Квантын компьютер ба квант тооцоолол - шинэ , энэ нь манай мэдээллийн орон зайд нэмэгдсэн , болон бусад өндөр технологийн нэр томъёо. Үүний зэрэгцээ би интернетээс миний толгой дахь оньсого эвлүүлдэг материалыг хэзээ ч олж чадаагүй "Квантын компьютер хэрхэн ажилладаг". Тийм ээ, олон гайхалтай бүтээлүүд байдаг, түүний дотор Хабр дээр (харна уу. ), сэтгэгдлүүд нь ихэвчлэн байдаг шиг илүү мэдээлэл сайтай, хэрэгцээтэй байдаг, гэхдээ миний толгойд байгаа зураг тэдний хэлснээр тийм ч их биш юм.
Саяхан манай хамт олон над дээр ирээд “Чи квант компьютер хэрхэн ажилладагийг ойлгож байна уу? Та бидэнд хэлж чадах уу?" Дараа нь би толгойдоо уялдаатай зураг зурахад асуудалтай байгаа цорын ганц хүн биш гэдгийг ойлгосон.
Үүний үр дүнд квант компьютеруудын талаарх мэдээллийг тогтмол логик хэлхээнд нэгтгэх оролдлого хийсэн. Математик болон квант ертөнцийн бүтцэд гүнзгий орохгүйгээр үндсэн түвшин, квант компьютер гэж юу болох, ямар зарчим дээр ажилладаг, түүнийг бүтээх, ажиллуулахад эрдэмтэд ямар асуудал тулгардаг талаар тайлбарлав.
Агуулга
Хариуцлага
Зохиогч нь квант тооцооллын мэргэжилтэн биш бөгөөд Нийтлэлийн зорилтот үзэгчид бол квант мэргэжилтнүүд биш, ижил мэдээллийн технологийн хүмүүс юм, мөн тэд "Квантын компьютер хэрхэн ажилладаг вэ" нэртэй зургийг толгойдоо нэгтгэхийг хүсч байна. Үүнээс болж квант технологийг "үндсэн" түвшинд илүү сайн ойлгохын тулд нийтлэл дэх олон ойлголтыг зориудаар хялбаршуулсан болно. .
Нийтлэлд зарим газар бусад эх сурвалжийн материалыг ашигласан, . Боломжтой бол эх бичвэр, хүснэгт эсвэл зураг руу шууд холбоос, заалтыг оруулсан болно. Хэрэв би хаа нэгтээ ямар нэг зүйлийг (эсвэл хэн нэгнийг) мартсан бол бичээрэй, би үүнийг засах болно.
Танилцуулга
Энэ бүлэгт бид квантын эрин хэрхэн эхэлсэн, квант компьютерын санааг өдөөсөн шалтгаан нь юу байсан, одоогоор хэн (ямар улс, корпорациуд) энэ салбарт тэргүүлэгч тоглогчид байгаа талаар товчхон ярих болно. квант тооцооллын хөгжлийн үндсэн чиглэлүүдийн талаар.
Энэ бүгд хэрхэн эхэлсэн
Квантын эриний эхлэлийг М.Планк анх дэвшүүлсэн 1900 он гэж үздэг. энерги нь тасралтгүй биш, харин тусдаа квантуудад (хэсэг) ялгардаг бөгөөд шингэдэг. Энэ санааг тухайн үеийн Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, Шредингер зэрэг олон шилдэг эрдэмтэд гаргаж, хөгжүүлсэн нь эцэстээ ийм шинжлэх ухааныг бий болгож, хөгжүүлэхэд хүргэсэн. . Интернет дээр квант физикийг шинжлэх ухаан болгон бий болгох талаар маш олон сайн материалууд байдаг бөгөөд энэ нийтлэлд бид энэ талаар дэлгэрэнгүй ярихгүй, гэхдээ шинэ квант эрин үе рүү орсон огноог зааж өгөх шаардлагатай байв.
Квантын физик нь бидний өдөр тутмын амьдралд олон шинэ бүтээл, технологийг авчирсан бөгөөд үүнгүйгээр бидний эргэн тойрон дахь ертөнцийг төсөөлөхөд хэцүү болжээ. Жишээлбэл, гэр ахуйн цахилгаан хэрэгсэл (лазер түвшин гэх мэт), өндөр технологийн систем (хараа засах лазер, сайн уу) хүртэл хаа сайгүй хэрэглэгддэг лазер ). Эрт орой хэзээ нэгэн цагт хэн нэгэн яагаад квант системийг тооцоололд ашиглаж болохгүй гэж гэсэн санааг гаргаж ирнэ гэж бодох нь логик юм. Тэгээд 1980 онд ийм зүйл болсон.
Квантын тооцооллын анхны санааг 1980 онд манай эрдэмтэн Юрий Манин илэрхийлсэн болохыг Википедиа харуулж байна. Гэвч тэд 1981 онд л олны танил Р.Фейнман энэ тухай ярьж эхэлсэн , сонгодог компьютер дээр квант системийн хувьслыг үр ашигтайгаар дуурайх боломжгүй гэдгийг тэмдэглэв. Тэрээр анхан шатны загварыг санал болгосон , ийм загварчлалыг явуулах боломжтой болно.
байдаг , үүнд илүү эрдэм шинжилгээний болон дэлгэрэнгүй авч үзсэн боловч бид товчхон ярих болно:
Квантын компьютер бүтээх түүхэн дэх гол үе шатууд:
- [1994]. П.Шор. Бүтээсэн
- [1998]. Үүсгэсэн
- [2001]. IBM гүйцэтгэлийг нэвтрүүлсэн 15 дугаарыг өргөтгөхөд
- [2007-2016]. 128-2000 кубит бүхий компьютер бүтээж хөгжүүлдэг
- [2012]. Калифорнийн их сургуульд хэрэгжүүлсэн
- [2016]. Google 9-кубит компьютер дээр
- [2017]. (гурван атом)
- [2019]. . Үүлэн дэх 20-кубит компьютер
- [2019]. . 53 кубит компьютер. ?
Таны харж байгаагаар 17 кубит бүхий компьютерт санаагаа анх хэрэгжүүлэх хүртэл 1981 жил (1998 оноос 2 он хүртэл), кубитийн тоо нэмэгдэх хүртэл 21 жил (1998-2019 он хүртэл) өнгөрсөн байна. 53 хүртэл. Шорын алгоритмын үр дүнг сайжруулахын тулд (11-2001 он хүртэл) 2012 жил зарцуулсан (бид үүнийг бага зэрэг дэлгэрэнгүй авч үзэх болно) 15-аас 21 хүртэл. Мөн гуравхан жилийн өмнө бид XNUMX-ийн тоонд хүрч ирсэн. Фейнманы ярьсан зүйлийг хэрэгжүүлж, хамгийн энгийн физик системийг загварчилж сурах.
Квантын тооцооллын хөгжил удаашралтай байна. Эрдэмтэд, инженерүүдийн өмнө маш хэцүү даалгавар тулгардаг, квант төлөвүүд нь маш богино настай, эмзэг байдаг бөгөөд тэдгээрийг тооцоо хийхэд хангалттай урт хугацаанд хадгалахын тулд температурыг хадгалдаг саркофагуудыг хэдэн арван сая доллараар барих шаардлагатай болдог. үнэмлэхүй тэгээс дээш, гадны нөлөөллөөс дээд зэргээр хамгаалагдсан. Дараа нь бид эдгээр даалгавар, асуудлын талаар илүү дэлгэрэнгүй ярих болно.
