Кванттык компьютерлер жана кванттык эсептөөлөр - жаңы менен бирге биздин маалымат мейкиндигине кошулган , жана башка жогорку технологиялык терминдер. Ошол эле учурда, мен эч качан интернеттен менин башымдагы баш катырма дегенди чогулта турган материалды таба алган жокмун "Кванттык компьютерлер кантип иштейт". Ооба, көптөгөн сонун чыгармалар бар, анын ичинде Хабр боюнча (кара. ), комментарийлер, адаттагыдай, андан да маалыматтуу жана пайдалуу, бирок менин башымдагы сүрөт, алар айткандай, кошулган жок.
Ал эми жакында менин кесиптештерим мага келип: “Сиз кванттык компьютер кандай иштээрин түшүндүңүзбү? Бизге айта аласызбы?» Ошондо мен башымда ырааттуу сүрөттү чогултуу көйгөйү бар жалгыз мен эмес экенимди түшүндүм.
Натыйжада, кванттык компьютерлер жөнүндө маалыматты ырааттуу логикалык схемага чогултууга аракет жасалган. математикага жана кванттык дүйнөнүн структурасына терең кириши жок негизги деңгээл, кванттык компьютер деген эмне, ал кандай принциптерде иштейт жана аны жаратууда жана иштетүүдө окумуштуулар кандай көйгөйлөргө туш болоору түшүндүрүлдү.
Мазмуну
Жоопкерчиликтен баш тартуу
Автор кванттык эсептөө боюнча адис эмес, жана Макаланын максаттуу аудиториясы кванттык адистер эмес, ошол эле IT адамдары, алар да баштарына "Кванттык компьютерлер кантип иштейт" деген сүрөттү бириктиргиси келет. Ушундан улам, макаладагы көптөгөн түшүнүктөр кванттык технологияларды “базалык” деңгээлде жакшыраак түшүнүү үчүн атайылап жөнөкөйлөштүрүлгөн, бирок .
Макала кээ бир жерлерде башка булактардан алынган материалдарды колдонот, . Мүмкүн болушунча түпнуска текстке, таблицага же фигурага түз шилтемелер жана көрсөткүчтөр киргизилет. Эгерде мен бир нерсени (же кимдир бирөөнү) унутуп калсам, жазыңыз, мен аны оңдойм.
тааныштыруу
Бул бөлүмдө биз кванттык доор кандайча башталганын, кванттык компьютер идеясынын пайда болушуна эмне түрткү болгондугун, учурда ким (кайсы өлкөлөр жана корпорациялар) бул чөйрөдө алдыңкы оюнчулар экенин кыскача карап чыгабыз, ошондой эле кыскача сүйлөшөбүз. кванттык эсептее техникасын енуктуруунун негизги багыттары женунде.
Баары эмнеден башталган
Кванттык доордун башталышы М.Планк биринчи жолу 1900-жыл деп эсептелет. энергия үзгүлтүксүз эмес, өзүнчө кванттарда (порцияларда) бөлүнүп чыгат жана сиңет. Идеяны ошол кездеги көптөгөн көрүнүктүү илимпоздор – Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, Шредингер кабыл алып, иштеп чыгышкан, акыры мындай илимдин түзүлүшүнө жана өнүгүшүнө алып келген. . Интернетте кванттык физиканын илим катары калыптанышы тууралуу көптөгөн жакшы материалдар бар, бул макалада биз бул жөнүндө кеңири токтолбойбуз, бирок жаңы кванттык доорго кирген датаны көрсөтүү керек болчу.
Кванттык физика биздин күнүмдүк жашообузга көптөгөн ойлоп табууларды жана технологияларды алып келди, ансыз азыр бизди курчап турган дүйнөнү элестетүү кыйын. Мисалы, азыр бардык жерде колдонулуп жаткан лазер, тиричилик техникасынан (лазердик деңгээл ж.б.) жогорку технологиялык системаларга чейин (көрүүнү оңдоо үчүн лазер, салам ). Эртеби-кечпи кимдир бирөө эмне үчүн кванттык системаларды эсептөө үчүн колдонбойт деген ойду ойлоп табат деп болжолдоо логикага туура келет. Анан 1980-жылы болгон.
Wikipedia кванттык эсептөөнүн биринчи идеясын 1980-жылы биздин окумуштуу Юрий Манин тарабынан айтылганын көрсөтөт. Бирок алар чындап эле бул тууралуу 1981-жылы эле белгилүү Р.Фейнман сөз кыла башташкан , классикалык компьютерде кванттык системанын эволюциясын эффективдүү түрдө моделдөө мүмкүн эмес экенин белгиледи. Ал элементардык моделди сунуш кылган , Мындай моделдештирүү жүргүзүүгө жөндөмдүү болот.
бар , Кайсы академиялык жана майда-чүйдөсүнө чейин каралат, бирок биз кыскача токтоло кетели:
Кванттык компьютерлерди түзүү тарыхындагы негизги этаптар:
- [1994]. П. Шор. тарабынан иштелип чыккан
- [1998]. түзүлгөн
- [2001]. IBM аткарууну киргизди 15 санын кеңейтүү үчүн
- [2007-2016]. 128-2000 кубиттик компьютерди жаратат жана иштеп чыгат
- [2012]. Калифорния университетинде ишке ашырылган
- [2016]. Гугл 9-кубиттик компьютерде
- [2017]. (үч атом)
- [2019]. . Булуттагы 20-кубиттик компьютер
- [2019]. . 53 кубит компьютер. ?
Көрүнүп тургандай, идея пайда болгон учурдан 17 кубилик компьютерде биринчи жолу ишке ашырылганга чейин 1981 жыл (1998-жылдан 2-жылга чейин), ал эми кубиттердин саны 21кө жеткенче 1998 жыл (2019-жылдан 53-жылга чейин) өттү. Шордун алгоритминин натыйжасын жакшыртуу үчүн (11-жылдан 2001-жылга чейин) 2012-тен 15ге чейин 21 жыл талап кылынды. Фейнман айткан нерселерди ишке ашыруу жана эң жөнөкөй физикалык системаларды моделдештирүү.
Кванттык эсептөөлөрдүн өнүгүүсү жай жүрүп жатат. Окумуштуулардын жана инженерлердин алдында өтө татаал милдеттер турат, кванттык абалдар өтө кыска мөөнөттүү жана морт жана аларды эсептөөлөрдү жүргүзүүгө жетиштүү убакытка чейин сактап калуу үчүн, температура сакталган он миллиондогон долларга саркофагдарды курууга туура келет. абсолюттук нөлдөн бир аз жогору жана тышкы таасирлерден максималдуу корголгон. Андан ары бул милдеттер жана көйгөйлөр жөнүндө кененирээк сүйлөшөбүз.
Алдыңкы оюнчулар
Бул бөлүмдүн слайддары макаладан алынган , изилдөөчүдөн Алексей Федоров. Мен сизге түз цитаталарды берейин:
Технологиялык жактан ийгиликтүү болгон бардык өлкөлөр учурда кванттык технологияларды активдүү өнүктүрүүдө. Бул изилдөөгө эбегейсиз чоң каражат жумшалып, кванттык технологияларды колдоо боюнча атайын программалар түзүлүүдө.
Кванттык жарышка штаттар гана эмес, жеке компаниялар да катышууда. Жалпысынан Google, IBM, Intel жана Microsoft жакында эле кванттык компьютерлерди өнүктүрүүгө 0,5 миллиард долларга жакын инвестиция салышты жана ири лабораторияларды жана илимий борборлорду түзүштү.
Habré жана Интернетте көптөгөн макалалар бар, мисалы, , и , анда ар кайсы өлкөлөрдө кванттык технологиялардын өнүгүшүнүн учурдагы абалы кененирээк каралат. Биз үчүн азыр эң негизгиси – технологиялык жактан өнүккөн бардык алдыңкы өлкөлөр жана оюнчулар бул багыттагы изилдөөлөргө эбегейсиз чоң суммадагы акча каражатын жумшап жатканы азыркы технологиялык туюктан чыгууга үмүт берет.
