Ordenagailu kuantikoak eta konputazio kuantikoa - berriak , gure informazio-espazioan batera gehitu zena , eta goi-teknologiako beste termino batzuk. Aldi berean, ez nuen inoiz Interneten aurkitu nire buruan izeneko puzzlea osatuko zuen materiala "Nola funtzionatzen duten ordenagailu kuantikoak". Bai, lan bikain asko daude, Habr-i buruz barne (ikus. ), ohikoa den bezala, are dibulgatzaile eta erabilgarriagoak diren iruzkinak, baina buruan nuen irudia, esaten den bezala, ez zen batu.
Eta duela gutxi nire lankideak etorri zitzaizkidan eta galdetu zioten: βUlertzen al duzu nola funtzionatzen duen ordenagailu kuantiko batek? Esango al diguzu?β Eta orduan konturatu nintzen ez naizela buruan argazki koherente bat osatzeko arazoa duen bakarra.
Ondorioz, saiakera egin zen ordenagailu kuantikoei buruzko informazioa zirkuitu logiko koherente batean biltzen oinarrizko maila, matematikan eta mundu kuantikoaren egituran sakonki murgildu gabe, ordenagailu kuantiko bat zer den, zer printzipiotan funtzionatzen duen eta zientzialariek sortu eta funtzionatzerakoan zer arazo dituzten azaldu zen.
Edukien taula
Erantzukizuna
Egilea ez da konputazio kuantikoan aditua, eta Artikuluaren xede-publikoa IT pertsona bera da, ez espezialista kuantikoak, "Nola funtzionatzen duten ordenagailu kuantikoek" izeneko irudi bat ere jarri nahi dute buruan. Horregatik, artikuluko kontzeptu asko nahita sinplifikatzen dira teknologia kuantikoak "oinarrizko" mailan hobeto ulertzeko, baina gabe. .
Leku batzuetan artikuluak beste iturri batzuetako materialak erabiltzen ditu, . Ahal den guztietan, jatorrizko testurako, taularako edo irudirako loturak eta argibideak txertatzen dira. Zerbait (edo norbait) nonbait ahaztu badut, idatzi eta zuzenduko dut.
Sarrera
Kapitulu honetan, labur-labur ikusiko dugu nola hasi zen aro kuantikoa, zein izan zen ordenagailu kuantiko baten ideiaren arrazoi motibatzailea, zeintzuk diren (zein herrialde eta korporazio) gaur egun arlo honetako eragile nagusiak, eta laburki ere hitz egingo dugu. konputazio kuantikoaren garapenaren ildo nagusiei buruz.
Nola hasi zen dena
Aro kuantikoaren abiapuntua 1900. urtea dela jotzen da, M. Planck-ek lehen aldiz aurkeztu zuenean energia hori ez da etengabe igortzen eta xurgatzen, kuanto bereizietan (zatietan) baizik. Ideia garai hartako zientzialari bikain askok hartu eta garatu zuten - Bohr, Einstein, Heisenberg, SchrΓΆdinger-ek, azken finean, zientzia baten sorrera eta garapena ekarri zuena. . Interneten material on asko dago fisika kuantikoaren sorrerari buruz zientzia gisa; artikulu honetan ez dugu horretan sakonduko, baina beharrezkoa zen aro kuantiko berrian sartu gineneko data adieraztea.
Fisika kuantikoak asmakizun eta teknologia asko ekarri ditu gure eguneroko bizitzara, eta horiek gabe zaila da gaur egun gure inguruko mundua imajinatzea. Adibidez, laser bat, gaur egun nonahi erabiltzen dena, etxetresna elektrikoetatik hasita (laser mailak, etab.) goi-mailako teknologiako sistemetara (ikusmena zuzentzeko laserrak, kaixo). ). Logikoa izango litzateke lehenago edo beranduago norbaitek pentsatuko duela zergatik ez informatika sistema kuantikoak erabili. Eta gero 1980an gertatu zen.
Wikipediak adierazten du konputazio kuantikoaren lehen ideia 1980an adierazi zuela gure zientzialari Yuri Maninek. Baina benetan 1981ean hasi ziren horretaz hitz egiten, R. Feynman ezagunak , adierazi zuen ezinezkoa dela ordenagailu klasiko batean sistema kuantiko baten bilakaera modu eraginkorrean simulatzea. Oinarrizko eredu bat proposatu zuen , modelaketa hori egiteko gai izango dena.
Badago bat , non akademikoago eta zehatzago jotzen da, baina labur-labur azalduko dugu:
Ordenagailu kuantikoak sortzearen historiako mugarri nagusiak:
- [1994]. P. Shore. Diseinatzailea
- [1998]. Sortu
- [2001]. IBMk exekuzioa aurkeztu zuen 15 zenbakia zabaltzeko
- [2007-2016]. 128-2000 qubit-eko ordenagailu bat sortu eta garatzen du
- [2012]. Kaliforniako Unibertsitatean ezarria
- [2016]. Google 9 qubit-eko ordenagailu batean
- [2017]. (hiru atomo)
- [2019]. . 20 qubit-eko ordenagailua hodeian
- [2019]. . 53 qubit-eko ordenagailua. ?
Ikusten denez, 17 urte igaro dira (1981etik 1998ra) ideiaren unetik 2 qubit-eko ordenagailu batean lehen inplementaziora arte, eta 21 urte (1998tik 2019ra) qubit kopurua handitu zen arte. 53ra. 11 urte behar izan ziren (2001etik 2012ra) Shor-en algoritmoaren emaitza hobetzeko (geroago aztertuko dugu zehatzago) 15 zenbakitik 21era. Gainera, duela hiru urte bakarrik iritsi ginen puntura. Feynman-ek hitz egin zuena inplementatzea, eta sistema fisiko sinpleenak modelatzen ikasi.
Konputazio kuantikoaren garapena motela da. Zientzialariek eta ingeniariek lan oso zailak dituzte aurrean, egoera kuantikoak oso epe laburrak eta hauskorrak dira, eta kalkuluak egiteko nahikoa denbora gordetzeko, sarkofagoak eraiki behar dituzte hamar milioi dolarren truke, eta horietan tenperatura mantentzen da. zero absolutuaren gainetik, eta kanpoko eraginetatik gehien babestuta daudenak. Jarraian, zeregin eta arazo horiei buruz hitz egingo dugu zehatzago.
Jokalari nagusiak
Atal honetako diapositibak artikulutik hartuak dira , ikerlariaren eskutik Alexey Fedorov. Aipamen zuzenak ematen dizkizut:
Arrakasta teknologikoko herrialde guztiak teknologia kuantikoak aktiboki garatzen ari dira. Ikerketa honetan diru kopuru handia inbertitzen ari da, eta teknologia kuantikoei laguntzeko programa bereziak sortzen ari dira.
Estatuek ez ezik, enpresa pribatuek ere parte hartzen dute lasterketa kuantikoan. Guztira, Google, IBM, Intel eta Microsoft-ek azkenaldian 0,5 milioi dolar inguru inbertitu dituzte ordenagailu kuantikoen garapenean eta laborategi eta ikerketa zentro handiak sortu dituzte.
Artikulu asko daude HabrΓ©-n eta Interneten, adibidez, , ΠΈ , non herrialde ezberdinetan teknologia kuantikoen garapenaren egungo egoera aztertzen da zehatzago. Gaur egun guretzat garrantzitsuena da teknologikoki garatu diren herrialde eta eragile nagusi guztiek diru kopuru handiak inbertitzen dituztela ikerketan norabide horretan, eta horrek egungo impasse teknologikotik irteteko itxaropena ematen du.
