Οι κβαντικοί υπολογιστές και η κβαντική υπολογιστική είναι κάτι καινούργιο. , το οποίο προστέθηκε στον χώρο πληροφοριών μας μαζί με , και άλλους όρους υψηλής τεχνολογίας. Ταυτόχρονα, δεν μπόρεσα να βρω κανένα υλικό στο Διαδίκτυο που θα μπορούσε να συναρμολογήσει το παζλ στο κεφάλι μου που ονομάζεται «Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές»Ναι, υπάρχουν πολλά υπέροχα έργα, συμπεριλαμβανομένου του Habr (βλ. ), τα σχόλια για τα οποία, όπως συμβαίνει συνήθως, είναι ακόμη πιο ενημερωτικά και χρήσιμα, αλλά η εικόνα στο κεφάλι μου, όπως λένε, δεν συναρμολογήθηκε.
Και πρόσφατα οι συνάδελφοί μου με πλησίασαν και με ρώτησαν: «Καταλαβαίνεις πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής; Μπορείς να μας πεις;» Και τότε συνειδητοποίησα ότι δεν είμαι ο μόνος που έχει πρόβλημα να δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη εικόνα στο μυαλό του.
Ως αποτέλεσμα, έγινε μια προσπάθεια να συγκεντρωθούν πληροφορίες σχετικά με τους κβαντικούς υπολογιστές σε ένα συνεπές λογικό σχήμα στο οποίο σε βασικό επίπεδο, χωρίς να εμβαθύνουμε στα μαθηματικά και τη δομή του κβαντικού κόσμου, εξηγήθηκε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής, 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 στην κβαντική υπολογιστική, και το κοινό-στόχος του άρθρου είναι οι ίδιοι ειδικοί πληροφορικής, όχι οι κβαντικοί ειδικοί, οι οποίοι θέλουν επίσης να σχηματίσουν μια εικόνα στο μυαλό τους με τίτλο «Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές». Εξαιτίας αυτού, πολλές έννοιες στο άρθρο απλοποιούνται σκόπιμα για καλύτερη κατανόηση των κβαντικών τεχνολογιών σε «βασικό» επίπεδο, αλλά χωρίς .
Σε ορισμένα σημεία του άρθρου, χρησιμοποιούνται υλικά από άλλες πηγές, Όπου είναι δυνατόν, περιλαμβάνονται άμεσοι σύνδεσμοι και αναφορές στο αρχικό κείμενο, πίνακα ή σχήμα. Αν ξέχασα κάτι (ή κάποιον) κάπου, γράψτε μου - θα το διορθώσω.
Εισαγωγή
Σε αυτό το κεφάλαιο, θα εξετάσουμε εν συντομία πώς ξεκίνησε η κβαντική εποχή, ποια ήταν η κινητήρια δύναμη πίσω από την ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή, ποιοι (ποιες χώρες και εταιρείες) είναι σήμερα οι κορυφαίοι παίκτες σε αυτόν τον τομέα, και επίσης θα συζητήσουμε εν συντομία τις κύριες κατευθύνσεις ανάπτυξης της κβαντικής πληροφορικής.
Πώς ξεκίνησαν όλα
Το σημείο εκκίνησης της κβαντικής εποχής θεωρείται το 1900, όταν ο M. Planck πρότεινε 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, η οποία τελικά οδήγησε στη δημιουργία και ανάπτυξη μιας τέτοιας επιστήμης όπως Υπάρχουν πολλά καλά υλικά στο Διαδίκτυο σχετικά με την ανάπτυξη της κβαντικής φυσικής ως επιστήμης · σε αυτό το άρθρο δεν θα ασχοληθούμε λεπτομερώς με αυτό, αλλά ήταν απαραίτητο να αναφέρουμε την ημερομηνία που εισήλθαμε στη νέα κβαντική εποχή.
Η κβαντική φυσική έχει φέρει πολλές εφευρέσεις και τεχνολογίες στην καθημερινότητά μας, χωρίς τις οποίες είναι πλέον δύσκολο να φανταστούμε τον κόσμο γύρω μας. Για παράδειγμα, το λέιζερ, το οποίο χρησιμοποιείται πλέον παντού, από οικιακές συσκευές (λέιζερ αλφαδιών κ.λπ.) έως συστήματα υψηλής τεχνολογίας (λέιζερ για διόρθωση όρασης, γεια σας...) Θα ήταν λογικό να υποθέσουμε ότι αργά ή γρήγορα κάποιος θα σκεφτόταν γιατί να μην χρησιμοποιήσουμε κβαντικά συστήματα για τους υπολογισμούς. Και το 1980, συνέβη.
Η Wikipedia επισημαίνει ότι η πρώτη ιδέα της κβαντικής υπολογιστικής εκφράστηκε το 1980 από τον επιστήμονά μας Γιούρι Μάνιν. Αλλά μόνο το 1981 άρχισαν να μιλούν πραγματικά γι' αυτήν, 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 , το οποίο θα είναι σε θέση να πραγματοποιήσει τέτοια μοντελοποίηση.
Υπάρχουν μερικά στο διαδίκτυο , όπου εξετάζεται πιο ακαδημαϊκά και λεπτομερώς, αλλά θα το εξετάσουμε εν συντομία:
Βασικά ορόσημα στην ιστορία των κβαντικών υπολογιστών:
- [1994]. P. Shor. Αναπτύχθηκε
- [1998]. Δημιουργήθηκε
- [2001] Η IBM εισάγει την Εκτέλεση για την ανάλυση του αριθμού 15
- [2007-2016]. δημιουργεί και αναπτύσσει έναν υπολογιστή με 128-2000 qubits
- [2012] Το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια εφάρμοσε
- [2016]. Google σε έναν υπολογιστή 9-qubit
- [2017]. (τρία άτομα)
- [2019]. Υπολογιστής 20 qubit στο cloud
- [2019]. Υπολογιστής 53 qubit. ?
Όπως μπορείτε να δείτε, πέρασαν 17 χρόνια (από το 1981 έως το 1998) από την ιδέα μέχρι την πρώτη της εφαρμογή σε έναν υπολογιστή με 2 qubits και 21 χρόνια (από το 1998 έως το 2019) μέχρι ο αριθμός των qubits να αυξηθεί στα 53. Χρειάστηκαν 11 χρόνια (από το 2001 έως το 2012) για να βελτιωθεί το αποτέλεσμα του αλγορίθμου του Shor (θα τον εξετάσουμε λεπτομερέστερα παρακάτω) από 15 σε 21. Επίσης, μόλις πριν από τρία χρόνια φτάσαμε κοντά στην εφαρμογή αυτού που μίλησε ο Feynman και στη μάθηση για τη μοντελοποίηση των απλούστερων φυσικών συστημάτων.
Η ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής είναι αργή. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν πολύπλοκα προβλήματα, οι κβαντικές καταστάσεις είναι πολύ βραχύβιες και εύθραυστες, και για να διατηρηθούν για αρκετό καιρό ώστε να εκτελούνται υπολογισμοί, είναι απαραίτητο να κατασκευαστούν σαρκοφάγοι αξίας δεκάδων εκατομμυρίων δολαρίων, στις οποίες η θερμοκρασία διατηρείται ελαφρώς πάνω από το απόλυτο μηδέν και οι οποίες προστατεύονται στο μέγιστο από εξωτερικές επιρροές. Παρακάτω θα μιλήσουμε για αυτά τα προβλήματα και τα προβλήματα με περισσότερες λεπτομέρειες.
Κορυφαίοι παίκτες
Οι διαφάνειες για αυτήν την ενότητα προέρχονται από το άρθρο , από έναν ερευνητή Αλεξέι Φεντόροφ. Θα επιτρέψω στον εαυτό μου να κάνει άμεσα αποσπάσματα:
Όλες οι τεχνολογικά επιτυχημένες χώρες ασχολούνται ενεργά με την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών. Ένα τεράστιο χρηματικό ποσό επενδύεται σε αυτές τις μελέτες, δημιουργούνται ειδικά προγράμματα για την υποστήριξη των κβαντικών τεχνολογιών.
Όχι μόνο κράτη αλλά και ιδιωτικές εταιρείες συμμετέχουν στον κβαντικό αγώνα. Η Google, η IBM, η Intel και η Microsoft έχουν επενδύσει περίπου 0,5 δισεκατομμύρια δολάρια στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών τα τελευταία χρόνια και έχουν δημιουργήσει μεγάλα εργαστήρια και ερευνητικά κέντρα.
Υπάρχουν πολλά άρθρα για το Habr και στο Διαδίκτυο, για παράδειγμα, , и , στην οποία εξετάζεται λεπτομερέστερα η τρέχουσα κατάσταση με την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών σε διάφορες χώρες. Για εμάς τώρα, το κύριο πράγμα είναι ότι όλες οι κορυφαίες τεχνολογικά ανεπτυγμένες χώρες και οι παράγοντες επενδύουν τεράστια χρηματικά ποσά στην έρευνα σε αυτόν τον τομέα, γεγονός που δίνει ελπίδα για μια διέξοδο από το τρέχον τεχνολογικό αδιέξοδο.
Οδηγίες ανάπτυξης
Αυτή τη στιγμή (μπορεί να κάνω λάθος, διορθώστε με) οι κύριες προσπάθειες (και τα λίγο-πολύ σημαντικά αποτελέσματα) όλων των κορυφαίων παικτών επικεντρώνονται σε δύο κατευθύνσεις:
- Εξειδικευμένοι κβαντικοί υπολογιστές, τα οποία στοχεύουν στην επίλυση ενός συγκεκριμένου προβλήματος, όπως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης. Ένα παράδειγμα προϊόντος είναι οι κβαντικοί υπολογιστές D-Wave.