Өнүгүү багыттары
Азыркы учурда (мен туура эмес болушум мүмкүн, мени оңдоңуз) бардык алдыңкы оюнчулардын негизги аракеттери (жана аздыр-көптүр олуттуу натыйжалар) эки багытта топтолгон:
- Атайын кванттык компьютерлер, алар бир конкреттүү маселени чечүүгө багытталган, мисалы, оптималдаштыруу маселесин. Продукциянын мисалы - D-Wave кванттык компьютерлери.
- Универсалдуу кванттык компьютерлер — ыктыярдуу кванттык алгоритмдерди ишке ашырууга жөндөмдүү (Шор, Гровер ж.б.). IBM, Google'дун ишке ашыруулары.
Кванттык физика бизге берген өнүгүүнүн башка векторлору, мисалы:
- үчүн негиз катары
- жана
Албетте, ал дагы изилдөө багыттарынын тизмесинде, бирок азыркы учурда аздыр-көптүр олуттуу жыйынтыктар жоктой.
Кошумча окуй аласыз , жакшы, google "", Мисалы, , и .
Негиздер. Кванттык объект жана кванттык системалар
Бул бөлүмдөн түшүнө турган эң маанилүү нерсе - бул
Кванттык компьютер (адаттагыдан айырмаланып) маалымат алып жүрүүчү катары колдонот кванттык объектилержана эсептөөлөрдү жүргүзүү үчүн кванттык объектилерди туташтыруу керек кванттык система.
Кванттык объект деген эмне?
Кванттык объект - кванттык касиеттерди көрсөткөн микродүйнө объектиси (кванттык дүйнө):
- Эки чек ара деңгээли менен аныкталган абалы бар
- Өлчөө учуруна чейин өз абалынын суперпозициясында болот
- Кванттык системаларды түзүү үчүн башка объектилер менен чырмалышат
- Клондобогон теореманы канааттандырат (объекттин абалын көчүрүү мүмкүн эмес)
Келгиле, ар бир мүлктү кененирээк карап көрөлү:
Эки чектик деңгээли бар аныкталган абалы бар (аяккы абалы)
Классикалык реалдуу мисал - бул монета. Анын "каптал" абалы бар, ал эки чек ара деңгээлин - "баштарды" жана "куйрукту" алат.
Өлчөө учуруна чейин өз абалынын суперпозициясында болот
Алар тыйын ыргытышты, ал учуп, айланат. Айланып турганда анын «каптал» абалы чек аранын кайсы деңгээлинде жайгашканын айтуу мүмкүн эмес. Бирок биз аны кыйратып, натыйжага көз чаптыраарыбыз менен, мамлекеттердин суперпозициясы дароо эки чек ара абалынын бирине - "баштарга" жана "куйруктарга" кулап кетет. Биздин учурда тыйын чабуу – бул өлчөө.
Кванттык системаларды түзүү үчүн башка объектилер менен чырмалышат
Бул тыйын менен кыйын, бирок аракет кылалы. Элестеткиле, биз үч тыйын ыргыттык, алар бири-бирине жабышып айланышат, бул тыйындар менен жонглёрлук кылуу. Убакыттын ар бир көз ирмеминде алардын ар бири мамлекеттердин суперпозициясында гана болбостон, бул мамлекеттер бири-бирине таасир этет (монеталар кагылышат).
Клондобогон теореманы канааттандырат (объекттин абалын көчүрүү мүмкүн эмес)
Монеталар учуп, айланып жатканда, системадан бөлөк монеталардын биринин айлануу абалынын көчүрмөсүн түзө албайбыз. Система өз ичинде жашайт жана тышкы дүйнөгө кандайдыр бир маалыматты чыгарууга абдан кызганат.
Концепциянын өзү жөнүндө дагы бир нече сөз "суперпозициялар", дээрлик бардык макалаларда суперпозиция катары түшүндүрүлөт "Бир эле учурда бардык штаттарда", бул, албетте, туура, бирок кээде керексиз чаташтырып. Мамлекеттердин суперпозициясын ошондой эле убакыттын ар бир көз ирмеминде кванттык объекттин анын ар бир чек ара деңгээлине түшүп кетүүнүн белгилүү бир ыктымалдыгы бар жана жалпысынан бул ыктымалдыктар табигый түрдө 1ге барабар.. Кийинчерээк, кубитти карап жатканда, биз бул жөнүндө кененирээк токтолобуз.
Монеталар үчүн муну элестетүүгө болот - баштапкы ылдамдыгына, ыргытуу бурчуна, монета учуп жаткан чөйрөнүн абалына жараша, ар бир көз ирмемде "баштарды" же "куйрукту" алуу ыктымалдыгы ар кандай болот. Жана, мурда айтылгандай, мындай учуучу монетанын абалын "бир эле учурда анын бардык чек ара мамлекеттеринде болуу, бирок аларды ишке ашыруунун ар кандай ыктымалдыгы менен" элестетүүгө болот.
Жогорудагы касиеттерге жооп берген жана биз түзүп, башкара ала турган ар кандай объект кванттык компьютерде маалымат алып жүрүүчү катары колдонулушу мүмкүн.
Бир аз андан ары кубиттерди кванттык объекттер катары физикалык ишке ашыруунун учурдагы абалы жана илимпоздор бул мүмкүнчүлүктө эмнени колдонуп жаткандыгы жөнүндө сүйлөшөбүз.
Ошентип, үчүнчү касиет кванттык объекттер кванттык системаларды түзүү үчүн чырмалышып калышы мүмкүн деп айтылат. Кванттык система деген эмне?
Кванттык система — төмөнкү касиеттерге ээ болгон чырмалышкан кванттык объекттердин системасы:
- Кванттык система өзү турган объекттердин бардык мүмкүн болгон абалдарынын суперпозициясында болот
- Өлчөө учуруна чейин системанын абалын билүү мүмкүн эмес
- Өлчөө учурунда система анын чек ара мамлекеттеринин мүмкүн болгон варианттарынын бирин ишке ашырат
(жана, бир аз алдыга карап)
Кванттык программалар үчүн жыйынтык:
- Кванттык программа киргизүүдө системанын берилген абалына, ичиндеги суперпозицияга, чыгууда суперпозицияга ээ.
- Өлчөөдөн кийин программанын чыгышында системанын мүмкүн болуучу акыркы абалдарынын биринин ыктымалдык ишке ашырылышы (плюс мүмкүн болгон каталар)
- Ар кандай кванттык программанын мору архитектурасы бар (киргизүү -> чыгаруу. Эч кандай цикл жок, процесстин ортосунда системанын абалын көрө албайсыз.)
Кванттык компьютер менен кадимки компьютерди салыштыруу
Эми кадимки компьютер менен кванттык компьютерди салыштырып көрөлү.
| кадимки компьютер | Кванттык компьютер | |
|
логика
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
токойчуга
|
Жарым өткөргүчтүү транзистор | Кванттык объект |
|
Медиа алып жүрүүчү
|
Чыңалуу деңгээли | Поляризация, айлануу,… |
|
иш
|
ЭМЕС, ЖАНА, ЖЕ, XOR биттердин үстүнөн | Клапандар: CNOT, Хадамард,… |
|
Мамиле
|
Жарым өткөргүч чип | Бири-бири менен баш аламандык |
|
Алгоритмдер
|
Стандарттык (караңыз Камчы) | Өзгөчөлүктөр (Шор, Гровер) |
|
принцип
|
Санариптик, детерминисттик | Аналогдук, ыктымалдык |
Логикалык деңгээл
Кадимки компьютерде бул бир аз. Бизге жакшы белгилүү детерминисттик бит. 0 же 1 маанилерин ала алат. Ал ролду мыкты аткарат логикалык бирдик кадимки компьютер үчүн, бирок абалды сүрөттөө үчүн таптакыр жараксыз кванттык объект, бул, биз айтып өткөндөй, жапайы жаратылышта жайгашканалардын чек ара мамлекеттеринин суперпозициялары.
Мына ушуларды ойлоп табышты . Анын чек ара штаттарында ал 0 жана 1ге окшош абалдарды ишке ашырат , жана суперпозицияда билдирет анын чек ара мамлекеттери боюнча ыктымалдык бөлүштүрүү |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1а жана б билдирет , жана алардын модулдарынын квадраттары чек ара мамлекеттеринин так ушундай маанилерин алуунун реалдуу ыктымалдыгы болуп саналат. |0> и |1>, эгерде сиз азыр кубитти өлчөө менен кыйратсаңыз.
