Кванттық компьютерлер және кванттық есептеулер – жаңа , ол біздің ақпараттық кеңістігімізге қосылды , және басқа да жоғары технологиялық терминдер. Сонымен бірге мен интернеттен менің басымдағы басқатырғышты біріктіретін материал таба алмадым «Кванттық компьютерлер қалай жұмыс істейді». Иә, көптеген тамаша жұмыстар бар, соның ішінде Хабрде (қараңыз. ), түсініктемелер, әдеттегідей, одан да мазмұнды және пайдалы, бірақ менің басымдағы сурет, олар айтқандай, қосылмады.
Жақында менің әріптестерім маған келіп: «Сіз кванттық компьютердің қалай жұмыс істейтінін түсінесіз бе? Бізге айта аласыз ба?» Содан кейін мен басымдағы үйлесімді суретті құрастыру қиынға соғатын жалғыз мен емес екенімді түсіндім.
Нәтижесінде кванттық компьютерлер туралы ақпаратты дәйекті логикалық схемаға жинақтауға әрекет жасалды. математикаға және кванттық әлемнің құрылымына терең бойлаусыз негізгі деңгей, кванттық компьютер дегеніміз не, ол қандай принциптерде жұмыс істейді және оны жасау және пайдалану кезінде ғалымдар қандай мәселелерге тап болатыны түсіндірілді.
Мазмұны
Ескерту
Автор кванттық есептеулер бойынша сарапшы емес, және Мақаланың мақсатты аудиториясы кванттық мамандар емес, дәл сол IT адамдары, олар да бастарына «Кванттық компьютерлер қалай жұмыс істейді» деп аталатын суретті жинағысы келеді. Осыған байланысты мақаладағы көптеген ұғымдар кванттық технологияларды «негізгі» деңгейде жақсырақ түсіну үшін әдейі жеңілдетілген, бірақ онсыз .
Мақала кейбір жерлерде басқа көздерден алынған материалдарды пайдаланады, . Мүмкіндігінше түпнұсқа мәтінге, кестеге немесе суретке тікелей сілтемелер мен көрсеткіштер енгізіледі. Егер мен бір жерде бір нәрсені (немесе біреуді) ұмытып қалсам, жазыңыз, мен оны түзетемін.
Кіріспе
Бұл тарауда біз кванттық дәуірдің қалай басталғанын, кванттық компьютер идеясына не түрткі болғанын, қазіргі уақытта кім (қай елдер мен корпорациялар) осы саладағы жетекші ойыншылар болып табылатынын қысқаша қарастырамыз, сонымен қатар қысқаша сөйлесеміз. кванттық есептеулерді дамытудың негізгі бағыттары туралы.
Бұл қалай басталды
Кванттық дәуірдің бастапқы нүктесі М.Планк алғаш рет ұсынған 1900 жыл деп есептеледі. энергияның үздіксіз емес, бөлек кванттарда (порцияларда) бөлініп, жұтылатыны. Идеяны сол кездегі көптеген көрнекті ғалымдар - Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, Шредингер көтеріп, дамытып, ақырында осындай ғылымның құрылуына және дамуына әкелді. . Интернетте кванттық физиканың ғылым ретінде қалыптасуы туралы көптеген жақсы материалдар бар, бұл мақалада біз бұл туралы егжей-тегжейлі тоқталмаймыз, бірақ жаңа кванттық дәуірге кірген күнді көрсету керек болды.
Кванттық физика біздің күнделікті өмірімізге көптеген өнертабыстар мен технологияларды әкелді, оларсыз бізді қоршаған әлемді елестету қиын. Мысалы, қазіргі кезде тұрмыстық техникадан (лазер деңгейлері, т.б.) жоғары технологиялық жүйелерге дейін (көруді түзетуге арналған лазерлер, сәлем) барлық жерде қолданылатын лазер ). Неліктен есептеулер үшін кванттық жүйелерді пайдаланбасқа деген идея ерте ме, кеш пе біреу пайда болады деп болжау қисынды болар еді. Содан кейін 1980 жылы болды.
Wikipedia кванттық есептеулер туралы алғашқы идеяны 1980 жылы біздің ғалым Юрий Манин айтқанын көрсетеді. Бірақ олар бұл туралы тек 1981 жылы, белгілі Р.Фейнманның айтқанында ғана айта бастады , классикалық компьютерде кванттық жүйенің эволюциясын тиімді түрде модельдеу мүмкін емес екенін атап өтті. Ол қарапайым модельді ұсынды , ол осындай модельдеуді жүзеге асыра алады.
бар қандай академиялық және егжей-тегжейлі қарастырылады, бірақ біз қысқаша тоқталамыз:
Кванттық компьютерлерді жасау тарихындағы негізгі кезең:
- [1994]. П. Шор. құрастырған
- [1998]. Құрылды
- [2001]. IBM орындауды енгізді 15 санын кеңейту үшін
- [2007-2016]. 128-2000 кубитті компьютерді жасайды және дамытады
- [2012]. Калифорния университетінде жүзеге асырылды
- [2016]. Google 9-кубиттік компьютерде
- [2017]. (үш атом)
- [2019]. . Бұлттағы 20-кубиттік компьютер
- [2019]. . 53 квбиттік компьютер. ?
Көріп отырғаныңыздай, идеяны 17 кубитті компьютерде алғаш рет іске қосқанға дейін 1981 жыл (1998 жылдан 2 жылға дейін) және кубит саны 21-ке дейін өскенше 1998 жыл (2019 жылдан 53 жылға дейін) өтті. Шор алгоритмінің нәтижесін 11-тен 2001-ге дейін жақсарту үшін (2012-15 жылдар) 21 жыл қажет болды (оны сәл кейінірек толығырақ қарастырамыз). Фейнман айтқан нәрсені жүзеге асыру және қарапайым физикалық жүйелерді модельдеуді үйрену.
Кванттық есептеулердің дамуы баяу. Ғалымдар мен инженерлердің алдында өте күрделі міндеттер тұр, кванттық күйлер өте қысқа мерзімді және нәзік және оларды есептеулерді орындау үшін жеткілікті ұзақ сақтау үшін олар температураны сақтайтын ондаған миллион долларға саркофагтарды салуға мәжбүр. абсолютті нөлден сәл жоғары және олар сыртқы әсерлерден барынша қорғалған. Әрі қарай біз осы міндеттер мен проблемалар туралы толығырақ айтатын боламыз.
Жетекші ойыншылар
Бұл бөлімге арналған слайдтар мақаладан алынған , зерттеушіден Алексей Федоров. Сізге тікелей дәйексөздер беруге рұқсат етіңіз:
Технологиялық тұрғыдан табысты елдердің барлығы қазіргі уақытта кванттық технологияларды белсенді түрде дамытуда. Бұл зерттеулерге қыруар қаржы құйылып, кванттық технологияларды қолдаудың арнайы бағдарламалары жасалуда.
Кванттық жарысқа штаттар ғана емес, жеке компаниялар да қатысуда. Жалпы алғанда, Google, IBM, Intel және Microsoft жақында кванттық компьютерлерді дамытуға шамамен 0,5 миллиард доллар инвестициялады және үлкен зертханалар мен зерттеу орталықтарын құрды.
Хабреде және Интернетте көптеген мақалалар бар, мысалы, , и , онда әртүрлі елдердегі кванттық технологиялардың дамуының қазіргі жағдайы толығырақ қарастырылады. Біз үшін қазір ең бастысы – барлық жетекші технологиялық дамыған елдер мен ойыншылар осы бағыттағы зерттеулерге орасан зор қаражат салып жатыр, бұл қазіргі технологиялық тығырықтан шығуға үміт береді.
Даму бағыттары
Қазіргі уақытта (мен қателесуім мүмкін, түзетіңіз) барлық жетекші ойыншылардың негізгі күш-жігері (және азды-көпті маңызды нәтижелер) екі бағытқа шоғырланған:
- Арнайы кванттық компьютерлер, олар бір нақты мәселені шешуге бағытталған, мысалы, оңтайландыру мәселесі. Өнімнің мысалы - D-Wave кванттық компьютерлері.
