Komputer kuantum dan komputasi kuantum - baru , yang ditambahkan ke ruang informasi kami bersama , dan istilah teknologi tinggi lainnya. Pada saat yang sama, saya tidak pernah dapat menemukan materi di Internet yang dapat menyusun teka-teki di kepala saya yang disebut “cara kerja komputer kuantum”. Ya, ada banyak karya bagus, termasuk tentang Habr (lihat. ), komentar yang, seperti biasanya, bahkan lebih informatif dan bermanfaat, tetapi gambaran di kepala saya, seperti yang mereka katakan, tidak sesuai.
Dan baru-baru ini rekan-rekan saya mendatangi saya dan bertanya, “Apakah Anda memahami cara kerja komputer kuantum? Bisakah Anda memberi tahu kami?” Dan kemudian saya menyadari bahwa saya bukan satu-satunya yang memiliki masalah dalam menyusun gambaran yang koheren di kepala saya.
Akibatnya, upaya dilakukan untuk mengumpulkan informasi tentang komputer kuantum ke dalam rangkaian logika yang konsisten tingkat dasar, tanpa mendalami matematika dan struktur dunia kuantum, dijelaskan apa itu komputer kuantum, prinsip pengoperasiannya, dan permasalahan apa saja yang dihadapi para ilmuwan saat membuat dan mengoperasikannya.
daftar isi
еймер
Penulis bukan ahli dalam komputasi kuantum, dan Target audiens artikel ini adalah orang-orang IT yang sama, bukan spesialis kuantum, yang juga ingin membayangkan gambaran di kepala mereka yang berjudul “Cara kerja komputer kuantum”. Oleh karena itu, banyak konsep dalam artikel ini yang sengaja disederhanakan untuk lebih memahami teknologi kuantum pada tingkat “dasar”, tetapi tanpa itu .
Artikel di beberapa tempat menggunakan bahan dari sumber lain, . Jika memungkinkan, disisipkan tautan dan indikasi langsung ke teks, tabel, atau gambar asli. Jika saya lupa sesuatu (atau seseorang) di suatu tempat, tulislah dan saya akan memperbaikinya.
pengenalan
Dalam bab ini, kita akan melihat secara singkat bagaimana era kuantum dimulai, apa yang memotivasi gagasan komputer kuantum, siapa (negara dan perusahaan mana) saat ini yang menjadi pemain terkemuka di bidang ini, dan juga berbicara secara singkat. tentang arah utama pengembangan komputasi kuantum.
Bagaimana semuanya dimulai
Titik awal era kuantum dianggap tahun 1900, ketika M. Planck pertama kali dikemukakan energi itu dipancarkan dan diserap tidak terus menerus, tetapi dalam kuanta (bagian) yang terpisah. Ide tersebut diambil dan dikembangkan oleh banyak ilmuwan terkemuka pada masa itu - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, yang pada akhirnya mengarah pada penciptaan dan pengembangan ilmu pengetahuan seperti . Ada banyak materi bagus di Internet tentang pembentukan fisika kuantum sebagai ilmu, dalam artikel ini kita tidak akan membahasnya secara rinci, tetapi kita perlu menunjukkan tanggal ketika kita memasuki era kuantum baru.
Fisika kuantum telah membawa banyak penemuan dan teknologi ke dalam kehidupan kita sehari-hari, yang tanpanya sulit membayangkan dunia di sekitar kita. Misalnya saja laser yang kini digunakan dimana-mana, mulai dari peralatan rumah tangga (level laser, dll) hingga sistem teknologi tinggi (laser untuk koreksi penglihatan, halo ). Masuk akal untuk berasumsi bahwa cepat atau lambat seseorang akan muncul dengan gagasan mengapa tidak menggunakan sistem kuantum untuk komputasi. Dan kemudian pada tahun 1980 hal itu terjadi.
Wikipedia menunjukkan bahwa ide pertama komputasi kuantum diungkapkan pada tahun 1980 oleh ilmuwan kami Yuri Manin. Namun mereka baru mulai membicarakannya pada tahun 1981, ketika R. Feynman yang terkenal , mencatat bahwa tidak mungkin untuk mensimulasikan evolusi sistem kuantum pada komputer klasik dengan cara yang efisien. Dia mengusulkan model dasar , yang akan mampu melakukan pemodelan tersebut.
Ada sebuah , di mana dipertimbangkan secara lebih akademis dan rinci, namun kita akan membahasnya secara singkat:
Tonggak utama dalam sejarah penciptaan komputer kuantum:
- [1994]. P.Pantai. Dirancang oleh
- [1998]. Dibuat
- [2001]. IBM memperkenalkan eksekusi untuk perluasan nomor 15
- [2007-2016]. membuat dan mengembangkan komputer dengan 128-2000 qubit
- [2012]. Diimplementasikan di Universitas California
- [2016]. Google pada komputer 9-qubit
- [2017]. (tiga atom)
- [2019]. . Komputer 20-qubit di cloud
- [2019]. . 53 komputer qubit. ?
Seperti yang Anda lihat, 17 tahun telah berlalu (dari 1981 hingga 1998) dari saat ide hingga implementasi pertamanya di komputer dengan 2 qubit, dan 21 tahun (dari 1998 hingga 2019) hingga jumlah qubit meningkat menjadi 53. Butuh waktu 11 tahun (dari 2001 hingga 2012) untuk meningkatkan hasil algoritma Shor (kita akan melihatnya lebih detail nanti) dari angka 15 menjadi 21. Selain itu, baru tiga tahun yang lalu kita sampai pada titik menerapkan apa yang dibicarakan Feynman, dan belajar memodelkan sistem fisik paling sederhana.
Perkembangan komputasi kuantum berjalan lambat. Para ilmuwan dan insinyur dihadapkan pada tugas-tugas yang sangat sulit, keadaan kuantum berumur sangat pendek dan rapuh, dan untuk melestarikannya cukup lama untuk melakukan perhitungan, mereka harus membangun sarkofagus seharga puluhan juta dolar, di mana suhunya tetap terjaga. tepat di atas nol mutlak, dan terlindungi secara maksimal dari pengaruh eksternal. Selanjutnya kita akan membicarakan tugas dan masalah ini secara lebih rinci.
Pemain Terkemuka
Slide untuk bagian ini diambil dari artikel , dari peneliti Alexei Fedorov. Izinkan saya memberi Anda kutipan langsung:
Semua negara yang sukses secara teknologi saat ini secara aktif mengembangkan teknologi kuantum. Sejumlah besar uang diinvestasikan dalam penelitian ini, dan program khusus untuk mendukung teknologi kuantum sedang dibuat.
Tidak hanya negara bagian, perusahaan swasta juga ikut berpartisipasi dalam perlombaan kuantum. Secara total, Google, IBM, Intel, dan Microsoft baru-baru ini menginvestasikan sekitar $0,5 miliar dalam pengembangan komputer kuantum dan mendirikan laboratorium besar serta pusat penelitian.
Ada banyak artikel di Habré dan di Internet, misalnya, , и , di mana keadaan terkini dengan perkembangan teknologi kuantum di berbagai negara diperiksa secara lebih rinci. Hal utama bagi kami sekarang adalah bahwa semua negara dan pemain teknologi maju menginvestasikan sejumlah besar uang dalam penelitian ke arah ini, yang memberikan harapan akan jalan keluar dari kebuntuan teknologi saat ini.
Arah pengembangan
Saat ini (saya bisa saja salah, mohon koreksi saya), upaya utama (dan hasil yang kurang lebih signifikan) dari semua pemain terkemuka terkonsentrasi pada dua bidang:
- Komputer kuantum khusus, yang ditujukan untuk memecahkan satu masalah tertentu, misalnya masalah optimasi. Contoh produknya adalah komputer kuantum D-Wave.
