστάσεις επηρεάζουν αμοιβαία το ένα το άλλο (τα νομίσματα συγκρούονται).
Ικανοποιεί το θεώρημα μη κλωνοποίησης (η κατάσταση ενός αντικειμένου δεν μπορεί να αντιγραφεί)
Ενώ τα νομίσματα πετούν και περιστρέφονται, δεν υπάρχει περίπτωση να δημιουργήσουμε ένα αντίγραφο της κατάστασης περιστροφής οποιουδήποτε από τα νομίσματα, ξεχωριστά από το σύστημα. Το σύστημα ζει μέσα του και ζηλεύει πολύ να απελευθερώσει οποιαδήποτε πληροφορία στον έξω κόσμο.
Λίγα λόγια ακόμα για την ίδια την έννοια "υπερθέσεις", σχεδόν σε όλα τα άρθρα η υπέρθεση εξηγείται ως «Βρίσκεται σε όλες τις πολιτείες ταυτόχρονα» κάτι που είναι, φυσικά, αληθινό, αλλά μερικές φορές αναίτια σύγχυση. Μια υπέρθεση καταστάσεων μπορεί επίσης να φανταστεί ως το γεγονός ότι σε κάθε στιγμή του χρόνου ένα κβαντικό αντικείμενο έχει υπάρχουν ορισμένες πιθανότητες να καταρρεύσει σε καθένα από τα όρια του, και συνολικά αυτές οι πιθανότητες είναι φυσικά ίσες με 1. Αργότερα, όταν εξετάζουμε το qubit, θα σταθούμε σε αυτό με περισσότερες λεπτομέρειες.
Για τα νομίσματα, αυτό μπορεί να οπτικοποιηθεί - ανάλογα με την αρχική ταχύτητα, τη γωνία εκτίναξης, την κατάσταση του περιβάλλοντος στο οποίο πετάει το νόμισμα, κάθε στιγμή η πιθανότητα να πάρει "κεφάλια" ή "ουρές" είναι διαφορετική. Και, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η κατάσταση ενός τέτοιου ιπτάμενου νομίσματος μπορεί να φανταστεί ως «να βρίσκεται σε όλες τις οριακές του καταστάσεις ταυτόχρονα, αλλά με διαφορετικές πιθανότητες εφαρμογής τους».
Οποιοδήποτε αντικείμενο για το οποίο πληρούνται οι παραπάνω ιδιότητες και το οποίο μπορούμε να δημιουργήσουμε και να ελέγξουμε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας πληροφοριών σε έναν κβαντικό υπολογιστή.
Λίγο παρακάτω θα μιλήσουμε για την τρέχουσα κατάσταση των πραγμάτων με τη φυσική εφαρμογή των qubits ως κβαντικών αντικειμένων, και τι χρησιμοποιούν τώρα οι επιστήμονες με αυτή την ιδιότητα.
Έτσι, η τρίτη ιδιότητα δηλώνει ότι τα κβαντικά αντικείμενα μπορούν να μπλέξουν για να δημιουργήσουν κβαντικά συστήματα. Τι είναι ένα κβαντικό σύστημα;
Κβαντικό σύστημα — ένα σύστημα μπερδεμένων κβαντικών αντικειμένων με τις ακόλουθες ιδιότητες:
- Ένα κβαντικό σύστημα βρίσκεται σε μια υπέρθεση όλων των πιθανών καταστάσεων των αντικειμένων από τα οποία αποτελείται
- Είναι αδύνατο να γνωρίζουμε την κατάσταση του συστήματος μέχρι τη στιγμή της μέτρησης
- Τη στιγμή της μέτρησης, το σύστημα εφαρμόζει μία από τις πιθανές παραλλαγές των οριακών καταστάσεων του
(και κοιτάζοντας λίγο μπροστά)
Συμπέρασμα για κβαντικά προγράμματα:
- Ένα κβαντικό πρόγραμμα έχει μια δεδομένη κατάσταση του συστήματος στην είσοδο, μια υπέρθεση μέσα, μια υπέρθεση στην έξοδο
- Στην έξοδο του προγράμματος μετά τη μέτρηση έχουμε μια πιθανολογική υλοποίηση μιας από τις πιθανές τελικές καταστάσεις του συστήματος (συν πιθανά σφάλματα)
- Οποιοδήποτε κβαντικό πρόγραμμα έχει αρχιτεκτονική καμινάδας (είσοδος -> έξοδος. Δεν υπάρχουν βρόχοι, δεν μπορείτε να δείτε την κατάσταση του συστήματος στη μέση της διαδικασίας.)
Σύγκριση κβαντικού υπολογιστή και συμβατικού
Ας συγκρίνουμε τώρα έναν συμβατικό υπολογιστή και έναν κβαντικό.
| κανονικό υπολογιστή | Κβαντικός υπολογιστής | |
|
Λογικές
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Φυσική
|
Τρανζίστορ ημιαγωγών | Κβαντικό αντικείμενο |
|
Φορέας πολυμέσων
|
Επίπεδα τάσης | Πόλωση, περιστροφή,… |
|
Λειτουργίες
|
ΟΧΙ, ΚΑΙ, Ή, XOR πάνω από bit | Βαλβίδες: CNOT, Hadamard,… |
|
Σχέση
|
Τσιπ ημιαγωγών | Μπέρδεμα μεταξύ τους |
|
Αλγόριθμοι
|
Τυπικό (βλ. Μαστίγιο) | Ειδικές προσφορές (Shore, Grover) |
|
Αρχή
|
Ψηφιακό, ντετερμινιστικό | Αναλογικό, πιθανολογικό |
Λογικό επίπεδο
Σε έναν κανονικό υπολογιστή αυτό είναι λίγο. Γνωστό σε εμάς διαχρονικά ντετερμινιστικό κομμάτι. Μπορεί να πάρει τιμές είτε 0 είτε 1. Αντιμετωπίζει τέλεια τον ρόλο λογική μονάδα για κανονικό υπολογιστή, αλλά είναι εντελώς ακατάλληλο για την περιγραφή της κατάστασης κβαντικό αντικείμενο, το οποίο, όπως είπαμε ήδη, στην άγρια φύση βρίσκεται στουπερθέσεις των οριακών καταστάσεων τους.
Αυτό σκέφτηκαν . Στις οριακές του καταστάσεις πραγματοποιεί καταστάσεις παρόμοιες με το 0 και το 1 , και στην υπέρθεση αντιπροσωπεύει κατανομή πιθανοτήτων στις οριακές του καταστάσεις |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1τα α και β αντιπροσωπεύουν και τα τετράγωνα των μονάδων τους είναι οι πραγματικές πιθανότητες να ληφθούν ακριβώς τέτοιες τιμές των οριακών καταστάσεων |0> и |1>, αν συμπτύξετε το qubit με μια μέτρηση αυτή τη στιγμή.
Φυσική στρώση
Στο τρέχον τεχνολογικό επίπεδο ανάπτυξης, η φυσική υλοποίηση του bit για έναν συμβατικό υπολογιστή είναι τρανζίστορ ημιαγωγών, για το κβαντικό, όπως έχουμε ήδη πει, οποιοδήποτε κβαντικό αντικείμενο. Στην επόμενη ενότητα θα μιλήσουμε για το τι χρησιμοποιείται αυτήν τη στιγμή ως φυσικό μέσο για qubits.
Μέσο αποθήκευσης
Για έναν κανονικό υπολογιστή αυτό είναι ηλεκτρικό ρεύμα - επίπεδα τάσης, παρουσία ή απουσία ρεύματος κ.λπ., για κβαντικά - το ίδιο κατάσταση ενός κβαντικού αντικειμένου (κατεύθυνση πόλωσης, σπιν κ.λπ.), που μπορεί να βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθεσης.
Λειτουργίες
Για την υλοποίηση λογικών κυκλωμάτων σε κανονικό υπολογιστή, χρησιμοποιούμε γνωστά , για λειτουργίες σε qubits ήταν απαραίτητο να καταλήξουμε σε ένα εντελώς διαφορετικό σύστημα λειτουργιών, που ονομάζεται . Οι πύλες μπορούν να είναι ενός qubit ή διπλού qubit, ανάλογα με το πόσα qubits μετατρέπονται.
Παραδείγματα κβαντικών πυλών:
Υπάρχει μια έννοια σετ βαλβίδων γενικής χρήσης, τα οποία επαρκούν για την εκτέλεση οποιουδήποτε κβαντικού υπολογισμού. Για παράδειγμα, ένα σετ γενικής χρήσης περιλαμβάνει μια πύλη Hadamard, μια πύλη μετατόπισης φάσης, μια πύλη CNOT και μια πύλη π⁄8. Με τη βοήθειά τους, μπορείτε να εκτελέσετε οποιονδήποτε κβαντικό υπολογισμό σε ένα αυθαίρετο σύνολο qubits.
