A kvantumszámítógépek és kvantumszámítások — új , amely a mesterséges intelligenciával , „hogyan működnek a kvantumszámítógépek” . Igen, sok remek munka van, köztük a Habr-on (lásd:Forrásszakaszok Nemrég kollégák jöttek hozzám, és megkérdezték: „Értesz a kvantumszámítógépek működéséhez? El tudnád nekünk magyarázni?” Ekkor rájöttem, hogy nekem nem csak nekem van problémám a teljes kép összerakásával.
Ennek eredményeként megpróbáltam összegyűjteni az információt a kvantumszámítógépekről egy ellentmondásmentes logikai séma keretein belül, amely a
alapvető szinten, mély matematikai és a kvantum világ szerkezetébe való bepillantás nélkül, magyarázza el, mi a kvantumszámítógép, milyen elveken működik, valamint milyen problémákkal szembesülnek a tudósok a megépítése és üzemeltetése során.Főbb szereplők
Tartalomjegyzék
Megjegyzés
a cikk célcsoportja az ilyen IT szakemberek, nem kvantum szakértők, , akik szintén szeretnék összerakni a fejükben a „Hogyan működnek a kvantumszámítógépek” című képet. Ennek következtében sok fogalmat a cikkben szándékosan leegyszerűsítettek a kvantum technológiák „alap” szintű jobb megértése érdekében, de anélkül, hogytúlságosan leegyszerűsítenének, veszítve az informativitásból és a megfelelőségből. .
a listájukat a cikk végén található. Mindenhol, ahol lehetséges volt, közvetlen hivatkozások és utalások kerültek beillesztésre az eredeti szövegre, táblázatokra vagy ábrákra. Ha valamit (vagy valakit) kihagytam, írj — ki fogom javítani.
Bevezetés
Ebben a fejezetben röviden áttekintjük, mivel kezdődött a kvantumkorszak, mi volt a kvantumszámítógép ötletének kiváltó oka, mely országok és vállalatok a jelenleg vezető szereplők ezen a területen, és röviden beszélünk a kvantumszámítástechnika fő fejlesztési irányairól.
Hogyan kezdődött az egész
A kvantumkorszak kiindulópontjának a 1900-as évet tartják, amikor M. Planck először vetette fel , miszerint az energia nem folyamatosan, hanem különálló kvantumokban (részletekben) kerül kibocsátásra és elnyelésre. Ezt az ötletet sok kiemelkedő tudós — Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger — felkarolta és továbbfejlesztette, ami végül a kvantumfizika című tudományág létrehozásához és fejlődéséhez vezetett. tudományos fejlődéséről sok jó anyag található az interneten, ebben a cikkben nem fogunk részletesen kitérni erre, de szükséges volt megemlíteni, mikor léptünk be egy új kvantumkorszakba.
A kvantumfizika rengeteg találmányt és technológiát hozott a hétköznapi életünkbe, amelyek nélkül most nehezen tudnánk elképzelni a minket körülvevő világot. Például a lézer, amely ma már mindenhol használatos, a háztartási gépektől (lézernivellálók és hasonlók) kezdve a high-tech rendszereken át (látásjavító lézerek, üdvözli ). Logikus lenne feltételezni, hogy előbb-utóbb valaki felveti azt az ötletet, hogy miért ne használhatnánk kvantumrendszereket számításokhoz. És íme, 1980-ban ez megtörtént.
A Wikipédia rámutat arra, hogy a kvantumszámítástechnika ötletét 1980-ban a mi tudósunk, Jurij Manin fogalmazta meg először. De valójában csak 1981-ben kezdtek róla beszélni, amikor a közismert R. Feynman a , megjegyezte, hogy nem lehetséges hatékonyan modellezni egy kvantumrendszer fejlődését klasszikus számítógépen. Ő javasolta az alapvető modellt , amely képes lenne ilyen modellezésre.
Az interneten található , amelyben tudományosabb és részletesebb szempontból elemzik, mi pedig röviden áttekintjük:
A kvantumszámítógépek létrehozásának főbb mérföldkövei:
- [1994]. P. Shor. Kifejlesztették
- [1998]. Elkészült
- [2001]. Az IBM bemutatott egy megvalósítást 15-ös szám faktorizálásához
- [2007-2016]. kifejleszt és személyes számítógépét 128-2000 qubitre
- [2012]. A Kaliforniai Egyetemen megvalósították
- [2016]. A Google egy 9 qubitből álló számítógépen
- [2017]. (három atom)
- [2019]. . A felhőben működő 20 qubites számítógép
- [2019]. . 53 qubites számítógép. ?
Ahogy látja, 17 év telt el (1981-től 1998-ig) az ötlet megszületésétől az első megvalósításáig a 2 qubites számítógépben, és 21 év (1998-tól 2019-ig) ahhoz, hogy a qubitok száma 53-ra nőjön. 11 évbe telt (2001-től 2012-ig), hogy a Shor algoritmusának teljesítményét 15-ről 21-re javítsák. Csak három éve jutottunk el odáig, hogy megvalósítsuk azt, amiről Feynman beszélt, és megtanuljunk modellezni egyszerű fizikai rendszereket.
A kvantumszámítás fejlődése lassú. A tudósok és mérnökök rendkívül összetett feladatokkal szembesülnek, a kvantumállapotok nagyon mulandók és törékenyek, és ahhoz, hogy elég sokáig megőrizzék őket a számítások végrehajtásához, milliárdokat érő szarkofágokat kell építeni, ahol a hőmérsékletet közvetlenül az abszolút nulla fölött tartják, és amelyeket maximális mértékben védelmeznek a külső hatásoktól. Később ezekről a feladatokról és problémákról részletesen beszélünk.
Fejlesztési irányok
A diák ennek a résznek az anyagából származik , a tudományos munkatárstól Aleksey Fedorovtól. Engedje meg, hogy közvetlen idézeteket hozzak:
Minden technológiailag sikeres ország aktívan foglalkozik a kvantumtechnológiák fejlesztésével. Ezekbe a kutatásokba óriási összegeket fektetnek, speciális programokat hoznak létre a kvantumtechnológiák támogatására.
A kvantumversenyben nemcsak államok, hanem magáncégek is részt vesznek. Összesen a Google, az IBM, az Intel és a Microsoft körülbelül 0,5 milliárd dollárt fektetett be a kvantumszámítógépek fejlesztésébe az utóbbi időben, és nagy laboratóriumokat, valamint kutatóközpontokat hoztak létre.
A Habr-on és a hálón számos cikk található, például , és , amelyek a különböző országokban lévő kvantumtechnológiák fejlődésének jelenlegi állapotát részletesebben vizsgálják. Jelenleg a legfontosabb számunkra, hogy minden vezető technológiailag fejlett ország és szereplő hatalmas összegeket fektet be a kutatásba ezen a területen, ami reményt ad a jelenlegi technológiai zsákutcából való kilépésre.
Alapok. Kvantum objektum és kvantum rendszerek
Jelenleg (lehet, hogy tévedek, javítsatok ki) a fő erőfeszítések (és a viszonylag jelentős eredmények) minden vezető szereplő esetében két irányra összpontosulnak:
- Speciális kvantumszámítógépek, amelyek egy konkrét, specifikus probléma megoldására irányulnak, például az optimálási problémákra. A D-Wave kvantumszámítógépei például ennek a terméknek számítanak.
- Univerzális kvantumszámítógépek — amelyek képesek megvalósítani tetszőleges kvantumalgoritmusokat (Shor, Grover, stb.). Az IBM és a Google megvalósításai.