- Komputer kuantum universal — yang mampu mengimplementasikan algoritma kuantum sewenang-wenang (Shor, Grover, dll.). Implementasi dari IBM, Google.
Vektor perkembangan lain yang diberikan fisika kuantum kepada kita, seperti:
- sebagai dasar untuk
- dan masih banyak lagi
Tentu saja, hal ini juga masuk dalam daftar bidang penelitian, namun saat ini tampaknya belum ada hasil yang kurang lebih signifikan.
Selain itu Anda dapat membaca , baiklah, google “", Misalnya, , и .
Dasar-dasar. Objek kuantum dan sistem kuantum
Hal terpenting untuk dipahami dari bagian ini adalah itu
Komputer kuantum (tidak seperti biasanya) digunakan sebagai pembawa informasi objek kuantum, dan untuk melakukan penghitungan, objek kuantum harus terhubung sistem kuantum.
Apa itu objek kuantum?
Objek kuantum - objek dunia mikro (dunia kuantum) yang menunjukkan sifat kuantum:
- Memiliki keadaan tertentu dengan dua tingkat batas
- Berada dalam superposisi keadaannya sampai saat pengukuran
- Melibatkan dirinya dengan objek lain untuk menciptakan sistem kuantum
- Memenuhi teorema tanpa kloning (keadaan objek tidak dapat disalin)
Mari kita lihat setiap properti lebih detail:
Memiliki keadaan tertentu dengan dua tingkat batas (keadaan akhir)
Contoh klasik di dunia nyata adalah koin. Ia memiliki keadaan "samping", yang mengambil dua tingkat batas - "kepala" dan "ekor".
Berada dalam superposisi keadaannya sampai saat pengukuran
Mereka melempar koin, koin itu terbang dan berputar. Saat ia berputar, tidak mungkin untuk mengatakan di tingkat batas manakah keadaan “sisi”-nya berada. Namun begitu kita membantingnya dan melihat hasilnya, superposisi negara-negara segera runtuh menjadi salah satu dari dua negara batas - “kepala” dan “ekor”. Menampar koin dalam kasus kami adalah sebuah pengukuran.
Melibatkan dirinya dengan objek lain untuk menciptakan sistem kuantum
Sulit dengan koin, tapi mari kita coba. Bayangkan kita melempar tiga buah koin sehingga berputar saling menempel, inilah juggling dengan koin. Pada setiap momen waktu, tidak hanya masing-masing negara berada dalam superposisi negara-negara, namun negara-negara ini saling mempengaruhi satu sama lain (koin-koin tersebut bertabrakan).
Memenuhi teorema tanpa kloning (keadaan objek tidak dapat disalin)
Saat koin terbang dan berputar, tidak ada cara bagi kami untuk membuat salinan status pemintalan koin mana pun, terpisah dari sistem. Sistem ini hidup di dalam dirinya sendiri dan sangat bersemangat untuk menyebarkan informasi apa pun ke dunia luar.
Beberapa kata lagi tentang konsep itu sendiri “superposisi”, di hampir semua artikel superposisi dijelaskan sebagai “ada di semua negara bagian pada waktu yang sama”, yang tentu saja benar, namun terkadang membingungkan. Superposisi keadaan juga dapat dibayangkan sebagai fakta yang dimiliki objek kuantum pada setiap momen waktu ada kemungkinan tertentu untuk runtuh ke setiap tingkat batasnya, dan secara total probabilitas ini secara alami sama dengan 1. Nanti, saat mempertimbangkan qubit, kita akan membahasnya lebih detail.
Untuk koin, hal ini dapat divisualisasikan - bergantung pada kecepatan awal, sudut lemparan, keadaan lingkungan di mana koin tersebut terbang, pada setiap saat kemungkinan mendapatkan "kepala" atau "ekor" berbeda-beda. Dan, seperti disebutkan sebelumnya, keadaan koin terbang tersebut dapat dibayangkan sebagai “berada di semua keadaan batasnya pada waktu yang sama, tetapi dengan probabilitas penerapannya yang berbeda-beda.”
Objek apa pun yang memenuhi sifat-sifat di atas dan dapat kita buat serta kendalikan dapat digunakan sebagai pembawa informasi dalam komputer kuantum.
Sedikit lebih jauh kita akan berbicara tentang keadaan terkini dengan implementasi fisik qubit sebagai objek kuantum, dan apa yang sekarang digunakan para ilmuwan dalam kapasitas ini.
Jadi sifat ketiga menyatakan bahwa objek kuantum dapat terjerat untuk menciptakan sistem kuantum. Apa itu sistem kuantum?
Sistem kuantum — sistem objek kuantum terjerat dengan properti berikut:
- Sistem kuantum berada dalam superposisi semua kemungkinan keadaan objek yang dikandungnya
- Tidak mungkin mengetahui keadaan sistem sampai saat pengukuran
- Pada saat pengukuran, sistem mengimplementasikan salah satu varian yang mungkin dari keadaan batasnya
(dan, melihat ke depan sedikit)
Akibat wajar dari program kuantum:
- Program kuantum memiliki keadaan sistem tertentu pada masukan, superposisi di dalam, dan superposisi pada keluaran
- Pada keluaran program setelah pengukuran, kami memiliki implementasi probabilistik dari salah satu kemungkinan keadaan akhir sistem (ditambah kemungkinan kesalahan)
- Setiap program kuantum memiliki arsitektur cerobong (input -> output. Tidak ada loop, Anda tidak dapat melihat keadaan sistem di tengah proses.)
Perbandingan komputer kuantum dan komputer konvensional
Sekarang mari kita bandingkan komputer konvensional dan komputer kuantum.
| komputer biasa | Komputer kuantum | |
|
Logika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fisika
|
Transistor semikonduktor | Objek kuantum |
|
Pembawa informasi
|
Tingkat tegangan | Polarisasi, putaran,… |
|
Operasi
|
BUKAN, DAN, ATAU, XOR pada bit | Katup: CNOT, Hadamard,… |
|
Interkoneksi
|
Chip semikonduktor | Kebingungan satu sama lain |
|
algoritma
|
Standar (lihat Cambuk) | Spesial (Pantai, Grover) |
|
Prinsip
|
Digital, deterministik | Analog, probabilistik |
Tingkat logika
Di komputer biasa, ini sedikit. Sangat kita kenal terus menerus sedikit deterministik. Dapat mengambil nilai 0 atau 1. Ini berfungsi dengan baik dengan peran tersebut satuan logis untuk komputer biasa, tetapi sama sekali tidak cocok untuk menggambarkan keadaan objek kuantum, yang, seperti telah kami katakan, terletak di alam liarsuperposisi keadaan batasnya.
Inilah yang mereka temukan . Dalam keadaan batasnya, ia mewujudkan keadaan yang mirip dengan 0 dan 1 , dan dalam superposisi mewakili distribusi probabilitas pada keadaan batasnya |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a dan b mewakili , dan kuadrat modulnya adalah probabilitas aktual untuk memperoleh nilai keadaan batas yang persis seperti itu |0> и |1>, jika Anda menciutkan qubit dengan pengukuran sekarang.
Lapisan fisik
Pada tingkat perkembangan teknologi saat ini, implementasi fisik sedikit untuk komputer konvensional transistor semikonduktor, untuk kuantum, seperti yang telah kami katakan, objek kuantum apa pun. Pada bagian selanjutnya kita akan membahas tentang apa yang saat ini digunakan sebagai media fisik untuk qubit.