Физикалык катмар
Өнүктүрүүнүн азыркы технологиялык деңгээлинде кадимки компьютер үчүн биттин физикалык ишке ашырылышы болуп саналат жарым өткөргүчтүү транзистор, квант үчүн, биз жогоруда айткандай, кандайдыр бир кванттык объект. Кийинки бөлүмдө биз азыркы учурда кубиттер үчүн физикалык медиа катары колдонулган нерселер жөнүндө сүйлөшөбүз.
Сактагыч орто
Кадимки компьютер үчүн бул электр тогу - чыңалуунун деңгээли, токтун болушу же жоктугу ж.б., квант үчүн - бирдей кванттык объектинин абалы суперпозиция абалында болушу мүмкүн (поляризация багыты, спин ж.б.).
иш
Кадимки компьютерде логикалык схемаларды ишке ашыруу үчүн биз белгилүү колдонобуз , Qubits боюнча операциялар үчүн ал деп аталган операциялардын такыр башка системасын ойлоп табуу керек болчу . Гейтс канча кубитке айландырылып жатканына жараша бир-кубит же эки-кубит болушу мүмкүн.
Кванттык дарбазалардын мисалдары:
бир түшүнүк бар универсалдуу клапан топтому, алар ар кандай кванттык эсептөөлөрдү жүргүзүү үчүн жетиштүү. Мисалы, универсалдуу топтомго Хадамард дарбазасы, фазалык алмашуу дарбазасы, CNOT дарбазасы жана π⁄8 дарбазасы кирет. Алардын жардамы менен сиз кубиттердин ыктыярдуу топтомунда каалаган кванттык эсептөөлөрдү жүргүзө аласыз.
Бул макалада биз кванттык дарбазалар системасы боюнча кененирээк токтолбойбуз, алар жана кубиттердеги логикалык операциялар жөнүндө көбүрөөк окуй аласыз, мисалы, . Эсте турган негизги нерсе:
- Кванттык объектилер боюнча операциялар жаңы логикалык операторлорду (кванттык дарбазаларды) түзүүнү талап кылат.
- Кванттык дарбазалар бир-кубит жана эки-кубит түрлөрү болот.
- Каалаган кванттык эсептөөлөрдү жүргүзүү үчүн колдонула турган дарбазалардын универсалдуу топтому бар
Мамиле
Бир транзистор биз үчүн таптакыр пайдасыз, эсептөөлөрдү жүргүзүү үчүн биз көптөгөн транзисторлорду бири-бирине туташтырышыбыз керек, башкача айтканда, миллиондогон транзисторлордон логикалык схемаларды кура турган жарым өткөргүч чипти түзүү; жана, акыры, классикалык түрдө заманбап процессорду алуу.
Бир кубит да биз үчүн таптакыр пайдасыз (жакшы, эгер академиялык түрдө гана),
эсептөөлөрдү жүргүзүү үчүн бизге кубиттер системасы керек (кванттык объекттер)
бул, биз жогоруда айткандай, кубиттерди бири-бири менен чаташтыруу менен түзүлгөн, ошондуктан алардын абалынын өзгөрүшү макулдашылган түрдө болот.
Алгоритмдер
Адамзат ушул күнгө чейин топтогон стандарттуу алгоритмдер кванттык компьютерде ишке ашырууга таптакыр жараксыз. Ооба, жалпысынан кереги жок. Кубиттердин үстүнөн дарбаза логикасына негизделген кванттык компьютерлер такыр башка алгоритмдерди, кванттык алгоритмдерди түзүүнү талап кылат. Эң белгилүү кванттык алгоритмдердин ичинен үчөөнү бөлүп көрсөтүүгө болот:
- (факторизация)
- (тартипсиз маалымат базасында тез издөө)
- (суроого жооп, туруктуу же тең салмактуу функция)
принцип
Ал эми эң негизги айырмачылык - иштөө принциби. Стандарттык компьютер үчүн бул санариптик, катуу детерминисттик принцип, эгерде биз системанын кандайдыр бир баштапкы абалын орнотуп, аны берилген алгоритм аркылуу өткөрсөк, анда бул эсептөөнү канча жолу жүргүзсөк да, эсептөөлөрдүн натыйжасы бирдей боло тургандыгына негизделген. Чынында, бул жүрүм-турум компьютерден күткөн нерсе.
Кванттык компьютер иштейт аналогдук, ыктымалдык принцип. Берилген баштапкы абалдагы алгоритмдин натыйжасы болуп саналат ыктымалдык бөлүштүрүүнүн үлгүсү Алгоритмдин акыркы ишке ашырылышы жана мүмкүн болуучу каталар.
Кванттык эсептөөнүн мындай ыктымалдык мүнөзү кванттык дүйнөнүн өтө ыктымалдык маңызы менен шартталган. "Кудай аалам менен ойнобойт.", - деди эски Эйнштейн, бирок буга чейин болгон бардык эксперименттер жана байкоолор (азыркы илимий парадигмада) мунун тескерисин тастыктайт.
Кубиттердин физикалык ишке ашырылышы
Жогоруда айтылгандай, кубит кванттык объект, башкача айтканда, жогоруда сүрөттөлгөн кванттык касиеттерди ишке ашыруучу физикалык объект менен көрсөтүлүшү мүмкүн. Башкача айтканда, болжол менен айтканда, эки абал бар жана бул эки абал суперпозиция абалында болгон ар кандай физикалык объект кванттык компьютерди куруу үчүн колдонулушу мүмкүн.
«Эгер биз атомду эки башка деңгээлге салып, аларды башкара алсак, анда сизде кубит бар. Эгер биз муну ион менен жасай алсак, анда бул кубит. Бул ток менен бирдей. Эгер биз аны бир эле учурда саат жебеси боюнча жана ага каршы иштетсек, сизде кубит болот.
бар к , анда кубиттин физикалык ишке ашырууларынын учурдагы ар түрдүүлүгү кененирээк каралат, биз жөн гана эң белгилүү жана кеңири таралганын тизмектеп чыгабыз:
- жана башка көптөгөн экзотикалык идеялар (аниондор ж.б.)
Бул ар түрдүүлүктүн ичинен эң өнүккөнү кубиттерди алуунун биринчи ыкмасы болуп саналат . , , жана башка алдыңкы оюнчулар аны системаларын куруу үчүн колдонушат.
Мейли, көбүрөөк оку мүмкүн кубиттерден .
Негиздер. Кванттык компьютер кантип иштейт
Бул бөлүмдүн материалдары (тапшырма жана сүрөттөр) макаладан алынды .
Ошентип, бизде төмөнкү тапшырма бар деп элестетиңиз:
Үч адамдан турган топ бар: (А)ндрей, (Б)олодя жана (В)ережа. Эки такси бар (0 жана 1).
Ошондой эле белгилүү:
- (А)ндрей, (Б)олодя достор
- (А)ндрей, (В)ережа душмандар
- (Б)олодя менен (С)ережа душман
Тапшырма: Адамдарды таксиге отургузгула Макс (достор) и Мин(душмандар)
баалоо: L = (достордун саны) - (душмандардын саны) ар бир турак-жай тандоосу үчүн
МААНИЛҮҮ: Эвристика жок деп ойлосок, оптималдуу чечим жок. Бул учурда, маселени толук издөө менен гана чечүүгө болот.
Кадимки компьютерде чечим
Кадимки (супер) компьютерде (же кластерде) бул маселени кантип чечүү керек - бул түшүнүктүү бардык мүмкүн болгон варианттарды карап чыгышыңыз керек. Эгерде бизде мультипроцессордук система болсо, анда биз бир нече процессорлор боюнча чечимдерди эсептөөнү параллелдештирип, андан кийин жыйынтыктарды чогулта алабыз.
Бизде турак жайдын 2 варианты бар (такси 0 жана такси 1) жана 3 киши. Чечим мейкиндиги 2 ^ 3 = 8. Сиз калькулятордун жардамы менен 8 варианттан өтсөңүз болот, бул көйгөй эмес. Эми маселени татаалдаштырып көрөлү - бизде 20 адам жана эки автобус бар, чечүү мейкиндиги 2^20 = 1. Эч нерсе татаал эмес. Келгиле, адамдардын санын 2.5 эсеге көбөйтөлү - 50 киши жана эки поезд алып, чечүү мейкиндиги азыр 2^50 = 1.12 x 10^15. Кадимки (супер) компьютерде олуттуу көйгөйлөр жарала баштады. Элдин санын 2 эсеге көбөйтөлү, 100 киши бизге берет 1.2 x 10^30 мүмкүн болгон варианттар.