Σε αυτό το άρθρο δεν θα σταθούμε λεπτομερώς στο σύστημα των κβαντικών πυλών· μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτές και τις λογικές πράξεις σε qubits, για παράδειγμα, . Το κύριο πράγμα που πρέπει να θυμάστε:
- Οι λειτουργίες σε κβαντικά αντικείμενα απαιτούν τη δημιουργία νέων λογικών τελεστών (κβαντικές πύλες)
- Οι κβαντικές πύλες διατίθενται σε τύπους single-qubit και double-qubit.
- Υπάρχουν καθολικά σύνολα πυλών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση οποιουδήποτε κβαντικού υπολογισμού
Σχέση
Ένα τρανζίστορ είναι εντελώς άχρηστο για εμάς· για να κάνουμε υπολογισμούς πρέπει να συνδέσουμε πολλά τρανζίστορ μεταξύ τους, δηλαδή να δημιουργήσουμε ένα τσιπ ημιαγωγών από εκατομμύρια τρανζίστορ πάνω στο οποίο θα χτίσουμε λογικά κυκλώματα, και, τελικά, αποκτήστε έναν σύγχρονο επεξεργαστή στην κλασική του μορφή.
Ένα qubit είναι επίσης εντελώς άχρηστο για εμάς (καλά, έστω μόνο σε ακαδημαϊκούς όρους),
Για να κάνουμε υπολογισμούς χρειαζόμαστε ένα σύστημα qubits (κβαντικά αντικείμενα)
το οποίο, όπως είπαμε ήδη, δημιουργείται με το να μπλέκουμε τα qubits μεταξύ τους έτσι ώστε οι αλλαγές στις καταστάσεις τους να συμβαίνουν με συντονισμένο τρόπο.
Αλγόριθμοι
Οι τυπικοί αλγόριθμοι που έχει συσσωρεύσει η ανθρωπότητα μέχρι σήμερα είναι εντελώς ακατάλληλοι για εφαρμογή σε κβαντικό υπολογιστή. Ναι, γενικά δεν χρειάζεται. Οι κβαντικοί υπολογιστές που βασίζονται στη λογική πύλης πάνω από qubits απαιτούν τη δημιουργία εντελώς διαφορετικών αλγορίθμων, κβαντικών αλγορίθμων. Από τους πιο γνωστούς κβαντικούς αλγόριθμους, διακρίνονται τρεις:
- (παραγοντοποίηση)
- (γρήγορη αναζήτηση σε μη τακτοποιημένη βάση δεδομένων)
- (απάντηση στην ερώτηση, σταθερή ή ισορροπημένη συνάρτηση)
Αρχή
Και η πιο σημαντική διαφορά είναι η αρχή λειτουργίας. Για έναν τυπικό υπολογιστή αυτό είναι ψηφιακή, αυστηρά ντετερμινιστική αρχή, με βάση το γεγονός ότι αν ορίσουμε κάποια αρχική κατάσταση του συστήματος και το περάσουμε από έναν δεδομένο αλγόριθμο, τότε το αποτέλεσμα των υπολογισμών θα είναι το ίδιο, όσες φορές κι αν εκτελέσουμε αυτόν τον υπολογισμό. Στην πραγματικότητα, αυτή η συμπεριφορά είναι ακριβώς αυτό που περιμένουμε από έναν υπολογιστή.
Ο κβαντικός υπολογιστής λειτουργεί αναλογική, πιθανολογική αρχή. Το αποτέλεσμα ενός δεδομένου αλγορίθμου σε μια δεδομένη αρχική κατάσταση είναι δείγμα από μια κατανομή πιθανοτήτων τελικές υλοποιήσεις του αλγορίθμου συν πιθανά σφάλματα.
Αυτή η πιθανολογική φύση του κβαντικού υπολογισμού οφείλεται στην ίδια την πιθανολογική ουσία του κβαντικού κόσμου. «Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν»., είπε ο γέρος Αϊνστάιν, αλλά όλα τα πειράματα και οι παρατηρήσεις μέχρι τώρα (στο σημερινό επιστημονικό παράδειγμα) επιβεβαιώνουν το αντίθετο.
Φυσικές υλοποιήσεις qubits
Όπως έχουμε ήδη πει, ένα qubit μπορεί να αναπαρασταθεί από ένα κβαντικό αντικείμενο, δηλαδή ένα φυσικό αντικείμενο που υλοποιεί τις κβαντικές ιδιότητες που περιγράφονται παραπάνω. Δηλαδή, χοντρικά, κάθε φυσικό αντικείμενο στο οποίο υπάρχουν δύο καταστάσεις και αυτές οι δύο καταστάσεις βρίσκονται σε κατάσταση υπέρθεσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή.
«Αν μπορούμε να βάλουμε ένα άτομο σε δύο διαφορετικά επίπεδα και να τα ελέγξουμε, τότε έχετε ένα qubit. Αν μπορούμε να το κάνουμε αυτό με ένα ιόν, είναι ένα qubit. Το ίδιο συμβαίνει και με το ρεύμα. Αν το τρέξουμε δεξιόστροφα και αριστερόστροφα ταυτόχρονα, έχετε ένα qubit."
Υπάρχει к , στην οποία εξετάζεται λεπτομερέστερα η τρέχουσα ποικιλία φυσικών υλοποιήσεων του qubit, θα αναφέρουμε απλώς τα πιο γνωστά και κοινά:
- και πολλές άλλες εξωτικές ιδέες (ανιόντα κ.λπ.)
Από όλη αυτή την ποικιλομορφία, η πιο ανεπτυγμένη είναι η πρώτη μέθοδος απόκτησης qubits, που βασίζεται σε . , , και άλλοι κορυφαίοι παίκτες το χρησιμοποιούν για να δημιουργήσουν τα συστήματά τους.
Λοιπόν, διαβάστε περισσότερα δυνατόν qubits από .
Βασικά. Πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής
Τα υλικά για αυτήν την ενότητα (εργασία και εικόνες) λαμβάνονται από το άρθρο .
Φανταστείτε λοιπόν ότι έχουμε την ακόλουθη εργασία:
Υπάρχει μια ομάδα τριών ατόμων: (A)ndrey, (B)olodya και (C)erezha. Υπάρχουν δύο ταξί (0 και 1).
Είναι επίσης γνωστό ότι:
- Οι (A)ndrey, (B)olodya είναι φίλοι
- Οι (A)ndrey, (C)erezha είναι εχθροί
- Οι (B)olodya και (C)erezha είναι εχθροί
Εργασία: Τοποθετήστε τους ανθρώπους σε ταξί έτσι ώστε Max (φίλοι) и Min(εχθροί)
Βαθμολογία: L = (αριθμός φίλων) - (αριθμός εχθρών) για κάθε επιλογή διαμονής
ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ: Υποθέτοντας ότι δεν υπάρχουν ευρετικά, δεν υπάρχει βέλτιστη λύση. Σε αυτήν την περίπτωση, το πρόβλημα μπορεί να λυθεί μόνο με πλήρη αναζήτηση επιλογών.
Λύση σε κανονικό υπολογιστή
Πώς να λύσετε αυτό το πρόβλημα σε έναν κανονικό (σούπερ) υπολογιστή (ή σύμπλεγμα) - είναι σαφές ότι πρέπει να κάνετε αναζήτηση σε όλες τις πιθανές επιλογές. Εάν έχουμε ένα σύστημα πολλαπλών επεξεργαστών, τότε μπορούμε να παραλληλίσουμε τον υπολογισμό των λύσεων σε πολλούς επεξεργαστές και στη συνέχεια να συλλέξουμε τα αποτελέσματα.
Έχουμε 2 πιθανές επιλογές διαμονής (ταξί 0 και ταξί 1) και 3 άτομα. Χώρος λύσης 2 ^ 3 = 8. Μπορείτε ακόμη και να περάσετε από 8 επιλογές χρησιμοποιώντας μια αριθμομηχανή, αυτό δεν είναι πρόβλημα. Τώρα ας περιπλέκουμε το πρόβλημα - έχουμε 20 άτομα και δύο λεωφορεία, τον χώρο λύσης 2^20 = 1. Ούτε τίποτα περίπλοκο. Ας αυξήσουμε τον αριθμό των ατόμων κατά 2.5 φορές - πάρτε 50 άτομα και δύο τρένα, ο χώρος λύσης είναι τώρα 2^50 = 1.12 x 10^15. Ένας συνηθισμένος (σούπερ) υπολογιστής αρχίζει ήδη να έχει σοβαρά προβλήματα. Ας αυξήσουμε τον αριθμό των ατόμων κατά 2 φορές, 100 άτομα θα μας δώσουν ήδη 1.2 x 10^30 πιθανές επιλογές.
