Quantecomputer a Quantecomputer - nei , déi zesumme mat eisem Informatiounsraum bäigefüügt gouf , an aner High-Tech Begrëffer. Zur selwechter Zäit konnt ech ni Material um Internet fannen, dat de Puzzel a mengem Kapp genannt huet "wéi Quantecomputer funktionnéieren". Jo, et gi vill exzellent Wierker, och op Habr (kuckt. ), Kommentaren zu deenen, wéi et normalerweis de Fall ass, nach méi informativ an nëtzlech sinn, awer d'Bild a mengem Kapp, wéi se soen, huet net opgetrueden.
A viru kuerzem sinn meng Kollegen op mech komm a gefrot: "Verstitt Dir wéi e Quantecomputer funktionnéiert? Kënnt Dir eis soen?" An dunn hunn ech gemierkt, datt ech net deen eenzegen sinn, deen e Problem huet, e kohärent Bild a mengem Kapp zesummenzesetzen.
Als Resultat gouf e Versuch gemaach Informatiounen iwwer Quantecomputer ze kompiléieren an eng konsequent Logik Circuit an deem Basisniveau, ouni déif Taucht an der Mathematik an der Struktur vun der Quantewelt, gouf erkläert wat e Quantecomputer ass, op wéi eng Prinzipien en funktionnéiert a wéi eng Problemer d'Wëssenschaftler konfrontéieren wann se se kreéieren an operéieren.
Inhaltsverzeechnes
Verzichterklärung
Den Auteur ass keen Expert am Quantecomputer, an D'Zilpublikum vum Artikel ass déiselwecht IT Leit, net Quantespezialisten, déi och e Bild an hirem Kapp wëllen zesummesetzen, mam Numm "Wéi Quantecomputer funktionnéieren." Dofir si vill Konzepter am Artikel bewosst vereinfacht fir d'Quantentechnologien op engem "Basis" Niveau besser ze verstoen, awer ouni .
Den Artikel benotzt op e puer Plazen Material aus anere Quellen, . Wou et méiglech ass, ginn direkt Linken an Indikatiounen zum Originaltext, Tabell oder Figur agebaut. Wann ech eppes (oder een) iergendwou vergiess hunn, schreiwen an ech korrigéieren et.
Aféierung
An dësem Kapitel wäerte mir kuerz kucken wéi d'Quante Ära ugefaang huet, wat de motivéierende Grond fir d'Iddi vun engem Quantecomputer war, deen (wéi eng Länner a Firmen) am Moment déi féierend Spiller an dësem Beräich sinn, an och kuerz schwätzen iwwer d'Haaptrichtungen vun der Entwécklung vu Quantecomputer.
Wéi et alles begéint
Den Ausgangspunkt vun der Quantezäit gëtt als 1900 ugesinn, wéi de M. Planck fir d'éischt virgestallt huet. datt d'Energie emittéiert an net kontinuéierlech absorbéiert gëtt, mä a getrennten Quanten (Portiounen). D'Iddi gouf opgeholl an entwéckelt vu villen aussergewéinleche Wëssenschaftler vun där Zäit - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, wat schlussendlech zu der Schafung an Entwécklung vun esou enger Wëssenschaft gefouert huet wéi . Et gi vill gutt Materialien um Internet iwwer d'Bildung vun der Quantephysik als Wëssenschaft; an dësem Artikel wäerte mir net am Detail op dëst wunnen, awer et war néideg fir den Datum unzeweisen, wéi mir an déi nei Quante-Ära koumen.
D'Quantephysik huet vill Erfindungen an Technologien an eisen Alldag bruecht, ouni déi et elo schwéier ass d'Welt ronderëm eis virzestellen. Zum Beispill e Laser, deen elo iwwerall benotzt gëtt, vun Haushaltsapparater (Laserniveauen, asw.) bis High-Tech Systemer (Laser fir Visiounskorrektur, Hallo ). Et wier logesch unzehuelen datt fréier oder spéider een op d'Iddi kënnt, firwat net Quantesystemer fir Informatik benotzen. An dunn 1980 ass et geschitt.
Wikipedia weist datt déi éischt Iddi vu Quantecomputer am Joer 1980 vun eisem Wëssenschaftler Yuri Manin ausgedréckt gouf. Mä si hunn eréischt 1981 dovunner ugefaang ze schwätzen, wéi de bekannte R. Feynman , bemierkt datt et onméiglech ass d'Evolutioun vun engem Quantesystem op engem klassesche Computer op eng effizient Manéier ze simuléieren. Hien huet en elementar Modell proposéiert , déi fäeg sinn esou Modeller ze maachen.
Et gëtt eng , an deem gëtt méi akademesch an am Detail ugesinn, awer mir wäerte kuerz iwwergoen:
Wichteg Meilesteen an der Geschicht fir Quantecomputer ze kreéieren:
- [1994] Eng. P. Ufer. Entworf vum
- [1998]. Geschaf
- [2001] Eng. IBM agefouert Ausféierung fir d'Erweiderung vun der Nummer 15
- [2007-2016] Eng. erstellt an entwéckelt e Computer mat 128-2000 Qubits
- [2012]. Ëmgesat op der University of California
- [2016]. Google op engem 9-qubit Computer
- [2017] (dräi Atomer)
- [2019] . 20-Qubit Computer an der Wollek
- [2019] . 53 qubit Computer. ?
Wéi Dir gesitt, sinn 17 Joer vergaang (vun 1981 bis 1998) vum Moment vun der Iddi bis zur éischter Ëmsetzung an engem Computer mat 2 Qubits, an 21 Joer (vun 1998 bis 2019) bis de Moment wou d'Zuel vun de Qubits eropgaang ass. zu 53. Et huet 11 Joer (vun 2001 bis 2012) gedauert fir d'Resultat vum Shor Algorithmus (mir kucke méi spéit méi detailléiert) vun der Nummer 15 op 21 ze verbesseren. Ëmsetzung vun deem wat de Feynman geschwat huet, a léiere fir déi einfachst kierperlech Systemer ze modelléieren.
D'Entwécklung vu Quantecomputer ass lues. D'Wëssenschaftler an d'Ingenieure si mat ganz schwieregen Aufgaben konfrontéiert, Quantestate si ganz kuerzlieweg a fragil, a fir se laang genuch ze erhalen fir Berechnungen ze maachen, musse se fir zéngdausende Millioune Dollar Sarkophagen bauen, an deenen d'Temperatur gehale gëtt. just iwwer der absoluter Null, an déi maximal vun externen Aflëss geschützt sinn. Als nächst wäerte mir iwwer dës Aufgaben a Probleemer méi detailléiert schwätzen.
Féierung Spiller
D'Rutschen fir dës Sektioun sinn aus dem Artikel geholl , vum Fuerscher Alexey Fedorov. Loosst mech Iech direkt Zitater ginn:
All technologesch erfollegräich Länner entwéckelen de Moment aktiv Quantentechnologien. Eng rieseg Zomm Suen gëtt an dës Fuerschung investéiert, a speziell Programmer fir Quantentechnologien z'ënnerstëtzen ginn erstallt.
Net nëmme Staaten, mee och privat Firmen bedeelegen un der Quantecourse. Am Ganzen hunn Google, IBM, Intel a Microsoft viru kuerzem ongeféier 0,5 Milliarden Dollar an d'Entwécklung vu Quantecomputer investéiert a grouss Laboratoiren a Fuerschungszentren erstallt.
Et gi vill Artikelen iwwer Habré an um Internet, z.B. , и , an deem den aktuellen Zoustand mat der Entwécklung vu Quantentechnologien a verschiddene Länner méi detailléiert iwwerpréift gëtt. Den Haapt Saach fir eis elo ass, datt all féierend technologesch entwéckelt Länner a Spiller enorm Quantitéiten u Suen an Fuerschung an dëser Richtung investéieren, déi Hoffnung fir e Wee aus der aktueller technologesch impasse gëtt.
Entwécklung Richtungen
Am Moment (ech kéint falsch sinn, korrigéiert mech) sinn d'Haapt Efforten (a méi oder manner bedeitend Resultater) vun all de féierende Spiller an zwee Beräicher konzentréiert:
- Spezialiséiert Quantecomputer, déi zielt fir ee spezifesche spezifesche Problem ze léisen, zum Beispill en Optimiséierungsproblem. E Beispill vun engem Produkt ass D-Wave Quantecomputer.