Media penyimpanan
Untuk komputer biasa ini adalah listrik - level tegangan, ada tidaknya arus, dll., untuk kuantum - sama keadaan objek kuantum (arah polarisasi, putaran, dll), yang mungkin berada dalam keadaan superposisi.
Operasi
Untuk mengimplementasikan rangkaian logika pada komputer biasa, kami menggunakan yang terkenal , untuk operasi pada qubit, perlu dibuat sistem operasi yang sama sekali berbeda, yang disebut . Gerbang dapat berupa qubit tunggal atau qubit ganda, bergantung pada berapa banyak qubit yang dikonversi.
Contoh gerbang kuantum:
Ada konsep set katup universal, yang cukup untuk melakukan perhitungan kuantum apa pun. Misalnya, himpunan universal mencakup gerbang Hadamard, gerbang pergeseran fasa, gerbang CNOT, dan gerbang π⁄8. Dengan bantuan mereka, Anda dapat melakukan perhitungan kuantum apa pun pada kumpulan qubit yang berubah-ubah.
Pada artikel ini kami tidak akan membahas secara rinci sistem gerbang kuantum; Anda dapat membaca lebih lanjut tentang gerbang tersebut dan operasi logika pada qubit, misalnya, . Hal utama yang perlu diingat:
- Operasi pada objek kuantum memerlukan pembuatan operator logika baru (gerbang kuantum)
- Gerbang kuantum hadir dalam tipe qubit tunggal dan qubit ganda.
- Ada serangkaian gerbang universal yang dapat digunakan untuk melakukan komputasi kuantum apa pun
Interkoneksi
Satu transistor sama sekali tidak berguna bagi kita; untuk melakukan perhitungan kita perlu menghubungkan banyak transistor satu sama lain, yaitu membuat chip semikonduktor dari jutaan transistor untuk membangun rangkaian logis, dan, pada akhirnya, mendapatkan prosesor modern dalam bentuk klasiknya.
Satu qubit juga sama sekali tidak berguna bagi kita (yah, meski hanya dalam istilah akademis),
untuk melakukan perhitungan kita memerlukan sistem qubit (objek kuantum)
yang, seperti telah kami katakan, dibuat dengan menjerat qubit satu sama lain sehingga perubahan statusnya terjadi secara terkoordinasi.
algoritma
Algoritme standar yang telah dikumpulkan umat manusia hingga saat ini sama sekali tidak cocok untuk diterapkan pada komputer kuantum. Ya, secara umum tidak perlu. Komputer kuantum berdasarkan logika gerbang melalui qubit memerlukan pembuatan algoritma yang sama sekali berbeda, algoritma kuantum. Dari algoritma kuantum yang paling terkenal, ada tiga yang dapat dibedakan:
- (faktorisasi)
- (pencarian cepat dalam database tidak berurutan)
- (jawaban atas pertanyaan, fungsi konstan atau seimbang)
Prinsip
Dan perbedaan yang paling penting adalah prinsip pengoperasiannya. Untuk komputer standar, ini adalah prinsip digital yang sangat deterministik, berdasarkan fakta bahwa jika kita menetapkan keadaan awal sistem dan meneruskannya melalui algoritma tertentu, maka hasil perhitungannya akan sama, tidak peduli berapa kali kita menjalankan perhitungan ini. Sebenarnya, perilaku ini persis seperti yang kita harapkan dari komputer.
Komputer kuantum berjalan analog, prinsip probabilistik. Hasil dari suatu algoritma pada keadaan awal tertentu adalah sampel dari distribusi probabilitas implementasi akhir dari algoritma ditambah kemungkinan kesalahan.
Sifat komputasi kuantum yang probabilistik ini disebabkan oleh esensi dunia kuantum yang sangat probabilistik. “Tuhan tidak bermain dadu dengan alam semesta.”, kata Einstein tua, namun semua eksperimen dan pengamatan sejauh ini (dalam paradigma ilmiah saat ini) menegaskan hal sebaliknya.
Implementasi fisik qubit
Seperti yang telah kami katakan, qubit dapat diwakili oleh objek kuantum, yaitu objek fisik yang mengimplementasikan sifat kuantum yang dijelaskan di atas. Artinya, secara kasar, objek fisik apa pun yang memiliki dua keadaan dan kedua keadaan ini berada dalam keadaan superposisi dapat digunakan untuk membangun komputer kuantum.
“Jika kita dapat menempatkan atom ke dalam dua tingkat berbeda dan mengendalikannya, maka Anda memiliki qubit. Jika kita dapat melakukan ini dengan ion, maka itu adalah qubit. Sama halnya dengan saat ini. Jika kami menjalankannya searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam pada saat yang sama, Anda memiliki qubit.”
Ada к , di mana variasi implementasi fisik qubit saat ini dipertimbangkan secara lebih rinci, kami hanya akan membuat daftar yang paling terkenal dan umum:
- dan banyak ide eksotik lainnya (anion, dll.)
Dari semua keragaman ini, yang paling berkembang adalah metode pertama untuk memperoleh qubit berdasarkan . , , dan pemain terkemuka lainnya menggunakannya untuk membangun sistem mereka.
Nah, baca lebih lanjut mungkin qubit dari .
Dasar-dasar. Cara kerja komputer kuantum
Bahan untuk bagian ini (tugas dan gambar) diambil dari artikel .
Jadi, bayangkan kita mempunyai tugas berikut:
Ada sekelompok tiga orang: (A)ndrey, (B)olodya dan (C)erezha. Ada dua taksi (0 dan 1).
Diketahui juga bahwa:
- (A) Andrey, (B) Olodya berteman
- (A)ndrey, (C)erezha adalah musuh
- (B)olodya dan (C)erezha adalah musuh
Tugas: Tempatkan orang di dalam taksi sehingga Maks (teman) и minimal (musuh)
Rating: L = (jumlah teman) - (jumlah musuh) untuk setiap pilihan akomodasi
PENTING: Dengan asumsi tidak ada heuristik, maka tidak ada solusi optimal. Dalam hal ini, masalahnya hanya dapat diselesaikan dengan pencarian opsi yang lengkap.
Solusi di komputer biasa
Bagaimana mengatasi masalah ini pada komputer (atau cluster) biasa (super) - jelas Anda perlu mengulang semua opsi yang memungkinkan. Jika kita memiliki sistem multiprosesor, maka kita dapat memparalelkan penghitungan solusi di beberapa prosesor dan kemudian mengumpulkan hasilnya.
Kami memiliki 2 pilihan akomodasi yang memungkinkan (taksi 0 dan taksi 1) dan 3 orang. Ruang solusi 2 ^ 3 = 8. Anda bahkan dapat melalui 8 pilihan menggunakan kalkulator, ini tidak menjadi masalah. Sekarang mari kita perumit masalah ini - kita punya 20 orang dan dua bus, ruang solusinya 2^20 = 1. Tidak ada yang rumit juga. Mari tingkatkan jumlah orang sebanyak 2.5 kali lipat - naik 50 orang dan dua kereta, ruang solusinya sekarang 2^50 = 1.12x10^15. Komputer biasa (super) sudah mulai mengalami masalah yang serius. Ayo tambah jumlah orangnya 2 kali lipat, 100 orang sudah memberi kita 1.2 x 10^30 pilihan yang memungkinkan.
Itu saja, tugas ini tidak dapat dihitung dalam jangka waktu yang wajar.
Menghubungkan superkomputer
Komputer paling kuat saat ini adalah nomor 1 Itu , produktivitas 122 . Misalkan kita memerlukan 100 operasi untuk menghitung satu opsi, maka untuk menyelesaikan masalah untuk 100 orang kita memerlukan:
(1.2x10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 tahun.