- Παγκόσμιοι κβαντικοί υπολογιστές — οι οποίοι είναι ικανοί να υλοποιήσουν αυθαίρετους κβαντικούς αλγόριθμους (Shor, Grover, κ.λπ.). Υλοποιήσεις από την IBM, την Google.
Άλλα διανύσματα ανάπτυξης που μας δίνει η κβαντική φυσική είναι:
- ως βάση για
- και πολλά άλλα
σίγουρα επίσης στον κατάλογο των τομέων έρευνας, αλλά προς το παρόν δεν υπάρχουν περισσότερο ή λιγότερο σημαντικά αποτελέσματα.
Μπορείτε επίσης να διαβάσετε περισσότερα , λοιπόν, ψάξε στο Google"", Για παράδειγμα, , и .
Βασικά στοιχεία. Κβαντικά αντικείμενα και κβαντικά συστήματα
Το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να καταλάβουμε από αυτό το τμήμα είναι ότι
Κβαντικός υπολογιστής (σε αντίθεση με τις συνήθεις) χρήσεις ως φορείς πληροφοριών κβαντικά αντικείμενα, και για να πραγματοποιηθούν υπολογισμοί, τα κβαντικά αντικείμενα πρέπει να είναι συνδεδεμένα σε κβαντικό σύστημα.
Τι είναι ένα κβαντικό αντικείμενο;
Κβαντικό αντικείμενο — ένα αντικείμενο του μικρόκοσμου (κβαντικού κόσμου) που παρουσιάζει κβαντικές ιδιότητες:
- Έχει μια καθορισμένη κατάσταση με δύο οριακά επίπεδα
- Βρίσκεται σε υπέρθεση της κατάστασής του πριν από τη στιγμή της μέτρησης
- Μπλέκεται με άλλα αντικείμενα για να δημιουργήσει κβαντικά συστήματα
- Εκπληρώνει 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 από τον πραγματικό κόσμο είναι ένα νόμισμα. Έχει μια κατάσταση που ονομάζεται «πλευρά» και λαμβάνει δύο οριακά επίπεδα, «κεφαλές» και «ουρές».
Βρίσκεται σε υπέρθεση της κατάστασής του πριν από τη στιγμή της μέτρησης
Ρίχνεις ένα νόμισμα, πετάει και περιστρέφεται. Ενώ περιστρέφεται, είναι αδύνατο να πούμε σε ποιο από τα οριακά επίπεδα βρίσκεται η «πλευρά» της κατάστασής του. Αλλά μόλις το χτυπήσουμε και δούμε το αποτέλεσμα, η υπέρθεση των καταστάσεων καταρρέει αμέσως σε ένα από τα δύο οριακά επίπεδα - «κεφαλές» και «ουρές». Το να χτυπάς ένα νόμισμα στην περίπτωσή μας είναι μέτρηση.
Μπλέκεται με άλλα αντικείμενα για να δημιουργήσει κβαντικά συστήματα
Είναι δύσκολο με ένα νόμισμα, αλλά ας προσπαθήσουμε. Φανταστείτε ότι πετάμε τρία νομίσματα έτσι ώστε να περιστρέφονται και να προσκολλώνται το ένα στο άλλο, ένα είδος ζογκλερικού νομισμάτων. Σε κάθε χρονική στιγμή, όχι μόνο το καθένα από αυτά βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων, αλλά αυτές οι καταστάσεις επηρεάζουν αμοιβαία η μία την άλλη (τα νομίσματα συγκρούονται).
Εκπληρώνει το θεώρημα μη κλωνοποίησης (η κατάσταση ενός αντικειμένου δεν μπορεί να αντιγραφεί)
Ενώ τα νομίσματα πετούν και περιστρέφονται, δεν μπορούμε με κανέναν τρόπο να δημιουργήσουμε ένα αντίγραφο της κατάστασης περιστροφής οποιουδήποτε από τα νομίσματα που να είναι ξεχωριστό από το σύστημα. Το σύστημα ζει από μόνο του και ζηλεύει πολύ να δώσει οποιαδήποτε πληροφορία.
Λίγα λόγια ακόμα για την ίδια την ιδέα «υπερθέσεις», σε σχεδόν όλα τα άρθρα η υπέρθεση εξηγείται ως «βρίσκεται σε όλες τις πολιτείες ταυτόχρονα», κάτι που είναι αλήθεια, φυσικά, αλλά κατά καιρούς προκαλεί άσκοπη σύγχυση. Μια υπέρθεση καταστάσεων μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως κάτι που σε οποιαδήποτε δεδομένη χρονική στιγμή ένα κβαντικό αντικείμενο έχει υπάρχουν ορισμένες πιθανότητες κατάρρευσης σε καθένα από τα οριακά τους επίπεδα, και συνολικά αυτές οι πιθανότητες είναι φυσικά ίσες με 1Θα το εξετάσουμε λεπτομερέστερα αργότερα, όταν εξετάσουμε το qubit.
Για τα κέρματα, αυτό μπορεί να οπτικοποιηθεί - ανάλογα με την αρχική ταχύτητα, τη γωνία της ρίψης, την κατάσταση του περιβάλλοντος στο οποίο πετάει το κέρμα, σε κάθε χρονική στιγμή η πιθανότητα να πάρει «κορυφές» ή «ουρές» είναι διαφορετική. Και, όπως ειπώθηκε νωρίτερα, η κατάσταση ενός τέτοιου ιπτάμενου κέρματος μπορεί να φανταστεί κανείς ως «να βρίσκεται σε όλες τις οριακές του καταστάσεις ταυτόχρονα, αλλά με διαφορετικές πιθανότητες πραγματοποίησής τους».
Οποιοδήποτε αντικείμενο που έχει τις παραπάνω ιδιότητες και το οποίο μπορούμε να δημιουργήσουμε και να ελέγξουμε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας πληροφοριών σε έναν κβαντικό υπολογιστή.
Λίγο πιο πέρα θα μιλήσουμε για την τρέχουσα κατάσταση των πραγμάτων με τη φυσική υλοποίηση των qubit ως κβαντικά αντικείμενα και τι χρησιμοποιούν σήμερα οι επιστήμονες με αυτή την ιδιότητα.
Έτσι, η τρίτη ιδιότητα είναι ότι τα κβαντικά αντικείμενα μπορούν να εμπλακούν για να δημιουργήσουν κβαντικά συστήματα. Τι είναι λοιπόν ένα κβαντικό σύστημα;
Κβαντικό σύστημα — ένα σύστημα πεπλεγμένων κβαντικών αντικειμένων με τις ακόλουθες ιδιότητες:
- Ένα κβαντικό σύστημα βρίσκεται σε υπέρθεση όλων των πιθανών καταστάσεων των αντικειμένων από τα οποία αποτελείται
- Είναι αδύνατο να γνωρίζουμε την κατάσταση του συστήματος μέχρι να γίνει η μέτρηση.
- Τη στιγμή της μέτρησης, το σύστημα πραγματοποιεί μία από τις πιθανές παραλλαγές των οριακών του καταστάσεων
(και, τρέχοντας λίγο μπροστά)
Συνέπειες για τα κβαντικά προγράμματα:
- Ένα κβαντικό πρόγραμμα έχει μια δεδομένη κατάσταση του συστήματος στην είσοδο, μια υπέρθεση στο εσωτερικό και 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. Χωρίς κύκλους, δεν μπορείτε να δείτε την κατάσταση του συστήματος στη μέση της διαδικασίας.)
Σύγκριση ενός κβαντικού υπολογιστή και ενός συμβατικού
Ας συγκρίνουμε τώρα έναν συμβατικό υπολογιστή με έναν κβαντικό.
| κανονικό υπολογιστή | Κβαντικός υπολογιστής | |
Λογικές | 0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
Φυσική | Ημιαγωγικό τρανζίστορ | Κβαντικό αντικείμενο |
Φορέας πληροφοριών | Επίπεδα τάσης | Πόλωση, σπιν,… |
Λειτουργίες | ΟΧΙ, ΚΑΙ, Ή, XOR σε bits | Βαλβίδες: CNOT, Hadamard,… |
Σχέση | Τσιπ ημιαγωγών | Σύγχυση μεταξύ τους |
Αλγόριθμοι | Πρότυπο (βλ. Μαστίγιο) | Προσφορές (Shore, Grover) |
Αρχή | Ψηφιακό, ντετερμινιστικό | Αναλογικό, πιθανολογικό |
Λογικό επίπεδο
Σε έναν κανονικό υπολογιστή, αυτό είναι λίγο. Είμαστε όλοι πολύ εξοικειωμένοι με αυτό. ντετερμινιστικό κομμάτιΜπορεί να πάρει τιμές είτε 0 είτε 1. Αντιμετωπίζει τέλεια τον ρόλο λογική μονάδα για έναν κανονικό υπολογιστή, αλλά είναι εντελώς ακατάλληλο για την περιγραφή της κατάστασης κβαντικό αντικείμενο, το οποίο, όπως έχουμε ήδη πει, βρίσκεται στην άγρια φύση σεοι εκθέσεις των οριακών τους καταστάσεων.
Γι' αυτό το σκέφτηκαν Στις οριακές του καταστάσεις πραγματοποιεί καταστάσεις παρόμοιες με 0 και 1 , και σε υπέρθεση αντιπροσωπεύει κατανομή πιθανότητας στις οριακές καταστάσεις του |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1τα α και β αντιπροσωπεύουν , και τα τετράγωνα των ενοτήτων τους είναι οι πραγματικές πιθανότητες να ληφθούν ακριβώς αυτές οι τιμές των οριακών καταστάσεων |0> и |1>, αν συμπτύξετε το qubit με μια μέτρηση αυτή τη στιγμή.