- Universal Quantecomputer - déi fäeg sinn arbiträr Quantenalgorithmen ëmzesetzen (Shor, Grover, etc.). Implementatioune vun IBM, Google.
Aner Entwécklungsvektoren déi d'Quantephysik eis gëtt, wéi:
- als Basis fir
- a vill méi
Natierlech steet et och op der Lëscht vun de Beräicher fir d'Fuerschung, mä am Moment schéngt et keng méi oder manner bedeitend Resultater ze ginn.
Zousätzlech kënnt Dir liesen , gutt, google "", Zum Beispill, , и .
Grondlage. Quantenobjekt a Quantesystemer
Déi wichtegst Saach aus dëser Rubrik ze verstoen ass dat
Quantecomputer (am Géigesaz zu gewéinlech) benotzt als Informatiounsdréier Quantenobjekter, a fir Berechnungen auszeféieren, musse Quantenobjekter verbonne sinn Quantesystem.
Wat ass e Quantenobjekt?
Quantenobjekt - en Objet vun der Mikrowelt (Quantewelt) déi Quanteneigenschaften weist:
- Huet e definéierte Staat mat zwee Grenzniveauen
- Ass an enger Superpositioun vu sengem Zoustand bis zum Moment vun der Messung
- Entangles sech mat aneren Objeten fir Quantesystemer ze kreéieren
- Erfëllt den No-Klonungstheorem (den Zoustand vun engem Objet kann net kopéiert ginn)
Loosst eis all Immobilie méi detailléiert kucken:
Huet en definéierte Staat mat zwee Grenzniveauen (Ennzoustand)
E klassescht real-Welt Beispill ass eng Mënz. Et huet e "Säit" Staat, deen zwee Grenzniveauen iwwerhëlt - "Käpp" a "Schwänz".
Ass an enger Superpositioun vu sengem Zoustand bis zum Moment vun der Messung
Si hunn eng Mënz gehäit, et flitt a dréint. Wärend et rotéiert, ass et onméiglech ze soen a wéi enger vun de Grenzniveauen säin "Säit" Staat ass. Awer soubal mir et schloen an d'Resultat kucken, fällt d'Superposition vu Staaten direkt an ee vun zwee Grenzstaaten zesummen - "Käpp" a "Schwänz". Eng Mënz klappen an eisem Fall ass eng Messung.
Entangles sech mat aneren Objeten fir Quantesystemer ze kreéieren
Et ass schwéier mat enger Mënz, awer loosst eis probéieren. Stellt Iech vir, datt mir dräi Mënzen gehäit hunn, sou datt se rotéieren an sech uneneen hänken, dëst ass Jongléiere mat Mënzen. Zu all Moment vun Zäit ass net nëmmen jidderee vun hinnen an enger Superpositioun vu Staaten, mä dës Staaten beaflossen sech géigesäiteg (d'Mënzen kollidéieren).
Erfëllt den No-Klonungstheorem (den Zoustand vun engem Objet kann net kopéiert ginn)
Iwwerdeems d'Mënzen fléien a spannen, et gëtt kee Wee mir eng Kopie vun der spannen Staat vun all vun de Mënzen schafen kann, getrennt vum System. De System lieft a sech selwer an ass ganz jalous all Informatioun un d'Äussewelt ze verëffentlechen.
E puer méi Wierder iwwer d'Konzept selwer "Superpositiounen", a bal all Artikelen gëtt Superpositioun erkläert als "ass an alle Staaten zur selwechter Zäit", wat natierlech richteg ass, awer heiansdo onnéideg konfus. Eng Iwwerlagerung vu Staaten kann och virgestallt ginn als d'Tatsaach datt zu all Moment e Quantenobjekt huet et gi gewësse Wahrscheinlechkeeten fir an all seng Grenzniveauen ze kollapsen, an am Zesummenhang sinn dës Wahrscheinlechkeeten natierlech gläich wéi 1. Méi spéit, wann Dir de Qubit berücksichtegt, wäerte mir méi am Detail op dëst ophalen.
Fir Mënzen kann dëst visualiséiert ginn - ofhängeg vun der initialer Geschwindegkeet, dem Wénkel vum Toss, dem Zoustand vun der Ëmwelt an där d'Mënz fléien, zu all Moment ass d'Wahrscheinlechkeet fir "Käpp" oder "Schwänz" anescht ze kréien. A wéi virdru scho gesot, kann den Zoustand vun esou enger fléien Mënz virgestallt ginn als "an all seng Grenzstaaten zur selwechter Zäit, awer mat verschiddene Wahrscheinlechkeeten vun hirer Ëmsetzung."
All Objet fir deen déi uewe genannte Properties erfëllt sinn an déi mir kënne kreéieren a kontrolléieren kann als Informatiounsträger an engem Quantecomputer benotzt ginn.
E bësse méi wäit wäerte mir iwwer den aktuellen Zoustand mat der kierperlecher Ëmsetzung vu Qubits als Quantenobjekter schwätzen, a wat d'Wëssenschaftler elo an dëser Kapazitéit benotzen.
Also déi drëtt Eegeschaft seet datt Quantenobjekter verstoppt kënne ginn fir Quantesystemer ze kreéieren. Wat ass e Quantesystem?
Quantesystem - e System vun entangled Quantenobjekter mat de folgenden Eegeschaften:
- E Quantesystem ass an enger Superpositioun vun alle méigleche Staate vun den Objeten, aus deenen et besteet
- Et ass onméiglech den Zoustand vum System bis zum Moment vun der Messung ze wëssen
- Am Moment vun der Messung implementéiert de System eng vun de méigleche Varianten vu senge Grenzstaaten
(an, e bëssen no vir kucken)
Nofolger fir Quanteprogrammer:
- E Quanteprogramm huet e bestëmmten Zoustand vum System um Input, eng Superpositioun bannen, eng Superpositioun um Ausgang
- Um Ausgab vum Programm no der Messung hu mir eng probabilistesch Ëmsetzung vun engem vun de méigleche Schlusszoustand vum System (plus méiglech Feeler)
- All Quanteprogramm huet eng Kamäinarchitektur (Input -> Ausgang. Et gi keng Schleifen, Dir kënnt den Zoustand vum System net an der Mëtt vum Prozess gesinn.)
Verglach vun engem Quantecomputer an engem konventionelle
Loosst eis elo e konventionell Computer an e Quantephysik vergläichen.
| regelméisseg Computer | Quantecomputer | |
|
Logik
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Physik
|
Semiconductor Transistor | Quantenobjekt |
|
Informatioun Carrier
|
Spannungsniveauen | Polariséierung, Spin, ... |
|
Operatiounen
|
NET, AN, ODER, XOR iwwer Bits | Ventile: CNOT, Hadamard,... |
|
Ënnerhaalung
|
Semiconductor Chip | Duercherneen mateneen |
|
Algorithmen
|
Standard (kuckt Peitsche) | Specials (Shore, Grover) |
|
Prinzip
|
Digital, deterministesch | Analog, probabilistesch |
Logik Niveau
An engem normale Computer ass dëst e bëssen. Bekannt eis duerch an duerch deterministesch bëssen. Kann Wäerter vun entweder 0 oder 1 huelen. Et copes perfekt mat der Roll logesch Eenheet fir e reguläre Computer, awer ass komplett net gëeegent fir de Staat ze beschreiwen Quantenobjekt, déi, wéi scho gesot, an der Wëld anSuperpositioune vun hire Grenzstaaten.
Dëst ass wat se erauskomm sinn . A senge Grenzstaaten realiséiert et Staaten ähnlech wéi 0 an 1 , an an superposition duerstellt Wahrscheinlechkeetsverdeelung iwwer seng Grenzstaaten |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a a b representéieren , an d'Plaze vun hire Moduler sinn déi tatsächlech Wahrscheinlechkeeten fir genau esou Wäerter vun de Grenzstaaten ze kréien |0> и |1>, wann Dir de Qubit mat enger Messung grad elo zesummeklappt.
Kierperlech Schicht
Um aktuellen technologeschen Niveau vun Entwécklung, déi kierperlech Ëmsetzung vun e bëssen fir eng konventionell Computer ass semiconductor transistor, fir Quantephysik, wéi mir scho gesot hunn, all Quantenobjekt. An der nächster Sektioun schwätze mir iwwer dat wat momentan als kierperlech Medien fir Qubits benotzt gëtt.
