Les ordinateurs quantiques et le calcul quantique — un nouveau , qui s'est ajouté à notre espace informationnel aux côtés de , et d'autres termes technologiques. Cependant, je n'ai pas réussi à trouver sur Internet de matériel qui m'aurait aidé à assembler le puzzle intitulé « comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ». Oui, il existe de nombreux travaux excellents, notamment sur Habr (voir ), dont les commentaires, comme c'est souvent le cas, sont encore plus informatifs et utiles, mais l'image dans ma tête, pour ainsi dire, ne se mettait pas en place.
Récemment, des collègues m'ont demandé : « Comprends-tu comment fonctionne un ordinateur quantique ? Peux-tu nous en parler ? » Et là j'ai réalisé que le problème de l'assemblage d'une image globale n'était pas seulement le mien.
En conséquence, une tentative a été faite de compiler des informations sur les ordinateurs quantiques en un schéma logique cohérent, dans lequel serait expliqué, à un niveau de base, sans plonger profondément dans les mathématiques et la structure du monde quantique,ce qu'est un ordinateur quantique, sur quels principes il fonctionne, et quels problèmes se posent aux scientifiques lors de sa création et de son exploitation.
Table des matières
Avertissement
L'auteur n'est pas un spécialiste du calcul quantique, et le public cible de l'article est constitué d'informaticiens similaires, non spécialistes quantiques, qui souhaitent également assembler une image intitulée « Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ». Pour cette raison, de nombreux concepts dans l'article sont délibérément simplifiés pour mieux comprendre les technologies quantiques à un niveau « de base », mais sans .
Dans cet article, des matériaux provenant d'autres sources sont utilisés à certains endroits, Partout où cela était possible, des liens directs et des indications vers l'original du texte, des tableaux ou des illustrations ont été insérés. Si j'ai oublié quelque chose (ou quelqu'un), écrivez – je le corrigerai.
Introduction
Dans ce chapitre, nous examinerons brièvement comment a commencé l'ère quantique, quelle a été la motivation derrière l'idée de l'ordinateur quantique, qui (quels pays et entreprises) sont actuellement les principaux acteurs dans ce domaine, et nous parlerons également brièvement des principales directions du développement de l'informatique quantique.
Comment tout a commencé
L'année 1900 est considérée comme le point de départ de l'ère quantique, lorsque M. Planck a proposé pour la première fois selon laquelle l'énergie est émise et absorbée non pas de manière continue, mais par des quanta (paquets). Cette idée a été reprise et développée par plusieurs éminents scientifiques de l'époque – Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, ce qui a finalement conduit à la création et au développement d'une science telle que Il existe de nombreux bons matériaux sur l'émergence de la physique quantique en tant que science sur Internet, dans cet article, nous ne nous attarderons pas sur cela, mais il était nécessaire de mentionner la date à laquelle nous sommes entrés dans la nouvelle ère quantique.
La physique quantique a apporté dans notre vie quotidienne de nombreuses inventions et technologies sans lesquelles il est maintenant difficile d'imaginer notre monde environnant. Par exemple, le laser, qui est maintenant utilisé partout, de l'électroménager (niveleurs laser, etc.) jusqu'aux systèmes technologiques avancés (lasers pour la correction de la vision, bienvenue ). Il serait logique de supposer que tôt ou tard, quelqu'un proposerait l'idée d'utiliser des systèmes quantiques pour les calculs. Et c'est en 1980 que cela s'est produit.
Wikipedia indique que la première idée des calculs quantiques a été proposée en 1980 par notre scientifique Yuri Manin. Mais on n'en a réellement parlé qu'en 1981, lorsque le célèbre R. Feynman, lors , a noté qu'il n'est pas possible de modéliser l'évolution d'un système quantique sur un ordinateur classique de manière efficace. Il a proposé un modèle élémentaire , qui sera capable de réaliser une telle simulation.
Sur le Net, il existe , dans lequel est abordée de manière plus académique et détaillée, nous allons nous contenter d'un aperçu :
Les principales étapes de l'histoire des ordinateurs quantiques :
- [1994]. P. Shor. Développement de
- [1998]. Premier ordinateur quantique à 2 qubits créé
- l'algorithme de Shor crée et développe un ordinateur avec 128-2000 qubits
- [2007-2016]. [2012]. À l'Université de Californie, l'algorithme de Shor pour le nombre 21 a été mis en œuvre
- [2016]. Google
- sur un ordinateur à 9 qubits (trois atomes)
- [2017]. . Ordinateur à 20 qubits dans le cloud
- [2019]. . Ordinateur à 53 qubits.
- [2019]. Comme vous pouvez le voir, il a fallu 17 ans (de 1981 à 1998) depuis l'idée jusqu'à sa première réalisation sur un ordinateur à 2 qubits, et 21 ans (de 1998 à 2019) jusqu'à ce que le nombre de qubits soit porté à 53. Il a fallu 11 ans (de 2001 à 2012) pour améliorer le résultat de l'exécution de l'algorithme de Shor (nous en parlerons plus en détail prochainement) du nombre 15 au nombre 21. Cela fait seulement trois ans que nous avons atteint le point où nous avons pu réaliser ce dont parlait Feynman, et apprendre à modéliser les systèmes physiques les plus simples. ?
Les diapositives pour cette section sont extraites de l'article
Ordinateur quantique : le grand jeu d'élévation. Conférence chez Yandex
Les acteurs principaux
, par le chercheur Alexey Fyodorov. Je me permets de citer directement : Alexey Fyodorov. Je me permets de citer directement :
Tous les pays technologiquement avancés se consacrent actuellement au développement des technologies quantiques. Des sommes énormes sont investies dans ces recherches, et des programmes spéciaux de soutien aux technologies quantiques sont créés.
La course quantique implique non seulement des États, mais aussi des entreprises privées. Au total, Google, IBM, Intel et Microsoft ont investi environ 0,5 milliard de dollars dans le développement d'ordinateurs quantiques récemment, créant de grands laboratoires et centres de recherche.
Sur Habr et sur Internet, il existe de nombreux articles, par exemple, , et , dans lesquels l'état actuel des choses concernant le développement des technologies quantiques dans différents pays est examiné plus en détail. Pour nous, il est essentiel que tous les principaux pays technologiquement avancés et les acteurs investissent d'énormes sommes d'argent dans la recherche dans ce domaine, ce qui offre l'espoir de sortir de l'impasse technologique actuelle.
Axes de développement
À l'heure actuelle (je peux me tromper, corrigez-moi) les principaux efforts (et résultats plus ou moins significatifs) de tous les acteurs principaux sont concentrés sur deux directions :
- Ordinateurs quantiques spécialisés, qui sont dirigés vers la résolution d'un problème spécifique particulier, par exemple, un problème d'optimisation. Un exemple de produit est les ordinateurs quantiques D-Wave.
- Ordinateurs quantiques universels — qui sont capables d'exécuter n'importe quel algorithme quantique (Shor, Grover, etc.). Réalisations d'IBM, Google.
