کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی - جدید ، که به همراه به فضای اطلاعاتی ما اضافه شد , و سایر اصطلاحات پیشرفته در عین حال، من هرگز نتوانستم مطالبی را در اینترنت پیدا کنم که پازلی را در سرم به نام چگونه کامپیوترهای کوانتومی کار می کنند. بله، بسیاری از آثار عالی وجود دارد، از جمله در مورد هابر (نگاه کنید به. ) نظراتی که همانطور که معمولاً اتفاق می افتد ، حتی آموزنده تر و مفیدتر هستند ، اما تصویری که در ذهن من وجود دارد ، همانطور که می گویند ، جمع نمی شود.
و اخیراً همکارانم پیش من آمدند و پرسیدند: "آیا می‌دانی یک کامپیوتر کوانتومی چگونه کار می‌کند؟ می توانید به ما بگویید؟" و بعد متوجه شدم که من تنها کسی نیستم که با چیدن یک تصویر منسجم در ذهنم مشکل دارم.
در نتیجه، تلاش شد تا اطلاعات مربوط به کامپیوترهای کوانتومی در یک مدار منطقی سازگار جمع‌آوری شود که در آن سطح پایه، بدون غوطه ور شدن عمیق در ریاضیات و ساختار دنیای کوانتومی، توضیح داده شد که کامپیوتر کوانتومی چیست، بر اساس چه اصولی کار می کند و دانشمندان هنگام ایجاد و راه اندازی آن با چه مشکلاتی مواجه هستند.
فهرست مندرجات
سلب مسئولیت
نویسنده در محاسبات کوانتومی متخصص نیست و مخاطب مقاله همین افراد IT هستند نه متخصصان کوانتومیکه می خواهند تصویری به نام «کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند» را در ذهن خود بسازند. به همین دلیل، بسیاری از مفاهیم در مقاله به عمد برای درک بهتر فناوری‌های کوانتومی در سطح «پایه» ساده‌سازی شده‌اند، اما بدون .
مقاله در برخی جاها از مطالبی از منابع دیگر استفاده می کند، . در صورت امکان، پیوندها و نشانه های مستقیم متن، جدول یا شکل اصلی درج می شود. اگر جایی (یا کسی) را فراموش کردم، بنویسید و آن را اصلاح خواهم کرد.
معرفی
در این فصل به طور مختصر به چگونگی آغاز دوران کوانتومی، دلیل انگیزش ایده یک کامپیوتر کوانتومی، چه کسانی (کدام کشورها و شرکت ها) در حال حاضر بازیگران پیشرو در این زمینه هستند، می پردازیم و همچنین به طور خلاصه صحبت خواهیم کرد. در مورد مسیرهای اصلی توسعه محاسبات کوانتومی.
همه اینا چطور شروع شد
نقطه شروع دوران کوانتومی سال 1900 در نظر گرفته می شود، زمانی که M. Planck برای اولین بار مطرح کرد. که انرژی ساطع و جذب می شود نه به طور مداوم، بلکه در کوانتا (بخش های) جداگانه. این ایده توسط بسیاری از دانشمندان برجسته آن زمان - بور، انیشتین، هایزنبرگ، شرودینگر انتخاب و توسعه داده شد، که در نهایت منجر به ایجاد و توسعه چنین علمی شد. . مطالب خوب زیادی در اینترنت در مورد شکل گیری فیزیک کوانتومی به عنوان یک علم وجود دارد؛ در این مقاله به تفصیل به این موضوع نمی پردازیم، اما لازم بود تاریخ ورود به دوره جدید کوانتومی را مشخص کنیم.
فیزیک کوانتومی اختراعات و فناوری‌های بسیاری را وارد زندگی روزمره ما کرده است که بدون آنها تصور دنیای اطراف دشوار است. به عنوان مثال، لیزری که اکنون در همه جا استفاده می شود، از لوازم خانگی (سطوح لیزر و غیره) گرفته تا سیستم های پیشرفته (لیزرهای اصلاح بینایی، سلام) ). منطقی است که فرض کنیم دیر یا زود کسی به این ایده می رسد که چرا از سیستم های کوانتومی برای محاسبات استفاده نکنیم. و سپس در سال 1980 این اتفاق افتاد.
ویکی پدیا نشان می دهد که اولین ایده محاسبات کوانتومی در سال 1980 توسط دانشمند ما یوری مانین بیان شد. اما آنها واقعاً در سال 1981 شروع به صحبت در مورد آن کردند، زمانی که R. Feynman معروف بود ، اشاره کرد که شبیه سازی تکامل یک سیستم کوانتومی در یک کامپیوتر کلاسیک به روشی کارآمد غیرممکن است. او یک مدل ابتدایی را پیشنهاد کرد ، که قادر به انجام چنین مدل سازی خواهد بود.
وجود دارد ، که در آن به صورت آکادمیک و با جزئیات بیشتر در نظر گرفته شده است، اما به طور خلاصه به آن می پردازیم:
نقاط عطف مهم در تاریخ ایجاد کامپیوترهای کوانتومی:
- [1994]. P. Shore. طراحی شده توسط
- [1998]. ایجاد شده
- [2001]. IBM اجرا را معرفی کرد برای گسترش شماره 15
- [2007-2016]. کامپیوتری با 128-2000 کیوبیت ایجاد و توسعه می دهد
- [2012]. در دانشگاه کالیفرنیا اجرا شد
- [2016]. گوگل روی یک کامپیوتر 9 کیوبیتی
- [2017]. (سه اتم)
- [2019]. . کامپیوتر 20 کیوبیتی در فضای ابری
- [2019]. . کامپیوتر 53 کیوبیت. ?
همانطور که می بینید، ۱۷ سال (از ۱۹۸۱ تا ۱۹۹۸) از لحظه اجرای ایده تا اولین اجرای آن در کامپیوتری با ۲ کیوبیت و ۲۱ سال (از سال ۱۹۹۸ تا ۲۰۱۹) تا لحظه افزایش تعداد کیوبیت ها می گذرد. به 17. 1981 سال (از 1998 تا 2) طول کشید تا نتیجه الگوریتم شور (کمی بعد با جزئیات بیشتر به آن نگاه خواهیم کرد) از عدد 21 به 1998 بهبود یافت. همچنین فقط سه سال پیش به این نقطه رسیدیم که پیاده سازی آنچه فاینمن در مورد آن صحبت کرد، و یادگیری مدل سازی ساده ترین سیستم های فیزیکی.
توسعه محاسبات کوانتومی کند است. دانشمندان و مهندسان با وظایف بسیار دشواری روبرو هستند، حالات کوانتومی بسیار کوتاه و شکننده هستند، و برای حفظ آنها به اندازه کافی برای انجام محاسبات، مجبورند تابوت هایی با هزینه ده ها میلیون دلار بسازند که در آن دما حفظ شود. درست بالاتر از صفر مطلق، و حداکثر در برابر تأثیرات خارجی محافظت می شوند. در ادامه در مورد این وظایف و مشکلات با جزئیات بیشتری صحبت خواهیم کرد.
بازیکنان پیشرو
اسلایدهای این بخش از مقاله گرفته شده است ، از محقق الکسی فدوروف. اجازه بدهید به شما نقل قول های مستقیم بدهم:
همه کشورهای موفق از نظر فناوری در حال حاضر به طور فعال در حال توسعه فناوری های کوانتومی هستند. سرمایه هنگفتی در این تحقیق سرمایه گذاری می شود و برنامه های ویژه ای برای پشتیبانی از فناوری های کوانتومی در حال ایجاد است.
نه تنها ایالت ها، بلکه شرکت های خصوصی نیز در مسابقه کوانتومی شرکت می کنند. در مجموع، گوگل، آی‌بی‌ام، اینتل و مایکروسافت اخیراً حدود 0,5 میلیارد دلار در توسعه رایانه‌های کوانتومی سرمایه‌گذاری کرده‌اند و آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بزرگی ایجاد کرده‌اند.
مقالات زیادی در مورد Habré و در اینترنت وجود دارد، به عنوان مثال، , и ، که در آن وضعیت فعلی با توسعه فناوری های کوانتومی در کشورهای مختلف با جزئیات بیشتری مورد بررسی قرار گرفته است. نکته اصلی در حال حاضر برای ما این است که همه کشورها و بازیگران پیشرو از نظر فناوری توسعه یافته مبالغ هنگفتی را برای تحقیق در این راستا سرمایه‌گذاری می‌کنند، که امید به خروج از بن بست تکنولوژیکی فعلی را می‌دهد.
