Skammtatölvur og skammtatölvur - nýtt , sem var bætt við upplýsingarýmið okkar ásamt , og önnur hátæknihugtök. Á sama tíma gat ég aldrei fundið efni á netinu sem myndi setja saman þrautina í hausnum á mér sem heitir „hvernig skammtatölvur virka“. Já, það eru mörg frábær verk, þar á meðal um Habr (sjá. ), athugasemdir við sem, eins og venjulega, eru enn fróðlegri og gagnlegri, en myndin í höfðinu á mér, eins og sagt er, gekk ekki upp.
Og nýlega komu samstarfsmenn mínir til mín og spurðu: „Skilurðu hvernig skammtatölva virkar? Geturðu sagt okkur?" Og þá áttaði ég mig á því að ég er ekki sá eini sem á í vandræðum með að setja saman heildstæða mynd í hausnum á mér.
Í kjölfarið var reynt að safna upplýsingum um skammtatölvur saman í samræmda rökrás þar sem grunnstigi, án djúprar niðurdýfingar í stærðfræði og uppbyggingu skammtaheimsins, var útskýrt hvað skammtatölva er, hvaða meginreglur hún starfar eftir og hvaða vandamálum vísindamenn standa frammi fyrir við að búa til og reka hana.
efnisyfirlit
Fyrirvari
Höfundur er ekki sérfræðingur í skammtafræði, og Markhópur greinarinnar er sama upplýsingatæknifólkið, ekki skammtafræðisérfræðingarnir, sem vilja líka setja saman mynd í hausnum á sér sem heitir "Hvernig skammtatölvur virka." Vegna þessa eru mörg hugtök í greininni vísvitandi einfölduð til að skilja betur skammtatækni á „grunnstigi“, en án .
Í greininni er sums staðar notað efni úr öðrum heimildum, . Þar sem því verður við komið eru beinir tenglar og vísbendingar við upprunalegan texta, töflu eða mynd sett inn. Ef ég gleymdi einhverju (eða einhverjum) einhvers staðar, skrifaðu og ég mun leiðrétta það.
Inngangur
Í þessum kafla munum við skoða stuttlega hvernig skammtafræðitímabilið hófst, hver var hvetjandi ástæða hugmyndarinnar um skammtatölvu, hver (hvaða lönd og fyrirtæki) eru leiðandi á þessu sviði um þessar mundir, og einnig tala stuttlega. um helstu þróunarstefnu skammtafræðinnar.
Hvernig það byrjaði allt
Upphaf skammtafræðitímabilsins er talið vera árið 1900, þegar M. Planck setti fyrst fram. að orka er gefin út og frásogast ekki stöðugt, heldur í aðskildum skömmtum (hlutum). Hugmyndin var tekin upp og þróað af mörgum framúrskarandi vísindamönnum þess tíma - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, sem að lokum leiddi til sköpunar og þróunar slíkra vísinda eins og . Það er til mikið af góðu efni á netinu um myndun skammtaeðlisfræði sem vísinda; í þessari grein verður ekki fjallað ítarlega um þetta, en það var nauðsynlegt að tilgreina dagsetninguna þegar við fórum inn í nýja skammtatímann.
Skammtaeðlisfræði hefur fært margar uppfinningar og tækni inn í daglegt líf okkar, án hennar er nú erfitt að ímynda sér heiminn í kringum okkur. Til dæmis leysir, sem nú er notaður alls staðar, allt frá heimilistækjum (leysisstig o.s.frv.) til hátæknikerfa (leysir fyrir sjónleiðréttingu, halló ). Það væri rökrétt að gera ráð fyrir að fyrr eða síðar muni einhver koma með þá hugmynd að hvers vegna ekki að nota skammtakerfi til tölvunar. Og svo árið 1980 gerðist það.
Wikipedia gefur til kynna að fyrsta hugmyndin um skammtafræði hafi verið sett fram árið 1980 af vísindamanni okkar Yuri Manin. En þeir byrjuðu í alvöru að tala um það fyrst árið 1981, þegar hinn þekkti R. Feynman , tók fram að það er ómögulegt að líkja eftir þróun skammtakerfis á klassískri tölvu á skilvirkan hátt. Hann lagði fram frumlíkan , sem mun geta framkvæmt slíka líkanagerð.
Það er , þar sem er skoðað meira fræðilega og ítarlega, en farið verður stuttlega yfir:
Helstu tímamót í sögu sköpunar skammtatölva:
- [1994]. P. Shore. Hannað af
- [1998]. Búið til
- [2001]. IBM kynnti framkvæmd til stækkunar á númer 15
- [2007-2016]. býr til og þróar tölvu með 128-2000 qubits
- [2012]. Framkvæmt við háskólann í Kaliforníu
- [2016]. Google á 9-qubit tölvu
- [2017]. (þrjú atóm)
- [2019]. . 20-qubit tölva í skýinu
- [2019]. . 53 qubit tölva. ?
Eins og þú sérð eru 17 ár liðin (frá 1981 til 1998) frá því að hugmyndin kom fram þar til hún var fyrst innleidd í tölvu með 2 qubita og 21 ár (frá 1998 til 2019) þar til fjöldi qubita jókst í 53. Það tók 11 ár (frá 2001 til 2012) að bæta niðurstöðu reiknirit Shor (við skoðum það nánar aðeins síðar) úr tölunni 15 í 21. Einnig komum við að því fyrir aðeins þremur árum að innleiða það sem Feynman talaði um og læra að móta einföldustu eðlisfræðilegu kerfin.
Þróun skammtafræðinnar er hæg. Vísindamenn og verkfræðingar standa frammi fyrir mjög erfiðum verkefnum, skammtaástand eru mjög skammvinn og viðkvæm og til að varðveita þau nógu lengi til að framkvæma útreikninga þurfa þeir að byggja sarkófáa fyrir tugi milljóna dollara, þar sem hitastigi er haldið uppi. rétt fyrir ofan algert núll, og sem eru hámarks vernduð fyrir utanaðkomandi áhrifum. Næst verður fjallað nánar um þessi verkefni og vandamál.
Leiðandi leikmenn
Glærurnar fyrir þennan hluta eru teknar úr greininni , frá rannsakanda Alexey Fedorov. Leyfðu mér að gefa þér beinar tilvitnanir:
Öll tæknilega farsæl lönd eru nú virkir að þróa skammtatækni. Það er verið að fjárfesta gríðarlega mikið af peningum í þessar rannsóknir og verið er að búa til sérstakar áætlanir til að styðja við skammtatækni.
Ekki aðeins ríki, heldur einnig einkafyrirtæki taka þátt í skammtakeppninni. Alls hafa Google, IBM, Intel og Microsoft nýlega fjárfest um 0,5 milljarða dollara í þróun skammtatölva og búið til stórar rannsóknarstofur og rannsóknarmiðstöðvar.
Það eru margar greinar á Habré og á netinu, td. , и , þar sem núverandi staða mála með þróun skammtatækni í mismunandi löndum er skoðuð nánar. Aðalatriðið fyrir okkur núna er að öll leiðandi tækniþróuð lönd og leikmenn leggja gríðarlega mikið fé í rannsóknir í þessa átt, sem gefur von um leið út úr núverandi tæknilegu öngþveiti.
