Kvantumkomputiloj kaj kvantuma komputiko - novaj , kiu estis aldonita al nia informspaco kune kun , kaj aliaj altteknologiaj terminoj. Samtempe, mi neniam povis trovi materialon en la Interreto, kiu kunmetus la enigmon en mia kapo nomita "kiel funkcias kvantumkomputiloj". Jes, estas multaj bonegaj verkoj, inkluzive pri Habr (vidu. ), komentoj al kiuj, kiel kutime, estas eĉ pli informaj kaj utilaj, sed la bildo en mia kapo, kiel oni diras, ne sumiĝis.
Kaj lastatempe miaj kolegoj venis al mi kaj demandis: "Ĉu vi komprenas kiel funkcias kvantuma komputilo? Ĉu vi povas diri al ni?" Kaj tiam mi konstatis, ke mi ne estas la sola, kiu havas problemon kunmeti koheran bildon en mia kapo.
Kiel rezulto, oni provis kompili informojn pri kvantumkomputiloj en konsekvencan logikan cirkviton en kiu baza nivelo, sen profunda mergo en matematiko kaj la strukturo de la kvantuma mondo, estis klarigite kio estas kvantuma komputilo, sur kiuj principoj ĝi funkcias, kaj kiajn problemojn alfrontas sciencistoj dum kreado kaj funkciado de ĝi.
Enhavtabelo
Malgarantio
La aŭtoro ne estas fakulo pri kvantuma komputado, kaj La celgrupo de la artikolo estas la samaj IT-uloj, ne kvantumaj specialistoj, kiuj ankaŭ volas kunmeti bildon en siaj kapoj nomitan "Kiel funkcias kvantumkomputiloj." Pro tio, multaj konceptoj en la artikolo estas intence simpligitaj por pli bone kompreni kvantumajn teknologiojn je "baza" nivelo, sed sen .
La artikolo kelkloke uzas materialojn de aliaj fontoj, . Kie ajn eblas, rektaj ligiloj kaj indikoj al la originala teksto, tabelo aŭ figuro estas enmetitaj. Se mi forgesis ion (aŭ iun) ie, skribu kaj mi korektos ĝin.
Enkonduko
En ĉi tiu ĉapitro, ni mallonge rigardos kiel komenciĝis la kvantuma epoko, kio estis la motiviga kialo de la ideo de kvantuma komputilo, kiuj (kiuj landoj kaj korporacioj) estas nuntempe la ĉefaj ludantoj en ĉi tiu kampo, kaj ankaŭ mallonge parolos. pri la ĉefaj direktoj de evoluo de kvantuma komputado.
Kiel ĉio komencis
La deirpunkto de la kvantuma epoko estas konsiderita kiel 1900, kiam M. Planck unue prezentis tiu energio estas elsendita kaj sorbita ne kontinue, sed en apartaj kvantoj (porcioj). La ideo estis reprenita kaj evoluigita fare de multaj elstaraj sciencistoj de tiu tempo - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, kio finfine kaŭzis la kreadon kaj evoluon de tia scienco kiel . Estas multaj bonaj materialoj en la Interreto pri la formado de kvantuma fiziko kiel scienco; en ĉi tiu artikolo ni ne detale pritraktos ĉi tion, sed estis necese indiki la daton, kiam ni eniris la novan kvantuman epokon.
Kvantuma fiziko alportis multajn inventojn kaj teknologiojn en nian ĉiutagan vivon, sen kiuj estas nun malfacile imagi la mondon ĉirkaŭ ni. Ekzemple, lasero, kiu nun estas uzata ĉie, de hejmaj aparatoj (laserniveloj, ktp.) ĝis altteknologiaj sistemoj (laseroj por vida korekto, saluton). ). Estus logike supozi, ke pli aŭ malpli frue iu elpensos la ideon, ke kial ne uzi kvantumsistemojn por komputado. Kaj tiam en 1980 ĝi okazis.
Vikipedio indikas, ke la unua ideo de kvantuma komputado estis esprimita en 1980 de nia sciencisto Yuri Manin. Sed oni vere ekparolis pri tio nur en 1981, kiam la konata R. Feynman , notis ke estas maleble simuli la evoluon de kvantuma sistemo sur klasika komputilo en efika maniero. Li proponis elementan modelon , kiu povos efektivigi tian modeladon.
Ekzistas , en kiu estas konsiderata pli akademie kaj detale, sed ni trarigardos mallonge:
Gravaj mejloŝtonoj en la historio de kreado de kvantumkomputiloj:
- [1994]. P. Bordo. Desegnita de
- [1998]. Kreita
- [2001]. IBM lanĉis ekzekuton por vastiĝo de numero 15
- [2007-2016]. kreas kaj disvolvas komputilon kun 128-2000 kvbitoj
- [2012]. Efektivigite ĉe la Universitato de Kalifornio
- [2016]. Guglo sur 9-kbita komputilo
- [2017]. (tri atomoj)
- [2019]. . 20-kbit-komputilo en la nubo
- [2019]. . 53 kbitkomputilo. ?
Kiel vi povas vidi, pasis 17 jaroj (de 1981 ĝis 1998) de la momento de la ideo ĝis ĝia unua efektivigo en komputilo kun 2 kvbitoj, kaj 21 jaroj (de 1998 ĝis 2019) ĝis la nombro de kvbitoj pliiĝis al 53. Necesis 11 jaroj (de 2001 ĝis 2012) por plibonigi la rezulton de la algoritmo de Shor (ni rigardos ĝin pli detale iom poste) de la numero 15 ĝis 21. Ankaŭ antaŭ nur tri jaroj ni venis al la punkto de efektivigante kion Feynman parolis pri, kaj lerni modeligi la plej simplajn fizikajn sistemojn.
La evoluo de kvantuma komputado estas malrapida. Sciencistoj kaj inĝenieroj alfrontas tre malfacilajn taskojn, kvantumŝtatoj estas tre mallongdaŭraj kaj fragilaj, kaj por konservi ilin sufiĉe longe por fari kalkulojn, ili devas konstrui sarkofagojn por dekoj da milionoj da dolaroj, en kiuj la temperaturo estas konservita. ĝuste super absoluta nulo, kaj kiuj estas maksimume protektataj kontraŭ eksteraj influoj. Poste ni parolos pri ĉi tiuj taskoj kaj problemoj pli detale.
Ĉefaj Ludantoj
La lumbildoj por ĉi tiu sekcio estas prenitaj el la artikolo , de esploristo Aleksej Fedorov. Mi donu al vi rektajn citaĵojn:
Ĉiuj teknologie sukcesaj landoj nuntempe aktive disvolvas kvantumajn teknologiojn. Grandega kvanto da mono estas investita en ĉi tiu esplorado, kaj specialaj programoj por subteni kvantumajn teknologiojn estas kreitaj.
Ne nur ŝtatoj, sed ankaŭ privataj kompanioj partoprenas en la kvantuma vetkuro. Entute, Guglo, IBM, Intel kaj Mikrosofto lastatempe investis ĉirkaŭ 0,5 miliardojn USD en la evoluo de kvantumaj komputiloj kaj kreis grandajn laboratoriojn kaj esplorcentrojn.
Estas multaj artikoloj pri Habré kaj en Interreto, ekzemple, , и , en kiu la nuna stato de aferoj kun la evoluo de kvantumaj teknologioj en malsamaj landoj estas ekzamenita pli detale. La ĉefa afero por ni nun estas, ke ĉiuj ĉefaj teknologie evoluintaj landoj kaj ludantoj investas grandegajn monsumojn en esplorado en ĉi tiu direkto, kio donas esperon por eliro el la nuna teknologia blokiĝo.
