Ordinateurs quantiques et informatique quantique - nouveau , qui a été ajouté à notre espace d'information avec , et d'autres termes de haute technologie. En même temps, je n'ai jamais réussi à trouver sur Internet du matériel permettant de reconstituer le puzzle dans ma tête appelé "Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques". Oui, il existe de nombreux excellents travaux, notamment sur Habr (voir. ), dont les commentaires, comme c'est généralement le cas, sont encore plus informatifs et utiles, mais l'image dans ma tête, comme on dit, ne correspondait pas.
Et récemment, mes collègues sont venus me voir et m'ont demandé : « Comprenez-vous comment fonctionne un ordinateur quantique ? Pouvez vous nous dire?" Et puis j’ai réalisé que je n’étais pas le seul à avoir du mal à me faire une idée cohérente.
En conséquence, une tentative a été faite pour compiler des informations sur les ordinateurs quantiques dans un circuit logique cohérent dans lequel niveau de base, sans immersion profonde dans les mathématiques et la structure du monde quantique, il a été expliqué ce qu'est un ordinateur quantique, sur quels principes il fonctionne et à quels problèmes les scientifiques sont confrontés lors de sa création et de son fonctionnement.
table des matières
Avertissement
L'auteur n'est pas un expert en informatique quantique, et Le public cible de l'article est constitué des mêmes informaticiens, et non des spécialistes du quantum., qui souhaitent également créer une image dans leur tête intitulée « Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ». Pour cette raison, de nombreux concepts de l’article sont délibérément simplifiés pour mieux comprendre les technologies quantiques à un niveau « basique », mais sans .
L'article utilise à certains endroits des matériaux provenant d'autres sources, . Dans la mesure du possible, des liens directs et des indications vers le texte, le tableau ou la figure original sont insérés. Si j’ai oublié quelque chose (ou quelqu’un) quelque part, écris-le et je le corrigerai.
introduction
Dans ce chapitre, nous examinerons brièvement comment l'ère quantique a commencé, quelle a été la raison qui a motivé l'idée d'un ordinateur quantique, qui (quels pays et entreprises) sont actuellement les principaux acteurs dans ce domaine, et parlerons également brièvement sur les principales orientations de développement de l'informatique quantique.
Comment tout a commencé
Le point de départ de l’ère quantique est considéré comme 1900, lorsque M. Planck a proposé pour la première fois cette énergie est émise et absorbée non pas en continu, mais en quanta (portions) séparés. L'idée a été reprise et développée par de nombreux scientifiques exceptionnels 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 documents sur Internet sur la formation de la physique quantique en tant que science ; dans cet article, nous ne nous attarderons pas sur cela en détail, mais il était nécessaire d'indiquer la date à laquelle nous sommes entrés dans la nouvelle ère quantique.
La physique quantique a introduit de nombreuses inventions et technologies dans notre vie quotidienne, sans lesquelles il est désormais difficile d'imaginer le monde qui nous entoure. Par exemple, le laser, désormais utilisé partout, depuis l'électroménager (niveaux laser, etc.) jusqu'aux systèmes de haute technologie (lasers pour la correction de la vue, bonjour ). Il serait logique de supposer que tôt ou tard, quelqu'un aura l'idée de ne pas utiliser les systèmes quantiques pour l'informatique. Et puis en 1980, c’est arrivé.
Wikipedia indique que la première idée de l'informatique quantique a été exprimée en 1980 par notre scientifique Yuri Manin. Mais on n'en a vraiment commencé à parler qu'en 1981, lorsque le célèbre R. Feynman , a noté qu'il est impossible de simuler de manière efficace l'évolution d'un système quantique sur un ordinateur classique. Il a proposé un modèle élémentaire , qui pourra réaliser une telle modélisation.
Il y a un dans ce est considéré de manière plus académique et détaillée, mais nous y reviendrons brièvement :
Jalons majeurs dans l’histoire de la création des ordinateurs quantiques :
- [1994]. P. Shore. Conçu par
- [1998]. Créé
- [2001]. IBM a introduit l'exécution pour l'extension du numéro 15
- [2007-2016]. crée et développe un ordinateur avec 128-2000 qubits
- [2012]. Mis en œuvre à l'Université de Californie
- [2016]. Google sur un ordinateur 9 qubits
- [2017]. (trois atomes)
- [2019]. . Ordinateur de 20 qubits dans le cloud
- [2019]. . Ordinateur de 53 qubits. ?
Comme vous pouvez le constater, 17 ans se sont écoulés (de 1981 à 1998) depuis l'idée jusqu'à sa première mise en œuvre dans un ordinateur à 2 qubits, et 21 ans (de 1998 à 2019) jusqu'au moment où le nombre de qubits a augmenté. à 53. Il a fallu 11 ans (de 2001 à 2012) pour améliorer le résultat de l'algorithme de Shor (nous y reviendrons plus en détail un peu plus tard) du nombre 15 à 21. Aussi, il y a seulement trois ans, nous en sommes arrivés au point de mettre en œuvre ce dont Feynman a parlé et apprendre à modéliser les systèmes physiques les plus simples.
Le développement de l’informatique quantique est lent. Les scientifiques et les ingénieurs sont confrontés à des tâches très difficiles, les états quantiques sont très éphémères et fragiles, et pour les conserver suffisamment longtemps pour effectuer des calculs, ils doivent construire des sarcophages pour des dizaines de millions de dollars, dans lesquels la température est maintenue juste au-dessus du zéro absolu et qui sont protégés au maximum contre les influences extérieures. Nous parlerons ensuite de ces tâches et problèmes plus en détail.
Principaux acteurs
Les diapositives de cette section sont tirées de l'article , du chercheur Alexeï Fedorov. Laissez-moi vous donner des citations directes :
Tous les pays technologiquement performants développent actuellement activement des technologies quantiques. Des sommes énormes sont investies dans cette recherche et des programmes spéciaux sont créés pour soutenir les technologies quantiques.
Non seulement les États, mais aussi les entreprises privées participent à la course au quantum. Au total, Google, IBM, Intel et Microsoft ont récemment investi environ 0,5 milliard de dollars dans le développement d'ordinateurs quantiques et créé de grands laboratoires et centres de recherche.
Il existe de nombreux articles sur Habré et sur Internet, par exemple : , и , dans lequel l'état actuel du développement des technologies quantiques dans différents pays est examiné plus en détail. L'essentiel pour nous maintenant est que tous les pays et acteurs technologiquement avancés investissent d'énormes sommes d'argent dans la recherche dans ce sens, ce qui laisse espérer une sortie de l'impasse technologique actuelle.