جهات توسعه
در حال حاضر (ممکن است اشتباه کنم، مرا تصحیح کنید) تلاش های اصلی (و نتایج کم و بیش قابل توجه) همه بازیکنان پیشرو در دو زمینه متمرکز شده است:
- کامپیوترهای کوانتومی تخصصی، که با هدف حل یک مسئله خاص، به عنوان مثال، یک مسئله بهینه سازی هستند. نمونه ای از یک محصول کامپیوترهای کوانتومی D-Wave هستند.
- کامپیوترهای کوانتومی جهانی - که قادر به پیاده سازی الگوریتم های کوانتومی دلخواه (شور، گروور و غیره) هستند. پیاده سازی از IBM، Google.
بردارهای توسعه دیگری که فیزیک کوانتومی به ما می دهد، مانند:
- به عنوان پایه ای برای
- و خیلی بیشتر
البته در فهرست حوزه های تحقیق نیز قرار دارد، اما در حال حاضر به نظر می رسد که نتایج کم و بیش قابل توجهی وجود نداشته باشد.
علاوه بر این می توانید بخوانید خوب گوگل کن"، مثلا، , и .
مبانی. جسم کوانتومی و سیستم های کوانتومی
مهمترین چیزی که از این بخش می توان فهمید این است که
کامپیوتر کوانتومی (بر خلاف معمول) به عنوان حامل اطلاعات استفاده می کند اجسام کوانتومیو برای انجام محاسبات، اجسام کوانتومی باید به هم متصل شوند سیستم کوانتومی.
شی کوانتومی چیست؟
جسم کوانتومی - یک شی از جهان خرد (جهان کوانتومی) که ویژگی های کوانتومی را نشان می دهد:
- یک حالت تعریف شده با دو سطح مرزی دارد
- تا لحظه اندازه گیری در حالت برهم نهی قرار دارد
- برای ایجاد سیستم های کوانتومی خود را با اشیاء دیگر درگیر می کند
- قضیه عدم شبیه سازی را برآورده می کند (وضعیت یک شی را نمی توان کپی کرد)
بیایید هر ملک را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم:
دارای یک حالت تعریف شده با دو سطح مرزی (حالت پایانی)
یک نمونه کلاسیک در دنیای واقعی یک سکه است. حالت "جانبی" دارد که دو سطح مرزی را به خود اختصاص می دهد - "سر" و "دم".
تا لحظه اندازه گیری در حالت برهم نهی قرار دارد
سکه ای انداختند، پرواز می کند و می چرخد. در حالی که در حال چرخش است، نمی توان گفت که حالت "سمت" آن در کدام یک از سطوح مرزی قرار دارد. اما به محض اینکه آن را پایین می آوریم و به نتیجه نگاه می کنیم، برهم نهی حالت ها بلافاصله به یکی از دو حالت مرزی سقوط می کند - "سر" و "دم". زدن سکه در مورد ما یک اندازه گیری است.
برای ایجاد سیستم های کوانتومی خود را با اشیاء دیگر درگیر می کند
با یک سکه سخت است، اما بیایید تلاش کنیم. تصور کنید سه سکه پرتاب کردیم تا چسبیده به هم بچرخند، این شعبده بازی با سکه است. در هر لحظه از زمان، نه تنها هر یک از آنها در یک برهم نهی از حالت ها قرار می گیرند، بلکه این حالت ها متقابلاً بر یکدیگر تأثیر می گذارند (سکه ها با هم برخورد می کنند).
قضیه عدم شبیه سازی را برآورده می کند (وضعیت یک شی را نمی توان کپی کرد)
در حالی که سکه ها در حال پرواز و چرخش هستند، هیچ راهی وجود ندارد که بتوانیم یک کپی از وضعیت چرخش هر یک از سکه ها جدا از سیستم ایجاد کنیم. این سیستم در درون خود زندگی می کند و به انتشار هر گونه اطلاعاتی در جهان خارج بسیار حسادت می کند.
چند کلمه بیشتر در مورد خود مفهوم "ابرجا"، تقریباً در همه مقالات برهم نهی به صورت توضیح داده شده است "در همه ایالت ها همزمان است" که البته درست است، اما گاهی اوقات بی جهت گیج کننده است. برهم نهی حالت ها را نیز می توان به عنوان این واقعیت تصور کرد که در هر لحظه از زمان یک جسم کوانتومی دارد احتمال فروپاشی در هر یک از سطوح مرزی آن وجود دارد و در مجموع این احتمالات به طور طبیعی برابر با 1 است.. بعداً هنگام در نظر گرفتن کیوبیت، با جزئیات بیشتری در مورد آن صحبت خواهیم کرد.
برای سکه ها، این را می توان تجسم کرد - بسته به سرعت اولیه، زاویه پرتاب، وضعیت محیطی که در آن سکه در حال پرواز است، در هر لحظه احتمال به دست آوردن "سر" یا "دم" متفاوت است. و همانطور که قبلاً ذکر شد، وضعیت چنین سکه‌ای در حال پرواز را می‌توان به این صورت تصور کرد که "در همه حالات مرزی آن به طور همزمان وجود دارد، اما با احتمالات مختلف اجرای آنها".
هر شیئی که ویژگی های فوق برای آن رعایت شده باشد و بتوانیم آن را ایجاد و کنترل کنیم می تواند به عنوان حامل اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی استفاده شود.
کمی بیشتر در مورد وضعیت فعلی در مورد اجرای فیزیکی کیوبیت ها به عنوان اجسام کوانتومی و آنچه دانشمندان اکنون در این ظرفیت استفاده می کنند صحبت خواهیم کرد.
بنابراین خاصیت سوم بیان می کند که اجسام کوانتومی می توانند برای ایجاد سیستم های کوانتومی در هم پیچیده شوند. سیستم کوانتومی چیست؟
سیستم کوانتومی - سیستمی از اجسام کوانتومی درهم تنیده با خواص زیر:
- یک سیستم کوانتومی در برهم نهی همه حالات ممکن اجسامی است که از آنها تشکیل شده است
- اطلاع از وضعیت سیستم تا لحظه اندازه گیری غیرممکن است
- در لحظه اندازه گیری، سیستم یکی از انواع احتمالی حالت های مرزی خود را پیاده سازی می کند
(و کمی به جلو نگاه کن)
نتیجه برنامه های کوانتومی:
- یک برنامه کوانتومی دارای یک وضعیت معین از سیستم در ورودی، یک برهم نهی در داخل، یک برهم نهی در خروجی است.
- در خروجی برنامه پس از اندازه گیری، اجرای احتمالی یکی از حالت های نهایی احتمالی سیستم (به علاوه خطاهای احتمالی) را داریم.
- هر برنامه کوانتومی دارای معماری دودکش است (ورودی -> خروجی. هیچ حلقه ای وجود ندارد، شما نمی توانید وضعیت سیستم را در وسط فرآیند مشاهده کنید.)
مقایسه کامپیوتر کوانتومی و معمولی
حال بیایید یک کامپیوتر معمولی و یک کامپیوتر کوانتومی را با هم مقایسه کنیم.
| کامپیوتر معمولی | کامپیوتر کوانتومی | |
|
منطق
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>، a^2+b^2=1` |
|
فیزیک
|
ترانزیستور نیمه هادی | جسم کوانتومی |
|
حامل اطلاعات
|
سطوح ولتاژ | قطبش، اسپین، … |
|
عملیات
|
NOT، AND، OR، XOR روی بیت ها | سوپاپ: CNOT، هادامارد، … |
|
ارتباط
|
تراشه نیمه هادی | سردرگمی با یکدیگر |
|
الگوریتم ها
|
استاندارد (به شلاق مراجعه کنید) | ویژه (شور، گروور) |
|
اصل
|
دیجیتال، قطعی | آنالوگ، احتمالی |
سطح منطقی
در یک کامپیوتر معمولی این مقدار کمی است. از طریق و از طریق ما به خوبی شناخته شده است بیت قطعی. می تواند مقادیر 0 یا 1 را بگیرد. کاملاً با نقش کنار می آید واحد منطقی برای یک کامپیوتر معمولی، اما برای توصیف وضعیت کاملاً نامناسب است جسم کوانتومی، که همانطور که قبلاً گفتیم در طبیعت در آن قرار داردبرهم نهی حالت های مرزی آنها.
این چیزی است که آنها به آن رسیده اند . در حالت های مرزی خود حالت هایی مشابه 0 و 1 را درک می کند ، و در برهم نهی نشان می دهد توزیع احتمال بر روی حالت های مرزی آن |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a و b نشان دهنده و مربع های ماژول های آنها احتمالات واقعی بدست آوردن دقیقاً چنین مقادیری از حالت های مرزی است. |0> и |1>, اگر همین الان کیوبیت را با یک اندازه گیری جمع کنید.