Evoluaj direktoj
Nuntempe (mi povus erari, korektu min) la ĉefaj klopodoj (kaj pli-malpli signifaj rezultoj) de ĉiuj ĉefaj ludantoj koncentriĝas en du kampoj:
- Specialigitaj kvantumkomputiloj, kiuj celas solvi unu specifan specifan problemon, ekzemple optimumigan problemon. Ekzemplo de produkto estas D-Wave kvantumkomputiloj.
- Universalaj kvantumkomputiloj — kiuj kapablas efektivigi arbitrajn kvantumalgoritmojn (Shor, Grover, ktp.). Efektivigoj de IBM, Google.
Aliaj vektoroj de evoluo kiujn kvantuma fiziko donas al ni, kiel ekzemple:
- kiel bazo por
- kaj multe pli
Kompreneble, ĝi ankaŭ estas en la listo de esplorkampoj, sed nuntempe ŝajnas ne esti pli aŭ malpli gravaj rezultoj.
Aldone vi povas legi , nu, guglo "", Ekzemple, , и .
Bazaĵoj. Kvantuma objekto kaj kvantumsistemoj
La plej grava afero por kompreni de ĉi tiu sekcio estas tio
Kvantuma komputilo (malsame ol kutimaj) uzoj kiel informportiloj kvantumaj objektoj, kaj por efektivigi kalkulojn, kvantumaj objektoj devas esti ligitaj enen kvantuma sistemo.
Kio estas kvantuma objekto?
Kvantuma objekto - objekto de la mikromondo (kvantuma mondo) kiu elmontras kvantumajn ecojn:
- Havas difinitan staton kun du limniveloj
- Estas en supermeto de sia stato ĝis la momento de mezurado
- Interplektiĝas sin kun aliaj objektoj por krei kvantumsistemojn
- Kontentigas la senklonan teoremon (la stato de objekto ne povas esti kopiita)
Ni rigardu ĉiun posedaĵon pli detale:
Havas difinitan staton kun du limniveloj (finŝtato)
Klasika realmonda ekzemplo estas monero. Ĝi havas "flankan" staton, kiu prenas du limnivelojn - "kapoj" kaj "vostoj".
Estas en supermeto de sia stato ĝis la momento de mezurado
Ili ĵetis moneron, ĝi flugas kaj turniĝas. Dum ĝi rotacias, estas neeble diri en kiu el la limniveloj situas ĝia "flanka" stato. Sed tuj kiam ni frapas ĝin kaj rigardas la rezulton, la supermeto de ŝtatoj tuj kolapsas en unu el du limŝtatoj - "kapoj" kaj "vostoj". Frapi moneron en nia kazo estas mezurado.
Interplektiĝas sin kun aliaj objektoj por krei kvantumsistemojn
Estas malfacile kun monero, sed ni provu. Imagu, ke ni ĵetis tri monerojn por ke ili turnu sin kroĉante unu al la alia, ĉi tio estas ĵonglado per moneroj. En ĉiu momento de tempo, ne nur ĉiu el ili estas en supermeto de statoj, sed tiuj statoj reciproke influas unu la alian (la moneroj kolizias).
Kontentigas la senklonan teoremon (la stato de objekto ne povas esti kopiita)
Dum la moneroj flugas kaj turniĝas, ni neniel povas krei kopion de la turniĝanta stato de iu ajn el la moneroj, aparte de la sistemo. La sistemo vivas en si mem kaj tre ĵaluzas liberigi ajnan informon al la ekstera mondo.
Kelkajn pliajn vortojn pri la koncepto mem "superpozicioj", en preskaŭ ĉiuj artikoloj supermeto estas klarigita kiel "estas en ĉiuj ŝtatoj samtempe", kio estas, kompreneble, vera, sed foje nenecese konfuza. Supermeto de statoj ankaŭ povas esti imagita kiel la fakto ke en ĉiu momento de tempo kvantuma objekto havas ekzistas certaj probabloj de kolapso en ĉiun el ĝiaj limniveloj, kaj entute tiuj verŝajnecoj estas nature egalaj al 1. Poste, konsiderante la qubit, ni pritraktos ĉi tion pli detale.
Por moneroj, ĉi tio povas esti bildigita - depende de la komenca rapideco, la angulo de ĵeto, la stato de la medio en kiu flugas la monero, en ĉiu momento la probablo akiri "kapojn" aŭ "vostojn" estas malsama. Kaj, kiel menciite antaŭe, la stato de tia fluga monero povas esti imagita kiel "esti en ĉiuj siaj limŝtatoj samtempe, sed kun malsamaj probabloj de ilia efektivigo."
Ajna objekto, por kiu la ĉi-supraj propraĵoj estas renkontitaj kaj kiun ni povas krei kaj kontroli, povas esti uzata kiel informportilo en kvantuma komputilo.
Iom plu ni parolos pri la nuna stato de aferoj kun la fizika efektivigo de kvantoj kiel kvantumaj objektoj, kaj kion sciencistoj nun uzas en ĉi tiu kapablo.
Do la tria posedaĵo deklaras ke kvantumaj objektoj povas iĝi implikitaj por krei kvantumsistemojn. Kio estas kvantuma sistemo?
Kvantuma sistemo - sistemo de implikitaj kvantumaj objektoj kun la sekvaj trajtoj:
- Kvantuma sistemo estas en supermeto de ĉiuj eblaj statoj de la objektoj el kiuj ĝi konsistas
- Estas neeble scii la staton de la sistemo ĝis la momento de mezurado
- En la momento de mezurado, la sistemo efektivigas unu el la eblaj variantoj de siaj limstatoj
(kaj, iom rigardante antaŭen)
Konsekvenco por kvantumaj programoj:
- Kvantuma programo havas antaŭfiksitan staton de la sistemo ĉe la enigo, supermeton interne, supermeton ĉe la eligo
- Ĉe la eligo de la programo post mezurado ni havas probabilistan efektivigon de unu el la eblaj finaj statoj de la sistemo (plus eblaj eraroj)
- Ajna kvantuma programo havas kamenarkitekturon (enigo -> eligo. Ne estas bukloj, vi ne povas vidi la staton de la sistemo meze de la procezo.)
Komparo de kvantuma komputilo kaj konvencia
Ni nun komparu konvencian komputilon kaj kvantuman.
| regula komputilo | Kvantuma komputilo | |
|
Logikoj
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fiziko
|
Semikondukta transistoro | Kvantuma objekto |
|
Informa portanto
|
Tensiaj niveloj | Polarizo, spino,... |
|
Operacioj
|
NOT, AND, OR, XOR super bitoj | Valvoj: CNOT, Hadamard,... |
|
Rilato
|
Semikondukta blato | Konfuzo unu kun la alia |
|
Algoritmoj
|
Normo (vidu Vipo) | Specialaĵoj (Marbordo, Grover) |
|
Principo
|
Digital, determinisma | Analog, probabla |
Logika nivelo
En regula komputilo tio estas iom. Bone konata de ni tra kaj trafe determinisma bito. Povas preni valorojn aŭ 0 aŭ 1. Ĝi perfekte traktas la rolon logika unuo por regula komputilo, sed estas tute maltaŭga por priskribi la staton kvantuma objekto, kiu, kiel ni jam diris, en natura medio troviĝas ensuperpozicioj de iliaj limstatoj.
Jen kion ili elpensis . En ĝiaj limŝtatoj ĝi realigas statojn similajn al 0 kaj 1 , kaj en supermeto reprezentas probablodistribuo super ĝiaj limŝtatoj |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a kaj b reprezentas , kaj la kvadratoj de iliaj moduloj estas la realaj probabloj akiri ĝuste tiajn valorojn de la limŝtatoj |0> и |1>, se vi kolapsas la kbiton kun mezurado ĝuste nun.