A kvantumfizika egyéb fejlődési irányai, mint például:
- mint alapja a
- és még sok más
természetesen szerepelnek a kutatási irányok listáján, de jelentős eredmények valószínűleg még nem állnak rendelkezésre.
További olvasmányként ajánlom , és keresgéljetek "", például, , és .
A kvantumszámítógép és a klasszikus összehasonlítása
A legfontosabb, amit ebből a részből meg kell érteni, az az, hogy
A kvantumszámítógép (ellentétben a hagyományos számítógépekkel) információhordozóként kvantumobjektumokat, és a számítások elvégzéséhez a kvantumobjektumokat egy kvantumrendszerbe.
Kicsoda is a kvantumobjektum?
A kvantumobjektum — a mikroművészet (kvantum világ), amely kvantum sajátosságokat mutat:
- Van egy meghatározott állapota két határoló szinttel
- A mérés pillanatáig szuperpozícióban van az állapotával
- Más objektumokkal összegabalyodik kvantumrendszerek létrehozásához
- Megvalósítja a klónozási tilalom tételét (nem lehet az objektum állapotát lemásolni)
Nézzük meg részletesebben az egyes jellemzőket:
Határozott állapottal rendelkezik két határoló szinttel (végső állapot)
Egy klasszikus példa a való életből — egy érme. Ennek állapota a 'felület', amely két határoló szintet vesz fel — 'fej' és 'írás'.
A mérés pillanatáig szuperpozícióban van az állapotával
Feldobtuk az érmét, az pörög és forog. Amíg forog, nem lehet megmondani, hogy az állapota 'felület' melyik határoló szintjén van. De amint lecsapunk rá és megnézzük az eredményt — a szuperpozíció állapot azonnal összeolvad az egyik két határoló szintbe — 'fej' vagy 'írás'. Az érme lecsapása a mi esetünkben a mérést jelenti.
Más objektumokkal összegabalyodik kvantumrendszerek létrehozásához
Az érmével nehéz, de próbálkozzunk. Képzeljük el, hogy három érmét dobtunk fel, úgy, hogy egymásra tapadva forognak, egy féle érmékkel való zsonglőrködés. Minden egyes pillanatban nemcsak mindegyikük van szuperpozícióban, hanem ezek az állapotok egymásra is hatnak (hiszen az érmék ütköznek).
Megvalósítja a klónozási tilalom tételét (nem lehet az objektum állapotát lemásolni)
Amíg az érmék repülnek és forognak, egyáltalán nem tudunk létrehozni egy külön másolatot bármelyik érme forgó állapotáról a rendszeren kívül. A rendszer önállóan él, és nagyon féltékenyen kezeli, hogy bármilyen információt átadjon.
Még pár szó a szuperpozíció fogalmáról a szuperpozícióról, gyakorlatilag minden cikkben a szuperpozíciót úgy magyarázzák el, hogy 'minden állapotban egyszerre van', ami természetesen igaz, de néha túl bonyolulttá teszi. A szuperpozíciót úgy is elképzelhetjük, hogy minden egyes pillanatban egy kvantum objektumnak bizonyos valószínűségei vannak arra, hogy összeolvadjon az összes határoló szintjével, és összesen ezek a valószínűségek természetesen 1-et adnak.. A kubit vizsgálatakor részletesebben fogunk foglalkozni ezzel.
Az érmék esetében ezt vizuálisan is elképzelhetjük — a kezdeti sebességtől, a dobás szögétől, a környezeti állapottól függően, amelyben az érme repül, minden egyes pillanatban a 'fej' vagy 'írás' valószínűsége különbözik. Ahogy korábban említettük, egy ilyen repülő érme állapotát úgy képzelhetjük el, mint 'minden határoló állapotában egyszerre van, de a megvalósulásuk valószínűségében eltérő'.
Bármely objektum, amelyre a fenti tulajdonságok vonatkoznak, és amelyet létrehozhatunk és irányíthatunk, információhordozóként használható egy kvantumszámítógépben.
Kicsit később beszélni fogunk a qubitok fizikai megvalósításának jelenlegi állapotáról, és arról, hogy mit használnak napjaink tudósai erre.
Tehát a harmadik tulajdonság azt mondja ki, hogy a kvantumobjektumok összekapcsolódhatnak kvantumrendszerek létrehozásához. Mi is az a kvantumrendszer?
Kvantumrendszer — összekapcsolt kvantumobjektumok rendszere, amelyek a következő tulajdonságokkal rendelkeznek:
- A kvantumrendszer a benne lévő objektumok összes lehetséges állapotának szuperpozíciójában van.
- A rendszer állapota nem ismerhető meg a mérés pillanatáig.
- A mérés pillanatában a rendszer megvalósítja a lehetséges határállapotai közül egyik variációt.
(és egy kicsit előreugorva)
Következmények a kvantumprogramok számára:
- A kvantumprogramnak van egy megadott állapota a bemenetnél, szuperpozíció belül, szuperpozíció a kimenetnél.
- A program kimenetén, a mérés után, a rendszer egyik lehetséges végállapotának valószínűségi megvalósítását kapjuk (plusz lehetséges hibák).
- Bármely kvantumprogram rendelkezik egy kéményarchitektúrával (bemenet -> kimenet. Nincsenek ciklusok, nem lehet megnézni a rendszer állapotát a folyamat közepén).
A qubitek fizikai megvalósításai
Most hasonlítsuk össze a hagyományos számítógépet a kvantummal.
| Hagyományos számítógép | A kvantumszámítógép | |
Logika | 0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2 + b^2 = 1` |
Fizika | Félvezető tranzisztor | A kvantumobjektum |
Információhordozó | Feszültségszintek | Polarizáció, spin,… |
Átláthatóság a rendszerben nagyon fontos – különben nem fogod tudni, mi történik benne. Ma már van egy szilárd eszközkészlet, amely a cloud-native stílusú metrikákra épülő monitorozást biztosít. Két népszerű eszköz erre a célra a Prometheus és a Grafana. A Prometheus képes összegyűjteni a metrikákat az összes Java (Kafka, Zookeeper, Kafka Connect) folyamatból JMX exportáló segítségével – a legegyszerűbb módon. Ha hozzáadjuk a cAdvisor metrikáit, teljesebb képet kaphatunk arról, hogyan használják a Kubernetesben a forrásokat. | NOT, AND, OR, XOR biteken | Kapuk: CNOT, Hadamard,… |
Kapcsolat | Félvezető chip | Összekapcsolódás egymással |
Algoritmusok | Szabványos (lásd Knuth) | Speciális (Shor, Grover) |
Elv | Digitális, determinisztikus | Analóg, valószínűségi |
Logikai szint
Hagyományos számítógépben ez a bit. Jól ismerjük a hátérből. determinált bit. Kétféle értéket vehet fel: 0 vagy 1. Kiválóan megfelel a logikai egység szerepének a hagyományos számítógép számára, de teljesen alkalmatlan a kvantumobjektum állapotának leírására., amely, ahogy már említettük, a természetben szuperpozícióban van.a határállapotai között..