Garapen norabideak
Momentuz (oker egon naiteke, zuzendu mesedez), jokalari nagusi guztien esfortzu nagusiak (eta emaitza gutxi-asko esanguratsuak) bi arlotan biltzen dira:
- Konputagailu kuantiko espezializatuak, problema zehatz bat ebaztea helburu dutenak, adibidez, optimizazio-problema bat. Produktu baten adibide bat D-Wave ordenagailu kuantikoak dira.
- Ordenagailu kuantiko unibertsalak β algoritmo kuantiko arbitrarioak ezartzeko gai direnak (Shor, Grover, etab.). IBM, Google-ren inplementazioak.
Fisika kuantikoak ematen dizkigun beste garapen bektore batzuk, hala nola:
- oinarri gisa
- eta askoz gehiago
Jakina, ikerketa arloen zerrendan ere badago, baina gaur egun ez omen dago emaitza esanguratsu gehiago edo gutxiago.
Gainera irakur dezakezu , bueno, google "", Adibidez, , ΠΈ .
Oinarriak. Objektu kuantikoak eta sistema kuantikoak
Atal honetatik ulertu beharreko gauzarik garrantzitsuena hori da
Ordenagailu kuantikoa (ohikoak ez bezala) informazio-eramaile gisa erabiltzen dira objektu kuantikoak, eta kalkuluak egiteko, objektu kuantikoak konektatu behar dira sistema kuantikoa.
Zer da objektu kuantikoa?
Objektu kuantikoa - Propietate kuantikoak erakusten dituen mikromunduko objektu bat (mundu kuantikoa):
- Egoera zehaztua du bi muga-mailekin
- Bere egoera gainjartzean dago neurtzeko unera arte
- Beste objektu batzuekin korapilatzen da sistema kuantikoak sortzeko
- Klonaziorik gabeko teorema betetzen du (objektu baten egoera ezin da kopiatu)
Ikus ditzagun propietate bakoitza xehetasun gehiagorekin:
Egoera zehaztua du bi muga-mailekin (amaiera-egoera)
Mundu errealeko adibide klasiko bat txanpon bat da. "Alboko" egoera du, bi muga-maila hartzen dituena - "buruak" eta "buztanak".
Bere egoera gainjartzean dago neurtzeko unera arte
Txanpon bat bota zuten, hegan egiten du eta bira egiten du. Biratzen ari den bitartean, ezin da esan muga-mailetan zeinetan dagoen bere "albo" egoera. Baina kolpatu eta emaitza ikusi bezain laster, estatuen gainjartzea berehala eroriko da bi muga-egoera batean: "buruak" eta "buztanak". Gure kasuan txanpon bat zaplaztea neurketa bat da.
Beste objektu batzuekin korapilatzen da sistema kuantikoak sortzeko
Zaila da txanpon batekin, baina saia gaitezen. Imajinatu hiru txanpon bota ditugula elkarri atxikita biratzeko, hau txanponekin malabarismoa da. Denbora une bakoitzean, horietako bakoitza egoera gainjartzeaz gain, egoera hauek elkarri eragiten diote (txanponek talka egiten dute).
Klonaziorik gabeko teorema betetzen du (objektu baten egoera ezin da kopiatu)
Txanponak hegan eta biraka ari diren bitartean, ezin dugu txanponetako edozein biraketa egoeraren kopiarik sortu, sistematik bereizita. Sistema bere baitan bizi da eta oso jeloskor dago edozein informazio kanpoko mundura askatzeko.
Hitz batzuk gehiago kontzeptuari buruz "gainjartzeak", ia artikulu guztietan gainjartzea bezala azaltzen da "Estatu guztietan dago aldi berean", hori, noski, egia da, baina batzuetan alferrikako nahasgarria. Egoeraren gainjartze bat objektu kuantiko batek denbora-une bakoitzean duela ere imajina daiteke bere muga-maila bakoitzean erortzeko probabilitate batzuk daude, eta guztira probabilitate horiek 1 berdinak dira.. Geroago, qubit-a kontuan hartuta, honetan sakonduko dugu.
Txanponetarako, hau ikus daiteke: hasierako abiaduraren, jaurtiketaren angeluaren, txanponak hegan egiten duen ingurunearen egoeraren arabera, une bakoitzean "buruak" edo "buztanak" lortzeko probabilitatea desberdina da. Eta, lehen esan bezala, halako txanpon hegalari baten egoera "muga-egoera guztietan aldi berean dagoela, baina ezartzeko probabilitate ezberdinekin" irudika daiteke.
Aurreko propietateak betetzen dituen eta guk sortu eta kontrolatu dezakegun edozein objektu informazio-eramaile gisa erabil daiteke ordenagailu kuantikoan.
Pixka bat aurrerago, qubitak objektu kuantiko gisa inplementatzearen egungo egoerari buruz hitz egingo dugu, eta zientzialariek gaur egun gaitasun horretan erabiltzen dutenaz.
Beraz, hirugarren propietateak dio objektu kuantikoak korapilatu daitezkeela sistema kuantikoak sortzeko. Zer da sistema kuantikoa?
Sistema kuantikoa β Objektu kuantiko korapilatuen sistema bat, ezaugarri hauek dituena:
- Sistema kuantiko bat osatzen duten objektuen egoera posible guztien gainjartze batean dago
- Ezinezkoa da sistemaren egoera jakitea neurketa unera arte
- Neurketaren unean, sistemak bere muga-egoeren aldaera posibleetako bat ezartzen du
(eta, apur bat aurrera begira)
Programa kuantikoen korolarioa:
- Programa kuantiko batek sistemaren egoera jakin bat du sarreran, gainezarpen bat barruan, gainjartze bat irteeran
- Neurketaren ondoren programaren irteeran sistemaren azken egoera posibleetako baten inplementazio probabilistiko bat dugu (gehi akats posibleak)
- Edozein programa kuantikok tximiniaren arkitektura du (sarrera -> irteera. Ez dago begiztarik, ezin duzu sistemaren egoera ikusi prozesuaren erdian).
Ordenagailu kuantiko baten eta konbentzional baten konparaketa
Konpara ditzagun orain ohiko ordenagailu bat eta kuantiko bat.
| ohiko ordenagailua | Ordenagailu kuantikoa | |
|
logika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
fisika
|
Transistore erdieroalea | Objektu kuantikoa |
|
Informazio-eramailea
|
Tentsio-mailak | Polarizazioa, bira,... |
|
operazioak
|
EZ, ETA, EDO, XOR biten gainean | Balbulak: CNOT, Hadamard,... |
|
Harremana
|
Txip erdieroalea | Elkarren arteko nahasmena |
|
Algoritmoak
|
Estandarra (ikusi LΓ‘tigoa) | Bereziak (Shore, Grover) |
|
printzipioz
|
Digitala, determinista | Analogikoa, probabilista |
Logika maila
Ordenagailu arrunt batean hau pixka bat da. Guretzat oso ezagunak bit deterministikoa. 0 edo 1 balioak har ditzake. Ezin hobeto moldatzen da rolari unitate logikoa ordenagailu arrunt baterako, baina egoera deskribatzeko guztiz desegokia da objektu kuantikoa, lehen esan dugunez, basatian kokatzen denahaien muga-egoeren gainjartzeak.
Hau da asmatu zutena . Bere muga-egoeretan 0 eta 1-en antzeko egoerak gauzatzen ditu , eta gainjartzean adierazten du probabilitate banaketa bere muga-egoeretan |0> ΠΈ |1>:
a|0> + b|1>, ΡΠ°ΠΊΠΎΠ΅, ΡΡΠΎ a^2+b^2=1a eta b adierazten dute , eta haien moduluen karratuak muga-egoeren balio zehatzak lortzeko benetako probabilitateak dira |0> ΠΈ |1>, oraintxe bertan neurketa batekin qubita kolapsatzen baduzu.
Geruza fisikoa
Gaur egungo garapen maila teknologikoan, ohiko ordenagailu baterako bit baten ezarpen fisikoa da transistore erdieroalea, kuantikorako, lehen esan dugunez, edozein objektu kuantiko. Hurrengo atalean gaur egun qubitentzako euskarri fisiko gisa erabiltzen denari buruz hitz egingo dugu.