D'autres vecteurs de développement que nous offre la physique quantique, tels que :
- comme base pour
- et bien plus encore
sont également sans aucun doute sur la liste des directions de recherche, mais il semble qu'il n'y ait pas encore de résultats plus ou moins significatifs à ce jour.
Vous pouvez également lire , et n'hésitez pas à rechercher "", par exemple, , et .
Fondamentaux. Objet quantique et systèmes quantiques
Le plus important à comprendre dans cette section, c'est que
L'ordinateur quantique (contrairement à l'ordinaire) utilise des objets quantiques, et pour effectuer des calculs, les objets quantiques doivent être liés dans un système quantique.
Qu'est-ce qu'un objet quantique ?
Un objet quantique est un objet du micro-monde (du monde quantique) qui manifeste des propriétés quantiques :
- Possède un état défini avec deux niveaux limites
- Est en superposition de son état jusqu'au moment de la mesure
- S'entrelace avec d'autres objets pour former des systèmes quantiques
- Elle applique le théorème d'interdiction du clonage (il est impossible de copier l'état d'un objet)
Examinons chaque propriété plus en détail :
Elle a un état défini avec deux niveaux limites (état final)
Un exemple classique du monde réel est une pièce de monnaie. Elle a un état "face", qui peut prendre deux niveaux limites - "pile" et "face".
Est en superposition de son état jusqu'au moment de la mesure
Nous lançons la pièce, elle vole et tourne. Tant qu'elle tourne, il est impossible de dire dans lequel de ses niveaux limites se trouve son état "face". Mais dès que nous l'attrapons et regardons le résultat, la superposition des états s'effondre instantanément en un de ses deux niveaux - "pile" ou "face". Attraper la pièce est ici la mesure.
S'entrelace avec d'autres objets pour former des systèmes quantiques
C'est compliqué avec la pièce, mais essayons. Imaginez que nous avons lancé trois pièces de façon à ce qu'elles tournent en se tenant l'une à l'autre, un jonglage avec des pièces. À chaque instant, non seulement chacune d'elles est en superposition d'états, mais ces états s'influencent mutuellement (les pièces se heurtent).
Elle applique le théorème d'interdiction du clonage (il est impossible de copier l'état d'un objet)
Tant que les pièces volent et tournent, nous ne pouvons en aucune manière créer une copie séparée de l'état tournant de l'une des pièces. Le système vit par lui-même et est très jaloux de délivrer des informations à l'extérieur.
Encore quelques mots sur la notion même de "superposition", dans pratiquement tous les articles, la superposition est expliquée comme "étant dans tous les états en même temps", ce qui est bien sûr vrai, mais parfois trop confus. La superposition des états peut également être représentée comme le fait qu'à chaque instant, un objet quantique a certaines probabilités d'effondrement dans chacun de ses niveaux limites, et en tout, ces probabilités sont naturellement égales à 1.Nous examinerons cela plus en détail en considérant le qubit.
Pour les pièces, cela peut être visualisé - en fonction de la vitesse initiale, de l'angle de lancer, de l'état de l'environnement dans lequel la pièce vole, à chaque instant, la probabilité d'obtenir "pile" ou "face" varie. Et, comme mentionné précédemment, l'état d'une telle pièce en vol peut être imaginé comme "étant dans tous ses états limites en même temps, mais avec une probabilité différente de réalisation".
Tout objet dont les propriétés mentionnées ci-dessus sont remplies et que nous pouvons créer et gérer peut être utilisé comme support d'information dans un ordinateur quantique.
Un peu plus loin, nous parlerons de l'état actuel de la réalisation physique des qubits en tant qu'objets quantiques et de ce que les scientifiques utilisent actuellement à ce titre.
Ainsi, la troisième propriété stipule que les objets quantiques peuvent s'entrelacer pour créer des systèmes quantiques. Qu'est-ce qu'un système quantique ?
Système quantique — un système d'objets quantiques intriqués, possédant les propriétés suivantes :
- Un système quantique est dans une superposition de tous les états possibles des objets qui le composent.
- On ne peut pas connaître l'état du système avant le moment de la mesure.
- Au moment de la mesure, le système réalise l'une des variantes possibles de ses états limites.
(et, pour aller un peu plus loin)
Conséquence pour les programmes quantiques:
- Un programme quantique a un état de système donné en entrée, une superposition à l'intérieur, une superposition à la sortie.
- À la sortie du programme après mesure, nous avons une réalisation probabiliste de l'un des états finaux possibles du système (plus d'éventuelles erreurs).
- Tout programme quantique a une architecture de pipeline (entrée -> sortie. Pas de boucles, on ne peut pas voir l'état du système au milieu du processus.)
Comparaison entre un ordinateur quantique et un ordinateur classique
Comparons maintenant un ordinateur classique et un quantique.
| Ordinateur classique | L'ordinateur quantique | |
Logique | 0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
Physique | Transistor à semi-conducteurs | Un objet quantique |
Support d'inf. | Niveaux de tension | Polarisation, spin,… |
Opérations | NOT, AND, OR, XOR sur des bits | Portes : CNOT, Hadamard,… |
Interconnexion | Puce à semi-conducteurs | Intrication entre elles |
Algorithmes | Standards (voir Knuth) | Spéciaux (Shor, Grover) |
Principe | Numérique, déterministe | Analogique, probabiliste |
Niveau logique
Dans un ordinateur classique, c'est un bit. Celui que nous connaissons parfaitement. bit déterministe.. Il peut prendre la valeur soit 0 soit 1. Il remplit parfaitement le rôle de unité logique pour un ordinateur classique, mais ne convient pas du tout pour décrire l'état de un objet quantique., qui, comme nous l'avons déjà dit, est dans un état desuperposition de ses états limites..
Pour cela, on a inventé le . Dans ses états limites, il réalise des états semblables à 0 et 1. , et en superposition, cela représente une distribution de probabilités sur ses états limites |0> et |1>:
a|0> + b|1>, tel que a² + b² = 1a et b représentant , et les carrés de leurs modules représentent les probabilité d'obtenir spécifiquement ces valeurs d'état limite |0> et |1>, si on mesure le qubit maintenant.
Niveau physique
Au niveau technologique actuel, la réalisation physique du bit pour un ordinateur classique est un transistor à semi-conducteur, pour un ordinateur quantique, comme nous l'avons déjà mentionné, tout objet quantique. Dans la section suivante, nous discuterons de ce qui est actuellement utilisé comme support physique des qubits.
Support d'information
Pour un ordinateur classique, c'est le courant électrique — niveaux de tension, présence ou absence de courant, etc., pour un ordinateur quantique — c'est l'état de l'objet quantique (direction de polarisation, spin, etc.), qui peut être dans un état de superposition.