Erre találták ki a A határállapotai között 0 és 1 állapotoknak megfelelően valósul meg. , és a szuperpozíció egy valószínűségi eloszlást képvisel a határállapotai felett |0> |1> és a|0> + b|1>, ahol a^2+b^2=1:
a és b itta valószínűségek amplitúdói |1>, |1> és ha azonnal összecsukjuk a qubitet egy méréssel. A jelenlegi technológiai fejlettségi szinten a bit fizikai megvalósítása a hagyományos számítógépeknél
Fizikai réteg
félvezető tranzisztor , kvantumszámítógép esetén pedig, ahogy már említettük,bármely kvantumobjektum . A következő részben arról fogunk beszélni, hogy mi szolgál jelenleg kvantumkubitok fizikai hordozóiként.Az információtároló
a hagyományos számítógépnél
elektromos áram — feszültségszintek, áram megléte vagy hiánya, és így tovább, a kvantumszámítógép esetében pedig az kvantumobjektum állapota (polarizáció iránya, spin, stb.), amely szuperpozícióban lehet. A hagyományos számítógépeken logikai áramkörök megvalósításához a jól ismert
Átláthatóság a rendszerben nagyon fontos – különben nem fogod tudni, mi történik benne. Ma már van egy szilárd eszközkészlet, amely a cloud-native stílusú metrikákra épülő monitorozást biztosít. Két népszerű eszköz erre a célra a Prometheus és a Grafana. A Prometheus képes összegyűjteni a metrikákat az összes Java (Kafka, Zookeeper, Kafka Connect) folyamatból JMX exportáló segítségével – a legegyszerűbb módon. Ha hozzáadjuk a cAdvisor metrikáit, teljesebb képet kaphatunk arról, hogyan használják a Kubernetesben a forrásokat.
logikai műveletek kvantumkapuknak Példák kvantumkapukra:
Létezik a
univerzális kapusorozat , amely elegendő bármilyen kvantumos számításhoz. Például az univerzális kapuk közé tartozik a Hadamard-kapu, a fáziseltolódási kapu, a CNOT kapu és a π⁄8 kapu. Ezek segítségével bármilyen kvantumos számítást elvégezhetünk tetszőleges qubit halmazon.Ebben a cikkben nem fogunk részletesebben foglalkozni a kvantumkapuk rendszerével, részletesebben olvashatunk róluk és a qubitokkal végzett logikai műveletekről például
. A lényeg, amit meg kell jegyezni: A kvantumobjektumokkal végzett műveletek új logikai operátorok (kvantumkapuk) létrehozását igénylik
- A kvantumkapuk lehetnek egyqubit-esek és kétqubit-esek
- Léteznek univerzális kapusorozatok, amelyek segítségével bármilyen kvantumos számítást el lehet végezni.
- Vannak univerzális kapukészletek, amelyek segítségével bármilyen kvantumszámítást végre lehet hajtani
Kapcsolat
Egyetlen tranzisztor számunkra teljesen haszontalan, hogy számításokat végezhessünk, sok tranzisztort kell összekapcsolnunk, azaz félvezető chipeket kell létrehoznunk milliók számban, amelyeken logikai áramköröket építhetünk. és végső soron megkapjuk a modern processzort klasszikus formájában.
Egyetlen kubit számunkra szintén teljesen haszontalan (legalábbis ha csak az akadémiai szempontot nézzük),
ahhoz, hogy számításokat végezhessünk, egy kubitokból álló rendszere van szükségünk (kvantum objektumok)
amely, ahogy már említettük, a kubitok összezavarásával jön létre, hogy az állapotukban bekövetkező változások összhangban történjenek.
Algoritmusok
A standard algoritmusok, amelyeket az emberiség eddig felhalmozott, teljesen alkalmatlanok kvantumszámítógépen való végrehajtásra. Egyébként pedig nincs is rá szükség. A kubitok felett működő logikai kapukra alapozott kvantumszámítógépek teljesen más algoritmusok, kvantum algoritmusok létrehozását igénylik. A legismertebb kvantum algoritmusok közül három kiemelhető:
- (prímfaktorozás)
- (gyors keresés rendezetlen adatbázisban)
- (válasz arra a kérdésre, hogy folytonos vagy kiegyensúlyozott funkció)
Elv
És a legfontosabb különbség — ez a működési elv. A hagyományos számítógépnek ez digitális, szigorúan meghatározott elve, amelyen alapul, hogy ha megadtunk egy kezdeti állapotot a rendszernek, és átengedtük azt egy adott algoritmuson, akkor a számítások eredménye mindig ugyanaz lesz, függetlenül attól, hogy hányszor futtatjuk le azt. Valójában ez a viselkedés az, amit a számítógéptől elvárunk.
A kvantumszámítógép pedig analóg, valószínűségi elven működik.A megadott algoritmus eredménye a megadott kezdeti állapoton egy valószínűségi eloszlásból vett mintavétel véges algoritmus megvalósítások plusz a lehetséges hibák.
Ez a valószínűségi természete a kvantum számításoknak maga a kvantum világának valószínűségi sajátosságából fakad. "Isten nem dob kockával az univerzummal", — mondta az öreg Einstein, de minden kísérlet és megfigyelés eddig (a jelenlegi tudományos paradigma szerint) az ellenkezőjét igazolja.
Alapok. A kvantumszámítógép működési elve
Amint már említettük, a qubit egy kvantum objektumként van ábrázolva, tehát egy olyan fizikai objektum, amely megvalósítja a fent említett kvantum tulajdonságokat. Más szóval, bármilyen fizikai objektum, amelynek két állapota van és ezek az állapotok szuperpozícióban vannak, használható kvantum számítógép építéséhez.
„Ha képesek vagyunk egy atomot két különböző szintre helyezni és azokat irányítani, akkor itt van a qubit. Ha ezt egy ionnal tudjuk megtenni, — qubit. Ugyanez érvényes az áramra is. Ha egyszerre indítjuk el az óra járásával és ellenkező irányban, itt van a qubit.”
Van refs , amelyben a qubit jelenlegi fizikai megvalósításainak sokféleségét részletesebben tárgyalják, mi csupán a legismertebb és legelterjedtebb példákat soroljuk fel:
- és számos más egzotikus ötlet (anionok és egyebek)
E sokféleség közül a legjobban kidolgozott módszer a qubitok előállítására a . , , és a többi vezető szereplő is ezt használja rendszereik felépítéséhez.
Ezen kívül olvasd el a possible qubitok .
Kvantum algoritmusok
A jelen fejezet anyagához (feladat és képek) a .
Tehát tegyük fel, hogy van egy következő feladatunk:
Van egy három fős csoport: (A)ndrej, (B)olodja és (S)zergej. Két taxi (0 és 1).
Továbbá ismert, hogy:
- (A)ndrej és (B)olodja — barátok
- (A)ndrej és (S)zergej — ellenségek
- (B)olodja és (S)zergej — ellenségek
Feladat: Az embereket úgy elhelyezni a taxikban, hogy Max(barátok) és Min(ellenségek)
Értékelés: L = (barátok száma) — (ellenségek száma) minden elhelyezési változatnál
FONTOS: Tegyük fel, hogy nincsenek heurisztikák, optimalizált megoldás nincs. Ebben az esetben a feladat csak az összes lehetséges változat teljes áttekintésével oldható meg.
Megoldás hagyományos számítógépen
Hogyan lehet ezt a feladatot hagyományos (szuper)számítógépen (vagy klaszteren) megoldani — nyilvánvaló, hogy minden lehetséges változatot végig kell nézni egy ciklusban.. Ha van többprocesszoros rendszerünk, párhuzamosítani lehet a megoldások számítását több processzoron, majd összegyűjteni az eredményeket.
