“Sílim gur féidir liom a rá go sábháilte nach dtuigeann duine ar bith meicnic chandamach.” - Richard Feynman
Chuir ábhar na ríomhaireachta chandamach spéis i gcónaí do scríbhneoirí teicneolaíochta agus iriseoirí. Thug a chumas agus a chastacht ríomhaireachtúil aura misticiúil dó. Go rómhinic, déanann gné-ailt agus grafaic ghreama cur síos mion ar na hionchais éagsúla atá ag an tionscal seo, agus ar éigean ag baint lena chur i bhfeidhm praiticiúil: is féidir leis seo an léitheoir nach bhfuil chomh haireach céanna a chur amú.
Fágann earraí móréilimh eolaíochta amach cur síos ar chórais chandamach agus déanann siad ráitis mar:
Is féidir le giotán rialta a bheith ina 1 nó ina 0, ach is féidir le qubit a bheith ina 1 agus ina 0 ag an am céanna.
Má tá an t-ádh leat (rud nach bhfuil mé cinnte faoi), déarfar leat:
Tá an qubit i bhforshuíomh idir "1" agus "0".
Is cosúil nach bhfuil aon cheann de na míniúcháin seo sochreidte, mar táimid ag iarraidh feiniméan chandamach meicniúil a fhoirmiú ag baint úsáide as teanga a forbraíodh i ndomhan an-traidisiúnta. Chun prionsabail na ríomhaireachta chandamach a mhíniú go soiléir, is gá teanga eile a úsáid - matamaitic.
Sa rang teagaisc seo, clúdóidh mé na huirlisí matamaitice is gá chun córais ríomhaireachta chandamach a shamhaltú agus a thuiscint, chomh maith le conas loighic na ríomhaireachta chandamach a léiriú agus a chur i bhfeidhm. Thairis sin, tabharfaidh mé sampla de algartam chandamach agus inseoidh mé duit cad é an buntáiste atá aige thar ríomhaire traidisiúnta.
Déanfaidh mé mo dhícheall é seo go léir a mhíniú i dteanga shoiléir, ach fós tá súil agam go mbeidh tuiscint bhunúsach ag léitheoirí an ailt seo ar ailgéabar líneach agus ar loighic dhigiteach (clúdaítear ailgéabar líneach
Gcéad dul síos, a ligean ar dul thar na prionsabail a bhaineann le loighic dhigiteach. Tá sé bunaithe ar úsáid ciorcaid leictreacha chun ríomhaireachtaí a dhéanamh. Chun ár gcur síos a dhéanamh níos teibí, déanaimis staid na sreinge leictrigh a shimpliú go dtí “1” nó “0”, a chomhfhreagróidh do na stáit “ar” nó “as”. Trí trasraitheoirí a shocrú i seicheamh áirithe, cruthóimid eilimintí loighic mar a thugtar orthu a ghlacann luachanna comhartha ionchuir amháin nó níos mó agus iad a thiontú ina comhartha aschuir bunaithe ar rialacha áirithe loighic Boole.
Geataí loighic coitianta agus a gcuid táblaí stáit
Bunaithe ar shlabhraí na n-eilimintí bunúsacha den sórt sin, is féidir eilimintí níos casta a chruthú, agus bunaithe ar shlabhraí na n-eilimintí níos casta, is féidir linn a bheith ag súil le analóg den phróiseálaí lárnach a fháil ar deireadh, le méid mór astarraingthe.
Mar a luaigh mé níos luaithe, ní mór dúinn bealach chun an loighic dhigiteach a léiriú go matamaiticiúil. Ar dtús, tugaimid isteach loighic thraidisiúnta na matamaitice. Ag baint úsáide as ailgéabar líneach, is féidir na giotán clasaiceacha leis na luachanna "1" agus "0" a léiriú mar dhá veicteoir colún:
áit a bhfuil na huimhreacha ar chlé
Céannacht | Claochlú aitheantais |
Diúltú | Negation |
tairiseach-0 | An tairiseach "0" a ríomh |
tairiseach-1 | An tairiseach "1" a ríomh |
Bunaithe ar ár léiriú nua molta ar ghiotán, tá sé éasca go leor oibríochtaí a dhéanamh ar an ngiotán comhfhreagrach ag baint úsáide as claochlú veicteora:
Sula bogadh níos faide, a ligean ar breathnú ar an gcoincheap
Le
Anois go bhfuil beagnach gach coincheap matamaitice riachtanach againn, bogaimis ar aghaidh chuig ár gcéad gheata loighic chandamach. Is é seo an t-oibreoir
Is féidir an t-oibreoir seo a léiriú mar an veicteoir claochlaithe seo a leanas:
Chun gach rud atá clúdaithe againn go dtí seo a léiriú, taispeánfaidh mé duit conas an eilimint CNOT a úsáid ar roinnt giotán:
Chun achoimre a dhéanamh ar a bhfuil ráite cheana féin: sa chéad sampla díscaoilimid |10⟩ ina chodanna dá tháirge tensor agus bainimid úsáid as an maitrís CNOT chun staid chomhfhreagrach nua a fháil den táirge; déanaimid é a fhachtóiriú ansin go |11⟩ de réir tábla na luachanna CNOT a tugadh níos luaithe.