Þróunarleiðbeiningar
Í augnablikinu (ég gæti haft rangt fyrir mér, leiðréttið mig) eru helstu viðleitni (og meira eða minna marktækur árangur) allra fremstu leikmanna á tveimur sviðum:
- Sérhæfðar skammtatölvur, sem miða að því að leysa eitt ákveðið tiltekið vandamál, til dæmis hagræðingarvandamál. Dæmi um vöru eru D-Wave skammtatölvur.
- Alhliða skammtatölvur - sem eru fær um að innleiða handahófskenndar skammtareiknirit (Shor, Grover, osfrv.). Útfærslur frá IBM, Google.
Aðrir þroskavektorar sem skammtaeðlisfræðin gefur okkur, eins og:
- sem grundvöllur fyrir
- og margt fleira
Það er auðvitað líka á lista yfir rannsóknarsvið, en eins og er virðast engar marktækar niðurstöður liggja fyrir.
Auk þess er hægt að lesa , jæja, google“", Til dæmis, , и .
Grunnatriði. Skammtahlutur og skammtakerfi
Það mikilvægasta að skilja af þessum kafla er það
Skammtatölva (ólíkt venjulegum) notkun sem upplýsingaberi skammtahlutir, og til að framkvæma útreikninga verða skammtahlutir að vera tengdir inn skammtakerfi.
Hvað er skammtahlutur?
Skammtahlutur - hlutur örheimsins (skammtaheimsins) sem sýnir skammtaeiginleika:
- Hefur skilgreint ástand með tveimur mörkum
- Er í yfirsetningu á ástandi sínu til mælingar
- Flækir sig við aðra hluti til að búa til skammtakerfi
- Uppfyllir setninguna án klónunar (ekki er hægt að afrita ástand hlutar)
Við skulum skoða hverja eign nánar:
Hefur skilgreint ástand með tveimur mörkum (lokaástand)
Klassískt dæmi úr raunheiminum er mynt. Það hefur „hliðar“ ástand, sem tekur á sig tvö mörk - „hausar“ og „halar“.
Er í yfirsetningu á ástandi sínu til mælingar
Þeir köstuðu mynt, hún flýgur og snýst. Á meðan það snýst er ómögulegt að segja til um í hvaða af landamærastigunum „hliðar“ ástandið er staðsett. En um leið og við skellum því niður og skoðum niðurstöðuna, hrynur yfirskipan ríkja strax í annað af tveimur landamæraríkjum - „hausar“ og „halar“. Að skella mynt í okkar tilfelli er mæling.
Flækir sig við aðra hluti til að búa til skammtakerfi
Það er erfitt með mynt, en við skulum reyna. Ímyndaðu þér að við köstuðum þremur peningum þannig að þeir snýst klístraðir hver við annan, þetta er að púsla með mynt. Á hverju augnabliki tímans er ekki aðeins hvert þeirra í samsetningu ríkja, heldur hafa þessi ríki gagnkvæm áhrif á hvert annað (myntirnar rekast á).
Uppfyllir setninguna án klónunar (ekki er hægt að afrita ástand hlutar)
Á meðan myntin fljúga og snúast, þá er engin leið að við getum búið til afrit af snúningsástandi einhverra myntanna, aðskilið frá kerfinu. Kerfið býr innra með sér og er mjög afbrýðissamt yfir því að gefa út hvaða upplýsingar sem er til umheimsins.
Nokkur orð í viðbót um hugtakið sjálft „yfirsetningar“, í næstum öllum greinum er yfirsetning útskýrð sem "er í öllum ríkjum á sama tíma", sem er auðvitað rétt, en stundum óþarflega ruglingslegt. Einnig má ímynda sér yfirsetningu ríkja sem þá staðreynd að skammtahlutur á hverju augnabliki það eru ákveðnar líkur á því að falla inn í hvert af mörkum þess, og samtals eru þessar líkur náttúrulega jafnar 1. Síðar, þegar við skoðum qubit, munum við dvelja nánar á þessu.
Fyrir mynt er hægt að sjá þetta fyrir sér - allt eftir upphafshraða, kasthorni, ástandi umhverfisins þar sem myntin flýgur, á hverju augnabliki eru líkurnar á að fá „haus“ eða „hala“ mismunandi. Og eins og fyrr segir má ímynda sér ástand slíkrar fljúgandi mynts sem „að vera í öllum landamæraríkjum þess á sama tíma, en með mismunandi líkur á framkvæmd þeirra.
Allir hlutir sem ofangreindir eiginleikar eru uppfylltir fyrir og sem við getum búið til og stjórnað er hægt að nota sem upplýsingabera í skammtatölvu.
Örlítið lengra munum við tala um núverandi stöðu mála með líkamlegri útfærslu qubita sem skammtafyrirbæra og hvað vísindamenn nota núna í þessu hlutverki.
Þannig að þriðja eiginleikinn segir að skammtahlutir geti flækst til að búa til skammtakerfi. Hvað er skammtakerfi?
Skammtakerfi — kerfi flæktra skammtafyrirtækja með eftirfarandi eiginleika:
- Skammtakerfi er í samsetningu allra hugsanlegra ástanda hlutanna sem það samanstendur af
- Það er ómögulegt að vita stöðu kerfisins fyrr en á mælingu
- Á því augnabliki sem mælingin er gerð útfærir kerfið eitt af mögulegum afbrigðum af mörkum þess
(og lítur aðeins fram á veginn)
Afleiðing fyrir skammtafræðiforrit:
- Skammtaforrit hefur ákveðið ástand kerfisins við inntak, yfirsetningu inni, yfirlagningu við úttak
- Við úttak áætlunarinnar eftir mælingu höfum við líkindaútfærslu á einu af mögulegum lokaástandum kerfisins (auk mögulegra villna)
- Hvaða skammtaforrit er með skorsteinsarkitektúr (inntak -> úttak. Það eru engar lykkjur, þú getur ekki séð stöðu kerfisins í miðju ferlinu.)
Samanburður á skammtatölvu og hefðbundinni
Við skulum nú bera saman hefðbundna tölvu og skammtatölvu.
| venjuleg tölva | Skammtatölva | |
|
Rökfræði
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Eðlisfræði
|
Hálfleiðara smári | Skammtahlutur |
|
Miðlari
|
Spennustig | Skautun, snúningur,… |
|
Aðgerðir
|
EKKI, OG, EÐA, XOR yfir bita | Lokar: CNOT, Hadamard,… |
|
Samband
|
Hálfleiðara flís | Rugl við hvort annað |
|
Reiknirit
|
Standard (sjá svipa) | Sértilboð (Shore, Grover) |
|
Meginregla
|
Stafræn, ákveðin | Hliðstæður, líkur |
Rökfræðistig
Í venjulegri tölvu er þetta svolítið. Við þekkjum okkur í gegnum tíðina deterministic hluti. Getur tekið gildi annað hvort 0 eða 1. Það tekst vel við hlutverkið rökrétt eining fyrir venjulega tölvu, en er algjörlega óhæf til að lýsa ástandinu skammtahlutur, sem, eins og við höfum þegar sagt, í náttúrunni er staðsett íyfirsetningar á landamæraríkjum þeirra.
Þetta er það sem þeir komust með . Í landamæraríkjum sínum greinir það ástand svipað og 0 og 1 , og í yfirsetningu táknar líkindadreifingu yfir landamæraríki þess |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a og b tákna , og ferningarnir á einingum þeirra eru raunverulegar líkur á að fá nákvæmlega slík gildi fyrir landamæraástandið |0> и |1>, ef þú fellur saman qubitinn með mælingu núna.