Seperti yang bisa kita lihat seiring bertambahnya dimensi data awal, ruang solusi bertambah sesuai dengan hukum pangkat, dalam kasus umum, untuk N bit kita mempunyai 2^N opsi solusi yang mungkin, yang untuk N (100) yang relatif kecil memberi kita ruang solusi yang tidak dihitung (pada tingkat teknologi saat ini).
Apakah ada alternatif lain? Seperti yang sudah Anda duga, ya, ada.
Namun sebelum kita membahas bagaimana dan mengapa komputer kuantum dapat memecahkan masalah seperti ini secara efektif, mari kita rekap apa sebenarnya permasalahan tersebut. distribusi kemungkinan. Jangan khawatir, ini adalah artikel ulasan, tidak akan ada matematika yang sulit di sini, kita akan menggunakan contoh klasik dengan tas dan bola.
Hanya sedikit kombinatorik, teori probabilitas, dan eksperimen aneh
Ayo ambil tas dan masukkan ke dalamnya 1000 bola putih dan 1000 bola hitam. Kami akan melakukan percobaan - keluarkan bola, tulis warnanya, kembalikan bola ke dalam tas dan campur bola di dalam tas.
Percobaan dilakukan sebanyak 10 kali, mengeluarkan 10 bola hitam. Mungkin? Lumayan. Apakah sampel ini memberi kita gambaran yang masuk akal tentang distribusi sebenarnya di dalam tas? Tentu saja tidak. Apa yang perlu dilakukan - benar, halulangi percobaan tersebut jutaan kali dan hitung frekuensi bola hitam putih. Kita mendapatkan, misalnya 49.95% hitam dan 50.05% putih. Dalam hal ini, struktur distribusi tempat kita mengambil sampel (mengambil satu bola) sudah kurang lebih jelas.
Hal utama adalah memahami hal itu eksperimen itu sendiri bersifat probabilistik, dengan satu sampel (bola) kita tidak akan mengetahui struktur distribusi yang sebenarnya, kita perlu mengulangi percobaan tersebut berkali-kali dan rata-ratakan hasilnya.
Ayo tambahkan ke tas kita 10 bola merah dan 10 bola hijau (kesalahan). Mari kita ulangi percobaan tersebut sebanyak 10 kali. DI DALAMmengeluarkan 5 merah dan 5 hijau. Mungkin? Ya. Kita dapat mengatakan sesuatu tentang distribusi sebenarnya - Tidak. Apa yang perlu dilakukan - ya, Anda mengerti.
Untuk memahami struktur distribusi probabilitas, kita perlu berulang kali mengambil sampel hasil individu dari distribusi ini dan membuat rata-rata hasilnya.
Menghubungkan teori dengan praktik
Sekarang, daripada bola hitam putih, mari kita ambil bola bilyar dan masukkan ke dalam tas 1000 bola dengan nomor 2, 1000 bola dengan nomor 7 dan 10 bola dengan nomor lainnya. Mari kita bayangkan seorang pelaku eksperimen yang terlatih dalam tindakan paling sederhana (mengeluarkan bola, menuliskan nomornya, memasukkan kembali bola ke dalam tas, mencampurkan bola ke dalam tas) dan dia melakukannya dalam 150 mikrodetik. Ya, seorang eksperimen kecepatan (bukan iklan narkoba!!!). Kemudian dalam 150 detik dia akan mampu melakukan percobaan kita sebanyak 1 juta kali dan memberi kami hasil rata-rata.
Mereka mendudukkan pelaku eksperimen, memberinya tas, berbalik, menunggu 150 detik dan menerima:
nomor 2 - 49.5%, nomor 7 - 49.5%, sisanya total - 1%.
Ya itu betul, tas kami adalah komputer kuantum dengan algoritma yang memecahkan masalah kami, dan bola adalah solusi yang mungkin. Karena ada dua solusi yang benar komputer kuantum akan memberi kita salah satu solusi yang mungkin dengan probabilitas yang sama, dan kesalahan 0.5% (10/2000), yang akan kita bicarakan nanti.
Untuk mendapatkan hasil komputer kuantum, Anda perlu menjalankan algoritma kuantum beberapa kali pada kumpulan data masukan yang sama dan rata-rata hasilnya.
Skalabilitas komputer kuantum
Sekarang bayangkan untuk tugas yang melibatkan 100 orang (ruang solusi 2^100 kita ingat ini), hanya ada dua keputusan yang benar. Kemudian, jika kita mengambil 100 qubit dan menulis algoritma yang menghitung fungsi tujuan kita (L, lihat di atas) atas qubit tersebut, maka kita akan mendapatkan tas yang didalamnya terdapat 1000 bola dengan jumlah jawaban pertama yang benar, 1000 dengan nomor jawaban benar kedua dan 10 bola dengan nomor lainnya. Dan dalam waktu 150 detik yang sama, eksperimen kami akan memberi kami perkiraan distribusi probabilitas jawaban yang benar.
Waktu eksekusi algoritma kuantum (dengan beberapa asumsi) dapat dianggap konstan O(1) terhadap dimensi ruang solusi (2^N).
Dan inilah tepatnya milik komputer kuantum - keteguhan waktu proses Sehubungan dengan meningkatnya kompleksitas hukum kekuasaan, ruang solusi adalah kuncinya.
Qubit dan dunia paralel
Bagaimana ini bisa terjadi? Apa yang memungkinkan komputer kuantum melakukan penghitungan begitu cepat? Ini semua tentang sifat kuantum qubit.
Begini, kami mengatakan bahwa qubit itu seperti objek kuantum menyadari salah satu dari dua keadaannya ketika diamati, tapi di “alam liar” hal itu ada superposisi negara, yaitu, ia berada di kedua keadaan batasnya secara bersamaan (dengan beberapa kemungkinan).
Ambil (A)ndreya dan bayangkan statusnya (di kendaraan mana - 0 atau 1) sebagai qubit. Lalu kita punya (di ruang kuantum) dua dunia paralel, jadi satu (A) duduk di taksi 0, di dunia lain - di taksi 1. Di dua taksi sekaligus, tetapi dengan kemungkinan tertentu menemukannya di masing-masingnya selama observasi.
Ambil (B) muda dan bayangkan statusnya sebagai qubit. Dua dunia paralel lainnya muncul. Tapi untuk saat ini pasangan dunia ini (A) и (DI) jangan berinteraksi sama sekali. Apa yang perlu dilakukan untuk menciptakan terkait sistem? Benar, kita membutuhkan qubit ini mengikat (bingung). Kami mengambilnya dan membingungkannya (A) dengan (B) — kita mendapatkan sistem kuantum dua qubit (A,B), menyadari dalam dirinya sendiri empat saling bergantung dunia paralel. Menambahkan (S)ergey dan kami mendapatkan sistem tiga qubit (ABC), menerapkan delapan saling bergantung dunia paralel.
Inti dari komputasi kuantum (implementasi rantai gerbang kuantum pada sistem qubit yang terhubung) adalah kenyataan bahwa penghitungan terjadi di semua dunia paralel secara bersamaan.
Dan tidak peduli berapa banyak yang kita miliki, 2^3 atau 2^100, algoritma kuantum akan dieksekusi dalam waktu terbatas di semua dunia paralel ini dan akan memberi kita hasil, yaitu sampel dari distribusi probabilitas respons algoritme.