Тэргүүлэх тоглогчид
Энэ хэсгийн слайдыг нийтлэлээс авсан болно , судлаачаас Алексей Федоров. Би танд шууд ишлэл хэлье:
Технологийн хувьд амжилтанд хүрсэн бүх улс орнууд одоогоор квант технологийг идэвхтэй хөгжүүлж байна. Энэхүү судалгаанд асар их хөрөнгө оруулалт хийж, квант технологийг дэмжих тусгай хөтөлбөрүүдийг бий болгож байна.
Квантын уралдаанд зөвхөн муж улсууд төдийгүй хувийн компаниуд ч оролцож байна. Сүүлийн үед Google, IBM, Intel, Microsoft компаниуд квант компьютер бүтээхэд 0,5 тэрбум орчим долларын хөрөнгө оруулалт хийж, томоохон лаборатори, судалгааны төвүүдийг байгуулжээ.
Хабре болон интернетэд олон нийтлэл байдаг, жишээлбэл, , и , янз бүрийн улс орнуудад квант технологийн хөгжлийн өнөөгийн байдлыг илүү нарийвчлан авч үзсэн болно. Одоо бидний хувьд хамгийн гол зүйл бол технологийн өндөр хөгжилтэй бүх улс орнууд, тоглогчид энэ чиглэлээр судалгаа хийхэд асар их хөрөнгө оруулалт хийж байгаа нь өнөөгийн технологийн мухардлаас гарах найдвар төрүүлж байна.
Хөгжлийн чиглэл
Одоогийн байдлаар (би буруу байж магадгүй, залруулж болно) бүх тэргүүлэгч тоглогчдын гол хүчин чармайлт (мөн их бага үр дүн) хоёр чиглэлд төвлөрч байна:
- Тусгай квант компьютерууд, эдгээр нь тодорхой нэг тодорхой асуудлыг, жишээлбэл, оновчлолын асуудлыг шийдвэрлэхэд чиглэгддэг. Бүтээгдэхүүний жишээ бол D-Wave квант компьютер юм.
- Бүх нийтийн квант компьютерууд - дурын квант алгоритмуудыг хэрэгжүүлэх чадвартай (Шор, Гровер гэх мэт). IBM, Google-ийн хэрэгжүүлэлт.
Квантын физикийн бидэнд өгдөг хөгжлийн бусад векторууд, тухайлбал:
- үндэс болгон
- ба бусад
Мэдээж судалгааны чиглэлийн жагсаалтад бас багтсан ч одоогийн байдлаар их бага үр дүн гараагүй бололтой.
Нэмж хэлэхэд та уншиж болно , за, google "", Жишээлбэл, , и .
Үндсэн мэдээлэл. Квантын объект ба квант систем
Энэ хэсгээс ойлгох хамгийн чухал зүйл бол энэ юм
Квантын компьютер (ердийнхөөс ялгаатай) мэдээлэл зөөгч болгон ашигладаг квант объектууд, мөн тооцоолол хийхийн тулд квант объектууд холбогдсон байх ёстой квант систем.
Квантын объект гэж юу вэ?
Квантын объект - квант шинж чанарыг харуулдаг бичил ертөнцийн объект (квант ертөнц):
- Хоёр хилийн түвшин бүхий тодорхой төлөвтэй байна
- Хэмжилт хийх мөч хүртэл түүний төлөв байдалд байна
- Квантын системийг бий болгохын тулд бусад объектуудтай орооцолддог
- Клончлохгүй теоремыг хангана (объектийн төлөвийг хуулбарлах боломжгүй)
Үл хөдлөх хөрөнгө тус бүрийг илүү нарийвчлан авч үзье.
Хоёр хилийн түвшинтэй (төгсгөл төлөв) тодорхойлсон төлөвтэй байна
Бодит ертөнцийн сонгодог жишээ бол зоос юм. Энэ нь "толгой" ба "сүүл" гэсэн хоёр хилийн түвшинг авдаг "хажуугийн" төлөвтэй.
Хэмжилт хийх мөч хүртэл түүний төлөв байдалд байна
Тэд зоос шидсэн, тэр нь нисч, эргэлддэг. Энэ нь эргэлдэж байх үед түүний "хажуугийн" төлөв нь хилийн аль түвшинд байгааг хэлэх боломжгүй юм. Гэвч бид үүнийг таслан зогсоож, үр дүнг хармагц мужуудын суперпозиция шууд "толгой" ба "сүүл" гэсэн хоёр хилийн аль нэг нь болж сүйрдэг. Манайд зоос цохих нь хэмжүүр юм.
Квантын системийг бий болгохын тулд бусад объектуудтай орооцолддог
Зоос хийхэд хэцүү, гэхдээ оролдоод үзье. Бид гурван зоос шидсэн гэж төсөөлөөд үз дээ, тэд бие биедээ наалдаж эргэлддэг, энэ нь зоостой жонглёрдох явдал юм. Цаг мөч бүрт тэдгээр нь нэг муж улсын суперпозицияд орчихоод зогсохгүй эдгээр мужууд бие биедээ харилцан нөлөөлдөг (зооснууд мөргөлддөг).
Клончлохгүй теоремыг хангана (объектийн төлөвийг хуулбарлах боломжгүй)
Зоос нисч, эргэлдэж байх үед бид ямар ч зоосны эргэлдэх төлөвийн хуулбарыг системээс тусад нь үүсгэх ямар ч арга байхгүй. Систем нь дотроо амьдардаг бөгөөд аливаа мэдээллийг гадаад ертөнцөд гаргахдаа маш их атаархдаг.
Үзэл баримтлалын талаар хэдэн үг хэлье "суперпозиция", бараг бүх өгүүлэлд superposition гэж тайлбарладаг "Бүх мужид нэгэн зэрэг байдаг", Энэ нь мэдээжийн хэрэг үнэн, гэхдээ заримдаа шаардлагагүй будлиантай байдаг. Мөн төлөв байдлын суперпозиция нь цаг мөч бүрт квант объект байдаг гэж төсөөлж болно. Түүний хилийн түвшин тус бүрт нурах тодорхой магадлал байдаг бөгөөд нийтдээ эдгээр магадлал нь 1-тэй тэнцүү байна.. Хожим нь, кубитийг авч үзэхдээ бид энэ талаар илүү дэлгэрэнгүй ярих болно.
Зоосны хувьд үүнийг дүрсэлж болно - анхны хурд, шидэх өнцөг, зоос нисч буй орчны төлөв байдлаас хамааран "толгой" эсвэл "сүүл" авах магадлал цаг хугацаа бүрт өөр өөр байдаг. Өмнө дурьдсанчлан, ийм нисдэг зоосны төлөвийг "бүх хилийн мужид нэгэн зэрэг байх боловч тэдгээрийг хэрэгжүүлэх магадлал өөр өөр" гэж төсөөлж болно.
Дээрх шинж чанарууд хангагдсан, бидний үүсгэж, удирдаж чадах аливаа объектыг квант компьютерт мэдээлэл зөөгч болгон ашиглаж болно.
Цаашид бид квантуудыг квант объект болгон физик байдлаар хэрэгжүүлэх өнөөгийн байдал, эрдэмтэд энэ чадавхид юу ашиглаж байгаа талаар ярих болно.
Гурав дахь шинж чанар нь квант объектууд орооцолдож, квант системийг бий болгож чадна гэж заасан. Квантын систем гэж юу вэ?
Квантын систем - дараах шинж чанартай орооцолдсон квант объектуудын систем.