Fizika tavolo
Je la nuna teknologia nivelo de evoluo, la fizika efektivigo de iom por konvencia komputilo estas duonkondukta transistoro, por kvantumo, kiel ni jam diris, ajna kvantuma objekto. En la sekva sekcio ni parolos pri tio, kio estas nuntempe uzata kiel fizika amaskomunikilaro por kvbitoj.
Stokado
Por regula komputilo ĉi tio estas elektro - tensioniveloj, ĉeesto aŭ foresto de kurento, ktp., por kvantumo - la sama stato de kvantuma objekto (direkto de polusiĝo, spino, ktp.), kiu povas esti en stato de supermeto.
Operacioj
Por efektivigi logikaj cirkvitoj sur regula komputilo, ni uzas konatajn , por operacioj sur kvbitoj estis necese elpensi tute alian sistemon de operacioj, nomita . Pordegoj povas esti unu-kbit- aŭ duoble-kbit, depende de kiom da kvbitoj estas konvertitaj.
Ekzemploj de kvantumpordegoj:
Estas koncepto universala valvaro, kiuj sufiĉas por plenumi ajnan kvantuman kalkulon. Ekzemple, universala aro inkludas Hadamard-pordegon, fazŝanĝan pordegon, CNOT-pordegon, kaj π⁄8-pordegon. Kun ilia helpo, vi povas fari ajnan kvantuman kalkulon sur arbitra aro de kvbitoj.
En ĉi tiu artikolo ni ne detale detale pri la sistemo de kvantumaj pordegoj; vi povas legi pli pri ili kaj logikaj operacioj pri kvbitoj, ekzemple, . La ĉefa afero por memori:
- Operacioj sur kvantumaj objektoj postulas la kreadon de novaj logikaj funkciigistoj (kvantumpordegoj)
- Kvantumaj pordegoj venas en unu-kbit- kaj duoble-kbitspecoj.
- Ekzistas universalaj aroj de pordegoj kiuj povas esti uzitaj por elfari ajnan kvantuman komputadon
Rilato
Unu transistoro estas tute senutila por ni; por fari kalkulojn ni devas ligi multajn transistorojn unu al la alia, tio estas, krei duonkonduktan blaton el milionoj da transistoroj sur kiuj konstrui logikajn cirkvitojn, kaj, finfine, akiru modernan procesoron en ĝia klasika formo.
Unu kbito ankaŭ estas tute senutila por ni (nu, se nur akademie),
por efektivigi kalkulojn ni bezonas sistemon de kvbitoj (kvantumaj objektoj)
kiu, kiel ni jam diris, estas kreita per implikado de kvoj unu kun la alia tiel ke ŝanĝoj en iliaj statoj okazas en kunordigita maniero.
Algoritmoj
La normaj algoritmoj, kiujn la homaro akumulis ĝis nun, estas tute maltaŭgaj por efektivigo sur kvantuma komputilo. Jes, ĝenerale ne necesas. Kvantumkomputiloj bazitaj sur pordega logiko super kvbitoj postulas la kreadon de tute malsamaj algoritmoj, kvantumalgoritmoj. El la plej konataj kvantumalgoritmoj, tri povas esti distingitaj:
- (faktorigo)
- (rapida serĉo en neordigita datumbazo)
- (respondo al la demando, konstanta aŭ ekvilibra funkcio)
Principo
Kaj la plej grava diferenco estas la funkcia principo. Por norma komputilo ĉi tio estas cifereca, strikte determinisma principo, surbaze de tio, ke se ni starigas iun komencan staton de la sistemo kaj pasis ĝin tra donita algoritmo, tiam la rezulto de la kalkuloj estos la sama, negrave kiom da fojoj ni kuras ĉi tiun kalkulon. Fakte, ĉi tiu konduto estas ĝuste tio, kion ni atendas de komputilo.
Kvantuma komputilo funkcias analoga, probabla principo. La rezulto de antaŭfiksita algoritmo ĉe antaŭfiksita komenca stato estas specimeno el probabla distribuo finaj efektivigoj de la algoritmo kaj plie eblaj eraroj.
Ĉi tiu probabla naturo de kvantuma komputado ŝuldiĝas al la tre probabla esenco de la kvantuma mondo. "Dio ne ludas ĵetkubojn kun la universo.", diris la maljuna Einstein, sed ĉiuj eksperimentoj kaj observoj ĝis nun (en la nuna scienca paradigmo) konfirmas la malon.
Fizikaj efektivigoj de kvbitoj
Kiel ni jam diris, kvanto povas esti reprezentita per kvantuma objekto, tio estas, fizika objekto kiu efektivigas la kvantumajn ecojn priskribitajn supre. Tio estas, proksimume, ĉiu fizika objekto en kiu estas du statoj kaj ĉi tiuj du statoj estas en stato de supermetaĵo povas esti uzata por konstrui kvantuma komputilo.
“Se ni povas meti atomon en du malsamajn nivelojn kaj kontroli ilin, tiam vi havas kbiton. Se ni povas fari ĉi tion per jono, ĝi estas kbito. Estas same kun fluo. Se ni rulas ĝin dekstrume kaj kontraŭhorloĝe samtempe, vi havas kviton.”
Ekzistas к , en kiu la nuna vario de fizikaj efektivigoj de la qubit estas konsiderata pli detale, ni simple listigos la plej konatajn kaj oftajn:
- kaj multaj aliaj ekzotikaj ideoj (anjonoj, ktp.)
El ĉiu ĉi tiu vario, la plej evoluinta estas la unua metodo por akiri qubits, bazita sur . , , kaj aliaj ĉefaj ludantoj uzas ĝin por konstrui siajn sistemojn.
Nu, legu pli ebla kvbitoj de .
Bazoj. Kiel funkcias kvantuma komputilo
Materialoj por ĉi tiu sekcio (tasko kaj bildoj) estas prenitaj el la artikolo .
Do, imagu, ke ni havas la jenan taskon:
Estas grupo de tri homoj: (A)ndrey, (B)olodya kaj (C)erezha. Estas du taksioj (0 kaj 1).
Estas ankaŭ konata ke:
- (A)ndrey, (B)olodya estas amikoj
- (A)ndrey, (C)erezha estas malamikoj
- (B)olodya kaj (C)erezha estas malamikoj
Tasko: Metu homojn en taksiojn tiel ke Max (amikoj) и Min (malamikoj)
Taksado: L = (nombro da amikoj) - (nombro da malamikoj) por ĉiu loĝeblo
GRAVA: Supozante, ke ne ekzistas heŭristiko, ne ekzistas optimuma solvo. En ĉi tiu kazo, la problemo povas esti solvita nur per kompleta serĉo de opcioj.
Solvo en regula komputilo
Kiel solvi ĉi tiun problemon en regula (super) komputilo (aŭ areto) - tio estas klare vi devas trarigardi ĉiujn eblajn opciojn. Se ni havas multprocesora sistemo, tiam ni povas paraleligi la kalkulon de solvoj tra pluraj procesoroj kaj tiam kolekti la rezultojn.
Ni havas 2 eblajn loĝejojn (taksio 0 kaj taksio 1) kaj 3 homojn. Solva spaco 2 ^ 3 = 8. Vi eĉ povas trairi 8 eblojn uzante kalkulilon, ĉi tio ne estas problemo. Nun ni kompliku la problemon - ni havas 20 homojn kaj du busojn, la solvan spacon 2^20 = 1. Ankaŭ nenio komplika. Ni pliigu la nombron da homoj je 2.5 fojojn - prenu 50 homojn kaj du trajnojn, la solvspaco nun estas 2^50 = 1.12 x 10^15. Ordinara (super) komputilo jam komencas havi gravajn problemojn. Ni pliigu la nombron de homoj je 2 fojojn, jam 100 homoj donos al ni 1.2 x 10 ^ 30 eblaj opcioj.