Opérations
Pour réaliser des circuits logiques sur un ordinateur classique, on utilise des , mais pour les opérations sur les qubits, il a fallu inventer un tout autre système d'opérations, appelé . Les portes peuvent être à un ou deux qubits, selon le nombre de qubits sur lesquels la transformation est appliquée.
Exemples de portes quantiques :
Il existe un concept d'un ensemble universel de portes, suffisant pour effectuer tout calcul quantique. Par exemple, un ensemble universel comprend la porte de Hadamard, la porte de décalage de phase, la porte CNOT et la porte π/8. Avec elles, on peut effectuer n'importe quel calcul quantique sur un ensemble arbitraire de qubits.
Dans cet article, nous ne nous attarderons pas en détail sur le système de portes quantiques, mais on peut en lire davantage sur elles et sur les opérations logiques sur les qubits, par exemple, . L'essentiel à retenir :
- Les opérations sur les objets quantiques nécessitent la création de nouveaux opérateurs logiques (portes quantiques)
- Les portes quantiques peuvent être à un ou deux qubits
- Il existe des ensembles universels de portes, grâce auxquels il est possible d'effectuer n'importe quel calcul quantique
Interconnexion
Un seul transistor est complètement inutile pour effectuer des calculs ; nous devons connecter de nombreux transistors entre eux, c'est-à-dire créer une puce à semi-conducteurs composée de millions de transistors, sur lesquels nous pouvons ensuite construire des circuits logiques. et, en fin de compte, obtenir un processeur moderne dans sa forme classique.
Un seul qubit également ne nous est d'aucune utilité (sauf peut-être sur le plan académique),
pour effectuer des calculs, nous avons besoin d'un système de qubits (objets quantiques)
qui, comme nous l'avons déjà mentionné, est créé en intriquant les qubits entre eux de manière à ce que les changements dans leurs états se produisent de façon cohérente.
Algorithmes
Les algorithmes standards que l'humanité a accumulés jusqu'à présent ne conviennent pas du tout à une mise en œuvre sur un ordinateur quantique. De toute façon, il n'y a pas vraiment besoin. Les ordinateurs quantiques, basés sur une logique de portes quantiques, nécessitent la création d'algorithmes totalement différents, des algorithmes quantiques. Parmi les algorithmes quantiques les plus connus, nous pouvons en identifier trois :
- (factorisation)
- (recherche rapide dans une base de données non ordonnée)
- (réponse à la question, fonction constante ou équilibrée)
Principe
Et la principale différence réside dans le principe de fonctionnement. Pour un ordinateur standard, c'est un principe numérique, strictement déterministe, basé sur le fait que si nous avons défini un état initial d'un système et que nous l'avons passé à travers un algorithme donné, le résultat du calcul sera le même, peu importe le nombre de fois que nous lançons ce calcul. En réalité, ce comportement est précisément ce que nous attendons d'un ordinateur.
Un ordinateur quantique fonctionne selon un principe analogique et probabiliste.Le résultat du fonctionnement d'un algorithme donné, dans un état initial donné, représente un échantillon d'une distribution probabiliste de réalisations finales de l'algorithme plus les erreurs potentielles.
Cette nature probabiliste des calculs quantiques est déterminée par la nature même probabiliste du monde quantique. « Dieu ne joue pas aux dés avec l'univers », disait le vieux Einstein, mais tous les expériences et observations jusqu'à présent (dans le paradigme scientifique actuel) confirment le contraire.
Réalisations physiques des qubits
Comme nous l'avons déjà mentionné, un qubit peut être représenté par un objet quantique, c'est-à-dire un objet physique qui réalise les propriétés quantiques décrites ci-dessus. En d'autres termes, tout objet physique ayant deux états, où ces deux états sont en superposition, peut être utilisé pour construire un ordinateur quantique.
“Si nous savons placer un atome dans deux niveaux différents et les contrôler, alors voilà un qubit. Si nous pouvons le faire avec un ion, — un qubit. Avec un courant, c'est la même chose. Si nous le faisons tourner dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse en même temps, voilà un qubit.”
Oui sur , où la diversité actuelle des réalisations physiques du qubit est examinée plus en détail, nous allons simplement énumérer les méthodes les plus connues et répandues :
- et de nombreuses autres idées exotiques (anyons et autres)
Parmi toute cette diversité, la méthode la plus développée pour obtenir des qubits est basée sur . , , et d'autres acteurs majeurs utilisent précisément cette méthode pour construire leurs systèmes.
Et puis, lisez également des réalisations des qubits par .
Fondamentaux. Principe de fonctionnement d'un ordinateur quantique
Les matériaux pour cette section (problème et images) sont extraits de l'article .
Donc, imaginons que nous avons la tâche suivante :
Il y a un groupe de trois personnes : (A)ndrey, (B)olodia et (S)ereza. Il y a deux taxis (0 et 1).
On sait aussi que :
- (A)ndrey, (B)olodia — amis
- (A)ndrey, (S)ereza — ennemis
- (B)olodia et (S)ereza — ennemis
Tâche : Placer les personnes dans les taxis de sorte que Max(amis) et Min(enemies)
Évaluation : L = (nombre d'amis) — (nombre d'ennemis) pour chaque variante de placement
IMPORTANT : Supposons qu'il n'y a pas d'heuristique, qu'il n'y a pas de solution optimale. Dans ce cas, la tâche ne peut être résolue que par une exploration exhaustive des options.
Solution sur un ordinateur classique
Comment résoudre cette tâche sur un (super)ordinateur classique (ou un cluster) — il est clair que il faut parcourir en boucle toutes les variantes possibles. Si nous avons un système multiprocesseur, nous pouvons paralléliser le calcul des solutions sur plusieurs processeurs et ensuite rassembler les résultats.
Nous avons 2 options de placement (taxi 0 et taxi 1) et 3 personnes. Espace de solutions 2^3 = 8. Explorer 8 options est même possible avec une calculatrice, ce n'est pas un problème. Mais compliquons la tâche - nous avons 20 personnes et deux bus, l'espace de solutions 2^20 = 1 048 576. Rien de compliqué non plus. Augmentons le nombre de personnes de 2,5 fois - prenons 50 personnes et deux trains, l'espace de solutions maintenant 2^50 = 1,12 x 10^15. Un ordinateur classique (super) rencontre déjà de sérieux problèmes. Doublez le nombre de personnes, 100 personnes nous donneront 1,2 x 10^30 options possibles.
Voilà, il est impossible de calculer cette tâche dans un temps raisonnable.
Connectons un superordinateur
Le plus puissant ordinateur actuellement - numéro 1 des , c'est , avec une performance de 122 . Supposons qu'il nous faut 100 opérations pour calculer une option, alors pour résoudre ce problème pour 100 personnes, nous aurons besoin de :
(1,2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 années.
Comme nous le voyons, lorsque la dimension des données d'origine augmente, l'espace de solutions croît selon une loi exponentielle,en général, pour N bits, nous avons 2^N options possibles de solution, qui avec des N relativement petits (100) donnent un espace de solutions ingérable (au niveau technologique actuel).