لایه فیزیکی
در سطح کنونی توسعه فناوری، پیاده سازی فیزیکی یک بیت برای یک کامپیوتر معمولی است ترانزیستور نیمه هادیهمانطور که قبلاً گفتیم برای کوانتوم، هر جسم کوانتومی. در بخش بعدی در مورد آنچه که در حال حاضر به عنوان رسانه فیزیکی برای کیوبیت ها استفاده می شود صحبت خواهیم کرد.
محیط ذخیره سازی
برای یک کامپیوتر معمولی این است برق - سطوح ولتاژ، وجود یا عدم وجود جریان و غیره برای کوانتومی - یکسان است حالت یک جسم کوانتومی (جهت قطبش، اسپین و غیره) که ممکن است در حالت برهم نهی باشد.
عملیات
برای پیاده سازی مدارهای منطقی بر روی یک کامپیوتر معمولی، ما از شناخته شده استفاده می کنیم ، برای عملیات روی کیوبیت ها لازم بود یک سیستم کاملاً متفاوت از عملیات به نام ارائه شود . بسته به اینکه چند کیوبیت در حال تبدیل شدن است، گیت ها می توانند تک کیوبیت یا دو کیوبیت باشند.
نمونه هایی از دروازه های کوانتومی:
یک مفهوم وجود دارد مجموعه دریچه های جهانی، که برای انجام هر گونه محاسبه کوانتومی کافی هستند. به عنوان مثال، یک مجموعه جهانی شامل یک گیت هادامارد، یک گیت تغییر فاز، یک گیت CNOT و یک گیت π⁄8 است. با کمک آنها می توانید هر گونه محاسبه کوانتومی را بر روی یک مجموعه دلخواه از کیوبیت ها انجام دهید.
در این مقاله به طور مفصل به سیستم دروازه‌های کوانتومی نمی‌پردازیم؛ برای مثال، می‌توانید درباره آنها و عملیات منطقی کیوبیت‌ها بیشتر بخوانید. . نکته اصلی که باید به خاطر بسپارید:
- عملیات روی اجسام کوانتومی مستلزم ایجاد عملگرهای منطقی جدید (دروازه های کوانتومی) است.
- دروازه های کوانتومی در انواع تک کیوبیتی و دو کیوبیتی وجود دارند.
- مجموعه‌ای از گیت‌های جهانی وجود دارد که می‌توان از آنها برای انجام هر محاسبات کوانتومی استفاده کرد
ارتباط
یک ترانزیستور برای ما کاملاً بی فایده است؛ برای انجام محاسبات باید ترانزیستورهای زیادی را به یکدیگر متصل کنیم، یعنی از میلیون ها ترانزیستور یک تراشه نیمه هادی ایجاد کنیم که بر روی آن مدارهای منطقی بسازیم. و در نهایت یک پردازنده مدرن به شکل کلاسیک خود دریافت کنید.
یک کیوبیت نیز برای ما کاملاً بی فایده است (خوب، اگر فقط از نظر دانشگاهی)،
برای انجام محاسبات به سیستمی از کیوبیت ها (اجرای کوانتومی) نیاز داریم.
که همانطور که قبلاً گفتیم با درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها با یکدیگر ایجاد می‌شود تا تغییرات در حالات آنها به طور هماهنگ رخ دهد.
الگوریتم ها
الگوریتم‌های استانداردی که بشر تا به امروز جمع‌آوری کرده است، برای پیاده‌سازی در رایانه‌های کوانتومی کاملاً نامناسب هستند. بله، در کل نیازی نیست. کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر منطق گیت بر روی کیوبیت ها نیازمند ایجاد الگوریتم های کاملاً متفاوت، الگوریتم های کوانتومی هستند. از شناخته شده ترین الگوریتم های کوانتومی، سه الگوریتم را می توان تشخیص داد:
- (فاکتورسازی)
- (جستجوی سریع در یک پایگاه داده نامرتب)
- (پاسخ به سوال، تابع ثابت یا متعادل)
اصل
و مهمترین تفاوت اصل کار است. برای یک کامپیوتر استاندارد این است دیجیتال، اصل کاملا قطعی، بر این اساس که اگر مقداری از حالت اولیه سیستم را تنظیم کنیم و آن را از طریق یک الگوریتم معین عبور دهیم، مهم نیست که چند بار این محاسبه را اجرا کنیم، نتیجه محاسبات یکسان خواهد بود. در واقع، این رفتار دقیقا همان چیزی است که ما از یک کامپیوتر انتظار داریم.
کامپیوتر کوانتومی روشن است آنالوگ، اصل احتمالی. نتیجه یک الگوریتم معین در یک حالت اولیه معین است نمونه از توزیع احتمال اجرای نهایی الگوریتم به اضافه خطاهای احتمالی
این ماهیت احتمالی محاسبات کوانتومی به دلیل جوهر احتمالی جهان کوانتومی است. "خدا با جهان تاس بازی نمی کند."انیشتین پیر گفت، اما تمام آزمایش‌ها و مشاهدات تاکنون (در پارادایم علمی کنونی) خلاف آن را تأیید می‌کند.
پیاده سازی فیزیکی کیوبیت ها
همانطور که قبلاً گفتیم، یک کیوبیت را می توان با یک شی کوانتومی، یعنی یک شی فیزیکی که ویژگی های کوانتومی توضیح داده شده در بالا را پیاده سازی می کند، نشان داد. یعنی به طور تقریبی، هر جسم فیزیکی که در آن دو حالت وجود داشته باشد و این دو حالت در حالت برهم نهی باشند، می توان برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی استفاده کرد.
"اگر بتوانیم یک اتم را در دو سطح مختلف قرار دهیم و آنها را کنترل کنیم، پس شما یک کیوبیت دارید. اگر بتوانیم این کار را با یک یون انجام دهیم، یک کیوبیت است. در مورد جریان هم همینطور است. اگر آن را همزمان در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت اجرا کنیم، شما یک کیوبیت خواهید داشت.
وجود دارد к ، که در آن انواع پیاده سازی های فیزیکی فعلی کیوبیت با جزئیات بیشتری در نظر گرفته شده است، ما به سادگی معروف ترین و رایج ترین آنها را فهرست می کنیم:
- و بسیاری از ایده های عجیب و غریب دیگر (آنیون ها و غیره)
از بین همه این تنوع، توسعه یافته ترین روش اول به دست آوردن کیوبیت ها بر اساس است . , , و دیگر بازیکنان پیشرو از آن برای ساخت سیستم های خود استفاده می کنند.
خوب، بیشتر بخوانید ممکن است کیوبیت از .
مبانی. چگونه یک کامپیوتر کوانتومی کار می کند
مطالب این بخش (وظیفه و تصاویر) از مقاله گرفته شده است .
بنابراین، تصور کنید که ما وظیفه زیر را داریم:
یک گروه سه نفره وجود دارد: (A)ndrey، (B)olodya و (C)erezha. دو تاکسی وجود دارد (0 و 1).
همچنین شناخته شده است که:
- (A)ndrey، (B)olodya دوستان هستند
- (A)ndrey، (C)erezha دشمن هستند
- (ب)الودیا و (ج)ایرزها دشمنند
وظیفه: افراد را در تاکسی قرار دهید تا مکس (دوستان) и حداقل (دشمنان)
امتیاز: L = (تعداد دوستان) - (تعداد دشمنان) برای هر گزینه اقامت
مهم: با فرض اینکه هیچ اکتشافی وجود ندارد، هیچ راه حل بهینه ای وجود ندارد. در این مورد، مشکل تنها با جستجوی کامل گزینه ها قابل حل است.
راه حل در یک کامپیوتر معمولی
نحوه حل این مشکل در یک کامپیوتر (یا کلاستر) معمولی (فوق العاده) - واضح است که شما باید از طریق تمام گزینه های ممکن حلقه بزنید. اگر یک سیستم چند پردازنده ای داشته باشیم، می توانیم محاسبه راه حل ها را در چندین پردازنده موازی کنیم و سپس نتایج را جمع آوری کنیم.