Jen ĝi, ĉi tiu tasko ne povas esti kalkulita en akceptebla tempo.
Konekti superkomputilon
La plej potenca komputilo nuntempe estas la numero 1 el , ĉi tio , produktiveco 122 . Ni supozu, ke ni bezonas 100 operaciojn por kalkuli unu opcion, tiam por solvi la problemon por 100 homoj ni bezonos:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 jaroj.
Kiel ni povas vidi kiel la dimensio de la komencaj datenoj pliiĝas, la solvspaco kreskas laŭ potencoleĝo, en la ĝenerala kazo, por N bitoj ni havas 2^N eblajn solvopciojn, kiuj por relative malgranda N (100) donas al ni nekalkulitan (ĉe la nuna teknologia nivelo) solvspacon.
Ĉu ekzistas alternativoj? Kiel vi eble divenis, jes, ekzistas.
Sed antaŭ ol ni ekkomprenos kiel kaj kial kvantumkomputiloj povas efike solvi tiajn problemojn, ni prenu momenton por resumi kio ili estas. distribuo de probablo. Ne maltrankviliĝu, ĉi tio estas recenza artikolo, ĉi tie ne estos malfacila matematiko, ni kontentiĝos kun la klasika ekzemplo per sako kaj pilkoj.
Nur iom kombinatoriko, probabla teorio kaj stranga eksperimentisto
Ni prenu sakon kaj enmetu ĝin 1000 blankaj kaj 1000 nigraj buloj. Ni faros eksperimenton - elprenu la pilkon, skribu la koloron, revenu la pilkon al la sako kaj miksu la pilkojn en la sakon.
La eksperimento estis farita 10 fojojn, eltiris 10 nigrajn pilkojn. Eble? Tute. Ĉu ĉi tiu specimeno donas al ni racian ideon pri la vera distribuo en la sako? Evidente ne. Kion oni devas fari - ĝuste, pripetu la eksperimenton milionon da fojoj kaj kalkulu la frekvencojn de nigraj kaj blankaj pilkoj. Ni ricevas, ekzemple 49.95% nigra kaj 50.05% blanka. En ĉi tiu kazo, la strukturo de la distribuo el kiu ni provas (elprenas unu pilkon) jam estas pli-malpli klara.
La ĉefa afero estas kompreni tion la eksperimento mem havas probabilistan naturon, kun unu specimeno (pilko) ni ne scios la veran strukturon de la distribuo, ni devas ripeti la eksperimenton multfoje kaj averaĝi la rezultojn.
Ni aldonu ĝin al nia sako 10 ruĝaj kaj 10 verdaj buloj (eraroj). Ni ripetu la eksperimenton 10 fojojn. ENeltiris 5 ruĝajn kaj 5 verdajn. Eble? Jes. Ni povas diri ion pri la vera distribuo - Ne. Kion oni devas fari — nu, vi komprenas.
Por akiri komprenon de la strukturo de probabla distribuo, necesas plurfoje provi individuajn rezultojn de ĉi tiu distribuo kaj averaĝi la rezultojn.
Konektante teorion kun praktiko
Nun anstataŭ nigraj kaj blankaj pilkoj, ni prenu bilardbulojn kaj metu ilin en sakon 1000 pilkoj kun numero 2, 1000 kun numero 7 kaj 10 pilkoj kun aliaj nombroj. Ni imagu eksperimentanton, kiu estas trejnita en la plej simplaj agoj (elprenu pilkon, notu la nombron, remetu la pilkon en la sakon, miksu la pilkojn en la sakon) kaj li faras tion en 150 mikrosekundoj. Nu, tia eksperimentanto pri rapideco (ne drogreklamo!!!). Tiam en 150 sekundoj li povos plenumi nian eksperimenton 1 milionon da fojoj kaj havigu al ni la averaĝajn rezultojn.
Ili sidigis la eksperimentanton, donis al li sakon, forturnis sin, atendis 150 sekundojn kaj ricevis:
numero 2 - 49.5%, numero 7 - 49.5%, la ceteraj nombroj entute - 1%.
Jes tio pravas, nia sako estas kvantuma komputilo kun algoritmo, kiu solvas nian problemon, kaj la pilkoj estas eblaj solvoj. Ĉar estas du ĝustaj solvoj, do kvantuma komputilo donos al ni iujn ajn el ĉi tiuj eblaj solvoj kun egala probableco, kaj 0.5% (10/2000) eraroj, pri kiu ni parolos poste.
Por akiri la rezulton de kvantuma komputilo, vi devas ruli la kvantuma algoritmon plurfoje sur la sama eniga datumaro kaj averaĝi la rezulton.
Skalebleco de kvantuma komputilo
Nun imagu, ke por tasko implikanta 100 homojn (solvspaco 2^100 ni memoras ĉi tion), estas ankaŭ nur du ĝustaj decidoj. Tiam, se ni prenas 100 kvbitojn kaj skribas algoritmon kiu kalkulas nian objektivan funkcion (L, vidu supre) super tiuj kvbitoj, tiam ni ricevos sakon en kiu estos 1000 pilkoj kun la nombro de la unua ĝusta respondo, 1000 kun la nombro de la dua ĝusta respondo kaj 10 pilkoj kun aliaj nombroj. Kaj ene de la samaj 150 sekundoj nia eksperimentisto donos al ni takson de la probabla distribuo de ĝustaj respondoj..
La ekzekuttempo de kvantuma algoritmo (kun kelkaj supozoj) povas esti konsiderita konstanta O(1) kun respekto al la dimensio de la solvspaco (2^N).
Kaj ĉi tio estas ĝuste la propraĵo de kvantuma komputilo - rultempa konstanteco rilate al la kreskanta povleĝo komplekseco de la solvspaco estas la ŝlosilo.
Qubit kaj paralelaj mondoj
Kiel tio okazas? Kio permesas al kvantuma komputilo fari kalkulojn tiel rapide? Ĉio temas pri la kvantuma naturo de la kŭbito.
Rigardu, ni diris, ke kvanto estas kiel kvantuma objekto realigas unu el siaj du statoj kiam observite, sed en "sovaĝa naturo" ĝi estas en superpozicioj de ŝtatoj, tio estas, ĝi estas en ambaŭ ĝiaj limstatoj samtempe (kun iom da probableco).
Prenu (A)ndreya kaj imagu ĝian staton (en kiu veturilo ĝi estas - 0 aŭ 1) kiel kbito. Tiam ni havas (en kvantuma spaco) du paralelaj mondoj, en unu (A) sidas en taksio 0, en alia mondo - en taksio 1. En du taksioj samtempe, sed kun iom da probableco trovi ĝin en ĉiu el ili dum observado.
Prenu (B) juna kaj ni ankaŭ imagu ĝian staton kiel kbito. Ekestas du aliaj paralelaj mondoj. Sed nuntempe ĉi tiuj paroj de mondoj (A) и (ĈE) tute ne interagas. Kion oni devas fari por krei rilataj sistemo? Ĝuste, ni bezonas ĉi tiujn kbitojn ligi (konfuzi). Ni prenas ĝin kaj konfuzas ĝin (A) kun (B) — ni ricevas kvantumsistemon de du kvbitoj (A, B), realigante en si kvar interdependaj paralelaj mondoj. Aldoni (S)ergey kaj ni ricevas sistemon de tri kvoj (ABC), efektivigante ok interdependaj paralelaj mondoj.
La esenco de kvantuma komputado (la efektivigo de ĉeno de kvantumpordegoj super sistemo de ligitaj kvbitoj) estas la fakto ke la kalkulo okazas en ĉiuj paralelaj mondoj samtempe.