Biltegiratzeko euskarria
Ordenagailu arrunt baterako hau da elektrizitatea - tentsio-mailak, korronte presentzia edo eza, etab., kuantikorako - berdin objektu kuantiko baten egoera (polarizazio-noranzkoa, spina, etab.), gainjartze egoeran egon daitezkeenak.
operazioak
Ordenagailu arrunt batean zirkuitu logikoak ezartzeko, ezagunak erabiltzen ditugu , qubit-en eragiketetarako beharrezkoa zen eragiketa-sistema guztiz desberdina, izenekoa . Ateak qubit bakarrekoak edo qubit bikoitzak izan daitezke, zenbat qubit bihurtzen ari direnaren arabera.
Ate kuantikoen adibideak:
Kontzeptu bat dago balbula multzo unibertsala, nahikoak dira edozein kalkulu kuantiko egiteko. Adibidez, multzo unibertsal batek Hadamard atea, fase-aldaketa atea, CNOT atea eta Οβ8 atea ditu. Haien laguntzarekin, edozein kalkulu kuantiko egin dezakezu qubit multzo arbitrario batean.
Artikulu honetan ez dugu ate kuantikoen sistemari buruz zehatz-mehatz luzatuko; horiei eta qubit-en eragiketa logikoei buruz gehiago irakurri dezakezu, adibidez, . Gogoratu beharreko gauza nagusia:
- Objektu kuantikoei buruzko eragiketak operadore logiko berriak sortzea eskatzen du (ate kuantikoak)
- Ate kuantikoak qubit bakarreko eta qubit bikoitz motakoak dira.
- Edozein konputazio kuantiko egiteko erabil daitezkeen ate multzo unibertsalak daude
Harremana
Transistore batek guztiz alferrikakoa da guretzat; kalkuluak egiteko transistore asko elkarren artean konektatu behar ditugu, hau da, milioika transistoreren txip erdieroale bat sortu behar dugu zirkuitu logikoak eraikitzeko. eta, azken finean, lortu prozesadore moderno bat bere forma klasikoan.
Qubit bat ere guztiz alferrikakoa da guretzat (beno, termino akademikoetan bakarrik bada),
kalkuluak egiteko qubit sistema bat behar dugu (objektu kuantikoak)
zeina, lehen esan dugunez, qubitak elkarren artean korapilatuz sortzen dena, haien egoeren aldaketak era koordinatuan gerta daitezen.
Algoritmoak
Gizadiak orain arte pilatu dituen algoritmo estandarrak guztiz desegokiak dira ordenagailu kuantikoan ezartzeko. Bai, orokorrean ez dago beharrik. Qubiten gaineko ate-logikan oinarritutako ordenagailu kuantikoek algoritmo guztiz desberdinak sortzea eskatzen dute, algoritmo kuantikoak. Algoritmo kuantiko ezagunenetatik hiru bereiz daitezke:
- (faktorizazioa)
- (bilaketa azkarra ordenatu gabeko datu-base batean)
- (galderaren erantzuna, funtzio konstantea edo orekatua)
printzipioz
Eta desberdintasun garrantzitsuena funtzionamendu-printzipioa da. Ordenagailu estandar baterako hau da Printzipio digitala, hertsiki determinista, Izan ere, sistemaren hasierako egoeraren bat ezarri eta algoritmo jakin batetik igarotzen badugu, orduan kalkuluen emaitza berdina izango da, kalkulu hau zenbat aldiz exekutatzen badugu ere. Egia esan, portaera hau ordenagailu batetik espero duguna da.
Ordenagailu kuantikoa martxan da printzipio analogikoa, probabilista. Algoritmo jakin baten emaitza hasierako egoera jakin batean da probabilitate-banaketa batetik lagina algoritmoaren azken inplementazioak gehi akats posibleak.
Konputazio kuantikoaren izaera probabilistiko hori mundu kuantikoaren esentzia probabilistikoari zor zaio. "Jainkoak ez du dadotan jokatzen unibertsoarekin"., esan zuen Einstein zaharrak, baina orain arteko esperimentu eta behaketa guztiek (egungo paradigma zientifikoan) kontrakoa baieztatzen dute.
Qubiten inplementazio fisikoak
Esan dugunez, qubit bat objektu kuantiko baten bidez irudika daiteke, hau da, goian deskribatutako propietate kuantikoak inplementatzen dituen objektu fisiko batek. Hau da, gutxi gorabehera, bi egoera dauden eta bi egoera horiek gainjartze egoeran dauden edozein objektu fisiko erabil daiteke ordenagailu kuantikoa eraikitzeko.
"Atomo bat bi maila ezberdinetan jarri eta kontrolatzen baditugu, orduan qubit bat duzu. Hau ioi batekin egin dezakegun, qubit bat da. Korrontearekin berdin gertatzen da. Erlojuaren orratzen noranzkoan eta erlojuaren norantzan aldi berean exekutatzen badugu, qubit bat duzuΒ».
Ez dago ΠΊ , zeinetan qubitaren egungo inplementazio fisikoen barietatea zehatzago aztertzen den, ezagunenak eta ohikoenak zerrendatuko ditugu:
- eta beste ideia exotiko asko (anioiak, etab.)
Barietate honen guztiaren artean, garatuena qubitak lortzeko lehen metodoa da, oinarrituta . , , eta beste eragile nagusi batzuek sistemak eraikitzeko erabiltzen dute.
Beno, irakurri gehiago posible tik qubits .
Oinarriak. Nola funtzionatzen duen ordenagailu kuantiko batek
Atal honetako materialak (zereginak eta irudiak) artikulutik hartuak dira .
Beraz, imajinatu zeregin hau dugula:
Hiru laguneko taldea dago: (A)ndrey, (B)olodya eta (C)erezha. Bi taxi daude (0 eta 1).
Hori ere ezaguna da:
- (A)ndrey, (B)olodya lagunak dira
- (A)ndrey, (C)erezha etsaiak dira
- (B)olodya eta (C)erezha etsaiak dira
Zeregin: Jendea taxietan jartzea Max (lagunak) ΠΈ Min (etsaiak)
Puntuazioa: L = (lagun kopurua) - (etsai kopurua) ostatu aukera bakoitzerako
GARRANTZITSUA: heuristikorik ez dagoela suposatuz, ez dago irtenbide optimorik. Kasu honetan, arazoa aukeren bilaketa osoa eginez soilik konpondu daiteke.
Konponbidea ohiko ordenagailu batean
Nola konpondu arazo hau ohiko (super) ordenagailuan (edo kluster batean) - argi dago hori aukera posible guztiak zeharkatu behar dituzu. Prozesadore anitzeko sistema bat badugu, hainbat prozesadoretan soluzioen kalkulua paralelizatu eta gero emaitzak bil ditzakegu.
2 ostatu aukera posible ditugu (taxi 0 eta taxi 1) eta 3 pertsona. Soluzio espazioa 2 ^ 3 = 8. Kalkulagailua erabiliz 8 aukera ere pasa ditzakezu, hau ez da arazoa. Orain zaildu dezagun arazoa: 20 pertsona eta bi autobus ditugu, irtenbide gunea 2^20 = 1. Ezer konplikaturik ere ez. Handi dezagun jende kopurua 2.5 aldiz - hartu 50 pertsona eta bi tren, irtenbide espazioa da orain 2^50 = 1.12 x 10^15. Ordenagailu arrunt (super) bat arazo larriak izaten hasia da jada. Handi dezagun 2 aldiz jende kopurua, 100 lagunek emango digute dagoeneko 1.2 x 10^30 aukera posibleak.
Hori da, zeregin hori ezin da arrazoizko denbora-tarte batean kalkulatu.