- Әмбебап кванттық компьютерлер — ерікті кванттық алгоритмдерді жүзеге асыруға қабілетті (Шор, Гровер және т.б.). IBM, Google компанияларының енгізулері.
Кванттық физика бізге беретін дамудың басқа векторлары, мысалы:
- үшін негіз ретінде
- және тағы басқалар
Әрине, ол да зерттеуге арналған бағыттардың тізімінде, бірақ қазіргі уақытта азды-көпті маңызды нәтижелер жоқ сияқты.
Қосымша оқуға болады , жақсы, google ««, Мысалы, , и .
Негіздер. Кванттық объект және кванттық жүйелер
Бұл бөлімнен түсінуге болатын ең маңызды нәрсе - бұл
Кванттық компьютер (әдеттегіден айырмашылығы) ақпаратты тасымалдаушылар ретінде пайдаланады кванттық объектілер, және есептеулерді жүргізу үшін кванттық объектілерді қосу керек кванттық жүйе.
Кванттық объект дегеніміз не?
Кванттық объект - кванттық қасиеттерді көрсететін микроәлемнің объектісі (кванттық әлем):
- Екі шекаралық деңгейі бар анықталған күйі бар
- Өлшеу сәтіне дейін өз күйінің суперпозициясында болады
- Кванттық жүйелерді жасау үшін басқа объектілермен араласады
- Клондалмаған теореманы қанағаттандырады (нысанның күйін көшіру мүмкін емес)
Әрбір мүлікті толығырақ қарастырайық:
Екі шекаралық деңгейі бар анықталған күйі бар (соңғы күй)
Классикалық нақты мысал - тиын. Оның «бүйірлік» күйі бар, ол екі шекаралық деңгейді қабылдайды - «бастар» және «құйрықтар».
Өлшеу сәтіне дейін өз күйінің суперпозициясында болады
Олар тиынды лақтырды, ол ұшады және айналады. Айналу кезінде оның «бүйірлік» күйі қандай шекаралық деңгейлерде орналасқанын айту мүмкін емес. Бірақ біз оны құлатып, нәтижеге қараған кезде, мемлекеттердің суперпозициясы бірден екі шекаралық күйдің біріне - «бастарға» және «құйрықтарға» құлайды. Біздің жағдайда тиынды ұру – өлшем.
Кванттық жүйелерді жасау үшін басқа объектілермен араласады
Тиынмен қиын, бірақ тырысайық. Біз үш тиынды лақтырдық, олар бір-біріне жабысып айналады, бұл монеталармен жонглерлік. Уақыттың әр сәтінде олардың әрқайсысы күйлердің суперпозициясында ғана емес, бұл күйлер бір-біріне әсер етеді (тиындар соқтығысады).
Клондалмаған теореманы қанағаттандырады (нысанның күйін көшіру мүмкін емес)
Монеталар ұшып, айналып жатқанда, жүйеден бөлек монеталардың кез келгенінің айналу күйінің көшірмесін жасауға мүмкіндік жоқ. Жүйе өз ішінде өмір сүреді және кез келген ақпаратты сыртқы әлемге шығаруға өте қызғанышпен қарайды.
Тұжырымдаманың өзі туралы тағы бірнеше сөз «суперпозициялар», барлық дерлік мақалаларда суперпозиция ретінде түсіндіріледі «бір уақытта барлық штаттарда», бұл, әрине, дұрыс, бірақ кейде қажетсіз шатастырады. Күйлердің суперпозициясын уақыттың әр сәтінде кванттық объектінің болуы фактісі ретінде де елестетуге болады. оның әрбір шекаралық деңгейіне түсудің белгілі бір ықтималдықтары бар және жалпы алғанда бұл ықтималдықтар табиғи түрде 1-ге тең.. Кейінірек, кубитті қарастырғанда, біз бұл туралы толығырақ тоқталамыз.
Монеталар үшін мұны көрнекі түрде көрсетуге болады - бастапқы жылдамдыққа, лақтыру бұрышына, монета ұшатын ортаның күйіне байланысты, әр сәтте «бастар» немесе «құйрықтар» алу ықтималдығы әртүрлі. Жоғарыда айтылғандай, мұндай ұшатын монетаның күйін «бір уақытта оның барлық шекаралық күйінде болу, бірақ оларды жүзеге асыру ықтималдығы әртүрлі» деп елестетуге болады.
Кванттық компьютерде ақпаратты тасымалдаушы ретінде жоғарыда көрсетілген қасиеттер орындалатын және біз жасай алатын және басқара алатын кез келген объектіні пайдалануға болады.
Сәл ары қарай біз кванттық нысандар ретінде кубиттерді физикалық іске асырудың қазіргі жағдайы туралы және ғалымдардың қазір осы қуатта қолданып жатқаны туралы айтатын боламыз.
Сонымен, үшінші қасиет кванттық объектілер кванттық жүйелерді құру үшін шиеленісіп кетуі мүмкін екенін айтады. Кванттық жүйе дегеніміз не?
Кванттық жүйе — келесі қасиеттері бар шиеленіскен кванттық объектілер жүйесі:
- Кванттық жүйе өзі тұратын объектілердің барлық мүмкін күйлерінің суперпозициясында болады
- Өлшеу сәтіне дейін жүйенің күйін білу мүмкін емес
- Өлшеу сәтінде жүйе оның шекаралық күйлерінің мүмкін нұсқаларының бірін жүзеге асырады
(және сәл алға қарай)
Кванттық бағдарламалардың нәтижесі:
- Кванттық бағдарламада жүйенің кірісінде берілген күйі, ішіндегі суперпозициясы, шығысында суперпозициясы болады.
- Өлшеуден кейін бағдарламаның шығуында жүйенің мүмкін болатын соңғы күйлерінің біреуінің ықтималдық орындалуы бар (плюс мүмкін қателер)
- Кез келген кванттық бағдарламаның дымоходы архитектурасы бар (енгізу -> шығару. Ешқандай циклдар жоқ, процестің ортасында жүйенің күйін көре алмайсыз).
Кванттық компьютер мен кәдімгі компьютерді салыстыру
Енді кәдімгі компьютер мен кванттық компьютерді салыстырайық.
| кәдімгі компьютер | Кванттық компьютер | |
|
Логика
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Физика
|
Жартылай өткізгішті транзистор | Кванттық объект |
|
Ақпаратты тасымалдаушы
|
Кернеу деңгейлері | Поляризация, айналдыру,… |
|
операциялар
|
Биттер үстінде ЕМЕС, ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, XOR | Клапандар: CNOT, Hadamard,… |
|
Интерфейс
|
Жартылай өткізгіш микросхема | Бір-бірімен шатасу |
|
Алгоритмдер
|
Стандартты (Қамшы қараңыз) | Арнайы ұсыныстар (Шор, Гровер) |
|
Қағидасы
|
Сандық, детерминирленген | Аналогтық, ықтималдық |
Логикалық деңгей
Кәдімгі компьютерде бұл аз. Бізге жақсы таныс детерминирленген бит. 0 немесе 1 мәндерін қабылдай алады. Ол рөлге өте жақсы сәйкес келеді логикалық бірлік кәдімгі компьютер үшін, бірақ күйді сипаттау үшін мүлдем жарамсыз кванттық объект, ол, жоғарыда айтқанымыздай, жабайы табиғатта орналасқанолардың шекаралық күйлерінің суперпозициялары.
Бұл олардың ойлап тапқаны . Өзінің шекаралық күйлерінде ол 0 және 1-ге ұқсас күйлерді жүзеге асырады , ал суперпозицияда білдіреді оның шекаралық күйлері бойынша ықтималдықты бөлу |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a және b көрсетеді , және олардың модульдерінің квадраттары шекаралық күйлердің дәл осындай мәндерін алудың нақты ықтималдықтары болып табылады |0> и |1>, егер сіз дәл қазір өлшеммен кубитті тарылтсаңыз.