Kaj ne gravas kiom da ili ni havas, 2^3 aŭ 2^100, la kvantuma algoritmo estos efektivigita en finia tempo super ĉiuj tiuj paralelaj mondoj kaj donos al ni rezulton, kiu estas specimeno de la probabla distribuo de la respondoj de la algoritmo.
Por pli bona kompreno, oni povas imagi tion kvantuma komputilo ĉe la kvantuma nivelo kuras 2^N paralelajn solvprocezojn, el kiuj ĉiu laboras pri unu ebla opcio, poste kolektas la rezultojn de la laboro - kaj donas al ni la respondon en formo de supermeto de la solvo (probabla distribuo de respondoj), el kiu ni provas unu ĉiun fojon (por ĉiu eksperimento).
Memoru la tempon postulatan de nia eksperimentisto (150 µs) por efektivigi la eksperimenton, tio utilos al ni iom pli, kiam ni parolos pri la ĉefaj problemoj de kvantumkomputiloj kaj la malkohera tempo.
Kvantumaj algoritmoj
Kiel jam menciite, konvenciaj algoritmoj bazitaj sur binara logiko ne estas uzeblaj al kvantuma komputilo uzanta kvantumlogikon (kvantumpordegoj). Por li, estis necese elpensi novajn, kiuj plene ekspluatas la potencialon enecan en la kvantuma naturo de komputado.
La plej konataj algoritmoj hodiaŭ estas:
Male al klasikaj, kvantumkomputiloj ne estas universalaj.
Nur malgranda nombro da kvantumalgoritmoj estis trovita ĝis nun.
Спасибо por la ligo al , loko kie, laŭ la aŭtoro (), la plej bonaj reprezentantoj de la kvantum-algoritma mondo estis kolektitaj kaj daŭre kolektiĝas.
En ĉi tiu artikolo ni ne detale analizos kvantumajn algoritmojn; ekzistas multaj bonegaj materialoj en la Interreto por ajna nivelo de komplekseco, sed ni ankoraŭ bezonas mallonge trarigardi la tri plej famajn.
Algoritmo de Shor.
La plej fama kvantuma algoritmo estas (inventita en 1994 de la angla matematikisto ), kiu celas solvi la problemon de faktorigo de nombroj en primajn faktorojn (faktorigproblemo, diskreta logaritmo).
Estas ĉi tiu algoritmo, kiu estas citita kiel ekzemplo kiam ili skribas, ke viaj bankaj sistemoj kaj pasvortoj baldaŭ estos hakitaj. Konsiderante, ke la longeco de la uzataj ŝlosiloj hodiaŭ estas ne malpli ol 2048 bitoj, la tempo por ĉapo ankoraŭ ne venis.
Ĝis nun, pli ol modesta. Plej bonaj Faktorigaj Rezultoj kun la Algoritmo de Shor - Nombroj и , kiu estas multe malpli ol 2048 bitoj. Por la ceteraj rezultoj de la tabelo, malsama kalkuloj, sed eĉ la plej bona rezulto laŭ ĉi tiu algoritmo (291311) estas tre malproksime de reala apliko.
Vi povas legi pli pri la algoritmo de Shor, ekzemple,. Pri praktika efektivigo - .
Unu el komplekseco kaj postulata potenco por faktoro 2048-bita nombro estas komputilo kun . Ni dormas trankvile.
La algoritmo de Grover
- solvante la nomproblemon, tio estas, trovi solvon al la ekvacio F(X) = 1, kie F estas el n variabloj. Estis proponita de usona matematikisto в .
La algoritmo de Grover povas esti uzata por trovi и numera serio. Krome, ĝi povas esti uzata por solvi problemoj per ĝisfunda serĉo inter multaj eblaj solvoj. Ĉi tio povas kunporti signifajn rapidecgajnojn kompare kun klasikaj algoritmoj, kvankam sen provizi "" ĝenerale.
Vi povas legi pliaŭ . Pli multe Estas bona klarigo pri la algoritmo uzante la ekzemplon de skatoloj kaj pilko, sed, bedaŭrinde, pro kialoj ekster ies kontrolo, ĉi tiu retejo ne malfermiĝas por mi el Rusio. Se vi havas ankaŭ estas blokita, do jen mallonga resumo:
La algoritmo de Grover. Imagu, ke vi havas N pecojn de numeritaj fermitaj skatoloj. Ili estas ĉiuj malplenaj krom unu, kiu enhavas pilkon. Via tasko: eksciu la numeron de la skatolo, en kiu troviĝas la pilko (tiu nekonata nombro estas ofte indikita per la litero w).
Kiel solvi ĉi tiun problemon? La plej stulta maniero estas laŭvice malfermi la skatolojn, kaj pli aŭ malpli frue vi trovos skatolon kun pilko. Averaĝe kiom da skatoloj devas esti kontrolitaj antaŭ ol trovi skatolon kun pilko? Averaĝe, vi devas malfermi ĉirkaŭ duonon de N/2-skatoloj. La ĉefa afero ĉi tie estas, ke se ni pliigas la nombron da skatoloj je 100 fojojn, tiam la averaĝa nombro da skatoloj, kiuj devas esti malfermitaj antaŭ ol la skatolo kun la pilko estas trovita, ankaŭ pliiĝos je la sama 100 fojojn.
Nun ni faru unu plian klarigon. Ni mem ne malfermu la skatolojn per niaj manoj kaj kontrolu la ĉeeston de pilko en ĉiu, sed estas certa peranto, ni nomu lin Orakolo. Ni diras al la Orakolo, "marku kesto numero 732", kaj la Orakolo honeste kontrolas kaj respondas, "ne estas pilko en kesto numero 732." Nun, anstataŭ diri kiom da skatoloj ni bezonas malfermi averaĝe, ni diras "kiom da fojoj averaĝe ni iru al la Orakolo por trovi la nombron de la skatolo kun la pilko"
Montriĝas, ke se ni tradukas ĉi tiun problemon kun skatoloj, pilko kaj la Orakolo en kvantumlingvon, ni ricevas rimarkindan rezulton: por trovi la nombron de skatolo kun pilko inter N skatoloj, ni devas ĝeni la Orakolon nur pri SQRT. (N) fojojn!
Tio estas, la komplekseco de la serĉtasko uzante la algoritmon de Grover estas reduktita per la kvadrata radiko de tempoj.
Deutsch-Jozi-algoritmo
Deutsch-Jozsa-algoritmo (ankaŭ referita kiel Deutsch-Jozsa-algoritmo) - [kvantuma algoritmo](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , kaj iĝis unu el la unuaj ekzemploj de algoritmoj dizajnitaj por esti efektivigita sur . _
La Deutsch-Jozsi-problemo estas determini ĉu funkcio de pluraj binaraj variabloj F(x1, x2, ... xn) estas konstanta (prenas aŭ la valoron 0 aŭ 1 por iuj argumentoj) aŭ ekvilibra (por duono de la domajno ĝi prenas la valoro 0, por la alia duono 1). En ĉi tiu kazo, oni konsideras apriore konata ke la funkcio estas aŭ konstanta aŭ ekvilibra.
Vi povas ankaŭ legi . Pli simpla klarigo:
La Deutsch (Deutsch-Jozsi) algoritmo baziĝas sur krudforto, sed permesas ĝin esti farita pli rapide ol kutime. Imagu, ke estas monero sur la tablo kaj vi devas ekscii, ĉu ĝi estas falsa aŭ ne. Por fari tion, vi devas rigardi la moneron dufoje kaj determini: "kapoj" kaj "vostoj" estas realaj, du "kapoj", du "vostoj" estas falsaj. Do, se vi uzas la Deutsch-kvantuma algoritmo, tiam ĉi tiu determino povas esti farita per unu rigardo - mezurado.