Бул, бул милдетти акылга сыярлык убакыттын ичинде эсептөө мүмкүн эмес.
Суперкомпьютерди туташтыруу
Учурда эң күчтүү компьютер 1-орунда турат ал , өндүрүмдүүлүгү 122 . Келгиле, бир вариантты эсептөө үчүн 100 операция керек деп коёлу, андан кийин 100 адамга маселени чечүү үчүн бизге керек болот:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 жыл.
Биз көрүп тургандай, баштапкы маалыматтардын өлчөмү көбөйгөн сайын, чечим мейкиндиги күч мыйзамына ылайык өсөт, жалпы учурда, N бит үчүн бизде 2^N мүмкүн болгон чечим варианттары бар, алар салыштырмалуу кичине N (100) үчүн бизге эсептелбеген (учурдагы технологиялык деңгээлде) чечим мейкиндигин берет.
Альтернатива барбы? Сиз ойлогондой, ооба, бар.
Бирок кванттык компьютерлер ушул сыяктуу көйгөйлөрдү кантип жана эмне үчүн эффективдүү чече аларын түшүнүүдөн мурун, алардын эмне экенин кыскача карап көрөлү. ыктымалдык бөлүштүрүү. Коркпоңуз, бул карап чыгуу макаласы, бул жерде эч кандай кыйын математика болбойт, биз классикалык мисалды баштык жана шарлар менен жасайбыз.
Бир аз комбинаторика, ыктымалдуулук теориясы жана кызыктай экспериментатор
Кел, баштык алып, ичине салалы 1000 ак жана 1000 кара шарлар. Эксперимент жасайбыз – топту чыгарып, түсүн жазып, топту баштыкка кайтарып, баштыктагы шарларды аралаштырабыз.
Эксперимент 10 жолу жасалган, 10 кара шарды чыгарды. Болушу мүмкүн? Абдан. Бул үлгү бизге баштыктагы чыныгы бөлүштүрүү жөнүндө акылга сыярлык түшүнүк береби? Албетте, жок. Эмне кылуу керек - туура, бэкспериментти миллион жолу кайталап, ак жана кара шарлардын жыштыгын эсептеп чык. Биз, мисалы, алабыз 49.95% кара жана 50.05% ак. Бул учурда, биз тандап алган бөлүштүрүүнүн түзүмү (бир топту алып) мурунтан эле аздыр-көптүр айкын.
Эң негизгиси ушуну түшүнүү эксперименттин өзү ыктымалдык мүнөзгө ээ, бир үлгү (шар) менен биз бөлүштүрүүнүн чыныгы түзүмүн биле албайбыз, экспериментти көп жолу кайталашыбыз керек жана натыйжаларды орточо.
Аны сумкабызга кошуп алалы 10 кызыл жана 10 жашыл шар (каталар). Экспериментти 10 жолу кайталайлы. IN5 кызыл жана 5 жашыл сууруп чыкты. Болушу мүмкүн? Ооба. Биз чыныгы бөлүштүрүү жөнүндө бир нерсе айта алабыз - Жок. Эмне кылуу керек - жакшы түшүнөсүң.
Ыктымалдуулуктун бөлүштүрүлүшүнүн структурасын түшүнүү үчүн бул бөлүштүрүүнүн айрым натыйжаларын кайра-кайра тандап алуу жана натыйжаларды орточо алуу зарыл.
Теорияны практика менен байланыштыруу
Эми ак-кара топтун ордуна бильярд топторун алып баштыкка салалы 1000 саны менен 2 шар, 1000 саны менен 7 жана башка сандар менен 10 шар. Эң жөнөкөй аракеттерге үйрөтүлгөн экспериментаторду элестетип көрөлү (топту алып чыгуу, санды жазуу, топту кайра баштыкка салуу, пакеттерди баштыкка аралаштыруу) жана ал муну 150 микросекундда жасайт. Ооба, ылдамдык боюнча мындай экспериментатор (дары жарнамасы эмес !!!). Ошондо 150 секунданын ичинде ал биздин экспериментти 1 миллион жолу жасай алат жана бизге орточо натыйжаларды бергиле.
Алар экспериментаторду отургузуп, баштык берип, артка бурулуп, 150 секунд күтүштү жана алды:
саны 2 - 49.5%, 7 саны - 49.5%, калган сандар жалпысынан - 1%.
Ооба бардыгы туура, биздин сумка – бул биздин көйгөйдү чечкен алгоритми бар кванттык компьютер, жана шарлар мүмкүн болгон чечимдер. Эки туура чечим бар болгондуктан, анда кванттык компьютер бизге бул мүмкүн болгон чечимдердин баарын бирдей ыктымалдуулук менен жана 0.5% (10/2000) каталарды берет., бул тууралуу кийинчерээк сүйлөшөбүз.
Кванттык компьютердин натыйжасын алуу үчүн бир эле киргизилген маалымат топтомунда кванттык алгоритмди бир нече жолу иштетип, натыйжаны орточо алышыңыз керек.
Кванттык компьютердин масштабдуулугу
Эми 100 адам катышкан тапшырманы элестетиңиз (чечим мейкиндиги 2^100 биз муну эстейбиз), ошондой эле эки гана туура чечим бар. Андан кийин, эгерде биз 100 кубит алып, бул кубиттердин үстүнөн биздин максаттуу функциябызды (L, жогоруда караңыз) эсептеген алгоритмди жазсак, анда биз биринчи туура жооптун номери менен 1000 шар турган баштыкка ээ болобуз. экинчи туура жооптун саны жана башка сандар менен 1000 шар. Жана ошол эле 150 секунданын ичинде биздин экспериментатор бизге туура жооптордун ыктымалдык бөлүштүрүлүшүнө баа берет.
Кванттык алгоритмдин аткарылуу убактысын (айрым божомолдор менен) чечим мейкиндигинин өлчөмүнө (1^N) карата туруктуу O(2) деп кароого болот.
Бул так кванттык компьютердин касиети - иштөө убактысынын туруктуулугу чечүүчү мейкиндиктин күч-кубат мыйзам татаалдыгына байланыштуу.
Кубит жана параллелдүү дүйнөлөр
Бул кантип болот? Кванттык компьютерге эсептерди мынчалык тез жүргүзүүгө эмне мүмкүндүк берет? Мунун баары кубиттин кванттык табияты жөнүндө.
Карачы, биз кубит кванттык объект сыяктуу деп айттык байкалганда анын эки абалынын бирин түшүнөт, бирок "жапайы жаратылышта" ал мамлекеттердин суперпозициялары, башкача айтканда, ал бир эле учурда эки чектик абалда (бир аз ыктымалдуулук менен) болот.
кабыл алуу (А) ндрея жана анын абалын (кайсы унаада - 0 же 1) кубит катары элестетиңиз. Анда бизде (кванттык мейкиндикте) эки параллелдүү дүйнө, биринде (ЖАНА) таксиде отурат 0, башка дүйнөдө - таксиде 1. Бир убакта эки таксиде, бирок байкоо учурунда алардын ар биринде аны табуу ыктымалдыгы менен.
кабыл алуу (Б) жаш ошондой эле анын абалын кубит катары элестетип көрөлү. Дагы эки параллелдүү дүйнө пайда болот. Бирок азыр бул жуп дүйнөлөр (ЖАНА) и (AT) такыр аралашпаңыз. түзүү үчүн эмне кылуу керек байланыштуу системасы? Туура, бизге бул кубаттар керек байлоо (чаташтыруу). Биз аны алып, чаташтырабыз (А) менен (Б) — биз эки кубиттен турган кванттык системаны алабыз (A, B), өз ичинде төрт өз ара көз каранды параллелдүү дүйнөлөр. кошуу (С)ергей жана биз үч кубаттан турган системаны алабыз (ABC), ишке ашыруу сегиз өз ара көз каранды параллелдүү дүйнөлөр.