Späichermedium
Fir e normale Computer ass dëst Stroum - Spannungsniveauen, Präsenz oder Feele vu Stroum, etc., fir Quantephysik - d'selwecht Zoustand vun engem Quantenobjekt (Richtung vun der Polariséierung, spin, etc.), déi an engem Zoustand vun superposition kann.
Operatiounen
Fir eng ëmsetzen Logik Kreesleef op engem reguläre Computer, mir benotzen gutt-bekannt , Fir Operatiounen op Qubits war et néideg mat engem komplett anere System vun Operatiounen ze kommen, genannt . Gates kënnen eenzel Qubit oder Duebelqubit sinn, jee no wéi vill Qubits ëmgewandelt ginn.
Beispiller vu Quantum Gates:
Et gëtt e Konzept Universal Ventil Set, déi genuch sinn fir all Quanteberechnung auszeféieren. Zum Beispill enthält en Universalset en Hadamard Paart, e Phase Shift Gate, e CNOT Gate, an e π⁄8 Gate. Mat hirer Hëllef kënnt Dir all Quanteberechnung op engem arbiträre Set vu Qubits ausféieren.
An dësem Artikel wäerte mir net am Detail op de System vu Quantephysik Gates wunnen; Dir kënnt méi iwwer si a logesch Operatiounen iwwer Qubits liesen, zum Beispill, . Den Haapt Saach ze erënneren:
- Operatiounen op Quantenobjekter erfuerderen d'Schafung vun neie logesche Betreiber (Quantepaart)
- Quantephysik Gates kommen an Single-Qubit an Duebel-Qubit Typen.
- Et gi universell Sätze vu Paarte déi benotzt kënne fir all Quanteberechnung auszeféieren
Ënnerhaalung
Een Transistor ass fir eis komplett nëtzlos; fir Berechnungen auszeféieren musse mir vill Transistoren matenee verbannen, dat heescht e Halbleiterchip aus Millioune Transistoren erstellen op deem logesch Circuiten bauen, an, schlussendlech, kréien eng modern Prozessor a senger klassescher Form.
Ee Qubit ass och komplett nëtzlos fir eis (gutt, wann nëmmen an akademesch Begrëffer),
fir Berechnungen auszeféieren brauche mir e System vu Qubits (Quanteobjekte)
déi, wéi mir scho gesot hunn, entstinn andeems Qubits matenee verwéckelt ginn, sou datt Ännerungen an hire Staaten op eng koordinéiert Manéier geschéien.
Algorithmen
D'Standardalgorithmen, déi d'Mënschheet bis elo gesammelt huet, si komplett net gëeegent fir Implementatioun op engem Quantecomputer. Jo, am Allgemengen ass et net néideg. Quantecomputer baséiert op Gate Logik iwwer Qubits erfuerderen d'Schafung vu komplett verschiddenen Algorithmen, Quantenalgorithmen. Vun de bekanntste Quantenalgorithmen kënnen dräi ënnerscheeden:
- (Faktoriséierung)
- (séier Sich an enger ongeordneter Datebank)
- (Äntwert op d'Fro, konstant oder equilibréiert Funktioun)
Prinzip
An de wichtegsten Ënnerscheed ass de Betribsprinzip. Fir e Standard Computer ass dëst digital, strikt deterministesche Prinzip, baséiert op der Tatsaach datt wa mir e puer initialen Zoustand vum System setzen an et duerch e bestëmmten Algorithmus passéieren, da wäert d'Resultat vun de Berechnungen d'selwecht sinn, egal wéi oft mir dës Berechnung lafen. Eigentlech ass dëst Verhalen genau dat wat mir vun engem Computer erwaarden.
Quantephysik Computer leeft op analog, probabilistesche Prinzip. D'Resultat vun engem bestëmmten Algorithmus an engem bestëmmten initialen Zoustand ass Probe aus enger Wahrscheinlechkeetsverdeelung final Implementatioune vum Algorithmus plus méiglech Feeler.
Dës probabilistesch Natur vu Quanteberechenung ass wéinst der ganz probabilistescher Essenz vun der Quantewelt. "Gott spillt keng Wierfel mam Universum.", sot den alen Einstein, awer all Experimenter an Observatioune bis elo (am aktuellen wëssenschaftleche Paradigma) bestätegen de Géigendeel.
Kierperlech Implementatioune vu Qubits
Wéi mir scho gesot hunn, kann e Qubit duerch e Quantenobjekt duergestallt ginn, dat heescht e physikaleschen Objet deen d'Quanteeigenschaften hei uewen beschriwwen implementéiert. Dat ass, ongeféier geschwat, all kierperlecht Objet an deem et zwee Staaten sinn an dës zwee Staate sinn an engem Zoustand vun der Superpositioun ka benotzt ginn fir e Quantecomputer ze bauen.
"Wa mir en Atom an zwee verschidden Niveauen setzen an se kontrolléieren, dann hutt Dir e Qubit. Wa mir dat mat engem Ion maache kënnen, ass et e Qubit. Et ass d'selwecht mat Stroum. Wa mir et gläichzäiteg mat der Auer a géint d'Auer lafen, hutt Dir e Qubit.
et ginn к , an där déi aktuell Varietéit vu kierperlechen Implementatiounen vum Qubit méi detailléiert berücksichtegt gëtt, wäerte mir einfach déi bekanntst an allgemeng oplëschten:
- a vill aner exotesch Iddien (Anionen, asw.)
Vun all dëser Diversitéit ass déi meescht entwéckelt déi éischt Method fir Qubits ze kréien, baséiert op . , , an aner Virwaat Spiller benotzen se hir Systemer ze bauen.
Gutt, liest méi méiglech qubits vun .
Grondlage. Wéi e Quantecomputer funktionnéiert
Material fir dës Sektioun (Aufgab a Biller) sinn aus dem Artikel geholl .
Also, stellt Iech vir datt mir déi folgend Aufgab hunn:
Et gëtt eng Grupp vun dräi Leit: (A)ndrey, (B)olodya an (C)erezha. Et ginn zwee Taxien (0 an 1).
Et ass och bekannt datt:
- (A)ndrey, (B)olodya si Frënn
- (A)ndrey, (C)erezha si Feinde
- (B)olodya an (C)erezha si Feinde
Aufgab: Place Leit an Taxis sou datt Max (Frënn) и Min (Feinde)
Bewäertung: L = (Zuel vu Frënn) - (Zuel vun de Feinde) fir all Ënnerkunft Optioun
WICHTEG: Unzehuelen datt et keng Heuristik gëtt, gëtt et keng optimal Léisung. An dësem Fall kann de Problem nëmmen duerch eng komplett Sich vun Optiounen geléist ginn.
Léisung op engem normale Computer
Wéi dëse Problem op engem normale (super) Computer (oder Cluster) ze léisen - et ass kloer Dir musst duerch all méiglech Optiounen Loop. Wa mir e Multiprozessor System hunn, da kënne mir d'Berechnung vu Léisungen iwwer verschidde Prozessoren paralleliséieren an dann d'Resultater sammelen.
Mir hunn 2 méiglech Ënnerkunft Optiounen (Taxi 0 an Taxi 1) an 3 Persounen. Léisung Raum 2 ^ 3 = 8. Dir kënnt souguer duerch 8 Optiounen op engem Rechner goen, dëst ass kee Problem. Loosst eis elo de Problem komplizéiere - mir hunn 20 Leit an zwee Bussen, d'Léisungsraum 2^20 = 1. Och näischt komplizéiert. Loosst eis d'Zuel vun de Leit ëm 2.5 Mol erhéijen - huelt 50 Leit an zwee Zich, de Léisungsraum ass elo 2^50 = 1.12 x 10^15. En gewéinleche (super) Computer fänkt schonn un serieux Problemer ze hunn. Loosst eis d'Zuel vun de Leit ëm 2 Mol erhéijen, 100 Leit ginn eis schonn 1.2 x 10^30 méiglech Optiounen.
Dat ass et, dës Aufgab kann net an enger raisonnabeler Zäit berechent ginn.