Orientations de développement
À l'heure actuelle (je peux me tromper, corrigez-moi), les principaux efforts (et les résultats plus ou moins significatifs) de tous les principaux acteurs sont concentrés dans deux domaines :
- Ordinateurs quantiques spécialisés, qui visent à résoudre un problème spécifique spécifique, par exemple un problème d'optimisation. Les ordinateurs quantiques D-Wave sont un exemple de produit.
- Ordinateurs quantiques universels — capables d'implémenter des algorithmes quantiques arbitraires (Shor, Grover, etc.). Implémentations d'IBM, Google.
Autres vecteurs de développement que nous offre la physique quantique, tels que :
- comme base pour
- et de plus
Bien entendu, il figure également sur la liste des domaines de recherche, mais il ne semble pas y avoir actuellement de résultats plus ou moins significatifs.
De plus, vous pouvez lire eh bien, google "", Par exemple, , и .
Les bases. Objets quantiques et systèmes quantiques
La chose la plus importante à comprendre dans cette section est que
Ordinateur quantique (contrairement à d'habitude) utilisations comme supports d'informations objets quantiques, et pour effectuer des calculs, les objets quantiques doivent être connectés en système quantique.
Qu'est-ce qu'un objet quantique ?
Objet quantique - un objet du micromonde (monde quantique) qui présente des propriétés quantiques :
- A un état défini avec deux niveaux de frontière
- Est dans une superposition de son état jusqu'au moment de la mesure
- S'emmêle avec d'autres objets pour créer des systèmes quantiques
- Satisfait au théorème de non-clonage (l'état d'un objet ne peut pas être copié)
Examinons chaque propriété plus en détail :
Possède un état défini avec deux niveaux limites (état final)
Un exemple classique du monde réel est une pièce de monnaie. Il a un état « secondaire », qui prend deux niveaux de frontière : « face » et « face ».
Est dans une superposition de son état jusqu'au moment de la mesure
Ils ont lancé une pièce de monnaie, elle vole et tourne. Pendant sa rotation, il est impossible de dire dans quel niveau frontière se situe son état « secondaire ». Mais dès que nous le rejetons et regardons le résultat, la superposition d’états s’effondre immédiatement en l’un des deux états limites – « pile » et « face ». Frapper une pièce de monnaie dans notre cas est une mesure.
S'emmêle avec d'autres objets pour créer des systèmes quantiques
C’est difficile avec une pièce de monnaie, mais essayons. Imaginez que nous lançons trois pièces pour qu'elles tournent en s'accrochant les unes aux autres, c'est jongler avec des pièces. A chaque instant, non seulement chacun d'eux est dans une superposition d'états, mais ces états s'influencent mutuellement (les pièces entrent en collision).
Satisfait au théorème de non-clonage (l'état d'un objet ne peut pas être copié)
Pendant que les pièces volent et tournent, nous ne pouvons en aucun cas créer une copie de l’état de rotation de l’une des pièces, indépendamment du système. Le système vit en lui-même et est très jaloux de divulguer des informations au monde extérieur.
Quelques mots supplémentaires sur le concept lui-même "superpositions", dans presque tous les articles, la superposition est expliquée comme "est dans tous les états en même temps", ce qui est bien sûr vrai, mais parfois inutilement déroutant. Une superposition d'états peut également être imaginée comme le fait qu'à chaque instant un objet quantique ait il existe certaines probabilités d'effondrement dans chacun de ses niveaux limites, et au total ces probabilités sont naturellement égales à 1. Plus tard, en considérant le qubit, nous y reviendrons plus en détail.
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 « face » ou « face » est différente. Et, comme mentionné précédemment, l’état d’une telle pièce volante peut être imaginé comme « se trouvant dans tous ses états limites en même temps, mais avec des probabilités différentes de leur mise en œuvre ».
Tout objet pour lequel les propriétés ci-dessus sont remplies et que nous pouvons créer et contrôler peut être utilisé comme support d'informations dans un ordinateur quantique.
Un peu plus loin, nous parlerons de l'état actuel des choses avec la mise en œuvre 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’enchevêtrer pour créer des systèmes quantiques. Qu'est-ce qu'un système quantique ?
Système quantique — un système d'objets quantiques intriqués ayant les propriétés suivantes :
- Un système quantique est dans une superposition de tous les états possibles des objets qui le composent.
- Il est impossible de connaître l'état du système avant le moment de la mesure
- Au moment de la mesure, le système implémente une des variantes possibles de ses états limites
(et en regardant un peu vers l'avenir)
Corollaire pour les programmes quantiques:
- Un programme quantique a un état donné du système en entrée, une superposition à l'intérieur, une superposition en sortie
- En sortie du programme après mesure nous avons une implémentation probabiliste d'un des états finaux possibles du système (plus les erreurs possibles)
- Tout programme quantique a une architecture cheminée (entrée -> sortie. Il n'y a pas de boucles, vous ne pouvez pas voir l'état du système au milieu du processus.)
Comparaison d'un ordinateur quantique et d'un ordinateur conventionnel
Comparons maintenant un ordinateur conventionnel et un ordinateur quantique.
| ordinateur ordinaire | Ordinateur quantique | |
|
Logique
|
0/1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Physique
|
Transistor semi-conducteur | Objet quantique |
|
Support multimédia
|
Niveaux de tension | Polarisation, spin,… |
|
opérations
|
NOT, AND, OR, XOR sur bits | Vannes : CNOT, Hadamard,… |
|
Interconnexion
|
Puce semi-conductrice | Confusion les uns avec les autres |
|
Algorithmes
|
Standard (voir Fouet) | Offres spéciales (Shore, Grover) |
|
principe
|
Numérique, déterministe | Analogique, probabiliste |
Niveau logique
Dans un ordinateur ordinaire, c'est un peu. Bien connu de nous de bout en bout bit déterministe. Peut prendre des valeurs de 0 ou 1. Il remplit parfaitement son rôle unité logique pour un ordinateur ordinaire, mais est totalement inadapté à la description de l'état objet quantique, qui, comme nous l'avons déjà dit, à l'état sauvage se trouve àsuperpositions de leurs états limites.
C'est ce qu'ils ont imaginé . Dans ses états limites il réalise des états similaires à 0 et 1 , et en superposition représente distribution de probabilité sur ses états limites |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a et b représentent , et les carrés de leurs modules sont les probabilités réelles d'obtenir exactement de telles valeurs des états limites |0> и |1>, si vous réduisez le qubit avec une mesure maintenant.
Couche physique
Au niveau de développement technologique actuel, la mise en œuvre physique d'un bit pour un ordinateur conventionnel est transistor semi-conducteur, pour le quantique, comme nous l'avons déjà dit, n'importe quel objet quantique. Dans la section suivante, nous parlerons de ce qui est actuellement utilisé comme support physique pour les qubits.