Y a-t-il des alternatives ? Comme vous l'avez déjà deviné, oui, il y en a.
Mais avant de passer à la façon dont et pourquoi les ordinateurs quantiques permettent de résoudre efficacement de telles tâches, rappelons-nous un peu ce qu'est un distribution de probabilité. Ne vous inquiétez pas, cet article est une vue d'ensemble, il n'y aura pas de mathématiques rigoureuses, nous nous contenterons d'un exemple classique avec un sac et des billes.
Un tout petit peu de combinatoire, de théorie des probabilités et d'un expérimentateur étrange
Prenons un sac et mettons-y 1000 billes blanches et 1000 billes noires. Nous allons réaliser l'expérience - tirer une bille, enregistrer sa couleur, la remettre dans le sac et mélanger les billes.
Nous avons réalisé l'expérience 10 fois, nous avons tiré 10 billes noires.Est-ce possible ? Tout à fait. Cette échantillon nous donne-t-il une idée raisonnable de la véritable répartition dans le sac ? Évidemment, non. Que faut-il faire ? Correctement, il fautrépéter l'expérience un million de fois et calculer les fréquences des billes noires et blanches. Nous obtiendrons, par exemple 49,95 % de billes noires et 50,05 % de billes blanches.Dans ce cas, la structure de la distribution à partir de laquelle nous échantillonnons (nous prenons une bille) est déjà plus ou moins claire.
L'essentiel à comprendre, c'est que l'expérience elle-même a une nature probabiliste,avec un seul échantillon (une bille), nous ne connaîtrons pas la véritable structure de la distribution, nous devons répéter l'expérience plusieurs fois et faire la moyenne des résultats.
Ajoutons dans notre sac 10 billes rouges et 10 billes vertes (erreurs). Répétons l'expérience 10 fois. Nousavons tiré 5 billes rouges et 5 billes vertes.Est-ce possible ? Oui. Pouvons-nous dire quelque chose sur la véritable distribution ? Non. Que faut-il faire ? Eh bien, vous avez compris.
Pour comprendre la structure de la distribution probabiliste, il faut échantillonner plusieurs fois des résultats unitaires de cette distribution et faire la moyenne des résultats.
Reliant la théorie à la pratique,
maintenant au lieu de billes noires et blanches, prenons des billes de billard et mettons dans le sac 1000 billes numérotées 2, 1000 billes numérotées 7 et 10 billes avec d'autres numéros.Imaginez un expérimentateur qui connaît les actions les plus simples (prendre une bille, enregistrer le numéro, remettre la bille dans le sac, mélanger les billes dans le sac) et il le fait en 150 microsecondes. C'est un tel expérimentateur sous vitesse (pas de publicité pour les drogues !!!). Alors, en 150 secondes, il pourra réaliser notre expérience 1 million de fois et nous fournir les résultats moyens.
Nous avons assis l'expérimentateur, donné le sac, nous nous sommes détournés, attendu 150 secondes — nous avons obtenu :
numéro 2 — 49,5 %, numéro 7 — 49,5 %, les autres numéros au total — 1 %.
Oui, tout à fait, notre sac est un ordinateur quantique avec un algorithme résolvant notre problème,et les billes sont les solutions possibles. Puisque les solutions correctes sont deux, l'ordinateur quantique nous donnera aléatoirement l'une de ces solutions possibles, et 0,5 % (10/2000) d'erreurs,desquelles nous parlerons plus tard.
Pour obtenir le résultat du travail d'un ordinateur quantique, il faut exécuter plusieurs fois l'algorithme quantique sur le même ensemble de données d'entrée et faire la moyenne des résultats.
Scalabilité de l'ordinateur quantique.
Imaginez maintenant qu'il y a 100 personnes participant à une tâche (l'espace de solutions est 2^100. Nous nous en souvenons), il n'y a que deux solutions correctes. Alors, si nous prenons 100 qubits et écrivons un algorithme qui calcule notre fonction cible (L, voir ci-dessus) sur ces qubits, nous obtenons un sac contenant 1000 boules avec le numéro de la première réponse correcte, 1000 avec le numéro de la deuxième réponse correcte et 10 boules avec d'autres numéros. Et notre expérimentateur nous donnera une évaluation de la distribution de probabilité des réponses correctes en 150 secondes..
Le temps d'exécution de l'algorithme quantique (avec certaines hypothèses) peut être considéré comme constant O(1) par rapport à la dimension de l'espace des solutions (2^N).
Et c'est précisément cette propriété de l'ordinateur quantique — la constance du temps d'exécution par rapport à l'augmentation de la complexité de l'espace des solutions en loi de puissance qui est clé.
Qubit et mondes parallèles
Comment cela se passe-t-il ? Qu'est-ce qui permet à un ordinateur quantique d'effectuer des calculs si rapidement ? Tout est dans la nature quantique du qubit.
Regardez, nous avons dit que le qubit en tant qu'objet quantique réalise l'un de ses deux états lors de son observation, mais dans la “nature vivante”, il se trouve dans une superposition d'états, c'est-à-dire qu'il se trouve dans ses deux états limites en même temps (avec une certaine probabilité).
Prenons (A)ndrey et représentons son état (dans quel moyen de transport il est — 0 ou 1) comme un qubit. Nous avons alors (dans l'espace quantique) deux mondes parallèles, dans l'un (A) est assis dans un taxi 0, dans l'autre monde — dans un taxi 1. Il est simultanément dans deux taxis, mais avec une certaine probabilité de le trouver dans chacun d'eux lors de l'observation.
Prenons (V)olodia et représentons aussi son état comme un qubit. Deux autres mondes parallèles apparaissent. Mais tant que ces paires de mondes (A) et (V) n'interagissent pas. Que faut-il faire pour créer un système lié ? Correct, il faut relier ces qubits (intriquer) . Nous prenons et intriquons(A) avec (V) — nous obtenons un système quantique de deux qubits (A, V), réalisant en son sein quatre mondes parallèles interconnectés. Nous ajoutons (S)ergueï et obtenons un système de trois qubits (A, B, C), réalisant huit mondes parallèles. L'essence des calculs quantiques (la réalisation d'une chaîne de portes quantiques sur un système de qubits intriqués) est le fait que le calcul se produit dans tous les mondes parallèles simultanément. (S)ergueï mondes parallèles.
L'essence du calcul quantique (l'implémentation d'une chaîne de portes quantiques sur un système de qubits intriqués) réside dans le fait que le calcul se produit simultanément dans tous les mondes parallèles.
Et peu importe combien nous en avons, 2^3 ou 2^100, l'algorithme quantique s'exécutera en un temps fini dans tous ces mondes parallèles et nous donnera un résultat sous la forme d'un échantillon d'une distribution probabiliste des réponses de l'algorithme.