Líkamlegt lag
Á núverandi tækniþróunarstigi er líkamleg útfærsla bita fyrir hefðbundna tölvu hálfleiðara smári, fyrir skammtafræði, eins og við höfum þegar sagt, hvaða skammtahluti sem er. Í næsta kafla munum við tala um það sem nú er notað sem efnismiðill fyrir qubits.
Geymslu miðill
Fyrir venjulega tölvu er þetta rafmagn - spennustig, tilvist eða fjarvera straums osfrv., fyrir skammtafræði - það sama ástand skammtahluts (skautun, snúning o.s.frv.), sem getur verið í yfirlögunarástandi.
Aðgerðir
Til að innleiða rökrásir á venjulegri tölvu notum við vel þekkt , fyrir aðgerðir á qubits var nauðsynlegt að koma með allt annað rekstrarkerfi, kallað . Hlið geta verið einn-qubit eða tvöfaldur-qubit, eftir því hversu mörgum qubitum er verið að breyta.
Dæmi um skammtahlið:
Það er til hugtak alhliða ventlasett, sem nægja til að framkvæma hvers kyns skammtaútreikninga. Til dæmis inniheldur alhliða sett Hadamard hlið, fasaskiptahlið, CNOT hlið og π⁄8 hlið. Með hjálp þeirra geturðu framkvæmt hvaða skammtaútreikning sem er á handahófskenndu mengi qubita.
Í þessari grein munum við ekki dvelja í smáatriðum um kerfi skammtahliða; þú getur lesið meira um þau og rökréttar aðgerðir á qubits, til dæmis, . Það helsta sem þarf að muna:
- Aðgerðir á skammtahlutum krefjast stofnunar nýrra rökrænna rekstraraðila (skammtahlið)
- Skammtahlið koma í ein-qubit og tvöföldum-qubit gerðum.
- Það eru til alhliða sett af hliðum sem hægt er að nota til að framkvæma hvaða skammtaútreikninga sem er
Samband
Einn smári er algjörlega gagnslaus fyrir okkur; til að framkvæma útreikninga þurfum við að tengja marga smára við hvert annað, það er að búa til hálfleiðaraflís úr milljónum smára sem hægt er að byggja rökræna hringrás á, og, að lokum, fáðu þér nútímalegan örgjörva í sinni klassísku mynd.
Einn qubit er líka algjörlega gagnslaus fyrir okkur (jæja, þó ekki væri nema í fræðilegu tilliti),
til að framkvæma útreikninga þurfum við kerfi af qubits (skammtahlutum)
sem, eins og við höfum þegar sagt, verður til með því að flækja qubita innbyrðis þannig að breytingar á ástandi þeirra eiga sér stað á samræmdan hátt.
Reiknirit
Stöðluðu reikniritin sem mannkynið hefur safnað til þessa eru algjörlega óhentug til útfærslu á skammtatölvu. Já, almennt er engin þörf. Skammtatölvur sem byggja á hliðarrökfræði yfir qubits krefjast þess að búið sé til gjörólík reiknirit, skammtareiknirit. Af þekktustu skammtareikniritum má greina þrjú:
- (þáttun)
- (flýtileit í óraðaðan gagnagrunn)
- (svar við spurningunni, fast eða jafnvægisfall)
Meginregla
Og mikilvægasti munurinn er rekstrarreglan. Fyrir venjulega tölvu er þetta stafræn, stranglega ákveðin meginregla, byggt á því að ef við setjum einhverja upphafsstöðu kerfisins og sendum það í gegnum tiltekið reiknirit, þá verður útkoman úr útreikningunum sú sama, sama hversu oft við keyrum þennan útreikning. Reyndar er þessi hegðun nákvæmlega það sem við búumst við af tölvu.
Quantum tölva keyrir á hliðstæða, líkindaregla. Niðurstaða tiltekins reiknirits við tiltekið upphafsástand er úrtak úr líkindadreifingu lokaútfærslur reikniritsins auk hugsanlegra villna.
Þetta líkindaeðli skammtafræðinnar er vegna mjög líkindakjarna skammtaheimsins. "Guð spilar ekki teningum við alheiminn.", sagði gamli Einstein, en allar tilraunir og athuganir hingað til (í núverandi vísindalegu hugmyndafræði) staðfesta hið gagnstæða.
Líkamlegar útfærslur qubits
Eins og við höfum þegar sagt, getur qubit verið táknað með skammtahlut, það er eðlisfræðilegum hlut sem útfærir skammtaeiginleikana sem lýst er hér að ofan. Það er í grófum dráttum hægt að nota hvaða efnislega hlut sem er í tveimur ríkjum og þessi tvö ríki eru í yfirstöðu til að byggja skammtatölvu.
„Ef við getum sett atóm í tvö mismunandi stig og stjórnað þeim, þá ertu með qubit. Ef við getum gert þetta með jón, þá er það qubit. Það er eins með núverandi. Ef við keyrum það réttsælis og rangsælis á sama tíma, þá ertu með qubit.“
Það er к , þar sem núverandi fjölbreytni af líkamlegum útfærslum qubitsins er skoðuð nánar, munum við einfaldlega skrá þau þekktustu og algengustu:
- og margar aðrar framandi hugmyndir (anjónir osfrv.)
Af öllum þessum fjölbreytileika er mest þróað fyrsta aðferðin til að fá qubits, byggt á . , , og aðrir leiðandi leikmenn nota það til að byggja upp kerfin sín.
Jæja, lestu meira mögulegt qubits frá .
Grunnatriði. Hvernig skammtatölva virkar
Efni fyrir þennan hluta (verkefni og myndir) er tekið úr greininni .
Svo ímyndaðu þér að við höfum eftirfarandi verkefni:
Það er þriggja manna hópur: (A)ndrey, (B)olodya og (C)erezha. Það eru tveir leigubílar (0 og 1).
Það er líka vitað að:
- (A)ndrey, (B)olodya eru vinir
- (A)ndrey, (C)erezha eru óvinir
- (B)olodya og (C)erezha eru óvinir
Verkefni: Settu fólk í leigubíla þannig að Max (vinir) и Mín(óvinir)
Einkunn: L = (fjöldi vina) - (fjöldi óvina) fyrir hvern gistimöguleika
MIKILVÆGT: Miðað við að það séu engar heuristics, þá er engin ákjósanleg lausn. Í þessu tilviki er aðeins hægt að leysa vandamálið með fullkominni leit að valkostum.
Lausn á venjulegri tölvu
Hvernig á að leysa þetta vandamál á venjulegri (ofur) tölvu (eða klasa) - það er ljóst að þú þarft að fara í gegnum alla mögulega valkosti. Ef við erum með fjölgjörvakerfi, þá getum við samhliða útreikningum lausna yfir nokkra örgjörva og síðan safnað niðurstöðunum.
Við höfum 2 mögulega gistingu (leigubíl 0 og leigubíl 1) og 3 manns. Lausnarrými 2 ^ 3 = 8. Þú getur jafnvel farið í gegnum 8 valkosti með því að nota reiknivél, þetta er ekki vandamál. Nú skulum við flækja vandamálið - við erum með 20 manns og tvær rútur, lausnarrýmið 2^20 = 1. Ekkert flókið heldur. Fjölga fólki um 2.5 sinnum - tökum 50 manns og tvær lestir, lausnarrýmið er núna 2^50 = 1.12 x 10^15. Venjuleg (ofur)tölva er þegar farin að lenda í alvarlegum vandamálum. Fjölga fólki um 2 sinnum, 100 manns munu gefa okkur nú þegar 1.2 x 10^30 mögulegum valkostum.