Superordenagailu bat konektatzea
Gaur egun ordenagailurik indartsuena 1 zenbakia da , hau , produktibitatea 122 . Demagun aukera bat kalkulatzeko 100 eragiketa behar ditugula, gero 100 pertsonentzako problema ebazteko beharko dugu:
(1.2 x 10^30 100) / 122Γ10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 urte.
Ikus dezakegunez hasierako datuen dimentsioa handitu ahala, soluzio-espazioa hazten da potentzia-lege baten arabera, kasu orokorrean, N bitetarako 2^N soluzio-aukera posible ditugu, N (100) nahiko txikientzat kalkulatu gabeko (egungo maila teknologikoan) soluzio-espazio bat ematen digutenak.
Ba al dago alternatibarik? Asmatu zenuten bezala, bai, badago.
Baina ordenagailu kuantikoek nola eta zergatik ebatzi ditzaketen modu eraginkorrean horrelako arazoak aztertu baino lehen, har dezagun pixka bat zer diren berrikusteko. probabilitate banaketa. Ez kezkatu, hau berrikuspen-artikulua da, hemen ez da matematika gogorrik izango, adibide klasikoarekin konformatuko gara poltsa eta baloiekin.
Konbinatoria apur bat, probabilitatearen teoria eta esperimentatzaile arraro bat besterik ez
Har dezagun poltsa bat eta sartuko dugu 1000 bola zuri eta 1000 beltz. Esperimentu bat egingo dugu: atera baloia, idatzi kolorea, itzuli baloia poltsara eta nahastu bolak poltsan.
Esperimentua 10 aldiz egin zen, 10 bola beltz atera zituen. Agian? Nahiko. Lagin honek poltsaren benetako banaketaren ideia zentzuzkorik ematen al digu? Argi dago ezetz. Egin behar dena - ongi, orerrepikatu esperimentua milioi bat aldiz eta kalkulatu bola zuri-beltzen maiztasunak. Lortzen dugu, adibidez %49.95 beltza eta %50.05 zuria. Kasu honetan, laginketa egiten dugun banaketaren egitura (bola bat atera) dagoeneko argiago dago.
Gauza nagusia hori ulertzea da esperimentuak berak izaera probabilistikoa du, lagin batekin (bola) ez dugu banaketaren benetako egitura ezagutuko, esperimentua askotan errepikatu behar dugu eta emaitzen batez bestekoa.
Gehi dezagun gure poltsara 10 bola gorri eta 10 berde (akatsak). Errepikatu dezagun esperimentua 10 aldiz. IN5 gorri eta 5 berde atera ditu. Agian? Bai. Benetako banaketari buruz zerbait esan dezakegu - Ez. Zer egin behar da - ondo, ulertzen duzu.
Probabilitate banaketa baten egitura ulertzeko, beharrezkoa da banakako emaitzak behin eta berriz lagintzea banaketa horretatik eta emaitzen batez bestekoa.
Teoria praktikarekin lotzea
Orain bola zuri-beltzen ordez, har ditzagun billar bolak eta sar ditzagun poltsa batean 1000 bola 2 zenbakiarekin, 1000 7 zenbakiarekin eta 10 bola beste zenbaki batekin. Imajina dezagun ekintza errazenetan trebatuta dagoen esperimentatzaile bat (baloi bat atera, zenbakia idatzi, baloia berriro poltsan sartu, bolak poltsan nahastu) eta 150 mikrosegundotan egiten du. Beno, abiadurari buruzko halako esperimentatzailea (ez drogaren iragarkia!!!). Ondoren, 150 segundotan gure esperimentua milioi bat aldiz egiteko gai izango da eta eman dizkigute batez besteko emaitzak.
Esperimentatzailea eseri, poltsa bat eman, alde egin, 150 segundo itxaron eta jaso dute:
2 zenbakia - % 49.5, 7 zenbakia - % 49.5, gainerako zenbakiak guztira - % 1.
Bai horixe, gure poltsa ordenagailu kuantiko bat da, gure arazoa konpontzen duen algoritmo batekin, eta pilotak irtenbide posibleak dira. Bi irtenbide zuzen daudenez, bada ordenagailu kuantiko batek probabilitate berdinarekin eta % 0.5eko (10/2000) erroreekin emango digu soluzio posible horietako edozein., geroago hitz egingo dugunaz.
Ordenagailu kuantiko baten emaitza lortzeko, algoritmo kuantikoa hainbat aldiz exekutatu behar duzu sarrerako datu multzo berean eta emaitzaren batez bestekoa.
Ordenagailu kuantiko baten eskalagarritasuna
Orain imajinatu 100 lagunek parte hartzen duten zeregin baterako (soluzio-espazioa 2^100 hau gogoratzen dugu), bi erabaki zuzen baino ez daude. Orduan, 100 qubit hartu eta qubit horien gainean gure funtzio objektiboa (L, ikus goiko) kalkulatzen duen algoritmo bat idazten badugu, orduan poltsa bat lortuko dugu eta bertan 1000 bola egongo dira lehenengo erantzun zuzenaren zenbakia duena, 1000 batekin. bigarren erantzun zuzenaren zenbakia eta 10 bola beste zenbaki batzuekin. Eta 150 segundo berdinetan gure esperimentatzaileak erantzun zuzenen probabilitate banaketaren estimazioa emango digu..
Algoritmo kuantiko baten exekuzio-denbora (suposizio batzuekin) O(1) konstantetzat har daiteke soluzio-espazioaren (2^N) dimentsioari dagokionez.
Eta hori da, hain zuzen, ordenagailu kuantiko baten propietatea - exekuzio-konstantzia konponbide-espazioaren potentzia-legearen konplexutasuna gero eta handiagoarekin lotuta dago gakoa.
Qubit eta mundu paraleloak
Nola gertatzen da hau? Zerk ahalbidetzen dio ordenagailu kuantiko bati kalkuluak hain azkar egiteko? Qubitaren izaera kuantikoari buruzkoa da.
Begira, esan dugu qubit bat objektu kuantiko bat bezalakoa dela behatzean bere bi egoeretako bat konturatzen da, baina βnatura basatianβ barruan dago estatuen gainjartzeak, hau da, bere muga-egoeretan dago aldi berean (probabilitatearen batekin).
Har dezagun (A)ndreya eta imajinatu bere egoera (zein ibilgailutan dagoen - 0 edo 1) qubit gisa. Orduan (espazio kuantikoan) dugu bi mundu paralelo, batean (A) 0 taxian esertzen da, beste mundu batean - taxi 1ean. Bi taxitan aldi berean, baina behaketan zehar horietako bakoitzean aurkitzeko probabilitateren bat.
Har dezagun (B) gaztea eta imajina dezagun ere bere egoera qubit gisa. Beste bi mundu paralelo sortzen dira. Baina oraingoz mundu pare hauek (A) ΠΈ (AT) ez elkarreragin batere. Zer egin behar den sortzeko erlazionatuta sistema? Hori bai, qubit hauek behar ditugu lotu (nahastu). Hartu eta nahasten dugu (A) (B) β bi qubiteko sistema kuantikoa lortuko dugu (A, B), bere baitan lau konturatuz elkarren menpekoak mundu paraleloak. Gehitu (S)ergey eta hiru qubiteko sistema bat lortzen dugu (ABC), zortzi gauzatzea elkarren menpekoak mundu paraleloak.
Konputazio kuantikoaren funtsa (ate kuantikoen kate baten ezarpena qubit konektatutako sistema baten gainean) kalkulua mundu paralelo guztietan aldi berean gertatzen dela da.
Eta berdin du zenbat ditugun, 2^3 edo 2^100, algoritmo kuantikoa denbora finituan exekutatuko da mundu paralelo hauetan guztietan eta emaitza bat emango digu, hau da, algoritmoaren erantzunen probabilitate banaketaren lagin bat.