Αυτό είναι, αυτή η εργασία δεν μπορεί να υπολογιστεί σε εύλογο χρονικό διάστημα.
Σύνδεση υπερυπολογιστή
Ο πιο ισχυρός υπολογιστής αυτή τη στιγμή είναι το νούμερο 1 Το , παραγωγικότητα 122 . Ας υποθέσουμε ότι χρειαζόμαστε 100 πράξεις για να υπολογίσουμε μία επιλογή και, στη συνέχεια, για να λύσουμε το πρόβλημα για 100 άτομα θα χρειαστούμε:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 ετών.
Οπως μπορούμε να δούμε Καθώς η διάσταση των αρχικών δεδομένων αυξάνεται, ο χώρος της λύσης αυξάνεται σύμφωνα με έναν νόμο ισχύος, στη γενική περίπτωση, για N bit έχουμε 2^N πιθανές επιλογές λύσης, οι οποίες για σχετικά μικρό N (100) μας δίνουν έναν αυπολογισμένο (στο τρέχον τεχνολογικό επίπεδο) χώρο λύσης.
Υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις; Όπως ίσως μαντέψατε, ναι, υπάρχει.
Αλλά προτού περάσουμε στο πώς και γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν αποτελεσματικά προβλήματα όπως αυτά, ας αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να ανακεφαλαιώσουμε τι είναι. κατανομή πιθανοτήτων. Μην ανησυχείτε, αυτό είναι ένα άρθρο κριτικής, δεν θα υπάρχουν σκληρά μαθηματικά εδώ, θα αρκεστούμε στο κλασικό παράδειγμα με μια τσάντα και μπάλες.
Μόνο λίγη συνδυαστική, θεωρία πιθανοτήτων και ένας περίεργος πειραματιστής
Ας πάρουμε μια τσάντα και ας τη βάλουμε μέσα 1000 άσπρες και 1000 μαύρες μπάλες. Θα πραγματοποιήσουμε ένα πείραμα - βγάλτε τη μπάλα, σημειώστε το χρώμα, επιστρέψτε τη μπάλα στην τσάντα και ανακατέψτε τις μπάλες στην τσάντα.
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε 10 φορές, έβγαλε 10 μαύρες μπάλες. Μπορεί? Αρκετά. Μας δίνει αυτό το δείγμα κάποια λογική ιδέα για την πραγματική κατανομή στην τσάντα; Προφανώς όχι. Τι πρέπει να γίνει - σωστά, σελεπαναλάβετε το πείραμα ένα εκατομμύριο φορές και υπολογίστε τις συχνότητες των ασπρόμαυρων σφαιρών. Παίρνουμε, για παράδειγμα 49.95% μαύρο και 50.05% λευκό. Σε αυτή την περίπτωση, η δομή της κατανομής από την οποία δειγματίζουμε (βγάζουμε μια μπάλα) είναι ήδη λίγο πολύ ξεκάθαρη.
Το κύριο πράγμα είναι να το καταλάβουμε το ίδιο το πείραμα έχει πιθανολογική φύση, με ένα δείγμα (μπάλα) δεν θα γνωρίζουμε την πραγματική δομή της κατανομής, πρέπει να επαναλάβουμε το πείραμα πολλές φορές και κατά μέσο όρο τα αποτελέσματα.
Ας το προσθέσουμε στην τσάντα μας 10 κόκκινες και 10 πράσινες μπάλες (Σφάλματα). Ας επαναλάβουμε το πείραμα 10 φορές. ΣΕέβγαλε 5 κόκκινα και 5 πράσινα. Μπορεί? Ναί. Μπορούμε να πούμε κάτι για την πραγματική διανομή - Όχι. Τι πρέπει να γίνει - καλά, καταλαβαίνετε.
Για να κατανοήσουμε τη δομή μιας κατανομής πιθανοτήτων, είναι απαραίτητο να δειγματίζουμε επανειλημμένα μεμονωμένα αποτελέσματα από αυτήν την κατανομή και να υπολογίζουμε τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων.
Σύνδεση θεωρίας με πράξη
Τώρα αντί για ασπρόμαυρες μπάλες, ας πάρουμε μπάλες μπιλιάρδου και ας τις βάλουμε σε μια τσάντα 1000 μπάλες με τον αριθμό 2, 1000 με τον αριθμό 7 και 10 μπάλες με άλλους αριθμούς. Ας φανταστούμε έναν πειραματιστή που εκπαιδεύεται στις πιο απλές ενέργειες (βγάλε μια μπάλα, γράψε τον αριθμό, ξαναβάλε την μπάλα στην τσάντα, ανακάτεψε τις μπάλες στην τσάντα) και το κάνει αυτό σε 150 μικροδευτερόλεπτα. Λοιπόν, τέτοιος πειραματιστής στην ταχύτητα (όχι διαφήμιση φαρμάκων!!!). Στη συνέχεια, σε 150 δευτερόλεπτα θα είναι σε θέση να εκτελέσει το πείραμά μας 1 εκατομμύριο φορές και μας παρέχει τα μέσα αποτελέσματα.
Κάθισαν τον πειραματιστή, του έδωσαν μια τσάντα, γύρισαν μακριά, περίμεναν 150 δευτερόλεπτα και έλαβαν:
αριθμός 2 - 49.5%, αριθμός 7 - 49.5%, οι υπόλοιποι αριθμοί συνολικά - 1%.
Ναι, σωστά, Η τσάντα μας είναι ένας κβαντικός υπολογιστής με έναν αλγόριθμο που λύνει το πρόβλημά μας, και οι μπάλες είναι πιθανές λύσεις. Αφού λοιπόν υπάρχουν δύο σωστές λύσεις ένας κβαντικός υπολογιστής θα μας δώσει οποιαδήποτε από αυτές τις πιθανές λύσεις με ίση πιθανότητα και 0.5% (10/2000) σφάλματα, για το οποίο θα μιλήσουμε αργότερα.
Για να λάβετε το αποτέλεσμα ενός κβαντικού υπολογιστή, πρέπει να εκτελέσετε τον κβαντικό αλγόριθμο πολλές φορές στο ίδιο σύνολο δεδομένων εισόδου και να κάνετε μέσο όρο του αποτελέσματος.
Επεκτασιμότητα ενός κβαντικού υπολογιστή
Τώρα φανταστείτε ότι για μια εργασία που περιλαμβάνει 100 άτομα (χώρος λύσης 2^100 το θυμόμαστε αυτό), υπάρχουν επίσης μόνο δύο σωστές αποφάσεις. Στη συνέχεια, αν πάρουμε 100 qubits και γράψουμε έναν αλγόριθμο που υπολογίζει την αντικειμενική μας συνάρτηση (L, βλέπε παραπάνω) πάνω από αυτά τα qubit, τότε θα πάρουμε μια τσάντα στην οποία θα υπάρχουν 1000 μπάλες με τον αριθμό της πρώτης σωστής απάντησης, 1000 με τον αριθμό της δεύτερης σωστής απάντησης και 10 μπάλες με άλλους αριθμούς. Και μέσα στα ίδια 150 δευτερόλεπτα ο πειραματιστής μας θα μας δώσει μια εκτίμηση της κατανομής πιθανοτήτων των σωστών απαντήσεων.
Ο χρόνος εκτέλεσης ενός κβαντικού αλγορίθμου (με ορισμένες παραδοχές) μπορεί να θεωρηθεί σταθερός O(1) ως προς τη διάσταση του χώρου λύσης (2^N).
Και αυτή ακριβώς είναι η ιδιότητα ενός κβαντικού υπολογιστή - σταθερότητα χρόνου εκτέλεσης σε σχέση με τον αυξανόμενο νόμο ισχύος, η πολυπλοκότητα του χώρου λύσης είναι το κλειδί.
Qubit και παράλληλοι κόσμοι
Πώς συμβαίνει αυτό; Τι επιτρέπει σε έναν κβαντικό υπολογιστή να εκτελεί τόσο γρήγορα υπολογισμούς; Είναι όλα σχετικά με την κβαντική φύση του qubit.
Κοιτάξτε, είπαμε ότι ένα qubit είναι σαν ένα κβαντικό αντικείμενο αντιλαμβάνεται μια από τις δύο καταστάσεις του όταν παρατηρείται, αλλά στην «άγρια φύση» είναι μέσα υπερθέσεις των κρατών, δηλαδή, βρίσκεται και στις δύο οριακές του καταστάσεις ταυτόχρονα (με κάποια πιθανότητα).