Φυσική στρώση
Στο τρέχον επίπεδο τεχνολογικής ανάπτυξης, η φυσική υλοποίηση ενός bit για έναν συμβατικό υπολογιστή είναι τρανζίστορ ημιαγωγών, για την κβαντική, όπως έχουμε ήδη πει, οποιοδήποτε κβαντικό αντικείμενοΣτην επόμενη ενότητα θα μιλήσουμε για το τι χρησιμοποιείται σήμερα ως φυσικοί φορείς qubits.
Φορέας πληροφοριών
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.), η οποία μπορεί να βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθεσης.
Λειτουργίες
Για να υλοποιήσουμε λογικά κυκλώματα σε έναν κανονικό υπολογιστή, χρησιμοποιούμε το γνωστό , για λειτουργίες σε qubits ήταν απαραίτητο να εφευρεθεί ένα εντελώς διαφορετικό σύστημα λειτουργιών, που ονομάζεται Οι πύλες μπορούν να είναι ενός ή δύο qubit, ανάλογα με το πόσα qubits μετασχηματίζονται.
Παραδείγματα κβαντικών πύλων:
Υπάρχει μια έννοια σετ βαλβίδων γενικής χρήσης, τα οποία επαρκούν για την εκτέλεση οποιουδήποτε κβαντικού υπολογισμού. Για παράδειγμα, ένα καθολικό σύνολο περιλαμβάνει την πύλη Hadamard, την πύλη μετατόπισης φάσης, την πύλη CNOT και την πύλη π⁄8. Με τη βοήθειά τους, οποιοσδήποτε κβαντικός υπολογισμός μπορεί να εκτελεστεί σε ένα αυθαίρετο σύνολο qubits.
Σε αυτό το άρθρο δεν θα ασχοληθούμε λεπτομερώς με το σύστημα των κβαντικών πύλων. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτές και για λογικές λειτουργίες 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 είναι είτε ενός qubit είτε δύο 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 πραγματοποιήσουμε υπολογισμούς πρέπει να συνδέσουμε πολλά τρανζίστορ μεταξύ τους, δηλαδή να δημιουργήσουμε ένα τσιπ ημιαγωγών από εκατομμύρια τρανζίστορ, στο οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε λογικά κυκλώματα, και, τελικά, να αποκτήσετε έναν σύγχρονο επεξεργαστή στην κλασική του μορφή.
Ένα qubit είναι επίσης εντελώς άχρηστο για εμάς (ίσως μόνο από ακαδημαϊκής άποψης),
Για να εκτελέσουμε υπολογισμούς χρειαζόμαστε ένα σύστημα qubits (κβαντικά αντικείμενα)
η οποία, όπως έχουμε ήδη πει, δημιουργείται με την εμπλοκή 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 έναν κβαντικό υπολογιστή. Και δεν υπάρχει καμία ανάγκη, πραγματικά. Οι κβαντικοί υπολογιστές που βασίζονται στη λογική πύλης μέσω qubits απαιτούν τη δημιουργία εντελώς διαφορετικών αλγορίθμων, κβαντικών αλγορίθμων. Από τους πιο γνωστούς κβαντικούς αλγορίθμους, μπορούν να διακριθούν τρεις:
- (παραγοντοποίηση)
- (γρήγορη αναζήτηση σε μη ταξινομημένη βάση δεδομένων)
- (απάντηση στην ερώτηση, σταθερή ή ισορροπημένη συνάρτηση)
Αρχή
Και η πιο σημαντική διαφορά είναι η αρχή λειτουργίας. Σε έναν τυπικό υπολογιστή, αυτό είναι ψηφιακή, αυστηρά ντετερμινιστική αρχή, με βάση το γεγονός ότι αν ορίσουμε κάποια αρχική κατάσταση του συστήματος και την περάσουμε από έναν δεδομένο αλγόριθμο, τότε το αποτέλεσμα των υπολογισμών θα είναι το ίδιο, ανεξάρτητα από το πόσες φορές θα εκτελέσουμε αυτόν τον υπολογισμό. Στην πραγματικότητα, μια τέτοια συμπεριφορά είναι ακριβώς αυτό που περιμένουμε από έναν υπολογιστή.
Ο κβαντικός υπολογιστής λειτουργεί αναλογική, πιθανοτική αρχήΤο αποτέλεσμα της λειτουργίας ενός δεδομένου αλγορίθμου σε μια δεδομένη αρχική κατάσταση είναι δείγμα από μια κατανομή πιθανοτήτων τελικές υλοποιήσεις του αλγορίθμου συν πιθανά σφάλματα.
Αυτή η πιθανοτική φύση της κβαντικής υπολογιστικής οφείλεται στην ίδια την πιθανοτική φύση του κβαντικού κόσμου. «Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν»., είπε ο γέρος Αϊνστάιν, αλλά όλα τα πειράματα και οι παρατηρήσεις μέχρι στιγμής (στο τρέχον επιστημονικό παράδειγμα) επιβεβαιώνουν το αντίθετο.
Φυσικές υλοποιήσεις των qubits
Όπως έχουμε ήδη πει, ένα qubit μπορεί να αναπαρασταθεί από ένα κβαντικό αντικείμενο, δηλαδή, ένα φυσικό αντικείμενο που εφαρμόζει τις κβαντικές ιδιότητες που περιγράφηκαν παραπάνω. Δηλαδή, σε γενικές γραμμές, οποιοδήποτε 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, έχουμε ένα qubit. Αν μπορούμε να το κάνουμε αυτό με ένα ιόν, έχουμε ένα qubit. Το ίδιο ισχύει και για το ρεύμα. Αν το τρέξουμε δεξιόστροφα και αριστερόστροφα ταυτόχρονα, έχουμε ένα qubit.»
Υπάρχει к , στο οποίο εξετάζεται λεπτομερέστερα η τρέχουσα ποικιλία φυσικών υλοποιήσεων του qubit, θα απαριθμήσουμε απλώς τις πιο γνωστές και διαδεδομένες:
- και πολλές άλλες εξωτικές ιδέες (ανιόντα και ούτω καθεξής)
Από όλη αυτή την ποικιλομορφία, η πιο ανεπτυγμένη είναι η πρώτη μέθοδος απόκτησης qubits, που βασίζεται στο . , , και άλλοι κορυφαίοι παίκτες το χρησιμοποιούν για να κατασκευάσουν τα συστήματά τους.
Λοιπόν, διάβασε κι άλλα δυνατόν qubits από .
Βασικά στοιχεία: Πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής
Τα υλικά για αυτήν την ενότητα (εργασία και εικόνες) προέρχονται από το άρθρο .
Ας φανταστούμε λοιπόν ότι έχουμε το εξής πρόβλημα:
Υπάρχει μια ομάδα τριών ατόμων: (Α)ντρέι, (Μπ)όλντια και (Σ)ερέζαΥπάρχουν δύο ταξί. (0 και 1).
Είναι επίσης γνωστό ότι:
- (Α)ντρέι, (Μ)ολόντγια - φίλοι
- Ο (Α)ντρέι και η (Σ)ερέζα είναι εχθροί
- Η (Μ)ολόντγια και η (Σ)εριόζα είναι εχθροί
Εργασία: Τοποθετήστε τους ανθρώπους στα ταξί έτσι ώστε Μαξ (φίλοι) и Ελάχιστοι (εχθροί)
Βαθμολογία: L = (αριθμός φίλων) - (αριθμός εχθρών) για κάθε επιλογή διαμονής
ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ: Ας υποθέσουμε ότι δεν υπάρχουν ευρετικές μέθοδοι, δεν υπάρχει βέλτιστη λύση. Σε αυτήν την περίπτωση, το πρόβλημα λύνεται μόνο με μια πλήρη απαρίθμηση των επιλογών.
Λύση σε κανονικό υπολογιστή
Ο τρόπος επίλυσης αυτού του προβλήματος σε έναν κανονικό (υπερ)υπολογιστή (ή cluster) είναι σαφής: πρέπει να εξετάσετε όλες τις πιθανές επιλογές σε έναν βρόχοΑν έχουμε ένα σύστημα πολλαπλών επεξεργαστών, τότε μπορούμε να παραλληλίσουμε τον υπολογισμό των λύσεων σε διάφορους 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 = 8Μπορείτε ακόμη και να εξετάσετε 8 επιλογές σε μια αριθμομηχανή, δεν είναι πρόβλημα. Τώρα ας περιπλέξουμε την εργασία - έχουμε 20 άτομα και δύο λεωφορεία, τον χώρο λύσης 2^20 = 1. Τίποτα περίπλοκο επίσης. Ας αυξήσουμε τον αριθμό των ατόμων κατά 2.5 φορές - ας πάρουμε 50 άτομα και δύο τρένα, ο χώρος λύσης είναι τώρα 2^50 = 1.12 x 10^15Ένας κανονικός (υπερ)υπολογιστής αρχίζει ήδη να έχει σοβαρά προβλήματα. Ας διπλασιάσουμε τον αριθμό των ανθρώπων, 2 άνθρωποι θα μας δώσουν ήδη 1.2 x 10^30 πιθανές επιλογές.
Αυτό είναι όλο, αυτή η εργασία δεν μπορεί να υπολογιστεί σε εύλογο χρονικό διάστημα.
Σύνδεση υπερυπολογιστή
Ο πιο ισχυρός υπολογιστής σήμερα είναι ο νούμερο 1 Το , με χωρητικότητα 122 Ας υποθέσουμε ότι 100 πράξεις είναι αρκετές 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 χρόνια.