Hobeto ulertzeko, hori imajina daiteke maila kuantikoko ordenagailu kuantiko batek 2^N soluzio prozesu paralelo exekutatzen ditu, bakoitzak aukera posible batean lan egiten du, ondoren lanaren emaitzak biltzen ditu - eta irtenbidearen gainjartze moduan ematen digu erantzuna (erantzunen probabilitate banaketa), eta hortik lagin bat egiten dugu aldi bakoitzean (esperimentu bakoitzeko).
Gogoratu gure esperimentatzaileak behar duen denbora (150 Β΅s) esperimentua egiteko, hauxe baliagarria izango zaigu pixka bat gehiago, ordenagailu kuantikoen arazo nagusiez eta dekoherentzia denboraz hitz egiten dugunean.
Algoritmo kuantikoak
Esan bezala, logika bitarrean oinarritutako algoritmo konbentzionalak ez dira aplikagarriak logika kuantikoa (ate kuantikoak) erabiltzen duen ordenagailu kuantiko bati. Berarentzat, beharrezkoa zen informatikaren izaera kuantikoaren berezko potentziala guztiz ustiatzen zuten berriak sortzea.
Gaur egun algoritmo ezagunenak hauek dira:
Klasikoak ez bezala, ordenagailu kuantikoak ez dira unibertsalak.
Algoritmo kuantiko kopuru txiki bat baino ez da aurkitu orain arte.
Eskerrik asko estekarako , egilearen arabera (), mundu kuantiko-algoritmikoaren ordezkari onenak bildu dira eta biltzen jarraitzen dute.
Artikulu honetan ez ditugu algoritmo kuantikoak zehatz-mehatz aztertuko; Interneten material bikain asko dago edozein konplexutasun-mailarako, baina oraindik ere hiru ospetsuenak laburki aztertu behar ditugu.
Shor-en algoritmoa.
Algoritmo kuantiko ospetsuena da (1994an matematikari ingelesak asmatu zuen ), zenbakiak faktore lehenetan faktorearen problema (faktorizazio-problema, logaritmo diskretua) ebaztea helburu duena.
Algoritmo hori da adibide gisa aipatzen dena zure banku-sistemak eta pasahitzak laster hackeatu egingo direla idazten dutenean. Gaur egun erabiltzen diren gakoen luzera 2048 bit baino gutxiagokoa ez dela kontuan hartuta, oraindik ez da txapelaren garaia iritsi.
Orain arte apala baino gehiago. Factorizazio-emaitza onenak Shor-en algoritmoarekin - Zenbakiak ΠΈ , hau da, 2048 bit baino askoz gutxiago. Taularen gainerako emaitzetarako, ezberdina kalkuluak, baina algoritmo honen araberako emaitzarik onena ere (291311) aplikazio errealetik oso urrun dago.
Shor-en algoritmoari buruz gehiago irakur dezakezu, adibidez,. Ezarpen praktikoari buruz - .
Bat konplexutasuna eta behar den potentzia 2048 biteko zenbaki bat faktorea da ordenagailu batekin . Lasai lo egiten dugu.
Grover-en algoritmoa
- zenbaketa-problema ebaztea, hau da, ekuazioaren soluzioa aurkitzea F(X) = 1, non F den tik n aldagaiak. Matematikari estatubatuar batek proposatu zuen Π² .
Grover-en algoritmoa erabil daiteke aurkitzeko ΠΈ zenbaki-seriea. Horrez gain, ebazteko erabil daiteke arazoak irtenbide posible askoren artean bilaketa zehatz baten bidez. Horrek abiadura igoera nabarmena ekar dezake algoritmo klasikoekin alderatuta, baina eman gabe "" orokorrean.
Gehiago irakur dezakezuEdo . Hala Algoritmoaren azalpen ona dago koadroen eta baloi baten adibidea erabiliz, baina, tamalez, inoren esku ez dauden arrazoiengatik, gune hau ez zait irekitzen Errusiatik. baduzu blokeatuta dago, beraz, hona hemen laburpen labur bat:
Grover-en algoritmoa. Imajinatu zenbakidun kutxa itxien N zati dituzula. Guztiak hutsik daude bat izan ezik, bola bat daukana. Zure zeregina: aurkitu baloia dagoen kutxaren zenbakia (zenbaki ezezagun hau w letraz adierazi ohi da).
Nola konpondu arazo hau? Era ergelena kaxak txandaka irekitzea da, eta lehenago edo beranduago pilota batekin kaxa batekin topo egingo duzu. Batez beste, zenbat kaxa egiaztatu behar dira baloi bat duen kutxa bat aurkitu aurretik? Batez beste, N/2 kutxen erdia inguru ireki behar duzu. Hemen gauza nagusia zera da: kutxa kopurua 100 aldiz handitzen badugu, baloiaren kaxa aurkitu aurretik ireki behar diren batez besteko kutxa kopurua ere 100 aldiz berdin handituko da.
Orain argipen bat gehiago egin dezagun. Ez ditzagun kutxak geuk eskuekin ireki eta bakoitzean baloi bat dagoen egiaztatzen, baina bitartekari jakin bat dago, dei diezaiogun Oracle. Oracleri esaten diogu, "markatu 732 zenbakiko laukia", eta Oracle-k zintzotasunez egiaztatu eta erantzuten du: "ez dago bolarik 732 zenbakian". Orain, batez beste zenbat kutxa ireki behar ditugun esan beharrean, βbatez beste zenbat aldiz joan behar dugu Oraclera pilota duen kutxaren kopurua aurkitzekoβ esaten dugu.
Ematen du koadroen, bola baten eta Oraclearen arazo hau hizkuntza kuantikora itzultzen badugu, emaitza nabarmena lortuko dugula: N koadroen artean bola duen kutxa baten kopurua aurkitzeko, Oracle-a SQRT-ari buruz bakarrik asaldatu behar dugu. (N) aldiz!
Hau da, Grover-en algoritmoa erabiliz bilaketa-zereginaren konplexutasuna denboraren erro karratuaren arabera murrizten da.
Deutsch-Jozi algoritmoa
Deutsch-Jozsa algoritmoa (Deutsch-Jozsa algoritmoa ere deitzen zaio) - [algoritmo kuantikoa](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), ΠΏΡΠ΅Π΄Π»ΠΎΠΆΠ΅Π½Π½ΡΠΉ ΠΈ Π² , eta exekutatzeko diseinatutako algoritmoen lehen adibideetako bat bihurtu zen . _
Deutsch-Jozsi problema F(x1, x2, ... xn) hainbat aldagai bitarren funtzioa konstantea den (edozein argumentuetarako 0 edo 1 balioa hartzen du) edo orekatua den (hartzen duen domeinuaren erdirako) zehaztea da. balioa 0, beste erdiarentzat 1). Kasu honetan, a priori ezagutzen da funtzioa konstantea edo orekatua dela.
Irakur dezakezu ere . Azalpen sinpleagoa:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) algoritmoa indar gordinean oinarritzen da, baina ohi baino azkarrago egiteko aukera ematen du. Imajinatu mahai gainean txanpon bat dagoela eta faltsutua den ala ez jakin behar duzula. Horretarako, txanponari birritan begiratu eta zehaztu behar duzu: "buruak" eta "buztanak" benetakoak dira, bi "buruak", bi "buztanak" faltsuak dira. Beraz, Deutsch algoritmo kuantikoa erabiltzen baduzu, orduan determinazio hau begirada batekin egin daiteke - neurketa.