Mar sin, tá cuimhne againn ar na rialacha matamaitice go léir a chabhróidh linn an ríomhaireacht thraidisiúnta agus na gnáthghiotáin a thuiscint, agus is féidir linn bogadh ar aghaidh go dtí an ríomhaireacht chandamach agus na cubits nua-aimseartha ar deireadh.
Má tá tú léite go dtí seo, tá dea-scéala agam duit: is furasta cubits a chur in iúl go matamaiticiúil. Go ginearálta, más féidir giotán clasaiceach (cbit) a shocrú go |1⟩ nó |0⟩, tá an cubit i bhforshuíomh go simplí agus is féidir é a bheith |0⟩ agus |1⟩ roimh thomhas. Tar éis tomhais, titfidh sé isteach i |0⟩ nó |1⟩. I bhfocail eile, is féidir cubit a léiriú mar theaglaim líneach de |0⟩ agus |1⟩ de réir na foirmle thíos:
i gcás a₀ и a₁ seasann siad, faoi seach, do na haimplitiúidí |0⟩ agus |1⟩. Is féidir smaoineamh orthu seo mar "dóchúlachtaí chandamach", a léiríonn an dóchúlacht go dtitfidh cubit isteach i gceann de na stáit tar éis é a thomhas, mar i meicnic chandamach titeann réad i bhforshuíomh isteach i gceann de na stáit tar éis é a bheith socraithe. Déanaimis an slonn seo a leathnú agus faighimid an méid seo a leanas:
Chun mo mhíniú a shimpliú, is é seo an léiriú a úsáidfidh mé san Airteagal seo.
Don qubit seo, an seans go dtitfidh sé go dtí an luach a₀ tar éis tomhais a bheith comhionann le |a₀|², agus an seans go dtitfidh sé go dtí an luach a₁ cothrom le |a₁|². Mar shampla, don qubit seo a leanas:
tá an seans go dtitfidh sé isteach i “1” cothrom le |1/ √2|², nó ½, is é sin, 50/50.
Ós rud é sa chóras clasaiceach go gcaithfidh na dóchúlachtaí go léir a bheith cothrom le ceann amháin (le haghaidh dáileadh iomlán dóchúlachta), is féidir linn a thabhairt ar an gconclúid go gcaithfidh cearnóga absalóideacha na n-aimplitudes |0⟩ agus |1⟩ suim a chur le haon amháin. Bunaithe ar an eolas seo is féidir linn an chothromóid seo a leanas a fhoirmiú:
Má tá tú eolach ar an triantánacht, tabharfaidh tú faoi deara go bhfreagraíonn an chothromóid seo don teoirim Phíotagaró (a²+b²=c²), is é sin, is féidir linn staid fhéideartha an chuibíle a léiriú go grafach mar phointí ar an gciorcal aonaid, mar atá:
Cuirtear oibreoirí loighciúla agus eilimintí i bhfeidhm ar qubits ar an mbealach céanna agus atá sa chás le giotán clasaiceach - bunaithe ar chlaochlú maitrís. Is féidir úsáid a bhaint as na hoibreoirí maitrís inbhéartaithe ar fad a mheabhraíomar go dtí seo, go háirithe CNOT, chun oibriú le cubits. Ceadaíonn oibreoirí maitrís den sórt sin duit gach ceann de aimplitiúid an chubit a úsáid gan é a thomhas agus a mhaolú. Lig dom sampla a thabhairt duit maidir leis an oibreoir diúltaithe a úsáid ar qubit:
Sula leanaimid ar aghaidh, lig dom i gcuimhne duit go bhfuil na luachanna aimplitiúid a₀ agus a₁ atá i ndáiríre
Mar sin féin, chun an míniú a shimpliú, cuirfimid teorainn le fíoruimhreacha anseo.
Dealraíonn sé go bhfuil sé in am plé a dhéanamh ar roinnt gnéithe loighciúla a bhfuil ciall leo i gcomhthéacs na ríomhaireachta chandamach amháin.