Van 2 lehetséges elhelyezési lehetőség (taxi 0 és taxi 1) és 3 ember. A megoldási tér 2^3 = 8Nyolc lehetőséget még egy számológépen is át lehet nézni, ez nem probléma. Most pedig nehezítsük a feladatot – 20 emberünk van és két busz, a megoldások terjedelme 2^20 = 1 048 576. Szintén nem bonyolult. Növeljük meg az emberek számát 2,5-szer – vegyünk 50 embert és két vonatot, a megoldások terjedelme most 2^50 = 1,12 x 10^15. Egy normál (szuper)számítógép már komoly problémákkal küzd. Növeljük meg az emberek számát 2-szer, 100 ember már 1,2 x 10^30 lehetőséget ad.
Mindezért ésszerű időn belül ezt a feladatot nem lehet kiszámítani.
Csatlakoztassunk egy szuperszámítógépet
A legnagyobb számítógép jelenleg – az 1. helyezett a . Annak érdekében, hogy ezt az információt titokban tartsák, , teljesítménye 122 . Tegyük fel, hogy egy variáns kiszámításához elegendő 100 művelet, akkor a 100 ember feladatának megoldásához szükségünk lesz:
(1,2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 év.
Ahogy látjuk, a kiindulási adatok dimenziójának növelésével a megoldás terjedelme hatványosan növekszik, általános esetben N bit számára 2^N lehetséges megoldásunk van, amelyek viszonylag kis N (100) esetén már kiszámíthatatlan (a jelenlegi technológiai szinten) megoldási teret adnak.
Vannak alternatívák? Ahogy már kitaláltad, vannak.
De mielőtt rátérnénk arra, hogy hogyan és miért teszik lehetővé a kvantumszámítógépek az ilyen feladatok hatékony megoldását, nézzünk egy kicsit arra, hogy mi is az a valószínűségi eloszlás. Ne ijedjetek meg, az írás áttekintő jellegű, kemény matematikára nem lesz szükség, elég lesz egy klasszikus példa egy zsákkal és golyókkal.
Csak egy kis kombinatorika, valószínűségtan és furcsa kísérletező
Vegyünk egy zsákot és tegyünk bele 1000 fehér és 1000 fekete golyót. Végezni fogunk egy kísérletet – kihúzunk egy golyót, feljegyezzük a színt, visszatesszük a golyót a zsákba és megkeverjük a golyókat a zsákban.
Végezzük el a kísérletet 10 alkalommal, kihúztunk 10 fekete golyót.Lehetséges? Teljesen. Ad nekünk ez a minta valamilyen ésszerű elképzelést az igaz valószínűségről a zsákban? Nyilvánvalóan nem. Mit kell tenni – helyes,megismételni a kísérletet egymillió alkalommal és kiszámítani a fekete és fehér golyók előfordulási arányát. Például kapunk 49,95% fekete és 50,05% fehér golyót.Ekkor már nagyjából érthető a zsákból, amiből mintázunk (kiválasztunk egy golyót), az eloszlás szerkezete.
A legfontosabb, amit meg kell érteni, hogy maga a kísérlet valószínűségi természetűEgy mintával (labdával) nem fogjuk megtudni az eloszlás valódi szerkezetét. Többször meg kell ismételnünk a kísérletet és átlagolnunk a eredményeket.
Adjunk a zsákunkhoz 10 piros és 10 zöld labdát (hibák). Ismételjük meg a kísérletet 10 alkalommal. Akivett 5 piros és 5 zöld labdát. Lehetséges? Igen. Mondhatunk valamit a valódi eloszlásról? - Nem. Mit kell tenni? - Nos, tudod már.
Ahhoz, hogy megértjük a valószínűségi eloszlás szerkezetét, többször kell mintavennünk az eloszlásból és átlagolnunk az eredményeket.
Kapcsoljuk a elméletet a gyakorlattal
Most a fekete és fehér labdák helyett vegyünk biliárd labdákat, és tegyünk a zsákba 1000 db 2-es számú labdát, 1000 db 7-es számú labdát és 10 labdát más számokkal. Képzeljünk el egy kísérletvezetőt, aki megtanulta az egyszerű műveleteket (kivenni a labdát, feljegyezni a számot, visszahelyezni a labdát a zsákba, megkeverni a labdákat a zsákban), és ezt 150 mikrofonban végzi. Nos, egy ilyen kísérletvezető szupergyorsan (nem reklám!) dolgozik. Így 150 másodperc alatt 1 millió alkalommal tudja megcsinálni a kísérletünket és átlagolt eredményeket tud adni nekünk.
Leültettük a kísérletvezetőt, adtunk neki egy zsákot, elfordultunk, vártunk 150 másodpercet - és megkaptuk:
a 2-es szám - 49,5%, a 7-es szám - 49,5%, a többi szám összesen - 1%.
Igen, minden rendben van, a zsákunk egy kvantumszámítógép, amelyik megoldja a feladatunkat, a labdák pedig a lehetséges megoldásváltozatok. Mivel a helyes megoldások száma kettő, a kvantumszámítógép egyenlő valószínűséggel bármelyik lehetséges megoldást kibocsát, és 0,5% (10/2000) hiba, amiről később beszélünk.
Ahhoz, hogy a kvantumszámítógép eredményét megkapjuk, többször el kell indítanunk a kvantumalgot egy és ugyanazon bemeneti adathalmazon és átlagolnunk kell az eredményt.
A kvantumszámítógép skálázhatósága
Most képzeljük el, hogy van egy feladat, amelyben 100 ember vesz részt (a megoldások területe 2^100 emlékszünk erre), a helyes megoldások száma is csak kettő. Akkor, ha 100 qubitet veszünk, és írunk egy algoritmust, amelyik a célfüggvényünket (L, lásd fent) számolja ezeken a qubiteken, akkor egy zsákot kapunk, amelyben 1000 db első helyes válasz labda van, 1000 db második helyes válasz labda, és 10 labda más számokkal. És a kísérleti megoldónk ugyanennyi, 150 másodperc alatt megadja a helyes válaszok valószínűségi eloszlásának értékelését..
A kvantum algoritmus végrehajtási ideje (bizonyos feltételezések mellett) konstansnak tekinthető O(1) a megoldási tér dimenziójához (2^N) viszonyítva.
És pontosan ez a kvantumszámítógép tulajdonsága — a végrehajtási idő állandósága a megoldási tér növekvő hatványos bonyolultságához viszonyítva és ez a kulcsfontosságú.
A kubit és a párhuzamos világok
Hogyan történik ez? Mi teszi lehetővé, hogy a kvantumszámítógép ilyen gyorsan végezzen számításokat? Az egész a kubit kvantum természetében rejlik.
Látja, azt mondtuk, hogy a kubit mint kvantum objekhtus figyelésekor az egyik két állapotát valósítja meg, de a “valóságban” szuperpozícióban van állapotokban, vagyis mindkét határállapotában egyszerre (bizonyos valószínűséggel) van.
Vegyünk (A)ndreát és képzeljük el az állapotát (milyen járműben van — 0 vagy 1) kubitként. Ekkor (a kvantumtérben) létrejön két párhuzamos világ, az egyikben (A) a taxi 0-ban ül, a másik világban — a taxi 1-ben. Egyszerre két taxiban, de bizonyos valószínűséggel találhatjuk őt mindkettőjükben megfigyeléskor.