Кванттык эсептөөнүн маңызы (байланышкан кубиттердин тутумунун үстүнөн кванттык дарбазалардын чынжырын ишке ашыруу) эсептөө бардык параллелдүү ааламдарда бир убакта ишке ашуусу.
Бизде алардын канчасы бар экендиги маанилүү эмес, 2^3 же 2^100, кванттык алгоритм бул параллелдүү дүйнөлөрдүн бардыгында чектүү убакытта аткарылат жана бизге натыйжа берет, ал алгоритмдин жоопторунун ыктымалдык бөлүштүрүлүшүнүн үлгүсү.
Жакшыраак түшүнүү үчүн, муну элестете алабыз кванттык деңгээлдеги кванттык компьютер 2^N параллелдүү чечүү процесстерин иштетет, алардын ар бири бир мүмкүн болгон вариантта иштейт, андан кийин иштин жыйынтыгын чогултат - жана бизге чечимдин суперпозициясы түрүндө жооп берет (жооптордун ыктымалдык бөлүштүрүлүшү), андан биз ар бир жолу бирден тандап алабыз (ар бир эксперимент үчүн).
Биздин экспериментатор талап кылган убакытты унутпаңыз (150 мкс) эксперимент жүргүзүү үчүн, бул бизге кванттык компьютерлердин негизги көйгөйлөрү жана декогеренция убактысы жөнүндө сөз кылганда бир аз көбүрөөк пайдалуу болот.
Кванттык алгоритмдер
Жогоруда айтылгандай, экилик логикага негизделген кадимки алгоритмдер кванттык логиканы (кванттык дарбазаларды) колдонгон кванттык компьютерге колдонулбайт. Ал үчүн эсептөөнүн кванттык табиятына мүнөздүү болгон потенциалды толугу менен пайдаланган жаңыларын ойлоп табуу зарыл болгон.
Бүгүнкү күндө эң белгилүү алгоритмдер:
Классикалык компьютерлерден айырмаланып, кванттык компьютерлер универсалдуу эмес.
Азырынча кванттык алгоритмдердин аз гана саны табылган.
Спасибо шилтеме үчүн , автордун айтымында (), кванттык-алгоритмдик дүйнөнүн эң мыкты өкүлдөрү топтолду жана топтоону улантууда.
Бул макалада биз кванттык алгоритмдерди майда-чүйдөсүнө чейин талдабайбыз.
Шордун алгоритми.
Эң белгилүү кванттык алгоритм (1994-жылы англиялык математик ойлоп тапкан ), ал сандарды жөнөкөй көбөйтүүчүлөргө факторлоштуруу маселесин чечүүгө багытталган (бөлүштүрүү маселеси, дискреттик логарифм).
Дал ушул алгоритм, алар сиздин банк тутумдарыңыз жана сырсөздөрүңүз жакында бузулат деп жазганда мисал катары келтирилет. Бүгүнкү күндө колдонулган ачкычтардын узундугу 2048 биттен кем эмес экенин эске алсак, капкак үчүн убакыт келе элек.
Бүгүнкү күндө жупунураак. Шордун алгоритми менен эң мыкты факторизация натыйжалары - Сандар и , бул 2048 биттен алда канча аз. Таблицадан калган жыйынтыктар үчүн башка эсептөөлөр, бирок ал тургай, бул алгоритм боюнча мыкты натыйжа (291311) реалдуу колдонуу абдан алыс.
Сиз Шордун алгоритми жөнүндө көбүрөөк окуй аласыз, мисалы,. практикалык ишке ашыруу жөнүндө - .
Ичинен бирөө татаалдыгы жана 2048 биттик санды эсепке алуу үчүн талап кылынган күч менен компьютер . Тынч уктайбыз.
Гровердин алгоритми
- санап чыгуу маселесин чечүү, башкача айтканда, теңдеменин чечүү жолун табуу F(X) = 1, бул жерде F от n өзгөрмөлөр. Америкалык математик тарабынан сунушталган в .
Табуу үчүн Гровердин алгоритмин колдонсо болот и сандар сериясы. Мындан тышкары, аны чечүү үчүн колдонсо болот көптөгөн мүмкүн болгон чечимдердин арасынан толук издөө аркылуу көйгөйлөр. Бул классикалык алгоритмдерге салыштырмалуу ылдамдыктын олуттуу жогорулашына алып келиши мүмкүн, бирок "" Жалпысынан.
Сиз көбүрөөк окуй аласызже ... дагы Алгоритмдин кутулардын жана топтун мисалында жакшы түшүндүрмө бар, бирок, тилекке каршы, эч кимден көз каранды болбогон себептерден улам, бул сайт мен үчүн Россиядан ачылбайт. Эгер бар болсо да бөгөттөлгөн, ошондуктан бул жерде кыскача корутунду:
Гровердин алгоритми. Сизде N даана номерленген жабык кутулар бар деп элестетиңиз. Алардын баары бош, бирөөнөн башкасы, ичинде топ бар. Сиздин милдет: шар жайгашкан кутучанын номерин табыңыз (бул белгисиз сан көбүнчө w тамгасы менен белгиленет).
Бул маселени кантип чечүү керек? Эң келесоо жол – кезек менен кутуларды ача берүү, эртеби-кечпи топ менен кутуга туш болосуң. Топу бар куту табылганга чейин орто эсеп менен канча кутучаны текшерүү керек? Орточо алганда, N/2 кутучаларынын жарымына жакынын ачуу керек. Бул жерде эң негизгиси, кутулардын санын 100 эсеге көбөйтсө, анда шары бар куту табылганга чейин ачыла турган кутулардын орточо саны да ошол эле 100 эсеге көбөйөт.
Эми дагы бир түшүндүрмө берели. Келгиле, кутуларды өзүбүз колубуз менен ачпай, ар биринде топ бар-жогун текшербейли, бирок белгилүү бир ортомчу бар, аны Oracle деп коёлу. Биз Oracleга айтабыз, "текшерүү кутучасынын номери 732" жана Oracle чынчылдык менен текшерип, "№732 кутучада шар жок" деп жооп берет. Эми орто эсеп менен канча кутуча ачуу керек деп айтуунун ордуна, "топ менен кутучанын номерин табуу үчүн орто эсеп менен канча жолу Oracleга барышыбыз керек" деп айтабыз.
Көрсө, кутучалар, шар жана Oracle менен болгон бул маселени кванттык тилге которсок, укмуштуудай жыйынтыкка ээ болобуз: N кутучанын арасынан шары бар кутунун санын табуу үчүн, SQRT жөнүндө гана Oracle-ды бузуу керек. (N) жолу!
Башкача айтканда, Гровердин алгоритмин колдонуу менен издөө тапшырмасынын татаалдыгы убакыттын квадрат тамырына азаят.
Deutsch-Jozi алгоритми
Deutsch-Jozsa алгоритми (Deutsch-Jozsa алгоритми деп да аталат) - [кванттык алгоритм](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , жана аткарыла турган алгоритмдердин алгачкы мисалдарынын бири болуп калды . _
Deutsch-Jozsi маселеси бир нече экилик өзгөрмөлүү F(x1, x2, ... xn) функциясынын туруктуу (ар бир аргумент үчүн 0 же 1 маанисин алат) же тең салмактуу (ал алган домендин жарымы үчүн) экендигин аныктоо болуп саналат. мааниси 0, калган жарымы үчүн 1). Мында функциянын туруктуу же тең салмактуу экендиги белгилүү априори деп эсептелет.
Сиз да окуй аласыз . Жөнөкөй түшүндүрмө:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) алгоритми орой күчкө негизделген, бирок аны адаттагыдан тезирээк аткарууга мүмкүндүк берет. Элестеткиле, үстөлдүн үстүндө бир тыйын бар жана сиз анын жасалма же жасалма экенин билишиңиз керек. Бул үчүн, сиз тыйынды эки жолу карап, аныкташыңыз керек: "баштар" жана "куйруктар" чыныгы, эки "баш", эки "куйрук" жасалма. Демек, эгерде сиз Deutsch кванттык алгоритмин колдонсоңуз, анда бул аныктоону бир карап чыгуу менен жасоого болот - өлчөө.