Όπως μπορούμε να δούμε, Καθώς η διαστατικότητα των αρχικών δεδομένων αυξάνεται, ο χώρος λύσεων μεγαλώνει σύμφωνα με έναν νόμο δύναμης, στη γενική περίπτωση για N bits έχουμε 2^N πιθανές επιλογές λύσης, οι οποίες, με ένα σχετικά μικρό N (100), μας δίνουν έναν μη υπολογίσιμο (στο τρέχον τεχνολογικό επίπεδο) χώρο λύσεων.
Υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις; Όπως ίσως μαντέψατε, ναι, υπάρχουν.
Αλλά πριν εμβαθύνουμε στο πώς και γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν αποτελεσματικά τέτοιου είδους προβλήματα, ας αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να ανακεφαλαιώσουμε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής. κατανομή πιθανοτήτωνΜην φοβάστε, αυτό είναι ένα άρθρο ανασκόπησης, δεν θα υπάρχουν δύσκολα μαθηματικά εδώ, θα τα βγάλουμε πέρα με ένα κλασικό παράδειγμα με μια τσάντα και μπάλες.
Λίγη συνδυαστική, θεωρία πιθανοτήτων και ένας παράξενος πειραματιστής
Ας πάρουμε μια σακούλα και ας την βάλουμε μέσα 1000 άσπρες και 1000 μαύρες μπάλεςΘα πραγματοποιήσουμε ένα πείραμα - θα βγάλουμε μια μπάλα, θα γράψουμε το χρώμα, θα επιστρέψουμε την μπάλα στην τσάντα και θα ανακατέψουμε τις μπάλες στην τσάντα.
Πραγματοποιήσαμε το πείραμα 10 φορές, Κληρώθηκαν 10 μαύρες μπάλεςΕίναι δυνατόν; Ακριβώς. Μας δίνει αυτό το δείγμα κάποια λογική ιδέα για την πραγματική κατανομή στην τσάντα; Προφανώς όχι. Αυτό που πρέπει να γίνει είναι σωστό, πΕπαναλάβετε το πείραμα ένα εκατομμύριο φορές και υπολογίστε τις συχνότητες των μαύρων και των λευκών σφαιρών. Παίρνουμε, για παράδειγμα 49.95% μαύρο και 50.05% λευκόΣε αυτήν την περίπτωση, η δομή της κατανομής από την οποία λαμβάνουμε δείγμα (αφαιρούμε μία μπάλα) είναι λίγο πολύ σαφής.
Το κύριο πράγμα που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι το ίδιο το πείραμα έχει πιθανοτική φύση, με ένα δείγμα (μπάλα) δεν θα γνωρίζουμε την πραγματική δομή της κατανομής, πρέπει να επαναλάβουμε το πείραμα πολλές φορές και να υπολογίσετε τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων.
Ας προσθέσουμε στην τσάντα μας 10 κόκκινες και 10 πράσινες μπάλες (σφάλματα). Ας επαναλάβουμε το πείραμα 10 φορές.έβγαλε 5 κόκκινα και 5 πράσιναΕίναι δυνατόν; Ναι. Μπορούμε να πούμε κάτι για την πραγματική κατανομή; Όχι. Τι πρέπει να γίνει; Λοιπόν, καταλαβαίνετε.
Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη δομή μιας κατανομής πιθανοτήτων, πρέπει να λάβουμε επανειλημμένα δείγματα μεμονωμένων αποτελεσμάτων από αυτήν την κατανομή και να υπολογίσουμε τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων.
Σύνδεση της θεωρίας με την πράξη
Τώρα αντί για ασπρόμαυρες μπάλες, ας πάρουμε μπάλες μπιλιάρδου και ας τις βάλουμε σε μια σακούλα. 1000 μπάλες με αριθμό 2, 1000 με αριθμό 7 και 10 μπάλες με άλλους αριθμούςΑς φανταστούμε έναν πειραματιστή που είναι εκπαιδευμένος στις πιο απλές κινήσεις (παίρνει μια μπάλα, γράφει έναν αριθμό, βάζει την μπάλα πίσω στην τσάντα, ανακατεύει τις μπάλες στην τσάντα) και το κάνει σε 150 μικροδευτερόλεπτα. Λοιπόν, ένας τέτοιος πειραματιστής στην ταχύτητα (όχι διαφήμιση για ναρκωτικά!!!). Στη συνέχεια, σε 150 δευτερόλεπτα θα είναι σε θέση να εκτελέσει το πείραμά μας 1 εκατομμύριο φορές. και μας παρέχουν τα αποτελέσματα του μέσου όρου.
Κάθισαν τον πειραματιστή, του έδωσαν μια τσάντα, γύρισαν την πλάτη τους, περίμεναν 150 δευτερόλεπτα και πήραν:
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. Δεδομένου ότι υπάρχουν δύο σωστές λύσεις, τότε 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 λάβουμε το αποτέλεσμα ενός κβαντικού υπολογιστή, είναι απαραίτητο να εκτελέσουμε τον κβαντικό αλγόριθμο πολλές φορές στο ίδιο σύνολο δεδομένων εισόδου και να υπολογίσουμε τον μέσο όρο του αποτελέσματος.
Επεκτασιμότητα ενός κβαντικού υπολογιστή
Ας φανταστούμε τώρα ότι για μια εργασία που περιλαμβάνει 100 άτομα (χώρος λύσης 2^100 (αν το θυμόμαστε αυτό), υπάρχουν επίσης μόνο δύο σωστές λύσεις. Στη συνέχεια, αν πάρουμε 100 qubits και γράψουμε έναν αλγόριθμο που υπολογίζει τη συνάρτηση-στόχο μας (L, βλέπε παραπάνω) σε αυτά τα qubits, θα έχουμε μια σακούλα 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 ο πειραματιστής μας θα μας δώσει μια εκτίμηση της κατανομής πιθανοτήτων των σωστών απαντήσεων στα ίδια 150 δευτερόλεπτα..
Ο χρόνος εκτέλεσης του κβαντικού αλγορίθμου (με ορισμένες υποθέσεις) μπορεί να θεωρηθεί σταθερά O(1) ως προς τη διάσταση του χώρου λύσεων (2^N).
Και αυτή ακριβώς είναι η ιδιότητα ενός κβαντικού υπολογιστή - σταθερότητα χρόνου εκτέλεσης σε σχέση με την αυξανόμενη πολυπλοκότητα του χώρου λύσεων σύμφωνα με τον νόμο της δύναμης και είναι το κλειδί.
Qubit και παράλληλοι κόσμοι
Πώς συμβαίνει αυτό; Τι επιτρέπει σε έναν κβαντικό υπολογιστή να κάνει τόσο γρήγορους υπολογισμούς; Όλα έχουν να κάνουν με την κβαντική φύση του qubit.
Κοιτάξτε, μιλήσαμε για ένα qubit ως κβαντικό αντικείμενο. πραγματοποιεί μία από τις δύο καταστάσεις του όταν παρατηρείται, αλλά στην «άγρια ζωή» βρίσκεται σε υπέρθεση καταστάσεων, δηλαδή, βρίσκεται και στις δύο οριακές του καταστάσεις ταυτόχρονα (με κάποια πιθανότητα).
Πάρτε (Α)ντρέγια και αναπαραστήστε την κατάστασή του (σε ποιο όχημα βρίσκεται - 0 ή 1) ως qubit. Τότε έχουμε (στον κβαντικό χώρο) δύο παράλληλοι κόσμοι, σε ένα (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 (V)olodyu και θα αναπαραστήσουμε επίσης την κατάστασή του ως qubit. Δύο άλλοι παράλληλοι κόσμοι προκύπτουν. Αλλά προς το παρόν αυτά τα ζεύγη κόσμων (Α) и (ΣΕ) μην αλληλεπιδράτε με κανέναν τρόπο. Τι πρέπει να γίνει για να δημιουργηθεί συγγενεύων σύστημα; Σωστά, χρειαζόμαστε αυτά τα qubits δένω (μπερδεύω)Παίρνουμε και μπερδεύουμε (Α) με (Β) — έχουμε ένα κβαντικό σύστημα δύο qubits (Α, Β), συνειδητοποιώντας τέσσερα πράγματα μέσα του αλληλοεξαρτώμενος παράλληλοι κόσμοι. Προσθέστε (Σ)εργέι και έχουμε ένα σύστημα τριών qubits (ΑΛΦΑΒΗΤΟ), πραγματοποιώντας οκτώ αλληλοεξαρτώμενος παράλληλους κόσμους.
Η ουσία της κβαντικής υπολογιστικής (η υλοποίηση μιας αλυσίδας κβαντικών πυλών σε ένα σύστημα συζευγμένων qubits) είναι το γεγονός ότι ο υπολογισμός λαμβάνει χώρα σε όλους τους παράλληλους κόσμους ταυτόχρονα.
Και δεν έχει σημασία πόσα από αυτά έχουμε, 2^3 ή 2^100, Ο κβαντικός αλγόριθμος θα εκτελείται σε πεπερασμένο χρόνο σε όλους αυτούς τους παράλληλους κόσμους και θα μας δώσει ένα αποτέλεσμα που είναι ένα δείγμα από την κατανομή πιθανοτήτων των απαντήσεων του αλγορίθμου.
Για καλύτερη κατανόηση, μπορούμε να φανταστούμε ότι Ένας κβαντικός υπολογιστής σε κβαντικό επίπεδο εκτελεί 2^N παράλληλες διαδικασίες λήψης αποφάσεων, καθένας από τους οποίους εργάζεται σε μία πιθανή επιλογή και στη συνέχεια συλλέγει τα αποτελέσματα της εργασίας - και μας δίνει μια απάντηση με τη μορφή υπέρθεσης της λύσης (κατανομή πιθανοτήτων απαντήσεων), από την οποία επιλέγουμε ένα δείγμα κάθε φορά (σε κάθε πείραμα).