Support de stockage
Pour un ordinateur ordinaire, c'est électricité - niveaux de tension, présence ou absence de courant, etc., pour le quantique - idem état d'un objet quantique (direction de polarisation, spin, etc.), qui peuvent être en état de superposition.
opérations
Pour implémenter des circuits logiques sur un ordinateur ordinaire, nous utilisons des , pour les opérations sur les qubits, il a fallu proposer un système d'opérations complètement différent, appelé . Les portes peuvent être à un ou deux qubits, selon le nombre de qubits à convertir.
Exemples de portes quantiques :
Il y a un concept jeu de vannes universelles, qui sont suffisants pour effectuer n’importe quel calcul quantique. Par exemple, un ensemble universel comprend une porte Hadamard, une porte de déphasage, une porte CNOT et une porte π⁄8. Avec leur aide, vous pouvez 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 des portes quantiques ; vous pouvez en savoir plus sur elles et sur les opérations logiques sur les qubits, par exemple, . La principale chose à retenir :
- Les opérations sur des objets quantiques nécessitent la création de nouveaux opérateurs logiques (portes quantiques)
- Les portes quantiques sont disponibles en types à qubit simple et double qubit.
- Il existe des ensembles universels de portes qui peuvent être utilisées pour effectuer n'importe quel calcul quantique.
Interconnexion
Un transistor nous est complètement inutile ; pour effectuer des calculs, nous devons connecter de nombreux transistors entre eux, c'est-à-dire créer une puce semi-conductrice à partir de millions de transistors sur laquelle construire des circuits logiques, et, finalement, obtenez un processeur moderne dans sa forme classique.
Un qubit nous est également complètement inutile (enfin, ne serait-ce qu'en termes académiques),
pour effectuer des calculs nous avons besoin d'un système de qubits (objets quantiques)
qui, comme nous l'avons déjà dit, est créé en intriquant les qubits les uns avec les autres afin que les changements dans leurs états se produisent de manière coordonnée.
Algorithmes
Les algorithmes standards que l’humanité a accumulés jusqu’à présent sont totalement inadaptés à une mise en œuvre sur un ordinateur quantique. Oui, en général, ce n'est pas nécessaire. Les ordinateurs quantiques basés sur une logique de porte sur qubits nécessitent la création d'algorithmes complètement différents, les algorithmes quantiques. Parmi les algorithmes quantiques les plus connus, on peut en distinguer trois :
- (factorisation)
- (recherche rapide dans une base de données non ordonnée)
- (réponse à la question, fonction constante ou équilibrée)
principe
Et la différence la plus importante réside dans le principe de fonctionnement. Pour un ordinateur standard, c'est principe numérique, strictement déterministe, basé sur le fait que si nous définissons un état initial du système et le faisons passer par un algorithme donné, le résultat des calculs sera le même, quel que soit le nombre de fois que nous exécutons ce calcul. En fait, ce comportement correspond exactement à ce que nous attendons d’un ordinateur.
L'ordinateur quantique fonctionne sur principe analogique et probabiliste. Le résultat d’un algorithme donné à un état initial donné est échantillon à partir d'une distribution de probabilité implémentations finales de l'algorithme ainsi que les erreurs possibles.
Cette nature probabiliste de l’informatique quantique est due à l’essence même du monde quantique. "Dieu ne joue pas aux dés avec l'univers.", disait le vieil Einstein, mais toutes les expériences et observations jusqu'à présent (dans le paradigme scientifique actuel) confirment le contraire.
Implémentations physiques des qubits
Comme nous l'avons déjà dit, un qubit peut être représenté par un objet quantique, c'est-à-dire un objet physique qui implémente les propriétés quantiques décrites ci-dessus. Autrement dit, en gros, tout objet physique dans lequel il y a deux états et ces deux états sont dans un état de superposition peut être utilisé pour construire un ordinateur quantique.
« Si nous pouvons placer un atome dans deux niveaux différents et les contrôler, alors nous obtenons un qubit. Si nous pouvons faire cela avec un ion, c'est un qubit. C'est pareil avec le courant. Si nous l’exécutons simultanément dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse, vous obtenez un qubit.
Il est к , dans lequel la variété actuelle des implémentations physiques du qubit est examinée plus en détail, nous énumérerons simplement les plus connues et les plus courantes :
- et bien d'autres idées exotiques (anions, etc.)
De toute cette variété, la plus développée est la première méthode d'obtention de qubits, basée sur . , , et d'autres acteurs de premier plan l'utilisent pour construire leurs systèmes.
Eh bien, lisez la suite possible qubits de .
Les bases. Comment fonctionne un ordinateur quantique
Le matériel pour cette section (tâche et images) est tiré de l'article .
Imaginons donc que nous ayons la tâche suivante :
Il y a un groupe de trois personnes : (A)ndrey, (B)olodya et (C)erezha. Il y a deux taxis (0 et 1).
On sait également que :
- (A)ndrey, (B)olodya sont amis
- (A)ndrey, (C)erezha sont des ennemis
- (B)olodya et (C)erezha sont des ennemis
Tâche : Placer les gens dans les taxis afin que Max (amis) и Min(ennemis)
Note: L = (nombre d'amis) - (nombre d'ennemis) pour chaque option d'hébergement
IMPORTANT : En supposant qu’il n’existe pas d’heuristique, il n’existe pas de solution optimale. Dans ce cas, le problème ne peut être résolu que par une recherche complète des options.
Solution sur un ordinateur classique
Comment résoudre ce problème sur un (super) ordinateur (ou cluster) classique - il est clair que vous devez parcourir toutes les options possibles. Si nous disposons d’un système multiprocesseur, nous pouvons alors paralléliser le calcul des solutions sur plusieurs processeurs, puis collecter les résultats.
Nous avons 2 formules d'hébergement possibles (taxi 0 et taxi 1) et 3 personnes. Espace de solutions 2 ^ 3 = 8. Vous pouvez même parcourir 8 options à l'aide d'une calculatrice, ce n'est pas un problème. Maintenant compliquons le problème - nous avons 20 personnes et deux bus, l'espace solution 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 solution est désormais 2 ^ 50 = 1.12 x 10 ^ 15. Un (super) ordinateur ordinaire commence déjà à avoir de sérieux problèmes. Augmentons le nombre de personnes de 2 fois, 100 personnes nous le donneront déjà 1.2x10^30 options possibles.
Ça y est, cette tâche ne peut être calculée dans un délai raisonnable.
Connecter un supercalculateur
L'ordinateur le plus puissant actuellement est le numéro 1 des est , productivité 122 . Supposons que nous ayons besoin de 100 opérations pour calculer une option, alors pour résoudre le problème pour 100 personnes, nous aurons besoin de :
(1.2x10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3x10^37 ans.