Problemoj de kvantumkomputiloj
Dum desegnado kaj funkciado de kvantumkomputiloj, sciencistoj kaj inĝenieroj alfrontas grandegan nombron da problemoj, kiuj ĝis nun estis solvitaj kun diversaj gradoj de sukceso. Laŭ () la sekva serio de problemoj povas esti identigitaj:
- Sentemo al la medio kaj interago kun la medio
- Amasiĝo de eraroj dum kalkuloj
- Malfacilaĵoj kun komenca inicialigo de kbitŝtatoj
- Malfacilaĵoj en kreado de mult-kbitsistemoj
Mi tre rekomendas legi la artikolon "”, precipe la komentoj al ĝi.
Ni organizu ĉiujn ĉefajn problemojn en tri grandajn grupojn kaj rigardu pli detale ĉiun el ili:
Dekohereco
.
Kvantuma stato tre fragila aferokvbitoj en implikita stato estas ekstreme malstabilaj, ajna ekstera influo povas (kaj faras) detrui ĉi tiun rilaton. Ŝanĝo de temperaturo je la plej malgranda frakcio de grado, premo, hazarda fotono fluganta proksime - ĉio ĉi malstabiligas nian sistemon.
Por solvi ĉi tiun problemon, oni konstruas malalttemperaturajn sarkofagojn, en kiuj la temperaturo (-273.14 celsiusgradoj) estas iomete super la absoluta nulo, kun maksimuma izolado de la interna ĉambro kun la procesoro de ĉiuj (eblaj) influoj de la ekstera medio.
La maksimuma vivdaŭro de kvantuma sistemo de pluraj implikitaj kvbitoj, dum kiu ĝi konservas siajn kvantumajn ecojn kaj povas esti uzata por kalkuloj, estas nomita malkohera tempo.
Nuntempe, la malkohera tempo en la plej bonaj kvantumsolvoj estas en la ordo de dekoj kaj centoj da mikrosekundoj.
Estas mirinda kien vi povas rigardi de ĉiuj kreitaj kvantumsistemoj. Ĉi tiu artikolo inkluzivas nur du ĉefajn procesorojn kiel ekzemplojn - de IBM kaj de . Kiel ni povas vidi, la malkohera tempo (T2) ne superas 200 μs.
Mi ne trovis precizajn datumojn pri Sycamore, sed en la plej multaj du nombroj estas donitaj - 1 miliono da kalkuloj en 200 sekundoj, aliloke - por 130 sekundoj sen perdo de kontrolsignaloj, ktp.. Ĉiukaze, ĉi tio donas al ni malkohera tempo estas proksimume 150 μs. Memoru nian eksperimentanto kun sako? Nu, jen li.
| Komputila Nomo | N Qubits | Max pariĝis | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Per kio minacas nin dekohereco?
La ĉefproblemo estas ke post 150 μs, nia komputika sistemo de N implikitaj kvbitoj komencos eligi probabilistan blankan bruon anstataŭe de probabilisma distribuo de ĝustaj solvoj.
Tio estas, ni bezonas:
- Komencu la qubit-sistemon
- Faru kalkulon (ĉeno de pordegaj operacioj)
- Legu rezulton
Kaj faru ĉion ĉi en 150 mikrosekundoj. Mi ne havis tempon - la rezulto fariĝis kukurbo.
Sed tio ne estas ĉio...
Eraroj
Kiel ni diris, kvantumprocezoj kaj kvantuma komputado estas probabilisma en naturo, ni ne povas esti 100% certaj pri io ajn, sed nur kun iom da probableco. La situacio pligraviĝas pro tio, ke kvantuma komputado estas ema eraro. La ĉefaj specoj de eraroj en kvantuma komputado estas:
- Malkoherecaj eraroj estas kaŭzitaj de la komplekseco de la sistemo kaj interagado kun la ekstera medio
- Pordegaj komputaj eraroj (pro la kvantuma naturo de komputado)
- Eraroj dum legado de la fina stato (rezulto)
Eraroj asociitaj kun malkohereco, aperas tuj kiam ni implikas niajn kbitojn kaj komencas fari kalkulojn. Ju pli da kbitoj ni implikas, des pli kompleksa la sistemo, kaj des pli facile estas detrui ĝin. Malalttemperaturaj sarkofagoj, protektitaj ĉambroj, ĉiuj ĉi tiuj teknologiaj lertaĵoj ĝuste celas redukti la nombron da eraroj kaj plilongigi la malkoheran tempon.
Pordegaj komputaj eraroj - iu ajn operacio (pordego) sur kvbitoj povas, kun iom da verŝajneco, finiĝi per eraro, kaj por efektivigi la algoritmon ni bezonas elfari centojn da pordegoj, do imagu, kion ni ricevas ĉe la fino de la ekzekuto de nia algoritmo. La klasika respondo al la demando estas "Kia estas la probableco renkonti dinosaŭron en lifto?" - 50x50, aŭ vi renkontos aŭ ne.
La problemo estas plue plimalbonigita pro la fakto ke normaj erarkorektaj metodoj (duobligo de kalkuloj kaj averaĝado) ne funkcias en la kvantuma mondo pro la senklona teoremo. Por en kvantuma komputado devis esti elpensita . Malglate parolante, ni prenas N ordinarajn kvojn kaj faras 1 el ili logika kbito kun pli malalta eraroprocento.
Sed ĉi tie aperas alia problemo - totala nombro da kvbitoj. Rigardu, ni diru, ke ni havas procesoron kun 100 kvbitoj, el kiuj 80 kvbitoj estas uzataj por erarkorektado, tiam ni restas nur 20 por kalkuloj.
Eraroj dum legado de la fina rezulto — kiel ni memoras, la rezulto de kvantumaj kalkuloj estas prezentita al ni en la formo probabla distribuo de respondoj. Sed legado de la fina stato ankaŭ povas malsukcesi kun eraro.
Sur la sama Estas komparaj tabeloj de procesoroj laŭ erarniveloj. Por komparo, ni prenu la samajn procesorojn kiel en la antaŭa ekzemplo - IBM и :
| komputilo | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Pordego Fideleco | Legu Fideleco |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
estas estas mezuro de la simileco de du kvantumaj statoj. La grandeco de la eraro povas esti proksimume esprimita kiel 1-Fidelity. Kiel ni povas vidi, eraroj sur 2-kubitaj pordegoj kaj legaj eraroj estas la ĉefa obstaklo al ekzekuto de kompleksaj kaj longaj algoritmoj sur ekzistantaj kvantumkomputiloj.
Vi povas ankaŭ legi jarojn de por solvi la problemon de erarkorektado.
Arkitekturo de procesoro
En teorio ni konstruas kaj funkciigas cirkvitoj de dekoj da implikitaj kvbitoj, fakte ĉio estas pli komplika. Ĉiuj ekzistantaj kvantumaj blatoj (procesoroj) estas konstruitaj tiel, ke ili provizas sendolorajn implikiĝo de unu kbito nur kun ĝiaj najbaroj, el kiuj estas ne pli ol ses.
Se ni bezonas impliki la 1-an kbiton, ekzemple, kun la 12-a, tiam ni devos konstrui ĉenon de kromaj kvantumoperacioj, implikas kromajn kbitojn, ktp., kiu pliigas la totalan erarnivelon. Jes, kaj ne forgesu pri tio malkohera tempo, eble kiam vi finos konekti la kbitojn en la cirkviton, kiun vi bezonas, la tempo finiĝos kaj la tuta cirkvito fariĝos bela generatoro de blanka bruo.
Ankaŭ ne forgesu tion La arkitekturo de ĉiuj kvantumprocesoroj estas malsama, kaj la programo skribita en la emulilo en la "tute-al-ĉia konektebleco" reĝimo devos esti "rekompilita" en la arkitekturon de specifa blato. Estas eĉ por plenumi ĉi tiun operacion.