- Квантын систем нь түүний бүрдэж буй объектуудын бүх боломжит төлөвүүдийн суперпозицияд байдаг
- Хэмжилт хийх мөч хүртэл системийн төлөв байдлыг мэдэх боломжгүй юм
- Хэмжилт хийх үед систем нь түүний хилийн төлөвийн боломжит хувилбаруудын аль нэгийг хэрэгжүүлдэг
(мөн урагшаа бага зэрэг харах)
Квантын программуудын үр дүн:
- Квантын программ нь оролтод системийн өгөгдсөн төлөв, дотор нь суперпозиция, гаралт дээр суперпозиция байдаг.
- Хэмжилт хийсний дараа програмын гаралтын үед системийн боломжит эцсийн төлөвүүдийн аль нэгийг (боломжтой алдаануудыг нэмсэн) хэрэгжүүлэх магадлал байна.
- Аливаа квант программ нь яндангийн архитектуртай байдаг (оролт -> гаралт. Ямар ч гогцоо байхгүй, процессын дундуур та системийн төлөвийг харж чадахгүй.)
Квантын компьютер ба ердийн компьютерийн харьцуулалт
Одоо ердийн компьютер болон квант компьютерийг харьцуулж үзье.
| ердийн компьютер | Квантын компьютер | |
|
Логик
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Физик
|
Хагас дамжуулагч транзистор | Квантын объект |
|
Мэдээлэл зөөгч
|
Хүчдэлийн түвшин | Туйлшрал, эргэлт,… |
|
Үйл ажиллагаа
|
БИШ, БА, OR, XOR бит дээр | Хавхлагууд: CNOT, Хадамард,… |
|
Харилцаа
|
Хагас дамжуулагч чип | Бие биетэйгээ төөрөгдөл |
|
Алгоритмууд
|
Стандарт (Whip-ийг үзнэ үү) | Тусгай үйлчилгээ (эрэг, Гровер) |
|
Зарчим
|
Дижитал, детерминист | Аналог, магадлал |
Логик түвшин
Энгийн компьютерт энэ нь жаахан юм. Бидэнд сайн мэддэг детерминист бит. 0 эсвэл 1-ийн утгыг авч болно. Энэ нь дүрд бүрэн нийцдэг логик нэгж энгийн компьютерийн хувьд, гэхдээ төлөвийг тодорхойлоход бүрэн тохиромжгүй квант объект, аль нь бид аль хэдийн хэлсэн, зэрлэг байгальд байрладагтэдгээрийн хилийн мужуудын хэт байрлалууд.
Энэ бол тэдний бодож олсон зүйл юм . Хилийн мужууддаа 0 ба 1-тэй төстэй төлөвүүдийг хэрэгжүүлдэг , мөн superposition-д илэрхийлнэ түүний хилийн мужууд дээрх магадлалын тархалт |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a ба b илэрхийлнэ , тэдгээрийн модулиудын квадратууд нь хилийн төлөвийн яг ийм утгыг олж авах бодит магадлал юм. |0> и |1>, хэрэв та яг одоо хэмжилтээр кубитийг нураавал.
Физик давхарга
Технологийн хөгжлийн өнөөгийн түвшинд ердийн компьютерт зориулсан битийн биет хэрэглүүр юм хагас дамжуулагч транзистор, квантын хувьд бид аль хэдийн хэлсэнчлэн, аливаа квант объект. Дараагийн хэсэгт бид одоо кубитын физик зөөвөрлөгч болгон ашиглаж байгаа зүйлийн талаар ярих болно.
Хадгалах орчин
Энгийн компьютерийн хувьд энэ нь цахилгаан - хүчдэлийн түвшин, гүйдэл байгаа эсэх, гэх мэт, квант - ижил квант объектын төлөв байдал (туйлшралын чиглэл, ээрэх гэх мэт), суперпозицийн төлөв байдалд байж болно.
Үйл ажиллагаа
Ердийн компьютер дээр логик хэлхээг хэрэгжүүлэхийн тулд бид сайн мэддэг , кубит дээрх үйлдлүүдийн хувьд огт өөр үйлдлийн системийг бий болгох шаардлагатай байсан . Хэдэн кубит хөрвүүлэгдэж байгаагаас хамааран Гейтс нэг кубит эсвэл хоёр кубит байж болно.
Квантын хаалганы жишээ:
Нэг ойлголт байдаг бүх нийтийн хавхлагын багц, эдгээр нь аливаа квант тооцоог хийхэд хангалттай. Жишээлбэл, бүх нийтийн багцад Хадамард хаалга, фазын шилжилтийн хаалга, CNOT хаалга, π⁄8 хаалга орно. Тэдгээрийн тусламжтайгаар та дурын квбит дээр ямар ч квант тооцоог хийж болно.
Энэ нийтлэлд бид квант хаалганы системийн талаар дэлгэрэнгүй ярихгүй, та тэдгээрийн тухай болон кубит дээрх логик үйлдлүүдийн талаар илүү ихийг уншиж болно, жишээлбэл, . Санаж байх гол зүйл:
- Квантын объектууд дээрх үйлдлүүд нь шинэ логик операторуудыг (квант хаалга) үүсгэхийг шаарддаг.
- Квантын хаалга нь нэг кубит ба хоёр кубит төрлөөр ирдэг.
- Ямар ч квант тооцоолол хийхэд ашиглаж болох бүх нийтийн багц хаалганууд байдаг
Харилцаа
Нэг транзистор нь бидэнд огт ашиггүй, тооцоолол хийхийн тулд бид олон транзисторыг хооронд нь холбох хэрэгтэй, өөрөөр хэлбэл олон сая транзистороос хагас дамжуулагч чип үүсгэх, логик хэлхээ үүсгэх, эцэст нь орчин үеийн процессорыг сонгодог хэлбэрээр нь авах болно.
Нэг кубит бас бидэнд огт хэрэггүй (зөвхөн эрдэм шинжилгээний хувьд бол)
Тооцооллыг хийхийн тулд бидэнд квант (квант объект) систем хэрэгтэй.
Энэ нь бидний аль хэдийн хэлсэнчлэн кубитуудыг хооронд нь ороож үүсгэснээр төлөв байдалд нь зохицуулалттай өөрчлөлтүүд гардаг.
Алгоритмууд
Хүн төрөлхтний өнөөг хүртэл хуримтлуулсан стандарт алгоритмууд нь квант компьютер дээр хэрэгжүүлэхэд огт тохиромжгүй байдаг. Тийм ээ, ерөнхийдөө шаардлагагүй. Кубит дээрх хаалганы логик дээр суурилсан квант компьютерууд нь огт өөр алгоритм, квант алгоритмуудыг бий болгохыг шаарддаг. Хамгийн алдартай квант алгоритмуудаас гурвыг нь ялгаж салгаж болно.
- (факторжуулалт)
- (захиалгагүй мэдээллийн сангаас хурдан хайх)
- (асуултын хариулт, тогтмол эсвэл тэнцвэртэй функц)
Зарчим
Мөн хамгийн чухал ялгаа нь үйл ажиллагааны зарчим юм. Энгийн компьютерийн хувьд энэ нь дижитал, хатуу детерминист зарчим, хэрэв бид системийн ямар нэг анхны төлөвийг тогтоож, түүнийг өгөгдсөн алгоритмаар дамжуулбал энэ тооцоог хэдэн ч удаа хийсэн ч тооцооллын үр дүн ижил байх болно гэдгийг үндэслэн. Үнэндээ энэ зан үйл нь бидний компьютерээс хүлээж буй зүйл юм.
Квантын компьютер ажиллаж байна аналог, магадлалын зарчим. Өгөгдсөн анхны төлөвт өгөгдсөн алгоритмын үр дүн нь магадлалын тархалтын түүвэр Алгоритмын эцсийн хэрэгжилт дээр гарч болзошгүй алдаанууд.