Comme on peut le voir à mesure que la dimension des données initiales augmente, l'espace des solutions grandit selon une loi de puissance, dans le cas général, pour N bits, nous avons 2 ^ N options de solution possibles, qui pour N (100) relativement petit nous donnent un espace de solution non calculé (au niveau technologique actuel).
Existe-t-il des alternatives ? Comme vous l’avez peut-être deviné, oui, il y en a.
Mais avant d’aborder comment et pourquoi les ordinateurs quantiques peuvent résoudre efficacement des problèmes comme ceux-ci, prenons un moment pour récapituler de quoi il s’agit. distribution de probabilité. Ne vous inquiétez pas, il s’agit d’un article de synthèse, il n’y aura pas de mathématiques difficiles ici, nous nous contenterons de l’exemple classique avec un sac et des balles.
Juste un peu de combinatoire, de théorie des probabilités et un étrange expérimentateur
Prenons un sac et mettons-le dedans 1000 boules blanches et 1000 boules noires. Nous allons mener une expérience - sortir la balle, noter la couleur, remettre la balle dans le sac et mélanger les balles dans le sac.
L'expérience a été réalisée 10 fois, j'ai sorti 10 boules noires. Peut être? Assez. Cet échantillon nous donne-t-il une idée raisonnable de la véritable répartition dans le sac ? Évidemment pas. Que faut-il faire - c'est vrai, prépétez l'expérience un million de fois et calculez les fréquences des boules noires et blanches. On obtient par exemple 49.95% noir et 50.05% blanc. Dans ce cas, la structure de la distribution à partir de laquelle nous échantillonnons (retirons une balle) est déjà plus ou moins claire.
L'essentiel est de comprendre que l'expérience elle-même a un caractère probabiliste, avec un échantillon (boule) nous ne connaîtrons pas la véritable structure de la distribution, nous devons répéter l'expérience plusieurs fois et faire la moyenne des résultats.
Ajoutons-le à notre sac 10 boules rouges et 10 boules vertes (les erreurs). Répétons l'expérience 10 fois. DANSj'ai sorti 5 rouges et 5 verts. Peut être? Oui. Nous pouvons dire quelque chose sur la véritable distribution - Non. Ce qu'il faut faire - eh bien, vous comprenez.
Pour comprendre la structure d’une distribution de probabilité, il est nécessaire d’échantillonner à plusieurs reprises les résultats individuels de cette distribution et de faire la moyenne des résultats.
Relier la théorie à la pratique
Maintenant, au lieu de boules noires et blanches, prenons des boules de billard et mettons-les dans un sac 1000 boules avec le numéro 2, 1000 avec le numéro 7 et 10 boules avec d'autres numéros. Imaginons un expérimentateur entraîné aux gestes les plus simples (sortir une balle, noter le numéro, remettre la balle dans le sac, mélanger les balles dans le sac) et il fait cela en 150 microsecondes. Eh bien, un tel expérimentateur sur la vitesse (pas une publicité pour un médicament !!!). Puis en 150 secondes il pourra réaliser notre expérience 1 million de fois et fournissez-nous les résultats moyennés.
Ils ont fait asseoir l'expérimentateur, lui ont donné un sac, se sont détournés, ont attendu 150 secondes et ont reçu :
numéro 2 - 49.5%, numéro 7 - 49.5%, les chiffres restants au total - 1%.
Oui c'est vrai, notre sac est un ordinateur quantique avec un algorithme qui résout notre problème, et les balles sont des solutions possibles. Puisqu’il existe deux solutions correctes, alors un ordinateur quantique nous donnera n'importe laquelle de ces solutions possibles avec une probabilité égale et des erreurs de 0.5 % (10/2000), dont nous parlerons plus tard.
Pour obtenir le résultat d'un ordinateur quantique, vous devez exécuter l'algorithme quantique plusieurs fois sur le même ensemble de données d'entrée et faire la moyenne du résultat.
Évolutivité d'un ordinateur quantique
Imaginez maintenant que pour une tâche impliquant 100 personnes (espace de solutions 2 ^ 100 nous nous en souvenons), il n'y a également que deux décisions correctes. Ensuite, si nous prenons 100 qubits et écrivons un algorithme qui calcule notre fonction objectif (L, voir ci-dessus) sur ces qubits, alors nous obtiendrons un sac dans lequel il y aura 1000 boules avec le numéro de la première bonne réponse, 1000 avec le numéro de la deuxième bonne réponse et 10 boules avec d'autres numéros. Et dans les mêmes 150 secondes, notre expérimentateur nous donnera une estimation de la distribution de probabilité des bonnes réponses..
Le temps d'exécution d'un algorithme quantique (avec quelques hypothèses) peut être considéré comme constant O(1) par rapport à la dimension de l'espace de solution (2^N).
Et c'est précisément la propriété d'un ordinateur quantique - constance d'exécution en relation avec la complexité croissante des lois de puissance de l’espace des solutions, c’est la clé.
Qubit et mondes parallèles
Comment cela peut-il arriver? Qu’est-ce qui permet à un ordinateur quantique d’effectuer des calculs si rapidement ? Tout dépend de la nature quantique du qubit.
Écoutez, nous avons dit qu'un qubit est comme un objet quantique réalise l'un de ses deux états lorsqu'il est observé, mais dans la « nature sauvage », c'est dans superpositions d'états, c'est-à-dire qu'il se trouve simultanément dans ses deux états limites (avec une certaine probabilité).
Prendre (A)ndreya et imaginez son état (dans quel véhicule il se trouve - 0 ou 1) comme un qubit. Alors nous avons (dans l'espace quantique) deux mondes parallèles, dans une (A) est assis dans le taxi 0, dans un autre monde - dans le taxi 1. Dans deux taxis en même temps, mais avec une certaine probabilité de le retrouver dans chacun d'eux lors de l'observation.
Prendre (B) jeune et imaginons également son état comme un qubit. Deux autres mondes parallèles surgissent. Mais pour l'instant ces paires de mondes (A) и (DANS) n'interagissez pas du tout. Que faut-il faire pour créer en relation système? C'est vrai, nous avons besoin de ces qubits attacher (confondre). Nous le prenons et le confondons (A) avec (B) — nous obtenons un système quantique de deux qubits (UN B), réalisant en lui-même quatre interdépendant mondes parallèles. Ajouter (S)ergey et nous obtenons un système de trois qubits (ABC), mettre en œuvre huit interdépendant mondes parallèles.
L’essence de l’informatique quantique (la mise en œuvre d’une chaîne de portes quantiques sur un système de qubits connectés) réside dans le fait que le calcul s’effectue simultanément dans tous les mondes parallèles.