Supercomputer verbannen
De mächtegste Computer de Moment ass Nummer 1 vun , dëst , Produktivitéit 122 . Loosst eis unhuelen datt mir 100 Operatioune brauchen fir eng Optioun ze berechnen, dann fir de Problem fir 100 Leit ze léisen brauche mir:
(1.2 x 10^30 100) / 122 × 10^15 / (606024365) = dir 3 x 10^37 Joer.
Wéi mir kënne gesinn wéi d'Dimensioun vun den initialen Donnéeën eropgeet, wiisst de Léisungsraum no engem Muechtgesetz, am allgemenge Fall, fir N Bits hu mir 2 ^ N méiglech Léisungsoptiounen, déi fir relativ kleng N (100) eis en onberechent (am aktuellen technologeschen Niveau) Léisungsraum ginn.
Ginn et Alternativen? Wéi Dir vläicht scho virdru scho gesot hutt, jo, et gëtt.
Awer ier mer akommen wéi a firwat Quantecomputer effektiv Probleemer wéi dës léise kënnen, loosst eis e Moment huelen fir zréckzekommen wat se sinn. Wahrscheinlechkeet Verdeelung. Maacht Iech keng Suergen, dëst ass en Iwwerpréiwungsartikel, et gëtt keng haart Mathematik hei, mir maache mat dem klassesche Beispill mat enger Täsch a Bäll.
Just e bësse Combinatorik, Wahrscheinlechkeetstheorie an e komeschen Experimenter
Loosst eis eng Täsch huelen an se dran leeën 1000 wäiss an 1000 schwaarz Bäll. Mir maachen en Experiment - de Ball eraushuelen, d'Faarf opschreiwen, de Ball an d'Täsch zréckginn an d'Bäll an der Täsch mëschen.
D'Experiment gouf 10 Mol duerchgefouert, erausgezunn 10 schwaarz Bäll. Vläicht? Ganz. Gitt dës Probe eis eng raisonnabel Iddi vun der richteger Verdeelung an der Täsch? Natierlech net. Wat muss gemaach ginn - richteg, pwidderhuelen d'Experiment eng Millioun Mol a berechent d'Frequenzen vu schwaarz-wäiss Bäll. Mir kréien zum Beispill 49.95% schwaarz an 50.05% wäiss. An dësem Fall ass d'Struktur vun der Verdeelung, aus där mir probéieren (e Ball eraushuelen) scho méi oder manner kloer.
Den Haapt Saach ass dat ze verstoen d'Experiment selwer huet eng probabilistesch Natur, mat enger Probe (Kugel) wësse mer net déi richteg Struktur vun der Verdeelung, mir mussen d'Experiment vill Mol widderhuelen an duerchschnëttlech d'Resultater.
Loosst eis et an eis Täsch addéieren 10 rout an 10 gréng Bäll (Feeler). Loosst eis d'Experiment 10 Mol widderhuelen. INerausgezunn 5 rout a 5 gréng. Vläicht? Jo. Mir kënnen eppes iwwer déi richteg Verdeelung soen - Nee. Wat muss gemaach ginn - gutt, Dir verstitt.
Fir e Verständnis vun der Struktur vun enger Wahrscheinlechkeetsverdeelung ze kréien, ass et néideg fir eenzel Resultater vun dëser Verdeelung ëmmer erëm ze probéieren an d'Resultater duerchschnëttlech ze maachen.
Theorie mat Praxis verbannen
Elo amplaz schwaarz a wäiss Bäll, loosst eis Billiardbäll huelen an an eng Täsch leeën 1000 Bäll mat Nummer 2, 1000 Bäll mat Nummer 7 an 10 Bäll mat aneren Zuelen. Loosst eis en Experimenter virstellen, deen an den einfachsten Handlungen trainéiert ass (e Ball eraushuelen, d'Zuel opschreiwen, de Ball zréck an d'Täsch setzen, d'Bäll an d'Täsch mëschen) an hien mécht dat an 150 Mikrosekonnen. Gutt, sou en Experimenter op Geschwindegkeet (net eng Drogenreklamm!!!). Dann kann hien an 150 Sekonnen eisen Experiment 1 Millioun mol ausféieren a liwwert eis d'Duerchschnëttsresultater.
Si hunn den Experimenter gesat, him eng Täsch ginn, sech ëmgedréit, 150 Sekonnen gewaart a kruten:
Zuel 2 - 49.5%, Zuel 7 - 49.5%, déi reschtlech Zuelen am Ganzen - 1%.
Jo dat ass richteg, eis Täsch ass e Quantecomputer mat engem Algorithmus deen eise Problem léist, an d'Bäll sinn méiglech Léisungen. Well et ginn zwou korrekt Léisungen, dann e Quantecomputer gëtt eis eng vun dëse méigleche Léisunge mat gläicher Wahrscheinlechkeet, an 0.5% (10/2000) Feeler, iwwer déi mir spéider schwätzen.
Fir d'Resultat vun engem Quantecomputer ze kréien, musst Dir de Quantenalgorithmus e puer Mol op deemselwechten Inputdatenset ausféieren an d'Resultat duerchschnëttlech maachen.
Skalierbarkeet vun engem Quantecomputer
Stellt Iech elo vir datt fir eng Aufgab mat 100 Leit (Léisung Raum 2 ^ 100 mir erënneren dëst), et ginn och nëmmen zwou richteg Entscheedungen. Dann, wa mir 100 Qubits huelen an en Algorithmus schreiwen, deen eis objektiv Funktioun (L, kuckt uewen) iwwer dës Qubits berechent, da kréie mir eng Täsch an där et 1000 Bäll gëtt mat der Nummer vun der éischter richteger Äntwert, 1000 mat d'Zuel vun der zweeter richteg Äntwert an 10 Bäll mat aneren Zuelen. A bannent déiselwecht 150 Sekonnen gëtt eisen Experimenter eis eng Schätzung vun der Wahrscheinlechkeetsverdeelung vu korrekten Äntwerten.
D'Ausféierungszäit vun engem Quantenalgorithmus (mat e puer Viraussetzungen) kann als konstant O (1) ugesi ginn mat Respekt fir d'Dimensioun vum Léisungsraum (2^N).
An dëst ass genau d'Besëtz vun engem Quantecomputer - Runtime Konstanz a Relatioun zu der ëmmer méi Muecht Gesetz Komplexitéit vun der Léisung Raum ass de Schlëssel.
Qubit a parallel Welten
Wéi geschitt dat? Wat erlaabt e Quantecomputer esou séier Berechnungen auszeféieren? Et ass alles ëm d'Quantenatur vum Qubit.
Kuckt, mir hu gesot datt e Qubit wéi e Quantenobjekt ass realiséiert ee vun hiren zwee Staaten wann observéiert, mee an "wëll Natur" ass et an Superpositioune vu Staaten, dat heescht, et ass a béide Grenzzoustande gläichzäiteg (mat e puer Wahrscheinlechkeet).
Huelt (A) andreya a stellt Iech säin Zoustand vir (a wéi engem Gefier et ass - 0 oder 1) als Qubit. Dann hu mir (am Quanteraum) zwou parallel Welten, an engem (A) sëtzt am Taxi 0, an enger anerer Welt - am Taxi 1. An zwee Taxien gläichzäiteg, awer mat e puer Wahrscheinlechkeet et an all vun hinnen während Observatioun ze fannen.
Huelt (B) jonk a loosst eis och säin Zoustand als Qubit virstellen. Zwou aner parallel Welten entstinn. Awer fir de Moment dës Koppele vu Welten (A) и (IN) guer net interagéieren. Wat muss gemaach ginn fir ze kreéieren Zesummenhang system? Dat ass richteg, mir brauchen dës Qubits verbannen (konfus). Mir huelen et an duercherneen bréngen (A) mat (B) - mir kréien e Quantesystem vun zwee Qubits (A, B), realiséiere bannent sech véier interdependent parallel Welten. Addéieren (S)ergey a mir kréien e System vun dräi Qubits (ABC), Ëmsetzung aacht interdependent parallel Welten.
D'Essenz vu Quanteberechenung (d'Ëmsetzung vun enger Kette vu Quanteporte iwwer e System vu verbonne Qubits) ass d'Tatsaach datt d'Berechnung an alle parallele Welten gläichzäiteg geschitt.