Vegyünk (V)olodját és őt is képzeljük el, mint kubitot. Két másik párhuzamos világ jön létre. De amíg ezek a világpárok (A) és (V) nem lépnek kölcsönhatásba. Mit kell tennünk ahhoz, hogy létrehozzunk kapcsolt rendszert? Helyes, ezeket a kubitokat összekapcsolni (entanglement). Fogjuk és összekapcsoljuk (A) és (V) — így kapunk egy kvantumrendszert két kubittal (A, V), amely négy kölcsönösen függő párhuzamos világot valósít meg. Hozzáadunk (S)ergelyt és így kapunk egy három kubitból álló rendszert (ABC), amely nyolc kölcsönösen függő párhuzamos világot valósít meg.
A kvantum számítások lényege (a kapcsolt kubitok rendszere felett végrehajtott kvantumkapu lánc megvalósítása) abban rejlik, hogy a számítás minden párhuzamos világban egyszerre történik.
És nem számít, hány van belőlük, 2^3 vagy 2^100, a kvantum algoritmus véges időn belül végrehajtódik minden párhuzamos világ felett és eredményt ad, amely a válaszok algoritmusának valószínűségi eloszlásából származó mintát reprezentál.
A jobb megértés érdekében elképzelhetjük, hogy A kvantum számítógép kvantum szinten 2^N párhuzamos megoldási folyamatot indít el, amelyek mindegyike egy konkrét lehetőségen dolgozik, majd összegyűjti a munkájának eredményeit — és megadja nekünk a választ a megoldás szuperpozíciójaként (a válaszok valószínűségi eloszlásaként), amelyből minden alkalommal (minden kísérletnél) egyszer mintázunk.
Emlékezzünk az időre, amely szükséges kísérletvezetőnknek (150 µs) a kísérlet lebonyolításához, ez hasznos lesz számunkra nem sokkal később, amikor a kvantumszámítógépek alapvető problémáiról és a dekohérencia idejéről beszélünk.
Shor algoritmusa.
Ahogy már említettük, a hagyományos algoritmusok, amelyek a bináris logikán alapulnak, nem alkalmazhatók a kvantum logikát (kvantum kapukat) használó kvantum számítógépekre. Számukra új algoritmusokat kellett kidolgozni, amelyek teljes mértékben kihasználják a kvantum számításokban rejlő potenciált.
A legjobban ismert algoritmusok a következők:
A klasszikusokkal ellentétben a kvantumszámítógépek nem univerzálisak.
Eddig csupán néhány kvantum algoritmus létezik.
Köszönöm azért a hivatkozásért , egy hely, ahol a szerző állítása szerint () összegyűjtötték és folyamatosan gyűjtik a kvantum algoritmusok legjobbjait.
Ebben a cikkben nem fogunk részletesen foglalkozni a kvantum algoritmusokkal, az interneten számos kiváló anyag található különböző nehézségi szinten, de érdemes átfogni a három legjobban ismert algoritmust.
Grover algoritmusa
A legjobban ismert kvantum algoritmus (1994-ben találta fel a brit matematikus ), amely a számok prímtényezőkre való bontásának (faktorizáció, diszkrét logaritmus) megoldására irányul.
Ezt az algoritmust hozzák fel példaként, amikor arról írnak, hogy a banki rendszereik és jelszavaik hamarosan feltörhetők. Figyelembe véve, hogy a jelenleg használt kulcsok hossza legalább 2048 bit, a vészharang még nem érkezett el.
Jelenleg több mint szerény. A Shor algoritmusával elért legjobb faktorizálási eredmények — számok és , ami jelentősen kevesebb, mint 2048 bit. A táblázat többi eredménye másfajta számításokból származik, de még a legjobb eredmény (291311) is messze van a gyakorlati alkalmazástól.
A Shor-algorithmról bővebben olvashatunk például. A gyakorlati megvalósításról — .
Az egyik a 2048 bites szám faktorizálásához szükséges bonyolultság és teljesítmény egy olyan számítógép, amelynek van . Nyugodtan alhatunk.
Deutsch-Joshi algoritmus
— a keresési probléma megoldására, tehát egy egyenlet megoldásának megtalálására F(X) = 1, ahol F — tól n változói. Ezt az amerikai matematikustól be. .
A Grover-algoritmus használható a és numerikus sorozatok esetén. Továbbá alkalmazható problémák megoldására potenciális megoldások kimerítő keresésével. Ez jelentős sebességnövekedést eredményezhet a klasszikus algoritmusokhoz képest, bár nem kínál "" általános formában.
További információt itt olvashat, vagy . Emellett van egy jó magyarázat az algoritmusra a dobozok és a labda példáján keresztül, de sajnos, valamilyen külső okból ez a weboldal Oroszországból nem nyílik meg. Ha az ön számára is le van tiltva, itt egy rövid összefoglaló:
Grover-algoritmus. Képzelje el, hogy van N darab számozott zárt doboz. Mind üres, kivéve egyet, amelyikben egy labda van. Az ön feladata: megtudni, melyik doboz szám alatt van a labda (ez a titkos szám gyakran w-vel van jelölve).
Hogyan oldja meg ezt a feladatot? A legostobább módon, sorban kinyitva a dobozokat, és előbb-utóbb rábukkan a dobozra, amelyikben a labda van. És hány dobozt kell átlagosan kinyitni, mielőtt felfedezi a labdát tartalmazó dobozt? Átlagosan körülbelül N/2 dobozt kell kinyitni. A lényeg itt az, hogy ha a dobozok számát 100-cal megszorozzuk, akkor az átlagos dobozok száma, amelyet ki kell nyitni, hogy megtaláljuk a labdát, 100-szor növekszik.
Most megfogalmazunk még egy pontosítást. Tegyük fel, hogy nem mi magunk nyitogatjuk a dobozokat és ellenőrizzük, hogy van-e labda mindegyikben, hanem van egy közvetítőnk, akit hívjunk Oroszlánnak (Oracle). Azt mondjuk Oroszlánnak – „ellenőrizd a 732-es számú dobozt”, és Oroszlán becsületesen ellenőrzi, és azt válaszolja: „a 732-es számú dobozban nincs labda”. Most már a dobozok átlaga helyett azt mondjuk: „hányszor kell átlagosan Oroszlánhoz fordulnunk ahhoz, hogy megtaláljuk a labdát tartalmazó doboz számát”
Kiderül, hogy ha ezt a dobozok, labda és Oroszlán feladatot kvantum nyelvre fordítjuk, akkor csodálatos eredményt kapunk: a labdát tartalmazó doboz számának megtalálásához N doboz között körülbelül SQRT(N) alkalommal kell zavarnunk Oroszlánt!
Tehát a Grover algoritmust használó keresési probléma komplexitása négyzetgyök csökkent.
A kvantumszámítógépek problémái
A Deutsch-Jozsa algoritmus (más néven Deutsch-Josza algoritmus) – [kvantum algoritmus](, és be. , és az egyik első példája lett az algoritmusoknak, amelyeket . _
A Deutsch-Jozsa feladat lényege, hogy megállapítsuk, hogy a több bináris változós funkció F(x1, x2, … xn) állandó (0 vagy 1 értéket vesz fel bármilyen argumentum esetén) vagy kiegyensúlyozott (a határterület felénél értéke 0, a másik felén 1). Önmagában tudományos alapon felvetjük, hogy a funkció vagy állandó, vagy kiegyensúlyozott.
Ezenkívül érdemes elolvasni . Egyszerűbb magyarázat:
A Deutsch algoritmus (Deutsch-Jozsa) a keresésen alapul, de lehetővé teszi, hogy ezt gyorsabban végezzük el, mint a szokásos módon. Képzeljük el, hogy az asztalon van egy érme, és meg kell állapítanunk, hogy hamis-e vagy sem. Ehhez kétszer meg kell néznünk az érmet, és meg kell határoznunk: „fej” és „írás” – igazi, két „fej”, két „írás” – hamis. Nos, ha a Deutsch kvantumalgoritmust használjuk, ezt a meghatározást egy pillantással – mérés során – el lehet végezni.