Πάρτε (Α)ντρέγια και φανταστείτε την κατάστασή του (σε ποιο όχημα βρίσκεται - 0 ή 1) ως qubit. Τότε έχουμε (στον κβαντικό χώρο) δύο παράλληλοι κόσμοι, σε μια (Α) κάθεται στο ταξί 0, σε έναν άλλο κόσμο - στο ταξί 1. Σε δύο ταξί ταυτόχρονα, αλλά με κάποια πιθανότητα να το βρούμε σε καθένα από αυτά κατά την παρατήρηση.
Πάρτε (Β) νέος και ας φανταστούμε επίσης την κατάστασή του ως qubit. Προκύπτουν άλλοι δύο παράλληλοι κόσμοι. Προς το παρόν όμως αυτά τα ζευγάρια κόσμων (Α) и (ΣΕ) μην αλληλεπιδρούν καθόλου. Τι πρέπει να γίνει για να δημιουργηθεί σχετίζεται με Σύστημα? Σωστά, χρειαζόμαστε αυτά τα qubits δένω (μπερδεύω). Το παίρνουμε και το μπερδεύουμε (Α) με (Β) — παίρνουμε ένα κβαντικό σύστημα δύο qubits (Α, Β), συνειδητοποιώντας μέσα του τέσσερα αλληλοεξαρτώμενος παράλληλους κόσμους. Προσθήκη (S)ergey και παίρνουμε ένα σύστημα τριών qubits (ΑΛΦΑΒΗΤΟ), υλοποίηση οκτώ αλληλοεξαρτώμενος παράλληλους κόσμους.
Η ουσία του κβαντικού υπολογισμού (η υλοποίηση μιας αλυσίδας κβαντικών πυλών σε ένα σύστημα συνδεδεμένων qubits) είναι το γεγονός ότι ο υπολογισμός γίνεται σε όλους τους παράλληλους κόσμους ταυτόχρονα.
Και δεν έχει σημασία πόσα από αυτά έχουμε, 2^3 ή 2^100, ο κβαντικός αλγόριθμος θα εκτελεστεί σε πεπερασμένο χρόνο σε όλους αυτούς τους παράλληλους κόσμους και θα μας δώσει ένα αποτέλεσμα, το οποίο είναι δείγμα από την κατανομή πιθανοτήτων των απαντήσεων του αλγορίθμου.
Για καλύτερη κατανόηση, μπορεί κανείς να το φανταστεί ένας κβαντικός υπολογιστής σε κβαντικό επίπεδο εκτελεί 2^N παράλληλες διεργασίες λύσης, καθένας από τους οποίους εργάζεται σε μία πιθανή επιλογή, στη συνέχεια συλλέγει τα αποτελέσματα της εργασίας - και μας δίνει την απάντηση με τη μορφή υπέρθεσης της λύσης (κατανομή πιθανοτήτων των απαντήσεων), από την οποία δειγματίζουμε μία κάθε φορά (για κάθε πείραμα).
Θυμηθείτε τον χρόνο που απαιτείται από τον πειραματιστή μας (150 µs) για να πραγματοποιήσουμε το πείραμα, αυτό θα μας φανεί χρήσιμο λίγο πιο πέρα, όταν μιλάμε για τα κύρια προβλήματα των κβαντικών υπολογιστών και τον χρόνο αποσυνοχής.
Κβαντικοί αλγόριθμοι
Όπως αναφέρθηκε ήδη, οι συμβατικοί αλγόριθμοι που βασίζονται στη δυαδική λογική δεν είναι εφαρμόσιμοι σε έναν κβαντικό υπολογιστή που χρησιμοποιεί κβαντική λογική (quantum gates). Για αυτόν, ήταν απαραίτητο να βρεθούν νέες που να εκμεταλλεύονται πλήρως τις δυνατότητες που ενυπάρχουν στην κβαντική φύση των υπολογιστών.
Οι πιο γνωστοί αλγόριθμοι σήμερα είναι:
Σε αντίθεση με τους κλασικούς, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι καθολικοί.
Μόνο ένας μικρός αριθμός κβαντικών αλγορίθμων έχει βρεθεί μέχρι στιγμής.
σας ευχαριστώ για τον σύνδεσμο προς , ένα μέρος όπου, σύμφωνα με τον συγγραφέα (), οι καλύτεροι εκπρόσωποι του κβαντικού-αλγοριθμικού κόσμου έχουν συγκεντρωθεί και συνεχίζουν να συγκεντρώνονται.
Σε αυτό το άρθρο δεν θα αναλύσουμε λεπτομερώς τους κβαντικούς αλγόριθμους· υπάρχουν πολλά εξαιρετικά υλικά στο Διαδίκτυο για οποιοδήποτε επίπεδο πολυπλοκότητας, αλλά πρέπει να δούμε εν συντομία τους τρεις πιο διάσημους.
Ο αλγόριθμος του Shor.
Ο πιο διάσημος κβαντικός αλγόριθμος είναι (εφευρέθηκε το 1994 από τον Άγγλο μαθηματικό ), που στοχεύει στην επίλυση του προβλήματος της παραγοντοποίησης αριθμών σε πρώτους παράγοντες (πρόβλημα παραγοντοποίησης, διακριτός λογάριθμος).
Είναι αυτός ο αλγόριθμος που αναφέρεται ως παράδειγμα όταν γράφουν ότι τα τραπεζικά σας συστήματα και οι κωδικοί πρόσβασης σύντομα θα παραβιαστούν. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το μήκος των πλήκτρων που χρησιμοποιούνται σήμερα δεν είναι μικρότερο από 2048 bit, η ώρα για ένα καπάκι δεν έχει έρθει ακόμη.
Μέχρι σήμερα παραπάνω από μέτρια. Καλύτερα αποτελέσματα παραγοντοποίησης με τον αλγόριθμο Shor - Αριθμοί и , το οποίο είναι πολύ μικρότερο από 2048 bit. Για τα υπόλοιπα αποτελέσματα από τον πίνακα, διαφορετικό υπολογισμούς, αλλά ακόμη και το καλύτερο αποτέλεσμα σύμφωνα με αυτόν τον αλγόριθμο (291311) απέχει πολύ από την πραγματική εφαρμογή.
Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τον αλγόριθμο του Shor, για παράδειγμα,. Σχετικά με την πρακτική εφαρμογή - .
Ενας από η πολυπλοκότητα και η απαιτούμενη ισχύς για τον συντελεστή ενός αριθμού 2048 bit είναι ένας υπολογιστής με . Κοιμόμαστε ήσυχοι.
Ο αλγόριθμος του Γκρόβερ
- επίλυση του προβλήματος της απαρίθμησης, δηλαδή εύρεση λύσης στην εξίσωση F(X) = 1, όπου το F είναι από n μεταβλητές. Προτάθηκε από έναν Αμερικανό μαθηματικό в .
Ο αλγόριθμος του Grover μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εύρεση и σειρά αριθμών. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επίλυση προβλήματα μέσα από μια εξαντλητική αναζήτηση ανάμεσα σε πολλές πιθανές λύσεις. Αυτό μπορεί να συνεπάγεται σημαντικά κέρδη ταχύτητας σε σύγκριση με τους κλασικούς αλγόριθμους, αν και χωρίς να παρέχει "" γενικά.
Μπορείτε να διαβάσετε περισσότεραΉ . Περισσότερο Υπάρχει μια καλή εξήγηση του αλγορίθμου χρησιμοποιώντας το παράδειγμα κουτιών και μπάλας, αλλά, δυστυχώς, για λόγους που δεν μπορούν να ελεγχθούν, αυτός ο ιστότοπος δεν ανοίγει για μένα από τη Ρωσία. Εάν έχετε είναι επίσης αποκλεισμένο, οπότε ακολουθεί μια σύντομη περίληψη:
Ο αλγόριθμος του Γκρόβερ. Φανταστείτε ότι έχετε N κομμάτια αριθμημένων κλειστών κουτιών. Είναι όλα άδεια εκτός από ένα που περιέχει μια μπάλα. Το καθήκον σας: μάθετε τον αριθμό του κουτιού στο οποίο βρίσκεται η μπάλα (αυτός ο άγνωστος αριθμός συχνά συμβολίζεται με το γράμμα w).
Πώς να λύσετε αυτό το πρόβλημα; Ο πιο ηλίθιος τρόπος είναι να ανοίγετε εναλλάξ τα κουτιά και αργά ή γρήγορα θα συναντήσετε ένα κουτί με μια μπάλα. Κατά μέσο όρο, πόσα κουτάκια πρέπει να ελεγχθούν πριν βρεθεί ένα κουτί με μπάλα; Κατά μέσο όρο, πρέπει να ανοίξετε περίπου τα μισά κουτιά N/2. Το κύριο πράγμα εδώ είναι ότι αν αυξήσουμε τον αριθμό των κουτιών κατά 100 φορές, τότε ο μέσος αριθμός κουτιών που πρέπει να ανοίξουν πριν βρεθεί το κουτί με τη μπάλα θα αυξηθεί επίσης κατά 100 φορές.