Maksimuma konektebleco kaj maksimuma nombro da kvbitoj por la samaj supraj blatoj:
| Komputila Nomo | N Qubits | Max pariĝis | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Kaj, por komparo, tabelo kun datumoj de la antaŭa generacio de procesoroj. Komparu la nombron da kvbitoj, malkoheran tempon kaj erarprocenton kun tio, kion ni havas nun kun la nova generacio. Tamen, progreso estas malrapida, sed moviĝanta.
Do:
- Nuntempe ne estas plene ligitaj arkitekturoj kun > 6 kvbitoj
- Por impliki qubit 0 s sur reala procesoro, ekzemple, qubit 15 povas postuli plurajn dekduojn de pliaj operacioj
- Pli da operacioj -> pli da eraroj -> pli forta influo de malkohereco
Rezultoj
Dekohereco estas la Procustean lito de moderna kvantuma komputiko. Ni devas konveni ĉion en 150 μs:
- Inicialigo de la komenca stato de kvoj
- Komputado de problemo uzante kvantumajn pordegojn
- Korekti erarojn por akiri signifajn rezultojn
- Legu la rezulton
Ĝis nun la rezultoj tamen estas seniluziigaj pretendi atingi 0.5s-koheran retentempon sur kvantuma komputilo bazita sur :
Ni mezuras kvbitan koheran tempon pli ol 0.5 s, kaj kun magneta ŝirmado ni atendas ke ĉi tio pliboniĝos por esti pli longa ol 1000 s.
Vi ankaŭ povas legi pri ĉi tiu teknologio aŭ ekzemple .
La situacio estas pli komplikita pro la fakto, ke kiam oni faras kompleksajn kalkulojn, necesas uzi kvantumajn erarajn korektajn cirkvitojn, kiuj ankaŭ manĝas kaj tempon kaj disponeblajn kvbitojn.
Kaj finfine, modernaj arkitekturoj ne permesas efektivigi interplektskemojn pli bone ol 1 el 4 aŭ 1 el 6 je minimuma kosto.
Manieroj por solvi problemojn
Por solvi ĉi-suprajn problemojn, la sekvaj aliroj kaj metodoj estas nuntempe uzataj:
- Uzante kriokamerojn kun malaltaj temperaturoj (10 mK (–273,14 °C))
- Uzante procesorajn unuojn, kiuj estas maksimume protektitaj kontraŭ eksteraj influoj
- Uzante Kvantumajn Erarajn Korektajn Sistemojn (Logika Qubit)
- Uzante optimumigilojn dum programado de cirkvitoj por specifa procesoro
Esplorado ankaŭ estas farita celante pliigi la malkoheran tempon, serĉante novajn (kaj plibonigante konatajn) fizikajn efektivigojn de kvantumaj objektoj, optimumigante korektajn cirkvitojn ktp., ktp. Estas progreso (rigardu supre la karakterizaĵojn de pli fruaj kaj hodiaŭaj plej bonaj blatoj), sed ĝis nun ĝi estas malrapida, tre, tre malrapida.
D-Ondo
D-Wave 2000Q 2000-kbita komputilo. Fonto:
Meze de la anonco de Google atingi kvantuman superecon per 53-kbita procesoro, и de la kompanio D-Wave, en kiu la nombro da kbitoj estas miloj, estas iom konfuza. Nu, vere, se 53 kvbitoj povis atingi kvantuman superecon, kion do kapablas komputilo kun 2048 kvbitoj? Sed ne ĉio estas tiel bona...
Resume (prenite el la vikio):
Komputiloj labori sur la principo (), povas solvi tre limigitan subklason de optimumigaj problemoj, kaj ne taŭgas por efektivigado de tradiciaj kvantumalgoritmoj kaj kvantumpordegoj.
Por pliaj detaloj vi povas legi, ekzemple, , (atentu, eble ne malfermiĝas el Rusio), aŭ в de lia . Cetere, mi tre rekomendas legi lian blogon ĝenerale, tie estas multe da bona materialo
Ĝenerale, ekde la komenco mem de la anoncoj, la scienca komunumo havis demandojn pri komputiloj D-Wave. Ekzemple, en 2014, IBM pridubis la fakton ke D-Ondo Ĝi alvenis al la punkto, ke en 2015, Guglo kune kun NASA aĉetis unu el ĉi tiuj kvantumkomputiloj kaj post esplorado. , tio jes, la komputilo funkcias kaj kalkulas la problemon pli rapide ol regula. Vi povas legi pli pri la deklaro de Guglo kaj, ekzemple, .
La ĉefa afero estas, ke komputiloj D-Wave, kun siaj centoj kaj miloj da kvbitoj, ne povas esti uzataj por kalkuli kaj ruli kvantumalgoritmojn. Vi ne povas ruli la algoritmon de Shor sur ili, ekzemple. Ĉio, kion ili povas fari, estas uzi iujn kvantumajn mekanismojn por solvi certan optimumigproblemon. Ni povas konsideri, ke D-Ondo estas kvantuma ASIC por specifa tasko.
Iom pri kvantuma komputila emulado
Kvantuma komputado povas esti kopiita sur regula komputilo. Fakte, :
- La stato de la kbito povas esti kompleksa nombro, okupante de 2x32 ĝis 2x64 bitoj (8-16 bajtoj) depende de la procesora arkitekturo
- La stato de N ligitaj kvbitoj povas esti reprezentita kiel 2^N kompleksaj nombroj, t.e. 2^(3+N) por 32-bita arkitekturo kaj 2^(4+N) por 64-bita.
- Kvantuma operacio sur N kvbitoj povas esti reprezentita per 2^N x 2^N matrico
Tiam:
- Por stoki la kopiitajn statojn de 10 kvbitoj, 8 KB estas bezonataj
- Por konservi la statojn de 20 kvbitoj vi bezonas 8 MB
- Por stoki la statojn de 30 kvbitoj, 8 GB estas bezonataj
- 40 Terabajtoj estas bezonataj por stoki la statojn de 8 kvbitoj
- Por stoki la statojn de 50 kvbitoj necesas 8 Petabajtoj ktp.
Por komparo, () portas nur 2.8 Petabajtojn da memoro.
— 49 kvbito liverita pasintjare al la plej granda ĉina superkomputilo ()
La limo de simulado de kvantuma komputilo sur klasikaj sistemoj estas determinita per la kvanto de RAM necesa por stoki la staton de la kvbitoj.
Mi ankaŭ rekomendas legi . De tie:
Per operacio - por preciza kopiado de 49-kbita cirkvito konsistanta el proksimume 39 "cikloj" (sendependaj tavoloj de pordegoj) 2^63 kompleksaj multiplikoj - 4 Pflops de superkomputilo dum 4 horoj
Emuli 50+ kvantuman komputilon sur klasikaj sistemoj estas konsiderita malebla en akceptebla tempo. Jen ankaŭ kial Guglo uzis 53-kbitan procesoron por sia kvantuma supereco-eksperimento.
Kvantuma komputado supereco.
Vikipedio donas al ni la sekvan difinon de kvantuma komputika supereco:
Kvantuma supereco - kapablo aparatoj por solvi problemojn, kiujn klasikaj komputiloj praktike ne povas solvi.
Fakte, atingi kvantuman superecon signifas ke, ekzemple, la faktorigo de grandaj nombroj uzanta la Shor-algoritmon povas esti solvita en adekvata tempo, aŭ kompleksaj kemiaj molekuloj povas esti kopiitaj ĉe la kvantuma nivelo, ktp. Tio estas, nova epoko alvenis.