An et ass egal wéi vill vun hinnen mir hunn, 2^3 oder 2^100, de Quantenalgorithmus gëtt a endlech Zäit iwwer all dës parallel Welten ausgefouert a wäert eis e Resultat ginn, dat ass e Probe aus der Wahrscheinlechkeetsverdeelung vun den Äntwerten vum Algorithmus.
Fir e bessert Verständnis kann ee sech dat virstellen e Quantecomputer um Quanteniveau leeft 2^N parallele Léisungsprozesser, jidderee vun deenen op eng méiglech Optioun schafft, sammelt dann d'Resultater vun der Aarbecht - an gëtt eis d'Äntwert a Form vun enger Superpositioun vun der Léisung (Wahrscheinlechkeet Verdeelung vun Äntwerte), aus deem mir probéieren all Kéier een (fir all Experiment).
Denkt un d'Zäit déi eisen Experimenter erfuerdert (150 µs) fir d'Experiment auszeféieren, wäert dat fir eis e bësse méi nëtzlech sinn, wa mir iwwer d'Haaptproblemer vu Quantecomputer an d'Dekohärenzzäit schwätzen.
Quantephysik Algorithmen
Wéi scho gesot, konventionell Algorithmen baséiert op binär Logik sinn net applicabel fir e Quantecomputer mat Quantelogik (Quantepaart). Fir hien war et néideg mat neier ze kommen, déi d'Potenzial inherent an der Quantenatur vum Informatik voll ausnotzen.
Déi bekanntst Algorithmen haut sinn:
Am Géigesaz zu de klassesche sinn Quantecomputer net universell.
Nëmmen eng kleng Zuel vu Quantenalgorithmen gouf bis elo fonnt.
Spass fir de Link op , eng Plaz wou, laut dem Auteur (), déi bescht Vertrieder vun der quantum-algorithmescher Welt goufen gesammelt a weider ze sammelen.
An dësem Artikel wäerte mir d'Quantenalgorithmen net am Detail analyséieren; et gi vill exzellent Materialien um Internet fir all Niveau vun der Komplexitéit, awer mir mussen nach kuerz iwwer déi dräi bekannteste goen.
Shor Algorithmus.
De bekanntste Quantealgorithmus ass (1994 vum englesche Mathematiker erfonnt ), wat zielt fir de Problem vun der Faktoréierung vun Zuelen an prime Faktoren ze léisen (Faktoriséierungsproblem, diskrete Logarithmus).
Et ass dësen Algorithmus deen als Beispill zitéiert gëtt wann se schreiwen datt Är Bankesystemer a Passwierder geschwënn gehackt ginn. Bedenkt datt d'Längt vun de Schlësselen déi haut benotzt ginn net manner wéi 2048 Bits ass, ass d'Zäit fir eng Cap nach net komm.
Momentan ginn méi wéi bescheiden. Bescht Faktoriséierungsresultater mam Shor's Algorithmus - Zuelen и , wat vill manner wéi 2048 Bits ass. Fir déi reschtlech Resultater vun der Tabell, eng aner Berechnungen, awer och dat bescht Resultat no dësem Algorithmus (291311) ass ganz wäit vun der realer Uwendung.
Dir kënnt méi iwwer dem Shor säin Algorithmus liesen, zum Beispill,. Iwwer praktesch Ëmsetzung - .
Ee vun Komplexitéit an néideg Kraaft fir Faktor eng 2048-Bit Zuel ass e Computer mat . Mir schlofen friddlech.
Grovers Algorithmus
- d'Léisung vum Opzielungsproblem, dat heescht eng Léisung fir d'Gleichung ze fannen F(X) = 1, wou F ass от n Verännerlechen. War vun engem amerikanesche Mathematiker proposéiert в .
Grovers Algorithmus ka benotzt ginn fir ze fannen и Zuel Serie. Zousätzlech kann et benotzt ginn fir ze léisen Problemer duerch eng ustrengend Sich ënnert ville méiglech Léisungen. Dëst kann eng bedeitend Geschwindegkeetserhéijung am Verglach mat klassesche Algorithmen enthalen, awer ouni "" am Allgemengen.
Dir kënnt méi liesenoder An. Nach ëmmer Et gëtt eng gutt Erklärung vum Algorithmus mat dem Beispill vu Këschten an engem Ball, awer, leider, aus Grënn iwwer d'Kontroll vun iergendeen, mécht dëse Site net fir mech aus Russland op. Wann Dir hutt ass och blockéiert, also hei ass e kuerze Resumé:
Grovers Algorithmus. Stellt Iech vir, datt Dir N Stécker vun nummeréiert zougemaach Këschte hunn. Si sinn all eidel ausser een, deen e Ball enthält. Är Aufgab: Fannt d'Nummer vun der Këscht eraus an där de Ball läit (dës onbekannt Zuel gëtt dacks mam Buschtaf w bezeechent).
Wéi dëse Problem ze léisen? Am dommste Wee ass et ëm d'Këschten opzemaachen, a fréier oder spéider kommt Dir op eng Këscht mat engem Ball. Wéi vill Këschte mussen am Duerchschnëtt iwwerpréift ginn ier eng Këscht mat engem Ball fonnt gëtt? Am Duerchschnëtt musst Dir ongeféier d'Halschent vun N / 2 Këschte opmaachen. D'Haaptsaach hei ass datt wa mir d'Zuel vun de Këschte ëm 100 Mol erhéijen, da wäert d'Duerchschnëttszuel vu Këschten, déi opgemaach musse ginn ier d'Këscht mam Ball fonnt gëtt, och ëm déiselwecht 100 Mol eropgoen.
Loosst eis elo nach eng Erklärung maachen. Loosst eis d'Këschten net selwer mat den Hänn opmaachen a kucken op d'Präsenz vun engem Ball an all, awer et gëtt e gewëssen Tëschestatioun, loosst eis him Oracle nennen. Mir soen dem Oracle, "Checkbox Nummer 732", an den Oracle kontrolléiert éierlech an äntwert, "et gëtt kee Ball an der Këscht Nummer 732." Elo, amplaz ze soen wéivill Këschte mir mussen am Duerchschnëtt opmaachen, soen mir "wéivill Mol am Duerchschnëtt solle mir an den Oracle goen fir d'Zuel vun der Këscht mam Ball ze fannen"
Et stellt sech eraus datt wa mir dëse Problem mat Këschten, engem Kugel an dem Orakel an d'Quantesprooch iwwersetzen, mir e bemierkenswäert Resultat kréien: fir d'Zuel vun enger Këscht mat engem Kugel tëscht N Këschte ze fannen, brauche mir den Oracle nëmmen iwwer SQRT ze stéieren. (N) mol!
Dat ass, d'Komplexitéit vun der Sichtask mat dem Grover Algorithmus gëtt reduzéiert duerch d'Quadratwurz vun Zäiten.
Deutsch-Jozi Algorithmus
Deutsch-Jozsa Algorithmus (och als Deutsch-Jozsa Algorithmus bezeechent) - [Quantealgorithmus](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , a gouf ee vun den éischte Beispiller vun Algorithmen entwéckelt fir auszeféieren . _
Den Deutsch-Jozsi Problem ass fir ze bestëmmen ob eng Funktioun vu verschiddene binäre Variabelen F(x1, x2, ... xn) konstant ass (hëlt entweder de Wäert 0 oder 1 fir all Argumenter) oder equilibréiert (fir d'Halschent vum Domain brauch et de Wäert 0, fir déi aner Halschent 1). An dësem Fall gëtt et a priori bekannt ugesinn datt d'Funktioun entweder konstant oder equilibréiert ass.
Méi kënne gelies ginn . Eng méi einfach Erklärung:
Den Deutsch (Deutsch-Jozsi) Algorithmus baséiert op brute Kraaft, awer erlaabt et méi séier ze maachen wéi soss. Stellt Iech vir datt et eng Mënz um Dësch ass an Dir musst erausfannen ob et gefälscht ass oder net. Fir dëst ze maachen, musst Dir zweemol op d'Mënz kucken a feststellen: "Kapp" an "Schwänz" sinn real, zwee "Käpp", zwee "Schwänz" si gefälscht. Also, wann Dir den Deutsche Quantenalgorithmus benotzt, da kann dës Bestëmmung mat engem Bléck gemaach ginn - Messung.