Кванттык компьютерлердин маселелери
Кванттык компьютерлерди долбоорлоодо жана иштетүүдө окумуштуулар жана инженерлер бүгүнкү күнгө чейин ар кандай деңгээлдеги ийгилик менен чечилген көптөгөн көйгөйлөргө туш болушат. Ылайык () көйгөйлөрдүн төмөнкү сериясын аныктоого болот:
- Айлана-чөйрөгө сезгичтик жана айлана-чөйрө менен өз ара аракеттенүү
- Эсептөөлөр учурунда каталардын топтолушу
- Кубит абалын инициализациялоодогу кыйынчылыктар
- Мульти-кубит системаларын түзүүдөгү кыйынчылыктар
Мен макаланы окууну сунуштайм "”, өзгөчө ага комментарийлер.
Келгиле, бардык негизги көйгөйлөрдү үч чоң топко бөлүп, алардын ар бирине кененирээк токтололу:
Декогеренция
.
Кванттык абал абдан назик нерсечырмалышкан абалда кубиттер өтө туруксуз, кандайдыр бир тышкы таасир бул байланышты жок кыла алат (жана кылат).. Температуранын эң кичине даражага өзгөрүшү, басым, жакын жерде учкан туш келди фотон – мунун баары системабызды туруксуздаштырууда.
Бул маселени чечүү үчүн төмөнкү температурадагы саркофагдар курулат, аларда температура (-273.14 градус Цельсий) абсолюттук нөлдөн бир аз жогору, процессор менен ички камера тышкы чөйрөнүн бардык (мүмкүн) таасиринен максималдуу изоляцияланган.
Бир нече чырмалышкан кубиттерден турган кванттык системанын максималдуу иштөө мөөнөтү, анын ичинде ал өзүнүн кванттык касиеттерин сактап калат жана эсептөөлөр үчүн колдонулушу мүмкүн, декогеренция убактысы деп аталат.
Учурда эң мыкты кванттык чечимдерде декогеренттүүлүк убактысы төмөнкүдөй ондогон жана жүздөгөн микросекунддар.
Керемет бар кайда караса болот бардык түзүлгөн кванттык системалардын. Бул макалада мисал катары эки гана мыкты процессор камтылган - IBMден жана . Көрүнүп тургандай, декогеренция убактысы (T2) 200 мкс ашпайт.
Мен Sycamore боюнча так маалыматтарды таба алган жокмун, бирок көбү эки саны берилет - 1 секунданын ичинде 200 миллион эсептөө, башка жерде - үчүн башкаруу сигналдарын жоготпостон 130 секунд, ж.б.. Кандай болбосун, бул бизге берет декогеренция убактысы болжол менен 150 мкс. Биздин эсте баштык менен экспериментатор? Ооба, ал бул жерде.
| Компьютердин аты | N Qubits | Макс жупташтырылган | T2 (µs) |
| IBM Q системасы One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Декогерация бизди эмне менен коркутат?
Негизги маселе 150 мкс кийин биздин N чырмалышкан кубиттерден турган эсептөө тутумубуз туура чечимдерди ыктымалдык бөлүштүрүүнүн ордуна ыктымалдык ак ызы-чууну чыгара баштайт.
Башкача айтканда, бизге керек:
- Кубит системасын инициализациялоо
- Эсептөө жүргүзүү (дарбаза операцияларынын тизмеги)
- Жыйынтыгын окуу
Жана мунун баарын 150 микросекундда аткарыңыз. Менде убакыт болгон жок - натыйжа ашкабакка айланды.
Бирок бул баары эмес…
укуктарынын каталары
Биз айткандай, кванттык процесстер жана кванттык эсептөөлөр табияты боюнча ыктымалдуу, биз эч нерсеге 100% ишене албайбыз, бирок кандайдыр бир ыктымалдуулук менен гана. абалды ого бетер курчутуп жатат кванттык эсептөө катага жакын. Кванттык эсептөөлөрдөгү каталардын негизги түрлөрү:
- Декогеренттик каталар системанын татаалдыгынан жана тышкы чөйрө менен өз ара аракеттенүүсүнөн келип чыгат
- Gate эсептөө каталары (эсептөөнүн кванттык мүнөзүнө байланыштуу)
- Акыркы абалды окуудагы каталар (натыйжа)
Декогеренция менен байланышкан каталар, биз кубиттерибизди ороп, эсептөөлөрдү жүргүзө баштаганда эле пайда болот. Канчалык көп кубиттерди бириктирсек, система ошончолук татаал, жана аны жок кылуу ошончолук жеңил болот. Төмөн температурадагы саркофагдар, корголгон камералар, бул технологиялык трюктар так каталардын санын кыскартууга жана декогеренция убактысын узартууга багытталган.
Gate эсептөө каталары - кубиттердеги ар кандай операция (дарбаза) кандайдыр бир ыктымалдуулук менен ката менен аякташы мүмкүн жана алгоритмди ишке ашыруу үчүн биз жүздөгөн дарбазаларды аткарышыбыз керек, ошондуктан биздин алгоритмдин аткарылышынын аягында эмнеге ээ болорун элестетип көргүлө. Суроого классикалык жооп: "Лифтте динозаврга жолугуу ыктымалдыгы кандай?" - 50х50, же жолугасың, же жокпу.
Каталарды оңдоонун стандарттык методдору (эсептөөлөрдү кайталоо жана орточо алуу) клондоштуруусуз теоремадан улам кванттык дүйнөдө иштебей тургандыгы көйгөйдү ого бетер курчутат. үчүн кванттык эсептөөдө ойлоп табуу керек болчу . Болжол менен айтканда, биз N кадимки кубитти алып, алардын 1ин жасайбыз логикалык кубит төмөн ката ылдамдыгы менен.
Бирок бул жерде дагы бир көйгөй пайда болот - кубиттердин жалпы саны. Караңыз, бизде 100 кубити бар процессор бар дейли, анын 80 кубити каталарды оңдоо үчүн колдонулат, анда бизде эсептөөлөр үчүн 20сы гана калды.
Акыркы жыйынтыкты окуудагы каталар — эсибизде тургандай, кванттык эсептөөлөрдүн жыйынтыгы бизге формада көрсөтүлөт жооптордун ыктымалдыгын бөлүштүрүү. Бирок акыркы абалды окуу да ката менен ишке ашпай калышы мүмкүн.
Ошол эле боюнча Ката деңгээли боюнча процессорлордун салыштырма таблицалары бар. Салыштыруу үчүн мурунку мисалдагыдай эле процессорлорду алалы - IBM и :
| компьютер | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Readout Fidelity |
| IBM Q системасы One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
бул эки кванттык абалдын окшоштугунун өлчөмү болуп саналат. Катанын чоңдугу болжол менен 1-Fidelity катары көрсөтүлүшү мүмкүн. Көрүнүп тургандай, 2-кубит дарбазалардагы каталар жана окуу каталары учурдагы кванттык компьютерлерде татаал жана узун алгоритмдерди аткарууга негизги тоскоолдук болуп саналат.
Сиз да окуй аласыз жылдан бери каталарды оңдоо маселесин чечүү үчүн.
Процессордун архитектурасы
Теориялык жактан биз курабыз жана иштейбиз ондогон чырмалышкан кубиттердин схемалары, чындыгында баары татаалыраак. Бар болгон бардык кванттык чиптер (процессорлор) оорутпай тургандай кылып курулган кошуналары менен гана бир кубиттин чырмалып калышы, анын ичинен алтыдан ашык эмес.
Эгерде биз 1-кубитти, айталы, 12-кубитти бириктиришибиз керек болсо, анда биз керек болот кошумча кванттык операциялардын чынжырын куруу, кошумча кубиттерди ж.б. тартат, бул жалпы ката деңгээлин жогорулатат. Ооба, жана бул жөнүндө унутпа декогерация убактысы, балким, сиз кубиттерди сизге керектүү схемага туташтырганга чейин убакыт бүтүп, бүт схема айланат. жакшы ак ызы-чуу генератор.
Муну да унутпаңыз Бардык кванттык процессорлордун архитектурасы ар түрдүү, жана эмулятордо "бардыгы үчүн баардыгы" режиминде жазылган программаны белгилүү бир чиптин архитектурасына "кайра компиляциялоо" керек болот. Ал тургай бар бул операцияны аткаруу үчүн.