Физикалық қабат
Дамудың қазіргі технологиялық деңгейінде кәдімгі компьютер үшін биттің физикалық орындалуы болып табылады жартылай өткізгіш транзистор, кванттық үшін, біз жоғарыда айтқанымыздай, кез келген кванттық объект. Келесі бөлімде біз қазіргі уақытта кубиттер үшін физикалық медиа ретінде не қолданылатыны туралы айтатын боламыз.
Сақтау құралы
Кәдімгі компьютер үшін бұл электр тоғы - кернеу деңгейлері, токтың болуы немесе болмауы және т.б., кванттық үшін - бірдей кванттық объектінің күйі суперпозиция күйінде болуы мүмкін (поляризация бағыты, спин және т.б.).
операциялар
Кәдімгі компьютерде логикалық схемаларды іске асыру үшін біз белгілі , кубиттердегі операциялар үшін мүлдем басқа операциялар жүйесін ойлап табу қажет болды, деп аталады . Қанша кубит түрлендірілетініне байланысты қақпалар бір-кубит немесе екі-кубит болуы мүмкін.
Кванттық қақпалардың мысалдары:
Тұжырымдама бар әмбебап клапан жиынтығы, олар кез келген кванттық есептеуді орындау үшін жеткілікті. Мысалы, әмбебап жиынтыққа Хадамард қақпасы, фазалық ауысым қақпасы, CNOT қақпасы және π⁄8 қақпасы кіреді. Олардың көмегімен кез келген кванттық есептеуді кубиттердің ерікті жиынында орындауға болады.
Бұл мақалада біз кванттық қақпалар жүйесіне егжей-тегжейлі тоқталмаймыз, сіз олар туралы және кубиттердегі логикалық операциялар туралы көбірек оқи аласыз, мысалы, . Ең бастысы есте сақтау керек:
- Кванттық объектілердегі операциялар жаңа логикалық операторларды (кванттық қақпалар) құруды талап етеді.
- Кванттық қақпалар бір-кубиттік және екі-кубиттік түрлерде келеді.
- Кез келген кванттық есептеулерді орындау үшін пайдалануға болатын әмбебап қақпалар жиынтығы бар
Интерфейс
Бір транзистор біз үшін мүлдем пайдасыз, есептеулерді жүргізу үшін бізге көптеген транзисторларды бір-біріне қосу керек, яғни миллиондаған транзисторлардан жартылай өткізгіш микросхема жасау керек, онда логикалық схемалар құрылады. және, сайып келгенде, классикалық түрде заманауи процессорды алыңыз.
Бір кубит біз үшін мүлдем пайдасыз (жақсы, тек академиялық тұрғыдан алғанда),
Есептеулерді жүргізу үшін бізге кубиттер жүйесі (кванттық объектілер) қажет.
ол, жоғарыда айтқанымыздай, олардың күйлеріндегі өзгерістер келісілген түрде болатындай етіп, кубиттерді бір-бірімен араластыру арқылы жасалады.
Алгоритмдер
Адамзат осы уақытқа дейін жинақтаған стандартты алгоритмдер кванттық компьютерде жүзеге асыруға мүлдем жарамсыз. Иә, жалпы қажет емес. Кубиттердің үстіндегі қақпа логикасына негізделген кванттық компьютерлер мүлдем басқа алгоритмдерді, кванттық алгоритмдерді құруды талап етеді. Ең танымал кванттық алгоритмдердің үшеуін бөліп көрсетуге болады:
- (факторизация)
- (ретсіз дерекқорда жылдам іздеу)
- (сұраққа жауап, тұрақты немесе теңдестірілген функция)
Қағидасы
Және ең маңызды айырмашылық - жұмыс принципі. Стандартты компьютер үшін бұл цифрлық, қатаң детерминирленген принцип, жүйенің қандай да бір бастапқы күйін орнатып, оны берілген алгоритм арқылы өткізсек, онда бұл есептеуді қанша рет орындасақ та, есептеулердің нәтижесі бірдей болатынына негізделген. Шын мәнінде, бұл мінез-құлық біз компьютерден күтетін нәрсе.
Кванттық компьютер жұмыс істейді аналогтық, ықтималдық принцип. Берілген бастапқы күйдегі берілген алгоритмнің нәтижесі болып табылады ықтималдық үлестірімінен алынған үлгі алгоритмнің түпкілікті орындалуы және ықтимал қателер.
Кванттық есептеулердің бұл ықтималдық сипаты кванттық әлемнің өте ықтималдық мәніне байланысты. «Құдай ғаламмен сүйек ойнамайды»., - деді қарт Эйнштейн, бірақ осы уақытқа дейінгі барлық эксперименттер мен бақылаулар (қазіргі ғылыми парадигмада) керісінше растайды.
Кубиттердің физикалық іске асырылуы
Жоғарыда айтқанымыздай, кубит кванттық нысанмен, яғни жоғарыда сипатталған кванттық қасиеттерді жүзеге асыратын физикалық объектімен ұсынылуы мүмкін. Яғни, шамамен айтқанда, екі күйі бар және осы екі күй суперпозиция күйінде болатын кез келген физикалық объект кванттық компьютерді құру үшін пайдаланылуы мүмкін.
«Егер біз атомды екі түрлі деңгейге қойып, оларды басқара алсақ, онда сізде кубит бар. Егер біз мұны ионмен жасай алсақ, бұл кубит. Бұл токпен бірдей. Егер біз оны сағат тілімен және сағат тіліне қарсы бір уақытта жүргізсек, сізде кубит болады.
бар к , онда кубиттің физикалық іске асырылуының қазіргі әртүрлілігі толығырақ қарастырылады, біз жай ғана ең танымал және кең таралғандарын тізімдейміз:
- және басқа да көптеген экзотикалық идеялар (аниондар және т.б.)
Осы әртүрліліктің ішінде ең дамығаны - кубиттерді алудың бірінші әдісі . , , және басқа жетекші ойыншылар оны өз жүйелерін құру үшін пайдаланады.
Жақсы, көбірек оқы мүмкін кубиттерден .
Негіздер. Кванттық компьютер қалай жұмыс істейді
Бұл бөлімге арналған материалдар (тапсырма және суреттер) мақаладан алынды .
Сонымен, бізде келесі тапсырма бар деп елестетіңіз:
Үш адамнан тұратын топ бар: (А)ндрей, (Б)олодя және (С)ережа. Екі такси бар (0 және 1).
Сондай-ақ белгілі:
- (А)ндрей, (Б)олодя достар
- (А)ндрей, (С)ережа – жау
- (В)олодя мен (С)ережа – жау
Тапсырма: Адамдарды таксиге отырғызу керек Макс(достар) и Мин(жаулар)
Рейтинг: L = (достар саны) - (жаулар саны) әрбір орналастыру опциясы үшін
МАҢЫЗДЫ: Эвристика жоқ деп есептесек, оңтайлы шешім жоқ. Бұл жағдайда мәселені тек опцияларды толық іздеу арқылы шешуге болады.
Кәдімгі компьютердегі шешім
Бұл мәселені кәдімгі (супер) компьютерде (немесе кластерде) қалай шешуге болады - бұл анық барлық мүмкін опцияларды айналдыру керек. Егер бізде көппроцессорлық жүйе болса, онда біз бірнеше процессорлар бойынша шешімдерді есептеуді параллель етіп, содан кейін нәтижелерді жинай аламыз.