ما 2 گزینه اقامتی ممکن (تاکسی 0 و تاکسی 1) و 3 نفر داریم. فضای راه حل 2 ^ 3 = 8. حتی می توانید با استفاده از ماشین حساب از 8 گزینه عبور کنید، این مشکلی نیست. حالا بیایید مشکل را پیچیده کنیم - ما 20 نفر و دو اتوبوس داریم، فضای راه حل 2^20 = 1. هیچ چیز پیچیده ای هم نیست. بیایید تعداد افراد را 2.5 برابر افزایش دهیم - 50 نفر و دو قطار سوار شوید، فضای راه حل اکنون است 2^50 = 1.12 x 10^15. یک کامپیوتر (فوق العاده) معمولی در حال حاضر شروع به مشکلات جدی کرده است. بیایید تعداد افراد را 2 برابر کنیم، 100 نفر از قبل به ما می دهند 1.2 10 30^XNUMX گزینه های ممکن
همین است، این وظیفه را نمی توان در مدت زمان معقولی محاسبه کرد.
اتصال یک ابر کامپیوتر
قدرتمندترین کامپیوتر در حال حاضر شماره 1 است آن بهره وری 122 . بیایید فرض کنیم که برای محاسبه یک گزینه به 100 عملیات نیاز داریم، سپس برای حل مشکل 100 نفر نیاز داریم:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3×10^37 سال.
همان طور که ما می توانیم ببینیم با افزایش ابعاد داده های اولیه، فضای راه حل بر اساس قانون توان رشد می کنددر حالت کلی، برای N بیت ما 2^N گزینه راه حل ممکن داریم، که برای N نسبتا کوچک (100) یک فضای راه حل محاسبه نشده (در سطح فناوری فعلی) به ما می دهد.
آیا جایگزینی وجود دارد؟ همانطور که ممکن است حدس زده باشید، بله، وجود دارد.
اما قبل از اینکه به این موضوع بپردازیم که چگونه و چرا رایانه‌های کوانتومی می‌توانند به طور مؤثر مشکلاتی از این قبیل را حل کنند، اجازه دهید لحظه‌ای به خلاصه‌ای از آنها بپردازیم. توزیع احتمال. نگران نباشید، این یک مقاله مروری است، هیچ ریاضی سختی در اینجا وجود نخواهد داشت، ما به مثال کلاسیک با یک کیف و توپ بسنده می کنیم.
فقط کمی ترکیبات، نظریه احتمال و یک آزمایشگر عجیب
بیایید یک کیسه برداریم و در آن قرار دهیم 1000 توپ سفید و 1000 توپ سیاه. ما آزمایشی را انجام خواهیم داد - توپ را بیرون بیاوریم، رنگ را یادداشت کنیم، توپ را به کیسه برگردانیم و توپ ها را در کیسه مخلوط کنیم.
آزمایش 10 بار انجام شد، 10 توپ سیاه بیرون کشید. شاید؟ کاملا. آیا این نمونه تصور منطقی از توزیع واقعی در کیسه به ما می دهد؟ بدیهی است که نه. آنچه باید انجام شود - درست، صآزمایش را یک میلیون بار تکرار کنید و فرکانس توپ های سیاه و سفید را محاسبه کنید. مثلاً می گیریم 49.95٪ سیاه و 50.05٪ سفید. در این مورد، ساختار توزیعی که از آن نمونه برداری می کنیم (یک توپ) کم و بیش واضح است.
نکته اصلی درک آن است آزمایش خود ماهیت احتمالی دارد، با یک نمونه (توپ) ما ساختار واقعی توزیع را نمی دانیم، باید آزمایش را چندین بار تکرار کنیم و میانگین نتایج.
بیایید آن را به کیف خود اضافه کنیم 10 توپ قرمز و 10 توپ سبز (اشتباهات). بیایید آزمایش را 10 بار تکرار کنیم. که در5 تا قرمز و 5 تا سبز بیرون کشید. شاید؟ آره. ما می توانیم چیزی در مورد توزیع واقعی بگوییم - نه. آنچه باید انجام شود - خوب، شما می فهمید.
برای به دست آوردن درک درستی از ساختار یک توزیع احتمال، لازم است که به طور مکرر نتایج فردی را از این توزیع نمونه برداری کرده و نتایج را میانگین گیری کنید.
ارتباط نظریه با عمل
حالا به جای توپ های سیاه و سفید، توپ های بیلیارد را برداریم و در کیسه ای قرار دهیم 1000 توپ با شماره 2، 1000 با شماره 7 و 10 توپ با اعداد دیگر. بیایید آزمایش‌کننده‌ای را تصور کنیم که در ساده‌ترین اعمال آموزش دیده است (یک توپ را بیرون بیاورد، عدد را یادداشت کند، توپ را دوباره در کیسه بگذارد، توپ‌ها را در کیسه مخلوط کند) و این کار را در 150 میکروثانیه انجام می‌دهد. خب چنین آزمایشگر سرعت (نه تبلیغ دارو!!!). سپس در 150 ثانیه او قادر خواهد بود آزمایش ما را 1 میلیون بار انجام دهد و میانگین نتایج را در اختیار ما قرار دهید.
آنها آزمایشگر را نشستند، کیسه ای به او دادند، برگشتند، 150 ثانیه منتظر ماندند و دریافت کردند:
شماره 2 - 49.5٪، شماره 7 - 49.5٪، اعداد باقی مانده در کل - 1٪.
بله درست است، کیف ما یک کامپیوتر کوانتومی با الگوریتمی است که مشکل ما را حل می کند، و توپ ها راه حل های ممکن هستند. از آنجایی که دو راه حل صحیح وجود دارد، پس یک کامپیوتر کوانتومی هر یک از این راه حل های ممکن را با احتمال برابر و خطاهای 0.5٪ (10/2000) به ما می دهد.، که در ادامه در مورد آن صحبت خواهیم کرد.
برای به دست آوردن نتیجه یک کامپیوتر کوانتومی، باید الگوریتم کوانتومی را چندین بار روی یک مجموعه داده ورودی یکسان اجرا کنید و نتیجه را میانگین کنید.
مقیاس پذیری یک کامپیوتر کوانتومی
حال تصور کنید که برای یک کار شامل 100 نفر (فضای محلول 2^100 ما این را به یاد می آوریم)، همچنین تنها دو تصمیم صحیح وجود دارد. سپس، اگر 100 کیوبیت بگیریم و الگوریتمی بنویسیم که تابع هدف ما (L، نگاه کنید به بالا) را روی این کیوبیت ها محاسبه می کند، کیسه ای به دست می آید که در آن 1000 توپ با تعداد اولین پاسخ صحیح، 1000 عدد وجود دارد. تعداد پاسخ صحیح دوم و 10 توپ با اعداد دیگر. و در همان 150 ثانیه آزمایشگر ما تخمینی از توزیع احتمال پاسخ های صحیح را به ما می دهد..
زمان اجرای یک الگوریتم کوانتومی (با برخی مفروضات) را می توان با توجه به بعد فضای حل (1^N) ثابت O(2) در نظر گرفت.
و این دقیقاً ویژگی یک کامپیوتر کوانتومی است - ثبات زمان اجرا در رابطه با افزایش قانون توان پیچیدگی فضای راه حل کلیدی است.
کیوبیت و جهان های موازی
چگونه این اتفاق می افتد؟ چه چیزی به یک کامپیوتر کوانتومی اجازه می دهد تا اینقدر سریع محاسبات را انجام دهد؟ همه چیز در مورد ماهیت کوانتومی کیوبیت است.
ببینید، ما گفتیم که یک کیوبیت مانند یک جسم کوانتومی است با مشاهده یکی از دو حالت خود را درک می کند، اما در "طبیعت وحشی" در آن است برهم نهی ایالت ها، یعنی در هر دو حالت مرزی خود به طور همزمان (با مقداری احتمال) قرار دارد.
نگاهی به (اِ)دریا و حالت آن را (در کدام وسیله نقلیه است - 0 یا 1) به عنوان کیوبیت تصور کنید. سپس (در فضای کوانتومی) داریم دو دنیای موازی، در یک (آ) در تاکسی 0 می نشیند، در دنیایی دیگر - در تاکسی 1. در دو تاکسی همزمان، اما با مقداری احتمال یافتن آن در هر یک از آنها در هنگام مشاهده.
نگاهی به (ب) جوان و بیایید حالت آن را نیز به صورت کیوبیت تصور کنیم. دو جهان موازی دیگر بوجود می آیند. اما در حال حاضر این جفت دنیاها (آ) и (در) اصلا تعامل نکنید برای ایجاد چه کاری باید انجام شود مربوط سیستم؟ درست است، ما به این کیوبیت ها نیاز داریم گره زدن (گیج کردن). آن را می گیریم و گیج می کنیم (الف) با (ب) - یک سیستم کوانتومی دو کیوبیتی بدست می آوریم (الف، ب) درک در درون خود چهار وابسته به یکدیگر جهان های موازی اضافه کردن (S)ergey و ما یک سیستم سه کیوبیتی دریافت می کنیم (ABC) اجرای هشت وابسته به یکدیگر جهان های موازی
ماهیت محاسبات کوانتومی (اجرای زنجیره ای از دروازه های کوانتومی بر روی سیستمی از کیوبیت های متصل) این واقعیت است که محاسبه در تمام جهان های موازی به طور همزمان انجام می شود.