Problemer vu Quantecomputer
Wann Dir Quantecomputer designen an bedreiwen, stellen d'Wëssenschaftler an d'Ingenieuren eng riesech Unzuel u Probleemer, déi bis elo mat ënnerschiddlechem Erfolleg geléist goufen. Geméiss () déi folgend Serie vu Probleemer kënnen identifizéiert ginn:
- Empfindlechkeet fir d'Ëmwelt an d'Interaktioun mat der Ëmwelt
- Akkumulation vu Feeler während Berechnungen
- Schwieregkeeten mat initialization vun qubit Staaten
- Schwieregkeeten fir Multi-Qubit Systemer ze kreéieren
Ech recommandéieren den Artikel ze liesen "", besonnesch d'Kommentaren dozou.
Loosst eis all d'Haaptprobleemer an dräi grouss Gruppen organiséieren a jidderee méi genau kucken:
Dekohärenz
.
Quantephysik Staat ganz fragil SaachQubits an engem entangled Staat sinn extrem onbestänneg, all externen Afloss kann (a mécht) dës Verbindung zerstéieren. Eng Ännerung vun der Temperatur duerch déi klengst Fraktioun vun engem Grad, Drock, e zoufälleg Photon, deen an der Géigend flitt - all dëst destabiliséiert eise System.
Fir dëst Problem ze léisen, sinn niddereg-Temperatur Sarkophagen gebaut, an deenen d'Temperatur (-273.14 Grad Celsius) liicht iwwer absolut Null ass, mat maximaler Isolatioun vun der interner Chamber mam Prozessor vun all (méiglechen) Afloss vum externen Ëmfeld.
D'maximal Liewensdauer vun engem Quantesystem vu verschiddenen entangled Qubits, während deem et seng Quanteeigenschaften behält a ka fir Berechnunge benotzt ginn, gëtt Dekohärenzzäit genannt.
Momentan ass d'Dekohärenzzäit an de beschte Quanteléisungen op der Uerdnung vun Zénger an Honnerte vu Mikrosekonnen.
Et gëtt eng wonnerbar wou Dir kënnt kucken vun alle geschafene Quantesystemer. Dësen Artikel enthält nëmmen zwee Top Prozessoren als Beispiller - vun IBM a vu . Wéi mir kënne gesinn, ass d'Dekohärenzzäit (T2) net méi wéi 200 μs.
Ech hunn net genau Daten iwwer Sycamore fonnt, awer am meeschten zwou Zuelen ginn uginn - 1 Millioun Berechnungen an 200 Sekonnen, op enger anerer Plaz - fir 130 Sekonnen ouni Verloscht vun Kontroll Signaler, etc.. Dat gëtt eis op alle Fall Dekoherenzzäit ass ongeféier 150 μs. Denkt un eis Experimenter mat enger Täsch? Gutt, hei ass hien.
| Computer Numm | N Qubits | Max gepaart | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Mat wat bedroht Dekohärenz eis?
Den Haaptproblem ass datt no 150 μs eise Rechensystem vun N entangled Qubits fänkt probabilistesch wäiss Kaméidi aus anstatt eng probabilistesch Verdeelung vu korrekte Léisungen.
Dat ass, mir brauchen:
- Initialiséiere vum Qubit System
- Maacht eng Berechnung (Kette vu Gate Operatiounen)
- Liest Resultat
A maacht dat alles an 150 Mikrosekonnen. Ech hat keng Zäit - d'Resultat gouf zu engem Kürbis.
Awer dat ass net alles ...
Feeler
Wéi mir gesot hunn, Quanteprozesser a Quanteberechenung si probabilistesch an der Natur, mir kënnen net 100% sécher op näischt ginn, mä nëmmen mat e puer Wahrscheinlechkeet. D'Situatioun gëtt weider verschäerft duerch d'Tatsaach, datt Quantecomputer ass Feeler ufälleg. D'Haaptarte vu Feeler am Quantecomputer sinn:
- Dekohärenzfehler ginn duerch d'Komplexitéit vum System an d'Interaktioun mat der externer Ëmwelt verursaacht
- Gate Berechnungsfehler (wéinst der Quantenatur vun der Berechnung)
- Feeler beim Liesen vum Endstand (Resultat)
Feeler verbonne mat Dekohärenz, entstinn direkt soubal mir eis Qubits verwéckelen a fänken un Berechnungen auszeféieren. Wat méi Qubits mir verstäerken, dest méi komplex ass de System, an der méi einfach ass et ze zerstéieren. Niddereg-Temperatur Sarkofagen, geschützte Kammern, all dës technologesch Tricken si präzis fir d'Zuel vu Feeler ze reduzéieren an d'Dekohärenzzäit ze verlängeren.
Gate Berechnungsfehler - all Operatioun (Paart) op Qubits kann, mat e puer Wahrscheinlechkeet, mat engem Feeler ophalen, a fir den Algorithmus ëmzesetzen, brauche mir Honnerte vu Paarte ze maachen, also stellt Iech vir wat mir um Enn vun der Ausféierung vun eisem Algorithmus kréien. Déi klassesch Äntwert op d'Fro ass "Wat ass d'Wahrscheinlechkeet fir en Dinosaurier an engem Lift ze treffen?" - 50x50, entweder Dir wäert treffen oder net.
De Problem gëtt weider verschäerft duerch d'Tatsaach datt Standardfehlerkorrekturmethoden (Duplikatioun vu Berechnungen an Duerchschnëtt) net an der Quantewelt funktionnéieren wéinst dem No-Klonungstheorem. Fir am Quanteberechenung huet missen erfonnt ginn . Grof geschwat, mir huelen N gewéinlech qubits a maachen 1 vun hinnen logesch Qubit mat engem nidderegen Fehlerquote.
Awer hei entsteet en anere Problem - Gesamtzuel vun Qubits. Kuckt, loosst eis soen datt mir e Prozessor mat 100 Qubits hunn, vun deenen 80 Qubits fir Feelerkorrektur benotzt ginn, dann hu mir nëmmen 20 fir Berechnungen.
Feeler beim Liesen vum Endresultat - wéi mir eis erënneren, gëtt d'Resultat vu Quanteberechnungen eis a Form presentéiert Wahrscheinlechkeet Verdeelung vun Äntwerten. Mä d'Liesen vun der Finale Staat kann och mat engem Feeler versoen.
Op der selwechter Et gi vergläichbar Tabelle vu Prozessoren no Feelerniveauen. Zum Verglach, loosst eis déiselwecht Prozessoren huelen wéi am virege Beispill - IBM и :
| Computer | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Liest Fidelitéit |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
et ass ass e Mooss fir d'Ähnlechkeet vun zwee Quantestaaten. D'Gréisst vum Feeler kann ongeféier als 1-Fidelity ausgedréckt ginn. Wéi mir kënne gesinn, sinn Feeler op 2-Qubit Gates a Liesfehler den Haapthindernis fir komplex a laang Algorithmen op existente Quantecomputer auszeféieren.
Méi kënne gelies ginn Joer vun fir de Problem vun der Feelerkorrektur ze léisen.
Prozessor Architektur
An der Theorie bauen a bedreiwen mir Kreesleef vun Dosende vun entangled Qubits, a Wierklechkeet ass alles méi komplizéiert. All existent Quantechips (Prozessoren) sinn esou gebaut datt se schmerzlos ubidden Entanglement vun engem Qubit nëmme mat sengen Noperen, vun deenen et net méi wéi sechs sinn.
Wa mir den 1. Qubit musse verwéckelen, soen, mam 12., da musse mir bauen eng Kette vun zousätzleche Quantephysik Operatiounen, involvéiert zousätzlech Qubits, etc., wat de Gesamtfehlerniveau erhéicht. Jo, an net vergiessen dekoherence Zäit, vläicht wann Dir fäerdeg sidd d'Qubits an de Circuit ze verbannen deen Dir braucht, wäert d'Zäit ophalen an de ganze Circuit gëtt an flott wäiss Kaméidi Generator.
Vergiesst dat och net D'Architektur vun alle Quanteprozessoren ass anescht, an de Programm, deen am Emulator am "all-to-all Connectivity" Modus geschriwwe gëtt, muss "recompiléiert" ginn an d'Architektur vun engem spezifesche Chip. Et gëtt souguer fir dës Operatioun auszeféieren.