Það er það, þetta verkefni er ekki hægt að reikna út á hæfilegum tíma.
Að tengja ofurtölvu
Öflugasta tölvan eins og er er númer 1 af er , framleiðni 122 . Gerum ráð fyrir að við þurfum 100 aðgerðir til að reikna út einn valkost, til að leysa vandamálið fyrir 100 manns þurfum við:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 ár.
Eins og við getum séð eftir því sem vídd frumgagna eykst vex lausnarrýmið samkvæmt kraftalögmáli, í almennu tilvikinu, fyrir N bita höfum við 2^N mögulega lausnarmöguleika, sem fyrir tiltölulega lítið N (100) gefa okkur óútreiknað (á núverandi tæknistigi) lausnarrými.
Eru einhverjir valkostir? Eins og þú gætir hafa giskað á, já, það er til.
En áður en við förum út í hvernig og hvers vegna skammtatölvur geta í raun leyst vandamál eins og þessi, skulum við taka smá stund til að rifja upp hvað þau eru. líkindadreifing. Ekki vera brugðið, þetta er yfirlitsgrein, það verður engin erfið stærðfræði hér, við látum okkur nægja klassíska dæmið með poka og bolta.
Bara smá combinatorics, líkindafræði og undarlegur tilraunamaður
Tökum poka og setjum hann í hann 1000 hvítar og 1000 svartar kúlur. Við ætlum að gera tilraun - taka kúluna út, skrifa niður litinn, setja kúluna aftur í pokann og blanda kúlum í pokann.
Tilraunin var gerð 10 sinnum, dró fram 10 svartar kúlur. Kannski? Alveg. Gefur þetta sýnishorn okkur einhverja skynsamlega hugmynd um raunverulega dreifingu í pokanum? Augljóslega ekki. Hvað þarf að gera - rétt, blsendurtaktu tilraunina milljón sinnum og reiknaðu út tíðni svartra og hvítra kúla. Við fáum td 49.95% svart og 50.05% hvítt. Í þessu tilviki er uppbygging dreifingarinnar sem við tökum sýni úr (tökum út eina kúlu) þegar meira og minna skýr.
Aðalatriðið er að skilja það tilraunin sjálf hefur líkindaeðli, með einu sýni (kúlu) vitum við ekki hina raunverulegu uppbyggingu dreifingarinnar, við þurfum að endurtaka tilraunina mörgum sinnum og meðaltal niðurstöður.
Við skulum bæta því í töskuna okkar 10 rauðar og 10 grænar kúlur (villur). Við skulum endurtaka tilraunina 10 sinnum. INdró út 5 rauða og 5 græna. Kannski? Já. Við getum sagt eitthvað um hina sönnu dreifingu - Nei. Hvað þarf að gera - jæja, þú skilur.
Til að öðlast skilning á uppbyggingu líkindadreifingar er nauðsynlegt að taka endurtekið sýni úr einstökum útkomum úr þessari dreifingu og meðaltal niðurstaðna.
Að tengja fræði við framkvæmd
Nú skulum við taka billjarðkúlur í staðinn fyrir svartar og hvítar kúlur og setja í poka 1000 kúlur með númer 2, 1000 með númer 7 og 10 kúlur með öðrum tölum. Ímyndum okkur tilraunamann sem er þjálfaður í einföldustu aðgerðum (taka út kúlu, skrifa niður töluna, setja kúluna aftur í pokann, blanda kúlum í pokann) og hann gerir þetta á 150 míkrósekúndum. Jæja, svona tilraunamaður á hraða (ekki lyfjaauglýsing!!!). Síðan á 150 sekúndum mun hann geta framkvæmt tilraunina okkar 1 milljón sinnum og gefa okkur meðaltalsniðurstöðurnar.
Þeir settu tilraunamanninn niður, gáfu honum poka, sneru frá, biðu í 150 sekúndur og fengu:
númer 2 - 49.5%, númer 7 - 49.5%, þær tölur sem eftir eru samtals - 1%.
Já það er rétt, taskan okkar er skammtatölva með reiknirit sem leysir vandamál okkar, og kúlurnar eru mögulegar lausnir. Þar sem það eru tvær réttar lausnir, þá skammtatölva mun gefa okkur allar þessar mögulegu lausnir með jöfnum líkum og 0.5% (10/2000) villur, sem við munum tala um síðar.
Til að fá niðurstöðu skammtatölvu þarftu að keyra skammtareikniritið mörgum sinnum á sama inntaksgagnasettinu og meðaltal útkomunnar.
Stærðleiki skammtatölvu
Ímyndaðu þér nú að fyrir verkefni sem taka þátt í 100 manns (lausnarrými 2^100 við munum eftir þessu), það eru líka bara tvær réttar ákvarðanir. Síðan, ef við tökum 100 qubits og skrifum reiknirit sem reiknar hlutfall okkar (L, sjá hér að ofan) yfir þessa qubita, þá fáum við poka þar sem það verða 1000 kúlur með númerinu á fyrsta rétta svarinu, 1000 með númerið á öðru rétta svarinu og 10 kúlur með öðrum tölum. Og innan sömu 150 sekúndanna mun tilraunamaður okkar gefa okkur mat á líkindadreifingu réttra svara.
Líta má á framkvæmdartíma skammtareiknirits (með ákveðnum forsendum) sem fastan O(1) með tilliti til víddar lausnarrýmisins (2^N).
Og þetta er einmitt eiginleiki skammtatölvu - stöðugleiki keyrslutíma í tengslum við vaxandi völd laga flókið lausn rými er lykillinn.
Qubit og samhliða heima
Hvernig gerist þetta? Hvað gerir skammtatölvu kleift að framkvæma útreikninga svona hratt? Þetta snýst allt um skammtaeðli qubitsins.
Sjáðu, við sögðum að qubit væri eins og skammtahlutur gerir sér grein fyrir öðru af tveimur ríkjum sínum þegar þess er gætt, en í „villtri náttúru“ er það inni yfirsetningar ríkja, það er, það er í báðum jaðarástandum sínum samtímis (með einhverjum líkindum).
Taktu (A)ndreya og ímyndaðu þér ástand þess (í hvaða farartæki það er - 0 eða 1) sem qubit. Þá höfum við (í skammtarými) tveir samhliða heimar, í einu (A) situr í leigubíl 0, í öðrum heimi - í leigubíl 1. Í tveimur leigubílum á sama tíma, en með einhverjum líkum á að finna það í hverjum þeirra við athugun.
Taktu (B) ungur og við skulum líka ímynda okkur ástand þess sem qubit. Tveir aðrir samhliða heimar myndast. En í bili þessi pör af heima (A) и (AT) alls ekki hafa samskipti. Hvað þarf að gera til að búa til tengdar kerfi? Það er rétt, við þurfum þessa qubita binda saman (rugla). Við tökum það og ruglum í því (A) með (B) — við fáum skammtakerfi tveggja qubita (A, B), gera sér grein fyrir fjórum innbyrðis háð samhliða heima. Bæta við (S)ergey og við fáum kerfi með þremur qubitum (ABC), innleiða átta innbyrðis háð samhliða heima.