Квантын тооцооллын ийм магадлалын шинж чанар нь квант ертөнцийн магадлалын мөн чанараас үүдэлтэй юм. "Бурхан орчлон ертөнцтэй шоо тоглодоггүй."гэж хөгшин Эйнштейн хэлсэн боловч өнөөг хүртэл хийсэн бүх туршилт, ажиглалтууд (одоогийн шинжлэх ухааны парадигмд) эсрэгээр нь баталж байна.
Кубитуудын физик хэрэгжилт
Өмнө дурьдсанчлан, кубитыг квант объект, өөрөөр хэлбэл дээр дурдсан квант шинж чанарыг хэрэгжүүлдэг физик объектоор төлөөлж болно. Өөрөөр хэлбэл, хоёр төлөвтэй бөгөөд эдгээр хоёр төлөв суперпозиция байдалд байгаа аливаа физик объектыг квант компьютер бүтээхэд ашиглаж болно.
"Хэрэв бид атомыг хоёр өөр түвшинд байрлуулж, тэдгээрийг удирдаж чадвал та кубиттэй болно. Хэрэв бид үүнийг ионоор хийж чадвал энэ нь кубит юм. Энэ нь одоогийнхтой адил юм. Хэрэв бид үүнийг цагийн зүүний дагуу болон цагийн зүүний эсрэг зэрэг ажиллуулбал та кубиттэй болно."
Байдаг к Кубитийн одоогийн олон янзын физик хэрэгжилтийг илүү нарийвчлан авч үзэхэд бид хамгийн алдартай бөгөөд нийтлэг зүйлийг жагсаах болно.
- болон бусад олон чамин санаанууд (анион гэх мэт)
Энэ олон янз байдлаас хамгийн их хөгжсөн нь кубитийг олж авах анхны арга юм . , , болон бусад тэргүүлэх тоглогчид системээ бүтээхэд ашигладаг.
За цааш нь уншаарай боломжтой -аас кубит .
Үндсэн мэдээлэл. Квантын компьютер хэрхэн ажилладаг
Энэ хэсгийн материалыг (даалгавар, зураг) нийтлэлээс авсан болно .
Тиймээс бидэнд дараах даалгавар байна гэж төсөөлөөд үз дээ.
Гурван хүнтэй бүлэг байна: (А)ндрей, (Б)олодя, (В)ережа. Хоёр такси байна (0 ба 1).
Түүнчлэн дараахь зүйлийг мэддэг.
- (А)ндрей, (Б)олодя нар найзууд
- (A)ndrey, (C)erezha бол дайсан
- (Б)олодя, (С)ережа нар дайсан
Даалгавар: Хүмүүсийг таксинд байрлуул Макс (найзууд) и Мин(дайснууд)
Үнэлгээ: L = (найз нөхдийн тоо) - (дайснуудын тоо) байрны сонголт бүрийн хувьд
ЧУХАЛ: Эвристик байхгүй гэж үзвэл оновчтой шийдэл байхгүй. Энэ тохиолдолд асуудлыг зөвхөн сонголтуудыг бүрэн хайх замаар шийдэж болно.
Энгийн компьютер дээрх шийдэл
Ердийн (супер) компьютер (эсвэл кластер) дээр энэ асуудлыг хэрхэн шийдвэрлэх вэ - энэ нь тодорхой байна Та бүх боломжит хувилбаруудыг давтах хэрэгтэй. Хэрэв бид олон процессортой системтэй бол хэд хэдэн процессор дээрх шийдлүүдийн тооцоог зэрэгцүүлж, үр дүнг цуглуулж болно.
Бидэнд байрлах 2 сонголт (такси 0, такси 1) болон 3 хүн байна. Шийдлийн орон зай 2 ^ 3 = 8. Та тооцоолуур ашиглан 8 сонголтыг хийх боломжтой, энэ нь асуудал биш юм. Одоо асуудлыг хүндрүүлье - бид 20 хүн, хоёр автобустай, шийдлийн орон зай 2^20 = 1. Бас төвөгтэй зүйл байхгүй. Хүмүүсийн тоог 2.5 дахин нэмэгдүүлье - 50 хүн, хоёр галт тэргээр явцгаая, шийдлийн орон зай одоо байна 2^50 = 1.12 x 10^15. Энгийн (супер) компьютерт аль хэдийн ноцтой асуудал үүсч эхэлжээ. Хүнийхээ тоог 2 дахин нэмэгдүүлье, 100 хүн өгчихнө 1.2x10^30 боломжит сонголтууд.
Энэ бол энэ ажлыг боломжийн хугацаанд тооцоолох боломжгүй юм.
Супер компьютер холбох
Одоогийн байдлаар хамгийн хүчирхэг компьютер бол 1-р байр юм , энэ , бүтээмж 122 . Нэг хувилбарыг тооцоолохын тулд 100 үйлдэл хийх шаардлагатай гэж үзье, дараа нь 100 хүний асуудлыг шийдэхийн тулд бидэнд дараахь зүйл хэрэгтэй болно.
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 жил.
Бидний харж байгаагаар Анхны өгөгдлийн хэмжээ ихсэх тусам шийдлийн орон зай нь хүчний хуулийн дагуу өсдөг, ерөнхий тохиолдолд, N битийн хувьд бид 2^N боломжит шийдлийн сонголттой бөгөөд харьцангуй бага N (100)-ийн хувьд бидэнд тооцоолоогүй (одоогийн технологийн түвшинд) шийдлийн орон зайг өгдөг.
Өөр хувилбар бий юу? Таны таамаглаж байсанчлан, тийм ээ, байдаг.
Гэхдээ квант компьютерууд үүнтэй төстэй асуудлуудыг хэрхэн, яагаад үр дүнтэй шийдэж чадах талаар ярихаасаа өмнө тэдгээр нь юу болохыг товчхон дурдъя. магадлалын хуваарилалт. Санаа зоволтгүй, энэ бол тойм нийтлэл, энд ямар ч хэцүү математик байхгүй, бид цүнх, бөмбөг бүхий сонгодог жишээг хийх болно.
Жаахан комбинаторик, магадлалын онол, хачин туршилтчин
Нэг уут аваад дотор нь хийцгээе 1000 цагаан, 1000 хар бөмбөг. Бид туршилт хийх болно - бөмбөгийг гаргаж, өнгийг нь бичиж, бөмбөгийг уутанд буцааж, бөмбөгийг уутанд хийж холино.
Туршилтыг 10 удаа хийсэн. 10 хар бөмбөг гаргаж ирэв. Магадгүй? Нэлээд. Энэ дээж нь уутанд байгаа жинхэнэ хуваарилалтын талаар үндэслэлтэй санааг бидэнд өгч байна уу? Мэдээж үгүй. Юу хийх хэрэгтэй вэ - зөв, хтуршилтыг сая удаа давтаж, хар, цагаан бөмбөлгүүдийн давтамжийг тооцоол. Жишээлбэл, бид авдаг 49.95% хар, 50.05% цагаан. Энэ тохиолдолд бидний дээж авах (нэг бөмбөгийг гаргаж авах) хуваарилалтын бүтэц аль хэдийн тодорхой болсон байна.
Хамгийн гол нь үүнийг ойлгох явдал юм туршилт нь өөрөө магадлалын шинж чанартай байдаг, нэг дээжээр (бөмбөг) бид түгээлтийн жинхэнэ бүтцийг мэдэхгүй, Бид туршилтыг олон удаа давтах хэрэгтэй болон үр дүнг дундажлана.
Үүнийг цүнхэндээ нэмье 10 улаан, 10 ногоон бөмбөг (алдаа). Туршилтыг 10 удаа давтъя. IN5 улаан, 5 ногоон гаргаж авсан. Магадгүй? Тиймээ. Жинхэнэ хуваарилалтын талаар бид ямар нэг зүйл хэлж чадна - Үгүй. Юу хийх хэрэгтэй вэ - та ойлгож байна.