Is é ceann de na hoibreoirí is tábhachtaí ná an "eilimint Hadamard": tógann sé beagán i stát "0" nó "1" agus cuireann sé sa superposition cuí le seans 50% titim isteach i "1" nó "0" tar éis tomhais.
Tabhair faoi deara go bhfuil uimhir dhiúltach sa taobh íochtair ar dheis den oibreoir Hadamard. Tá sé seo amhlaidh toisc go mbraitheann toradh chur i bhfeidhm an oibreora ar luach an chomhartha ionchuir: - |1⟩ nó |0⟩, agus dá bhrí sin tá an ríomh inchúlaithe.
Pointe tábhachtach eile maidir le heilimint Hadamard is ea a inbhéartacht, rud a chiallaíonn gur féidir leis cubit a ghlacadh sa fhorshuíomh cuí agus é a athrú go |0⟩ nó |1⟩.
Tá sé seo an-tábhachtach toisc go dtugann sé an cumas dúinn claochlú ó staid chandamach gan staid an qubit a chinneadh - agus, dá réir sin, gan é a laghdú. Mar sin, is féidir linn ríomhaireacht chandamach a struchtúrú bunaithe ar phrionsabal cinntitheach seachas ar phrionsabal dóchúlachta.
Tá a mhalairt féin ag oibreoirí chandamach nach bhfuil iontu ach fíoruimhreacha, agus mar sin is féidir linn an toradh a bhaineann leis an oibreoir a chur i bhfeidhm ar chubit a léiriú mar chlaochlú laistigh den chiorcal aonaid i bhfoirm meaisín stáit:
Mar sin, déantar an qubit, a bhfuil a staid curtha i láthair sa léaráid thuas, tar éis oibriú Hadamard a chur i bhfeidhm, a chlaochlú go dtí an staid atá léirithe ag an tsaighead chomhfhreagrach. Mar an gcéanna, is féidir linn meaisín stáit eile a thógáil a léireoidh claochlú cubit ag baint úsáide as an oibreoir diúltaithe mar a thaispeántar thuas (ar a dtugtar freisin oibreoir diúltach Pauli, nó inbhéartú giotán), mar a thaispeántar thíos:
Chun oibríochtaí níos casta a dhéanamh ar ár qubit, is féidir linn oibreoirí iolracha a shlabhra nó eilimintí a chur i bhfeidhm go minic. Sampla de chlaochlú sraitheach bunaithe ar
Is é sin, má thosaímid le giotán |0⟩, cuir beagán inbhéartaithe i bhfeidhm, agus ansin oibríocht Hadamard, ansin inbhéartú giotán eile, agus arís oibríocht Hadamard, agus inbhéartú deiridh ina dhiaidh sin, críochnóimid an veicteoir a thug ar an taobh deas den slabhra. Trí mheaisíní stáit éagsúla a leagan ar bharr a chéile, is féidir linn tosú ag |0⟩ agus na saigheada daite a fhreagraíonn do gach claochlú a rianú chun tuiscint a fháil ar an gcaoi a n-oibríonn sé.
Ós rud é gur tháinig muid chomh fada seo, tá sé in am smaoineamh ar cheann de na cineálacha halgartaim chandamach, eadhon -
Samhlóimis go bhfuil bosca dubh agat ina bhfuil feidhm/oibreoir ar ghiotán amháin (cuimhnigh - le giota amháin, ní féidir ach ceithre oibríocht a dhéanamh: tiontú aitheantais, diúltú, meastóireacht ar an tairiseach "0" agus meastóireacht ar an tairiseach "1 "). Cad é go díreach an fheidhm a dhéantar sa bhosca? Níl a fhios agat cé acu ceann, ach is féidir leat dul tríd an oiread leaganacha de luachanna ionchuir agus is mian leat agus na torthaí aschuir a mheas.
Cé mhéad ionchur agus aschur a bheadh ort a rith tríd an mbosca dubh le fáil amach cén fheidhm atá in úsáid? Smaoinigh ar seo ar feadh soicind.
I gcás ríomhaire clasaiceach, beidh ort 2 cheist a dhéanamh chun an fheidhm atá le húsáid a chinneadh. Mar shampla, má tháirgeann an t-ionchur "1" aschur "0", bíonn sé soiléir go n-úsáidtear an fheidhm a bhaineann leis an tairiseach "0" nó an fheidhm shéanta a ríomh, agus ina dhiaidh sin beidh ort luach an chomhartha ionchuir a athrú. chuig "0" agus féach cad a tharlaíonn ag an slí amach.