Pour mieux comprendre, on peut imaginer que l'ordinateur quantique lance au niveau quantique 2^N processus parallèles de résolution, chacun travaillant sur une possibilité, puis compile les résultats du travail — et nous fournit une réponse sous forme de superposition de solutions (distribution probabiliste des réponses), dont nous échantillonnerons une à chaque fois (à chaque expérience).
Souvenez-vous du temps nécessaire à notre expérimentateur (150 μs) pour réaliser l'expérience, cela nous sera utile un peu plus tard lorsque nous parlerons des principaux problèmes des ordinateurs quantiques et du temps de décohérence.
Algorithmes quantiques
Comme déjà mentionné, les algorithmes classiques basés sur la logique binaire ne sont pas applicables à un ordinateur quantique utilisant la logique quantique (portes quantiques). Il a fallu inventer de nouveaux algorithmes qui exploitent pleinement le potentiel inhérent à la nature quantique des calculs.
Les algorithmes les plus connus à ce jour sont :
Contrairement aux ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques ne sont pas universels.
Jusqu'à présent, seuls un petit nombre d'algorithmes quantiques ont été trouvés.
Merci pour le lien vers , un endroit où, selon l'auteur (), les meilleurs représentants du monde quantique des algorithmes sont réunis et continuent de l'être.
Dans cet article, nous ne allons pas examiner en détail les algorithmes quantiques, il existe de nombreux excellents matériaux en ligne pour tous les niveaux de difficulté, mais il est néanmoins nécessaire de survoler les trois les plus connus.
L'algorithme de Shor.
L'algorithme quantique le plus connu est (proposé en 1994 par le mathématicien anglais ), qui vise à résoudre le problème de la factorisation des nombres en facteurs premiers (problème de factorisation, logarithme discret).
C'est cet algorithme qui est cité en exemple lorsque l'on dit que vos systèmes bancaires et mots de passe seront bientôt piratés. Étant donné que la longueur des clés utilisées aujourd'hui est d'au moins 2048 bits, le temps pour la casquette n'est pas encore arrivé.
À ce jour plus que modestes. Les meilleures performances de factorisation grâce à l'algorithme de Shor – des nombres et , ce qui est bien inférieur à 2048 bits. Pour les autres résultats du tableau, un autre a été utilisé, mais même le meilleur résultat de cet algorithme (291311) est très loin d'une application réelle.
Pour en savoir plus sur l'algorithme de Shor, vous pouvez lire, par exemple,. Concernant la mise en œuvre pratique – .
L'un des de la complexité et de la puissance nécessaire pour factoriser un nombre de 2048 bits est un ordinateur avec . Dormons tranquilles.
L'algorithme de Grover
— de résolution de problème de recherche, c'est-à-dire trouver la solution de l'équation F(X) = 1, où F est à partir de n de variables. Proposé par le mathématicien américain dans .
L'algorithme de Grover peut être utilisé pour trouver et d'une série numérique. De plus, il peut être appliqué pour résoudre des par recherche exhaustive parmi un ensemble de solutions possibles. Cela pourrait entraîner un gain de vitesse considérable par rapport aux algorithmes classiques, même s'il ne fournit pas de «» de manière générale.
Pour en savoir plus, vous pouvez lire, ou . Il y a aussi une bonne explication de l'algorithme à l'aide d'exemples de boîtes et de balles, mais, malheureusement, pour des raisons indépendantes de ma volonté, ce site ne s'ouvre pas pour moi depuis la Russie. Si vous avez également bloqué, voici un bref résumé :
L'algorithme de Grover. Imaginez que vous avez N boîtes fermées numérotées. Elles sont toutes vides sauf une, où se trouve une balle. Votre tâche : découvrir le numéro de la boîte contenant la balle (ce numéro inconnu est souvent désigné par la lettre w).
Comment résoudre ce problème ? De la manière la plus simple, en ouvrant les boîtes une par une, et tôt ou tard, vous tomberez sur la boîte avec la balle. Combien de boîtes devez-vous en moyenne vérifier avant de trouver la boîte avec la balle ? En moyenne, il faut ouvrir environ la moitié des boîtes N/2. L'important ici est que si nous augmentons le nombre de boîtes par 100, le nombre moyen de boîtes à ouvrir avant de trouver celle avec la balle augmentera également de 100.
Maintenant, faisons une autre précision. Supposons que nous n'ouvrons pas nous-mêmes les boîtes et ne vérifions pas la présence d'une balle dans chacune, mais qu'il existe un intermédiaire, que nous appellerons l'Oracle. Nous disons à l'Oracle : « vérifiez la boîte numéro 732 », et l'Oracle vérifie honnêtement et répond « il n'y a pas de balle dans la boîte numéro 732 ». Au lieu de parler du nombre de boîtes que nous devons ouvrir en moyenne, nous nous demandons « combien de fois en moyenne devons-nous nous adresser à l'Oracle pour trouver le numéro de la boîte avec la balle ».
Il s'avère que si l'on traduit cette tâche avec des boîtes, une balle et un Oracle dans le langage quantique, on obtient un résultat remarquable : pour trouver le numéro de la boîte contenant la balle parmi N boîtes, il nous faut déranger l'Oracle seulement environ SQRT(N) fois !
C'est-à-dire que la complexité de la tâche de recherche en utilisant l'algorithme de Grover diminue d'un facteur racine carrée.
L'algorithme de Deutsch-Josza
L'algorithme de Deutsch-Josza (également mentionné comme algorithme de Deutsch-Joza) est [un algorithme quantique](), proposé), proposé et dans des ordinateurs quantiques. . _
On peut également lire
. Une explication plus simple : L'algorithme de Deutsch (Deutsch-Josza) est basé sur l'itération, mais permet de le faire plus rapidement que l'ordinaire. Imaginez qu'il y a une pièce sur la table et qu'il faut savoir si elle est fausse ou non. Pour cela, il faut regarder la pièce deux fois et déterminer : « pile » et « face » – vraie, deux « piles », deux « faces » – fausse. Ainsi, si l'on utilise l'algorithme quantique de Deutsch, cette détermination peut être faite d'un seul coup d'œil – par mesure.
Lors de la conception et de l'exploitation des ordinateurs quantiques, les scientifiques et les ingénieurs sont confrontés à un grand nombre de problèmes qui sont actuellement résolus avec un succès variable. Selon
Problèmes des ordinateurs quantiques
et aussi ici () on peut identifier les problèmes suivants :
- Sensibilité à l'environnement et interaction avec l'environnement
- Accumulation d'erreurs de calcul
- Difficultés d'initialisation des états des qubits
- Difficultés dans la création de systèmes multi-qubits
Je recommande fortement de lire l'article “”, en particulier les commentaires associés.
Organisons tous les principaux problèmes en trois grandes catégories et examinons chacune d'elles plus en détail :
Décohérence
.
État quantique une chose très fragile, les qubits dans un état intriqué sont extrêmement instables, toute influence extérieure peut détruire (et détruit) ce lien. Un changement de température d'une infime fraction de degré, la pression, un photon aléatoire passant à proximité — tout cela déstabilise notre système.