Maximal Konnektivitéit a maximal Unzuel vu Qubits fir déiselwecht Top Chips:
| Computer Numm | N Qubits | Max gepaart | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
An zum Verglach, Dësch mat Daten aus der viregter Generatioun vu Prozessoren. Vergläicht d'Zuel vun de Qubits, Dekohärenzzäit a Fehlerquote mat deem wat mir elo mat der neier Generatioun hunn. Trotzdem ass de Fortschrëtt lues, awer bewegt.
Also:
- Et gi momentan keng voll verbonne Architekturen mat> 6 Qubits
- Fir Qubit 0 s op engem richtege Prozessor ze verwéckelen, zum Beispill, kann de Qubit 15 e puer Dosen zousätzlech Operatiounen erfuerderen
- Méi Operatiounen -> méi Feeler -> méi staarken Afloss vun der Dekohärenz
Resultater
Decoherence ass de Procrustean Bett vum modernen Quantecomputer. Mir mussen alles an 150 μs passen:
- Initialiséierung vum initialen Zoustand vu Qubits
- Berechnen e Problem mat Quantephysik Gates
- Korrigéiert Feeler fir sënnvoll Resultater ze kréien
- Liest d'Resultat
Bis elo sinn d'Resultater awer enttäuschend Fuerderung fir 0.5s Kohärenzretentiounszäit op engem Quantecomputer ze erreechen baséiert op :
Mir moossen eng Qubit Kohärenzzäit iwwer 0.5 s, a mat magnetesche Schirm erwaarden mir datt dëst verbessert fir méi wéi 1000 s ze sinn
Dir kënnt och iwwer dës Technologie liesen oder zum Beispill .
D'Situatioun ass weider komplizéiert vun der Tatsaach datt wann Dir komplexe Berechnungen ausféiert, et néideg ass Quantefehlerkorrekturkreesser ze benotzen, déi och souwuel Zäit wéi och verfügbar Qubits iessen.
A schliisslech erlaben modern Architekturen net d'Ëmsetzung vun Entanglement Schemae besser wéi 1 op 4 oder 1 op 6 mat minimale Käschten.
Weeër fir Problemer ze léisen
Fir déi uewe genannte Probleemer ze léisen, ginn déi folgend Approche a Methoden am Moment benotzt:
- Benotzt Cryochambers mat nidderegen Temperaturen (10 mK (–273,14 ° C))
- Benotzt Prozessor Eenheeten déi maximal aus externen Aflëss geschützt sinn
- Benotzt Quantephysik Feeler Korrektur Systemer (Logic Qubit)
- Benotzt Optimizer wann Dir Circuiten fir e spezifesche Prozessor programméiert
Fuerschung gëtt och gemaach fir d'Dekohärenzzäit ze erhéijen, no neien (a Verbesserung vun bekannten) kierperlechen Implementatioune vu Quantenobjekter ze sichen, Korrekturkreesser ze optimiséieren, asw., asw. Et gëtt Fortschrëtter (kuckt uewen op d'Charakteristike vu fréieren an haut Top-End Chips), awer bis elo ass et lues, ganz, ganz lues.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-qubit Computer. Quell:
Am Géigesaz zu der Ukënnegung vu Google fir d'Quante-Iwwerhand mat engem 53-Qubit Prozessor z'erreechen, и vun der Firma D-Wave, an där d'Zuel vun de Qubits an den Dausende läit, ass e bësse konfus. Gutt, wierklech, wann 53 Qubits fäeg waren d'Quante-Iwwerhand ze erreechen, wat ass dann e Computer mat 2048 Qubits kapabel? Awer net alles ass sou gutt ...
Kuerz (aus der Wiki geholl):
Computer op de Prinzip schaffen (), kann eng ganz limitéiert Ënnerklass vun Optimisatiounsproblemer léisen, a si net gëeegent fir traditionell Quantealgorithmen a Quantepaart ëmzesetzen.
Fir méi Detailer kënnt Dir z.B. , (virsiichteg, vläicht net aus Russland oppen), oder в vu sengem . Ech recommandéieren iwwregens staark säi Blog am Allgemengen ze liesen, et gëtt vill gutt Material do
Am Allgemengen, vun Ufank un vun den Ukënnegungen, hat d'wëssenschaftlech Gemeinschaft Froen iwwer D-Wave Computeren. Zum Beispill, am Joer 2014, huet IBM d'Tatsaach gefrot datt D-Wave Et ass zum Punkt komm datt am Joer 2015 Google, zesumme mat der NASA, ee vun dëse Quantecomputer kaaft huet an no Fuerschung , dat jo, de Computer funktionnéiert a berechent de Problem méi séier wéi e regelméissegen. Dir kënnt méi iwwer d'Ausso vu Google liesen an zum Beispill .
Den Haapt Saach ass datt D-Wave Computeren, mat hiren Honnerte an Dausende vu Qubits, net kënne benotzt ginn fir Quantenalgorithmen ze berechnen an ze lafen. Dir kënnt net Shor Algorithmus op hinnen lafen, zum Beispill. Alles wat se maache kënnen ass gewësse Quantemechanismus ze benotzen fir e bestëmmten Optimiséierungsproblem ze léisen. Mir kënne betruechten datt D-Wave e Quante-ASIC fir eng spezifesch Aufgab ass.
E bëssen iwwer Quantecomputer Emulatioun
Quantecomputer kann op engem normale Computer emuléiert ginn. Tatsächlech, :
- Den Zoustand vum Qubit kann sinn komplex Zuel, besetzt vun 2x32 bis 2x64 Bits (8-16 Bytes) ofhängeg vun der Prozessorarchitektur
- Den Zoustand vun N verbonne Qubits kann als 2^N komplex Zuelen duergestallt ginn, d.h. 2^(3+N) fir 32-Bit Architektur an 2^(4+N) fir 64-Bit.
- Eng Quanteoperatioun op N Qubits kann duerch eng 2^N x 2^N Matrix duergestallt ginn
Dunn:
- Fir déi emuléiert Staate vun 10 Qubits ze späicheren, sinn 8 KB gebraucht
- Fir d'Staaten vun 20 Qubits ze späicheren braucht Dir 8 MB
- Fir d'Staaten vun 30 Qubits ze späicheren, sinn 8 GB gebraucht
- 40 Terabytes si gebraucht fir d'Staate vu 8 Qubits ze späicheren
- Fir d'Staate vu 50 Qubits ze späicheren, sinn 8 Petabytes gebraucht, asw.
Zum Verglach, () dréit nëmmen 2.8 Petabytes Erënnerung.
- 49 Qubit geliwwert d'lescht Joer un de gréisste chinesesche Supercomputer ()
D'Limite fir e Quantecomputer op klassesche Systemer ze simuléieren gëtt festgeluegt duerch d'Quantitéit vum RAM néideg fir den Zoustand vun de Qubits ze späicheren.
Ech recommandéieren och liesen . Vun do aus:
Duerch Operatioun - fir eng korrekt Emulatioun vun engem 49-Qubit Circuit besteet aus ongeféier 39 "Zyklen" (onofhängeg Schichten vu Paarte) 2^63 komplex Multiplikatioune - 4 Pflops vun engem Supercomputer fir 4 Stonnen
Emuléieren vun engem 50+ Qubit Quantecomputer op klassesche Systemer gëtt als onméiglech ugesinn an enger raisonnabel Zäit. Dëst ass och firwat Google en 53-Qubit Prozessor fir säi Quanten Iwwerhand Experiment benotzt huet.
Quantecomputer Iwwerhand.
Wikipedia gëtt eis déi folgend Definitioun vu Quantecomputer Iwwerhand:
Quantephysik Iwwerhand - Fäegkeet Apparater fir Problemer ze léisen déi klassesch Computere praktesch net léisen kënnen.
Tatsächlech bedeit d'Quante-Iwwerhand z'erreechen datt zum Beispill d'Faktoriséierung vu groussen Zuelen mam Shor Algorithmus an enger adäquat Zäit geléist ka ginn, oder komplex chemesch Moleküle kënnen um Quanteniveau emuléiert ginn, a sou weider. Dat heescht, eng nei Ära ass ukomm.