Θυμηθείτε τον χρόνο που χρειάζεται ο πειραματιστής μας (150 µs) για τη διεξαγωγή του πειράματος, αυτό θα μας φανεί χρήσιμο λίγο περισσότερο, όταν μιλήσουμε για τα κύρια προβλήματα των κβαντικών υπολογιστών και τον χρόνο αποσυνοχής.
Κβαντικοί αλγόριθμοι
Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι συμβατικοί αλγόριθμοι που βασίζονται στη δυαδική λογική δεν είναι εφαρμόσιμοι σε έναν κβαντικό υπολογιστή που χρησιμοποιεί κβαντική λογική (κβαντικές πύλες). Έπρεπε να εφευρεθούν νέοι για αυτόν, αξιοποιώντας πλήρως τις δυνατότητες που ενυπάρχουν στην κβαντική φύση της πληροφορικής.
Οι πιο γνωστοί αλγόριθμοι σήμερα είναι:
Σε αντίθεση με τους κλασικούς υπολογιστές, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι καθολικοί.
Μέχρι στιγμής έχει βρεθεί μόνο ένας μικρός αριθμός κβαντικών αλγορίθμων.
σας ευχαριστώ για τον σύνδεσμο προς , ένα μέρος όπου, σύμφωνα με τον συγγραφέα (), οι καλύτεροι εκπρόσωποι του κβαντοαλγοριθμικού κόσμου έχουν συγκεντρωθεί και συνεχίζουν να συγκεντρώνονται.
Σε αυτό το άρθρο δεν θα επεκταθούμε λεπτομερώς στους κβαντικούς αλγόριθμους. Υπάρχει πολύ εξαιρετικό υλικό στο Διαδίκτυο για οποιοδήποτε επίπεδο πολυπλοκότητας, αλλά χρειάζεται να εξετάσουμε εν συντομία τους τρεις πιο διάσημους.
Ο αλγόριθμος του Shor.
Ο πιο διάσημος κβαντικός αλγόριθμος είναι (εφευρέθηκε το 1994 από έναν Άγγλο μαθηματικό) ), το οποίο στοχεύει στην επίλυση του προβλήματος της παραγοντοποίησης αριθμών σε πρώτους παράγοντες (το πρόβλημα της παραγοντοποίησης, διακριτός λογάριθμος).
Αυτός είναι ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται ως παράδειγμα όταν γράφουν ότι τα τραπεζικά σας συστήματα και οι κωδικοί πρόσβασής σας σύντομα θα παραβιαστούν. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το μήκος των κλειδιών που χρησιμοποιούνται σήμερα δεν είναι μικρότερο από 2048 bit, δεν έχει έρθει ακόμη η ώρα για το καπέλο.
Μέχρι σήμερα περισσότερο από μέτρια. Τα καλύτερα αποτελέσματα παραγοντοποίησης χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Shor είναι οι αριθμοί и , το οποίο είναι πολύ λιγότερο από 2048 bit. Για τα υπόλοιπα αποτελέσματα στον πίνακα, υπάρχει μια διαφορετική υπολογισμούς, αλλά ακόμη και το καλύτερο αποτέλεσμα για 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 ισχύς που απαιτείται για την παραγοντοποίηση ενός αριθμού 2048 bit είναι ένας υπολογιστής με Κοιμόμαστε ήσυχα.
Αλγόριθμος του Grover
- λύση στο πρόβλημα απαρίθμησης, δηλαδή, εύρεση λύσης στην εξίσωση F(X) = 1, όπου το F είναι από n μεταβλητές. Προτάθηκε από τον Αμερικανό μαθηματικό в .
Ο αλγόριθμος του Grover μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθεί и σειρά αριθμών. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση προβλήματα αναζητώντας εξαντλητικά ένα σύνολο πιθανών λύσεων. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά κέρδη ταχύτητας σε σχέση με τους κλασικούς αλγόριθμους, αν και δεν παρέχει "» γενικά.
Μπορείτε να διαβάσετε περισσότεραΉ . Περισσότερο Υπάρχει μια καλή εξήγηση του αλγορίθμου χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των κουτιών και μιας μπάλας, αλλά δυστυχώς, για λόγους πέρα από τον έλεγχο κανενός, αυτός ο ιστότοπος δεν ανοίγει για μένα από τη Ρωσία. Αν εσείς επίσης αποκλεισμένο, ακολουθεί μια σύντομη περίληψη:
Αλγόριθμος Grover. Φανταστείτε ότι έχετε N αριθμημένα κλειστά κουτιά. Είναι όλα άδεια εκτός από ένα, το οποίο περιέχει μια μπάλα. Η εργασία σας είναι να βρείτε τον αριθμό του κουτιού που περιέχει την μπάλα (αυτός ο άγνωστος αριθμός συχνά συμβολίζεται με το γράμμα w).
Πώς να λύσετε αυτό το πρόβλημα; Με τον πιο ανόητο τρόπο, ανοίξτε τα κουτιά ένα προς ένα και αργά ή γρήγορα θα βρείτε ένα κουτί με μια μπάλα. Και πόσα κουτιά κατά μέσο όρο πρέπει να ελέγξετε πριν βρεθεί το κουτί με την 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 ανοιχτούν πριν βρεθεί το κουτί με την μπάλα θα αυξηθεί επίσης κατά τις ίδιες 100 φορές.
Τώρα ας κάνουμε μια ακόμη διευκρίνιση. Ας υποθέσουμε ότι δεν ανοίγουμε μόνοι μας τα κουτιά και ελέγχουμε για μια μπάλα σε κάθε ένα, αλλά υπάρχει ένας συγκεκριμένος ενδιάμεσος, ας τον ονομάσουμε Μαντείο. Λέμε στο Μαντείο - "επιλέξτε το κουτάκι με αριθμό 732", και το Μαντείο ελέγχει ειλικρινά και απαντά "δεν υπάρχει μπάλα στο κουτί με αριθμό 732". Τώρα, αντί να λέμε πόσα κουτιά πρέπει να ανοίξουμε κατά μέσο όρο, λέμε "πόσες φορές κατά μέσο όρο πρέπει να επικοινωνήσουμε με το Μαντείο για να βρούμε τον αριθμό του κουτιού με την μπάλα"
Αποδεικνύεται ότι αν μεταφράσουμε αυτό το πρόβλημα με κουτιά, μια μπάλα και ένα Μαντείο σε κβαντική γλώσσα, έχουμε ένα αξιοσημείωτο αποτέλεσμα: για να βρούμε τον αριθμό ενός κουτιού με μια μπάλα ανάμεσα σε N κουτιά, χρειάζεται να διαταράξουμε το Μαντείο μόνο περίπου SQRT(N) φορές!
Δηλαδή, η πολυπλοκότητα του προβλήματος απαρίθμησης χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Grover μειώνεται κατά έναν παράγοντα της τετραγωνικής ρίζας.
Αλγόριθμος Deutsch-Jozsa
Ο αλγόριθμος Deutsch–Jozsa (επίσης αναφέρεται ως αλγόριθμος Deutsch–Josa) είναι ένας [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 σε . _
Το πρόβλημα Deutsch-Jozsa είναι να προσδιοριστεί εάν μια συνάρτηση αρκετών δυαδικών μεταβλητών F(x1, x2, … xn) είναι σταθερή (είτε παίρνει την τιμή 0 είτε 1 για οποιαδήποτε ορίσματα) ή ισορροπημένη (λαμβάνει την τιμή 0 για το μισό του πεδίου ορισμού και 1 για το άλλο μισό). Υποτίθεται ότι είναι γνωστό εκ των προτέρων ότι η συνάρτηση είναι είτε σταθερή είτε ισορροπημένη.
Μπορείτε επίσης να διαβάσετε Μια απλούστερη εξήγηση:
Ο αλγόριθμος Deutsch (Deutsch-Yozhi) βασίζεται στην απαρίθμηση, αλλά σας επιτρέπει να το κάνετε 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: "κορυφές" και "ουρές" - αληθινές, δύο "κορυφές", δύο "ουρές" - πλαστές. Έτσι, αν χρησιμοποιήσετε τον κβαντικό αλγόριθμο Deutsch, τότε αυτός ο προσδιορισμός μπορεί να γίνει με μία ματιά - μέτρηση.
Προβλήματα με κβαντικούς υπολογιστές
Κατά το σχεδιασμό και τη λειτουργία κβαντικών υπολογιστών, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν έναν τεράστιο αριθμό προβλημάτων, τα οποία επί του παρόντος επιλύονται με ποικίλη επιτυχία. Σύμφωνα με () μπορούν να εντοπιστούν τα ακόλουθα προβλήματα:
- Ευαισθησία στο περιβάλλον και αλληλεπίδραση με το περιβάλλον
- Συσσώρευση σφαλμάτων στους υπολογισμούς
- Δυσκολίες με την αρχικοποίηση καταστάσεων qubit
- Δυσκολίες στη δημιουργία συστημάτων πολλαπλών qubit
Σας προτείνω ανεπιφύλακτα να διαβάσετε το άρθρο """, ειδικά τα σχόλια επ' αυτού.
Ας οργανώσουμε όλα τα κύρια προβλήματα σε τρεις μεγάλες ομάδες και ας εξετάσουμε το καθένα από αυτά με περισσότερες λεπτομέρειες:
Αποσυνοχή
.