Магадлалын тархалтын бүтцийн талаар ойлголттой болохын тулд энэ хуваарилалтаас бие даасан үр дүнг олон удаа түүвэрлэж, үр дүнгийн дундажийг авах шаардлагатай.
Онолыг практиктай холбох
Одоо хар цагаан бөмбөг биш бильярдын бөмбөг аваад уутанд хийцгээе 1000 дугаартай 2 бөмбөг, 1000 дугаартай 7 бөмбөг, бусад дугаартай 10 бөмбөг. Хамгийн энгийн үйлдлээр (бөмбөг гаргаж, тоог бичиж, бөмбөгийг уутанд хийж, бөмбөгийг уутанд хийж холих) сургагдсан туршилтыг 150 микросекундэд хийдэг гэж төсөөлөөд үз дээ. За, хурдны талаар ийм туршилт хийдэг хүн (эмийн сурталчилгаа биш!!!). Тэгвэл 150 секундын дотор тэр бидний туршилтыг 1 сая удаа хийх боломжтой болно мөн дундаж үр дүнг бидэнд өгнө үү.
Тэд туршилтыг суулгаж, түүнд цүнх өгөөд, эргэж хараад 150 секунд хүлээгээд:
2-р тоо - 49.5%, 7-р тоо - 49.5%, нийт үлдсэн тоо - 1%.
Тиймээ зөв, Манай цүнх бол бидний асуудлыг шийдэх алгоритмтай квант компьютер юм, бөмбөлгүүд нь боломжит шийдэл юм. Хоёр зөв шийдэл байгаа болохоор квант компьютер нь эдгээр боломжит шийдлүүдийн аль нэгийг нь ижил магадлалтай, 0.5% (10/2000) алдаатай өгөх болно., энэ тухай бид дараа нь ярих болно.
Квантын компьютерын үр дүнг авахын тулд нэг оролтын өгөгдлийн багц дээр квант алгоритмыг олон удаа ажиллуулж, үр дүнг дундажлах шаардлагатай.
Квантын компьютерийн өргөтгөх чадвар
Одоо 100 хүн оролцсон ажил гэж төсөөлөөд үз дээ (уусмалын зай 2^100 Бид үүнийг санаж байна), зөвхөн хоёр зөв шийдвэр байдаг. Дараа нь, хэрэв бид 100 кубит авч, бидний зорилгын функцийг (L, дээрээс харна уу) эдгээр квбит дээр тооцоолох алгоритмыг бичвэл эхний зөв хариултын дугаартай 1000 бөмбөг байх ууттай болно. хоёр дахь зөв хариултын тоо, бусад тоотой 1000 бөмбөг. Мөн 150 секундын дотор манай туршилтчин зөв хариултын магадлалын тархалтын тооцоог өгөх болно..
Квантын алгоритмын ажиллах хугацааг (зарим таамаглалаар) шийдлийн орон зайн (1^N) хэмжээсийн хувьд тогтмол O(2) гэж үзэж болно.
Энэ бол яг квант компьютерын өмч юм - ажиллах үеийн тогтмол байдал өсөн нэмэгдэж буй хүчний хуультай холбоотойгоор шийдлийн орон зайн нарийн төвөгтэй байдал нь түлхүүр юм.
Кубит ба зэрэгцээ ертөнц
Энэ нь яаж болдог вэ? Квантын компьютер ийм хурдан тооцоо хийх боломжийг юу олгодог вэ? Энэ бүхэн кубитийн квант шинж чанарын тухай юм.
Хараач, бид кубит нь квант объекттой адил гэж хэлсэн ажиглахад хоёр төлөвийн аль нэгийг нь ойлгодог, гэхдээ энэ нь "зэрлэг байгальд" байдаг мужуудын суперпозиция, өөрөөр хэлбэл, энэ нь хилийн хоёр мужид нэгэн зэрэг (зарим магадлалтайгаар) байна.
Авах (А) ндрея мөн түүний төлөвийг (ямар тээврийн хэрэгсэлд байна - 0 эсвэл 1) кубит гэж төсөөл. Дараа нь бид (квант орон зайд) хоёр зэрэгцээ ертөнц, нэг дотор (А) нь таксинд сууна 0, өөр ертөнцөд - таксинд 1. Хоёр таксинд зэрэг, гэхдээ ажиглалтын явцад тэдгээрийг тус бүрээс олох магадлал багатай.
Авах (B) залуу мөн түүний төлөвийг кубит гэж төсөөлье. Өөр хоёр зэрэгцээ ертөнц үүсдэг. Гэхдээ одоогоор эдгээр хос ертөнцүүд (А) нь и (IN) огт харьцаж болохгүй. Бүтээхийн тулд юу хийх хэрэгтэй холбоотой систем? Тийм ээ, бидэнд эдгээр кубитууд хэрэгтэй байна зангидах (төөрөгдүүлэх). Бид үүнийг аваад андуурдаг (A) (B)-тай - бид хоёр кубитийн квант системийг авдаг (A, B), дотроо ухаарах дөрөв харилцан хамааралтай зэрэгцээ ертөнцүүд. Нэмэх (S)ergey мөн бид гурван кубитийн системийг авдаг (ABC), наймыг хэрэгжүүлж байна харилцан хамааралтай зэрэгцээ ертөнцүүд.
Квантын тооцооллын мөн чанар (холбогдсон кубитуудын систем дээр квант хаалганы гинжин хэлхээг хэрэгжүүлэх) нь тооцоолол бүх зэрэгцээ ертөнцөд нэгэн зэрэг явагддаг явдал юм.
Бидэнд 2^3 эсвэл 2^100 байх нь хамаагүй, квант алгоритм нь эдгээр бүх параллель ертөнц дээр хязгаарлагдмал хугацаанд гүйцэтгэгдэх болно алгоритмын хариултуудын магадлалын тархалтын жишээ болох үр дүнг бидэнд өгөх болно.
Илүү сайн ойлгохын тулд үүнийг төсөөлж болно квант түвшний компьютер нь 2^N параллель уусмалын процессыг ажиллуулдаг, тус бүр нэг боломжит хувилбар дээр ажилладаг бөгөөд дараа нь ажлын үр дүнг цуглуулдаг - ба шийдлийн суперпозиция хэлбэрээр бидэнд хариулт өгдөг (хариултын магадлалын тархалт), үүнээс бид нэг удаад (туршилт бүрийн хувьд) түүвэрлэдэг.
Манай туршилтанд шаардагдах хугацааг санаарай (150 мкс) Туршилтыг явуулахын тулд энэ нь квант компьютерын үндсэн асуудлууд болон задралын хугацааны талаар ярихад бидэнд бага зэрэг хэрэг болно.
Квантын алгоритмууд
Өмнө дурьдсанчлан, хоёртын логик дээр суурилсан ердийн алгоритмууд нь квант логик (квант хаалга) ашигладаг квант компьютерт хамаарахгүй. Түүний хувьд тооцооллын квант шинж чанарт агуулагдах боломжуудыг бүрэн ашиглах шинийг бий болгох шаардлагатай байв.
Өнөөдөр хамгийн алдартай алгоритмууд нь:
Сонгодог компьютеруудаас ялгаатай нь квант компьютер нь бүх нийтийнх биш юм.
Одоогоор цөөн тооны квант алгоритмууд олдсон.
Спасибо холбоосын хувьд , зохиогчийн хэлснээр (), квант-алгоритмийн ертөнцийн шилдэг төлөөлөгчдийг цуглуулж, цуглуулсаар байна.