و مهم نیست که چند عدد از آنها داریم، 2^3 یا 2^100، الگوریتم کوانتومی در زمان محدود در تمام این جهان های موازی اجرا می شود و به ما نتیجه ای می دهد که نمونه ای از توزیع احتمال پاسخ های الگوریتم است.
برای درک بهتر، می توان آن را تصور کرد یک کامپیوتر کوانتومی در سطح کوانتومی 2^N فرآیند حل موازی را اجرا می کند، که هر کدام روی یک گزینه ممکن کار می کنند، سپس نتایج کار را جمع آوری می کنند - و پاسخ را در قالب برهم نهی از راه حل به ما می دهد (توزیع احتمال پاسخ ها)، که از آن هر بار (برای هر آزمایش) یک نمونه می گیریم.
زمان مورد نیاز آزمایشگر ما را به خاطر بسپارید (150 میکروثانیه) برای انجام آزمایش، زمانی که در مورد مشکلات اصلی رایانه‌های کوانتومی و زمان عدم پیوستگی صحبت می‌کنیم، این برای ما مفید خواهد بود.
الگوریتم های کوانتومی
همانطور که قبلاً ذکر شد، الگوریتم های مرسوم مبتنی بر منطق باینری برای رایانه های کوانتومی با استفاده از منطق کوانتومی (دروازه های کوانتومی) قابل اجرا نیستند. برای او، لازم بود موارد جدیدی ارائه شود که به طور کامل از پتانسیل ذاتی ماهیت کوانتومی محاسبات استفاده کند.
شناخته شده ترین الگوریتم های امروزی عبارتند از:
برخلاف کامپیوترهای کلاسیک، کامپیوترهای کوانتومی جهانی نیستند.
تنها تعداد کمی از الگوریتم های کوانتومی تاکنون یافت شده است.
سپاس ها برای پیوند به ، جایی که به گفته نویسنده () بهترین نمایندگان دنیای کوانتومی-الگوریتمی جمع آوری شده اند و همچنان جمع می شوند.
در این مقاله ما الگوریتم‌های کوانتومی را با جزئیات تجزیه و تحلیل نخواهیم کرد؛ مواد بسیار عالی در اینترنت برای هر سطحی از پیچیدگی وجود دارد، اما هنوز باید به طور خلاصه به سه مورد از معروف‌ترین آنها بپردازیم.
الگوریتم شور.
معروف ترین الگوریتم کوانتومی است (در سال 1994 توسط یک ریاضیدان انگلیسی اختراع شد ) که با هدف حل مسئله فاکتورگیری اعداد به عوامل اول (مسئله فاکتورسازی، لگاریتم گسسته) است.
وقتی می نویسند سیستم های بانکی و رمزهای عبور شما به زودی هک می شود، این الگوریتم است که به عنوان مثال ذکر می شود. با توجه به اینکه طول کلیدهای مورد استفاده امروزه کمتر از 2048 بیت نیست، زمان درپوش هنوز فرا نرسیده است.
تا به امروز بیش از متواضعانه بهترین نتایج فاکتورسازی با الگوریتم شور - اعداد и ، که بسیار کمتر از 2048 بیت است. برای نتایج باقی مانده از جدول، متفاوت است محاسبات، اما حتی بهترین نتیجه بر اساس این الگوریتم (291311) بسیار دور از کاربرد واقعی است.
برای مثال می‌توانید درباره الگوریتم Shor بیشتر بخوانید،. درباره اجرای عملی - .
یکی از پیچیدگی و توان لازم برای فاکتور یک عدد 2048 بیتی یک کامپیوتر با . ما آرام می خوابیم.
الگوریتم گروور
- حل مسئله شمارش، یعنی یافتن راه حل برای معادله F(X) = 1، جایی که F است از n متغیرها توسط یک ریاضیدان آمریکایی پیشنهاد شد в .
برای یافتن می توان از الگوریتم گروور استفاده کرد и سری اعداد علاوه بر این، می توان از آن برای حل استفاده کرد مشکلات از طریق جستجوی جامع در میان بسیاری از راه حل های ممکن. این ممکن است منجر به افزایش سرعت قابل توجهی در مقایسه با الگوریتم های کلاسیک شود، اگرچه بدون ارائه ""به طور کلی.
می توانید بیشتر بخوانیدیا . بیشتر توضیح خوبی در مورد الگوریتم با استفاده از مثال جعبه و توپ وجود دارد، اما، متأسفانه، به دلایلی خارج از کنترل کسی، این سایت برای من از روسیه باز نمی شود. اگر تو داری همچنین مسدود شده است، بنابراین یک خلاصه کوتاه در اینجا آمده است:
الگوریتم گروور تصور کنید که N قطعه از جعبه های بسته شماره دار دارید. همه آنها خالی هستند به جز یکی که حاوی یک توپ است. وظیفه شما: شماره جعبه ای که توپ در آن قرار دارد را بیابید (این عدد ناشناخته اغلب با حرف w نشان داده می شود).
چگونه این مسئله را می توان حل کرد؟ احمقانه ترین راه این است که به نوبت جعبه ها را باز کنید و دیر یا زود با جعبه ای با یک توپ مواجه می شوید. به طور متوسط، قبل از پیدا شدن یک جعبه با یک توپ، چند جعبه باید بررسی شود؟ به طور متوسط، شما باید حدود نیمی از جعبه های N/2 را باز کنید. نکته اصلی در اینجا این است که اگر تعداد جعبه ها را 100 برابر افزایش دهیم، میانگین تعداد جعبه هایی که باید قبل از پیدا شدن جعبه با توپ باز شوند نیز به همان 100 برابر افزایش می یابد.
حالا بیایید یک توضیح بیشتر بدهیم. بیایید خودمان با دستان خود جعبه ها را باز نکنیم و وجود یک توپ را در هر کدام بررسی کنیم، بلکه یک واسطه خاص وجود دارد، بیایید او را اوراکل بنامیم. ما به اوراکل می گوییم "چک کادر شماره 732" و اوراکل صادقانه چک می کند و پاسخ می دهد: "در جعبه شماره 732 توپی وجود ندارد." اکنون به جای اینکه بگوییم به طور متوسط چند جعبه باید باز کنیم، می گوییم "به طور متوسط چند بار باید به Oracle برویم تا تعداد جعبه با توپ را پیدا کنیم."
معلوم می شود که اگر این مشکل را با جعبه ها، توپ و اوراکل به زبان کوانتومی ترجمه کنیم، نتیجه قابل توجهی به دست می آید: برای یافتن تعداد یک جعبه با یک توپ در بین N جعبه، باید فقط در مورد SQRT اوراکل را مختل کنیم. (N) بار!
یعنی پیچیدگی کار جستجو با استفاده از الگوریتم گروور با جذر بار کاهش می یابد.
الگوریتم Deutsch-Jozi
الگوریتم Deutsch-Jozsa (همچنین به عنوان الگوریتم Deutsch-Jozsa نیز شناخته می شود) - [الگوریتم کوانتومی](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в و تبدیل به یکی از اولین نمونه های الگوریتم های طراحی شده برای اجرا شد . _
مشکل Deutsch-Jozsi تعیین این است که آیا تابعی از چندین متغیر باینری F(x1, x2, ... xn) ثابت است (برای هر آرگومان مقدار 0 یا 1 را می گیرد) یا متعادل (برای نیمی از دامنه ای که می گیرد). مقدار 0، برای نیمه دیگر 1). در این مورد، به طور پیشینی شناخته می شود که تابع یا ثابت یا متعادل است.
بیشتر می توان خواند . توضیح ساده تر:
الگوریتم Deutsch (Deutsch-Jozsi) بر اساس نیروی بی رحم است، اما اجازه می دهد تا آن را سریعتر از حد معمول انجام دهید. تصور کنید که یک سکه روی میز وجود دارد و باید بفهمید که آیا تقلبی است یا خیر. برای انجام این کار، باید دو بار به سکه نگاه کنید و تعیین کنید: "سر" و "دم" واقعی است، دو "سر"، دو "دم" جعلی است. بنابراین، اگر از الگوریتم کوانتومی Deutsch استفاده می کنید، می توان با یک نگاه - اندازه گیری - این تعیین را انجام داد.