Ordenagailu kuantikoen arazoak
Ordenagailu kuantikoak diseinatzean eta ustiatzean, zientzialariek eta ingeniariek arazo ugari dituzte, eta orain arte hainbat arrakastarekin konpondu dira. Ren arabera () honako arazo sorta hauek identifikatu daitezke:
- Ingurunearekiko sentsibilitatea eta ingurunearekiko elkarrekintza
- Kalkuluetan akatsak metatzea
- Qubit-egoeren hasierako hasierako zailtasunak
- Qubit anitzeko sistemak sortzeko zailtasunak
Artikulua irakurtzea gomendatzen dut "β, batez ere horri buruzko iruzkinak.
Antola ditzagun arazo nagusi guztiak hiru talde handitan eta ikus ditzagun zehatzago horietako bakoitza:
Deskoherentzia
.
Egoera kuantikoa oso gauza hauskorrakorapilatu egoeran dauden qubitak oso ezegonkorrak dira, kanpoko edozein eraginek lotura hori suntsi dezake (eta egiten du).. Tenperaturaren aldaketa gradu baten zatirik txikiena, presioa, gertuko hegan ausazko fotoi bat - horrek guztiak gure sistema desegonkortzen du.
Arazo hori konpontzeko, tenperatura baxuko sarkofagoak eraikitzen dira, zeinetan tenperatura (-273.14 gradu Celsius) zero absolututik gorakoa den, barne-ganbara prozesadorearekin ahalik eta isolamendu handienarekin kanpoko ingurunearen eragin (posible) guztietatik.
Hainbat qubit nahasitako sistema kuantiko baten bizitza maximoari, zeinetan bere propietate kuantikoak mantentzen dituen eta kalkuluetarako erabil daitekeen, dekoherentzia denbora deritzo.
Gaur egun, soluzio kuantiko onenetan dekoherentzia denboraren ordenakoa da hamarnaka eta ehunka mikrosegundo.
Zoragarri bat dago non begiratu dezakezun sortutako sistema kuantiko guztien artean. Artikulu honek bi prozesadore nagusi baino ez ditu adibide gisa - IBMrena eta bertatik . Ikus dezakegunez, dekoherentzia-denbora (T2) ez da 200 ΞΌs gainditzen.
Sycamoreri buruzko datu zehatzak ez ditut aurkitu, gehienetan baizik bi zenbaki ematen dira - 1 milioi kalkulu 200 segundotan, beste nonbait -rentzat 130 segundo kontrol-seinaleak galdu gabe, etab.. Edonola ere, honek ematen digu deskoherentzia denbora 150 ΞΌs ingurukoa da. Gogoratu gure poltsa batekin esperimentatzailea? Beno, hemen dago.
| Ordenagailuaren izena | N Qubits | Max parekatuta | T2 (Β΅s) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Zerrekin mehatxatzen gaitu dekoherentziak?
Arazo nagusia da 150 ΞΌs-en ondoren, N nahasitako qubit-en gure sistema informatikoa zarata zuri probabilista ateratzen hasiko dela soluzio zuzenen banaketa probabilista baten ordez.
Hau da, behar dugu:
- Hasi qubit sistema
- Egin kalkulu bat (ate-eragiketen katea)
- Irakurri emaitza
Eta hori guztia 150 mikrosegundotan egin. Ez nuen denborarik izan - emaitza kalabaza bihurtu zen.
Baina hori ez da guztiaβ¦
Akatsak
Esan dugun bezala, prozesu kuantikoak eta konputazio kuantikoa izaera probabilista dute, ezin dugu ezertaz %100ean ziur egon, baina probabilitate batzuekin. Egoera are gehiago larriagotu egiten da konputazio kuantikoa akatsak jasaten ditu. Konputazio kuantikoan dauden errore mota nagusiak hauek dira:
- Deskoherentzia-erroreak sistemaren konplexutasunaren eta kanpoko ingurunearekiko elkarreraginaren ondorioz sortzen dira
- Atearen konputazio-erroreak (konputazioaren izaera kuantikoa dela eta)
- Akatsak azken egoera irakurtzean (emaitza)
Deskoherentziarekin lotutako akatsak, gure qubitak korapilatu eta kalkuluak egiten hasi bezain laster agertzen dira. Zenbat eta qubit gehiago korapilatu, orduan eta konplexuagoa da sistema, eta errazago suntsitzea. Tenperatura baxuko sarkofagoak, babestutako ganberak, trikimailu teknologiko hauek guztiak akats kopurua murriztea eta dekoherentzia denbora luzatzea dute helburu.
Atearen konputazio-erroreak - qubit-en edozein eragiketa (ate) akats batekin amai daiteke, nolabaiteko probabilitatearekin, eta algoritmoa ezartzeko ehunka ate egin behar ditugu, beraz, imajinatu zer lortzen dugun gure algoritmoaren exekuzioaren amaieran. Galderaren erantzun klasikoa "Zein da dinosauro bat igogailu batean ezagutzeko probabilitatea?" - 50x50, ezagutuko duzu ala ez.
Arazoa are areagotu egiten da erroreen zuzenketa metodo estandarrak (kalkuluen bikoizketak eta batez bestekoak) mundu kuantikoan ez dutela funtzionatzen klonaziorik gabeko teorema dela eta. Izan ere konputazio kuantikoan asmatu behar zen . Gutxi gorabehera, N qubit arrunt hartzen ditugu eta horietako 1 egiten dugu qubit logikoa errore-tasa txikiagoarekin.
Baina hemen beste arazo bat sortzen da - qubit kopuru osoa. Begira, demagun 100 qubit dituen prozesadore bat dugula, horietatik 80 qubit akatsak zuzentzeko erabiltzen direla, orduan kalkuluetarako 20 besterik ez zaizkigula geratzen.
Akatsak azken emaitza irakurtzean β gogoratzen dugunez, kalkulu kuantikoen emaitza forman aurkezten zaigu erantzunen probabilitate banaketa. Baina azken egoera irakurtzeak ere huts egin dezake errore batekin.
Beraren gainean Prozesadoreen taula konparatiboak daude errore-mailen arabera. Konparatzeko, har ditzagun aurreko adibideko prozesadore berdinak - IBM ΠΈ :
| Computer | 1-Qubit atearen fideltasuna | 2-Qubit Gate Fidelity | Irakurri fideltasuna |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Hemen bi egoera kuantikoren antzekotasunaren neurria da. Errorearen magnitudea gutxi gorabehera 1-Fidelity gisa adieraz daiteke. Ikus dezakegunez, 2 qubit-eko ateetan akatsak eta irakurketa akatsak dira lehendik dauden ordenagailu kuantikoetan algoritmo konplexu eta luzeak exekutatzeko oztopo nagusia.
Irakur dezakezu ere urtetik aurrera akatsen zuzenketaren arazoa konpontzeko.
Prozesadorearen arkitektura
Teorian eraikitzen eta funtzionatzen dugu Hamaika qubit nahasitako zirkuituak, errealitatean dena konplikatuagoa da. Dauden txip kuantiko guztiak (prozesadoreak) minik gabeko moduan eraikitzen dira qubit bat bere bizilagunekin soilik korapilatzea, eta horietatik ez dira sei baino gehiago.
1. qubit-a korapilatu behar badugu, esate baterako, 12.arekin, orduan egin beharko dugu eragiketa kuantiko osagarrien kate bat eraiki, qubit gehigarriak eta abar inplikatu, errore-maila orokorra handitzen duena. Bai, eta ez ahaztu dekoherentzia denbora, beharbada qubitak behar duzun zirkuitura konektatzen amaitzen duzunerako, denbora amaituko da eta zirkuitu osoa bihurtuko da. zarata zuri-sorgailu polita.
Hori ere ez ahaztu Prozesadore kuantiko guztien arkitektura ezberdina da, eta emuladorean idatzitako programa "guzti-guztietarako konektibitatea" moduan "birkonpilatu" beharko da txip zehatz baten arkitekturan. Badaude ere eragiketa hau egiteko.