Энэ нийтлэлд бид квант алгоритмуудыг нарийвчлан шинжлэхгүй, Интернет дээр ямар ч түвшний нарийн төвөгтэй материалууд байдаг, гэхдээ бид хамгийн алдартай гурван алгоритмыг товчхон авч үзэх хэрэгтэй.
Шорын алгоритм.
Хамгийн алдартай квант алгоритм нь (1994 онд Английн математикч зохион бүтээсэн ), тоонуудыг анхны хүчин зүйл болгон хуваах асуудлыг шийдвэрлэхэд чиглэгддэг (факторжуулалтын бодлого, дискрет логарифм).
Удахгүй таны банкны систем, нууц үг хакердагдана гэж бичихэд яг энэ алгоритмыг жишээ болгон дурдаж байна. Өнөөдөр хэрэглэгдэж буй товчлууруудын урт нь 2048 битээс багагүй байгааг харгалзан үзэхэд cap хийх цаг хараахан болоогүй байна.
Одоогийн байдлаар даруухан гэхээсээ илүү. Шорын алгоритмтай үржүүлгийн шилдэг үр дүн - Тоонууд и , энэ нь 2048 битээс хамаагүй бага юм. Хүснэгтээс үлдсэн үр дүнгийн хувьд өөр тооцоолол, гэхдээ энэ алгоритмын дагуу хамгийн сайн үр дүн (291311) нь бодит хэрэглээнээс маш хол байна.
Та Шорын алгоритмын талаар илүү ихийг уншиж болно, жишээлбэл,. Практик хэрэгжилтийн талаар - .
Нэг нь 2048 битийн тоог тооцоолоход төвөгтэй байдал, шаардагдах хүч нь компьютер юм . Бид тайван унтдаг.
Гроверын алгоритм
- тоолох асуудлыг шийдвэрлэх, өөрөөр хэлбэл тэгшитгэлийн шийдлийг олох F(X) = 1, F хаана байна нь n хувьсагч. Америкийн математикч санал болгосон в .
Гроверын алгоритмыг олоход ашиглаж болно и тооны цуврал. Үүнээс гадна үүнийг шийдвэрлэхэд ашиглаж болно олон боломжит шийдлүүдийн дунд цогц хайлт хийх замаар асуудлууд. Энэ нь сонгодог алгоритмтай харьцуулахад хурдыг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэхэд хүргэж болзошгүй, гэхдээ "гэж заагаагүй"" ерөнхийдөө.
Та илүү ихийг уншиж болноболон Байна. Илүү их Хайрцаг, бөмбөгний жишээг ашиглан алгоритмын талаар сайн тайлбар байдаг, гэхдээ харамсалтай нь хэнээс ч үл хамаарах шалтгаанаар энэ сайт Оросоос надад нээгдээгүй. Танд байгаа бол мөн блоклогдсон тул энд товч хураангуй байна:
Гроверын алгоритм. Танд N ширхэг дугаарлагдсан хаалттай хайрцаг байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Бөмбөг агуулсан нэгээс бусад нь бүгд хоосон байна. Таны даалгавар: бөмбөг байгаа хайрцагны дугаарыг олж мэд (энэ үл мэдэгдэх тоог ихэвчлэн w үсгээр тэмдэглэдэг).
Энэ асуудлыг хэрхэн шийдвэрлэх вэ? Хайрцгийг ээлжлэн онгойлгох нь хамгийн тэнэг арга бөгөөд эрт орой хэзээ нэгэн цагт бөмбөгтэй хайрцагтай тааралдана. Бөмбөгтэй хайрцгийг олохын өмнө дунджаар хэдэн хайрцаг шалгах шаардлагатай вэ? Дунджаар та N/2 хайрцагны тал орчим хувийг нээх хэрэгтэй. Энд гол зүйл бол хайрцагны тоог 100 дахин нэмэгдүүлбэл бөмбөгтэй хайрцгийг олохоос өмнө онгойлгох ёстой хайрцагны дундаж тоо мөн адил 100 дахин нэмэгдэх болно.
Одоо дахиад нэг тодруулга хийцгээе. Бид өөрсдөө гараараа хайрцгийг онгойлгохгүй, тус бүрд бөмбөг байгаа эсэхийг шалгацгаая, гэхдээ тодорхой зуучлагч байгаа тул түүнийг Oracle гэж нэрлэе. Бид Oracle-д "732 дугаарыг шалгана" гэж хэлэх ба Oracle үнэнчээр шалгаж, "732 дугаартай хайрцагт бөмбөг байхгүй" гэж хариулдаг. Одоо бид дунджаар хэдэн хайрцаг нээх ёстой гэж хэлэхийн оронд "бөмбөгтэй хайрцагны дугаарыг олохын тулд бид дунджаар хэдэн удаа Oracle руу явах ёстой вэ" гэж хэлдэг.
Хэрэв бид хайрцаг, бөмбөг, Oracle-тай холбоотой энэ асуудлыг квант хэл рүү хөрвүүлбэл гайхалтай үр дүнд хүрнэ: N хайрцагны дундаас бөмбөгтэй хайрцагны тоог олохын тулд бид зөвхөн SQRT-ийн талаар Oracle-д саад учруулах хэрэгтэй болно. (N) удаа!
Өөрөөр хэлбэл, Гроверын алгоритмыг ашиглан хайлтын даалгаврын нарийн төвөгтэй байдал нь цаг хугацааны квадрат язгуураар багасдаг.
Дойч-Жози алгоритм
Дойч-Жозса алгоритм (мөн Дойч-Жозса алгоритм гэж нэрлэдэг) - [квант алгоритм](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , мөн дээр ажиллахаар зохион бүтээсэн алгоритмуудын анхны жишээнүүдийн нэг болсон . _
Deutsch-Jozsi бодлого нь F(x1, x2, ... xn) хэд хэдэн хоёртын хувьсагчийн функц тогтмол (ямар нэгэн аргументийн хувьд 0 эсвэл 1 утгыг авна) эсвэл тэнцвэртэй (домэйны тал хувь нь авдаг) эсэхийг тодорхойлоход оршино. утга нь 0, нөгөө хагасын хувьд 1). Энэ тохиолдолд функц нь тогтмол эсвэл тэнцвэртэй гэдгийг априори мэдэгдэж байна.
Та бас уншиж болно . Илүү энгийн тайлбар:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) алгоритм нь харгис хүч дээр суурилдаг боловч үүнийг ердийнхөөс илүү хурдан хийх боломжийг олгодог. Ширээн дээр зоос байгаа гэж төсөөлөөд үз дээ, та үүнийг хуурамч эсэхийг олж мэдэх хэрэгтэй. Үүнийг хийхийн тулд та зоосыг хоёр удаа харж, "толгой" ба "сүүл" нь жинхэнэ, хоёр "толгой", хоёр "сүүл" нь хуурамч болохыг тодорхойлох хэрэгтэй. Тиймээс, хэрэв та Deutsch квант алгоритмыг ашигладаг бол энэ тодорхойлолтыг нэг харцаар хийх боломжтой - хэмжилт.
Квантын компьютерийн асуудлууд
Эрдэмтэд, инженерүүд квант компьютерийг зохион бүтээх, ажиллуулахдаа асар олон тооны асуудалтай тулгардаг бөгөөд өнөөг хүртэл янз бүрийн амжилттайгаар шийдэгджээ. дагуу () дараах цуврал асуудлуудыг тодорхойлж болно.