Dekohérencia
A kvantumszámítógépek tervezése és működtetése során a tudósoknak és mérnököknek számos probléma merül fel, amelyek ma változó sikerrel mentesülnek. A () a következő problémákat lehet kiemelni:
- Környezeti érzékenység és a környezettel való kölcsönhatás
- Hibák felhalmozódása a számítások során
- Kezdeti állapotok inicializálásának nehézségei a qubitok számára
- Több qubitből álló rendszerek létrehozásának nehézségei
Javaslom, hogy olvassák el a "", különösen a hozzászólásokat.
Rendezze el az összes fő problémát három nagy csoportra, és vizsgálja meg részletesen mindegyiket:
Problémák megoldási útjai
.
Kvantum állapot nagyon törékeny dolog, a qubitok összefonódott állapotban rendkívül instabilak, bármilyen külső hatás tönkreteheti (és tönkreteszi) ezt a kapcsolatot. A legkisebb hőmérsékletváltozás, nyomás, vagy a közelmúltban elhaladó véletlenszerű foton — mindez destabilizálja a rendszerünket.
A probléma megoldására alacsony hőmérsékletű szarkofágokat építenek, amelyek hőmérséklete (-273,14 Celsius-fok) kicsit a nulla abszolútértéke felett van, maximális szigeteléssel a belső kamrában található processzortól minden (lehetséges) külső hatástól.
A kvantumrendszerek életciklusának maximális idejét, amely alatt több összefonódott qubit megtartja kvantum tulajdonságait és felhasználható számítások végrehajtására, dekoherekálási időnek nevezik.
Jelenleg a legjobb kvantummegoldásoknál a dekoherekálási idő körülbelül tízek és százak mikrosegundum.
Van egy csodálatos , amelyet meg lehet tekinteni . Ebben a cikkben példaként csak két csúcsprocesszort emeltek ki — az IBM-től és a . Amint látjuk, a dekoherekálási idő (T2) nem haladja meg a 200 µs-t.
Nem találtam pontos adatokat a Sycamore-ról, de a kvantumfölényről szóló 1 millió számítást 200 másodperc alatt , egy másik helyen —130 másodperc alatt, irányító jelek nélkül és egyéb dolgok nélkül . Mindenesetre ez körülbelüldekoherekálási időt jelent 150 µs körüli értékkel. Emlékezzen atáskával rendelkező kísérletezőnkre Computer Name? Ну так вот он.
| N Qubit | Max párosított | T2 (µs) | Mivel fenyeget minket a dekoherekálás? |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~150-200 |
A fő probléma az, hogy 150 µs elteltével a kvantumrendszer N összefonódott qubitjei a valószínűségi eloszlás helyett hibás megoldásokat — valószínűségi fehér zajt — kezdenek kibocsátani.
Tehát nekünk ezt kell tennünk:
Inicializálni kell a qubitok rendszerét
- Számítást végezni (kapcsoló műveletek láncolata)
- Végrehajtani a számítást (kapu műveletek láncolata)
- Eredményt számolni
És mindezt 150 µs alatt. Ha nem sikerül — az eredmény töklámpássá változik.
De ez még nem minden…
Hibák
Ahogy már említettük, a kvantum folyamatok és kvantum számítások valószínűségi jellegűek, nem lehetünk 100%-ig biztosak semmiben, csak valamennyire valószínűséggel. A helyzetet tovább bonyolítja, hogy a kvantum számítások hibákra hajlamosak. A kvantum számítások esetén a fő hibatípusok a következők:
- Dekohereci szintű hibák, amelyek a rendszer bonyolultságából és a külső környezettel való kölcsönhatásból adódnak
- Gate számítási hibák (a számítások kvantum jellegéből adódnak)
- A végső állapot (eredmény) olvasási hibái
Dekohereci hibák, amelyek azonnal felmerülnek, amint összekuszáljuk a qubiteket és elkezdjük a számításokat. Minél több qubitet kuszálunk össze, annál bonyolultabb a rendszer, és annál könnyebben lebontják. Az alacsony hőmérsékletű szarkofágok, védett kamrák, mindezek a technológiai trükkök éppen arra irányulnak, hogy csökkentsék a hibák számát és meghosszabbítsák a dekoherecia idejét.
Gate számítási hibák — bármely művelet (kapu) a qubiteken bizonyos valószínűséggel hibásan zárulhat, és a algoritmusunk megvalósításához száz kaput kell végrehajtanunk, képzeljük el, mit kapunk az algoritmusunk végén. A klasszikus válasz a kérdésre — „Mekkora a valószínűsége, hogy dinoszaurust látunk a liftben?” — 50-50, vagy találkozunk, vagy nem.
A probléma még azzal bonyolódik, hogy a standard hibajavító módszerek (számítások másolása és átlagolás) a kvantum világban nem működnek a klónozási tilalom tétel miatt. A a kvantum számításokban megkövetelte . Durván szólva N normál qubitet veszünk és 1 logikai qubitet hozzájuk, amelyben kevesebb a hiba.
De itt egy másik probléma merül fel — a qubiteket összesen.Nézzük, legyen mondjuk egy processzorunk 100 qubittel, ebből 80 qubit a hibajavításhoz van foglalva, így csak 20 marad a számításokhoz.
A végső eredmény olvasási hibái — ahogy emlékszünk, a kvantum számítások eredménye a formájában van valószínűségi eloszlása válaszoknak. De a végső állapot olvasása is hibásan zárulhat.
Ugyanazon vannak összehasonlító táblázatok a processzorok hibaküszöbeivel kapcsolatban. Az összehasonlításhoz vegyük ugyanazokat a processzorokat, mint az előző példában - IBM és :
| Számítógép | 1-Qubit Kapu Hűség | 2-Qubit Kapu Hűség | Olvasási Hűség |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | — |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Itt — a két kvantumállapot hasonlóságának mértéke. A hiba nagyságát durván úgy is ábrázolhatjuk, mint 1-Hűség. Ahogy látható, a 2-qubit kapuk hibái és az olvasási hibák a fő hinderek a komplex és hosszú algoritmusok végrehajtásában a meglévő kvantumszámítógépeken.
Ezenkívül érdemes elolvasni azt az évet illetően, a hibakorrekciós feladat megoldása érdekében.
Processzor architektúrája
Elméletben érteket és üzemeltetünk terveket tucatnyi összekapcsolt qubittel, a valóságban viszont minden bonyolultabb. Minden létező kvantumchipek (processzorok) úgy vannak kialakítva, hogy fájdalommentesen biztosítsák egyetlen qubit összekapcsolását csak a szomszédaival, akiknek száma nem haladja meg a hatot.
Ha azonban az 1. qubitet, mondjuk, a 12.-el akarjuk összekapcsolni, akkor meg kell építenünk egy további kvantum műveletekből álló láncot, plusz további qubiteket és egyebeket kell bevonnunk, ami növeli a hibaszintet. Igen, és ne feledje a dekohéziós időt, lehet, hogy amíg befejezi a qubiteket a kívánt áramkörbe kapcsolni, az idő lejár, és az egész áramkör átalakul egy aranyos fehér zaj generátorá.