Τώρα ας κάνουμε μια ακόμη διευκρίνιση. Ας μην ανοίγουμε τα κουτιά μόνοι μας με τα χέρια μας και ας ελέγχουμε για την παρουσία μιας μπάλας στο καθένα, αλλά υπάρχει ένας συγκεκριμένος ενδιάμεσος, ας τον πούμε Oracle. Λέμε στην Oracle, "check box number 732" και η Oracle ελέγχει ειλικρινά και απαντά: "Δεν υπάρχει μπάλα στο πλαίσιο με αριθμό 732". Τώρα, αντί να πούμε πόσα κουτιά πρέπει να ανοίξουμε κατά μέσο όρο, λέμε "πόσες φορές κατά μέσο όρο πρέπει να πάμε στο Oracle για να βρούμε τον αριθμό του κουτιού με την μπάλα"
Αποδεικνύεται ότι αν μεταφράσουμε αυτό το πρόβλημα με κουτιά, μπάλα και Oracle σε κβαντική γλώσσα, έχουμε ένα αξιοσημείωτο αποτέλεσμα: για να βρούμε τον αριθμό ενός κουτιού με μια μπάλα ανάμεσα σε N κουτιά, πρέπει να ενοχλήσουμε το Oracle μόνο για το SQRT (Ν) φορές!
Δηλαδή, η πολυπλοκότητα της εργασίας αναζήτησης χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Grover μειώνεται κατά την τετραγωνική ρίζα των χρόνων.
Αλγόριθμος Deutsch-Jozi
Αλγόριθμος Deutsch-Jozsa (αναφέρεται επίσης ως αλγόριθμος Deutsch-Jozsa) - [κβαντικός αλγόριθμος](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , και έγινε ένα από τα πρώτα παραδείγματα αλγορίθμων που σχεδιάστηκαν για εκτέλεση . _
Το πρόβλημα Deutsch-Jozsi είναι να προσδιορίσει εάν μια συνάρτηση πολλών δυαδικών μεταβλητών F(x1, x2, ... xn) είναι σταθερή (παίρνει είτε την τιμή 0 είτε 1 για οποιαδήποτε ορίσματα) ή ισορροπημένη (για το ήμισυ του τομέα που χρειάζεται η τιμή 0, για το άλλο μισό 1). Σε αυτή την περίπτωση, θεωρείται εκ των προτέρων γνωστό ότι η συνάρτηση είναι είτε σταθερή είτε ισορροπημένη.
Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα . Μια πιο απλή εξήγηση:
Ο αλγόριθμος Deutsch (Deutsch-Jozsi) βασίζεται στην ωμή βία, αλλά επιτρέπει να γίνει πιο γρήγορα από το συνηθισμένο. Φανταστείτε ότι υπάρχει ένα νόμισμα στο τραπέζι και πρέπει να μάθετε αν είναι πλαστό ή όχι. Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να κοιτάξετε το νόμισμα δύο φορές και να προσδιορίσετε: τα "κεφάλια" και οι "ουρές" είναι πραγματικές, δύο "κεφάλια", δύο "ουρές" είναι ψεύτικες. Έτσι, αν χρησιμοποιήσετε τον κβαντικό αλγόριθμο Deutsch, τότε αυτός ο προσδιορισμός μπορεί να γίνει με μια ματιά - μέτρηση.
Προβλήματα κβαντικών υπολογιστών
Κατά το σχεδιασμό και τη λειτουργία κβαντικών υπολογιστών, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν έναν τεράστιο αριθμό προβλημάτων, τα οποία μέχρι σήμερα έχουν επιλυθεί με διάφορους βαθμούς επιτυχίας. Σύμφωνα με () μπορούν να εντοπιστούν οι ακόλουθες σειρές προβλημάτων:
- Ευαισθησία στο περιβάλλον και αλληλεπίδραση με το περιβάλλον
- Συσσώρευση σφαλμάτων κατά τους υπολογισμούς
- Δυσκολίες με την αρχική προετοιμασία των καταστάσεων qubit
- Δυσκολίες στη δημιουργία συστημάτων πολλαπλών qubit
Συνιστώ ανεπιφύλακτα να διαβάσετε το άρθρο "», ειδικά τα σχόλια σε αυτό.
Ας οργανώσουμε όλα τα κύρια προβλήματα σε τρεις μεγάλες ομάδες και ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε καθεμία από αυτές:
Αποσυνοχή
.
Κβαντική κατάσταση πολύ εύθραυστο πράγματα qubits σε μια μπερδεμένη κατάσταση είναι εξαιρετικά ασταθή, οποιαδήποτε εξωτερική επιρροή μπορεί (και καταστρέφει) αυτή τη σύνδεση. Μια αλλαγή στη θερμοκρασία κατά το μικρότερο κλάσμα της μοίρας, πίεση, ένα τυχαίο φωτόνιο που πετά κοντά - όλα αυτά αποσταθεροποιούν το σύστημά μας.
Για την επίλυση αυτού του προβλήματος κατασκευάζονται σαρκοφάγοι χαμηλής θερμοκρασίας, στις οποίες η θερμοκρασία (-273.14 βαθμοί Κελσίου) είναι ελαφρώς πάνω από το απόλυτο μηδέν, με μέγιστη απομόνωση του εσωτερικού θαλάμου με τον επεξεργαστή από όλες τις (πιθανές) επιρροές του εξωτερικού περιβάλλοντος.
Η μέγιστη διάρκεια ζωής ενός κβαντικού συστήματος πολλών μπερδεμένων qubits, κατά την οποία διατηρεί τις κβαντικές του ιδιότητες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υπολογισμούς, ονομάζεται χρόνος αποσυνοχής.
Επί του παρόντος, ο χρόνος αποσυνοχής στις καλύτερες κβαντικές λύσεις είναι της τάξης του δεκάδες και εκατοντάδες μικροδευτερόλεπτα.
Υπάρχει ένα υπέροχο όπου μπορείτε να κοιτάξετε όλων των δημιουργηθέντων κβαντικών συστημάτων. Αυτό το άρθρο περιλαμβάνει μόνο δύο κορυφαίους επεξεργαστές ως παραδείγματα - από την IBM και από . Όπως βλέπουμε, ο χρόνος αποσυνοχής (T2) δεν ξεπερνά τα 200 μs.
Δεν βρήκα ακριβή στοιχεία για το Sycamore, αλλά στα περισσότερα δίνονται δύο αριθμοί - 1 εκατομμύριο υπολογισμοί σε 200 δευτερόλεπτα, αλλού - για 130 δευτερόλεπτα χωρίς απώλεια σημάτων ελέγχου κ.λπ.. Σε κάθε περίπτωση, αυτό μας δίνει Ο χρόνος αποσυνοχής είναι περίπου 150 μs. Θυμηθείτε το δικό μας πειραματιστής με μια τσάντα? Λοιπόν, εδώ είναι.
| Όνομα υπολογιστή | N Qubits | Ο Max ζευγαρώθηκε | T2 (μs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Με τι μας απειλεί η αποσυνοχή;
Το κύριο πρόβλημα είναι ότι μετά από 150 μs, το υπολογιστικό μας σύστημα των N μπερδεμένων qubits θα αρχίσει να παράγει πιθανό λευκό θόρυβο αντί για πιθανολογική κατανομή σωστών λύσεων.
Δηλαδή χρειαζόμαστε:
- Αρχικοποιήστε το σύστημα qubit
- Εκτελέστε έναν υπολογισμό (αλυσίδα λειτουργιών πύλης)
- Διαβάστε το αποτέλεσμα
Και κάντε όλα αυτά σε 150 μικροδευτερόλεπτα. Δεν είχα χρόνο - το αποτέλεσμα μετατράπηκε σε κολοκύθα.
Αλλά δεν είναι μόνο αυτό…
Λάθη
Όπως είπαμε, Οι κβαντικές διεργασίες και οι κβαντικοί υπολογιστές είναι πιθανολογικού χαρακτήρα, δεν μπορούμε να είμαστε 100% σίγουροι για τίποτα, αλλά μόνο με κάποια πιθανότητα. Η κατάσταση επιδεινώνεται ακόμη περισσότερο από το γεγονός ότι Ο κβαντικός υπολογισμός είναι επιρρεπής σε σφάλματα. Οι κύριοι τύποι σφαλμάτων στον κβαντικό υπολογισμό είναι:
- Τα σφάλματα αποσυνοχής προκαλούνται από την πολυπλοκότητα του συστήματος και την αλληλεπίδραση με το εξωτερικό περιβάλλον
- Υπολογιστικά σφάλματα πύλης (λόγω της κβαντικής φύσης του υπολογισμού)
- Σφάλματα στην ανάγνωση της τελικής κατάστασης (αποτέλεσμα)
Σφάλματα που σχετίζονται με την αποσυνοχή, εμφανίζεται μόλις μπλέξουμε τα qubit μας και αρχίσουμε να κάνουμε υπολογισμούς. Όσο περισσότερα qubit μπλέκουμε, τόσο πιο πολύπλοκο είναι το σύστημα, και τόσο πιο εύκολο είναι να το καταστρέψεις. Σαρκοφάγοι χαμηλής θερμοκρασίας, προστατευμένοι θάλαμοι, όλα αυτά τα τεχνολογικά κόλπα στοχεύουν ακριβώς στη μείωση του αριθμού των σφαλμάτων και στην επέκταση του χρόνου αποσυνοχής.