Κβαντική κατάσταση πολύ εύθραυστο πράγμα, τα qubits σε πεπλεγμένη κατάσταση είναι εξαιρετικά ασταθή, οποιαδήποτε εξωτερική επιρροή μπορεί να καταστρέψει (και καταστρέφει) αυτή τη σύνδεσηΜια αλλαγή στη θερμοκρασία κατά το ελάχιστο κλάσμα ενός βαθμού, στην πίεση, σε ένα τυχαίο φωτόνιο που πετάει 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 μόνωση του εσωτερικού θαλάμου με τον επεξεργαστή από όλες τις (πιθανές) επιδράσεις του εξωτερικού περιβάλλοντος.
Η μέγιστη διάρκεια ζωής ενός κβαντικού συστήματος αρκετών πεπλεγμένων qubits, κατά την οποία διατηρεί τις κβαντικές του ιδιότητες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση υπολογισμών, ονομάζεται χρόνος αποσυνοχής.
Αυτή τη στιγμή, ο χρόνος αποσυνοχής στις καλύτερες κβαντικές λύσεις είναι περίπου δεκάδες και εκατοντάδες μικροδευτερολέπτων.
Υπάρχει ένα υπέροχο , όπου μπορείτε να παρακολουθήσετε όλων των δημιουργημένων κβαντικών συστημάτων. Σε αυτό το άρθρο, λαμβάνονται ως παράδειγμα μόνο δύο κορυφαίοι επεξεργαστές - από την IBM και από Όπως μπορούμε να δούμε, ο χρόνος αποκόλλησης (T2) δεν υπερβαίνει τα 200 µs.
Δεν έχω βρει ακριβή δεδομένα για το Sycamore, αλλά στο δίνονται δύο αριθμοί - 1 εκατομμύριο υπολογισμοί σε 200 δευτερόλεπτα, σε άλλο μέρος - για 130 δευτερόλεπτα χωρίς απώλεια σημάτων ελέγχου και άλλωνΣε κάθε περίπτωση, αυτό μας δίνει χρόνος αποκόλλησης περίπου 150 µsΘυμηθείτε τα πειραματιστής με μια τσάνταΛοιπόν, ορίστε.
| Όνομα υπολογιστή | N Qubits | Μέγιστος αριθμός ζευγαριών | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Ποια απειλή μας θέτει η αποσυνοχή;
Το κύριο πρόβλημα είναι ότι μετά από 150 μs, το υπολογιστικό μας σύστημα των N πεπλεγμένων qubits θα αρχίσει να παράγει πιθανοτικό λευκό θόρυβο στην έξοδο αντί για μια πιθανοτική κατανομή των σωστών λύσεων.
Δηλαδή, χρειαζόμαστε:
- Αρχικοποίηση του συστήματος qubit
- Εκτέλεση υπολογισμού (αλυσίδα πράξεων πύλης)
- Υπολογίστε το αποτέλεσμα
Και κάντε όλα αυτά σε 150 μικροδευτερόλεπτα. Αν δεν έχετε χρόνο, το αποτέλεσμα θα μετατραπεί σε κολοκύθα.
Αλλά αυτό δεν είναι όλο...
Λάθη
Όπως είπαμε, Οι κβαντικές διεργασίες και οι κβαντικοί υπολογισμοί έχουν πιθανοτική φύση, δεν μπορούμε να είμαστε 100% σίγουροι για τίποτα, παρά μόνο με κάποια πιθανότητα. Η κατάσταση επιδεινώνεται περαιτέρω από το γεγονός ότι Η κβαντική υπολογιστική είναι επιρρεπής σε σφάλματαΟι κύριοι τύποι σφαλμάτων στην κβαντική υπολογιστική 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 κατά την ανάγνωση της τελικής κατάστασης (αποτέλεσμα)
Σφάλματα που σχετίζονται με την αποκόλλησή τους, προκύπτουν μόλις εμπλέξουμε τα qubits μας και αρχίσουμε να εκτελούμε υπολογισμούς. Όσο περισσότερα qubits εμπλέκουμε, τόσο πιο πολύπλοκο είναι το σύστημα., και τόσο πιο εύκολο είναι να το καταστρέψετε. Σαρκοφάγοι χαμηλής θερμοκρασίας, προστατευμένοι θάλαμοι, όλα αυτά τα τεχνολογικά κόλπα στοχεύουν ακριβώς στη μείωση του αριθμού των σφαλμάτων και στην παράταση του χρόνου αποκόλλησης.
Υπολογιστικά σφάλματα πύλης — οποιαδήποτε λειτουργία (πύλη) σε qubits μπορεί με κάποια πιθανότητα να καταλήξει σε σφάλμα, και για να υλοποιήσουμε τον αλγόριθμο πρέπει να εκτελέσουμε εκατοντάδες πύλες, οπότε φανταστείτε τι θα λάβουμε στο τέλος της εκτέλεσης του αλγορίθμου μας. Η κλασική απάντηση στην ερώτηση — «Ποια είναι η πιθανότητα να συναντήσουμε έναν δεινόσαυρο σε ένα ασανσέρ;» — είναι 50x50, είτε θα το κάνετε είτε όχι.
Το πρόβλημα επιδεινώνεται περαιτέρω από το γεγονός ότι οι τυπικές μέθοδοι διόρθωσης σφάλματος (υπολογισμοί διπλασιασμού και μέσος όρος) δεν λειτουργούν στον κβαντικό κόσμο λόγω του θεωρήματος μη κλωνοποίησης. στην κβαντική υπολογιστική έπρεπε να βρούμε κάτι Χονδρικά, παίρνουμε N συνηθισμένα qubits και φτιάχνουμε 1 από αυτά λογικό qubit με χαμηλότερο επίπεδο σφαλμάτων.
Αλλά εδώ προκύπτει ένα άλλο πρόβλημα - συνολικός αριθμός qubitsΚοιτάξτε, ας υποθέσουμε ότι έχουμε έναν επεξεργαστή με 100 qubits, εκ των οποίων τα 80 qubits απασχολούνται με διόρθωση σφαλμάτων, τότε μας απομένουν 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 απαντήσεωνΑλλά η ανάγνωση της τελικής κατάστασης μπορεί επίσης να καταλήξει σε σφάλμα.
Την ίδια Υπάρχουν συγκριτικοί πίνακες επεξεργαστών ανά επίπεδο σφάλματος. Για σύγκριση, θα λάβουμε τους ίδιους επεξεργαστές όπως στο προηγούμενο παράδειγμα - IBM и :
| υπολογιστή | Πιστότητα Πύλης 1-Qubit | 2-Πύλη Qubit Πιστότητα | Πιστότητα ανάγνωσης |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Εδώ — ένα μέτρο της ομοιότητας δύο κβαντικών καταστάσεων. Η τιμή σφάλματος μπορεί να αναπαρασταθεί χονδρικά ως 1-Πιστότητα. Όπως μπορούμε να δούμε, τα σφάλματα σε πύλες 2-qubit και τα σφάλματα ανάγνωσης αποτελούν το κύριο εμπόδιο στην εκτέλεση πολύπλοκων και μακροσκελών αλγορίθμων σε υπάρχοντες κβαντικούς υπολογιστές.
Μπορείτε επίσης να διαβάσετε χρόνια από για να λύσει το πρόβλημα της διόρθωσης σφαλμάτων.
Αρχιτεκτονική επεξεργαστή
Θεωρητικά, κατασκευάζουμε και λειτουργούμε κυκλώματα δεκάδων εμπλεγμένων qubits, αλλά στην πραγματικότητα όλα είναι πιο περίπλοκα. Όλα τα υπάρχοντα κβαντικά τσιπ (επεξεργαστές) είναι κατασκευασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχουν ανώδυνη εμπλοκή ενός qubit μόνο με τους γείτονές του, εκ των οποίων δεν υπάρχουν περισσότερα από έξι.
Αν χρειαστεί να συνδέσουμε το 1ο qubit, ας πούμε, με το 12ο, τότε θα πρέπει να να δημιουργήσουν μια αλυσίδα από πρόσθετες κβαντικές λειτουργίες, χρησιμοποιήστε επιπλέον qubits, κ.λπ., κάτι που αυξάνει το συνολικό ποσοστό σφάλματος. Α, και μην ξεχνάτε χρόνος αποσυνοχής, ίσως μέχρι να ολοκληρώσετε τη σύνδεση των qubits στο κύκλωμα που θέλετε, ο χρόνος θα τελειώσει και ολόκληρο το κύκλωμα θα μετατραπεί σε ωραία γεννήτρια λευκού θορύβου.
Επίσης, μην ξεχνάτε ότι Η αρχιτεκτονική όλων των κβαντικών επεξεργαστών είναι διαφορετική, και το πρόγραμμα που γράφεται στον εξομοιωτή σε λειτουργία «συνδεσιμότητας όλων με όλους» θα πρέπει να «επαναμεταγλωττιστεί» στην αρχιτεκτονική ενός συγκεκριμένου τσιπ. Υπάρχει ακόμη και για να εκτελέσετε αυτήν την επέμβαση.
Μέγιστη συνδεσιμότητα και μέγιστος αριθμός qubits για τα ίδια κορυφαία τσιπ:
| Όνομα υπολογιστή | N Qubits | Μέγιστος αριθμός ζευγαριών | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Και, για σύγκριση, πίνακας με δεδομένα επεξεργαστών προηγούμενης γενιάςΣυγκρίνετε τον αριθμό των qubit, τον χρόνο αποσύνδεσης και το ποσοστό σφάλματος με αυτά που έχουμε τώρα στη νέα γενιά. Παρόλα αυτά, η πρόοδος προχωρά αργά, αλλά προχωρά.