- Хүрээлэн буй орчны мэдрэмж, хүрээлэн буй орчинтой харилцах
- Тооцооллын явцад алдаа хуримтлагдах
- Кубит төлөвийг эхлүүлэхэд гарсан хүндрэлүүд
- Олон кубит системийг бий болгоход бэрхшээлтэй
Би нийтлэлийг уншихыг зөвлөж байна "”, ялангуяа түүнд өгсөн сэтгэгдлүүд.
Бүх гол асуудлуудыг гурван том бүлэгт хувааж, тус бүрийг нарийвчлан авч үзье.
Зөрчлийн эвдрэл
.
Квантын төлөв маш эмзэг зүйлорооцолдсон төлөвт байгаа кубитууд туйлын тогтворгүй, аливаа гадны нөлөөлөл энэ холболтыг устгаж чадна (мөн хийдэг).. Температурын хамгийн бага хэмжээгээр өөрчлөгдөх, даралт, ойролцоо нисч буй санамсаргүй фотон - энэ бүхэн бидний системийг тогтворгүй болгодог.
Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд температур (-273.14 хэм) үнэмлэхүй тэгээс бага зэрэг өндөр, гадаад орчны бүх (боломжтой) нөлөөллөөс процессортой дотоод камерыг хамгийн их тусгаарладаг нам температурт саркофагуудыг барьсан.
Хэд хэдэн орооцолдсон кубит бүхий квант системийн хамгийн их ашиглалтын хугацааг, энэ хугацаанд квант шинж чанараа хадгалж, тооцоололд ашиглаж болно гэдгийг декогерентийн хугацаа гэж нэрлэдэг.
Одоогийн байдлаар хамгийн сайн квантын шийдлүүдийн декогерентийн хугацаа дараах байдалтай байна хэдэн арван, хэдэн зуун микросекунд.
Гайхалтай зүйл байна хаанаас үзэх боломжтой бүх бий болгосон квант системүүдийн . Энэ нийтлэлд IBM-ийн хоёр шилдэг процессорыг жишээ болгон оруулсан болно болон . Бидний харж байгаагаар декогерентийн хугацаа (T2) 200 мкс-ээс хэтрэхгүй байна.
Би Sycamore-ийн талаар нарийн мэдээлэл олсонгүй, гэхдээ ихэнх нь хоёр тоо өгөгдсөн - 1 секундэд 200 сая тооцоо, өөр газар - төлөө Хяналтын дохиог алдалгүйгээр 130 секунд гэх мэт.. Ямар ч тохиолдолд энэ нь бидэнд өгдөг задлах хугацаа 150 мкс орчим байна. Биднийг санаарай цүнхтэй туршилтчин? За, тэр энд байна.
| Компьютерийн нэр | N Кубит | Макс хосолсон | T2 (µs) |
| IBM Q Системийн нэг | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Зөрчилдөөн нь биднийг юугаар заналхийлж байна вэ?
Гол асуудал бол 150 мкс-ийн дараа орооцолдсон N квбитээс бүрдэх манай тооцоолох систем зөв шийдлүүдийн магадлалын хуваарилалтын оронд магадлалын цагаан шуугиан гаргаж эхлэх болно.
Өөрөөр хэлбэл, бидэнд хэрэгтэй:
- Кубит системийг эхлүүлэх
- Тооцоолол хийх (хаалганы үйл ажиллагааны гинжин хэлхээ)
- Үр дүнг уншина уу
Мөн энэ бүгдийг 150 микросекундэд хийнэ. Надад цаг байсангүй - үр дүн нь хулуу болж хувирав.
Гэхдээ энэ нь бүгд биш ...
Алдаа
Бидний хэлсэнчлэн квант процесс ба квант тооцоолол нь магадлалын шинж чанартай байдаг, бид ямар нэгэн зүйлд 100% итгэлтэй байж чадахгүй, гэхдээ зөвхөн тодорхой магадлалтайгаар. Энэ нь нөхцөл байдлыг улам хүндрүүлж байна квант тооцоолол нь алдаа ихтэй байдаг. Квантын тооцооллын алдааны үндсэн төрлүүд нь:
- Декогерентийн алдаа нь системийн нарийн төвөгтэй байдал, гадаад орчинтой харьцах үйл ажиллагаанаас үүсдэг
- Хаалганы тооцооллын алдаа (тооцооллын квант шинж чанараас шалтгаалж)
- Эцсийн төлөвийг уншихад гарсан алдаа (үр дүн)
Декогеренттэй холбоотой алдаанууд, бид кубитуудаа ороож, тооцоо хийж эхэлмэгц гарч ирнэ. Бид хэдий чинээ олон кубит орооцолдох тусам систем илүү төвөгтэй болно, мөн үүнийг устгах нь илүү хялбар болно. Бага температурт саркофаг, хамгаалагдсан танхимууд, эдгээр бүх технологийн заль мэх нь алдааны тоог бууруулж, задралын хугацааг уртасгахад чиглэгддэг.
Хаалганы тооцооллын алдаа - Кубит дээрх аливаа үйлдэл (хаалга) нь тодорхой магадлалтайгаар алдаагаар төгсдөг бөгөөд алгоритмыг хэрэгжүүлэхийн тулд бид хэдэн зуун хаалга хийх шаардлагатай байдаг тул бидний алгоритмын гүйцэтгэлийн төгсгөлд юу авахыг төсөөлөөд үз дээ. "Лифтэнд үлэг гүрвэлтэй уулзах магадлал хэд вэ?" Гэсэн асуултын сонгодог хариулт. - 50х50, уулзана, үгүй.
Алдаа засах стандарт аргууд (тооцооллын давхардал, дундаж) нь клончлохгүй теоремоос болж квант ертөнцөд ажиллахгүй байгаа нь асуудлыг улам хүндрүүлж байна. Учир нь квант тооцоололд зохион бүтээх ёстой байсан . Товчоор хэлбэл, бид N энгийн кубит авч, 1-ийг хийнэ логик кубит алдаа багатай.
Гэхдээ энд өөр нэг асуудал гарч ирнэ - нийт квбитийн тоо. Хараач, бидэнд 100 кубит бүхий процессор байгаа гэж бодъё, үүнээс 80 кубит нь алдаа засахад ашиглагддаг бол тооцоолол хийхэд ердөө 20 ширхэг л үлдлээ.
Эцсийн үр дүнг уншихад гарсан алдаа - бидний санаж байгаагаар квант тооцооллын үр дүнг бидэнд хэлбэрээр танилцуулж байна хариултын магадлалын хуваарилалт. Гэхдээ эцсийн төлөвийг унших нь алдаатай байж магадгүй юм.
Үүнтэй адил Процессоруудын алдааны түвшингээр харьцуулсан хүснэгтүүд байдаг. Харьцуулахын тулд өмнөх жишээтэй ижил процессоруудыг авч үзье - IBM и :
| компьютерийн | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Унших үнэнч байдал |
| IBM Q Системийн нэг | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
энд нь хоёр квант төлөвийн ижил төстэй байдлын хэмжүүр юм. Алдааны хэмжээг ойролцоогоор 1-Үнэнч байдлаар илэрхийлж болно. Бидний харж байгаагаар 2-кубит хаалган дээрх алдаа, унших алдаа нь одоо байгаа квант компьютер дээр нарийн төвөгтэй, урт алгоритмуудыг гүйцэтгэхэд гол саад болж байна.
Та бас уншиж болно оноос хойш алдаа засах асуудлыг шийдвэрлэх.
Процессорын архитектур
Онолын хувьд бид барьж, ажиллуулдаг олон арван орооцолдсон кубитуудын хэлхээ, бодит байдал дээр бүх зүйл илүү төвөгтэй байдаг. Одоо байгаа бүх квант чипүүд (процессорууд) нь өвдөлтгүй байхаар бүтээгдсэн зөвхөн хөршүүдтэйгээ нэг кубийн орооцолдох, үүнээс зургаагаас илүүгүй байна.