Kjarninn í skammtafræði (útfærsla á keðju skammtahliða yfir kerfi tengdra qubita) er sú staðreynd að útreikningurinn á sér stað í öllum samhliða heimum samtímis.
Og það skiptir ekki máli hversu mörg þeirra við höfum, 2^3 eða 2^100, skammtareikniritið verður framkvæmt á endanlegum tíma yfir alla þessa samhliða heima og mun gefa okkur niðurstöðu, sem er sýnishorn úr líkindadreifingu svara reikniritsins.
Til betri skilnings getur maður ímyndað sér það skammtatölva á skammtastigi keyrir 2^N samhliða lausnarferli, sem hver og einn vinnur að einum mögulegum valkosti, safnar síðan niðurstöðum vinnunnar - og gefur okkur svarið í formi yfirsetningar á lausninni (líkindadreifing á svörum), sem við tökum sýni úr í hvert skipti (fyrir hverja tilraun).
Mundu þann tíma sem tilraunamaðurinn okkar þarf (150 µs) til að framkvæma tilraunina mun þetta nýtast okkur aðeins lengra, þegar við tölum um helstu vandamál skammtatölva og samhengistímann.
Skammta reiknirit
Eins og áður hefur verið nefnt eiga hefðbundin reiknirit byggð á tvíundarrökfræði ekki við á skammtatölvu sem notar skammtafræði (skammtahlið). Fyrir hann var nauðsynlegt að koma með nýjar sem nýta til fulls þá möguleika sem felast í skammtaeðli tölvunarfræðinnar.
Þekktustu reikniritin í dag eru:
Ólíkt klassískum eru skammtatölvur ekki alhliða.
Aðeins lítill fjöldi skammtareiknirita hefur fundist hingað til.
Takk fyrir tengilinn á , staður þar sem samkvæmt höfundi (), hefur bestu fulltrúar skammtafræðiheimsins verið safnað og halda áfram að safnast saman.
Í þessari grein munum við ekki greina skammta reiknirit í smáatriðum; það er mikið af frábæru efni á netinu fyrir hvaða flókið stig sem er, en við þurfum samt að fara stuttlega yfir þrjár frægustu.
Reiknirit Shor.
Frægasta skammta reikniritið er (fann upp árið 1994 af enska stærðfræðingnum ), sem miðar að því að leysa vandamálið við að þátta tölur í frumstuðla (þáttunarvandamál, stakur logaritmi).
Það er þetta reiknirit sem er nefnt sem dæmi þegar þeir skrifa að bankakerfi þín og lykilorð verði bráðlega brotist inn. Miðað við að lengd lyklanna sem notaðir eru í dag er hvorki meira né minna en 2048 bitar, er tíminn fyrir lokun ekki enn kominn.
Hingað til meira en hóflegt. Bestu þáttunarniðurstöður með algrími Shor - tölur и , sem er mun minna en 2048 bitar. Fyrir þær niðurstöður sem eftir eru af töflunni, annað útreikninga, en jafnvel besta niðurstaðan samkvæmt þessari reiknirit (291311) er mjög langt frá raunverulegri notkun.
Þú getur lesið meira um reiknirit Shor, til dæmis,. Um verklega framkvæmd - .
Einn af flókið og nauðsynlegur kraftur til að þátta 2048 bita tölu er tölva með . Við sofum róleg.
Reiknirit Grover
- að leysa upptalningarvandann, það er að finna lausn á jöfnunni F(X) = 1, þar sem F er frá n breytum. Var lagt til af bandarískum stærðfræðingi в .
Grovers reiknirit er hægt að nota til að finna и númeraröð. Að auki er hægt að nota það til að leysa vandamál með tæmandi leit meðal margra mögulegra lausna. Þetta getur haft í för með sér verulegan hraðaaukningu miðað við klassísk reiknirit, þó án þess að veita "" almennt.
Þú getur lesið meiraEða . Meira Það er góð útskýring á reikniritinu með því að nota dæmið um kassa og bolta, en því miður, af ástæðum sem enginn getur stjórnað, opnast þessi síða ekki fyrir mig frá Rússlandi. Ef þú hefur er líka lokað, svo hér er stutt samantekt:
Reiknirit Grover. Ímyndaðu þér að þú sért með N stykki af númeruðum lokuðum kössum. Þeir eru allir tómir nema einn, sem inniheldur kúlu. Verkefni þitt: Finndu út númer kassans sem boltinn er í (þetta óþekkta númer er oft táknað með bókstafnum w).
Hvernig á að leysa þetta vandamál? Heimskulegasta leiðin er að skiptast á að opna kassana og fyrr eða síðar rekst þú á kassa með bolta. Hvað þarf að haka við marga kassa að meðaltali áður en kassi með bolta finnst? Að meðaltali þarftu að opna um helming N/2 kassa. Aðalatriðið hér er að ef við fjölgum kössunum um 100 sinnum, þá mun meðalfjöldi kassa sem þarf að opna áður en kassinn með boltanum finnst, einnig fjölga um það sama 100 sinnum.
Nú skulum við gera enn eina skýringu. Við skulum ekki opna kassana sjálfir með höndunum og athuga hvort bolti sé í hverjum, en það er ákveðinn milliliður, við skulum kalla hann Oracle. Við segjum véfréttinni, „gátreit númer 732,“ og véfréttin athugar heiðarlega og svarar: „Það er enginn bolti í reit númer 732. Nú, í stað þess að segja hversu marga kassa við þurfum að opna að meðaltali, segjum við "hversu oft ættum við að fara í Oracle til að finna númer kassans með boltanum"
Það kemur í ljós að ef við þýðum þetta vandamál með kössum, bolta og véfréttinni yfir á skammtamál fáum við ótrúlega niðurstöðu: til að finna fjölda kassa með bolta meðal N kassa þurfum við að trufla véfréttinn aðeins um SQRT (N) sinnum!
Það er að segja að flókið leitarverkefni sem notar Grover reiknirit minnkar með kvaðratrót tímans.
Deutsch-Jozi reiknirit
Deutsch-Jozsa reiknirit (einnig nefnt Deutsch-Jozsa reiknirit) - [skammta reiknirit](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , og varð eitt af fyrstu dæmunum um reiknirit sem ætlað er að keyra á . _
Deutsch-Jozsi vandamálið er að ákvarða hvort fall nokkurra tvíundarbreytna F(x1, x2, ... xn) sé stöðugt (tekur annað hvort gildið 0 eða 1 fyrir hvaða rök sem er) eða jafnvægi (fyrir helming lénsins sem það tekur gildið 0, fyrir hinn helminginn 1). Í þessu tilviki er talið fyrirfram vitað að fallið er annað hvort fasti eða jafnvægi.
Þú getur líka lesið . Einfaldari skýring:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) reikniritið byggir á grófu krafti, en gerir það kleift að gera það hraðar en venjulega. Ímyndaðu þér að það sé mynt á borðinu og þú þarft að komast að því hvort hún sé fölsuð eða ekki. Til að gera þetta þarftu að skoða myntina tvisvar og ákvarða: "hausar" og "halar" eru raunverulegir, tveir "hausar", tveir "halar" eru fölsuð. Svo, ef þú notar Deutsch skammtafræði reiknirit, þá er hægt að gera þessa ákvörðun með einu augnabliki - mæling.