Et peu importe combien nous en avons, 2^3 ou 2^100, l'algorithme quantique sera exécuté en temps fini sur tous ces mondes parallèles et nous donnera un résultat, qui est un échantillon de la distribution de probabilité des réponses de l’algorithme.
Pour une meilleure compréhension, on peut imaginer que un ordinateur quantique au niveau quantique exécute 2 ^ N processus de solution parallèles, dont chacun travaille sur une option possible, puis collecte les résultats du travail - et nous donne la réponse sous forme de superposition de la solution (distribution de probabilité des réponses), à partir de laquelle nous en échantillonnons une à chaque fois (pour chaque expérience).
Rappelez-vous le temps requis par notre expérimentateur (150µs) pour réaliser l'expérience, cela nous sera utile un peu plus loin, lorsque nous aborderons les principaux problèmes des ordinateurs quantiques et du temps de décohérence.
Algorithmes quantiques
Comme déjà mentionné, les algorithmes conventionnels basés sur la logique binaire ne sont pas applicables à un ordinateur quantique utilisant la logique quantique (portes quantiques). Pour lui, il fallait en imaginer de nouveaux qui exploitent pleinement le potentiel inhérent à la nature quantique de l’informatique.
Les algorithmes les plus connus aujourd’hui sont :
Contrairement aux ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques ne sont pas universels.
Jusqu’à présent, seul un petit nombre d’algorithmes quantiques ont été découverts.
merci pour le lien vers , un lieu où, selon l'auteur (), les meilleurs représentants du monde algorithmique quantique ont été rassemblés et continuent de se rassembler.
Dans cet article, nous n'analyserons pas les algorithmes quantiques en détail : il existe de nombreux excellents documents sur Internet pour tous les niveaux de complexité, mais nous devons encore passer brièvement en revue les trois plus célèbres.
L'algorithme de Shor.
L'algorithme quantique le plus connu est (inventé 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 lorsqu’ils écrivent que vos systèmes bancaires et vos mots de passe seront bientôt piratés. Considérant que la longueur des clés utilisées aujourd'hui n'est pas inférieure à 2048 bits, l'heure du plafonnement n'est pas encore venue.
aujourd'hui plus que modeste. Meilleurs résultats de factorisation avec l'algorithme de Shor - Nombres и , ce qui est bien inférieur à 2048 bits. Pour les autres résultats du tableau, un autre calculs, mais même le meilleur résultat selon cet algorithme (291311) est très loin d'une application réelle.
Vous pouvez en savoir plus sur l’algorithme de Shor, par exemple :. À propos de la mise en œuvre pratique - .
Un des la complexité et la puissance requise pour factoriser un nombre de 2048 bits est un ordinateur avec . Nous dormons paisiblement.
L'algorithme de Grover
- résoudre le problème de l'énumération, c'est-à-dire trouver une solution à l'équation F(X) = 1, où F est à partir de n variables. A été proposé par un mathématicien américain в .
L'algorithme de Grover peut être utilisé pour trouver и séries de nombres. De plus, il peut être utilisé pour résoudre problèmes à travers une recherche exhaustive parmi de nombreuses solutions possibles. Cela peut entraîner des gains de vitesse importants par rapport aux algorithmes classiques, sans pour autant apporter "" en général.
Vous pouvez en lire plusOu . Plus Il existe une bonne explication de l'algorithme en utilisant l'exemple de boîtes et d'une balle, mais malheureusement, pour des raisons indépendantes de la volonté de quiconque, ce site ne s'ouvre pas pour moi depuis la Russie. Si tu as est également bloqué, voici donc un bref résumé :
L'algorithme de Grover. Imaginez que vous ayez N pièces de boîtes fermées numérotées. Ils sont tous vides sauf un qui contient une boule. Votre tâche : connaître le numéro de la case dans laquelle se trouve la balle (ce numéro inconnu est souvent désigné par la lettre w).
Comment résoudre ce problème? Le moyen le plus stupide est d'ouvrir les cartons à tour de rôle, et tôt ou tard vous tomberez sur une boîte avec une balle. En moyenne, combien de cases doivent être cochées avant de trouver une case avec une balle ? En moyenne, il faut ouvrir environ la moitié de N/2 cartons. L'essentiel ici est que si nous augmentons le nombre de boîtes de 100 fois, le nombre moyen de boîtes qui doivent être ouvertes avant de trouver la boîte avec la balle augmentera également de 100 fois.
Apportons maintenant une précision supplémentaire. N'ouvrons pas nous-mêmes les boîtes avec nos mains et vérifions la présence d'une boule dans chacune, mais il y a un certain intermédiaire, appelons-le Oracle. Nous disons à l'Oracle « case à cocher numéro 732 » et l'Oracle vérifie et répond honnêtement : « il n'y a pas de balle dans la case numéro 732 ». Désormais, au lieu de dire combien de boîtes il faut ouvrir en moyenne, on dit « combien de fois en moyenne faut-il aller à l'Oracle pour trouver le numéro de la boîte avec la balle »
Il s'avère que si l'on traduit ce problème avec des boîtes, une boule et l'Oracle en langage quantique, on obtient un résultat remarquable : pour trouver le numéro d'une boîte avec une boule parmi N boîtes, il faut perturber l'Oracle uniquement à propos de SQRT (N) fois !
Autrement dit, la complexité de la tâche de recherche utilisant l’algorithme de Grover est réduite de la racine carrée des temps.
Algorithme Deutsch-Jozi
Algorithme Deutsch-Jozsa (également appelé algorithme Deutsch-Jozsa) - [algorithme quantique](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , et est devenu l'un des premiers exemples d'algorithmes conçus pour être exécutés sur . _
Le problème de Deutsch-Jozsi consiste à déterminer si une fonction de plusieurs variables binaires F(x1, x2, ... xn) est constante (prend la valeur 0 ou 1 pour tous les arguments) ou équilibrée (pour la moitié du domaine, elle prend la valeur 0, pour l'autre moitié 1). Dans ce cas, on considère a priori que la fonction est soit constante, soit équilibrée.
Vous pouvez toujours lire . Une explication plus simple :
L'algorithme Deutsch (Deutsch-Jozsi) est basé sur la force brute, mais permet de le faire plus rapidement que d'habitude. Imaginez qu'il y ait une pièce de monnaie sur la table et que vous ayez besoin de savoir si elle est contrefaite ou non. Pour ce faire, vous devez regarder la pièce deux fois et déterminer : « face » et « face » sont réels, deux « face », deux « queues » sont fausses. Ainsi, si vous utilisez l'algorithme quantique de Deutsch, cette détermination peut être effectuée d'un seul coup d'œil : la mesure.