Υπολογιστικά σφάλματα πύλης - οποιαδήποτε πράξη (πύλη) σε qubits μπορεί, με κάποια πιθανότητα, να τελειώσει με σφάλμα και για να εφαρμόσουμε τον αλγόριθμο πρέπει να εκτελέσουμε εκατοντάδες πύλες, οπότε φανταστείτε τι παίρνουμε στο τέλος της εκτέλεσης του αλγορίθμου μας. Η κλασική απάντηση στην ερώτηση είναι "Ποια είναι η πιθανότητα να συναντήσετε έναν δεινόσαυρο σε ένα ασανσέρ;" - 50x50, είτε θα συναντήσετε είτε όχι.
Το πρόβλημα επιδεινώνεται περαιτέρω από το γεγονός ότι οι τυπικές μέθοδοι διόρθωσης σφαλμάτων (διπλασιασμός υπολογισμών και μέσος όρος) δεν λειτουργούν στον κβαντικό κόσμο λόγω του θεωρήματος της μη κλωνοποίησης. Για στον κβαντικό υπολογισμό έπρεπε να εφευρεθεί . Σε γενικές γραμμές, παίρνουμε N συνηθισμένα qubits και κάνουμε 1 από αυτά λογικό qubit με χαμηλότερο ποσοστό σφάλματος.
Αλλά εδώ προκύπτει ένα άλλο πρόβλημα - συνολικός αριθμός qubits. Κοιτάξτε, ας πούμε ότι έχουμε έναν επεξεργαστή με 100 qubits, εκ των οποίων τα 80 qubits χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση σφαλμάτων, και μετά έχουμε μόνο 20 για υπολογισμούς.
Σφάλματα στην ανάγνωση του τελικού αποτελέσματος — όπως θυμόμαστε, το αποτέλεσμα των κβαντικών υπολογισμών μας παρουσιάζεται με τη μορφή κατανομή πιθανοτήτων των απαντήσεων. Αλλά η ανάγνωση της τελικής κατάστασης μπορεί επίσης να αποτύχει με ένα σφάλμα.
Πάνω στο ίδιο Υπάρχουν συγκριτικοί πίνακες επεξεργαστών κατά επίπεδα σφάλματος. Για σύγκριση, ας πάρουμε τους ίδιους επεξεργαστές όπως στο προηγούμενο παράδειγμα - IBM и :
| υπολογιστή | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Πιστότητα ανάγνωσης |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Εδώ είναι ένα μέτρο της ομοιότητας δύο κβαντικών καταστάσεων. Το μέγεθος του σφάλματος μπορεί να εκφραστεί χονδρικά ως 1-Fidelity. Όπως μπορούμε να δούμε, τα σφάλματα σε πύλες 2-qubit και τα σφάλματα ανάγνωσης είναι το κύριο εμπόδιο για την εκτέλεση πολύπλοκων και μεγάλων αλγορίθμων σε υπάρχοντες κβαντικούς υπολογιστές.
Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα χρόνια από για την επίλυση του προβλήματος της διόρθωσης σφαλμάτων.
Αρχιτεκτονική επεξεργαστή
Θεωρητικά κατασκευάζουμε και λειτουργούμε κυκλώματα δεκάδων μπερδεμένων qubits, στην πραγματικότητα όλα είναι πιο περίπλοκα. Όλα τα υπάρχοντα κβαντικά τσιπ (επεξεργαστές) είναι κατασκευασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχουν ανώδυνα εμπλοκή ενός qubit μόνο με τους γείτονές του, εκ των οποίων δεν είναι περισσότεροι από έξι.
Αν χρειαστεί να μπλέξουμε το 1ο qubit, ας πούμε, με το 12ο, τότε θα πρέπει να να δημιουργήσει μια αλυσίδα πρόσθετων κβαντικών πράξεων, περιλαμβάνουν πρόσθετα qubits κ.λπ., γεγονός που αυξάνει το συνολικό επίπεδο σφάλματος. Ναι, και μην ξεχνάτε χρόνος αποσυνοχής, ίσως μέχρι να ολοκληρώσετε τη σύνδεση των qubits στο κύκλωμα που χρειάζεστε, ο χρόνος θα τελειώσει και ολόκληρο το κύκλωμα θα μετατραπεί σε ωραία γεννήτρια λευκού θορύβου.
Επίσης μην το ξεχνάτε Η αρχιτεκτονική όλων των κβαντικών επεξεργαστών είναι διαφορετική, και το πρόγραμμα που είναι γραμμένο στον εξομοιωτή στη λειτουργία "σύνδεση από όλους" θα πρέπει να "εκ νέου μεταγλωττιστεί" στην αρχιτεκτονική ενός συγκεκριμένου τσιπ. Υπάρχουν μάλιστα για να εκτελέσετε αυτή τη λειτουργία.
Μέγιστη συνδεσιμότητα και μέγιστος αριθμός qubits για τα ίδια κορυφαία τσιπ:
| Όνομα υπολογιστή | N Qubits | Ο Max ζευγαρώθηκε | T2 (μs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Και για σύγκριση, πίνακα με δεδομένα από την προηγούμενη γενιά επεξεργαστών. Συγκρίνετε τον αριθμό των qubit, τον χρόνο αποσυνοχής και το ποσοστό σφάλματος με αυτό που έχουμε τώρα με τη νέα γενιά. Ωστόσο, η πρόοδος είναι αργή, αλλά κινούμενη.
Έτσι:
- Αυτήν τη στιγμή δεν υπάρχουν πλήρως συνδεδεμένες αρχιτεκτονικές με > 6 qubits
- Για να μπλέξετε το qubit 0 s σε έναν πραγματικό επεξεργαστή, για παράδειγμα, το qubit 15 μπορεί να απαιτήσει αρκετές δεκάδες πρόσθετες λειτουργίες
- Περισσότερες λειτουργίες -> περισσότερα σφάλματα -> ισχυρότερη επιρροή της αποσυνοχής
Αποτελέσματα της
Η αποσυνοχή είναι η προκρούστεια κλίνη του σύγχρονου κβαντικού υπολογισμού. Πρέπει να χωρέσουμε τα πάντα σε 150 μs:
- Αρχικοποίηση της αρχικής κατάστασης των qubits
- Υπολογισμός προβλήματος με χρήση κβαντικών πυλών
- Διορθώστε τα λάθη για να έχετε ουσιαστικά αποτελέσματα
- Διαβάστε το αποτέλεσμα
Μέχρι στιγμής όμως τα αποτελέσματα είναι απογοητευτικά ισχυρίζονται ότι επιτυγχάνουν χρόνο διατήρησης συνοχής 0.5 δευτερολέπτων σε έναν κβαντικό υπολογιστή με βάση :
Μετράμε χρόνο συνοχής qubit άνω του 0.5 s και με μαγνητική θωράκιση αναμένουμε ότι θα βελτιωθεί περισσότερο από 1000 s
Μπορείτε επίσης να διαβάσετε για αυτήν την τεχνολογία ή για παράδειγμα .
Η κατάσταση περιπλέκεται περαιτέρω από το γεγονός ότι κατά την εκτέλεση πολύπλοκων υπολογισμών είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν κβαντικά κυκλώματα διόρθωσης σφαλμάτων, τα οποία επίσης καταναλώνουν τόσο χρόνο όσο και διαθέσιμα qubits.
Και τέλος, οι σύγχρονες αρχιτεκτονικές δεν επιτρέπουν την εφαρμογή σχημάτων εμπλοκής καλύτερα από 1 στα 4 ή 1 στα 6 με ελάχιστο κόστος.