Azt se felejtsük el, hogy minden kvantumprocesszornak más az architektúrája, és a „minden mindennel összekapcsolására” a szimulátorban írt programot le kell „fordítani” a konkrét chip architektúrájára. Vannak még ennek a műveletnek a végrehajtására.
A maximális összekapcsoltság és a maximális qubitszám a legjobb chipek esetében:
| N Qubit | Max párosított | T2 (µs) | Mivel fenyeget minket a dekoherekálás? |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~150-200 |
És az összehasonlítás kedvéért, táblázat az előző generációs processzorok adataival. Hasonlítsuk össze a qubitok számát, a dekohéziós időt és a hibák százalékát azzal, amit most a legújabb generációnál van. A fejlődés azért lassan, de halad.
Tehát:
- Jelenleg nincs teljesen összekapcsolt architektúra > 6 qubittal,
- ahhoz, hogy a valódi processzoron a 0. qubitet például a 15.-kel összekapcsoljuk, több tucat további műveletre lehet szükség
- Több művelet -> több hiba -> a dekohézió erősebb hatása
Összegzés
A dekohézió — a modern kvantumszámítások kényszere. 150 µs-en belül mindent be kell illesztenünk:
- A qubit kezdeti állapotának inicializálása
- Feladat számítása kvantumkapuk használatával
- Hibajavítást végezni, hogy értelmes eredményt kapjunk
- A kapott eredmény eltárolása
Jelenleg az eredmények nem túl biztatóak, bár több, mint 0.5 s koherenciaidő eléréséről számolnak be egy kvantumszámítógépen, amely alapjaiban :
A qubit koherenciaidőt meghaladó 0.5 s-t mérünk, és mágneses árnyékolással várhatóan ez 1000 s-nél is hosszabbra javul.
Erről a technológiáról még többet lehet olvasni vagy például .
A helyzetet tovább bonyolítja, hogy összetett számítások során kvantumhibajavító áramköröket kell használni, ami szintén időt és rendelkezésre álló qubitokat igényel.
Végül, a modern architektúrák nem teszik lehetővé, hogy minimális költségekkel a kuszás áramköröket jobban megvalósítsuk, mint 1 a 4-hez vagy 1 a 6-hoz.
Egy kis szót az kvantumszámítógépek emulációjáról
A fent említett problémák megoldására jelenleg a következő megközelítéseket és módszereket alkalmazzák:
- Alacsony hőmérsékletű kriokompresszorok használata (10 mK (–273,14°C))
- A legjobban védett processzoregységek használata a külső hatásoktól
- Kvantumhibajavító rendszerek (logikai qubit) alkalmazása
- Optimalizálók használata az áramkörök adott processzorhoz való programozásához
Továbbá olyan kutatások folynak, amelyek a dekoherencia idő megnyújtására, új (és meglévő) kvantumobjektumok fizikai megvalósítására, valamint a hibajavító rendszerek optimalizálására irányulnak. Van előrelépés (nézze meg az előzőekben említett korábbi és ma legjobbnak számító chipek jellemzőit), de eddig nagyon, nagyon lassú.
D-Wave
2000 qubites D-Wave 2000Q számítógép. Forrás:
A Google bejelentése, hogy 53 qubittel elérte a kvantumfölényt, és a D-Wave cégtől, ahol a qubitok száma ezreket is elérhet, kissé megtévesztő. Ha 53 qubittel elérték a kvantumfölényt, akkor mit tudhat egy 2048 qubites számítógép? De nem minden olyan rózsás...
Röviden (a wikiről vett idézet):
A számítógépek a (nagyon korlátozott optimalizálási feladatok alosztályát tudják megoldani, és nem alkalmasak hagyományos kvantumalgoritmusok és kvantumkapuk végrehajtására.
Részletesebben olvashatunk például , (óvatosság, lehet, hogy Oroszországból nem nyitható meg), vagy be. a blogján . Egyébként nagyon ajánlom, hogy olvassa el a blogját, sok jó anyag található ott.
A tudományos közösség kezdetektől fogva kérdéseket tett fel a D-Wave számítógépekkel kapcsolatban. Például 2014-ben az IBM kétségbe vonta, hogy a D-Wave Oda jutottunk, hogy 2015-ben a Google és a NASA megvásárolt egy ilyen kvantumszámítógépet, és a kutatások után , hogy igenis a számítógép működik és gyorsabban oldja meg a feladatokat, mint a hagyományosak. További információt a Google bejelentéséről és például .
A legfontosabb, hogy a D-Wave számítógépeket, a velük rendelkező sok száz és ezer qubittel nem lehet kvantumalgoritmusok számítására és végrehajtására használni. Például Shor algoritmusát sem lehet futtatni rajtuk. Amit tudnak, az az, hogy bizonyos kvantummechanikai módszereket használva adott optimalizációs feladatokat oldanak meg. Tekinthetjük a D-Wave-t egy kvantum ASIC-nek egy konkrét feladatra.
Kvantumszámítási fölény.
A kvantumszámításokat hagyományos számítógépeken is lehet szimulálni. Hiszen igazán, :
- A qubit állapotát komplex számként, amely 2^32 és 2^64 bit (8-16 byte) között foglal helyet a processzor architektúrájától függően.
- N összekapcsolt qubit állapotát 2^N komplex számként lehet ábrázolni, azaz 32 bites architektúra esetén 2^(3+N) és 64 bites architektúra esetén 2^(4+N).
- A N qubiten végrehajtott kvantumoperációt 2^N x 2^N mátricként lehet ábrázolni.
Akkor:
- 10 qubit állapotainak tárolásához 8 KB szükséges.
- 20 qubit állapotainak tárolásához 8 MB szükséges.
- 30 qubit állapotainak tárolásához 8 GB szükséges.
- 40 qubit állapotainak tárolásához 8 Terabyte szükséges.
- 50 qubit állapotainak tárolásához 8 Petabyte szükséges, és így tovább.
Összehasonlításképpen, () mindössze 2,8 Petabyte memóriát hordoz.
— 49 qubit, amelyet tavaly a legnagyobb kínai szuperszámítógépen állítottak fel ()
A kvantumszámítógép klasszikus rendszereken való szimulálásának határa a qubit állapotának tárolásához szükséges RAM mennyiségétől függ.
Ajánlom még ezt elolvasni . Innen:
A műveletek során — a 49 qubitből álló áramkör pontos szimulálásához 39 „órára” (független rétegű felélesztők) van szükség. 2^63 komplex számítás — 4 Pflop/s szuperszámítógép 4 órán keresztül
A 50+ qubit-es kvantumszámítógép emulálása klasszikus rendszereken ésszerű időn belül megvalósíthatatlannak számít. E tény miatt a Google 53 qubites processzort használt kvantum fölénye kísérletéhez.
Google nyilatkozata
A Wikipédia a következő definíciót adja a kvantum számítási fölényről:
A kvantum fölény — a képesség képessége, hogy olyan problémákat oldjanak meg, amelyeket a klasszikus számítógépek gyakorlatilag nem tudnak megoldani.
A kvantum fölény elérése lényegében azt jelenti, hogy például a Shor algoritmusával nagy számok faktorizálását ésszerű időn belül lehet elvégezni, vagy kvantum szinten bonyolult kémiai molekulák emulálása válik lehetővé. Ez egy új korszak kezdetét jelenti.