Problèmes des ordinateurs quantiques
Lors de la conception et de l’exploitation d’ordinateurs quantiques, les scientifiques et les ingénieurs sont confrontés à un grand nombre de problèmes qui ont jusqu’à présent été résolus avec plus ou moins de succès. Selon (), la série de problèmes suivants peut être identifiée :
- Sensibilité à l'environnement et interaction avec l'environnement
- Accumulation d'erreurs lors des calculs
- Difficultés avec l'initialisation initiale des états de qubit
- Difficultés à créer des systèmes multi-qubits
Je recommande fortement de lire l'article "», en particulier les commentaires.
Organisons tous les principaux problèmes en trois grands groupes et examinons chacun d'eux de plus près :
Décohérence
.
État quantique chose très fragileles qubits dans un état intriqué sont extrêmement instables, toute influence extérieure peut (et détruit) cette connexion. Un changement de température d'une infime fraction de degré, la pression, un photon aléatoire volant à proximité - tout cela déstabilise notre système.
Pour résoudre ce problème, des sarcophages à basse température sont construits, dans lesquels la température (-273.14 degrés Celsius) est légèrement supérieure au zéro absolu, avec une isolation maximale de la chambre interne avec le processeur de toutes les influences (possibles) de l'environnement externe.
La durée de vie maximale d'un système quantique de plusieurs qubits intriqués, pendant laquelle il conserve ses propriétés quantiques et peut être utilisé pour des calculs, est appelée temps de décohérence.
Actuellement, le temps de décohérence dans les meilleures solutions quantiques est de l’ordre de dizaines et centaines de microsecondes.
Il y a un merveilleux où tu peux regarder de tous les systèmes quantiques créés. Cet article ne comprend que deux principaux processeurs à titre d'exemple - d'IBM et de . Comme on peut le constater, le temps de décohérence (T2) ne dépasse pas 200 µs.
Je n'ai pas trouvé de données exactes sur le Sycomore, mais dans la plupart des cas deux nombres sont donnés - 1 million de calculs en 200 secondes, ailleurs - pour 130 secondes sans perte de signaux de commande, etc.. En tout cas, cela nous donne le temps de décohérence est d'environ 150 μs. Rappelez-vous notre expérimentateur avec un sac? Tiens le voilà.
| Nom de l'ordinateur | N Qubits | Max jumelé | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycomore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
De quoi nous menace la décohérence ?
Le principal problème est qu’après 150 μs, notre système informatique de N qubits intriqués commencera à produire un bruit blanc probabiliste au lieu d’une distribution probabiliste de solutions correctes.
Autrement dit, nous avons besoin de :
- Initialiser le système de qubits
- Effectuer un calcul (chaîne d'opérations de portail)
- Lire le résultat
Et faites tout cela en 150 microsecondes. Je n'ai pas eu le temps - le résultat s'est transformé en citrouille.
Mais ce n'est pas tout…
Erreurs
ак мы уже оворили, les processus quantiques et l'informatique quantique sont de nature probabiliste, nous ne pouvons être sûrs de rien à 100 %, mais seulement avec une certaine probabilité. La situation est encore aggravée par le fait que l'informatique quantique est sujette aux erreurs. Les principaux types d’erreurs en informatique quantique sont :
- Les erreurs de décohérence sont causées par la complexité du système et l'interaction avec l'environnement externe.
- Erreurs de calcul de porte (dues à la nature quantique du calcul)
- Erreurs de lecture de l'état final (résultat)
Erreurs associées à la décohérence, apparaissent dès que nous enchevêtrons nos qubits et commençons à faire des calculs. Plus nous intriquons de qubits, plus le système est complexe, et plus il est facile de le détruire. Sarcophages à basse température, chambres protégées, toutes ces astuces technologiques visent justement à réduire le nombre d'erreurs et à allonger le temps de décohérence.
Erreurs de calcul de porte - toute opération (porte) sur les qubits peut, avec une certaine probabilité, se terminer par une erreur, et pour implémenter l'algorithme, nous devons effectuer des centaines de portes, alors imaginez ce que nous obtenons à la fin de l'exécution de notre algorithme. La réponse classique à la question est « Quelle est la probabilité de rencontrer un dinosaure dans un ascenseur ? » - 50x50, soit vous vous rencontrerez, soit pas.
Pour aggraver le problème, les méthodes standard de correction des erreurs (duplication des calculs et moyenne) ne fonctionnent pas dans le monde quantique en raison du théorème de non-clonage. Pour il a fallu inventer l'informatique quantique . En gros, nous prenons N qubits ordinaires et en créons 1 qubit logique avec un taux d'erreur inférieur.
Mais ici un autre problème se pose : nombre total de qubits. Écoutez, disons que nous avons un processeur avec 100 qubits, dont 80 qubits sont utilisés pour la correction d'erreurs, alors il ne nous en reste que 20 pour les calculs.
Erreurs dans la lecture du résultat final — on s'en souvient, le résultat des calculs quantiques nous est présenté sous la forme distribution de probabilité des réponses. Mais la lecture de l’état final peut également échouer avec une erreur.
Sur le même Il existe des tableaux comparatifs des processeurs par niveaux d'erreur. A titre de comparaison, prenons les mêmes processeurs que dans l'exemple précédent - IBM и :
| L'ordinateur | Fidélité de porte de 1 qubit | 2-Fidélité de la porte Qubit | Fidélité de lecture |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycomore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
il est est une mesure de la similarité de deux états quantiques. L'ampleur de l'erreur peut être grossièrement exprimée en 1-Fidélité. Comme nous pouvons le constater, 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.
Vous pouvez toujours lire ans à partir de pour résoudre le problème de la correction des erreurs.
Architecture du processeur
En théorie, nous construisons et exploitons circuits de dizaines de qubits intriqués, en réalité tout est plus compliqué. Toutes les puces quantiques (processeurs) existantes sont construites de telle manière qu'elles fournissent une intrication d'un qubit uniquement avec ses voisins, il n'y en a pas plus de six.
Si nous devons intriquer le 1er qubit, disons, avec le 12ème, alors nous devrons construire une chaîne d’opérations quantiques supplémentaires, impliquent des qubits supplémentaires, etc., ce qui augmente le niveau d'erreur global. Oui, et n'oublie pas temps de décohérence, peut-être qu'au moment où vous aurez fini de connecter les qubits au circuit dont vous avez besoin, le temps prendra fin et tout le circuit se transformera en 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 l'émulateur en mode « connectivité tout-à-tout » devra être « recompilé » dans l'architecture d'une puce spécifique. Il y a même pour effectuer cette opération.
Connectivité maximale et nombre maximal de qubits pour les mêmes puces supérieures :
| Nom de l'ordinateur | N Qubits | Max jumelé | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycomore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Et, à titre de comparaison, tableau avec les données de la génération précédente de processeurs. Comparez le nombre de qubits, le temps de décohérence et le taux d'erreur avec ce que nous avons actuellement avec la nouvelle génération. Pourtant, les progrès sont lents, mais en mouvement.