Бізде тұрудың 2 нұсқасы бар (такси 0 және такси 1) және 3 адам. Шешім кеңістігі 2 ^ 3 = 8. Сіз тіпті калькуляторды пайдаланып 8 опциядан өтуге болады, бұл проблема емес. Енді мәселені күрделендіріп көрейік – бізде 20 адам және екі автобус, шешім кеңістігі бар 2^20 = 1 048 576. Ештеңе де күрделі емес. Адамдардың санын 2.5 есе арттырайық - 50 адам және екі пойыз алыңыз, шешім кеңістігі қазір 2^50 = 1.12 x 10^15. Қарапайым (супер) компьютерде қазірдің өзінде күрделі мәселелер туындай бастады. Адам санын 2 есе көбейтейік, 100 адам береді 1.2 x 10^30 ықтимал опциялар.
Міне, бұл тапсырманы ақылға қонымды уақыт ішінде есептеу мүмкін емес.
Суперкомпьютерді қосу
Қазіргі уақытта ең қуатты компьютер №1 , бұл , өнімділігі 122 . Бір нұсқаны есептеу үшін бізге 100 операция қажет деп есептейік, содан кейін 100 адамға есепті шешу үшін бізге қажет:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 жыл.
Көріп отырғанымыздай бастапқы деректердің өлшемі ұлғайған сайын, шешім кеңістігі қуат заңына сәйкес өседі, жалпы жағдайда, N бит үшін бізде 2^N ықтимал шешім нұсқалары бар, олар салыстырмалы түрде аз N (100) үшін есептелмеген (ағымдағы технологиялық деңгейде) шешім кеңістігін береді.
Балама нұсқалар бар ма? Сіз болжағандай, иә, бар.
Бірақ кванттық компьютерлер мұндай мәселелерді қалай және неге тиімді шеше алатынын білмес бұрын, олардың не екенін қайталауға бір сәт уақыт бөлейік. ықтималдықты бөлу. Қорықпаңыз, бұл шолу мақаласы, мұнда ешқандай қиын математика болмайды, біз сөмке мен шарлармен классикалық мысалмен айналысамыз.
Кішкене комбинаторика, ықтималдық теориясы және біртүрлі экспериментатор
Қане сөмкені алып, ішіне салайық 1000 ақ және 1000 қара шар. Тәжірибе жүргіземіз – допты шығарып, түсін жазып, допты дорбаға қайтарып, дорбадағы шарларды араластырамыз.
Тәжірибе 10 рет жасалды, 10 қара шарды шығарды. Мүмкін? Өте. Бұл үлгі бізге сөмкедегі шынайы үлестірім туралы ақылға қонымды идея бере ме? Болмайтыны анық. Не істеу керек - дұрыс, бэкспериментті миллион рет қайталаңыз және қара және ақ шарлардың жиілігін есептеңіз. Біз, мысалы, аламыз 49.95% қара және 50.05% ақ. Бұл жағдайда біз іріктеп алатын (бір шарды шығаратын) таралу құрылымы қазірдің өзінде көп немесе аз анық.
Ең бастысы - соны түсіну эксперименттің өзі ықтималдық сипатқа ие, бір үлгімен (шар) біз үлестірудің шынайы құрылымын білмейміз, тәжірибені бірнеше рет қайталауымыз керек және нәтижелерді орташа.
Оны сөмкемізге қосайық 10 қызыл және 10 жасыл шар (қателер). Тәжірибені 10 рет қайталайық. IN5 қызыл және 5 жасыл суырып алды. Мүмкін? Иә. Біз шынайы бөлу туралы бірдеңе айта аламыз - Жоқ. Не істеу керек - жақсы, сіз түсінесіз.
Ықтималдық үлестірімінің құрылымы туралы түсінік алу үшін осы үлестірімнен жеке нәтижелерді қайталап іріктеу және нәтижелерді орташалау қажет.
Теорияны практикамен байланыстыру
Енді ақ-қара шарлардың орнына бильярд доптарын алып, сөмкеге салайық 1000 саны бар 2 шар, 1000 саны бар 7 және басқа сандары бар 10 шар. Ең қарапайым әрекеттерге (допты шығару, санды жазу, допты қайтадан сөмкеге салу, дорбаларды дорбаға араластыру) үйренген экспериментаторды елестетейік және ол мұны 150 микросекундта жасайды. Жылдамдық бойынша мұндай экспериментатор (дәрілік жарнама емес!!!). Сонда 150 секундта ол біздің экспериментімізді 1 миллион рет орындай алады және бізге орташа нәтижелерді беріңіз.
Олар экспериментаторды отырғызып, оған сөмке берді, бұрылып, 150 секунд күтті және алды:
2 саны – 49.5%, 7 саны – 49.5%, қалған сандар барлығы – 1%.
Иә дұрыс, біздің сөмке - бұл біздің мәселемізді шешетін алгоритмі бар кванттық компьютер, ал шарлар мүмкін шешімдер. Өйткені екі дұрыс шешім бар кванттық компьютер бізге осы ықтимал шешімдердің кез келгенін бірдей ықтималдықпен және 0.5% (10/2000) қателермен береді., ол туралы кейінірек айтатын боламыз.
Кванттық компьютердің нәтижесін алу үшін бір кіріс деректер жиынында кванттық алгоритмді бірнеше рет іске қосып, нәтижені орташалау керек.
Кванттық компьютердің масштабтылығы
Енді елестетіп көріңізші, 100 адам қатысатын тапсырма үшін (шешім кеңістігі 2^100 бұл есімізде), сонымен қатар екі дұрыс шешім бар. Содан кейін, егер біз 100 кубитті алып, осы кубиттер бойынша біздің мақсаттық функциямызды есептейтін алгоритмді (L, жоғарыдан қараңыз) жазсақ, онда біз бірінші дұрыс жауаптың нөмірі бар 1000 шар болатын қапшық аламыз, 1000. екінші дұрыс жауаптың нөмірі және басқа сандары бар 10 шар. Дәл сол 150 секунд ішінде экспериментаторымыз дұрыс жауаптардың ықтималдылығының таралу бағасын береді..
Кванттық алгоритмнің орындалу уақытын (кейбір болжамдармен) шешім кеңістігінің өлшеміне (1^N) қатысты тұрақты O(2) деп санауға болады.
Бұл дәл кванттық компьютердің қасиеті - орындалу уақытының тұрақтылығы күш заңының күшеюіне қатысты шешім кеңістігінің күрделілігі шешуші болып табылады.
Кубит және параллель әлемдер
Бұл қалай болады? Кванттық компьютерге есептеулерді тез орындауға не мүмкіндік береді? Мұның бәрі кубиттің кванттық табиғаты туралы.
Қараңызшы, біз кубит кванттық объект сияқты деп айттық байқалған кезде оның екі күйінің бірін жүзеге асырады, бірақ «жабайы табиғатта» ол бар мемлекеттердің суперпозициялары, яғни ол өзінің екі шекаралық күйінде бір уақытта (кейбір ықтималдықпен) болады.
Қабылдаңыз (А) ндрея және оның күйін (қай көлікте - 0 немесе 1) кубит ретінде елестетіңіз. Сонда бізде (кванттық кеңістікте) екі параллель әлем, бірінде (A) таксиде отырады 0, басқа әлемде - таксиде 1. Бір уақытта екі таксиде, бірақ бақылау кезінде олардың әрқайсысында оны табудың кейбір ықтималдығы бар.
Қабылдаңыз (B) жас және оның күйін кубит ретінде елестетейік. Басқа екі параллель әлем пайда болады. Бірақ әзірге бұл жұп әлемдер (A) и (B) мүлдем араласпаңыз. Жасау үшін не істеу керек байланысты жүйесі? Дұрыс, бізге бұл кубиттер керек байлау (шатастыру). Біз оны алып, шатастырамыз (А) (В) — біз екі кубиттен тұратын кванттық жүйені аламыз (A, B), өз ішінде төрт өзара тәуелді параллель дүниелер. қосу (С)ергей және біз үш кубит жүйесін аламыз (ABC), іске асыру сегіз өзара тәуелді параллель дүниелер.
Кванттық есептеулердің мәні (байланысқан кубиттер жүйесі бойынша кванттық қақпалар тізбегін жүзеге асыру) есептеудің барлық параллель әлемдерде бір уақытта орын алуында.