Τρόποι επίλυσης προβλημάτων
Για την επίλυση των παραπάνω προβλημάτων, χρησιμοποιούνται επί του παρόντος οι ακόλουθες προσεγγίσεις και μέθοδοι:
- Χρήση κρυοθαλάμων με χαμηλές θερμοκρασίες (10 mK (–273,14°C))
- Χρήση μονάδων επεξεργαστή που προστατεύονται στο μέγιστο από εξωτερικές επιρροές
- Χρήση συστημάτων διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων (λογικό Qubit)
- Χρήση βελτιστοποιητών κατά τον προγραμματισμό κυκλωμάτων για συγκεκριμένο επεξεργαστή
Διενεργείται επίσης έρευνα με στόχο την αύξηση του χρόνου αποσυνοχής, την αναζήτηση νέων (και τη βελτίωση γνωστών) φυσικών υλοποιήσεων κβαντικών αντικειμένων, τη βελτιστοποίηση των κυκλωμάτων διόρθωσης κ.λπ., κ.λπ. Υπάρχει πρόοδος (δείτε παραπάνω τα χαρακτηριστικά των προηγούμενων και των σημερινών κορυφαίων chips), αλλά μέχρι στιγμής είναι αργή, πολύ, πολύ αργή.
D-κύμα
Υπολογιστής D-Wave 2000Q 2000 qubit. Πηγή:
Εν μέσω της ανακοίνωσης της Google για την επίτευξη κβαντικής υπεροχής χρησιμοποιώντας έναν επεξεργαστή 53 qubit, и από την εταιρεία D-Wave, στην οποία ο αριθμός των qubits είναι χιλιάδες, είναι κάπως μπερδεμένο. Λοιπόν, αλήθεια, αν 53 qubits ήταν σε θέση να επιτύχουν κβαντική υπεροχή, τότε τι είναι ικανός ένας υπολογιστής με 2048 qubits; Αλλά δεν είναι όλα τόσο καλά...
Εν ολίγοις (παρμένο από το wiki):
Υπολογιστές εργάζονται με βάση την αρχή (), μπορούν να λύσουν μια πολύ περιορισμένη υποκατηγορία προβλημάτων βελτιστοποίησης και δεν είναι κατάλληλα για την εφαρμογή παραδοσιακών κβαντικών αλγορίθμων και κβαντικών πυλών.
Για περισσότερες λεπτομέρειες μπορείτε να διαβάσετε, για παράδειγμα, , (προσοχή, μπορεί να μην ανοίξει από Ρωσία), ή в από το δικό του . Παρεμπιπτόντως, συνιστώ ανεπιφύλακτα να διαβάσετε το blog του γενικά, υπάρχει πολύ καλό υλικό εκεί
Γενικά, από την αρχή των ανακοινώσεων, η επιστημονική κοινότητα είχε ερωτήσεις σχετικά με τους υπολογιστές D-Wave. Για παράδειγμα, το 2014, η IBM αμφισβήτησε το γεγονός ότι το D-Wave Έφτασε στο σημείο ότι το 2015, η Google, μαζί με τη NASA, αγόρασε έναν από αυτούς τους κβαντικούς υπολογιστές και μετά από έρευνα , ότι ναι, ο υπολογιστής λειτουργεί και υπολογίζει το πρόβλημα πιο γρήγορα από έναν κανονικό. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τη δήλωση της Google και, για παράδειγμα, .
Το κυριότερο είναι ότι οι υπολογιστές D-Wave, με τα εκατοντάδες και χιλιάδες qubits τους, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό και την εκτέλεση κβαντικών αλγορίθμων. Δεν μπορείτε να εκτελέσετε τον αλγόριθμο του Shor σε αυτά, για παράδειγμα. Το μόνο που μπορούν να κάνουν είναι να χρησιμοποιήσουν ορισμένους κβαντικούς μηχανισμούς για να λύσουν ένα συγκεκριμένο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το D-Wave είναι ένα κβαντικό ASIC για μια συγκεκριμένη εργασία.
Λίγα λόγια για την εξομοίωση κβαντικού υπολογιστή
Ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να προσομοιωθεί σε έναν κανονικό υπολογιστή. Πράγματι, :
- Η κατάσταση του qubit μπορεί να είναι μιγαδικός αριθμός, που καταλαμβάνει από 2x32 έως 2x64 bit (8-16 byte) ανάλογα με την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή
- Η κατάσταση των N συνδεδεμένων qubits μπορεί να αναπαρασταθεί ως μιγαδικοί αριθμοί 2^N, δηλ. 2^(3+N) για αρχιτεκτονική 32-bit και 2^(4+N) για 64-bit.
- Μια κβαντική πράξη σε N qubits μπορεί να αναπαρασταθεί από έναν πίνακα 2^N x 2^N
Στη συνέχεια:
- Για να αποθηκεύσετε τις εξομοιούμενες καταστάσεις των 10 qubits, χρειάζονται 8 KB
- Για να αποθηκεύσετε τις καταστάσεις των 20 qubits χρειάζεστε 8 MB
- Για να αποθηκεύσετε τις καταστάσεις των 30 qubits, χρειάζονται 8 GB
- Απαιτούνται 40 Terabyte για την αποθήκευση των καταστάσεων των 8 qubits
- Για να αποθηκεύσετε τις καταστάσεις των 50 qubits χρειάζονται 8 Petabyte κ.λπ.
Για σύγκριση, () μεταφέρει μόνο 2.8 Petabyte μνήμης.
— 49 qubit παραδόθηκαν πέρυσι στον μεγαλύτερο κινεζικό υπερυπολογιστή ()
Το όριο της προσομοίωσης ενός κβαντικού υπολογιστή σε κλασικά συστήματα καθορίζεται από την ποσότητα της μνήμης RAM που απαιτείται για την αποθήκευση της κατάστασης των qubits.
Συνιστώ επίσης να διαβάσετε . Από εκεί:
Με λειτουργία - για ακριβή εξομοίωση ενός κυκλώματος 49 qubit που αποτελείται από περίπου 39 «κύκλους» (ανεξάρτητα στρώματα πυλών) 2^63 μιγαδικοί πολλαπλασιασμοί - 4 Pflops ενός υπερυπολογιστή για 4 ώρες
Η εξομοίωση ενός κβαντικού υπολογιστή 50+ qubit σε κλασικά συστήματα θεωρείται αδύνατη σε εύλογο χρονικό διάστημα. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που η Google χρησιμοποίησε έναν επεξεργαστή 53 qubit για το πείραμα κβαντικής υπεροχής της.
Η υπεροχή των κβαντικών υπολογιστών.
Η Wikipedia μας δίνει τον ακόλουθο ορισμό της υπεροχής των κβαντικών υπολογιστών:
Κβαντική υπεροχή – ικανότητα συσκευές για την επίλυση προβλημάτων που οι κλασικοί υπολογιστές πρακτικά δεν μπορούν να λύσουν.
Στην πραγματικότητα, η επίτευξη κβαντικής υπεροχής σημαίνει ότι, για παράδειγμα, η παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Shor μπορεί να λυθεί σε επαρκή χρόνο ή πολύπλοκα χημικά μόρια μπορούν να εξομοιωθούν σε κβαντικό επίπεδο κ.λπ. Δηλαδή, μια νέα εποχή έφτασε.
Αλλά υπάρχει κάποιο κενό στη διατύπωση του ορισμού, "που οι κλασικοί υπολογιστές πρακτικά δεν μπορούν να λύσουν" Στην πραγματικότητα, αυτό σημαίνει ότι εάν δημιουργήσετε έναν κβαντικό υπολογιστή 50+ qubits και εκτελέσετε κάποιο κβαντικό κύκλωμα σε αυτόν, τότε, όπως συζητήσαμε παραπάνω, το αποτέλεσμα αυτού του κυκλώματος δεν μπορεί να εξομοιωθεί σε έναν κανονικό υπολογιστή. Αυτό είναι ένας κλασικός υπολογιστής δεν θα είναι σε θέση να αναδημιουργήσει το αποτέλεσμα ενός τέτοιου κυκλώματος.
Το αν ένα τέτοιο αποτέλεσμα συνιστά πραγματική κβαντική υπεροχή ή όχι είναι μάλλον φιλοσοφικό ερώτημα. Καταλάβετε όμως τι έκανε η Google και σε τι βασίζεται απαραίτητη.
Δήλωση Quantum Supremacy της Google
Επεξεργαστής Sycamore 54 qubit
Έτσι, τον Οκτώβριο του 2019, οι προγραμματιστές της Google δημοσίευσαν ένα άρθρο στην επιστημονική δημοσίευση Nature "" Οι συγγραφείς ανακοίνωσαν την επίτευξη κβαντικής υπεροχής για πρώτη φορά στην ιστορία χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή Sycamore 54 qubit.
Τα άρθρα Sycamore στο διαδίκτυο αναφέρονται συχνά είτε σε επεξεργαστή 54 qubit είτε σε επεξεργαστή 53 qubit. Η αλήθεια είναι ότι σύμφωνα με , ο επεξεργαστής αποτελείται φυσικά από 54 qubit, αλλά ένα από αυτά δεν λειτουργεί και έχει τεθεί εκτός λειτουργίας. Έτσι, στην πραγματικότητα έχουμε έναν επεξεργαστή 53-qubit.