Donc:
- Il n'existe actuellement aucune architecture entièrement connectée avec > 6 qubits
- Pour enchevêtrer les qubits 0 sur un vrai processeur par exemple, le qubit 15 peut nécessiter plusieurs dizaines d'opérations supplémentaires
- Plus d'opérations -> plus d'erreurs -> influence plus forte de la décohérence
Les résultats de
La décohérence est le lit de Procuste de l'informatique quantique moderne. Il faut tout rentrer dans 150 μs :
- Initialisation de l'état initial des qubits
- Calculer un problème à l'aide de portes quantiques
- Corrigez les erreurs pour obtenir des résultats significatifs
- Lire le résultat
Jusqu'à présent, les résultats sont décevants, mais prétendent atteindre un temps de rétention de cohérence de 0.5 s sur un ordinateur quantique basé sur :
Nous mesurons un temps de cohérence des qubits supérieur à 0.5 s, et avec le blindage magnétique, nous nous attendons à ce que ce temps s'améliore et dure plus de 1000 XNUMX s.
Vous pouvez également en savoir plus sur cette technologie ou par exemple .
La situation est encore compliquée par le fait que lors de la réalisation de calculs complexes, il est nécessaire d'utiliser des circuits de correction d'erreurs quantiques, qui consomment également du temps et des qubits disponibles.
Et enfin, les architectures modernes ne permettent pas de mettre en œuvre des schémas d’intrication meilleurs que 1 sur 4 ou 1 sur 6 à un coût minime.
Façons de résoudre les problèmes
Pour résoudre les problèmes ci-dessus, les approches et méthodes suivantes sont actuellement utilisées :
- Utilisation de chambres cryogéniques à basse température (10 mK (–273,14°C))
- Utilisation d'unités de processeur protégées au maximum contre les influences extérieures
- Utilisation des systèmes de correction d'erreurs quantiques (Logic Qubit)
- 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 implémentations physiques connues) d'objets quantiques, optimiser les circuits de correction, etc., etc. Il y a des progrès (regardez ci-dessus les caractéristiques des puces haut de gamme antérieures et actuelles), mais jusqu'à présent, ils sont lents, très, très lents.
D-Wave
Ordinateur D-Wave 2000Q 2000 qubits. Source:
Au milieu de l'annonce par Google d'atteindre la suprématie quantique grâce à un processeur de 53 qubits, и de la société D-Wave, dans laquelle le nombre de qubits se compte en milliers, prête quelque peu à confusion. Eh bien, vraiment, si 53 qubits étaient capables d'atteindre la suprématie quantique, alors de quoi est capable un ordinateur avec 2048 qubits ? Mais tout n'est pas si bon...
En bref (extrait du wiki) :
ordinateurs travailler sur le principe (), peuvent résoudre une sous-classe très limitée de problèmes d’optimisation et ne conviennent pas à la mise en œuvre d’algorithmes quantiques et de portes quantiques traditionnels.
Pour plus de détails, vous pouvez lire par exemple, , (attention, ne peut pas s'ouvrir depuis la Russie), ou в de son . D'ailleurs, je recommande fortement de lire son blog en général, il y a beaucoup de bon matériel là-bas
De manière générale, dès le début des annonces, la communauté scientifique s'est posée des questions sur les ordinateurs D-Wave. Par exemple, en 2014, IBM a remis en question le fait que D-Wave C'est arrivé au point qu'en 2015, Google, en collaboration avec la NASA, a acheté un de ces ordinateurs quantiques et après des recherches , que oui, l'ordinateur fonctionne et calcule le problème plus rapidement qu'un ordinateur ordinaire. Vous pouvez en savoir plus sur 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 calculer et exécuter des algorithmes quantiques. Vous ne pouvez pas exécuter l'algorithme de Shor sur eux, par exemple. Tout ce qu’ils peuvent faire, c’est utiliser certains mécanismes quantiques pour résoudre un certain problème d’optimisation. On peut considérer que D-Wave est un ASIC quantique destiné à une tâche spécifique.
Un peu sur l'émulation d'ordinateur quantique
L'informatique quantique peut être émulée sur un ordinateur ordinaire. En effet, :
- L'état du qubit peut être nombre complexe, occupant de 2x32 à 2x64 bits (8-16 octets) selon l'architecture du processeur
- L'état de N qubits connectés 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 architecture 64 bits.
- Une opération quantique sur N qubits peut être représentée par une matrice 2^N x 2^N
Puis:
- Pour stocker les états émulés de 10 qubits, 8 Ko sont nécessaires
- Pour stocker les états de 20 qubits il vous faut 8 Mo
- Pour stocker les états de 30 qubits, 8 Go sont nécessaires
- 40 téraoctets sont nécessaires pour stocker les états de 8 qubits
- Pour stocker les états de 50 qubits, il faut 8 pétaoctets, etc.
Pour comparaison, () ne transporte que 2.8 pétaoctets de mémoire.
— 49 qubits livrés l'année dernière au plus grand supercalculateur chinois ()
La limite de la simulation d'un ordinateur quantique sur des systèmes classiques est déterminée par la quantité de RAM requise pour stocker l'état des qubits.
Je recommande de lire plus . De là:
Par opération - pour l'émulation précise d'un circuit de 49 qubits composé de quelque 39 « cycles » (couches de portes indépendantes) 2^63 multiplications complexes - 4 Pflops d'un supercalculateur pendant 4 heures
Émuler un ordinateur quantique de plus de 50 qubits sur des systèmes classiques est considéré comme impossible dans un délai raisonnable. C’est aussi pourquoi Google a utilisé un processeur de 53 qubits pour son expérience de suprématie quantique.
Suprématie de l'informatique quantique.
Wikipédia nous donne la définition suivante de la suprématie de l’informatique quantique :
Suprématie quantique - capacité des appareils pour résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pratiquement pas résoudre.
En fait, atteindre la suprématie quantique signifie que, par exemple, la factorisation de grands nombres à l’aide de l’algorithme de Shor peut être résolue en un temps suffisant, ou que des molécules chimiques complexes peuvent être émulées au niveau quantique, et ainsi de suite. Autrement dit, une nouvelle ère est arrivée.
Mais il y a une lacune dans la formulation de la définition : «que les ordinateurs classiques ne peuvent pratiquement pas résoudre" En fait, cela signifie que si vous créez un ordinateur quantique de plus de 50 qubits et exécutez un circuit quantique dessus, alors, comme nous l'avons vu ci-dessus, le résultat de ce circuit ne peut pas être émulé sur un ordinateur ordinaire. C'est un ordinateur classique ne pourra pas recréer le résultat d'un tel circuit.