Gehienezko konektibitatea eta gehienez qubit-kopurua goiko txip berdinetarako:
| Ordenagailuaren izena | N Qubits | Max parekatuta | T2 (Β΅s) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Eta, konparazio baterako, aurreko prozesadoreen belaunaldiko datuekin taula. Konparatu qubit-kopurua, dekoherentzia-denbora eta errore-tasa belaunaldi berriarekin orain dugunarekin. Hala ere, aurrerapena motela da, baina mugitzen da.
Beraz:
- Gaur egun ez dago guztiz konektatutako arkitekturarik > 6 qubit-ekin
- Qubit 0 s benetako prozesadore batean nahasteko, adibidez, qubit 15-ak hainbat dozena eragiketa gehigarri behar ditu
- Eragiketa gehiago -> akats gehiago -> dekoherentziaren eragin handiagoa
Emaitzak
Dekoherentzia konputazio kuantiko modernoaren Procusteen ohea da. Guztia 150 ΞΌs-tan egokitu behar dugu:
- Qubiten hasierako egoeraren hasieratzea
- Problema bat konputatzea ate kuantikoak erabiliz
- Zuzendu akatsak emaitza esanguratsuak lortzeko
- Irakurri emaitza
Orain arte emaitzak etsigarriak dira, baina oinarritutako ordenagailu kuantikoan 0.5 s koherentzia atxikitzeko denbora lortzeko erreklamazioa :
0.5 s-tik gorako qubit-koherentzia-denbora neurtzen dugu, eta blindaje magnetikoarekin hori 1000 s baino luzeagoa izatea espero dugu.
Teknologia honi buruz ere irakur dezakezu edo adibidez .
Egoera are gehiago zaildu egiten da kalkulu konplexuak egiterakoan errore kuantikoen zuzenketa-zirkuituak erabiltzea beharrezkoa dela, eta horrek denbora eta erabilgarri dauden qubitak ere jaten ditu.
Eta, azkenik, arkitektura modernoek ez dute entanglement eskemak 1tik 4 edo 1tik 6 baino hobeto inplementatzen uzten kostu minimoarekin.
Arazoak konpontzeko bideak
Goiko arazoak konpontzeko, metodo eta metodo hauek erabiltzen dira gaur egun:
- Tenperatura baxuko krioganberak erabiltzea (10 mK (β273,14 Β°C))
- Kanpoko eraginetatik gehien babestuta dauden prozesadore-unitateak erabiltzea
- Erroreak zuzentzeko sistema kuantikoak erabiltzea (Qubit logikoa)
- Prozesadore zehatz baterako zirkuituak programatzerakoan optimizatzaileak erabiltzea
Deskoherentzia-denbora handitzera, objektu kuantikoen inplementazio fisiko berriak (eta ezagunak hobetzea) bilatzen, zuzenketa-zirkuituak optimizatzera, etab. Aurrerapena dago (begiratu goian lehengo eta gaur egungo goi-mailako txip-en ezaugarriak), baina orain arte motela, oso-oso motela da.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000 qubit ordenagailua. Iturria:
Google-k 53 qubit-eko prozesadore bat erabiliz nagusitasun kuantikoa lortzeko iragarpenaren erdian, ΠΈ D-Wave konpainiarena, zeinetan qubit kopurua milakoa den, nahasia samarra da. Beno, benetan, 53 qubit gai izan balira nagusitasun kuantikoa lortzeko, orduan zertarako gai da 2048 qubit dituen ordenagailu bat? Baina dena ez da hain ona...
Laburbilduz (wikitik hartua):
Ordenagailuak printzipioa lantzea (), optimizazio-arazoen azpiklase oso mugatua ebatzi dezake, eta ez dira egokiak algoritmo kuantiko tradizionalak eta ate kuantikoak ezartzeko.
Xehetasun gehiagorako irakur dezakezu, adibidez, , (kontuz, baliteke Errusiatik ez irekitzea), edo Π² beregandik . Bide batez, bere bloga orokorrean irakurtzea gomendatzen dut, material on asko dago bertan
Oro har, iragarkien hasieratik, komunitate zientifikoak galderak izan zituen D-Wave ordenagailuei buruz. Esaterako, 2014an, IBMk zalantzan jarri zuen D-Wave 2015ean, Google-k, NASArekin batera, ordenagailu kuantiko horietako bat erosi zuen eta ikerketaren ondoren. , hori bai, ordenagailuak ohiko batek baino azkarrago funtzionatzen du eta arazoa kalkulatzen du. Google-ren adierazpenari buruzko informazio gehiago irakur dezakezu eta, adibidez, .
Gauza nagusia da D-Wave ordenagailuak, ehunka eta milaka qubitekin, ezin direla algoritmo kuantikoak kalkulatzeko eta exekutatzeko. Ezin duzu Shor-en algoritmoa haietan exekutatu, adibidez. Egin dezaketen bakarra mekanismo kuantiko batzuk erabiltzea da optimizazio arazo jakin bat konpontzeko. D-Wave zeregin zehatz baterako ASIC kuantiko bat dela kontsidera dezakegu.
Ordenagailu kuantikoen emulazioari buruz apur bat
Informatika kuantikoa ohiko ordenagailu batean emulatu daiteke. Hain zuzen ere, :
- Qubit-aren egoera izan daiteke zenbaki konplexua, 2x32-tik 2x64 bit-era (8-16 byte) okupatuz prozesadorearen arkitekturaren arabera
- Lotutako N qubiten egoera 2^N zenbaki konplexu gisa irudika daiteke, hau da. 2^(3+N) 32 biteko arkitekturarako eta 2^(4+N) 64 biteko.
- N qubit-en eragiketa kuantikoa 2^N x 2^N matrize baten bidez irudika daiteke
Orduan:
- 10 qubit-en emulatutako egoerak gordetzeko, 8 KB behar dira
- 20 qubit-en egoerak gordetzeko 8 MB behar dituzu
- 30 qubit-en egoerak gordetzeko, 8 GB behar dira
- 40 Terabyte behar dira 8 qubit-eko egoerak gordetzeko
- 50 qubit-en egoerak gordetzeko, 8 petabyte behar dira, etab.
Konparaziorako, () 2.8 petabyte baino ez ditu memoria.
β 49 qubit iaz entregatu ziren Txinako superordenagailu handienean ()
Sistema klasikoetan ordenagailu kuantiko bat simulatzeko muga qubiten egoera gordetzeko behar den RAM kopuruaren arabera zehazten da.
Irakurtzea ere gomendatzen dut . Hortik:
Funtzionamenduaren arabera - 49 "ziklo" (ate geruza independenteak) osatutako 39 qubit-eko zirkuitu baten emulazio zehatza lortzeko. 2^63 biderketa konplexu - Superordenagailu baten 4 Pflop 4 orduz
Sistema klasikoetan 50 qubit baino gehiagoko ordenagailu kuantiko bat emulatzea ezinezkotzat jotzen da arrazoizko denbora batean. Horregatik ere Google-k 53 qubit-eko prozesadorea erabili zuen bere nagusitasun kuantikoko esperimenturako.
Konputazio kuantikoa nagusitasuna.
Wikipediak konputazio kuantikoaren nagusitasunaren definizio hau ematen digu:
Nagusitasun kuantikoa - gaitasuna Ordenagailu klasikoek ia ebatzi ezin dituzten arazoak konpontzeko gailuak.
Izan ere, nagusitasun kuantikoa lortzeak esan nahi du, adibidez, Shor algoritmoa erabiliz zenbaki handien faktorizazioa denbora egokian ebatzi daitekeela, edo molekula kimiko konplexuak maila kuantikoan emula daitezkeela, etab. Hau da, aro berri bat heldu da.