Sed estas iu kaŝpasejo en la vortigo de la difino, "kiujn klasikaj komputiloj praktike ne povas solvi" Fakte, ĉi tio signifas, ke se vi kreas kvantuman komputilon de 50+ kvbitoj kaj prizorgas iun kvantuman cirkviton sur ĝi, tiam, kiel ni diskutis supre, la rezulto de ĉi tiu cirkvito ne povas esti kopiita en regula komputilo. Tio estas klasika komputilo ne povos rekrei la rezulton de tia cirkvito.
Ĉu tia rezulto konsistigas realan kvantuman superecon aŭ ne, estas prefere filozofia demando. Sed komprenu, kion faris Guglo kaj sur kio ĝi baziĝas necesa.
La Deklaro pri Kvantuma Supereco de Guglo
Sycamore 54-kbita procesoro
Do, en oktobro 2019, Google-programistoj publikigis artikolon en la scienca eldonaĵo Nature "" La aŭtoroj anoncis la atingon de kvantuma supereco por la unua fojo en la historio uzante la 54-kbitan procesoron Sycamore.
Sycamore-artikoloj rete ofte rilatas al aŭ 54-kbita procesoro aŭ 53-qubita procesoro. La vero estas ke laŭ , la procesoro fizike konsistas el 54 kvbitoj, sed unu el ili ne funkcias kaj estis elprenita. Tiel, fakte ni havas 53-qubit-procesoron.
En la reto ĝuste tie materialoj pri ĉi tiu temo, kies grado variis de por .
La kvantuma komputika teamo de IBM poste deklaris tion . La kompanio asertas, ke konvencia komputilo traktos ĉi tiun taskon en la plej malbona kazo en 2,5 tagoj, kaj la rezulta respondo estos pli preciza ol tiu de kvantuma komputilo. Ĉi tiu konkludo estis farita surbaze de la rezultoj de teoria analizo de pluraj optimumigaj metodoj.
Kaj, kompreneble, en sia Mi ne povis ignori ĉi tiun deklaron. Lia kune kun ĉiuj ligiloj kaj kiel kutime, ili valoras pasigi vian tempon. Sur la nabo ĉi tiu Oftaj Demandoj, kaj nepre legu la komentojn, ekzistas ligiloj al preparaj dokumentoj kiuj estis filtritaj interrete antaŭ la oficiala anonco.
Kion Guglo fakte faris? Por detala kompreno, legu Aaronson, sed mallonge ĉi tie:
Mi povas, kompreneble, diri al vi, sed mi sentas min iom stulta. La kalkulo estas jena: la eksperimentatoro generas hazardan kvantumcirkviton C (t.e., hazarda sekvenco de 1-kbita kaj 2-kbita pordegoj inter plej proksimaj najbaroj, kun profundo de, ekzemple, 20, agante sur 2D reto de n. = 50-60 kvbitoj). La eksperimentisto tiam sendas C al la kvantuma komputilo, kaj petas al ĝi apliki C al komenca stato de 0, mezuri la rezulton en la bazo {0,1}, resendi n-bitan observitan sekvencon (ŝnuro), kaj ripeti plurajn mil aŭ milionojn da fojoj. Finfine, uzante sian scion pri C, la eksperimentisto faras statistikan teston por vidi ĉu la rezulto kongruas kun la atendata produktaĵo de la kvantuma komputilo.
Tre mallonge:
- Hazarda cirkvito de longo 20 el 53 kvbitoj estas kreita uzante pordegojn
- La cirkvito komenciĝas kun la komenca stato [0...0] por ekzekuto
- La eligo de la cirkvito estas hazarda bita ĉeno (specimeno)
- La distribuo de la rezulto ne estas hazarda (interfero)
- La distribuo de la akiritaj specimenoj estas komparata kun la atendata
- Finas Kvantuma Supereco
Tio estas, Guglo efektivigis sintezan problemon sur 53-kbita procesoro, kaj bazigas sian aserton atingi kvantuma superecon sur la fakto, ke estas neeble kopii tian procesoron sur normaj sistemoj en racia tempo.
Por kompreno - Ĉi tiu sekcio neniel malpliigas la atingon de Guglo, la inĝenieroj estas vere bonegaj, kaj la demando ĉu tio povas esti konsiderata reala kvantuma supereco aŭ ne, kiel menciite antaŭe, estas pli filozofia ol inĝenieristiko. Sed ni devas kompreni, ke atinginte tian komputilan superecon, ni ne antaŭis eĉ unu paŝon al la kapablo prizorgi la algoritmon de Shor sur 2048-bitaj nombroj.
Resumo
Kvantumaj komputiloj kaj kvantuma komputiko estas tre promesplena, tre juna kaj ĝis nun malmulte industrie aplikebla areo de informa teknologio.
La evoluo de kvantuma komputiko (iutage) permesos al ni solvi problemojn:
- Modeligante kompleksajn fizikajn sistemojn ĉe la kvantuma nivelo
- Nesolvebla en regula komputilo pro komputila komplekseco
La ĉefaj problemoj en kreado kaj funkciigado de kvantumkomputiloj:
- Dekohereco
- Eraroj (malkohereco kaj pordego)
- Procesora arkitekturo (plene ligitaj kbitcirkvitoj)
Aktuala stato de la aferoj:
- Fakte - la komenco mem .
- Ankoraŭ ne ekzistas VERA komerca ekspluato (kaj estas neklare kiam estos)
Kio povas helpi:
- Ia fizika malkovro, kiu reduktas la koston de drataro kaj funkciado de procesoroj
- Malkovrante ion, kio pliigos malkoheran tempon je grandordo kaj/aŭ reduktos erarojn
Laŭ mi (nure persona opinio), En la nuna scienca paradigmo de scio, ni ne atingos signifan sukceson en la evoluo de kvantumaj teknologioj, ĉi tie ni bezonas kvalitan progreson en iu areo de fundamenta aŭ aplikata scienco, kiu donos impulson al novaj ideoj kaj metodoj.
Intertempe ni akiras sperton pri kvantuma programado, kolektado kaj kreado de kvantuma algoritmoj, testado de ideoj ktp., ktp. Ni atendas trarompon.
konkludo
En ĉi tiu artikolo, ni ekzamenis la ĉefajn mejloŝtonojn en la disvolviĝo de kvantuma komputado kaj kvantumaj komputiloj, ekzamenis la principon de ilia funkciado, ekzamenis la ĉefajn problemojn alfrontantajn inĝenierojn en la disvolviĝo kaj funkciado de kvantumprocesoroj, kaj ankaŭ rigardis kian mult-kvbit-on. D-komputiloj efektive estas. La lastatempa anonco de Wave kaj Google pri atingo de kvantuma supereco.
Malantaŭ la scenoj estas demandoj de programado de kvantumkomputiloj (lingvoj, aliroj, metodoj, ktp.) kaj demandoj ligitaj al la specifa fizika efektivigo de procesoroj, kiel kvbitoj estas administritaj, ligitaj, legitaj, ktp. Eble ĉi tio estos la temo de la venonta artikolo aŭ artikoloj.
Dankon pro via atento, mi esperas, ke ĉi tiu artikolo estos utila al iu.
(C)
Dankoj
por provlegado kaj komentoj pri la fontteksto, same kiel por la artikolo
por informriĉaj komentoj pri , kaj ne nur al ŝi, kio grandparte helpis min eltrovi ĉi tiun enigmon.
Al ĉiuj aŭtoroj de artikoloj kaj publikaĵoj, kies materialoj estis uzataj por verki ĉi tiun artikolon.
Listo de rimedoj
Aktualaj Artikoloj de [La Naciaj Akademioj-Gazetaro]
Artikoloj de Habr (en hazarda sinsekvo)
Neordigitaj (sed ne malpli interesaj) artikoloj el la Interreto
Kursoj kaj prelegoj
fonto: www.habr.com