De a definíció megfogalmazásában van egy bizonyos kiskapu, “amelyeket a klasszikus számítógépek gyakorlatilag nem tudnak megoldani”. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy ha létrehozunk egy 50+ qubites kvantumszámítógépet és elindítunk rajta egy kvantum sémát, akkor — ahogyan azt korábban is tárgyaltuk — a séma működésének eredményét nem lehet emulálni egy hagyományos számítógépen. Vagyis a klasszikus számítógép nem tudja reprodukálni egy ilyen séma eredményét.
Hogy ez az eredmény valódi kvantum fölénynek számít-e vagy sem, inkább filozófiai kérdés. De fontos megérteni, mit tett a Google, és mi áll a ezért.
A Google nyilatkozata a kvantum fölényről
54 qubites Sycamore processzor
Tehát 2019 októberében a Google fejlesztői közzétettek egy cikket a Nature tudományos folyóiratban, „A szerzők bejelentették a kvantum fölény elérését, először a történelem során a 54 qubites „Sycamore” processzor segítségével.
Az interneten a Sycamore-t gyakran említik 54 qubites vagy 53 qubites processzorként. Az igazság az, hogy a processzor fizikailag 54 qubitből áll, de az egyik nem működő és le van tiltva. Így valójában egy 53 qubites processzort kapunk.
Az interneten azonnal anyagról az ilyen témában, amelyek hőmérséklete változó tól .
Később az IBM kvantumszámítást végző munkatársai azt állították, hogy . A cég szerint a hagyományos számítógép legrosszabb esetben 2,5 nap alatt képes megoldani ezt a feladatot, ráadásul a kapott válasz pontosabb lesz, mint a kvantumszámítógépé. Ezt a következtetést több optimalizáló módszer elméleti elemzése alapján vonták le.
Nos és persze, in your nem tudta figyelmen kívül hagyni ezt a nyilatkozatot. Az ő minden hivatkozással együtt és ahogy általában, érdemes rá időt szánni. A Habr-nál erről a FAQ-ról, és mindenképpen olvassa el a kommentárokat, ott találhatók hivatkozások a hivatalos bejelentés előtt kiszivárogtatott előzetes dokumentumokra.
De mit tett valójában a Google? A részletes megértés érdekében olvassa el Aaronson-t, de röviden itt van:
Persze elmondhatom, de kicsit ostobán érzem magam emiatt. A számítás a következő: a kísérletező generál egy véletlenszerű kvantumkapcsolatot C (azaz véletlen sorozat 1-qubites és 2-qubites — a közeli szomszédok között — kapu, például 20 mélységgel, amely 2D rácson n=50-60 qubitre hat). Ezután a kísérletező elküldi C-t a kvantumszámítógépnek, és kéri, hogy alkalmazza C-t egy 0-ból álló kezdeti állapotra, mérje meg az eredményt a {0,1} bázisban, küldje vissza az n-bites megfigyelt sorozatot (sor) és ismételje meg ezt több ezer vagy millió alkalommal. Végül, felhasználva tudását C-ről, a kísérletező statisztikai ellenőrzést végez az eredmény és a kvantumszámítógép által várt kimenet összevetésével.
Röviden:
- Egy 20 hosszúságú véletlen kapcsolót hozunk létre 53 qubitből, használva kapukat
- A kapcsoló a [0…0] kezdeti állapottal indul végrehajtásra
- A kapcsoló kimenete véletlenszerű bitekből álló sorozat (mintavétel)
- Az eredmény eloszlása nem véletlenszerű (interferencia)
- A kapott minták eloszlása összehasonlításra kerül a várt eredménnyel
- Következtetést vonnak le a kvantumfölényről
Tehát a Google megvalósított egy szintetikus feladatot egy 53 qubit-es processzoron, és a kvantum fölény elérésére tett állítását arra alapozza, hogy lehetetlen egy ilyen processzort standard rendszereken ésszerű időn belül emulálni.
A megértés érdekében — ebben a szakaszban nem csökken a Google eredménye, a mérnökök valóban ügyesek, és a kérdés, hogy ez valóban kvantum fölénynek számít-e vagy sem, mint már korábban említettük, inkább filozófiai, mint mérnöki jellegű. De meg kell érteni, hogy a számítási fölény elérése ellenére sem léptünk előrébb a Shor-algoritmus futtatásának lehetőségében 2048 bit-es számokon.
Összefoglaló
A kvantumszámítógépek és a kvantumszámítások nagyon ígéretesek, nagyon fiatalok és jelenleg még ipari szempontból nem nagyon alkalmazhatók.
A kvantumszámítások fejlődése lehetővé teszi (valamikor) a következő feladatok megoldását:
- Bonyolult fizikai rendszerek kvantum szintű modellezése
- Megoldhatatlanok hagyományos számítógépen a számítási bonyolultság miatt
A kvantumszámítógépek létrehozásának és üzemeltetésének fő problémái:
- Problémák megoldási útjai
- Hibák (dekohereciók és kapu hibák)
- A processzorok architektúrája (teljesen összefüggő qubit sémák)
A jelenlegi állapot:
- Valójában — a legkezdetlegesebb .
- VALÓDI kereskedelmi alkalmazás még nincs (és nem tudni, mikor lesz)
Ami segíthet:
- Valamilyen fizikai felfedezés, amely csökkenti a processzorok költségeit és üzemeltetését
- Valaminek a felfedezése, amely jelentősen megnöveli a dekohereció időtartamát és/vagy csökkenti a hibák számát
Szerintem (kizárólagos személyes vélemény), a jelenlegi tudományos paradigmánkban nem fogunk jelentős előrelépést elérni a kvantumtechnológiák fejlődésében,itt egy minőségi áttörés szükséges bármely alapvető vagy alkalmazott tudomány területén, ami új ötleteknek és módszereknek ad lendületet.
De addig is — tapasztalatot szerzünk a kvantumprogramozásban, kvantum algoritmusokat gyűjtünk és hozzunk létre, ötleteket tesztelünk és így tovább. Várjuk az áttörést.
Zárás
Ebben a cikkben áttekintettük a kvantumszámítógépek fejlődésének főbb állomásait, megvizsgáltuk működési elvüket, a mérnökök előtt álló főbb problémákat a kvantumprocesszorok fejlesztése és üzemeltetése terén, valamint azt, hogy mit is takarnak valójában a több kubitos D-Wave számítógépek és a Google nemrégiben tett kvantumfölénységről szóló bejelentése.
Felkészületlenül maradtak a kvantumszámítógépek programozásával kapcsolatos kérdések (nyelvek, megközelítések, módszerek stb.), valamint a processzorok konkrét fizikai megvalósításával kapcsolatos kérdések, mint például a kubitek kezelése, összekapcsolása, olvasása stb. Lehetséges, hogy ez a következő cikk vagy cikkek témája lesz.
Köszönöm a figyelmet, remélem, hogy ez a cikk hasznos lesz valakinek.
(C)
Köszönetnyilvánítások
a szöveg átnézéséért és észrevételeiért, valamint a cikkért
a gazdag információval ellátott megjegyzéseiért a , és nem csak ennek, ami nagyban segített eligazodnom ebben a kirakósban.
Minden szerzőnek, akikről szóló cikkek és publikációk anyagai felhasználásra kerültek a cikk megírásakor.
), amelyekhez a kommentárok, ahogy ez lenni szokott, még informatívabbak és hasznosabbak, de a kép nem állt össze a fejemben.
Cikkek a jelenlegi állapotról [The National Academies Press] oldaláról
Cikkek a Habról (véletlenszerű sorrendben)
Rendezett (de nem kevésbé érdekes) cikkek az internet bugyraiból
Kurzusok és előadások
Forrás: habr.com