Vandamál skammtatölva
Við hönnun og rekstur skammtatölva standa vísindamenn og verkfræðingar frammi fyrir miklum fjölda vandamála, sem hingað til hafa verið leyst með misjöfnum árangri. Samkvæmt () Hægt er að greina eftirfarandi röð vandamála:
- Næmni fyrir umhverfinu og samspili við umhverfið
- Uppsöfnun villna við útreikninga
- Erfiðleikar við upphafsstillingu qubit ástands
- Erfiðleikar við að búa til multi-qubit kerfi
Ég mæli eindregið með því að lesa greinina ““, sérstaklega ummælin við það.
Skiptum öll helstu vandamálin í þrjá stóra hópa og skoðum hvert þeirra nánar:
Samhengi
.
Skammtaástand mjög viðkvæmur hluturqubitar í flækjuástandi eru mjög óstöðugir, öll ytri áhrif geta (og gera) eyðilagt þessa tengingu. Breyting á hitastigi sem nemur minnsta broti úr gráðu, þrýstingur, tilviljunarkennd ljóseind sem flýgur í grenndinni - allt þetta truflar kerfið okkar.
Til að leysa þetta vandamál eru lághita sarkófar byggðir, þar sem hitastigið (-273.14 gráður á Celsíus) er aðeins yfir algjöru núlli, með hámarks einangrun innra hólfsins með örgjörvanum frá öllum (mögulegum) áhrifum ytra umhverfisins.
Hámarkslíftími skammtakerfis nokkurra flæktra qubita, þar sem það heldur skammtaeiginleikum sínum og hægt er að nota það til útreikninga, er kallaður decoherence time.
Eins og er er samhengistíminn í bestu skammtafræðilausnunum á bilinu tugir og hundruðir míkrósekúndna.
Þar er dásamlegt þar sem þú getur leitað allra skapaðra skammtakerfa. Þessi grein inniheldur aðeins tvo efstu örgjörva sem dæmi - frá IBM og frá . Eins og við sjáum fer samhengistíminn (T2) ekki yfir 200 μs.
Ég fann ekki nákvæm gögn um Sycamore, en í flestum tvær tölur eru gefnar - 1 milljón útreikninga á 200 sekúndum, annars staðar - fyrir 130 sekúndur án þess að missa stjórnmerki o.s.frv.. Í öllu falli gefur þetta okkur decoherence tími er um 150 μs. Mundu okkar tilraunamaður með poka? Jæja, hér er hann.
| Tölvunafn | N Qubits | Max parað | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Hvað ógnar samhengisleysi okkur?
Aðalvandamálið er að eftir 150 μs mun tölvukerfið okkar með N flæktum qubitum byrja að gefa frá sér líkindahvítan hávaða í stað líkindadreifingar réttra lausna.
Það er, við þurfum:
- Frumstilla qubit kerfið
- Framkvæma útreikning (keðja hliðaaðgerða)
- Lestu niðurstöðu
Og gerðu allt þetta á 150 míkrósekúndum. Ég hafði ekki tíma - niðurstaðan breyttist í grasker.
En það er ekki allt…
Villur
Eins og við sögðum, skammtaferli og skammtafræði eru líkindafræðileg í eðli sínu, við getum ekki verið 100% viss um neitt, en aðeins með einhverjum líkum. Ástandið versnar enn frekar af því að skammtafræði er hætt við villum. Helstu tegundir villna í skammtafræði eru:
- Samhengisvillur stafa af margbreytileika kerfisins og samspili við ytra umhverfi
- Hliðarreikningsvillur (vegna skammtaeðlis útreikninga)
- Villur við að lesa lokastöðu (niðurstaða)
Villur sem tengjast samhengi, birtast um leið og við flækjum qubitana okkar og byrjum að gera útreikninga. Því fleiri qubits sem við flækjum, því flóknara er kerfið, og því auðveldara er að eyðileggja það. Lághita sarkófar, vernduð hólf, öll þessi tæknibrögð miða einmitt að því að fækka villum og lengja samhengistímann.
Hlið reiknivillur - hvaða aðgerð (hlið) á qubits getur, með einhverjum líkindum, endað með villu, og til að útfæra reikniritið þurfum við að framkvæma hundruð hliða, svo ímyndaðu þér hvað við fáum í lok keyrslu reikniritsins okkar. Klassíska svarið við spurningunni er "Hverjar eru líkurnar á að hitta risaeðlu í lyftu?" - 50x50, annað hvort hittir þú eða ekki.
Vandamálið eykst enn frekar af því að staðlaðar villuleiðréttingaraðferðir (tvíföldun útreikninga og meðaltal) virka ekki í skammtaheiminum vegna setningar án klónunar. Fyrir í skammtafræði þurfti að finna upp . Í grófum dráttum tökum við N venjulega qubita og búum til 1 af þeim rökrétt qubit með lægri villuhlutfalli.
En hér kemur annað vandamál upp - heildarfjöldi qubita. Sko, segjum að við höfum örgjörva með 100 qubits, þar af eru 80 qubits notaðir fyrir villuleiðréttingu, þá eigum við aðeins 20 eftir til útreikninga.
Villur við lestur lokaniðurstöðu — eins og við munum er niðurstaða skammtaútreikninga kynnt fyrir okkur í formi líkindadreifingu svara. En að lesa lokaástandið gæti líka misheppnast með villu.
Á sama Það eru til samanburðartöflur yfir örgjörva eftir villustigum. Til samanburðar skulum við taka sömu örgjörva og í fyrra dæmi - IBM и :
| Tölva | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Readout Fidelity |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Hér er mælikvarði á líkindi tveggja skammtaástanda. Umfang villunnar má gróflega tjá sem 1-Fidelity. Eins og við sjáum eru villur á 2-qubit hliðum og lestrarvillur helsta hindrunin fyrir því að framkvæma flóknar og langar reiknirit á núverandi skammtatölvum.
Þú getur líka lesið ár frá til að leysa vandamálið við villuleiðréttingu.
Arkitektúr örgjörva
Í orði byggjum við og rekum hringrásir af tugum flæktra qubita, í raun er allt flóknara. Allir skammtaflísar (örgjörvar) sem fyrir eru eru smíðaðir á þann hátt að þeir veita sársaukalaust flækja einn qubit aðeins við nágranna sína, þar af eru ekki fleiri en sex.
Ef við þurfum að flækja 1. qubit, segjum við þann 12., þá verðum við að byggja upp keðju viðbótar skammtaaðgerða, fela í sér fleiri qubits o.s.frv., sem eykur heildarvillustigið. Já, og ekki gleyma því decoherence tími, kannski þegar þú klárar að tengja qubitana inn í hringrásina sem þú þarft, mun tíminn enda og öll hringrásin mun breytast í flottur hvítur hávaða generator.
Ekki gleyma því heldur Arkitektúr allra skammta örgjörva er öðruvísi, og forritið sem skrifað er í keppinautnum í „all-to-all connectivity“ ham þarf að „samsetja aftur“ í arkitektúr tiltekins flísar. Það eru jafnvel til að framkvæma þessa aðgerð.