Pour résoudre ce problème, on construit des sarcophages à basse température, où la température (-273,14 degrés Celsius) est légèrement supérieure au zéro absolu, avec une isolation maximale de la chambre interne contenant le processeur de toutes les (potentielles) influences environnementales.
Le temps de vie maximal d'un système quantique composé de plusieurs qubits intriqués, pendant lequel il conserve ses propriétés quantiques et peut être utilisé pour effectuer des calculs, est appelé temps de décohérence.
À l'heure actuelle, le temps de décohérence dans les meilleures solutions quantiques est d'environ dizaines et centaines de microsecondes.
Il existe un excellent , sur lequel on peut voir de tous les systèmes quantiques créés. Dans cet article, seuls deux des processeurs les plus performants — de IBM et de . Comme nous le voyons, le temps de décohérence (T2) ne dépasse pas 200 µs.
Je n'ai pas trouvé de données précises sur Sycamore, mais dans l'article sur la suprématie quantique 1 million de calculs en 200 secondes , ailleurs — en130 secondes sans pertes sur les signaux de contrôle et autres . Dans tous les cas, cela nous donneun temps de décohérence d'environ 150 µs . Rappelez-vous notreexpérimentateur avec un sac Nom de l'ordinateur? Ну так вот он.
| N Qubits | Max jumelés | T2 (µs) | Quels sont les risques de la décohérence ? |
| Google Sycamore | 20 | 6 | 70 |
| Souveraineté quantique | 53 | 4 | ~150-200 |
Le principal problème est qu'après 150 µs, notre système de calcul composé de N qubits intriqués commencera à produire en sortie, au lieu d'une distribution probabiliste de solutions correctes — un bruit blanc probabiliste.
C'est-à-dire que nous devons :
Initialiser le système de qubits.
- Initier le système de qubits
- Effectuer un calcul (chaîne d'opérations de porte)
- Calculer le résultat
Et faire tout cela en 150 µs. Si vous ne le faites pas à temps, le résultat devient une citrouille.
Mais ce n'est pas tout…
Erreurs
Comme nous l'avons déjà mentionné, les processus quantiques et les calculs quantiques ont une nature probabiliste, nous ne pouvons être sûrs de rien à 100 %, mais seulement avec une certaine probabilité. La situation est aggravée par le fait que les calculs quantiques sont sujets à des erreurs. Les principaux types d'erreurs dans les calculs quantiques sont :
- Erreurs de décohérence, dues à la complexité du système et à l'interaction avec l'environnement extérieur
- Erreurs de calculs des portes (dûes à la nature quantique des calculs)
- Erreurs de lecture de l'état final (résultat)
Les erreurs liées à la décohérence, se produisent dès que nous avons intriqué nos qubits et commencé à effectuer des calculs. Plus nous avons de qubits intriqués, plus le système est complexe, et plus il est facile de le détruire. Les sarcophages à basse température, les enceintes protégées, toutes ces astuces technologiques visent précisément à réduire le nombre d'erreurs et à prolonger le temps de décohérence.
Les erreurs de calcul des portes — toute opération (porte) sur des qubits peut se terminer avec une certaine probabilité par une erreur, et pour réaliser un algorithme, nous devons exécuter des centaines de portes, imaginez donc ce que nous obtiendrons à la fin de notre algorithme. La variante classique de la réponse à la question — “Quelle est la probabilité de croiser un dinosaure dans un ascenseur ?” — 50/50, soit vous le croiserez soit non.
Le problème est encore aggravé par le fait que les méthodes standard de correction d'erreurs (duplication des calculs et moyennage) ne fonctionnent pas dans le monde quantique à cause du théorème d'interdiction du clonage. Pour dans les calculs quantiques, il a fallu inventer . En termes simples, nous prenons N qubits ordinaires et nous en faisons 1 qubit logique avec un niveau d'erreurs réduit.
Mais ici, un autre problème se pose — le nombre total de qubits. Prenez un processeur avec 100 qubits, dont 80 sont occupés par la correction d'erreurs, alors il ne reste que 20 pour les calculs.
Les erreurs de lecture du résultat final — comme nous nous en souvenons, le résultat des calculs quantiques nous est présenté sous forme de distribution probabiliste des réponses. Mais la lecture de l'état final peut également échouer.
Au même il existe des tableaux comparatifs des processeurs par niveaux d'erreurs. Pour la comparaison, prenons les mêmes processeurs que dans l'exemple précédent — IBM et :
| Computer | Fidélité du Portique 1-Qubit | 2- Fidélité du Portique Qubit | Fidélité de Lecture |
| Google Sycamore | 99.96% | 98.31% | — |
| Souveraineté quantique | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Ici — une mesure de la similitude de deux états quantiques. Le niveau d'erreur peut être grossièrement représenté comme 1-Fidélité. Comme nous pouvons le voir, les erreurs sur les portes à 2 qubits et les erreurs de lecture constituent le principal obstacle à l'exécution d'algorithmes complexes et longs sur les ordinateurs quantiques existants.
. Une explication plus simple : année de pour résoudre le problème de la correction d'erreurs.
Architecture du processeur
En théorie, nous construisons et opérons avec des circuits de dizaines de qubits intriqués, mais en réalité, c'est plus complexe. Tous les puces quantiques (processeurs) existants sont construits de manière à assurer une intrication indolore d'un qubit seulement avec ses voisins, qui ne sont pas plus de six.
Si nous devons pourtant intriquer le 1er qubit, disons, avec le 12ème, nous devrons construire une chaîne d'opérations quantiques supplémentaires, impliquer des qubits additionnels et autres, ce qui augmente le niveau global d'erreurs. Et n'oubliez pas le temps de décohérence, il est possible qu'au moment où vous aurez terminé de relier les qubits dans le schéma souhaité, le temps soit écoulé et tout le schéma se transforme en un joli générateur de bruit blanc.
N'oubliez pas non plus que l'architecture de tous les processeurs quantiques est différente, et le programme écrit dans un émulateur en mode "connexion de tous avec tous" devra être "recompilé" pour l'architecture d'une puce spécifique. Il existe même pour effectuer cette opération.
La connectivité maximale et le nombre maximum de qubits pour les mêmes meilleures puces :
| N Qubits | Max jumelés | T2 (µs) | Quels sont les risques de la décohérence ? |
| Google Sycamore | 20 | 6 | 70 |
| Souveraineté quantique | 53 | 4 | ~150-200 |
Et, pour comparaison, un tableau avec les données de la génération précédente de processeurs.Comparez le nombre de qubits, le temps de décohérence et le pourcentage d'erreurs par rapport à ce que nous avons maintenant dans la nouvelle génération. Le progrès avance lentement, mais il y a un progrès.