Бир эле жогорку чиптер үчүн максималдуу туташуу жана кубиттердин максималдуу саны:
| Компьютердин аты | N Qubits | Макс жупташтырылган | T2 (µs) |
| IBM Q системасы One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Жана салыштыруу үчүн, мурунку муундагы процессорлордун маалыматтары менен таблица. Кубиттердин санын, декогеренция убактысын жана ката ылдамдыгын азыркы жаңы муун менен салыштырыңыз. Ошентсе да прогресс жай, бирок жылып жатат.
Ошондуктан:
- Учурда > 6 кубит менен толук туташтырылган архитектура жок
- Кубит 0 с чыныгы процессорго чаташтыруу үчүн, мисалы, qubit 15 бир нече ондогон кошумча операцияларды талап кылышы мүмкүн
- Көбүрөөк операциялар -> көбүрөөк каталар -> декогеренциянын күчтүү таасири
натыйжалары
Декогеренция заманбап кванттык эсептөөлөрдүн Прокрасттык керебети. Биз бардыгын 150 мкс га батырышыбыз керек:
- Кубиттердин баштапкы абалын инициализациялоо
- Кванттык гейттердин жардамы менен маселени эсептөө
- Маанилүү натыйжаларды алуу үчүн каталарды оңдоңуз
- Жыйынтыгын окуңуз
Азырынча жыйынтыктар кейиштүү, бирок негизинде кванттык компьютерде 0.5с когеренттүүлүктүн сакталышын талап кылат :
Биз кубит когеренттүүлүгүн 0.5 секунддан ашкан убакытты өлчөйбүз жана магниттик коргоо менен бул 1000 секунддан узунураак жакшыртат деп күтөбүз
Бул технология жөнүндө да окуй аласыз же, мисалы, .
Кырдаал татаал эсептөөлөрдү жүргүзүүдө катаны оңдоонун кванттык схемаларын колдонуу зарыл экендиги менен татаалдашат, ал дагы убакытты да, колдо болгон кубиттерди да жейт.
Акыр-аягы, заманбап архитектуралар чырмалышкан схемаларды 1ден 4кө же 1ден 6га караганда минималдуу чыгым менен ишке ашырууга жол бербейт.
Проблемаларды чечүүнүн жолдору
Жогорудагы көйгөйлөрдү чечүү үчүн учурда төмөнкү ыкмалар жана ыкмалар колдонулат:
- Төмөн температурадагы криокамераларды колдонуу (10 мК (–273,14°C))
- Тышкы таасирлерден максималдуу түрдө корголгон процессордук блокторду колдонуу
- Кванттык каталарды оңдоо системаларын колдонуу (Logic Qubit)
- Белгилүү бир процессор үчүн схемаларды программалоодо оптимизаторлорду колдонуу
Ошондой эле декогеренция убактысын көбөйтүүгө, кванттык объекттердин жаңы (жана белгилүү болгон) физикалык ишке ашырууларын издөөгө, коррекциялык схемаларды оптималдаштырууга ж.б. багытталган изилдөөлөр жүргүзүлүүдө. Прогресс бар (жогоруда мурунку жана бүгүнкү жогорку чиптердин мүнөздөмөлөрүн караңыз), бирок азырынча ал жай, абдан, өтө жай.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-кубит компьютер. Булак:
Google 53-кубит процессордун жардамы менен кванттык үстөмдүккө жетүү жөнүндө жарыялаган учурда, и кубиттердин саны миңдеген D-Wave компаниясынан бир аз чаташып турат. Ооба, чындап эле, эгерде 53 кубит кванттык үстөмдүккө жетише алган болсо, анда 2048 кубиттик компьютер эмнеге жөндөмдүү? Бирок баары жакшы эмес...
Кыскасы (викиден алынган):
ЭЭМ принцибинде иштейбиз (), оптималдаштыруу көйгөйлөрүнүн өтө чектелген субклассын чече алат жана салттуу кванттык алгоритмдерди жана кванттык дарбазаларды ишке ашыруу үчүн ылайыктуу эмес.
Сиз кененирээк окуй аласыз, мисалы, , (сак, Россиядан ачылбашы мүмкүн), же в анын . Баса, мен анын блогун жалпысынан окууну сунуштайм, ал жерде көптөгөн жакшы материалдар бар
Жалпысынан, кулактандыруулардын башынан эле илимий коомчулуктун D-Wave компьютерлери боюнча суроолору бар болчу. Мисалы, 2014-жылы IBM D-Wave экенине шек келтирген 2015-жылы Google НАСА менен биргеликте бул кванттык компьютерлердин бирин сатып алып, изилдөөдөн кийин , ооба, компьютер көйгөйдү кадимкиге караганда тезирээк иштейт жана эсептейт. Google'дун билдирүүсү тууралуу кененирээк окуй аласыз жана, мисалы, .
Негизгиси жүздөгөн жана миңдеген кубиттери бар D-Wave компьютерлерин кванттык алгоритмдерди эсептөө жана иштетүү үчүн колдонууга болбойт. Мисалы, Шордун алгоритмин аларга иштете албайсыз. Алардын колунан келгендин баары белгилүү бир оптималдаштыруу маселесин чечүү үчүн белгилүү бир кванттык механизмдерди колдонуу. Биз D-Wave белгилүү бир тапшырма үчүн кванттык ASIC деп эсептесек болот.
Кванттык компьютер эмуляциясы жөнүндө бир аз
Кванттык эсептөөлөрдү кадимки компьютерде эмуляциялоого болот. Чындыгында, :
- Кубиттин абалы болушу мүмкүн татаал сан, процессордун архитектурасына жараша 2x32ден 2x64 битке чейин (8-16 байт) ээлейт
- N туташкан кубиттердин абалы 2^N комплекстүү сандар катары көрсөтүлүшү мүмкүн, б.а. 2-бит архитектурасы үчүн 3^(32+N) жана 2-бит үчүн 4^(64+N).
- N кубиттердеги кванттык операция 2^N x 2^N матрицасы менен көрсөтүлүшү мүмкүн
Анда:
- 10 кубит эмуляцияланган абалдарды сактоо үчүн 8 КБ керектелет
- 20 кубиттик абалды сактоо үчүн сизге 8 МБ керек
- 30 кубиттик абалды сактоо үчүн 8 ГБ керек
- 40 кубиттик абалды сактоо үчүн 8 терабайт керектелет
- 50 кубиттик абалды сактоо үчүн 8 петабайт керек ж.б.
Салыштыруу учун, () болгону 2.8 петабайт эстутумга ээ.
— 49 кубит өткөн жылы эң чоң кытайлык суперкомпьютерге жеткирилген ()
Классикалык системаларда кванттык компьютерди имитациялоонун чеги кубиттердин абалын сактоо үчүн зарыл болгон оперативдүү эс тутумдун көлөмү менен аныкталат.
Мен дагы окууну сунуштайм . Ал жерден:
Иштөө боюнча - болжол менен 49 "циклден" турган 39-кубиттик схеманы так эмуляциялоо үчүн (дарбазалардын көз карандысыз катмарлары) 2^63 комплекстүү көбөйтүү - 4 саатта суперкомпьютердин 4 Pflops
Классикалык системаларда 50+ кубит кванттык компьютерди эмуляциялоо акылга сыярлык убакытта мүмкүн эмес деп эсептелет. Ушундан улам Google өзүнүн кванттык үстөмдүк эксперименти үчүн 53-кубит процессорду колдонгон.
Кванттык эсептөө үстөмдүүлүгү.
Wikipedia бизге кванттык эсептөө үстөмдүгүнүн төмөнкү аныктамасын берет:
Кванттык үстөмдүк – жөндөмдүүлүк классикалык компьютерлер иш жүзүндө чече албаган маселелерди чечүү үчүн түзүлүштөр.
Чындыгында, кванттык үстөмдүккө жетишүү, мисалы, Шор алгоритмин колдонуу менен чоң сандарды факторизациялоону адекваттуу убакытта чечүүгө же татаал химиялык молекулаларды кванттык деңгээлде эмуляциялоого жана башкаларды билдирет. Башкача айтканда, жаңы доор келди.