Hámarkstenging og hámarksfjöldi qubita fyrir sömu efstu flögurnar:
| Tölvunafn | N Qubits | Max parað | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Og til samanburðar, töflu með gögnum frá fyrri kynslóð örgjörva. Berðu saman fjölda qubita, decoherence tíma og villuhlutfall við það sem við höfum núna með nýju kynslóðinni. Samt sem áður eru framfarir hægar en á hreyfingu.
Svo:
- Sem stendur eru engir fulltengdir arkitektúrar með > 6 qubits
- Til að flækja qubit 0 s á raunverulegum örgjörva, til dæmis, getur qubit 15 þurft nokkra tugi viðbótaraðgerða
- Fleiri aðgerðir -> fleiri villur -> sterkari áhrif samhengis
Niðurstöður
Decoherence er Procrustean rúm nútíma skammtafræði. Við verðum að passa allt í 150 μs:
- Frumstilling á upphafsástandi qubita
- Að reikna vandamál með skammtahliðum
- Leiðréttu villur til að fá marktækar niðurstöður
- Lestu niðurstöðuna
Enn sem komið er eru úrslitin þó vonbrigði segjast ná 0.5s samhengis varðveislutíma á skammtatölvu byggt á :
Við mælum qubit samhengistíma umfram 0.5 sekúndur og með segulvörn gerum við ráð fyrir að þetta batni til að vera lengur en 1000 sek.
Þú getur líka lesið um þessa tækni eða til dæmis .
Staðan flækist enn frekar af þeirri staðreynd að þegar flóknir útreikningar eru framkvæmdir er nauðsynlegt að nota skammtavilluleiðréttingarrásir, sem einnig éta upp bæði tíma og tiltæka qubita.
Og að lokum, nútíma arkitektúr leyfir ekki að innleiða flækjukerfi betur en 1 af hverjum 4 eða 1 af hverjum 6 með lágmarkskostnaði.
Leiðir til að leysa vandamál
Til að leysa ofangreind vandamál eru eftirfarandi aðferðir og aðferðir notaðar:
- Notkun kryohólfa með lágum hita (10 mK (–273,14°C))
- Notkun örgjörvaeiningar sem eru hámarksverndaðar fyrir utanaðkomandi áhrifum
- Notkun skammtavilluleiðréttingarkerfa (Logic Qubit)
- Notkun fínstillingar þegar forritað er hringrás fyrir ákveðinn örgjörva
Einnig er unnið að rannsóknum sem miða að því að auka samhengistímann, leita að nýjum (og bæta þekkta) eðlisfræðilega útfærslu skammtahluta, fínstilla leiðréttingarrásir o.s.frv., o.s.frv. Það eru framfarir (horfðu hér að ofan á eiginleika fyrri og efstu spilapeninga í dag), en hingað til er það hægt, mjög, mjög hægt.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-qubit tölva. Heimild:
Innan við tilkynningu Google um að ná yfirráðum skammtafræðinnar með því að nota 53 qubit örgjörva, и frá fyrirtækinu D-Wave, þar sem fjöldi qubita er í þúsundum, er nokkuð ruglingslegt. Jæja, í alvöru, ef 53 qubits gátu náð skammtafræðiyfirburði, hvað er þá tölva með 2048 qubits fær um? En ekki er allt svo gott...
Í stuttu máli (tekið af wiki):
Tölvur vinna eftir meginreglunni (), getur leyst mjög takmarkaðan undirflokk hagræðingarvandamála og hentar ekki til að innleiða hefðbundna skammta reiknirit og skammtahlið.
Fyrir frekari upplýsingar er hægt að lesa td. , (varkár, má ekki opna frá Rússlandi), eða в frá hans . Annars mæli ég eindregið með því að lesa bloggið hans almennt, það er mikið af góðu efni þar
Almennt frá upphafi tilkynninganna hafði vísindasamfélagið spurningar um D-Wave tölvur. Til dæmis, árið 2014, efaðist IBM um þá staðreynd að D-Wave Það kom að því að árið 2015 keypti Google, ásamt NASA, eina af þessum skammtatölvum og eftir rannsóknir , að já, tölvan virkar og reiknar út vandamálið hraðar en venjuleg. Þú getur lesið meira um yfirlýsingu Google og td. .
Aðalatriðið er að D-Wave tölvur, með hundruðum og þúsundum qubita, er ekki hægt að nota til að reikna út og keyra skammta reiknirit. Þú getur ekki keyrt reiknirit Shor á þeim, til dæmis. Allt sem þeir geta gert er að nota ákveðin skammtafræði til að leysa ákveðið hagræðingarvandamál. Við getum talið að D-Wave sé skammtafræði ASIC fyrir tiltekið verkefni.
Smá um skammtatölvuhermi
Hægt er að líkja eftir skammtatölvu á venjulegri tölvu. Einmitt, :
- Staða qubit getur verið flókin tala, tekur frá 2x32 til 2x64 bita (8-16 bæti) eftir arkitektúr örgjörva
- Hægt er að tákna ástand N tengdra qubita sem 2^N tvinntölur, þ.e. 2^(3+N) fyrir 32-bita arkitektúr og 2^(4+N) fyrir 64-bita.
- Skammtaaðgerð á N qubitum er hægt að tákna með 2^N x 2^N fylki
Þá:
- Til að geyma líkt ástand 10 qubits þarf 8 KB
- Til að geyma stöðuna 20 qubits þarftu 8 MB
- Til að geyma stöðuna 30 qubits þarf 8 GB
- 40 Terabæti þarf til að geyma stöðuna 8 qubits
- Til að geyma stöðuna 50 qubits þarf 8 Petabyte o.s.frv.
Til samanburðar, () ber aðeins 2.8 Petabyte af minni.
— 49 qubit afhent á síðasta ári til stærstu kínversku ofurtölvunnar ()
Takmörk þess að líkja eftir skammtatölvu á klassískum kerfum eru ákvörðuð af magni vinnsluminni sem þarf til að geyma ástand qubitanna.
Ég mæli líka með lestri . Þaðan:
Með aðgerð - fyrir nákvæma eftirlíkingu af 49-qubit hringrás sem samanstendur af um 39 "lotum" (óháð lag af hliðum) 2^63 flókin margföldun - 4 Pflops ofurtölvu í 4 klst
Að líkja eftir 50+ qubit skammtatölvu á klassískum kerfum er talið ómögulegt á hæfilegum tíma. Þetta er líka ástæðan fyrir því að Google notaði 53-qubit örgjörva fyrir skammtafræðitilraun sína.
Yfirburðir skammtatölvu.
Wikipedia gefur okkur eftirfarandi skilgreiningu á yfirburði skammtatölvu:
Quantum supremacy - geta tæki til að leysa vandamál sem klassískar tölvur nánast geta ekki leyst.
Reyndar þýðir það að ná yfirráðum í skammtafræði þýðir að til dæmis er hægt að leysa þáttaskiptingu stórra talna með Shor reikniritinu á hæfilegum tíma eða líkja eftir flóknum efnasameindum á skammtastigi og svo framvegis. Það er að segja að nýtt tímabil er runnið upp.
En það er einhver glufa í orðalagi skilgreiningarinnar, „sem klassískar tölvur nánast geta ekki leyst" Í raun þýðir þetta að ef þú býrð til skammtatölvu með 50+ qubits og keyrir einhverja skammtahringrás á hana, þá, eins og við ræddum hér að ofan, er ekki hægt að líkja eftir niðurstöðu þessarar hringrásar á venjulegri tölvu. Það er að segja klassísk tölva mun ekki geta endurskapað niðurstöðu slíkrar hringrásar.