Donc :
- À l'heure actuelle, il n'existe pas d'architectures entièrement connectées avec > 6 qubits
- Pour intriquer le qubit 0 avec, par exemple, le 15ème sur un processeur réel, plusieurs dizaines d'opérations supplémentaires peuvent être nécessaires
- Plus d'opérations -> plus d'erreurs -> un impact plus fort de la décohérence
Résultats
La décohérence - un lit de Procuste pour les calculs quantiques modernes. En 150 µs, nous devons tout inclure :
- L'initialisation de l'état initial des qubits
- Le calcul d'une tâche en utilisant des portes quantiques
- Réaliser une correction d'erreurs pour obtenir un résultat significatif
- Enregistrer le résultat obtenu
Pour l'instant, les résultats sont peu satisfaisants, bien que on prétende atteindre 0,5 s de temps de maintien de cohérence sur un ordinateur quantique basé sur :
Nous mesurons un temps de cohérence d'un qubit supérieur à 0,5 s, et avec un blindage magnétique, nous prévoyons que cela s'améliorera pour être supérieur à 1000 s
On peut encore lire sur cette technologie ou, par exemple, .
La situation est encore compliquée par le fait que lors de calculs complexes, il est nécessaire d'utiliser des circuits quantiques de correction d'erreurs, ce qui consomme également du temps et des qubits disponibles.
Enfin, les architectures modernes ne permettent pas de mettre en œuvre des schémas d'intrication avec un coût minimal, mieux que 1 sur 4 ou 1 sur 6.
Voies de résolution des problèmes
Pour résoudre les problèmes susmentionnés, les approches et méthodes suivantes sont actuellement utilisées :
- Utilisation de chambres cryogéniques à basse température (10 mK (–273,14°C))
- Utilisation de blocs processeurs protégés au maximum contre les influences extérieures
- Utilisation de systèmes de correction d'erreurs quantiques (Qubit logique)
- Utilisation d'optimiseurs lors de la programmation de circuits pour un processeur spécifique
Des recherches sont également menées pour augmenter le temps de décohérence, rechercher de nouvelles (et améliorer les connues) réalisations physiques d'objets quantiques, optimiser les circuits de correction, etc. Des progrès sont réalisés (regardez ci-dessus les spécifications des puces plus anciennes et celles les plus avancées à ce jour), mais jusqu'à présent, cela avance lentement, très, très lentement.
D-Wave
Ordinateur à 2000 qubits D-Wave 2000Q. Source :
Sur fond de l'annonce de Google concernant l'atteinte de la suprématie quantique en utilisant un processeur avec 53 qubits, et de la société D-Wave, où le nombre de qubits se chiffre en milliers, crée une certaine confusion. En effet, si 53 qubits ont atteint la suprématie quantique, que peut donc faire un ordinateur avec 2048 qubits ? Mais tout n'est pas si simple...
En bref (tiré de wiki) :
Les ordinateurs fonctionnent selon le principe de (), ne peuvent résoudre qu'une sous-classe très limitée de problèmes d'optimisation, et ne conviennent pas à la mise en œuvre d'algorithmes quantiques traditionnels et de portes quantiques.
Pour plus de détails, vous pouvez lire, par exemple, , (attention, cela peut ne pas s'ouvrir depuis la Russie), ou chez dans sur son . D'ailleurs, je recommande vivement de lire son blog, il y a beaucoup de bons contenus.
Depuis le tout début des annonces, la communauté scientifique s'interrogeait sur les ordinateurs D-Wave. Par exemple, en 2014, IBM a mis en doute le fait que D-Wave Il a été jusqu'à ce qu'en 2015, Google, en partenariat avec la NASA, achète l'un de ces ordinateurs quantiques et après des recherches , il s'est avéré que l'ordinateur fonctionne et résout un problème plus rapidement qu'un ordinateur classique. Vous pouvez aussi lire à propos de la déclaration de Google et, par exemple, .
L'essentiel est que les ordinateurs D-Wave, avec leurs centaines et milliers de qubits, ne peuvent pas être utilisés pour exécuter et lancer des algorithmes quantiques. Par exemple, il n'est pas possible d'exécuter l'algorithme de Shor sur eux. Tout ce qu'ils peuvent faire, c'est utiliser certains mécanismes quantiques pour résoudre un problème d'optimisation spécifique. On peut considérer D-Wave comme un ASIC quantique pour une tâche spécifique.
Un peu sur l'émulation des ordinateurs quantiques
Le calcul quantique peut être émulé sur un ordinateur classique. En effet, :
- L'état d'un qubit peut être par un nombre complexe, occupant de 2x32 à 2x64 bits (8-16 octets) selon l'architecture du processeur.
- L'état de N qubits liés peut être représenté par 2^N nombres complexes, c'est-à-dire 2^(3+N) pour une architecture 32 bits et 2^(4+N) pour une 64 bits.
- Une opération quantique sur N qubits peut être représentée par une matrice 2^N x 2^N.
Alors :
- Pour stocker les états émulés de 10 qubits, il faut 8 Ko.
- Pour stocker les états de 20 qubits, il faut 8 Mo.
- Pour stocker les états de 30 qubits, il faut 8 Go.
- Pour stocker les états de 40 qubits, il faut 8 To.
- Pour stocker les états de 50 qubits, il faut 8 Po, etc.
Pour comparaison, () ne dispose que de 2,8 Po de mémoire.
— 49 qubits réalisé l'année dernière sur le plus grand superordinateur chinois ()
La limite de la simulation d'un ordinateur quantique sur des systèmes classiques est déterminée par la quantité de mémoire vive nécessaire pour stocker l'état des qubits.
Je recommande également de lire davantage. . De là :
Pour les opérations — pour une émulation précise du schéma sur 49 qubits à partir de 39 « cycles » (couches indépendantes de portes logiques) 2^63 multiplications complexes — 4 PFlops d'un supercalculateur pendant 4 heures
L'émulation d'un ordinateur quantique de 50+ qubits sur des systèmes classiques est considérée comme irréalisable dans un temps raisonnable. Cela inclut également ce fait que Google a utilisé pour son expérience d'excellence quantique un processeur avec 53 qubits.
Supériorité computationnelle quantique.
Wikipedia nous donne la définition suivante de l'excellence computationnelle quantique :
L'excellence computationnelle quantique — la capacité à résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pratiquement pas résoudre.
En fait, atteindre l'excellence quantique signifie, par exemple, que la factorisation de grands nombres selon l'algorithme de Shor peut être résolue en un temps adéquat, ou qu'il est possible d'émuler à un niveau quantique des molécules chimiques complexes, et ainsi de suite. Ainsi, une nouvelle époque a commencé.
Mais dans la formulation de la définition, il y a une certaine échappatoire, “que les ordinateurs classiques ne peuvent pratiquement pas résoudre”. En fait, cela signifie que si l'on crée un ordinateur quantique de 50+ qubits et qu'on lance une certaine schème quantique dessus, alors, comme nous l'avons vu ci-dessus, le résultat de ce schème ne pourra pas être émulé sur un ordinateur classique. Cela signifie que un ordinateur classique ne pourra pas reproduire le résultat du travail de ce schème.