Έτσι:
- Προς το παρόν δεν υπάρχουν πλήρως συνδεδεμένες αρχιτεκτονικές με > 6 qubits
- Για να εμπλακούμε ένα qubit 0, για παράδειγμα, με 15 σε έναν πραγματικό επεξεργαστή, μπορεί να χρειαστούν αρκετές δεκάδες επιπλέον λειτουργίες.
- Περισσότερες λειτουργίες -> περισσότερα σφάλματα -> ισχυρότερη επίδραση αποσυνοχής
Αποτελέσματα της
Η αποσυνοχή είναι το Προκρούστειο κρεβάτι της σύγχρονης κβαντικής υπολογιστικήςΣε 150 µs πρέπει να χωρέσουμε τα πάντα:
- Αρχικοποίηση της αρχικής κατάστασης των qubits
- Υπολογισμός ενός προβλήματος χρησιμοποιώντας κβαντικές πύλες
- Διόρθωση σφαλμάτων για να επιτευχθεί ένα ουσιαστικό αποτέλεσμα
- Υπολογίστε το αποτέλεσμα που λάβατε
Μέχρι στιγμής τα αποτελέσματα είναι απογοητευτικά, αν και ισχυρίζονται ότι έχουν επιτύχει χρόνο διατήρησης συνοχής 0.5 δευτερολέπτων σε έναν κβαντικό υπολογιστή με βάση :
Μετράμε χρόνο συνοχής qubit μεγαλύτερο από 0.5 s και με μαγνητική θωράκιση αναμένουμε ότι αυτός ο χρόνος θα βελτιωθεί και θα είναι μεγαλύτερος από 1000 s.
Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτήν την τεχνολογία ή για παράδειγμα .
Η κατάσταση περιπλέκεται περαιτέρω από το γεγονός ότι κατά την εκτέλεση πολύπλοκων υπολογισμών είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούνται σχήματα διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων, τα οποία επίσης καταναλώνουν χρόνο και διαθέσιμα qubits.
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 σήμερα οι ακόλουθες προσεγγίσεις και μέθοδοι:
- Χρήση κρυοθαλάμων με χαμηλές θερμοκρασίες (10 mK (–273,14°C))
- Χρήση μονάδων επεξεργαστή που προστατεύονται στο μέγιστο από εξωτερικές επιδράσεις
- Χρήση συστημάτων διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων (Λογικό qubit)
- Χρήση βελτιστοποιητών κατά τον προγραμματισμό κυκλωμάτων για έναν συγκεκριμένο επεξεργαστή
Διεξάγεται επίσης έρευνα για την αύξηση του χρόνου αποσύνδεσης, την εύρεση νέων (και βελτίωσης γνωστών) φυσικών υλοποιήσεων κβαντικών αντικειμένων, τη βελτιστοποίηση σχημάτων διόρθωσης κ.λπ. Υπάρχει πρόοδος (δείτε παραπάνω τα χαρακτηριστικά των παλαιότερων και κορυφαίων τσιπ σήμερα), αλλά μέχρι στιγμής είναι αργή, πολύ, πολύ αργή.
D-κύμα
Ο υπολογιστής D-Wave 2000Q των 2000 qubit. Πηγή:
Εν μέσω της ανακοίνωσης της Google ότι έχει επιτύχει κβαντική υπεροχή χρησιμοποιώντας έναν επεξεργαστή 53 qubit, и από το D-Wave, το οποίο έχει χιλιάδες qubits, είναι λίγο συγκεχυμένο. Λοιπόν, αν 53 qubits μπορούσαν να επιτύχουν κβαντική υπεροχή, τι μπορεί να κάνει ένας υπολογιστής με 2048 qubits; Αλλά δεν είναι όλα τόσο καλά...
Εν συντομία (από το wiki):
Υπολογιστές εργασία με βάση την αρχή (), μπορούν να λύσουν μια εξαιρετικά περιορισμένη υποκατηγορία προβλημάτων βελτιστοποίησης και δεν είναι κατάλληλα για την υλοποίηση παραδοσιακών κβαντικών αλγορίθμων και κβαντικών πυλών.
Για περισσότερες λεπτομέρειες, μπορείτε να διαβάσετε, για παράδειγμα, , (προσοχή, μπορεί να μην ανοίξει από τη Ρωσία), ή в από το δικό του Παρεμπιπτόντως, σας συνιστώ ανεπιφύλακτα να διαβάσετε το ιστολόγιό του γενικά, υπάρχει πολύ καλό υλικό εκεί.
Γενικά, από την αρχή κιόλας των ανακοινώσεων, η επιστημονική κοινότητα είχε ερωτήματα σχετικά με τους υπολογιστές D-Wave. Για παράδειγμα, το 2014, η IBM αμφισβήτησε το γεγονός ότι το D-Wave Τα πράγματα έφτασαν στο σημείο που 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 την εργασία πιο γρήγορα από έναν κανονικό. Μπορείτε επίσης να διαβάσετε για τη δήλωση της Google και, για παράδειγμα, .
Το κυριότερο είναι ότι οι υπολογιστές D-Wave, με τις εκατοντάδες και χιλιάδες qubits τους, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό και την εκτέλεση κβαντικών αλγορίθμων. Δεν μπορούν να εκτελέσουν τον αλγόριθμο Shor, για παράδειγμα. Το μόνο που μπορούν να κάνουν είναι να χρησιμοποιήσουν ορισμένους κβαντικούς μηχανισμούς για να λύσουν ένα συγκεκριμένο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Μπορείτε να σκεφτείτε το D-Wave ως ένα κβαντικό ASIC για μια συγκεκριμένη εργασία.
Λίγα λόγια για την εξομοίωση κβαντικών υπολογιστών
Η κβαντική υπολογιστική μπορεί να εξομοιωθεί σε έναν κανονικό υπολογιστή. Πράγματι, :
- Η κατάσταση του qubit μπορεί να είναι μιγαδικός αριθμός, καταλαμβάνοντας από 2x32 έως 2x64 bits (8-16 bytes) ανάλογα με την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή
- Η κατάσταση των N συζευγμένων qubits μπορεί να αναπαρασταθεί ως 2^N μιγαδικοί αριθμοί, δηλαδή 2^(3+N) για αρχιτεκτονική 32-bit και 2^(4+N) για αρχιτεκτονική 64-bit.
- Μια κβαντική πράξη σε N qubits μπορεί να αναπαρασταθεί από έναν πίνακα 2^N x 2^N
Στη συνέχεια:
- Για την αποθήκευση των εξομοιωμένων καταστάσεων 10 qubit, απαιτούνται 8 KB.
- Η αποθήκευση των καταστάσεων 20 qubit απαιτεί 8 MB
- Η αποθήκευση των καταστάσεων 30 qubit απαιτεί 8 GB
- Η αποθήκευση των καταστάσεων 40 qubit απαιτεί 8 terabytes
- Για την αποθήκευση των καταστάσεων 50 qubit, απαιτούνται 8 Petabytes, κ.λπ.
Για σύγκριση, () φέρει μόνο 2.8 Petabytes μνήμης.
— 49 qubits παραδόθηκαν πέρυσι στον μεγαλύτερο υπερυπολογιστή της Κίνας ()
Το όριο της προσομοίωσης ενός κβαντικού υπολογιστή σε κλασικά συστήματα καθορίζεται από την ποσότητα μνήμης RAM που απαιτείται για την αποθήκευση της κατάστασης των qubits.
Σας προτείνω επίσης να διαβάσετε Από εκεί:
Όσον αφορά τις λειτουργίες, είναι απαραίτητο να μιμηθεί με ακρίβεια ένα κύκλωμα 49 qubit από μόλις 39 "κύκλους" (ανεξάρτητα επίπεδα πύλης). 2^63 μιγαδικοί πολλαπλασιασμοί - 4 Pflops υπερυπολογιστή σε 4 ώρες
Η εξομοίωση ενός κβαντικού υπολογιστή 50+ qubit σε κλασικά συστήματα θεωρείται αδύνατη σε εύλογο χρονικό διάστημα. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους η Google χρησιμοποίησε έναν επεξεργαστή 53 qubit για το πείραμα κβαντικής υπεροχής.
Υπεροχή στην κβαντική υπολογιστική.
Η Wikipedia μας δίνει τον ακόλουθο ορισμό της υπεροχής της κβαντικής υπολογιστικής:
Η κβαντική υπεροχή είναι η ικανότητα συσκευές για την επίλυση προβλημάτων που οι κλασικοί υπολογιστές πρακτικά αδυνατούν να λύσουν.
Στην πραγματικότητα, η επίτευξη κβαντικής υπεροχής σημαίνει ότι, για παράδειγμα, η παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών χρησιμοποιώντας τον αλόγραμμο του Shor μπορεί να λυθεί σε εύλογο χρονικό διάστημα ή ότι πολύπλοκα χημικά μόρια μπορούν να μιμηθούν σε κβαντικό επίπεδο, και ούτω καθεξής. Δηλαδή, έχει φτάσει μια νέα εποχή.
Υπάρχει όμως ένα κενό στη διατύπωση του ορισμού, «τα οποία οι κλασικοί υπολογιστές πρακτικά δεν είναι σε θέση να λύσουνΣτην πραγματικότητα, αυτό σημαίνει ότι αν δημιουργήσετε έναν κβαντικό υπολογιστή με 50+ qubits και εκτελέσετε κάποιο κβαντικό κύκλωμα σε αυτόν, τότε, όπως συζητήσαμε παραπάνω, το αποτέλεσμα της λειτουργίας αυτού του κυκλώματος θα είναι αδύνατο να μιμηθεί σε έναν κανονικό υπολογιστή. Δηλαδή, Ένας κλασικός υπολογιστής δεν θα είναι σε θέση να αναδημιουργήσει το αποτέλεσμα ενός τέτοιου σχήματος.