I gcás ríomhaire chandamach, beidh dhá cheist ag teastáil freisin, ós rud é go bhfuil dhá luach aschuir dhifriúla fós ag teastáil uait chun an fheidhm atá le cur i bhfeidhm ar an luach ionchuir a shainiú go beacht. Mar sin féin, má dhéanann tú an cheist a athfhoirmliú beagán, tarlaíonn sé go bhfuil buntáiste tromchúiseach fós ag ríomhairí chandamach: dá mba rud é go raibh tú ag iarraidh a fháil amach an bhfuil an fheidhm atá á húsáid tairiseach nó athraitheach, bheadh buntáiste ag ríomhairí chandamach.
Tá an fheidhm a úsáidtear sa bhosca athraitheach má tháirgeann luachanna éagsúla an chomhartha ionchuir torthaí difriúla ag an aschur (mar shampla, comhshó aitheantais agus inbhéartú giotán), agus mura n-athraíonn an luach aschuir beag beann ar an luach ionchuir, ansin an tá an fheidhm tairiseach (mar shampla, tairiseach "1" a ríomh nó tairiseach "0" a ríomh).
Ag baint úsáide as algartam chandamach, is féidir leat a chinneadh an bhfuil feidhm i mbosca dubh tairiseach nó athraitheach bunaithe ar cheist amháin. Ach sula mbreathnaímid go mion ar conas é seo a dhéanamh, ní mór dúinn bealach a aimsiú chun gach ceann de na feidhmeanna seo a struchtúrú ar ríomhaire chandamach. Ós rud é go gcaithfidh aon oibritheoirí chandamach a bheith dochúlaithe, tá fadhb againn láithreach: níl na feidhmeanna chun na tairisigh “1” agus “0” a ríomh.
Réiteach coitianta a úsáidtear sa ríomhaireacht chandamach is ea cubit aschuir bhreise a chur leis a thugann cibé luach ionchuir a fhaigheann an fheidhm ar ais.
Chuig: | Tar éis: |
Ar an mbealach seo, is féidir linn na luachanna ionchuir a chinneadh bunaithe ar an luach aschuir amháin, agus déantar an fheidhm invertible. Cruthaíonn struchtúr na gciorcaid chandamach an gá atá le giotán ionchuir breise. Ar mhaithe leis na hoibreoirí comhfhreagracha a fhorbairt, glacfaimid leis go bhfuil an cubit ionchuir breise socraithe go |0⟩.
Ag baint úsáide as an ionadaíocht chiorcaid chandamach céanna a d'úsáid muid níos luaithe, déanaimis a fheiceáil conas is féidir gach ceann de na ceithre ghné (claochlú aitheantais, diúltú, meastóireacht ar an tairiseach "0" agus meastóireacht ar an tairiseach "1") a chur i bhfeidhm ag baint úsáide as oibreoirí chandamach.
Mar shampla, seo conas is féidir leat an fheidhm a chur i bhfeidhm chun an tairiseach “0” a ríomh:
Ríomh an tairiseach "0":
Anseo ní gá dúinn oibreoirí ar chor ar bith. Filleann an chéad qubit ionchuir (a ghlacamar leis a bheith |0⟩) leis an luach céanna, agus filleann an dara luach ionchuir é féin - mar is gnách.
Leis an bhfeidhm chun an tairiseach “1” a ríomh tá an scéal beagán difriúil:
Ríomh an tairiseach "1":
Ós rud é gur ghlacamar leis go bhfuil an chéad chubit ionchuir socraithe go |0⟩ i gcónaí, is é an toradh a bhíonn ar oibreoir an ghiotáin inbhéartaithe a chur i bhfeidhm ná go dtáirgeann sé ceann ag an aschur i gcónaí. Agus mar is gnách, tugann an dara qubit a luach féin ag an aschur.
Agus an t-oibreoir claochlaithe céannachta á mhapáil, tosaíonn an tasc ag éirí níos casta. Seo conas é a dhéanamh:
Claochlú comhionann:
Seasann an tsiombail a úsáidtear anseo an eilimint CNOT: seasann an bharrlíne an giotán rialaithe, agus seasann an bunlíne an giotán rialaithe. Lig dom a mheabhrú duit, agus an t-oibreoir CNOT á úsáid agat, go n-athraíonn luach an ghiotán rialaithe má tá an giotán rialaithe cothrom le |1⟩, ach má fhanann sé gan athrú má tá an giotán rialaithe cothrom le |0⟩. Ós rud é gur ghlacamar leis gurb ionann luach na barrlíne i gcónaí agus |0⟩, sanntar a luach don bhunlíne i gcónaí.