Awer et gëtt e Schleifen an der Formuléierung vun der Definitioun, "déi klassesch Computeren praktesch net léisen" Tatsächlech heescht dat, datt wann Dir e Quantecomputer vu 50+ Qubits erstellt an e Quantekrees drop leeft, dann, wéi mir uewen diskutéiert hunn, d'Resultat vun dësem Circuit net op engem normale Computer emuléiert ka ginn. Dat ass e klassesche Computer wäert net fäeg sinn d'Resultat vun esou engem Circuit ze kreéieren.
Ob esou e Resultat eng richteg Quante-Iwwerhand ass oder net ass éischter eng philosophesch Fro. Awer verstitt wat Google gemaach huet a wat et baséiert op néideg.
Google's Quantum Supremacy Statement
Sycamore 54-qubit Prozessor
Also, am Oktober 2019 hunn Google Entwéckler en Artikel an der wëssenschaftlecher Publikatioun Nature publizéiert "" D'Auteuren hunn d'Erreeche vun der Quante-Iwwerhand fir d'éischte Kéier an der Geschicht mat dem 54-qubit Sycamore Prozessor ugekënnegt.
Sycamore Artikelen online bezéien dacks op entweder e 54-Qubit Prozessor oder e 53-Qubit Prozessor. D'Wourecht ass, datt laut , de Prozessor besteet kierperlech aus 54 Qubits, awer ee vun hinnen ass net funktionnéiert a gouf aus dem Service geholl. Also, a Wierklechkeet hu mir en 53-Qubit Prozessor.
Um Internet direkt do Material zu dësem Thema, de Grad vun deem variéiert vun ze .
Dem IBM säi Quantecomputer Team huet dat spéider gesot . D'Firma behaapt datt e konventionelle Computer dës Aufgab am schlëmmste Fall an 2,5 Deeg këmmert, an déi resultéierend Äntwert wäert méi genee sinn wéi déi vun engem Quantecomputer. Dës Conclusioun gouf gemaach op Basis vun de Resultater vun enger theoretescher Analyse vu verschiddene Optimiséierungsmethoden.
An natierlech, a sengem Ech konnt dës Ausso net ignoréieren. Sengem zesumme mat all de Linken an wéi gewinnt, si Wäert Ausgaben Är Zäit op. Op der Hub dëser FAQ, a gitt sécher d'Kommentaren ze liesen, et gi Linken op virleefeg Dokumenter déi online virum offiziellen Ukënnegung gelaf sinn.
Wat huet Google eigentlech gemaach? Fir en detailléierte Verständnis, liest den Aaronson, awer kuerz hei:
Ech kann Iech natierlech soen, mee ech fille mech éischter domm. D'Berechnung ass wéi follegt: den Experimenter generéiert en zoufälleg Quante Circuit C (dh eng zoufälleg Sequenz vun 1-qubit an 2-qubit Paarte tëscht noosten Noperen, mat enger Déift vun, zum Beispill, 20, handelen op engem 2D Netz vun n = 50-60 qubits). Den Experimenter schéckt dann C un de Quantecomputer, a freet e C op en initialen Zoustand vun 0 z'applizéieren, d'Resultat op der {0,1} Basis ze moossen, eng n-Bit observéiert Sequenz (String) zréck ze schécken an e puer ze widderhuelen. dausend oder Millioune mol. Schlussendlech, mat sengem Wëssen iwwer C, mécht den Experimenter e statisteschen Test fir ze kucken ob d'Resultat mat der erwaarter Ausgang vum Quantecomputer entsprécht.
Ganz kuerz:
- Eng zoufälleg Circuit vun Längt 20 vun 53 Qubits gëtt mat Paarte geschaf
- De Circuit fänkt mam initialen Zoustand [0...0] fir d'Ausféierung un
- Den Ausgang vum Circuit ass eng zoufälleg Bitstring (Probe)
- D'Verdeelung vum Resultat ass net zoufälleg (Interferenz)
- D'Verdeelung vun de kritt Echantillon ass am Verglach mat der erwaart
- Ofschloss Quantephysik Iwwerhand
Dat ass, Google huet e syntheteschen Problem op engem 53-Qubit Prozessor implementéiert, a baséiert seng Fuerderung fir d'Quante-Iwwerhand op der Tatsaach z'erreechen datt et onméiglech ass sou e Prozessor op Standardsystemer an enger raisonnabeler Zäit ze emuléieren.
Fir ze verstoen - Dës Sektioun reduzéiert op kee Fall dem Google seng Erreeche, d'Ingenieure si wierklech super, an d'Fro ob dëst als richteg Quante-Iwwerleeënheet ugesi ka ginn oder net, wéi virdru scho gesot, ass méi philosophesch wéi Ingenieur. Awer mir musse verstoen datt mir esou Berechnungs Iwwerleeënheet erreecht hunn, mir hunn net ee Schrëtt a Richtung Fäegkeet fortgeschratt fir dem Shor säin Algorithmus op 2048-Bit Zuelen ze lafen.
Summary
Quantecomputer a Quantecomputer sinn e ganz villverspriechend, ganz jonk a bis elo wéineg industriell applicabel Gebitt vun der Informatiounstechnologie.
D'Entwécklung vu Quantecomputer erlaabt eis (enges Daags) Problemer ze léisen:
- Modelléiere vun komplexe kierperleche Systemer um Quanteniveau
- Onléisbar op engem normale Computer wéinst computational Komplexitéit
D'Haaptprobleemer beim Kreatioun an der Operatioun vu Quantecomputer:
- Dekohärenz
- Feeler (Dekohärenz a Paart)
- Prozessor Architektur (voll verbonne Qubit Kreesleef)
Aktuelle Stand vun Affären:
- Tatsächlech - den Ufank .
- Et gëtt nach keng REAL kommerziell Ausbeutung (an et ass net kloer wéini et wäert sinn)
Wat kann hëllefen:
- Eng Aart vu kierperlecher Entdeckung déi d'Käschte fir d'Verdrahtung an d'Betribsprozessor reduzéiert
- Entdeckt eppes wat d'Dekohärenzzäit duerch eng Gréisstenuerdnung vergréissert an / oder d'Zuel vu Feeler reduzéiert
Menger Meenung no (reng perséinlech Meenung), Am aktuellen wëssenschaftleche Paradigma vu Wëssen wäerte mir kee groussen Erfolleg an der Entwécklung vu Quantetechnologien erreechen, Hei brauche mir e qualitativen Duerchbroch an e puer Beräicher vun der fundamentaler oder applizéierter Wëssenschaft, déi nei Iddien a Methoden Impuls ginn.
An der Zwëschenzäit sammele mir Erfahrung a Quanteprogramméierung, sammelen a kreéieren Quantenalgorithmen, testen Iddien, asw., asw. Mir waarden op en Duerchbroch.
Konklusioun
An dësem Artikel hu mir d'Haaptmeilesteen an der Entwécklung vu Quantecomputer a Quantecomputer duerchgaang, de Prinzip vun hirer Operatioun iwwerpréift, iwwerpréift d'Haaptproblemer, déi Ingenieuren an der Entwécklung an der Operatioun vu Quanteprozessoren hunn, an och gekuckt wat Multi-Qubit D-Computer sinn eigentlech.Wave and Google's rezent Ukënnegung fir Quante-Iwwerhand ze erreechen.
Lénks hannert de Kulisse sinn d'Froe vu Quantecomputer Programméiere (Sproochen, Approchen, Methoden, asw.) a Froen am Zesummenhang mat der spezifescher kierperlecher Ëmsetzung vu Prozessoren, wéi Qubits geréiert, verlinkt, gelies, etc. Vläicht ass dëst d'Thema vum nächsten Artikel oder Artikelen.
Merci fir Är Opmierksamkeet, ech hoffen dësen Artikel wäert fir een nëtzlech sinn.
(C)
Unerkennungen
fir d'Korrektur an d'Kommentaren zum Quelltext, wéi och fir den Artikel
fir Informatiounen-räich Kommentaren op , an net nëmme fir hir, déi mir gréisstendeels gehollef hunn dëst Puzzel erauszefannen.
Un all Autoren vun Artikelen a Publikatiounen, deenen hir Material benotzt gouf fir dësen Artikel ze schreiwen.
Lëscht vun de Ressourcen
Aktuell Affairen Artikelen vun [The National Academies Press]
Artikelen aus Habr (an zoufälleger Uerdnung)
Ongesortéiert (awer net manner interessant) Artikelen aus dem Internet
Coursen a Virträg
Source: will.com