مشکلات کامپیوترهای کوانتومی
هنگام طراحی و راه اندازی کامپیوترهای کوانتومی، دانشمندان و مهندسان با مشکلات زیادی روبرو هستند که تا به امروز با درجات مختلف موفقیت حل شده اند. مطابق با () مجموعه ای از مشکلات زیر را می توان شناسایی کرد:
- حساسیت به محیط و تعامل با محیط
- انباشته شدن خطاها در حین محاسبات
- مشکلات با مقداردهی اولیه حالت های کیوبیت
- مشکلات در ایجاد سیستم های چند کیوبیتی
خواندن مقاله را به شدت توصیه می کنم ""، به خصوص نظرات به آن.
بیایید تمام مشکلات اصلی را در سه گروه بزرگ سازماندهی کنیم و نگاهی دقیق تر به هر یک از آنها بیندازیم:
عدم انسجام
.
حالت کوانتومی چیز بسیار شکنندهکیوبیت ها در حالت درهم تنیده بسیار ناپایدار هستند، هر تأثیر خارجی می تواند (و می کند) این ارتباط را از بین ببرد. تغییر دما با کوچکترین کسری از درجه، فشار، یک فوتون تصادفی که در نزدیکی پرواز می کند - همه اینها سیستم ما را بی ثبات می کند.
برای حل این مشکل، تابوت‌های با دمای پایین ساخته شده‌اند که در آن دما (273.14- درجه سانتیگراد) کمی بالاتر از صفر مطلق است، با حداکثر انزوای محفظه داخلی با پردازنده از تمام تأثیرات (ممکن) محیط خارجی.
حداکثر طول عمر یک سیستم کوانتومی متشکل از چندین کیوبیت درهم تنیده، که در طی آن خواص کوانتومی خود را حفظ می کند و می توان از آن برای محاسبات استفاده کرد، زمان ناهمدوسی نامیده می شود.
در حال حاضر، زمان ناهمدوسی در بهترین راه حل های کوانتومی به ترتیب است ده ها و صدها میکروثانیه.
فوق العاده وجود دارد جایی که می توانید نگاه کنید از تمام سیستم های کوانتومی ایجاد شده این مقاله تنها شامل دو پردازنده برتر به عنوان نمونه است - از IBM و از . همانطور که می بینیم، زمان decoherence (T2) از 200 میکرو ثانیه تجاوز نمی کند.
من اطلاعات دقیقی در مورد Sycamore پیدا نکردم، اما در بیشتر موارد دو عدد داده شده است - 1 میلیون محاسبه در 200 ثانیه، جای دیگر - برای 130 ثانیه بدون از دست دادن سیگنال های کنترل و غیره.. در هر صورت این به ما می دهد زمان ناهمدوسی حدود 150 میکرو ثانیه است. ما را به خاطر بسپار آزمایشگر با کیف? خوب، او اینجاست.
| نام کامپیوتر | N کیوبیت | حداکثر جفت شد | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | 150-200 پوند |
عدم انسجام ما را با چه چیزی تهدید می کند؟
مشکل اصلی این است که پس از 150 میکروثانیه، سیستم محاسباتی ما از کیوبیت‌های درهم‌تنیده N شروع به تولید نویز سفید احتمالی به جای توزیع احتمالی راه‌حل‌های صحیح می‌کند.
یعنی نیاز داریم:
- سیستم کیوبیت را راه اندازی کنید
- انجام یک محاسبه (زنجیره ای از عملیات دروازه)
- نتیجه را بخوانید
و همه این کارها را در 150 میکروثانیه انجام دهید. من وقت نداشتم - نتیجه به کدو تنبل تبدیل شد.
اما این همه ماجرا نیست…
خطاها
همانطور که گفتیم ، فرآیندهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی ماهیت احتمالی دارند، ما نمی توانیم 100٪ از چیزی مطمئن باشیم، اما فقط با برخی احتمالات. وضعیت با این واقعیت تشدید می شود که محاسبات کوانتومی مستعد خطا است. انواع اصلی خطاها در محاسبات کوانتومی عبارتند از:
- خطاهای Decoherence ناشی از پیچیدگی سیستم و تعامل با محیط خارجی است
- خطاهای محاسباتی گیت (به دلیل ماهیت کوانتومی محاسبات)
- خطا در خواندن وضعیت نهایی (نتیجه)
خطاهای مرتبط با عدم انسجام، به محض اینکه کیوبیت های خود را در هم می بندیم و شروع به انجام محاسبات می کنیم ظاهر می شود. هر چه کیوبیت های بیشتری را در هم ببندیم، سیستم پیچیده تر می شودو نابود کردن آن آسان تر است. تابوت‌های با دمای پایین، اتاقک‌های محافظت‌شده، تمام این ترفندهای تکنولوژیکی دقیقاً با هدف کاهش تعداد خطاها و افزایش زمان عدم پیوستگی انجام می‌شوند.
خطاهای محاسباتی گیت - هر عملیات (دروازه) روی کیوبیت ها می تواند به احتمال زیاد با خطا به پایان برسد و برای اجرای الگوریتم باید صدها گیت انجام دهیم، بنابراین تصور کنید در پایان اجرای الگوریتم خود چه چیزی به دست می آوریم. پاسخ کلاسیک به این سوال این است که "احتمال ملاقات با دایناسور در آسانسور چقدر است؟" - 50x50، یا ملاقات خواهید کرد یا نه.
مشکل بیشتر با این واقعیت تشدید می‌شود که روش‌های تصحیح خطای استاندارد (تکراری محاسبات و میانگین‌گیری) به دلیل قضیه عدم شبیه‌سازی در دنیای کوانتومی کار نمی‌کنند. برای در محاسبات کوانتومی باید اختراع می شد . به طور کلی، ما N کیوبیت معمولی را می گیریم و 1 عدد از آنها می سازیم کیوبیت منطقی با ضریب خطای کمتر
اما در اینجا مشکل دیگری ایجاد می شود - تعداد کل کیوبیت ها. نگاه کنید، فرض کنید یک پردازنده با 100 کیوبیت داریم که 80 کیوبیت آن برای تصحیح خطا استفاده می شود، سپس فقط 20 کیوبیت برای محاسبات باقی مانده است.
خطا در خواندن نتیجه نهایی - همانطور که به یاد داریم، نتیجه محاسبات کوانتومی به شکلی به ما ارائه می شود توزیع احتمال پاسخ ها. اما خواندن حالت نهایی نیز ممکن است با خطا ناموفق باشد.
در همان جداول مقایسه ای از پردازنده ها بر اساس سطوح خطا وجود دارد. برای مقایسه، بیایید همان پردازنده‌های مثال قبلی را در نظر بگیریم - IBM и :
| کامپیوتر | 1-Qubit Gate Fidelity | 2Qubit Gate Fidelity | بازخوانی وفاداری |
| IBM Q System One | ٪۱۰۰ | ٪۱۰۰ | - |
| Google Sycamore | ٪۱۰۰ | ٪۱۰۰ | ٪۱۰۰ |
اینجا اندازه گیری شباهت دو حالت کوانتومی است. بزرگی خطا را می توان تقریباً به صورت 1-Fidelity بیان کرد. همانطور که می بینیم، خطاها در گیت های 2 کیوبیتی و خطاهای بازخوانی مانع اصلی برای اجرای الگوریتم های پیچیده و طولانی در رایانه های کوانتومی موجود هستند.
بیشتر می توان خواند سال از برای حل مشکل تصحیح خطا
معماری پردازنده
در تئوری ما می سازیم و کار می کنیم مدارهای ده ها کیوبیت درهم تنیده، در واقعیت همه چیز پیچیده تر است. تمام تراشه های کوانتومی (پردازنده) موجود به گونه ای ساخته شده اند که بدون درد ارائه می دهند درهم تنیدگی یک کیوبیت فقط با همسایگانش، که تعداد آنها بیش از شش نفر نیست.
اگر بخواهیم کیوبیت 1 را مثلاً با 12 درهم ببندیم، باید زنجیره ای از عملیات کوانتومی اضافی بسازید، شامل کیوبیت های اضافی و غیره است که سطح خطای کلی را افزایش می دهد. بله، و فراموش نکنید زمان عدم انسجام، شاید زمانی که اتصال کیوبیت ها را به مدار مورد نیاز خود تمام کنید، زمان به پایان برسد و کل مدار به مدار تبدیل شود. مولد نویز سفید زیبا.