Leanaimid ar aghaidh ar an mbealach céanna leis an oibreoir diúltaithe:
Diúltú:
Níl le déanamh againn ach an giotán a inbhéartú ag deireadh na líne aschuir.
Anois agus an réamhthuiscint sin bainte amach againn, déanaimis féachaint ar na buntáistí sonracha a bhaineann le ríomhaire chandamach thar ríomhaire traidisiúnta nuair a thagann sé chun seasmhacht nó inathraitheacht feidhme atá i bhfolach i mbosca dubh a chinneadh ag baint úsáide as aon cheist amháin.
Chun an fhadhb seo a réiteach ag baint úsáide as ríomhaireacht chandamach in iarratas amháin, is gá na cubits ionchuir a chur isteach i bhforshuíomh sula n-aistrítear chuig an bhfeidhm iad, mar a thaispeántar thíos:
Cuirtear an eilimint Hadamard i bhfeidhm arís ar thoradh na feidhme chun na cubits a bhaint as forshuíomh agus an algartam a dhéanamh cinntitheach. Cuirimid tús leis an gcóras i stát |00⟩ agus, ar chúiseanna a mhíneoidh mé go luath, faigh an toradh |11⟩ má tá an fheidhm a chuirtear i bhfeidhm tairiseach. Má tá an fheidhm taobh istigh den bhosca dubh athraitheach, ansin tar éis tomhais a dhéanamh, filleann an córas an toradh |01⟩.
Chun an chuid eile den alt a thuiscint, breathnaímis ar an léaráid a léirigh mé níos luaithe:
Trí úsáid a bhaint as an oibreoir inbhéartaithe giotán agus ansin an eilimint Hadamard a chur i bhfeidhm ar an dá luach ionchuir atá comhionann le |0⟩, cinnteoimid go n-aistrítear iad sa fhorshuíomh céanna |0⟩ agus |1⟩, mar a leanas:
Agus an sampla seo á úsáid agat chun an luach seo a chur ar aghaidh chuig feidhm bhosca dhubh, is furasta a léiriú go bhfuil an dá fheidhm luacha tairiseach aschuir |11⟩.
Ríomh an tairiseach "0":
Ar an gcaoi chéanna, feicimid go dtáirgeann an fheidhm chun an tairiseach “1” a ríomh |11⟩ mar aschur, is é sin:
Ríomh an tairiseach "1":
Tabhair faoi deara gurb é |1⟩ an t-aschur, ós rud é -1² = 1.
De réir an phrionsabail chéanna, is féidir linn a chruthú, agus an dá fheidhm athraitheach á n-úsáid againn, go bhfaighidh muid |01⟩ ag an aschur i gcónaí (ar choinníoll go n-úsáideann muid an modh céanna), cé go bhfuil gach rud beagán níos casta.
Claochlú comhionann:
Ós rud é gur oibreoir dhá qubit é CNOT, ní féidir é a léiriú mar mheaisín stáit shimplí, agus mar sin is gá dhá chomhartha aschuir a shainiú bunaithe ar tháirge tensor an dá qubits ionchuir agus iolraithe faoi mhaitrís CNOT mar a thuairiscítear níos luaithe:
Leis an modh seo is féidir linn a dhearbhú freisin go bhfaightear an luach aschuir |01⟩ má tá an fheidhm diúltaithe i bhfolach sa bhosca dubh:
Diúltú:
Mar sin, tá cás díreach léirithe againn ina bhfuil ríomhaire chandamach níos éifeachtaí ná gnáthríomhaire.
Cad é seo chugainn?
Molaim dúinn deireadh a chur leis seo. Rinneamar jab iontach cheana féin. Má thuig tú gach rud a chlúdaigh mé, sílim go bhfuil tuiscint mhaith agat anois ar bhunghnéithe na ríomhaireachta chandamach agus na loighce chandamach, agus cén fáth gur féidir le halgartaim chandamach a bheith níos éifeachtaí ná an ríomhaireacht thraidisiúnta i gcásanna áirithe.
Is ar éigean gur féidir treoir iomlán a thabhairt do mo chur síos ar ríomhaireacht chandamach agus ar algartaim - in áit, is réamhrá gairid é ar an matamaitic agus ar an nodaireacht, atá deartha chun smaointe léitheoirí faoin ábhar a fhorchuireann foinsí eolaíochta coitianta a dhíbirt (dáiríre, ní féidir le go leor acu i ndáiríre. an cás a thuiscint!). Ní raibh am agam teagmháil a dhéanamh ar go leor ábhar tábhachtach, mar shampla
Más mian leat do chuid eolais ar ríomhairí chandamach a chórasú agus a struchtúrú, go práinneach Molaim duit léamh
Foinse: will.com