Το αν ένα τέτοιο αποτέλεσμα αποτελεί πραγματική κβαντική υπεροχή ή όχι είναι περισσότερο ένα φιλοσοφικό ερώτημα. Αλλά είναι δύσκολο να κατανοήσουμε τι έκανε η Google και σε τι βασίζεται. απαραίτητος.
Ισχυρισμός της Google για Κβαντική Υπεροχή
Επεξεργαστής Sycamore 54-qubit
Έτσι, τον Οκτώβριο του 2019, οι προγραμματιστές της Google δημοσίευσαν ένα άρθρο στο επιστημονικό περιοδικό Nature:Οι συγγραφείς ανακοίνωσαν την επίτευξη της πρώτης κβαντικής υπεροχής χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή "Sycamore" των 54 qubit.
Το Sycamore αναφέρεται συχνά σε άρθρα στο διαδίκτυο είτε ως επεξεργαστής 54 qubit είτε ως επεξεργαστής 53 qubit. Η αλήθεια είναι ότι σύμφωνα με , ο επεξεργαστής αποτελείται φυσικά από 54 qubits, αλλά ένα από αυτά δεν λειτουργεί και έχει παροπλιστεί. Έτσι, στην πραγματικότητα έχουμε έναν επεξεργαστή 53 qubit.
Στο διαδίκτυο αυτή τη στιγμή υλικά σχετικά με αυτό το θέμα, ο βαθμός των οποίων ποικίλλει από να .
Η ομάδα κβαντικής πληροφορικής της IBM αργότερα δήλωσε ότι Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι ένας συμβατικός υπολογιστής θα αντιμετωπίσει αυτό το έργο σε 2,5 ημέρες στη χειρότερη περίπτωση και η απάντηση θα είναι πιο ακριβής από αυτή ενός κβαντικού υπολογιστή. Αυτό το συμπέρασμα έγινε με βάση τα αποτελέσματα μιας θεωρητικής ανάλυσης διαφόρων μεθόδων βελτιστοποίησης.
Και φυσικά, στο δικό του δεν μπορούσε να αγνοήσει αυτή τη δήλωση. μαζί με όλους τους συνδέσμους και όπως συνήθως, αξίζει να αφιερώσετε τον χρόνο σας σε αυτά. Στο Habr αυτών των Συχνών Ερωτήσεων και φροντίστε να διαβάσετε τα σχόλια, καθώς υπάρχουν σύνδεσμοι προς προκαταρκτικά έγγραφα που διέρρευσαν στο διαδίκτυο πριν από την επίσημη ανακοίνωση.
Τι έκανε στην πραγματικότητα η Google; Διαβάστε τον Aaronson για μια λεπτομερή εξήγηση, αλλά ακολουθεί μια γρήγορη περίληψη:
Μπορώ να σας το πω, φυσικά, αλλά μου φαίνεται λίγο ανόητο που το κάνω. 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 ας πούμε 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 σε βάση {0}, να στείλει πίσω μια παρατηρήσιμη ακολουθία (συμβολοσειρά) n-bit και να επαναλάβει αρκετές χιλιάδες ή εκατομμύρια φορές. Τέλος, χρησιμοποιώντας τις γνώσεις του για το C, ο πειραματιστής εκτελεί έναν στατιστικό έλεγχο για να δει αν το αποτέλεσμα ταιριάζει με την αναμενόμενη έξοδο του κβαντικού υπολογιστή.
Εν συντομία:
- Ένα τυχαίο κύκλωμα μήκους 20 δημιουργείται από 53 qubits χρησιμοποιώντας πύλες
- Το σχήμα 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 δειγμάτων που λαμβάνονται συγκρίνεται με την αναμενόμενη.
- Ένα συμπέρασμα εξάγεται σχετικά με την κβαντική υπεροχή
Δηλαδή, η Google υλοποίησε μια συνθετική εργασία σε έναν επεξεργαστή 53 qubit και βασίζει τον ισχυρισμό της για την επίτευξη κβαντικής υπεροχής στο γεγονός ότι είναι αδύνατο να μιμηθεί έναν τέτοιο επεξεργαστή σε τυπικά συστήματα σε εύλογο χρονικό διάστημα.
Για κατανόηση - Αυτή η ενότητα δεν μειώνει με κανέναν τρόπο το επίτευγμα της Google., οι μηχανικοί είναι πραγματικά εξαιρετικοί, και το ερώτημα αν αυτό μπορεί να θεωρηθεί πραγματική κβαντική υπεροχή ή όχι, όπως ειπώθηκε νωρίτερα, είναι περισσότερο φιλοσοφικό παρά μηχανικό. Αλλά πρέπει να καταλάβουμε ότι έχοντας επιτύχει τέτοια υπολογιστική υπεροχή, δεν έχουμε προχωρήσει ούτε ένα βήμα προς την πιθανότητα εκτέλεσης του αλγορίθμου Shor σε αριθμούς 2048-bit.
Περίληψη
Οι κβαντικοί υπολογιστές και η κβαντική υπολογιστική είναι ένας πολύ πολλά υποσχόμενος, πολύ νέος και, προς το παρόν, ελάχιστα χρησιμοποιούμενος τομέας της τεχνολογίας των πληροφοριών σε βιομηχανικούς όρους.
Η ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής θα μας επιτρέψει (κάποια μέρα) να λύσουμε προβλήματα:
- Μοντελοποίηση σύνθετων φυσικών συστημάτων σε κβαντικό επίπεδο
- Μη επιλύσιμο σε κανονικό υπολογιστή λόγω υπολογιστικής πολυπλοκότητας
Τα κύρια προβλήματα στη δημιουργία και λειτουργία κβαντικών υπολογιστών:
- Αποσυνοχή
- Σφάλματα (αποσυνοχή και πύλη)
- Αρχιτεκτονική επεξεργαστή (πλήρως συνδεδεμένα κυκλώματα qubit)
Τρέχουσα κατάσταση:
- Στην πραγματικότητα, είναι η αρχή .
- Δεν υπάρχει ακόμη ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ εμπορική εκμετάλλευση (και δεν είναι σαφές πότε θα γίνει)
Τι μπορεί να βοηθήσει:
- Κάποιο είδος φυσικής ανακάλυψης που μειώνει το κόστος σύνδεσης και λειτουργίας επεξεργαστών
- Ανακαλύπτοντας κάτι που θα αυξήσει τον χρόνο αποσύνδεσης κατά μια τάξη μεγέθους ή/και θα μειώσει τον αριθμό των σφαλμάτων
Κατά τη γνώμη μου (καθαρά προσωπική άποψη), Στο τρέχον επιστημονικό παράδειγμα γνώσης δεν θα επιτύχουμε σημαντική επιτυχία στην ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών, αυτό που χρειάζεται εδώ είναι μια ποιοτική ανακάλυψη σε κάποιον τομέα της θεμελιώδους ή εφαρμοσμένης επιστήμης που θα δώσει ώθηση σε νέες ιδέες και μεθόδους.
Εν τω μεταξύ, αποκτούμε εμπειρία στον κβαντικό προγραμματισμό, συλλέγουμε και δημιουργούμε κβαντικούς αλγόριθμους, δοκιμάζουμε ιδέες κ.λπ. κ.λπ. Περιμένουμε μια σημαντική ανακάλυψη.
Συμπέρασμα
Σε αυτό το άρθρο, εξετάσαμε τα κύρια ορόσημα στην ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής και των κβαντικών υπολογιστών, αναλύσαμε την αρχή της λειτουργίας τους, εξετάσαμε τα κύρια προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί στην ανάπτυξη και λειτουργία κβαντικών επεξεργαστών και επίσης εξετάσαμε τι είναι στην πραγματικότητα οι υπολογιστές πολλαπλών qubit D-Wave και την πρόσφατη ανακοίνωση της Google για την επίτευξη κβαντικής υπεροχής.
Στο παρασκήνιο υπήρχαν ερωτήσεις σχετικά με τον προγραμματισμό κβαντικών υπολογιστών (γλώσσες, προσεγγίσεις, μέθοδοι κ.λπ.) και ερωτήσεις που σχετίζονταν με την συγκεκριμένη φυσική υλοποίηση των επεξεργαστών, τον τρόπο ελέγχου, σύνδεσης, ανάγνωσης των qubit κ.λπ. Ίσως αυτό να είναι το θέμα του επόμενου ή των επόμενων άρθρων.
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας, ελπίζω ότι αυτό το άρθρο θα είναι χρήσιμο σε κάποιον.
(Γ)
Ευχαριστώ
για την επιμέλεια και τα σχόλια στο πρωτότυπο κείμενο, καθώς και για το άρθρο
για τα ενημερωτικά σχόλια , και όχι μόνο σε αυτήν, η οποία με πολλούς τρόπους με βοήθησε να καταλάβω αυτό το αίνιγμα.
Σε όλους τους συγγραφείς άρθρων και δημοσιεύσεων των οποίων το υλικό χρησιμοποιήθηκε για τη συγγραφή αυτού του άρθρου.
Λίστα πόρων
Άρθρα Επικαιρότητας από [The National Academies Press]
Άρθρα από το Habr (σε τυχαία σειρά)
Ανεξάρτητα (αλλά όχι λιγότερο ενδιαφέροντα) άρθρα από την απεραντοσύνη του Διαδικτύου
Μαθήματα και διαλέξεις
Πηγή: www.habr.com