Untuk pemahaman yang lebih baik, kita bisa membayangkannya komputer kuantum pada tingkat kuantum menjalankan 2^N proses solusi paralel, yang masing-masing mengerjakan satu opsi yang memungkinkan, kemudian mengumpulkan hasil pekerjaan - dan memberi kita jawaban dalam bentuk superposisi solusi (distribusi probabilitas respons), yang darinya kami mengambil sampel satu kali setiap kali (untuk setiap eksperimen).
Ingat waktu yang dibutuhkan oleh eksperimen kami (150 mikrodetik) для проведения эксперимента, это пригодится нам чуть дальше, когда мы будем говорить об основных проблемах квантовых компьютеров и о времени декогеренции.
Algoritma kuantum
Seperti yang telah disebutkan, algoritma konvensional berdasarkan logika biner tidak dapat diterapkan pada komputer kuantum yang menggunakan logika kuantum (gerbang kuantum). Baginya, penting untuk menghasilkan sesuatu yang baru yang sepenuhnya memanfaatkan potensi yang melekat dalam sifat kuantum komputasi.
Algoritma yang paling terkenal saat ini adalah:
Berbeda dengan komputer klasik, komputer kuantum tidak bersifat universal.
Hanya sejumlah kecil algoritma kuantum yang telah ditemukan sejauh ini.
Terima kasih untuk tautan ke , tempat dimana, menurut penulis (), perwakilan terbaik dari dunia algoritmik kuantum telah dikumpulkan dan terus dikumpulkan.
Pada artikel ini kita tidak akan menganalisis algoritma kuantum secara detail; ada banyak materi bagus di Internet untuk tingkat kerumitan apa pun, namun kita masih perlu membahas secara singkat tiga yang paling terkenal.
Algoritma Shor.
Algoritma kuantum yang paling terkenal adalah (ditemukan pada tahun 1994 oleh ahli matematika Inggris ), yang bertujuan untuk menyelesaikan masalah memfaktorkan bilangan menjadi faktor prima (masalah faktorisasi, logaritma diskrit).
Algoritme inilah yang dijadikan contoh ketika mereka menulis bahwa sistem perbankan dan kata sandi Anda akan segera diretas. Mengingat panjang kunci yang digunakan saat ini tidak kurang dari 2048 bit, maka waktu untuk membatasinya belum tiba.
Sampai sekarang lebih dari sederhana. Hasil Faktorisasi Terbaik dengan Algoritma Shor - Bilangan и , yang jauh lebih sedikit dari 2048 bit. Untuk sisa hasil dari tabel, berbeda perhitungan, tetapi bahkan hasil terbaik menurut algoritma ini (291311) sangat jauh dari penerapan sebenarnya.
Anda dapat membaca lebih lanjut tentang algoritma Shor, misalnya,. Tentang implementasi praktis - .
Salah satu kompleksitas dan daya yang diperlukan untuk memfaktorkan angka 2048-bit yang dimiliki komputer . Kami tidur dengan damai.
Algoritma Grover
- memecahkan masalah pencacahan, yaitu menemukan solusi persamaan F(X) = 1, di mana F adalah dari n variabel. Diusulkan oleh seorang ahli matematika Amerika в .
Algoritma Grover dapat digunakan untuk mencari и seri angka. Selain itu, dapat digunakan untuk menyelesaikannya masalah melalui pencarian menyeluruh di antara banyak kemungkinan solusi. Hal ini mungkin memerlukan peningkatan kecepatan yang signifikan dibandingkan dengan algoritma klasik, meskipun tanpa memberikan "" secara umum.
Anda dapat membaca lebih lanjutAtau . Lebih banyak Ada penjelasan yang bagus tentang algoritme menggunakan contoh kotak dan bola, tetapi sayangnya, karena alasan di luar kendali siapa pun, situs ini tidak dibuka untuk saya dari Rusia. kalau sudah juga diblokir, jadi berikut ringkasan singkatnya:
Algoritma Grover. Bayangkan Anda mempunyai N buah kotak tertutup bernomor. Semuanya kosong kecuali satu, yang berisi bola. Tugas Anda: mencari tahu nomor kotak tempat bola itu berada (angka tak dikenal ini sering dilambangkan dengan huruf w).
Bagaimana cara mengatasi masalah ini? Cara paling bodoh adalah dengan membuka kotak secara bergantian, dan cepat atau lambat Anda akan menemukan kotak berisi bola. Rata-rata, berapa banyak kotak yang perlu diperiksa sebelum sebuah kotak berisi bola ditemukan? Rata-rata, Anda perlu membuka sekitar setengah dari N/2 kotak. Hal utama di sini adalah jika kita menambah jumlah kotak sebanyak 100 kali lipat, maka rata-rata jumlah kotak yang perlu dibuka sebelum kotak berisi bola ditemukan juga akan bertambah 100 kali lipat.
Sekarang mari kita buat satu klarifikasi lagi. Janganlah kita membuka sendiri kotak-kotak itu dengan tangan kita dan memeriksa keberadaan bola di masing-masing kotak, tetapi ada perantara tertentu, sebut saja dia Oracle. Kita memberi tahu Oracle, “kotak centang nomor 732,” dan Oracle dengan jujur memeriksa dan menjawab, “tidak ada bola di kotak nomor 732.” Sekarang, daripada mengatakan rata-rata berapa banyak kotak yang perlu kita buka, kita katakan “berapa kali rata-rata kita harus pergi ke Oracle untuk menemukan nomor kotak berisi bola”
Ternyata jika kita menerjemahkan masalah kotak, bola, dan Oracle ini ke dalam bahasa kuantum, kita mendapatkan hasil yang luar biasa: untuk menemukan jumlah kotak berisi bola di antara N kotak, kita perlu mengganggu Oracle hanya sekitar SQRT (N) kali!
Artinya, kompleksitas tugas pencarian menggunakan algoritma Grover dikurangi dengan akar kuadrat waktu.
Algoritma Deutsch-Jozi
Algoritma Deutsch-Jozsa (juga disebut sebagai algoritma Deutsch-Jozsa) - [algoritma kuantum](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , dan menjadi salah satu contoh algoritma pertama yang dirancang untuk dieksekusi . _
Masalah Deutsch-Jozsi adalah untuk menentukan apakah suatu fungsi dari beberapa variabel biner F(x1, x2, ... xn) adalah konstan (mengambil nilai 0 atau 1 untuk argumen apa pun) atau seimbang (untuk setengah domain yang dibutuhkan nilai 0, untuk separuh lainnya 1). Dalam hal ini, dianggap diketahui secara apriori bahwa fungsinya adalah konstan atau seimbang.
Selengkapnya bisa dibaca . Penjelasan yang lebih sederhana:
Algoritma Deutsch (Deutsch-Jozsi) didasarkan pada brute force, namun memungkinkannya dilakukan lebih cepat dari biasanya. Bayangkan ada koin di atas meja dan Anda perlu mencari tahu apakah itu palsu atau tidak. Untuk melakukan ini, Anda perlu melihat koin itu dua kali dan menentukan: "kepala" dan "ekor" itu asli, dua "kepala", dua "ekor" itu palsu. Jadi, jika Anda menggunakan algoritma kuantum Deutsch, maka penentuan ini dapat dilakukan dengan sekali pengukuran.
Masalah komputer kuantum
Saat merancang dan mengoperasikan komputer kuantum, para ilmuwan dan insinyur menghadapi sejumlah besar masalah, yang hingga saat ini telah diselesaikan dengan berbagai tingkat keberhasilan. Berdasarkan () rangkaian masalah berikut dapat diidentifikasi:
- Kepekaan terhadap lingkungan dan interaksi dengan lingkungan
- Akumulasi kesalahan selama perhitungan
- Kesulitan dengan inisialisasi awal status qubit
- Kesulitan dalam menciptakan sistem multi-qubit
Saya sangat merekomendasikan membaca artikel “”, terutama komentarnya.