همچنین این را فراموش نکنید معماری تمامی پردازنده های کوانتومی متفاوت استو برنامه ای که در شبیه ساز در حالت "اتصال همه به همه" نوشته شده است باید در معماری یک تراشه خاص "بازکامپایل" شود. حتی وجود دارد برای انجام این عملیات
حداکثر اتصال و حداکثر تعداد کیوبیت برای همان چیپ های برتر:
| نام کامپیوتر | N کیوبیت | حداکثر جفت شد | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | 150-200 پوند |
و برای مقایسه، جدول با داده های نسل قبلی پردازنده ها. تعداد کیوبیت‌ها، زمان ناهماهنگی و میزان خطا را با آنچه اکنون با نسل جدید داریم مقایسه کنید. با این حال، پیشرفت کند است، اما در حال حرکت است.
پس:
- در حال حاضر هیچ معماری کاملا متصل با بیش از 6 کیوبیت وجود ندارد
- برای درهم تنیدگی کیوبیت 0 ثانیه روی یک پردازنده واقعی، به عنوان مثال، کیوبیت 15 ممکن است به چندین عملیات اضافی نیاز داشته باشد.
- عملیات بیشتر -> خطاهای بیشتر -> نفوذ قوی تر از همدوسی
نمایش نتایج: از
Decoherence بستر Procrustean محاسبات کوانتومی مدرن است. ما باید همه چیز را در 150 میکرو ثانیه قرار دهیم:
- راه اندازی حالت اولیه کیوبیت ها
- محاسبه یک مسئله با استفاده از دروازه های کوانتومی
- اشتباهات را تصحیح کنید تا به نتایج معنادار برسید
- نتیجه را بخوانید
هرچند تا اینجا نتایج ناامیدکننده است ادعای دستیابی به زمان ماندگاری انسجام 0.5 ثانیه در یک کامپیوتر کوانتومی بر اساس :
ما زمان همدوسی کیوبیت را بیش از 0.5 ثانیه اندازه گیری می کنیم و با محافظ مغناطیسی انتظار داریم این زمان بیشتر از 1000 ثانیه بهبود یابد.
شما همچنین می توانید در مورد این فناوری مطالعه کنید یا مثلاً .
وضعیت با این واقعیت پیچیده تر می شود که هنگام انجام محاسبات پیچیده، لازم است از مدارهای تصحیح خطای کوانتومی استفاده شود، که هم زمان و هم کیوبیت های موجود را می خورد.
و در نهایت، معماری های مدرن اجازه اجرای طرح های درهم تنیدگی بهتر از 1 در 4 یا 1 در 6 را با حداقل هزینه نمی دهند.
راه های حل مسئله
برای حل مشکلات فوق، در حال حاضر از روش ها و روش های زیر استفاده می شود:
- استفاده از محفظه های سرد با دمای پایین (10 mK (273,14- درجه سانتیگراد))
- استفاده از واحدهای پردازشگر که حداکثر در برابر تأثیرات خارجی محافظت می شوند
- استفاده از سیستم های تصحیح خطای کوانتومی (لوجیک کیوبیت)
- استفاده از بهینه سازها هنگام برنامه ریزی مدارها برای یک پردازنده خاص
همچنین تحقیقاتی با هدف افزایش زمان ناپیوستگی، جستجوی پیاده‌سازی‌های فیزیکی جدید (و بهبود شناخته‌شده) اجسام کوانتومی، بهینه‌سازی مدارهای تصحیح و غیره و غیره در حال انجام است. پیشرفت وجود دارد (به ویژگی های تراشه های قبلی و امروزی نگاه کنید)، اما تا کنون کند، بسیار، بسیار کند است.
موج D
کامپیوتر 2000 کیوبیتی D-Wave 2000Q. منبع:
در میان اعلام گوگل مبنی بر دستیابی به برتری کوانتومی با استفاده از یک پردازنده 53 کیوبیتی، и از شرکت D-Wave که تعداد کیوبیت ها در آن هزاران است، تا حدودی گیج کننده است. خوب، واقعاً، اگر 53 کیوبیت توانست به برتری کوانتومی دست یابد، پس کامپیوتری با 2048 کیوبیت چه توانایی هایی دارد؟ اما همه چیز آنقدر خوب نیست ...
به طور خلاصه (برگرفته از ویکی):
کامپیوتر روی اصل کار کن () می تواند زیر کلاس بسیار محدودی از مسائل بهینه سازی را حل کند و برای پیاده سازی الگوریتم های کوانتومی سنتی و گیت های کوانتومی مناسب نیستند.
برای جزئیات بیشتر می توانید به عنوان مثال بخوانید , (مراقب باشید، ممکن است از روسیه باز نشود)، یا в از او . در ضمن، من به شدت توصیه می کنم به طور کلی وبلاگ او را بخوانید، مطالب خوبی در آنجا وجود دارد
به طور کلی، از همان ابتدای اعلامیه ها، جامعه علمی سوالاتی در مورد کامپیوترهای D-Wave داشت. به عنوان مثال، در سال 2014، IBM این واقعیت را زیر سوال برد که D-Wave کار به جایی رسید که در سال 2015 گوگل به همراه ناسا یکی از این کامپیوترهای کوانتومی را خریداری کردند و پس از تحقیق ، که بله، کامپیوتر سریعتر از یک کامپیوتر معمولی کار می کند و مشکل را محاسبه می کند. می توانید در مورد بیانیه گوگل بیشتر بخوانید و برای مثال .
نکته اصلی این است که کامپیوترهای D-Wave با صدها و هزاران کیوبیت نمی توانند برای محاسبه و اجرای الگوریتم های کوانتومی استفاده شوند. برای مثال نمی توانید الگوریتم Shor را روی آنها اجرا کنید. تنها کاری که آنها می توانند انجام دهند این است که از مکانیسم های کوانتومی خاصی برای حل یک مشکل بهینه سازی خاص استفاده کنند. ما می توانیم در نظر بگیریم که D-Wave یک ASIC کوانتومی برای یک کار خاص است.
کمی در مورد شبیه سازی کامپیوتر کوانتومی
محاسبات کوانتومی را می توان در یک کامپیوتر معمولی شبیه سازی کرد. در واقع، :
- حالت کیوبیت می تواند باشد عدد مختلطبسته به معماری پردازنده، از 2x32 تا 2x64 بیت (8-16 بایت) را اشغال می کند.
- وضعیت N کیوبیت متصل را می توان به صورت اعداد مختلط 2^N نشان داد، یعنی. 2^(3+N) برای معماری 32 بیتی و 2^(4+N) برای 64 بیتی.
- یک عملیات کوانتومی روی N کیوبیت را می توان با یک ماتریس 2^N x 2^N نشان داد.
سپس:
- برای ذخیره حالت های شبیه سازی شده 10 کیوبیت، 8 کیلوبایت نیاز است
- برای ذخیره حالت های 20 کیوبیت به 8 مگابایت نیاز دارید
- برای ذخیره حالت های 30 کیوبیت، 8 گیگابایت نیاز است
- 40 ترابایت برای ذخیره حالت های 8 کیوبیت مورد نیاز است
- برای ذخیره کردن حالت های 50 کیوبیت به 8 پتابایت و غیره نیاز است.
برای مقایسه () تنها 2.8 پتابایت حافظه دارد.
- 49 کیوبیت سال گذشته به بزرگترین ابررایانه چینی تحویل داده شد ()
حد شبیه سازی یک کامپیوتر کوانتومی در سیستم های کلاسیک با مقدار RAM مورد نیاز برای ذخیره وضعیت کیوبیت ها تعیین می شود.
خواندن را هم توصیه می کنم . از آنجا:
با عملیات - برای شبیه سازی دقیق یک مدار 49 کیوبیتی متشکل از 39 "سیکل" (لایه های مستقل از دروازه ها) 2^63 ضرب مختلط - 4 Pflops یک ابر رایانه به مدت 4 ساعت
شبیه سازی یک کامپیوتر کوانتومی 50+ کیوبیت در سیستم های کلاسیک در یک زمان معقول غیرممکن تلقی می شود. به همین دلیل است که گوگل از یک پردازنده 53 کیوبیتی برای آزمایش برتری کوانتومی خود استفاده کرد.
برتری محاسبات کوانتومی
ویکی پدیا تعریف زیر را از برتری محاسبات کوانتومی به ما ارائه می دهد:
برتری کوانتومی - توانایی دستگاه هایی برای حل مسائلی که رایانه های کلاسیک عملاً قادر به حل آنها نیستند.
در واقع دستیابی به برتری کوانتومی به این معناست که مثلاً فاکتورسازی اعداد بزرگ با استفاده از الگوریتم Shor را می توان در زمان کافی حل کرد یا مولکول های شیمیایی پیچیده را در سطح کوانتومی تقلید کرد و غیره. یعنی دوران جدیدی فرا رسیده است.