La question de savoir si un tel résultat constitue une véritable excellence quantique ou non est plutôt philosophique. Mais il est important de comprendre ce que Google a fait et sur quoi repose son .
L'annonce de Google concernant l'atteinte de l'excellence quantique
processeur Sycamore de 54 qubits
Ainsi, en octobre 2019, les développeurs de Google ont publié dans la revue scientifique Nature un article intitulé «». Les auteurs ont annoncé avoir atteint pour la première fois dans l'histoire l'excellence quantique grâce à un processeur de 54 qubits « Sycamore ».
Sur internet, dans les articles, Sycamore est souvent mentionné en tant que processeur de 54 ou 53 qubits. La vérité est que, selon Le processeur est constitué physiquement de 54 qubits, mais l'un d'eux est hors service et a été désactivé. Ainsi, nous avons en réalité un processeur de 53 qubits.
Sur le Net, articles à ce sujet, dont le ton variait entre à .
Plus tard, les employés du département de calcul quantique d'IBM ont déclaré que L'entreprise affirme qu'un ordinateur classique pourrait résoudre cette tâche au pire des cas en 2,5 jours, et que la réponse obtenue serait plus précise que celle du calculateur quantique. Cette conclusion a été tirée à l'issue d'une analyse théorique de plusieurs méthodes d'optimisation.
Eh bien, bien sûr, dans son il n’a pas pu passer sous silence cette déclaration. Son accompagné de tous les liens et vaut, comme d'habitude, le temps que vous y consacrez. Sur Habr, de ce FAQ, et n'hésitez pas à lire les commentaires, il y a des liens vers des documents préliminaires qui ont fuité sur le Net avant l'annonce officielle.
Qu'est-ce que Google a réellement fait ? Pour une compréhension détaillée, lisez Aaronson, mais en résumé :
Je peux bien sûr vous le dire, mais je me sens un peu idiot en le faisant. Le calcul est le suivant : l'expérimentateur génère un circuit quantique aléatoire C (c'est-à-dire une séquence aléatoire de portes 1-qubit et 2-qubits — entre voisins proches — avec une profondeur, par exemple, de 20, agissant sur un réseau 2D n=50-60 qubits). Ensuite, l'expérimentateur envoie C au calculateur quantique, et lui demande d'appliquer C à un état de départ de 0, de mesurer le résultat dans la base {0,1}, de renvoyer une séquence d'observation n-bit (chaîne) et de répéter cela plusieurs milliers ou millions de fois. Enfin, en utilisant sa connaissance de C, l'expérimentateur effectue un test statistique pour vérifier si le résultat correspond à la sortie attendue du calculateur quantique.
En résumé :
- Un circuit aléatoire de longueur 20 est créé à partir de 53 qubits en utilisant des portes.
- Le circuit est lancé avec un état de départ [0…0].
- La sortie du circuit représente une chaîne binaire aléatoire (échantillon).
- La distribution du résultat n'est pas aléatoire (interférence).
- La distribution des échantillons obtenus est comparée à celle attendue.
- La supériorité quantique est établie.
En d'autres termes, Google a réalisé une tâche synthétique sur un processeur de 53 qubits, et sa déclaration d'atteinte de la supériorité quantique repose sur le fait qu'il est impossible d'émuler un tel processeur sur des systèmes standard dans un délai raisonnable.
Pour comprendre — cette section ne diminue en rien l'accomplissement de Google., les ingénieurs ont vraiment fait du bon travail, et la question de savoir si cela peut être considéré comme une réelle supériorité quantique ou non est, comme déjà mentionné, plutôt philosophique qu'ingénierique. Mais il faut comprendre qu'en atteignant cette supériorité computationnelle, nous ne faisons pas un pas de plus vers la possibilité d'exécuter l'algorithme de Shor sur des nombres de 2048 bits.
Résumé
Les ordinateurs quantiques et les calculs quantiques constituent un domaine des technologies de l'information très prometteur, encore jeune et peu applicable dans l'industrie pour le moment.
Le développement des calculs quantiques permettra (un jour) de résoudre des problèmes :
- La modélisation de systèmes physiques complexes à un niveau quantique.
- Incalculables sur un ordinateur classique en raison de la complexité computationnelle.
Les principaux problèmes lors de la création et de l'exploitation des ordinateurs quantiques :
- Décohérence
- Les erreurs (décohérence et erreurs logiques).
- L'architecture des processeurs (schémas complets de qubits).
État des lieux actuel :
- En fait — c'est à la toute première étape. .
- L'EXPLOITATION COMMERCIALE RÉELLE n'existe pas encore (et il n'est pas clair quand elle le sera).
Ce qui pourrait aider :
- Une découverte physique réduisant les coûts de liaison et d'exploitation des processeurs.
- La découverte de quelque chose qui augmentera considérablement le temps de décohérence et/ou réduira le nombre d'erreurs.
À mon avis (strictement personnel), dans le cadre scientifique actuel, nous n'atteindrons pas des succès significatifs dans le développement des technologies quantiques., un bond qualitatif dans un domaine fondamental ou appliqué est nécessaire pour donner un coup d'accélérateur à de nouvelles idées et méthodes.
Pour l'instant — nous accumulons de l'expérience en programmation quantique, collectons et créons des algorithmes quantiques, testons des idées, et ainsi de suite. Nous attendons une percée.
Conclusion
Dans cet article, nous avons parcouru les principales étapes du développement de l'informatique quantique et des ordinateurs quantiques, expliqué le principe de leur fonctionnement, examiné les principaux problèmes auxquels sont confrontés les ingénieurs lors du développement et de l'exploitation des processeurs quantiques, et également regardé ce que sont réellement les ordinateurs D-Wave à plusieurs qubits et la récente déclaration de Google sur l'atteinte de la supériorité quantique.
Sont restées en dehors de la discussion les questions de programmation des ordinateurs quantiques (langages, approches, méthodes, etc.) et les questions liées à la réalisation physique spécifique des processeurs, comment le contrôle des qubits se déroule, leur couplage, leur lecture, etc. Peut-être sera-ce le sujet du prochain article ou des articles.
Merci de votre attention, j'espère que cet article sera utile à quelqu'un.
(C)
Remerciements
pour la révision et les commentaires sur le texte original, ainsi que pour l'article
pour les commentaires informatifs et enrichissants sur , et pas seulement sur cela, qui m'ont beaucoup aidé à résoudre ce puzzle.
À tous les auteurs des articles et publications, dont les matériaux ont été utilisés dans la rédaction de cet article.
Liste des ressources
Articles sur l'état actuel des choses de [The National Academies Press]
Articles de Habr (dans un ordre aléatoire)
Articles non triés (mais non moins intéressants) des profondeurs du Web
Cours et conférences
Source : habr.com