Mari kita atur semua masalah utama menjadi tiga kelompok besar dan pertimbangkan masing-masing masalah secara lebih rinci:
Dekoherensi
.
keadaan kuantum hal yang sangat rapuhqubit dalam keadaan terjerat sangat tidak stabil, pengaruh eksternal apa pun dapat (dan memang) menghancurkan hubungan ini. Perubahan suhu hingga sepersekian derajat, tekanan, foton acak yang terbang di dekatnya - semua ini mengganggu kestabilan sistem kita.
Untuk mengatasi masalah ini, sarkofagus suhu rendah dibuat, di mana suhu (-273.14 derajat Celcius) sedikit di atas nol mutlak, dengan isolasi maksimum ruang internal dengan prosesor dari semua (kemungkinan) pengaruh lingkungan eksternal.
Masa hidup maksimum sistem kuantum yang terdiri dari beberapa qubit yang terjerat, selama sistem tersebut mempertahankan sifat kuantumnya dan dapat digunakan untuk perhitungan, disebut waktu dekoherensi.
Saat ini, waktu dekoherensi dalam solusi kuantum terbaik berada pada kisaran waktu puluhan dan ratusan mikrodetik.
Ada yang luar biasa di mana Anda dapat melihat dari semua sistem kuantum yang diciptakan. Artikel ini hanya mencakup dua prosesor teratas sebagai contoh - dari IBM dan dari . Seperti yang bisa kita lihat, waktu dekoherensi (T2) tidak melebihi 200 s.
Saya tidak menemukan data pasti tentang Sycamore, tetapi sebagian besar dua nomor diberikan - 1 juta perhitungan dalam 200 detik, di tempat lain - untuk 130 detik tanpa kehilangan sinyal kontrol, dll.. Bagaimanapun, ini memberi kita waktu dekoherensi sekitar 150 μs. Ingat kami eksperimen dengan tas? Nah, ini dia.
| Nama Komputer | N Qubit | Maks berpasangan | T2 (µs) |
| IBM Q Sistem Satu | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Dekoherensi mengancam kita dengan apa?
Masalah utamanya adalah setelah 150 μs, sistem komputasi kita yang terdiri dari N qubit terjerat akan mulai mengeluarkan white noise probabilistik alih-alih distribusi probabilistik dari solusi yang benar.
Artinya, kita membutuhkan:
- Inisialisasi sistem qubit
- Melakukan perhitungan (rantai operasi gerbang)
- Baca hasilnya
Dan lakukan semua ini dalam 150 mikrodetik. Saya tidak punya waktu - hasilnya berubah menjadi labu.
Tapi itu belum semuanya…
Kesalahan
Seperti yang kami katakan, proses kuantum dan komputasi kuantum bersifat probabilistik, kita tidak bisa 100% yakin akan apa pun, tetapi hanya dengan beberapa kemungkinan. Situasi ini semakin diperburuk oleh kenyataan bahwa komputasi kuantum rawan kesalahan. Jenis kesalahan utama dalam komputasi kuantum adalah:
- Kesalahan dekoherensi disebabkan oleh kompleksitas sistem dan interaksi dengan lingkungan eksternal
- Kesalahan komputasi gerbang (karena sifat komputasi kuantum)
- Kesalahan dalam membaca keadaan akhir (hasil)
Kesalahan yang terkait dengan dekoherensi, muncul segera setelah kita menjerat qubit kita dan mulai melakukan perhitungan. Semakin banyak qubit yang kita libatkan, semakin kompleks sistemnya, dan semakin mudah untuk menghancurkannya. Sarkofagus bersuhu rendah, ruang terlindung, semua trik teknologi ini justru ditujukan untuk mengurangi jumlah kesalahan dan memperpanjang waktu dekoherensi.
Kesalahan komputasi gerbang - setiap operasi (gerbang) pada qubit dapat, dengan kemungkinan tertentu, berakhir dengan kesalahan, dan untuk mengimplementasikan algoritma kita perlu melakukan ratusan gerbang, jadi bayangkan apa yang kita dapatkan di akhir eksekusi algoritma kita. Jawaban klasik atas pertanyaan adalah “Berapa kemungkinan bertemu dinosaurus di dalam lift?” - 50x50, ketemu atau tidak.
Lebih buruk lagi, metode koreksi kesalahan standar (duplikasi perhitungan dan rata-rata) tidak berfungsi di dunia kuantum karena teorema tanpa kloning. Untuk dalam komputasi kuantum harus ditemukan . Secara kasar, kita mengambil N qubit biasa dan membuat 1 qubit qubit logis dengan tingkat kesalahan yang lebih rendah.
Tapi di sini muncul masalah lain - jumlah total qubit. Begini, misalkan kita memiliki prosesor dengan 100 qubit, dimana 80 qubit digunakan untuk koreksi kesalahan, maka kita hanya punya 20 tersisa untuk perhitungan.
Kesalahan dalam membaca hasil akhir — seperti yang kita ingat, hasil perhitungan kuantum disajikan kepada kita dalam bentuk distribusi probabilitas jawaban. Namun membaca keadaan akhir mungkin juga gagal karena kesalahan.
Pada hal yang sama Ada tabel perbandingan prosesor berdasarkan tingkat kesalahan. Sebagai perbandingan, mari kita ambil prosesor yang sama seperti pada contoh sebelumnya - IBM и :
| komputer | Kesetiaan Gerbang 1-Qubit | 2-Kesetiaan Gerbang Qubit | Kesetiaan Pembacaan |
| IBM Q Sistem Satu | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Di sini adalah ukuran kesamaan dua keadaan kuantum. Besarnya kesalahan secara kasar dapat dinyatakan sebagai 1-Fidelity. Seperti yang bisa kita lihat, kesalahan pada gerbang 2-qubit dan kesalahan pembacaan merupakan kendala utama dalam mengeksekusi algoritma yang rumit dan panjang pada komputer kuantum yang ada.
Selengkapnya bisa dibaca tahun dari untuk memecahkan masalah koreksi kesalahan.
Arsitektur prosesor
Secara teori kami membangun dan mengoperasikan sirkuit lusinan qubit yang terjerat, pada kenyataannya segalanya menjadi lebih rumit. Semua chip kuantum (prosesor) yang ada dibuat sedemikian rupa sehingga memberikan kinerja yang tidak menimbulkan kesulitan keterikatan satu qubit hanya dengan tetangganya, yang jumlahnya tidak lebih dari enam.
Jika kita perlu menjerat qubit pertama, katakanlah, dengan qubit ke-1, maka kita harus melakukannya membangun rantai operasi kuantum tambahan, melibatkan qubit tambahan, dll., yang meningkatkan tingkat kesalahan secara keseluruhan. Ya, dan jangan lupakan waktu dekoherensi, mungkin pada saat Anda selesai menghubungkan qubit ke sirkuit yang Anda butuhkan, waktu akan berakhir dan seluruh sirkuit akan berubah menjadi generator kebisingan putih yang bagus.
Juga jangan lupa itu Arsitektur semua prosesor kuantum berbeda, dan program yang ditulis di emulator dalam mode “konektivitas semua-ke-semua” perlu “dikompilasi ulang” ke dalam arsitektur chip tertentu. Bahkan ada untuk melakukan operasi ini.