Baina hutsune bat dago definizioaren idazkeran, "ordenagailu klasikoek ia konpondu ezin dutena" Izan ere, horrek esan nahi du 50+ qubit-eko ordenagailu kuantiko bat sortzen baduzu eta zirkuitu kuantikoren bat exekutatzen baduzu, orduan, goian aipatu dugun bezala, zirkuitu honen emaitza ezin da ordenagailu arrunt batean emulatu. Hori da ordenagailu klasiko batek ezin izango du zirkuitu horren emaitza birsortu.
Emaitza hori benetako nagusitasun kuantikoa den ala ez galdera filosofiko bat da. Baina ulertu zer egin zuen Googlek eta zertan oinarritzen den beharrezkoak.
Google-ren Kuantiko nagusitasunaren adierazpena
Sycamore 54 qubit-eko prozesadorea
Beraz, 2019ko urrian, Google-ren garatzaileek artikulu bat argitaratu zuten Nature argitalpen zientifikoan "" Egileek historian lehen aldiz nagusitasun kuantikoaren lorpena iragarri zuten 54 qubit Sycamore prozesadorea erabiliz.
Sycamore sareko artikuluek sarritan 54 qubit-eko prozesadorea edo 53 qubit-eko prozesadorea aipatzen dute. Egia esan, arabera , prozesadoreak fisikoki 54 qubit ditu, baina horietako bat ez da funtzionatzen eta zerbitzutik kanpo geratu da. Horrela, errealitatean 53 qubit-eko prozesadorea dugu.
Hortxe bertan sarean gai honi buruzko materialak, zeinaren maila desberdina zen to .
IBMren informatika kuantikoko taldeak geroago adierazi zuen hori . Konpainiak dio ohiko ordenagailu batek 2,5 egunetan egingo duela zeregin horri kasurik txarrenean, eta ondoriozko erantzuna ordenagailu kuantiko batena baino zehatzagoa izango da. Ondorio hau hainbat optimizazio-metodoren analisi teoriko baten emaitzetan oinarrituta atera da.
Eta, noski, bere baitan Ezin nuen adierazpen hau baztertu. Haren esteka guztiekin batera eta ohi bezala, merezi dute denbora pasatzeak. Erdigunean FAQ hau, eta ziurtatu iruzkinak irakurtzen dituzula, iragarpen ofizialaren aurretik sarean filtratutako aurretiazko dokumentuetarako estekak daude.
Zer egin zuen Googlek benetan? Ulermen zehatza lortzeko, irakurri Aaronson, baina laburki hemen:
Esan dezaket, noski, baina ergel samarra sentitzen naiz. Kalkulua honako hau da: esperimentatzaileak C zirkuitu kuantiko ausazko bat sortzen du (hau da, hurbilen dauden auzokideen arteko 1 qubit eta 2 qubit ateen ausazko sekuentzia, adibidez, 20ko sakonera duena, n-ko 2D sare batean jarduten duena. = 50-60 qubit). Ondoren, esperimentatzaileak C ordenagailu kuantikora bidaltzen du, eta C 0 hasierako egoerari aplikatzeko eskatzen dio, emaitza {0,1} oinarrian neurtzeko, n biteko sekuentzia (katea) itzultzeko eta hainbat errepikatu. mila edo milioika aldiz. Azkenik, C-ri buruz dituen ezagutzak erabiliz, esperimentatzaileak proba estatistiko bat egiten du, emaitza ordenagailu kuantikoaren esperotako irteerarekin bat datorren ikusteko.
Oso labur:
- 20 qubit-eko 53 luzerako ausazko zirkuitu bat sortzen da ateak erabiliz
- Zirkuitua hasierako [0β¦0] egoerarekin hasten da exekuziorako
- Zirkuituaren irteera ausazko bit kate bat da (lagina)
- Emaitzaren banaketa ez da ausazkoa (interferentzia)
- Lortutako laginen banaketa espero denarekin alderatzen da
- Nagusitasun kuantikoa amaitzen du
Hau da, Google-k arazo sintetiko bat ezarri zuen 53 qubit-eko prozesadore batean, eta nagusitasun kuantikoa lortzeko aldarrikapena ezinezkoa dela sistema estandarretan halako prozesadore bat emulatzea arrazoizko denbora batean oinarritzen du.
ulertzeko - Atal honek ez du inola ere Googleren lorpena gutxitzen, ingeniariak benetan bikainak dira, eta hori benetako nagusitasun kuantikotzat har daitekeen ala ez, lehen esan bezala, ingeniaritza baino filosofikoagoa da. Baina ulertu behar dugu halako nagusitasun konputazionala lortuta, ez dugula urratsik aurrera egin Shor-en algoritmoa 2048 biteko zenbakietan exekutatzeko.
Laburpena
Ordenagailu kuantikoak eta konputazio kuantikoa informazio teknologiaren arlo oso etorkizun handikoa, oso gaztea eta orain arte gutxi aplikatzekoa da.
Konputazio kuantikoaren garapenak (noizbait) arazoak ebazteko aukera emango digu:
- Sistema fisiko konplexuak maila kuantikoan modelatzea
- Ordenagailu arrunt batean konpontzeke, konplexutasun konputazionalaren ondorioz
Ordenagailu kuantikoak sortzeko eta funtzionatzeko arazo nagusiak:
- Deskoherentzia
- Akatsak (deskoherentzia eta atea)
- Prozesadorearen arkitektura (guztiz konektatutako qubit zirkuituak)
Egungo egoera:
- Izan ere, hasieratik .
- Oraindik ez dago benetako ustiapen komertziala (eta ez dago argi noiz izango den)
Zer lagun dezake:
- Kableatu eta prozesadore operatiboen kostua murrizten duen aurkikuntza fisiko mota bat
- Deskoherentzia-denbora magnitude ordena batean handitu eta/edo akatsak murriztuko dituen zerbait aurkitzea
Nire ustez (iritzi pertsonal hutsa), Gaur egungo ezagutzaren paradigma zientifikoan, teknologia kuantikoen garapenean ez dugu arrakasta handirik lortuko, hemen aurrerapen kualitatibo bat behar dugu oinarrizko edo aplikatutako zientziaren arlo batzuetan, ideia eta metodo berriei bultzada emango diena.
Bitartean, programazio kuantikoan esperientzia hartzen ari gara, algoritmo kuantikoak bildu eta sortzen, ideiak probatzen, etab., etab. Aurrerapen baten zain gaude.
Ondorioa
Artikulu honetan, konputazio kuantikoaren eta ordenagailu kuantikoaren garapenaren mugarri nagusiak aztertu genituen, haien funtzionamenduaren printzipioa aztertu genuen, ingeniariek prozesadore kuantikoen garapenean eta funtzionamenduan dituzten arazo nagusiak aztertu genituen eta, gainera, zer multi-qubit aztertu genuen. D-ordenagailuak benetan dira. Wave-k eta Google-k nagusitasun kuantikoa lortzearen azken iragarpena.
Atzean geratzen dira ordenagailu kuantikoak programatzeko galderak (hizkuntzak, planteamenduak, metodoak, etab.) eta prozesadoreen inplementazio fisiko espezifikoarekin, qubitak nola kudeatzen, lotzen, irakurtzen, etab. Agian hau izango da hurrengo artikuluaren edo artikuluen gaia.
Eskerrik asko zure arretagatik, espero dut artikulu hau norbaitentzat erabilgarria izatea.
(C)
Eskerrak
sorburu-testua zuzentzeko eta iruzkinetarako, baita artikuluarako ere
informazio ugariko iruzkinetarako , eta ez berari bakarrik, neurri handi batean puzzle hau asmatzen lagundu zidan.
Artikulu hau idazteko materialak erabili dituzten artikulu eta argitalpenen egile guztiei.
Baliabideen zerrenda
[The National Academies Press]-en egungo gaietako artikuluak
Habr-eko artikuluak (ausazko ordenan)
Sailkatu gabeko artikuluak (baina ez gutxiago interesgarriak) Internetetik
Ikastaroak eta hitzaldiak
Iturria: www.habr.com