La question de savoir si un tel résultat constitue ou non une véritable suprématie quantique est plutôt une question philosophique. Mais comprenez ce que Google a fait et sur quoi il est basé nécessaire.
Déclaration de suprématie quantique de Google
Processeur Sycamore 54 qubits
Ainsi, en octobre 2019, les développeurs de Google ont publié un article dans la publication scientifique Nature «" Les auteurs ont annoncé avoir atteint la suprématie quantique pour la première fois dans l'histoire en utilisant le processeur Sycamore de 54 qubits.
Les articles Sycamore en ligne font souvent référence à un processeur de 54 qubits ou à un processeur de 53 qubits. La vérité est que selon , le processeur est physiquement constitué de 54 qubits, mais l'un d'eux ne fonctionne pas et a été mis hors service. Ainsi, en réalité nous avons un processeur de 53 qubits.
Sur le Web juste là documents sur ce sujet, dont le degré variait de à .
L'équipe d'informatique quantique d'IBM a déclaré plus tard que . L'entreprise affirme qu'un ordinateur conventionnel accomplira cette tâche dans le pire des cas en 2,5 jours et que la réponse résultante sera plus précise que celle d'un ordinateur quantique. Cette conclusion a été tirée sur la base des résultats d'une analyse théorique de plusieurs méthodes d'optimisation.
Et, bien sûr, avant Je ne pouvais pas ignorer cette déclaration. Son avec tous les liens et comme d'habitude, ils valent la peine d'y consacrer votre temps. Sur le hub cette FAQ, et assurez-vous de lire les commentaires, il y a des liens vers des documents préliminaires qui ont été divulgués en ligne avant l'annonce officielle.
Qu’a réellement fait Google ? Pour une compréhension détaillée, lisez Aaronson, mais brièvement ici :
Bien sûr, je peux vous le dire, mais je me sens plutôt stupide. Le calcul est le suivant : l'expérimentateur génère un circuit quantique aléatoire C (c'est-à-dire une séquence aléatoire de portes de 1 qubit et 2 qubits entre voisins les plus proches, d'une profondeur de par exemple 20, agissant sur un réseau 2D de n = 50-60 qubits). L'expérimentateur envoie ensuite C à l'ordinateur quantique et lui demande d'appliquer C à un état initial de 0, de mesurer le résultat sur la base {0,1}, de renvoyer une séquence observée (chaîne) de n bits et de répéter plusieurs des milliers ou des millions de fois. Enfin, en utilisant sa connaissance du C, l’expérimentateur effectue un test statistique pour voir si le résultat correspond au résultat attendu de l’ordinateur quantique.
Très brièvement:
- Un circuit aléatoire de longueur 20 sur 53 qubits est créé à l'aide de portes
- Le circuit démarre avec l'état initial [0…0] pour l'exécution
- La sortie du circuit est une chaîne de bits aléatoire (échantillon)
- La distribution du résultat n'est pas aléatoire (interférence)
- La répartition des échantillons obtenus est comparée à celle attendue
- Conclut la suprématie quantique
Autrement dit, Google a implémenté un problème synthétique sur un processeur de 53 qubits et fonde son affirmation de suprématie quantique sur le fait qu'il est impossible d'émuler un tel processeur sur des systèmes standards dans un délai raisonnable.
Pour la compréhension - Cette section ne diminue en rien la réussite de Google, les ingénieurs sont vraiment géniaux, et la question de savoir si cela peut être considéré ou non comme une véritable supériorité quantique, comme mentionné précédemment, est plus philosophique que l'ingénierie. Mais nous devons comprendre qu’après avoir atteint une telle supériorité informatique, nous n’avons pas avancé d’un pas vers la capacité d’exécuter l’algorithme de Shor sur des nombres de 2048 XNUMX bits.
Résumé
Les ordinateurs quantiques et l’informatique quantique constituent un domaine des technologies de l’information très prometteur, très jeune et jusqu’à présent peu applicable industriellement.
Le développement de l’informatique quantique permettra (un jour) de résoudre des problèmes :
- Modélisation de systèmes physiques complexes au niveau quantique
- Insoluble sur un ordinateur ordinaire en raison de la complexité informatique
Les principaux problèmes liés à la création et à l'exploitation d'ordinateurs quantiques :
- Décohérence
- Erreurs (décohérence et porte)
- Architecture du processeur (circuits qubit entièrement connectés)
Situation actuelle :
- En fait - le tout début .
- Il n’y a pas encore de VRAIE exploitation commerciale (et on ne sait pas quand il y en aura)
Qu'est-ce qui peut aider :
- Une sorte de découverte physique qui réduit le coût de câblage et d'exploitation des processeurs
- Découvrir quelque chose qui augmentera le temps de décohérence d'un ordre de grandeur et/ou réduira les erreurs
A mon avis (avis purement personnel), Dans le paradigme scientifique actuel de la connaissance, nous n’obtiendrons pas de succès significatif dans le développement des technologies quantiques., nous avons ici besoin d'une percée qualitative dans un domaine de la science fondamentale ou appliquée, qui donnera une impulsion à de nouvelles idées et méthodes.
En attendant, nous acquérons de l'expérience en programmation quantique, en collectant et en créant des algorithmes quantiques, en testant des idées, etc., etc. Nous attendons une percée.
Conclusion
Dans cet article, nous avons passé en revue les principales étapes du développement de l'informatique quantique et des ordinateurs quantiques, examiné le principe de leur fonctionnement, examiné les principaux problèmes auxquels sont confrontés les ingénieurs dans le développement et le fonctionnement des processeurs quantiques, et également examiné ce que sont les multi-qubits. Les ordinateurs D le sont en réalité. Wave et l'annonce récente de Google de parvenir à la suprématie quantique.
Restent en coulisses les questions de programmation des ordinateurs quantiques (langages, approches, méthodes, etc.) et les questions liées à l'implémentation physique spécifique des processeurs, à la manière dont les qubits sont gérés, liés, lus, etc. Ce sera peut-être le sujet du ou des prochains articles.
Merci de votre attention, j'espère que cet article sera utile à quelqu'un.
(C)
Remerciements
pour la relecture et les commentaires sur le texte source, ainsi que pour l'article
pour des commentaires riches en informations sur , et pas seulement à elle, ce qui m'a largement aidé à résoudre cette énigme.
À tous les auteurs d'articles et de publications dont les matériaux ont été utilisés dans la rédaction de cet article.
Liste des ressources
Articles d'actualité de [The National Academies Press]
Articles de Habr (dans un ordre aléatoire)
Articles non triés (mais non moins intéressants) sur Internet
Cours et conférences
Source: habr.com