Hvort slík niðurstaða feli í sér raunverulegt skammtafræðilegt yfirráð eða ekki er frekar heimspekileg spurning. En skildu hvað Google gerði og á hverju það er byggt nauðsynlegar.
Quantum Supremacy Statement Google
Sycamore 54-qubit örgjörvi
Svo, í október 2019, birtu Google forritarar grein í vísindaritinu Nature “" Höfundarnir tilkynntu um að hafa náð yfirburði í skammtafræði í fyrsta skipti í sögunni með því að nota 54-qubit Sycamore örgjörva.
Sycamore greinar á netinu vísa oft til annað hvort 54 qubit örgjörva eða 53 qubit örgjörva. Sannleikurinn er sá að skv , örgjörvinn samanstendur líkamlega af 54 qubits, en einn þeirra er óvirkur og hefur verið tekinn úr notkun. Þannig höfum við í raun og veru 53-qubit örgjörva.
Á vefnum þarna efni um þetta efni, sem var mismunandi í .
Skammtafræðiteymi IBM lýsti því síðar yfir . Fyrirtækið heldur því fram að hefðbundin tölva muni takast á við þetta verkefni í versta falli á 2,5 dögum og svarið sem fæst verði nákvæmara en skammtatölva. Þessi niðurstaða var gerð út frá niðurstöðum fræðilegrar greiningar á nokkrum hagræðingaraðferðum.
Og auðvitað, í hans Ég gat ekki hunsað þessa fullyrðingu. Hans ásamt öllum tenglum og eins og venjulega, þeir eru þess virði að eyða tíma þínum í. Á miðstöðinni þessar algengu spurningar, og vertu viss um að lesa athugasemdirnar, það eru tenglar á bráðabirgðaskjöl sem lekið var á netinu fyrir opinbera tilkynningu.
Hvað gerði Google eiginlega? Fyrir nákvæman skilning, lestu Aaronson, en stuttlega hér:
Ég get auðvitað sagt þér það en mér finnst ég frekar heimskur. Útreikningurinn er sem hér segir: tilraunamaðurinn býr til handahófskennda skammtahringrás C (þ.e.a.s. handahófskennda röð af 1-qubit og 2-qubit hliðum á milli næstu nágranna, með dýpt td 20, sem virkar á 2D neti af n = 50-60 qubits). Tilraunamaðurinn sendir síðan C til skammtatölvunnar og biður hana um að nota C á upphafsstöðu 0, mæla niðurstöðuna í {0,1} grunninum, senda til baka n-bita athuguð röð (streng) og endurtaka nokkrar þúsund eða milljón sinnum. Að lokum, með því að nota þekkingu sína á C, framkvæmir tilraunamaðurinn tölfræðilega prófun til að sjá hvort niðurstaðan passi við væntanleg úttak frá skammtatölvunni.
Mjög stuttlega:
- Tilviljunarkennd hringrás með lengd 20 af 53 qubits er búin til með hliðum
- Hringrásin byrjar með upphafsstöðu [0…0] fyrir framkvæmd
- Framleiðsla hringrásarinnar er handahófskenndur bitastrengur (sýnishorn)
- Dreifing niðurstöðunnar er ekki tilviljunarkennd (truflun)
- Dreifing sýnanna sem fengust er borin saman við það sem búist var við
- Lýkur Quantum Supremacy
Það er að segja, Google innleiddi tilbúið vandamál á 53-qubita örgjörva og byggir fullyrðingu sína um að ná skammtafræðiyfirburði á því að ómögulegt sé að líkja eftir slíkum örgjörva á stöðluðum kerfum á hæfilegum tíma.
Til að skilja - Þessi hluti dregur ekki á nokkurn hátt úr árangri Google, verkfræðingarnir eru virkilega frábærir og spurningin um hvort þetta geti talist raunverulegir skammtafræðilegir yfirburðir eða ekki, eins og fyrr segir, er heimspekilegri en verkfræði. En við verðum að skilja að eftir að hafa náð slíkum reiknilegum yfirburðum höfum við ekki náð einu skrefi í átt að getu til að keyra reiknirit Shor á 2048 bita tölum.
Yfirlit
Skammtatölvur og skammtatölvur eru mjög efnilegt, mjög ungt og enn sem komið er lítið iðnaðarsvið upplýsingatækni.
Þróun skammtafræði mun (einhvern tíma) gera okkur kleift að leysa vandamál:
- Líkanagerð flókinna eðlisfræðilegra kerfa á skammtastigi
- Óleysanlegt í venjulegri tölvu vegna flókinna útreikninga
Helstu vandamálin við að búa til og reka skammtatölvur:
- Samhengi
- Villur (decoherence og hlið)
- Örgjörvaarkitektúr (fulltengdar qubit hringrásir)
Staða mála í dag:
- Í raun - alveg byrjunin .
- Það er engin raunveruleg nýting í atvinnuskyni ennþá (og það er óljóst hvenær það verður)
Hvað getur hjálpað:
- Einhvers konar líkamleg uppgötvun sem dregur úr kostnaði við raflögn og rekstur örgjörva
- Að uppgötva eitthvað sem mun auka samhengistímann um stærðargráðu og/eða draga úr villum
Að mínu mati (alveg persónuleg skoðun), Í núverandi vísindalegu hugmyndafræði þekkingar munum við ekki ná verulegum árangri í þróun skammtafræðitækni, hér þurfum við eigindleg bylting á einhverju sviði grunnvísinda eða hagnýtra vísinda, sem mun hvetja til nýrra hugmynda og aðferða.
Í millitíðinni erum við að öðlast reynslu í skammtaforritun, söfnun og gerð skammta reiknirit, prófa hugmyndir o.s.frv., o.fl. Við bíðum eftir byltingu.
Ályktun
Í þessari grein fórum við í gegnum helstu tímamót í þróun skammtatölvu og skammtatölva, skoðuðum meginregluna um starfsemi þeirra, skoðuðum helstu vandamál sem verkfræðingar standa frammi fyrir í þróun og rekstri skammtavinnslu og skoðuðum einnig hvaða multi-qubit D-tölvur eru það í raun og veru. Nýleg tilkynning Wave og Google um að ná yfirburði í skammtafræði.
Eftir á bak við tjöldin eru spurningar um forritun skammtatölva (tungumál, nálganir, aðferðir o.s.frv.) og spurningar sem tengjast sértækri líkamlegri útfærslu örgjörva, hvernig qubitum er stjórnað, tengt, lesið o.s.frv. Kannski verður þetta efni í næstu grein eða greinar.
Þakka þér fyrir athygli þína, ég vona að þessi grein muni nýtast einhverjum.
(C)
Viðurkenningar
fyrir prófarkalestur og athugasemdir við frumtextann, svo og fyrir greinina
fyrir upplýsingaríkar athugasemdir við , og ekki aðeins til hennar, sem hjálpaði mér að miklu leyti að finna út þessa þraut.
Til allra höfunda greina og rita sem notað var til að skrifa þessa grein.
Listi yfir auðlindir
Dægurmálagreinar frá [The National Academies Press]
Greinar frá Habr (í handahófskenndri röð)
Óflokkaðar (en ekki síður áhugaverðar) greinar af netinu
Námskeið og fyrirlestrar
Heimild: www.habr.com