Бізде олардың қанша екені маңызды емес, 2^3 немесе 2^100, кванттық алгоритм осы параллель әлемдердің барлығында соңғы уақытта орындалады және алгоритм жауаптарының ықтималдық үлестірімінен алынған үлгі болып табылатын нәтиже береді.
Жақсырақ түсіну үшін оны елестетуге болады кванттық деңгейдегі кванттық компьютер 2^N параллель ерітінді процестерін жүргізеді, олардың әрқайсысы бір мүмкін нұсқада жұмыс істейді, содан кейін жұмыс нәтижелерін жинайды - және шешімнің суперпозициясы түрінде жауап береді (жауаптардың ықтималдылығының таралуы), оның ішінен біз әр уақытта біреуін таңдаймыз (әр тәжірибе үшін).
Біздің экспериментатор қажет уақытты есте сақтаңыз (150 мкс) эксперимент жүргізу үшін бұл бізге кванттық компьютерлердің негізгі мәселелері және декогеренция уақыты туралы айтатын болсақ, одан әрі пайдалы болады.
Кванттық алгоритмдер
Жоғарыда айтылғандай, екілік логикаға негізделген кәдімгі алгоритмдер кванттық логиканы (кванттық қақпалар) пайдаланатын кванттық компьютерге қолданылмайды. Ол үшін есептеудің кванттық табиғатына тән әлеуетті толығымен пайдаланатын жаңаларын ойлап табу қажет болды.
Бүгінгі таңда ең танымал алгоритмдер:
Классикалық компьютерлерден айырмашылығы, кванттық компьютерлер әмбебап емес.
Осы уақытқа дейін кванттық алгоритмдердің аз ғана саны табылды.
сізге рахмет сілтемесі үшін , автордың айтуы бойынша (), кванттық-алгоритмдік әлемнің үздік өкілдері жиналды және жиналуын жалғастыруда.
Бұл мақалада біз кванттық алгоритмдерді егжей-тегжейлі талдамаймыз; Интернетте кез келген күрделілік деңгейіне арналған көптеген тамаша материалдар бар, бірақ біз әлі де ең танымал үшеуіне қысқаша тоқталуымыз керек.
Шор алгоритмі.
Ең танымал кванттық алгоритм (1994 жылы ағылшын математигі ойлап тапқан ), ол сандарды жай көбейткіштерге көбейту есебін шешуге бағытталған (бөлшектеу есебі, дискретті логарифм).
Дәл осы алгоритм сіздің банктік жүйелеріңіз бен парольдеріңіз жақында бұзылады деп жазғанда мысал ретінде келтірілген. Бүгінгі таңда қолданылатын кілттердің ұзындығы 2048 биттен кем емес екенін ескерсек, қақпақтың уақыты әлі келген жоқ.
Бүгінгі күнде қарапайымнан артық. Шор алгоритмі арқылы ең жақсы факторизация нәтижелері - сандар и , бұл 2048 биттен әлдеқайда аз. Кестедегі қалған нәтижелер үшін басқа есептеулер, бірақ тіпті осы алгоритм бойынша ең жақсы нәтиже (291311) нақты қолданудан өте алыс.
Шордың алгоритмі туралы көбірек оқуға болады, мысалы,. Іс жүзінде іске асыру туралы - .
Біреуі 2048 биттік санды есептеу үшін күрделілік пен қажетті қуат компьютер болып табылады . Біз тыныш ұйықтаймыз.
Гровер алгоритмі
- санау есебін шешу, яғни теңдеудің шешімін табу F(X) = 1, мұндағы F от n айнымалылар. Американдық математик ұсынған в .
табу үшін Гровер алгоритмін қолдануға болады и сандар қатары. Сонымен қатар, оны шешу үшін пайдалануға болады көптеген ықтимал шешімдердің ішінен жан-жақты іздеу арқылы проблемалар. Бұл классикалық алгоритмдермен салыстырғанда жылдамдықты айтарлықтай арттыруға әкелуі мүмкін, бірақ қамтамасыз етілмесе де «« жалпы алғанда.
Толығырақ оқи аласыз, немесе . Көбірек Қораптар мен доп мысалында алгоритмнің жақсы түсіндірмесі бар, бірақ, өкінішке орай, ешкімге байланысты емес себептерге байланысты бұл сайт мен үшін Ресейден ашылмайды. Егер сізде болса сонымен қатар бұғатталған, сондықтан қысқаша қорытынды:
Гровер алгоритмі. Сізде N дана нөмірленген жабық жәшіктер бар деп елестетіңіз. Олардың барлығы бос, біреуі допты қоспағанда. Сіздің тапсырмаңыз: доп орналасқан қораптың нөмірін табыңыз (бұл белгісіз сан жиі w әрпімен белгіленеді).
Бұл мәселені қалай шешуге болады? Ең ақымақ әдіс - қораптарды кезекпен ашу, ерте ме, кеш пе, доп салынған қорапқа тап болады. Шары бар жәшік табылмас бұрын орта есеппен қанша қорапты тексеру керек? Орташа алғанда, N/2 жәшіктерінің жартысына жуығын ашу керек. Мұндағы ең бастысы жәшіктердің санын 100 есе көбейтсек, доп салынған жәшік табылғанға дейін ашылуы қажет жәшіктердің орташа саны да сол 100 есе артады.
Енді тағы бір түсініктеме жасайық. Қораптарды өз қолымызбен ашпайық және әрқайсысында доп бар-жоғын тексерейік, бірақ белгілі бір делдал бар, оны Oracle деп атайық. Біз Oracle-ға «732 нөмірлі құсбелгі ұяшығын» айтамыз және Oracle «№ 732 ұяшықта доп жоқ» деп шынайы түрде тексереді және жауап береді. Енді біз орта есеппен қанша қорапты ашуымыз керек деп айтудың орнына «доп салынған қораптың нөмірін табу үшін Oracle-ға орта есеппен қанша рет баруымыз керек» дейміз.
Қораптармен, шармен және Oracle-мен берілген есепті кванттық тілге аударсақ, тамаша нәтиже аламыз: N қораптың арасынан шары бар қораптың санын табу үшін Oracle-ды тек SQRT туралы ғана алаңдату керек екен. (N) рет!
Яғни, Гровер алгоритмі арқылы іздеу тапсырмасының күрделілігі уақыттардың квадрат түбірімен азаяды.
Deutsch-Jozi алгоритмі
Deutsch-Jozsa алгоритмі (сонымен қатар Deutsch-Jozsa алгоритмі деп аталады) - [кванттық алгоритм](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , және орындауға арналған алгоритмдердің алғашқы мысалдарының бірі болды . _
Deutsch-Jozsi мәселесі - F(x1, x2, ... xn) бірнеше екілік айнымалылардың функциясы тұрақты (кез келген аргумент үшін 0 немесе 1 мәнін қабылдайды) немесе теңдестірілген (ол алатын доменнің жартысы үшін) екенін анықтау. мәні 0, екінші жартысы үшін 1). Бұл жағдайда функцияның тұрақты немесе теңдестірілген болатыны белгілі априори болып саналады.
Сіз де оқи аласыз . Қарапайымырақ түсініктеме:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) алгоритмі дөрекі күшке негізделген, бірақ оны әдеттегіден жылдамырақ орындауға мүмкіндік береді. Үстелдің үстінде монета бар екенін елестетіп көріңіз және оның жалған немесе жасалмағанын білуіңіз керек. Мұны істеу үшін монетаны екі рет қарап, анықтау керек: «бастар» және «құйрықтар» нақты, екі «бас», екі «құйрық» жалған. Сонымен, егер сіз Deutsch кванттық алгоритмін қолдансаңыз, онда бұл анықтауды бір көзқараспен - өлшеу арқылы жасауға болады.