اما در بیان این تعریف خلأ وجود دارد، "که کامپیوترهای کلاسیک عملا نمی توانند آن را حل کنند" در واقع، این بدان معناست که اگر یک کامپیوتر کوانتومی 50+ کیوبیت ایجاد کنید و مدار کوانتومی را روی آن اجرا کنید، همانطور که در بالا توضیح دادیم، نتیجه این مدار را نمی‌توان در یک کامپیوتر معمولی شبیه‌سازی کرد. به این معنا که یک کامپیوتر کلاسیک نمی تواند نتیجه چنین مداری را بازسازی کند.
این که آیا چنین نتیجه ای برتری کوانتومی واقعی را تشکیل می دهد یا نه، یک سؤال فلسفی است. اما درک کنید که گوگل چه کاری انجام داده و بر چه چیزی استوار است لازم است.
بیانیه برتری کوانتومی گوگل
پردازنده 54 کیوبیتی Sycamore
بنابراین، در اکتبر 2019، توسعه دهندگان گوگل مقاله ای را در نشریه علمی Nature منتشر کردند." نویسندگان دستیابی به برتری کوانتومی را برای اولین بار در تاریخ با استفاده از پردازنده 54 کیوبیتی Sycamore اعلام کردند.
مقالات Sycamore آنلاین اغلب به یک پردازنده 54 کیوبیتی یا یک پردازنده 53 کیوبیتی اشاره می کنند. حقیقت این است که با توجه به ، پردازنده از نظر فیزیکی از 54 کیوبیت تشکیل شده است که یکی از آنها کار نمی کند و از سرویس خارج شده است. بنابراین، در واقعیت ما یک پردازنده 53 کیوبیتی داریم.
همانجا در وب مطالب مربوط به این موضوع که درجه آنها متفاوت است به .
تیم محاسبات کوانتومی IBM بعداً این را بیان کرد . این شرکت ادعا می کند که یک کامپیوتر معمولی در بدترین حالت در 2,5 روز از عهده این کار بر می آید و پاسخ به دست آمده دقیق تر از یک کامپیوتر کوانتومی خواهد بود. این نتیجه گیری بر اساس نتایج یک تحلیل نظری از چندین روش بهینه سازی انجام شد.
و البته، در او من نمی توانستم از این جمله چشم پوشی کنم. خود به همراه تمامی لینک ها و طبق معمول، ارزش صرف وقت خود را دارند. روی هاب این سؤالات متداول، و حتماً نظرات را بخوانید، پیوندهایی به اسناد اولیه وجود دارد که قبل از اعلام رسمی به صورت آنلاین به بیرون درز کرده بودند.
گوگل واقعا چه کرد؟ برای درک دقیق، آرونسون را بخوانید، اما به طور خلاصه در اینجا:
البته می‌توانم به شما بگویم، اما احساس می‌کنم که احمق هستم. محاسبه به شرح زیر است: آزمایشگر یک مدار کوانتومی تصادفی C تولید می کند (یعنی یک دنباله تصادفی از دروازه های 1 کیوبیت و 2 کیوبیت بین نزدیکترین همسایگان، با عمق، به عنوان مثال، 20، که بر روی یک شبکه دو بعدی n عمل می کند. = 2-50 کیوبیت). سپس آزمايشگر C را به كامپيوتر كوانتومي مي فرستد و از آن مي خواهد كه C را به حالت اوليه 60 اعمال كند، نتيجه را بر اساس {0،0,1} اندازه گيري كند، يك دنباله مشاهده شده n-bit (رشته) را پس بفرستد و چندين را تكرار كند. هزاران یا میلیون ها بار در نهایت، آزمایشگر با استفاده از دانش خود از C، یک آزمایش آماری انجام می دهد تا ببیند آیا نتیجه با خروجی مورد انتظار از کامپیوتر کوانتومی مطابقت دارد یا خیر.
خیلی خلاصه:
- یک مدار تصادفی به طول 20 از 53 کیوبیت با استفاده از گیت ها ایجاد می شود
- مدار با حالت اولیه [0…0] برای اجرا شروع می شود
- خروجی مدار یک رشته بیت تصادفی است (نمونه)
- توزیع نتیجه تصادفی نیست (تداخل)
- توزیع نمونه های به دست آمده با نمونه مورد انتظار مقایسه شده است
- برتری کوانتومی را به پایان می رساند
یعنی گوگل یک مشکل مصنوعی را بر روی یک پردازنده 53 کیوبیتی پیاده سازی کرد و ادعای خود مبنی بر دستیابی به برتری کوانتومی را بر این واقعیت استوار می کند که تقلید چنین پردازنده ای در سیستم های استاندارد در یک زمان معقول غیرممکن است.
برای فهمیدن - این بخش به هیچ وجه از دستاورد گوگل نمی کاهدمهندسان واقعا عالی هستند و این سوال که آیا می توان این را برتری کوانتومی واقعی در نظر گرفت یا خیر، همانطور که قبلا ذکر شد، بیشتر فلسفی است تا مهندسی. اما باید درک کنیم که با دستیابی به چنین برتری محاسباتی، یک قدم به سمت توانایی اجرای الگوریتم Shor بر روی اعداد 2048 بیتی پیش نرفتیم.
خلاصه
کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی یک حوزه بسیار امیدوارکننده، بسیار جوان و تا کنون از نظر صنعتی کاربردی کمی از فناوری اطلاعات هستند.
توسعه محاسبات کوانتومی (روزی) به ما این امکان را می دهد که مسائل زیر را حل کنیم:
- مدل سازی سیستم های فیزیکی پیچیده در سطح کوانتومی
- به دلیل پیچیدگی محاسباتی روی یک کامپیوتر معمولی قابل حل نیست
مشکلات اصلی در ایجاد و راه اندازی کامپیوترهای کوانتومی:
- عدم انسجام
- خطاها (ناپیوستگی و گیت)
- معماری پردازنده (مدارهای کیوبیت کاملا متصل)
وضعیت فعلی:
- در واقع - همان آغاز .
- هنوز هیچ بهره برداری تجاری واقعی وجود ندارد (و مشخص نیست چه زمانی وجود خواهد داشت)
چه چیزی می تواند کمک کند:
- نوعی کشف فیزیکی که هزینه سیم کشی و عملکرد پردازنده ها را کاهش می دهد
- کشف چیزی که زمان عدم انسجام را به ترتیبی افزایش می دهد و/یا خطاها را کاهش می دهد.
به نظر من (نظر کاملا شخصی) در پارادایم علمی فعلی دانش، ما به موفقیت چشمگیری در توسعه فناوری های کوانتومی دست نخواهیم یافت، در اینجا ما به یک پیشرفت کیفی در برخی از زمینه های علوم بنیادی یا کاربردی نیاز داریم که به ایده ها و روش های جدید انگیزه می بخشد.
در این بین، ما در حال کسب تجربه در زمینه برنامه نویسی کوانتومی، جمع آوری و ایجاد الگوریتم های کوانتومی، آزمایش ایده ها و غیره و غیره هستیم. ما منتظر یک پیشرفت هستیم.
نتیجه
در این مقاله نقاط عطف اصلی در توسعه محاسبات کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی را مرور کردیم، اصل عملکرد آنها را بررسی کردیم، مشکلات اصلی مهندسین در توسعه و عملکرد پردازنده‌های کوانتومی را بررسی کردیم و همچنین به بررسی چند کیوبیتی پرداختیم. کامپیوترهای D در واقع هستند. Wave و گوگل اعلامیه اخیر برای دستیابی به برتری کوانتومی.
در پشت صحنه سوالات برنامه نویسی کامپیوترهای کوانتومی (زبان ها، رویکردها، روش ها و غیره) و سوالات مربوط به پیاده سازی فیزیکی خاص پردازنده ها، نحوه مدیریت، پیوند، خواندن و غیره کیوبیت ها باقی مانده است. شاید این موضوع مقاله یا مقالات بعدی باشد.
با تشکر از توجه شما، امیدوارم این مقاله برای کسی مفید باشد.
(C)
تقدیر و تشکر
برای تصحیح و نظرات در مورد متن منبع، و همچنین برای مقاله
برای نظرات غنی از اطلاعات در مورد و نه تنها به او، که تا حد زیادی به من کمک کرد تا این معما را بفهمم.
به تمامی نویسندگان مقالات و نشریاتی که از مطالب آنها در نگارش این مقاله استفاده شده است.
فهرست منابع
مقالات جاری از [انتشارات آکادمی ملی]
مقالات از Habr (به ترتیب تصادفی)
مقالات مرتب نشده (اما نه کمتر جالب) از اینترنت
دوره ها و سخنرانی ها
منبع: www.habr.com