Konektivitas maksimum dan jumlah qubit maksimum untuk chip teratas yang sama:
| Nama Komputer | N Qubit | Maks berpasangan | T2 (µs) |
| IBM Q Sistem Satu | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Dan, sebagai perbandingan, tabel dengan data dari prosesor generasi sebelumnya. Bandingkan jumlah qubit, waktu dekoherensi, dan tingkat kesalahan dengan yang kita miliki sekarang pada generasi baru. Meski begitu, kemajuannya lambat, namun terus bergerak.
Jadi:
- Saat ini tidak ada arsitektur yang terhubung sepenuhnya dengan > 6 qubit
- Untuk melibatkan qubit 0 s pada prosesor sebenarnya, misalnya, qubit 15 mungkin memerlukan beberapa lusin operasi tambahan
- Lebih banyak operasi -> lebih banyak kesalahan -> pengaruh dekoherensi yang lebih kuat
Hasil
Dekoherensi adalah dasar Procrustean dari komputasi kuantum modern. Kita harus memasukkan semuanya ke dalam 150 μs:
- Inisialisasi keadaan awal qubit
- Menghitung masalah menggunakan gerbang kuantum
- Perbaiki kesalahan untuk mendapatkan hasil yang berarti
- Baca hasilnya
Namun sejauh ini hasilnya mengecewakan mengklaim mencapai waktu retensi koherensi 0.5 detik pada komputer kuantum berbasis :
Kami mengukur waktu koherensi qubit yang melebihi 0.5 detik, dan dengan pelindung magnetik, kami memperkirakan waktu ini akan meningkat menjadi lebih dari 1000 detik.
Anda juga dapat membaca tentang teknologi ini atau misalnya .
Situasi ini semakin diperumit oleh fakta bahwa ketika melakukan perhitungan yang rumit, perlu menggunakan sirkuit koreksi kesalahan kuantum, yang juga memakan waktu dan qubit yang tersedia.
Dan terakhir, arsitektur modern tidak mengizinkan penerapan skema keterikatan yang lebih baik dari 1 dalam 4 atau 1 dalam 6 dengan biaya minimal.
Cara Pemecahan Masalah
Untuk mengatasi permasalahan di atas saat ini digunakan pendekatan dan metode sebagai berikut:
- Menggunakan cryochamber dengan suhu rendah (10 mK (–273,14°C))
- Menggunakan unit prosesor yang terlindungi maksimal dari pengaruh luar
- Menggunakan Sistem Koreksi Kesalahan Quantum (Logic Qubit)
- Menggunakan pengoptimal saat memprogram sirkuit untuk prosesor tertentu
Penelitian juga sedang dilakukan yang bertujuan untuk meningkatkan waktu dekoherensi, mencari implementasi fisik objek kuantum yang baru (dan meningkatkan yang diketahui), mengoptimalkan sirkuit koreksi, dll., dll. Ada kemajuan (lihat karakteristik chip kelas atas sebelumnya dan saat ini di atas), tetapi sejauh ini lambat, sangat, sangat lambat.
D-Wave
Komputer D-Wave 2000Q 2000-qubit. Sumber:
Di tengah pengumuman Google untuk mencapai supremasi kuantum menggunakan prosesor 53-qubit, и dari perusahaan D-Wave, yang jumlah qubitnya mencapai ribuan, agak membingungkan. Sebenarnya, jika 53 qubit mampu mencapai supremasi kuantum, lalu apa yang mampu dilakukan komputer dengan 2048 qubit? Tapi tidak semuanya begitu baik...
Singkatnya (diambil dari wiki):
Komputer bekerja berdasarkan prinsip (), dapat memecahkan subkelas masalah optimasi yang sangat terbatas, dan tidak cocok untuk mengimplementasikan algoritma kuantum tradisional dan gerbang kuantum.
Untuk lebih jelasnya Anda dapat membaca, misalnya, , (hati-hati, mungkin tidak dibuka dari Rusia), atau в dari miliknya . Ngomong-ngomong, saya sangat merekomendasikan membaca blognya secara umum, banyak materi bagus di sana
Secara umum, sejak awal pengumuman, komunitas ilmiah memiliki pertanyaan tentang komputer D-Wave. Misalnya, pada tahun 2014, IBM mempertanyakan fakta D-Wave Sampai-sampai pada tahun 2015, Google, bersama dengan NASA, membeli salah satu komputer kuantum ini dan setelah melakukan penelitian , ya, komputer bekerja dan menghitung masalah lebih cepat dari komputer biasa. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang pernyataan Google dan misalnya .
Hal utama adalah komputer D-Wave, dengan ratusan dan ribuan qubitnya, tidak dapat digunakan untuk menghitung dan menjalankan algoritma kuantum. Misalnya, Anda tidak dapat menjalankan algoritma Shor pada mereka. Yang bisa mereka lakukan hanyalah menggunakan mekanisme kuantum tertentu untuk memecahkan masalah optimasi tertentu. Kita dapat menganggap bahwa D-Wave adalah ASIC kuantum untuk tugas tertentu.
Sedikit tentang emulasi komputer kuantum
Komputasi kuantum dapat ditiru pada komputer biasa. Memang, :
- Keadaan qubit bisa jadi bilangan kompleks, menempati 2x32 hingga 2x64 bit (8-16 byte) tergantung pada arsitektur prosesor
- Keadaan N qubit yang terhubung dapat direpresentasikan sebagai 2^N bilangan kompleks, yaitu. 2^(3+N) untuk arsitektur 32-bit dan 2^(4+N) untuk 64-bit.
- Operasi kuantum pada N qubit dapat direpresentasikan dengan matriks 2^N x 2^N
Lalu:
- Untuk menyimpan status emulasi 10 qubit, diperlukan 8 KB
- Untuk menyimpan status 20 qubit, Anda memerlukan 8 MB
- Untuk menyimpan status 30 qubit, diperlukan 8 GB
- Diperlukan 40 Terabyte untuk menyimpan status 8 qubit
- Untuk menyimpan status 50 qubit, diperlukan 8 Petabyte, dll.
Untuk perbandingan, () hanya membawa memori 2.8 Petabyte.
— 49 qubit dikirimkan tahun lalu ke superkomputer terbesar Tiongkok ()
Batasan simulasi komputer kuantum pada sistem klasik ditentukan oleh jumlah RAM yang diperlukan untuk menyimpan status qubit.
Saya juga merekomendasikan membaca . Dari sana:
Berdasarkan pengoperasian - untuk emulasi akurat dari sirkuit 49-qubit yang terdiri dari sekitar 39 "siklus" (lapisan gerbang independen) 2^63 perkalian kompleks - 4 Pflop superkomputer selama 4 jam
Meniru komputer kuantum 50+ qubit pada sistem klasik dianggap mustahil dalam waktu yang wajar. Ini juga alasan Google menggunakan prosesor 53-qubit untuk eksperimen supremasi kuantumnya.
Supremasi komputasi kuantum.
Wikipedia memberi kita definisi supremasi komputasi kuantum berikut:
Supremasi kuantum - kemampuan perangkat untuk memecahkan masalah yang secara praktis tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik.
Faktanya, mencapai supremasi kuantum berarti, misalnya, faktorisasi bilangan besar menggunakan algoritma Shor dapat diselesaikan dalam waktu yang cukup, atau molekul kimia kompleks dapat ditiru pada tingkat kuantum, dan seterusnya. Artinya, era baru telah tiba.
Namun ada beberapa celah dalam kata-kata definisi tersebut, “yang secara praktis tidak dapat dipecahkan oleh komputer klasik" Faktanya, ini berarti jika Anda membuat komputer kuantum dengan 50+ qubit dan menjalankan beberapa rangkaian kuantum di dalamnya, maka, seperti yang telah kita bahas di atas, hasil dari rangkaian ini tidak dapat ditiru di komputer biasa. Itu adalah komputer klasik tidak akan dapat membuat ulang hasil rangkaian seperti itu.