Кванттық компьютерлердің мәселелері
Кванттық компьютерлерді жобалау және пайдалану кезінде ғалымдар мен инженерлер бүгінгі күнге дейін әртүрлі дәрежедегі табыстармен шешілген көптеген мәселелерге тап болады. Сәйкес () келесі мәселелер қатарын анықтауға болады:
- Қоршаған ортаға сезімталдық және қоршаған ортамен әрекеттесу
- Есептеулер кезінде қателердің жинақталуы
- Кубит күйлерін инициализациялау кезіндегі қиындықтар
- Көп-кубиттік жүйелерді құрудағы қиындықтар
Мақаланы оқуды ұсынамын «”, әсіресе оған қатысты пікірлер.
Барлық негізгі мәселелерді үш үлкен топқа бөліп, олардың әрқайсысын егжей-тегжейлі қарастырайық:
Декогеренттілік
.
Кванттық күй өте нәзік нәрсешатастырылған күйдегі кубиттер өте тұрақсыз, кез келген сыртқы әсер бұл байланысты бұзуы мүмкін (және жасайды).. Температураның градустың ең аз бөлігіне өзгеруі, қысым, жақын жерде ұшатын кездейсоқ фотон - мұның бәрі біздің жүйені тұрақсыздандырады.
Бұл мәселені шешу үшін температура (-273.14 градус Цельсий) абсолютті нөлден сәл жоғары болатын, ішкі камераны процессормен сыртқы ортаның барлық (мүмкін) әсерінен максималды оқшаулаумен төмен температуралы саркофагтар салынады.
Бірнеше шиеленіскен кубиттерден тұратын кванттық жүйенің максималды өмір сүру уақыты, оның барысында ол өзінің кванттық қасиеттерін сақтайды және есептеулер үшін пайдаланылады, декогеренттілік уақыты деп аталады.
Қазіргі уақытта ең жақсы кванттық шешімдердегі декогеренция уақыты тәртібінде ондаған және жүздеген микросекундтар.
Керемет бар қайда қарауға болады барлық құрылған кванттық жүйелердің. Бұл мақалада мысал ретінде тек екі ең жақсы процессорлар бар - IBM және . Көріп отырғанымыздай, декогеренттілік уақыты (T2) 200 мкс аспайды.
Мен Sycamore туралы нақты деректерді таппадым, бірақ көпшілігінде екі сан берілген - 1 секундта 200 миллион есептеу, басқа жерде - үшін Басқару сигналдарын жоғалтпай 130 секунд және т.б.. Қалай болғанда да, бұл бізге береді декогеренция уақыты шамамен 150 мкс. Біздің есімізде дорбасы бар экспериментатор? Ал, ол міне.
| Компьютер атауы | N Qubits | Макс жұпталған | T2 (мкс) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 жылдар |
Декогеренция бізге немен қауіп төндіреді?
Негізгі мәселе мынада, 150 мкс-тен кейін біздің N шатастырылған кубиттен тұратын есептеу жүйеміз дұрыс шешімдердің ықтималдық таралуының орнына ықтималдық ақ шуды шығара бастайды.
Яғни, бізге қажет:
- Кубит жүйесін инициализациялаңыз
- Есептеуді орындау (қақпалық операциялар тізбегі)
- Нәтижені оқу
Мұның бәрін 150 микросекундта жасаңыз. Менің уақытым болмады - нәтиже асқабаққа айналды.
Бірақ бұл бәрі емес…
Қателер
Біз айтқандай, кванттық процестер мен кванттық есептеулер табиғатта ықтималдық болып табылады, біз ештеңеге 100% сенімді бола алмаймыз, бірақ кейбір ықтималдықпен ғана. Жағдайды одан әрі ушықтыра түсуде кванттық есептеулер қатеге бейім. Кванттық есептеулердегі қателердің негізгі түрлері:
- Декогеренттік қателер жүйенің күрделілігінен және сыртқы ортамен әрекеттесуінен туындайды
- Гэйттік есептеу қателері (есептеудің кванттық сипатына байланысты)
- Соңғы күйді оқудағы қателер (нәтиже)
Декогеренттілікке байланысты қателер, біз кубиттерімізді шатастырып, есептеулерді бастаған кезде пайда болады. Неғұрлым көп кубиттерді біріктірсек, жүйе соғұрлым күрделі болады, және оны жою оңайырақ. Төмен температурадағы саркофагтар, қорғалған камералар, осы технологиялық трюктердің барлығы дәл қателер санын азайтуға және декогеренция уақытын ұзартуға бағытталған.
Шкафтың есептеу қателері - кубиттердегі кез келген операция (қақпа) белгілі бір ықтималдықпен қатемен аяқталуы мүмкін және алгоритмді жүзеге асыру үшін бізге жүздеген қақпаларды орындау керек, сондықтан біздің алгоритмді орындаудың соңында не алатынымызды елестетіп көріңіз. «Динозаврды лифтте кездестіру ықтималдығы қандай?» Деген сұраққа классикалық жауап. - 50х50, не кездесесің, не жоқ.
Мәселені нашарлату үшін стандартты қателерді түзету әдістері (есептеулерді қайталау және орташалау) клондаусыз теоремаға байланысты кванттық әлемде жұмыс істемейді. Үшін кванттық есептеулерде ойлап табу керек болды . Шамамен айтқанда, біз N кәдімгі кубитті алып, олардың 1-ін жасаймыз логикалық кубит төмен қателік деңгейімен.
Бірақ бұл жерде тағы бір мәселе туындайды - кубиттердің жалпы саны. Қараңыз, бізде 100 кубитті процессор бар делік, оның 80 кубиті қателерді түзету үшін пайдаланылады, содан кейін бізде есептеулерге тек 20 қалды.
Соңғы нәтижені оқудағы қателер — біздің есімізде кванттық есептеулердің нәтижесі бізге түрінде ұсынылады жауаптардың ықтималдылығын бөлу. Бірақ соңғы күйді оқу да қате болуы мүмкін.
Дәл сол бойынша Қате деңгейлері бойынша процессорлардың салыстырмалы кестелері бар. Салыстыру үшін алдыңғы мысалдағыдай процессорларды алайық – IBM и :
| компьютер | 1-Qubit Gate Fidelity | 2- Qubit Gate Fidelity | Оқу адалдығы |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Бұл екі кванттық күйдің ұқсастығының өлшемі болып табылады. Қатенің шамасын шамамен 1-дәлдік ретінде көрсетуге болады. Көріп отырғанымыздай, 2-кубит қақпаларындағы қателер және оқу қателері бар кванттық компьютерлерде күрделі және ұзақ алгоритмдерді орындауға негізгі кедергі болып табылады.
Сіз де оқи аласыз жылдан бастап қателерді түзету мәселесін шешу.
Процессор архитектурасы
Теориялық тұрғыдан біз құрастырамыз және жұмыс істейміз ондаған түйіскен кубиттердің тізбектері, шын мәнінде бәрі күрделірек. Барлық қолданыстағы кванттық чиптер (процессорлар) ауыртпалықсыз қамтамасыз ететіндей етіп салынған тек көршілерімен бір кубиттің шатасуы, олардың саны алтыдан аспайды.
Егер бізге 1-ші кубитті, айталық, 12-мен араластыру керек болса, онда біз қосымша кванттық операциялар тізбегін құру, жалпы қате деңгейін арттыратын қосымша кубиттерді және т.б. қамтиды. Иә, және бұл туралы ұмытпаңыз декогеренция уақыты, мүмкін сіз кубиттерді қажет тізбекке қосуды аяқтаған кезде уақыт аяқталады және бүкіл тізбек айналады жақсы ақ шу генераторы.
Мұны да ұмытпаңыз Барлық кванттық процессорлардың архитектурасы әртүрлі, ал эмуляторда «барлығы барлығына қосылу» режимінде жазылған бағдарламаны белгілі бір чиптің архитектурасына «қайта құрастыру» қажет болады. Тіпті бар осы операцияны орындау үшін.