Στο διαδίκτυο ακριβώς εκεί υλικό για αυτό το θέμα, ο βαθμός του οποίου ποικίλλει από να .
Η ομάδα κβαντικών υπολογιστών της IBM δήλωσε αργότερα ότι . Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι ένας συμβατικός υπολογιστής θα αντιμετωπίσει αυτό το έργο στη χειρότερη περίπτωση σε 2,5 ημέρες και η απάντηση που θα προκύψει θα είναι πιο ακριβής από αυτή ενός κβαντικού υπολογιστή. Αυτό το συμπέρασμα προέκυψε με βάση τα αποτελέσματα μιας θεωρητικής ανάλυσης πολλών μεθόδων βελτιστοποίησης.
Και φυσικά, στο δικό του Δεν μπορούσα να αγνοήσω αυτή τη δήλωση. Του μαζί με όλους τους συνδέσμους και ως συνήθως, αξίζει να αφιερώσετε τον χρόνο σας. Στο κέντρο αυτό το FAQ, και φροντίστε να διαβάσετε τα σχόλια, υπάρχουν σύνδεσμοι για προκαταρκτικά έγγραφα που διέρρευσαν στο διαδίκτυο πριν από την επίσημη ανακοίνωση.
Τι έκανε στην πραγματικότητα η Google; Για λεπτομερή κατανόηση, διαβάστε τον Aaronson, αλλά εν συντομία εδώ:
Μπορώ, φυσικά, να σου πω, αλλά νιώθω μάλλον ηλίθιος. Ο υπολογισμός έχει ως εξής: ο πειραματιστής δημιουργεί ένα τυχαίο κβαντικό κύκλωμα C (δηλαδή, μια τυχαία ακολουθία πυλών 1-qubit και 2-qubit μεταξύ των πλησιέστερων γειτόνων, με βάθος, για παράδειγμα, 20, που ενεργεί σε ένα δισδιάστατο δίκτυο n = 2-50 qubits). Στη συνέχεια, ο πειραματιστής στέλνει το C στον κβαντικό υπολογιστή και του ζητά να εφαρμόσει το C σε μια αρχική κατάσταση 60, να μετρήσει το αποτέλεσμα στη βάση {0}, να στείλει πίσω μια ακολουθία n-bit που παρατηρήθηκε (συμβολοσειρά) και να επαναλάβει αρκετές χιλιάδες ή εκατομμύρια φορές. Τέλος, χρησιμοποιώντας τις γνώσεις του για το C, ο πειραματιστής εκτελεί μια στατιστική δοκιμή για να δει εάν το αποτέλεσμα ταιριάζει με την αναμενόμενη έξοδο από τον κβαντικό υπολογιστή.
Πολύ συνοπτικά:
- Ένα τυχαίο κύκλωμα μήκους 20 από 53 qubit δημιουργείται χρησιμοποιώντας πύλες
- Το κύκλωμα ξεκινά με την αρχική κατάσταση [0…0] για εκτέλεση
- Η έξοδος του κυκλώματος είναι μια τυχαία συμβολοσειρά bit (δείγμα)
- Η κατανομή του αποτελέσματος δεν είναι τυχαία (παρεμβολή)
- Η κατανομή των ληφθέντων δειγμάτων συγκρίνεται με την αναμενόμενη
- Ολοκληρώνει την Κβαντική Υπεροχή
Δηλαδή, η Google υλοποίησε ένα συνθετικό πρόβλημα σε έναν επεξεργαστή 53 qubit και βασίζει τον ισχυρισμό της για την επίτευξη κβαντικής υπεροχής στο γεγονός ότι είναι αδύνατο να μιμηθεί ένας τέτοιος επεξεργαστής σε τυπικά συστήματα σε εύλογο χρόνο.
Για κατανόηση - Αυτή η ενότητα δεν μειώνει σε καμία περίπτωση το επίτευγμα της Google, οι μηχανικοί είναι πραγματικά υπέροχοι, και το ερώτημα αν αυτό μπορεί να θεωρηθεί πραγματική κβαντική υπεροχή ή όχι, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, είναι περισσότερο φιλοσοφικό από μηχανικό. Αλλά πρέπει να καταλάβουμε ότι έχοντας επιτύχει τέτοια υπολογιστική υπεροχή, δεν έχουμε προχωρήσει ούτε ένα βήμα προς την ικανότητα εκτέλεσης του αλγόριθμου του Shor σε αριθμούς 2048 bit.
Περίληψη
Οι κβαντικοί υπολογιστές και οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ένας πολλά υποσχόμενος, πολύ νέος και μέχρι στιγμής λίγο βιομηχανικά εφαρμόσιμος τομέας τεχνολογίας πληροφοριών.
Η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών θα μας επιτρέψει (κάποτε) να λύσουμε προβλήματα:
- Μοντελοποίηση πολύπλοκων φυσικών συστημάτων σε κβαντικό επίπεδο
- Αδύνατη σε κανονικό υπολογιστή λόγω υπολογιστικής πολυπλοκότητας
Τα κύρια προβλήματα στη δημιουργία και λειτουργία κβαντικών υπολογιστών:
- Αποσυνοχή
- Σφάλματα (αποσύνθεση και πύλη)
- Αρχιτεκτονική επεξεργαστή (πλήρως συνδεδεμένα κυκλώματα qubit)
Τρέχουσα κατάσταση πραγμάτων:
- Στην πραγματικότητα - η αρχή .
- Δεν υπάρχει ακόμα ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ εμπορική εκμετάλλευση (και δεν είναι σαφές πότε θα γίνει)
Τι μπορεί να βοηθήσει:
- Κάποιο είδος φυσικής ανακάλυψης που μειώνει το κόστος καλωδίωσης και λειτουργίας επεξεργαστών
- Ανακάλυψη κάτι που θα αυξήσει τον χρόνο αποσυνοχής κατά μια τάξη μεγέθους ή/και θα μειώσει τα σφάλματα
Κατά τη γνώμη μου (καθαρά προσωπική άποψη) Στο σημερινό επιστημονικό παράδειγμα της γνώσης, δεν θα επιτύχουμε σημαντική επιτυχία στην ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών, εδώ χρειαζόμαστε μια ποιοτική ανακάλυψη σε κάποιο τομέα της θεμελιώδης ή εφαρμοσμένης επιστήμης, που θα δώσει ώθηση σε νέες ιδέες και μεθόδους.
Στο μεταξύ, αποκτούμε εμπειρία στον κβαντικό προγραμματισμό, τη συλλογή και τη δημιουργία κβαντικών αλγορίθμων, τη δοκιμή ιδεών κ.λπ., κ.λπ. Περιμένουμε μια σημαντική ανακάλυψη.
Συμπέρασμα
Σε αυτό το άρθρο, περάσαμε από τα κύρια ορόσημα στην ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών και των κβαντικών υπολογιστών, εξετάσαμε την αρχή της λειτουργίας τους, εξετάσαμε τα κύρια προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί στην ανάπτυξη και λειτουργία κβαντικών επεξεργαστών και επίσης εξετάσαμε τι multi-qubit Οι υπολογιστές D στην πραγματικότητα είναι. Η Wave και η πρόσφατη ανακοίνωση της Google για την επίτευξη κβαντικής υπεροχής.
Στο παρασκήνιο μένουν ερωτήσεις προγραμματισμού κβαντικών υπολογιστών (γλώσσες, προσεγγίσεις, μέθοδοι κ.λπ.) και ερωτήσεις που σχετίζονται με τη συγκεκριμένη φυσική υλοποίηση των επεξεργαστών, τον τρόπο διαχείρισης, σύνδεσης, ανάγνωσης των qubits κ.λπ. Ίσως αυτό να είναι το θέμα του επόμενου άρθρου ή άρθρων.
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας, ελπίζω αυτό το άρθρο να είναι χρήσιμο σε κάποιον.
(Γ)
Ευχαριστώ
για διόρθωση και σχόλια στο κείμενο πηγής, καθώς και για το άρθρο
για πλούσια σε πληροφορίες σχόλια σχετικά , και όχι μόνο σε αυτήν, που με βοήθησε σε μεγάλο βαθμό να καταλάβω αυτό το παζλ.
Σε όλους τους συγγραφείς άρθρων και δημοσιεύσεων των οποίων το υλικό χρησιμοποιήθηκε για τη συγγραφή αυτού του άρθρου.
Κατάλογος πόρων
Άρθρα επικαιρότητας από [The National Academies Press]
Άρθρα από το Habr (με τυχαία σειρά)
Μη ταξινομημένα (αλλά όχι λιγότερο ενδιαφέροντα) άρθρα από το Διαδίκτυο
Μαθήματα και διαλέξεις
Πηγή: www.habr.com