Apakah hasil seperti itu merupakan supremasi kuantum yang nyata atau tidak, merupakan pertanyaan filosofis. Namun pahamilah apa yang dilakukan Google dan apa dasarnya diperlukan.
Pernyataan Supremasi Kuantum Google
Prosesor Sycamore 54-qubit
Jadi, pada Oktober 2019, pengembang Google menerbitkan artikel di publikasi ilmiah Nature “" Penulis mengumumkan pencapaian supremasi kuantum untuk pertama kalinya dalam sejarah menggunakan prosesor Sycamore 54-qubit.
Artikel Sycamore online sering merujuk pada prosesor 54-qubit atau prosesor 53-qubit. Yang benar adalah menurut , prosesor secara fisik terdiri dari 54 qubit, tetapi salah satunya tidak berfungsi dan tidak dapat digunakan lagi. Jadi, pada kenyataannya kami memiliki prosesor 53-qubit.
Di web di sana materi tentang topik ini, yang derajatnya bervariasi dari untuk .
Tim komputasi kuantum IBM kemudian menyatakan hal itu . Perusahaan mengklaim bahwa komputer konvensional akan mengatasi tugas ini dalam kasus terburuk dalam 2,5 hari, dan jawaban yang dihasilkan akan lebih akurat dibandingkan dengan komputer kuantum. Kesimpulan ini diambil berdasarkan hasil analisis teoritis terhadap beberapa metode optimasi.
Dan tentu saja, dalam dirinya Saya tidak bisa mengabaikan pernyataan ini. Miliknya bersama dengan semua tautan dan seperti biasa, mereka layak untuk menghabiskan waktu Anda. Di pusatnya FAQ ini, dan pastikan untuk membaca komentarnya, terdapat link ke dokumen awal yang bocor secara online sebelum pengumuman resmi.
Apa sebenarnya yang dilakukan Google? Untuk pemahaman lebih detail, baca Aaronson, tapi secara singkat di sini:
Tentu saja aku bisa memberitahumu, tapi aku merasa agak bodoh. Perhitungannya adalah sebagai berikut: pelaku eksperimen menghasilkan rangkaian kuantum acak C (yaitu, rangkaian acak gerbang 1-qubit dan 2-qubit antara tetangga terdekat, dengan kedalaman, misalnya, 20, bekerja pada jaringan 2D n = 50-60 qubit). Eksperimen kemudian mengirimkan C ke komputer kuantum, dan memintanya untuk menerapkan C ke keadaan awal 0, mengukur hasilnya dalam basis {0,1}, mengirimkan kembali urutan n-bit yang diamati (string), dan mengulangi beberapa kali. ribuan atau jutaan kali. Terakhir, dengan menggunakan pengetahuannya tentang C, pelaku eksperimen melakukan uji statistik untuk melihat apakah hasilnya sesuai dengan keluaran yang diharapkan dari komputer kuantum.
Sangat singkat:
- Sirkuit acak dengan panjang 20 dari 53 qubit dibuat menggunakan gerbang
- Sirkuit dimulai dengan keadaan awal [0…0] untuk dieksekusi
- Output dari rangkaian adalah bit string acak (sampel)
- Pembagian hasilnya tidak acak (interferensi)
- Distribusi sampel yang diperoleh dibandingkan dengan yang diharapkan
- Menyimpulkan Supremasi Kuantum
Artinya, Google menerapkan masalah sintetik pada prosesor 53-qubit, dan mendasarkan klaimnya untuk mencapai supremasi kuantum pada fakta bahwa tidak mungkin untuk meniru prosesor semacam itu pada sistem standar dalam waktu yang wajar.
Untuk pemahaman - Bagian ini sama sekali tidak mengurangi prestasi Google, para insinyurnya benar-benar hebat, dan pertanyaan apakah ini dapat dianggap sebagai keunggulan kuantum yang nyata atau tidak, seperti disebutkan sebelumnya, lebih bersifat filosofis daripada teknik. Namun kita harus memahami bahwa setelah mencapai keunggulan komputasi seperti itu, kita belum maju satu langkah pun menuju kemampuan menjalankan algoritma Shor pada angka 2048-bit.
Ringkasan
Komputer kuantum dan komputasi kuantum adalah bidang teknologi informasi yang sangat menjanjikan, sangat muda, dan sejauh ini masih sedikit yang dapat diterapkan secara industri.
Perkembangan komputasi kuantum (suatu hari nanti) akan memungkinkan kita memecahkan masalah:
- Memodelkan sistem fisik yang kompleks pada tingkat kuantum
- Tidak dapat diselesaikan pada komputer biasa karena kompleksitas komputasi
Masalah utama dalam pembuatan dan pengoperasian komputer kuantum:
- Dekoherensi
- Kesalahan (dekoherensi dan gerbang)
- Arsitektur prosesor (sirkuit qubit yang terhubung sepenuhnya)
Keadaan saat ini:
- Faktanya - awalnya .
- Belum ada eksploitasi komersial yang NYATA (dan tidak jelas kapan akan terjadi)
Apa yang bisa membantu:
- Semacam penemuan fisik yang mengurangi biaya pengkabelan dan pengoperasian prosesor
- Menemukan sesuatu yang akan meningkatkan waktu dekoherensi dengan urutan besarnya dan/atau mengurangi kesalahan
Menurut pendapat saya (murni pendapat pribadi), Dalam paradigma ilmu pengetahuan saat ini, kita tidak akan mencapai keberhasilan yang signifikan dalam pengembangan teknologi kuantum, di sini kita memerlukan terobosan kualitatif di beberapa bidang ilmu dasar atau terapan, yang akan memberikan dorongan bagi ide-ide dan metode-metode baru.
Sementara itu, kami memperoleh pengalaman dalam pemrograman kuantum, mengumpulkan dan membuat algoritma kuantum, menguji ide, dll., dll. Kami menunggu terobosan.
Kesimpulan
Dalam artikel ini, kami membahas tonggak utama dalam pengembangan komputasi kuantum dan komputer kuantum, memeriksa prinsip operasinya, memeriksa masalah utama yang dihadapi para insinyur dalam pengembangan dan pengoperasian prosesor kuantum, dan juga melihat apa itu multi-qubit. D-komputer sebenarnya adalah Wave dan pengumuman Google baru-baru ini tentang pencapaian supremasi kuantum.
Yang tertinggal di belakang layar adalah pertanyaan tentang pemrograman komputer kuantum (bahasa, pendekatan, metode, dll.) dan pertanyaan terkait dengan implementasi fisik spesifik prosesor, bagaimana qubit dikelola, dihubungkan, dibaca, dll. Mungkin ini yang akan menjadi topik artikel atau artikel selanjutnya.
Terima kasih atas perhatiannya, semoga artikel ini bermanfaat bagi seseorang.
(C)
Ucapan Terima Kasih
untuk mengoreksi dan mengomentari teks sumber, serta artikel
untuk komentar kaya informasi , dan bukan hanya dia, yang sangat membantu saya memecahkan teka-teki ini.
Kepada semua penulis artikel dan publikasi yang materinya digunakan dalam penulisan artikel ini.
Daftar sumber daya
Artikel Terkini dari [The National Academies Press]
Artikel dari Habr (dalam urutan acak)
Artikel yang tidak disortir (tapi tidak kalah menarik) dari Internet
Kursus dan kuliah
Sumber: www.habr.com