Бір жоғарғы чиптер үшін максималды қосылым және кубиттердің максималды саны:
| Компьютер атауы | N Qubits | Макс жұпталған | T2 (мкс) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 жылдар |
Ал, салыстыру үшін, процессорлардың алдыңғы буынының деректері бар кесте. Кубиттердің санын, декогеренция уақытын және қателік жылдамдығын бізде жаңа ұрпақпен қазіргі жағдаймен салыстырыңыз. Дегенмен, прогресс баяу, бірақ қозғалады.
Мәселен:
- Қазіргі уақытта > 6 кубитті толық қосылған архитектуралар жоқ
- Кубит 0 с нақты процессорға шатастыру үшін, мысалы, 15 qubit бірнеше ондаған қосымша операцияларды қажет етуі мүмкін.
- Көбірек операциялар -> көбірек қателер -> декогеренцияның күшті әсері
Нәтижелері
Декогеренттілік қазіргі кванттық есептеулердің прокрасттық қабаты болып табылады. Біз бәрін 150 мкс-ке сыйғызуымыз керек:
- Кубиттердің бастапқы күйін инициализациялау
- Кванттық гейттерді пайдаланып есепті шығару
- Маңызды нәтижелерге қол жеткізу үшін қателерді түзетіңіз
- Нәтижені оқыңыз
Әзірге нәтиже көңіл көншітпейді негізделген кванттық компьютерде 0.5 с когерентті сақтау уақытына жетуді талап етеді :
Біз кубит когеренттілік уақытын 0.5 с артық өлшейміз және магниттік экрандау арқылы бұл 1000 с ұзағырақ болады деп күтеміз
Бұл технология туралы оқуға болады немесе мысалы .
Күрделі есептеулерді орындау кезінде қателерді түзетудің кванттық тізбектерін пайдалану қажет екендігі жағдайды одан әрі қиындатады, ол сонымен бірге уақытты да, қол жетімді кубиттерді де жейді.
Ақырында, қазіргі заманғы архитектуралар 1-тен 4-ден немесе 1-дан 6-ге қарағанда ең аз шығынмен шатастыру схемаларын жүзеге асыруға мүмкіндік бермейді.
Проблемаларды шешу жолдары
Жоғарыда аталған мәселелерді шешу үшін қазіргі уақытта келесі тәсілдер мен әдістер қолданылады:
- Температурасы төмен криокамераларды пайдалану (10 мК (–273,14°C))
- Сыртқы әсерлерден барынша қорғалған процессор блоктарын пайдалану
- Кванттық қателерді түзету жүйелерін пайдалану (логикалық Qubit)
- Белгілі бір процессорға арналған схемаларды бағдарламалау кезінде оптимизаторларды пайдалану
Сондай-ақ декогеренттілік уақытын арттыруға, кванттық объектілердің жаңа (және белгілі) физикалық іске асырылуын іздеуге, түзету схемаларын оңтайландыруға және т.б. бағытталған зерттеулер жүргізілуде. Прогресс бар (жоғарыдан бұрынғы және бүгінгі ең жоғарғы чиптердің сипаттамаларын қараңыз), бірақ әзірге ол баяу, өте, өте баяу.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-кубиттік компьютер. Дереккөз:
Google 53-кубиттік процессордың көмегімен кванттық үстемдікке қол жеткізу туралы мәлімдемесі аясында, и кубиттер саны мыңдаған D-Wave компаниясынан біраз шатастырады. Шынында да, егер 53 кубит кванттық үстемдікке қол жеткізе алса, онда 2048 кубитті компьютер не істей алады? Бірақ бәрі де жақсы емес...
Қысқасы (викиден алынған):
Компьютерлер принципі бойынша жұмыс істеу (), оңтайландыру мәселелерінің өте шектеулі қосалқы сыныбын шеше алады және дәстүрлі кванттық алгоритмдер мен кванттық қақпаларды жүзеге асыру үшін жарамсыз.
Толық ақпаратты оқуға болады, мысалы, , (абайлаңыз, Ресейден ашылмауы мүмкін), немесе в оның . Айтпақшы, мен оның блогын жалпы оқуға кеңес беремін, онда көптеген жақсы материалдар бар
Жалпы, хабарландырулардың басынан бастап ғылыми қауымдастықтың D-Wave компьютерлері туралы сұрақтары болды. Мысалы, 2014 жылы IBM D-Wave фактісіне күмән келтірді 2015 жылы Google NASA-мен бірге осы кванттық компьютерлердің бірін сатып алды және зерттеуден кейін. , бұл иә, компьютер жұмыс істейді және мәселені қарапайымға қарағанда жылдамырақ есептейді. Google мәлімдемесі туралы толығырақ оқи аласыз және, мысалы, .
Ең бастысы, D-Wave компьютерлері, олардың жүздеген және мыңдаған кубиттері кванттық алгоритмдерді есептеу және іске қосу үшін қолданыла алмайды. Мысалы, Шордың алгоритмін оларда іске қоса алмайсыз. Олар тек оңтайландыру мәселесін шешу үшін белгілі кванттық механизмдерді қолдана алады. D-Wave белгілі бір тапсырма үшін кванттық ASIC деп санауға болады.
Кванттық компьютер эмуляциясы туралы аздап
Кванттық есептеулерді кәдімгі компьютерде эмуляциялауға болады. Әрине, :
- Кубит күйі болуы мүмкін күрделі сан, процессор архитектурасына байланысты 2x32-ден 2x64 битке дейін (8-16 байт)
- N қосылған кубиттердің күйін 2^N күрделі сандар ретінде көрсетуге болады, яғни. 2-биттік архитектура үшін 3^(32+N) және 2-бит үшін 4^(64+N).
- N кубиттердегі кванттық операцияны 2^N x 2^N матрицасы арқылы көрсетуге болады.
Сонда:
- 10 кубит эмуляцияланған күйлерді сақтау үшін 8 КБ қажет
- 20 кубит күйлерін сақтау үшін сізге 8 МБ қажет
- 30 кубит күйлерін сақтау үшін 8 ГБ қажет
- 40 кубит күйлерін сақтау үшін 8 терабайт қажет
- 50 кубит күйлерін сақтау үшін 8 петабайт қажет, т.б.
Салыстыру үшін, () бар болғаны 2.8 петабайт жадты тасымалдайды.
— 49 кубит өткен жылы ең ірі қытайлық суперкомпьютерге жеткізілді ()
Классикалық жүйелерде кванттық компьютерді имитациялау шегі кубиттердің күйін сақтауға қажетті жедел жад көлемімен анықталады.
Мен де оқуға кеңес беремін . Сол жерден:
Жұмысы бойынша - шамамен 49 «циклден» тұратын 39-кубиттік схеманың дәл эмуляциясы үшін (қақпалардың тәуелсіз қабаттары) 2^63 күрделі көбейту – 4 сағаттағы суперкомпьютердің 4 Pflops
Классикалық жүйелерде 50+ кубит кванттық компьютерді эмуляциялау қисынды уақытта мүмкін емес деп саналады. Осы себепті Google кванттық басымдық тәжірибесі үшін 53-кубиттік процессорды пайдаланды.
Кванттық есептеулердің үстемдігі.
Википедия бізге кванттық есептеулер үстемдігінің келесі анықтамасын береді:
Кванттық үстемдік – қабілеттілік классикалық компьютерлер іс жүзінде шеше алмайтын мәселелерді шешуге арналған құрылғылар.
Шын мәнінде, кванттық үстемдікке қол жеткізу, мысалы, Шор алгоритмі арқылы үлкен сандарды факторизациялауды адекватты уақытта шешуге болады немесе күрделі химиялық молекулаларды кванттық деңгейде эмуляциялауға болады және т.б. Яғни, жаңа дәуір келді.
Бірақ анықтаманың тұжырымында біраз олқылық бар, «классикалық компьютерлер іс жүзінде шеше алмайды" Шын мәнінде, бұл дегеніміз, егер сіз 50+ кубитті кванттық компьютер жасап, онда кванттық тізбекті іске қоссаңыз, онда жоғарыда талқылағанымыздай, бұл схеманың нәтижесін кәдімгі компьютерде эмуляциялау мүмкін емес. Яғни классикалық компьютер мұндай схеманың нәтижесін қайта жасай алмайды.