Бирок аныктамада кандайдыр бир мүчүлүштүктөр бар, "классикалык компьютерлер иш жүзүндө чече албайт" Чынында, бул эгер сиз 50+ кубиттен турган кванттык компьютерди түзүп, анда кандайдыр бир кванттык схеманы иштетсеңиз, анда биз жогоруда талкуулагандай, бул схеманын натыйжасын кадимки компьютерде эмуляциялоо мүмкүн эмес дегенди билдирет. Башкача айтканда классикалык компьютер мындай схеманын жыйынтыгын кайра жарата албайт.
Мындай натыйжа чыныгы кванттык үстөмдүктү түзөбү же жокпу, бул философиялык суроо. Бирок Google эмне кылганын жана ал эмнеге негизделгенин түшүнүңүз зарыл.
Google'дун кванттык үстөмдүк жөнүндө билдирүүсү
Sycamore 54-кубит процессору
Ошентип, 2019-жылдын октябрында Google иштеп чыгуучулары Nature илимий басылмасында макала жарыялашкан." Авторлор тарыхта биринчи жолу 54-кубит Sycamore процессорун колдонуу менен кванттык үстөмдүккө жетишкенин жарыялашты.
Интернеттеги Sycamore макалалары көбүнчө 54-кубит процессорго же 53-кубиттик процессорго кайрылат. чындыкка ылайык , процессор физикалык жактан 54 кубиттен турат, бирок алардын бири иштебейт жана иштен чыгарылды. Ошентип, чындыгында бизде 53-кубит процессор бар.
Ошол жерде интернетте бул тема боюнча материалдар, алардын даражасы ар кандай үчүн .
Бул тууралуу кийинчерээк IBMдин кванттык эсептөө тобу билдирди . Компания кадимки компьютер бул милдетти эң начар учурда 2,5 күндүн ичинде чечет жана натыйжада алынган жооп кванттык компьютердикине караганда так болот деп ырастоодо. Мындай тыянак оптималдаштыруунун бир нече ыкмаларын теориялык анализдөөнүн жыйынтыктарынын негизинде жасалган.
Жана албетте, менен анын Мен бул билдирүүгө көңүл бура албадым. Анын бардык шилтемелер менен бирге жана адаттагыдай эле, алар үчүн убакыт коротууга татыктуу. Хабда бул FAQ жана комментарийлерди окуп чыгууну унутпаңыз, расмий жарыяга чейин интернетте ачыкка чыккан алдын ала документтерге шилтемелер бар.
Google чынында эмне кылды? Көбүрөөк түшүнүк алуу үчүн, Ааронсонду окуп чыгыңыз, бирок бул жерде кыскача:
Мен, албетте, айта алам, бирок мен өзүмдү акылсыз сезем. Эсептөө төмөнкүдөй: экспериментатор C кокустук кванттык схемасын (б.а., жакынкы кошуналардын ортосундагы 1-кубит жана 2-кубит дарбазалардын кокус ырааттуулугу, тереңдиги, мисалы, 20, n 2D тармагында аракеттенет) түзөт. = 50-60 кубит). Андан соң экспериментатор Сти кванттык компьютерге жөнөтөт жана андан Cды баштапкы 0 абалына колдонууну, натыйжаны {0,1} негизинде өлчөөнү, n-биттик байкалган ырааттуулукту (сапты) кайра жөнөтүүнү жана бир нече кайталоону суранат. миң же миллиондогон жолу. Акырында, С боюнча өзүнүн билимин колдонуу менен, экспериментатор статистикалык тестирлөө жүргүзөт, натыйжада кванттык компьютерден күтүлгөн натыйжага дал келет.
Абдан кыскача:
- Дарбазалардын жардамы менен узундугу 20 кубиттен 53 болгон кокустук схема түзүлөт
- Схема аткаруу үчүн баштапкы абалдан [0…0] башталат
- Схеман чыгаруу кокустук бит сап болуп саналат (үлгү)
- Жыйынтыгын бөлүштүрүү кокустук эмес (кийлигишүү)
- Алынган үлгүлөрдүн бөлүштүрүлүшү күтүлгөн менен салыштырылат
- Кванттык үстөмдүктү жыйынтыктайт
Башкача айтканда, Google 53-кубиттик процессорго синтетикалык маселени ишке ашырды жана анын кванттык үстөмдүккө жетүү жөнүндөгү дооматын акылга сыярлык убакытта стандарттык системаларда мындай процессорду эмуляциялоо мүмкүн эместигине негиздейт.
Түшүнүү үчүн - Бул бөлүм Google'дун жетишкендигин эч кандай төмөндөтпөйт, инженерлер чындап эле улуу жана муну чыныгы кванттык артыкчылык катары кароого болобу же жокпу деген суроо, мурда айтылгандай, инженерияга караганда философиялык. Бирок биз мындай эсептөө артыкчылыгына жетишүү менен Шордун алгоритмин 2048 биттик сандарда иштетүү мүмкүнчүлүгүнө карай бир кадам да алдыга жыла элекпизди түшүнүшүбүз керек.
на
Кванттык компьютерлер жана кванттык эсептөөлөр маалымат технологияларынын абдан келечектүү, өтө жаш жана азырынча өнөр жайда колдонула турган чөйрөсү болуп саналат.
Кванттык эсептөөлөрдүн өнүгүшү (качандыр бир күнү) бизге маселелерди чечүүгө мүмкүндүк берет:
- Кванттык деңгээлдеги татаал физикалык системаларды моделдөө
- Эсептөө татаалдыгынан улам кадимки компьютерде чечилбейт
Кванттык компьютерлерди түзүү жана иштетүүдөгү негизги көйгөйлөр:
- Декогеренция
- Каталар (декогерация жана дарбаза)
- Процессордун архитектурасы (толугу менен туташтырылган кубит схемалары)
Учурдагы абал:
- Чынында - эң башталышы .
- Азырынча REAL коммерциялык эксплуатация жок (жана качан болоору белгисиз)
Эмне жардам бере алат:
- Процессорлорду өткөрүү жана иштетүүнүн баасын төмөндөтүүчү физикалык ачылыш
- Декогеренция убактысын чоңдук тартиби менен көбөйтө турган жана/же каталарды азайта турган нерсени табуу
Менин оюмча (жеке пикирим), Билимдин азыркы илимий парадигмасында биз кванттык технологияларды өнүктүрүүдө олуттуу ийгиликтерге жетише албайбыз, бул жерде жаңы идеяларга жана методдорго түрткү бере турган фундаменталдык же прикладдык илимдин кандайдыр бир тармагында сапаттык бурулуш керек.
Бул аралыкта биз кванттык программалоо, кванттык алгоритмдерди чогултуу жана түзүү, идеяларды сынап көрүү ж.б.у.с. тажрыйба топтоп жатабыз. Биз бурулушту күтүп жатабыз.
жыйынтыктоо
Бул макалада биз кванттык эсептөөлөрдү жана кванттык компьютерлерди өнүктүрүүнүн негизги этаптарын басып өттүк, алардын иштөө принцибин карап чыктык, кванттык процессорлорду иштеп чыгууда жана иштетүүдө инженерлердин алдында турган негизги көйгөйлөрдү карап чыктык, ошондой эле көп кубит деген эмне экенин карап чыктык. D-компьютерлер чындыгында Wave жана Google'дун кванттык үстөмдүккө жетүү жөнүндө жарыясы.
Сахна артында кванттык компьютерлерди программалоо боюнча суроолор (тилдер, ыкмалар, методдор ж.б.) жана процессорлордун конкреттүү физикалык ишке ашырылышына, кубиттер кантип башкарылат, байланыштырылат, окулат ж.б.у.с. Балким, бул кийинки макаланын же макалалардын темасы болот.
Көңүл бурганыңыз үчүн рахмат, бул макала кимдир бирөө үчүн пайдалуу болот деп ишенем.
(C)
Ыракматтар
баштапкы текст боюнча корректорлор жана комментарийлер үчүн, ошондой эле макала үчүн
боюнча маалыматка бай комментарийлер үчүн , жана ага гана эмес, бул мага бул табышмакты түшүнүүгө чоң жардам берди.
Бул макаланы жазууда материалдары колдонулган макалалардын жана басылмалардын бардык авторлоруна.
Ресурстардын тизмеси
[The National Academies Press] учурдагы маселелер боюнча макалалар
Хабрдан макалалар (кокустук иретинде)
Интернеттен сорттолбогон (бирок андан кем эмес кызыктуу) макалалар
Курстар жана лекциялар
Source: www.habr.com