Мұндай нәтиже нақты кванттық үстемдікті құра ма, жоқ па, бұл философиялық мәселе. Бірақ Google не істегенін және ол неге негізделгенін түсініңіз қажетті.
Google-дың кванттық үстемдік туралы мәлімдемесі
Sycamore 54-кубит процессоры
Сонымен, 2019 жылдың қазан айында Google әзірлеушілері Nature ғылыми басылымында мақала жариялады." Авторлар 54-кубиттік Sycamore процессорын пайдаланып, тарихта алғаш рет кванттық үстемдікке қол жеткізгенін жариялады.
Желідегі Sycamore мақалалары көбінесе 54-кубиттік процессорға немесе 53-кубиттік процессорға сілтеме жасайды. Шындық сол бойынша , процессор физикалық түрде 54 кубиттен тұрады, бірақ олардың біреуі жұмыс істемейді және қызметтен шығарылды. Осылайша, іс жүзінде бізде 53-кубиттік процессор бар.
Интернетте дәл сол жерде осы тақырыптағы материалдар, олардың дәрежесі әртүрлі болды қарай .
IBM кванттық есептеулер тобы кейінірек бұл туралы мәлімдеді . Компания кәдімгі компьютер бұл тапсырманы ең нашар жағдайда 2,5 күнде жеңеді және алынған жауап кванттық компьютерге қарағанда дәлірек болады деп мәлімдейді. Бұл қорытынды оңтайландырудың бірнеше әдістерін теориялық талдау нәтижелері негізінде жасалды.
Және, әрине, оның ішінде Мен бұл мәлімдемені елеусіз қалдыра алмадым. Оның барлық сілтемелермен бірге және әдеттегідей, олар сіздің уақытыңызды жұмсауға тұрарлық. Хабта бұл жиі қойылатын сұрақтар және түсініктемелерді міндетті түрде оқып шығыңыз, ресми хабарландыруға дейін желіде жарияланған алдын ала құжаттарға сілтемелер бар.
Google шынымен не істеді? Егжей-тегжейлі түсіну үшін Ааронсонды оқыңыз, бірақ мұнда қысқаша:
Мен, әрине, айта аламын, бірақ мен өзімді ақымақ сезінемін. Есеп келесідей: экспериментатор C кездейсоқ кванттық тізбегін жасайды (яғни, жақын көршілер арасындағы 1-кубит және 2-кубиттік қақпалардың кездейсоқ тізбегі, тереңдігі, мысалы, 20, n 2D желісінде әрекет етеді. = 50-60 кубит). Содан кейін экспериментатор С-ді кванттық компьютерге жібереді және одан C-ны бастапқы 0 күйіне қолдануды, нәтижені {0,1} негізінде өлшеуді, n-биттік бақыланатын тізбекті (жолды) кері жіберуді және бірнеше қайталауды сұрайды. мың немесе миллион рет. Соңында, С туралы білімін пайдалана отырып, экспериментатор нәтиже кванттық компьютерден күтілетін нәтижеге сәйкес келетінін білу үшін статистикалық сынақ жүргізеді.
Өте қысқаша:
- Ұзындығы 20 кубиттен 53 кездейсоқ тізбек қақпалар арқылы жасалады
- Схема орындау үшін бастапқы күйден басталады [0…0]
- Схема шығысы кездейсоқ биттік жол (үлгі)
- Нәтиженің таралуы кездейсоқ емес (кедергі)
- Алынған үлгілердің таралуы күтілетін үлгімен салыстырылады
- Кванттық үстемдік туралы қорытынды жасайды
Яғни, Google 53-кубиттік процессорға синтетикалық мәселені енгізді және кванттық үстемдікке қол жеткізу туралы мәлімдемесін стандартты жүйелерде мұндай процессорды қисынды уақытта эмуляциялау мүмкін еместігіне негіздейді.
Түсіну үшін - Бұл бөлім ешбір жағдайда Google жетістіктерін төмендетпейді, инженерлер шынымен керемет және мұны нақты кванттық артықшылық деп санауға бола ма, жоқ па деген сұрақ, бұрын айтылғандай, инженериядан гөрі философиялық. Бірақ біз мұндай есептеу артықшылығына қол жеткізіп, Шор алгоритмін 2048-биттік сандарда іске қосу мүмкіндігіне қарай бір қадам да алға баспағанымызды түсінуіміз керек.
Резюме
Кванттық компьютерлер мен кванттық есептеулер ақпараттық технологиялардың өте перспективалы, өте жас және әзірге өнеркәсіпте қолданылмаған саласы болып табылады.
Кванттық есептеулердің дамуы (бір күні) бізге мәселелерді шешуге мүмкіндік береді:
- Күрделі физикалық жүйелерді кванттық деңгейде модельдеу
- Есептеу күрделілігіне байланысты қарапайым компьютерде шешілмейді
Кванттық компьютерлерді құру және пайдаланудағы негізгі мәселелер:
- Декогеренттілік
- Қателер (декогеренция және қақпа)
- Процессор архитектурасы (толық қосылған кубиттік схемалар)
Қазіргі жағдай:
- Шын мәнінде - ең басы .
- Нақты коммерциялық пайдалану әлі жоқ (және қашан болатыны белгісіз)
Не көмектесе алады:
- Сымдар мен жұмыс процессорларының құнын төмендететін физикалық ашудың қандай да бір түрі
- Декогеренция уақытын шама ретімен арттыратын және/немесе қателерді азайтатын нәрсені табу
Менің ойымша (таза жеке пікір), білімнің қазіргі ғылыми парадигмасында біз кванттық технологияларды дамытуда айтарлықтай табысқа жете алмаймыз, мұнда бізге жаңа идеялар мен әдістерге серпін беретін іргелі немесе қолданбалы ғылымның қандай да бір саласында сапалы серпіліс қажет.
Осы уақытта біз кванттық бағдарламалау, кванттық алгоритмдерді жинау және құру, идеяларды сынау және т.б. бойынша тәжірибе жинақтап жатырмыз. Біз серпіліс күтеміз.
қорытынды
Бұл мақалада біз кванттық есептеулер мен кванттық компьютерлерді дамытудағы негізгі кезеңдерден өттік, олардың жұмыс істеу принципін қарастырдық, кванттық процессорларды әзірлеу мен пайдалануда инженерлердің алдында тұрған негізгі мәселелерді қарастырдық, сондай-ақ көп-кубиттің не екенін қарастырдық. D-компьютерлері шын мәнінде. Wave және Google-дың кванттық үстемдікке қол жеткізу туралы соңғы мәлімдемесі.
Сахна артында кванттық компьютерлерді бағдарламалау сұрақтары (тілдер, тәсілдер, әдістер және т.б.) және процессорлардың нақты физикалық іске асырылуымен, кубиттерді басқару, байланыстыру, оқу және т.б. Бұл келесі мақаланың немесе мақалалардың тақырыбы болуы мүмкін.
Назарларыңызға рахмет, бұл мақала біреуге пайдалы болады деп үміттенемін.
(C)
Алғыс
бастапқы мәтінге, сондай-ақ мақалаға түзетулер мен түсініктемелер үшін
туралы ақпаратқа бай пікірлер үшін , және оған ғана емес, бұл маған бұл басқатырғышты анықтауға көмектесті.
Осы мақаланы жазу кезінде материалдары пайдаланылған мақалалар мен басылымдардың барлық авторларына.
Ресурстар тізімі
[The National Academies Press] журналындағы ағымдағы мәселелер мақалалары
Хабр мақалалары (кездейсоқ ретпен)
Интернеттен сұрыпталмаған (бірақ қызықты емес) мақалалар
Курстар мен лекциялар
Ақпарат көзі: www.habr.com