Хэрэв бид 1-р кубитийг 12-той нь ороох шаардлагатай бол бид үүнийг хийх хэрэгтэй болно. нэмэлт квант үйлдлийн гинжин хэлхээг бий болгох, нэмэлт кубит гэх мэтийг хамардаг бөгөөд энэ нь нийт алдааны түвшинг нэмэгдүүлдэг. Тийм ээ, бас мартаж болохгүй эвдрэлийн хугацаа, магадгүй та кубитүүдийг хэрэгтэй хэлхээнд холбож дуустал цаг хугацаа дуусч бүхэл бүтэн хэлхээ болж хувирах болно. сайхан цагаан дуу чимээ үүсгэгч.
Үүнийг бас мартаж болохгүй Бүх квант процессоруудын бүтэц өөр өөр байдаг, мөн эмулятор дээр "бүгдээрээ холболт" горимд бичигдсэн програмыг тодорхой чипийн архитектурт "дахин эмхэтгэх" шаардлагатай болно. Бүр байдаг энэ үйлдлийг гүйцэтгэх.
Ижил дээд чипүүдийн хамгийн их холболт ба кубитийн хамгийн их тоо:
| Компьютерийн нэр | N Кубит | Макс хосолсон | T2 (µs) |
| IBM Q Системийн нэг | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Мөн харьцуулахын тулд, өмнөх үеийн процессоруудын өгөгдөл бүхий хүснэгт. Кубитийн тоо, задлах хугацаа, алдааны түвшинг шинэ үеийнхтэй харьцуул. Гэсэн хэдий ч ахиц дэвшил удаан боловч хөдөлж байна.
Тиймээс:
- Одоогоор > 6 кубит бүхий бүрэн холбогдсон архитектур байхгүй байна
- Бодит процессор дээр 0 секундын qubit орооцолдохын тулд жишээлбэл, 15 qubit-д хэдэн арван нэмэлт үйлдэл шаардлагатай байж болно.
- Илүү олон үйлдлүүд -> илүү олон алдаа -> задралын хүчтэй нөлөө
Үр дүн
Декогерент нь орчин үеийн квант тооцооллын Прокрастын давхарга юм. Бид бүх зүйлийг 150 μs-д багтаах ёстой:
- Кубитийн анхны төлөвийг эхлүүлэх
- Квантын гейт ашиглан асуудлыг тооцоолох
- Утгатай үр дүнд хүрэхийн тулд алдаагаа засаарай
- Үр дүнг уншина уу
Одоогоор үр дүн нь сэтгэл дундуур байна дээр тулгуурлан квант компьютер дээр 0.5 секундын уялдаа холбоог хадгалах хугацааг олж авна гэж мэдэгдээрэй :
Бид кубит когерентийн хугацааг 0.5 сек-ээс дээш хэмждэг бөгөөд соронзон хамгаалалттай бол энэ нь 1000 секундээс илүү урт байх болно гэж найдаж байна.
Та мөн энэ технологийн талаар уншиж болно эсвэл жишээ нь .
Нарийн төвөгтэй тооцооллыг хийхдээ квант алдааны залруулгын хэлхээг ашиглах шаардлагатай байгаа нь нөхцөл байдлыг улам хүндрүүлж байгаа бөгөөд энэ нь цаг хугацаа болон боломжит кубитуудыг хоёуланг нь иддэг.
Эцэст нь хэлэхэд, орчин үеийн архитектурууд орооцолдох схемийг хамгийн бага зардлаар 1-ийн 4 эсвэл 1-аас 6-ээс илүү сайн хэрэгжүүлэхийг зөвшөөрдөггүй.
Асуудлыг шийдвэрлэх арга замууд
Дээрх асуудлыг шийдвэрлэхийн тулд одоогоор дараах арга, аргуудыг ашиглаж байна.
- Бага температуртай крио камер ашиглах (10 мК (–273,14°C))
- Гадны нөлөөллөөс дээд зэргээр хамгаалагдсан процессорын нэгжүүдийг ашиглах
- Квантын алдаа засах системийг ашиглах (Logic Qubit)
- Тодорхой процессорын хэлхээг програмчлахдаа оновчтой болгох хэрэгслийг ашиглах
Мөн задралын хугацааг нэмэгдүүлэх, квант объектын шинэ (мөн мэдэгдэж буй) физик хэрэгжилтийг хайх, залруулгын хэлхээг оновчтой болгох гэх мэт судалгааг хийж байна. Ахиц дэвшил гарч байна (дээрээс өмнөх болон өнөөгийн дээд зэргийн чипүүдийн шинж чанарыг харна уу), гэхдээ одоогоор энэ нь удаан, маш, маш удаан байна.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-кубит компьютер. Эх сурвалж:
53-кубит процессор ашиглан квантын давамгайлалд хүрэх тухай Google-ийн мэдэгдлийн үеэр, и Кубитийн тоо хэдэн мянгаар хэмжигддэг D-Wave компаниас гаргасан нь зарим талаар төөрөлдүүлж байна. Үнэхээр, хэрэв 53 кубит нь квантын давамгайлалд хүрч чадсан бол 2048 кубиттэй компьютер ямар чадвартай вэ? Гэхдээ бүх зүйл тийм ч сайн биш ...
Товчхондоо (викигээс авсан):
Компьютерууд зарчмаар ажиллана (), оновчлолын маш хязгаарлагдмал дэд ангиллын асуудлыг шийдэж чаддаг бөгөөд уламжлалт квант алгоритмууд болон квант хаалгануудыг хэрэгжүүлэхэд тохиромжгүй байдаг.
Дэлгэрэнгүй мэдээллийг та уншиж болно, жишээлбэл, , (болгоомжтой, Оросоос нээхгүй байж магадгүй), эсвэл в түүнийхээс . Дашрамд хэлэхэд би түүний блогийг ерөнхийд нь уншихыг зөвлөж байна, тэнд маш олон сайн материал байгаа
Ерөнхийдөө зар сурталчилгааны эхнээс л шинжлэх ухааны нийгэмлэг D-Wave компьютеруудын талаар асуултуудтай байсан. Жишээлбэл, 2014 онд IBM D-Wave гэсэн баримтыг эргэлзэж байсан 2015 онд Google НАСА-тай хамтран эдгээр квант компьютеруудын нэгийг худалдан авч, судалгаа хийсний дараа , тиймээ, компьютер ердийнхөөс илүү хурдан ажиллаж, асуудлыг тооцдог. Та Google-ийн мэдэгдлийн талаар илүү ихийг уншиж болно мөн жишээ нь .
Хамгийн гол нь D-Wave компьютерууд нь хэдэн зуу, мянга мянган кубиттэй, квант алгоритмыг тооцоолох, ажиллуулахад ашиглах боломжгүй юм. Жишээлбэл, та Шорын алгоритмыг тэдэн дээр ажиллуулж болохгүй. Тэдний хийж чадах зүйл бол тодорхой оновчлолын асуудлыг шийдэхийн тулд тодорхой квант механизмыг ашиглах явдал юм. Бид D-Wave нь тодорхой даалгаварт зориулсан квант ASIC гэж үзэж болно.
Квант компьютерийн эмуляцийн талаар бага зэрэг
Квантын тооцооллыг энгийн компьютер дээр дууриаж болно. Үнэхээр, :
- Кубитийн төлөв байж болно нийлмэл тоо, процессорын архитектураас хамааран 2x32-аас 2x64 бит (8-16 байт) хүртэл эзэлдэг
- N холбогдсон кубитийн төлөвийг 2^N комплекс тоогоор илэрхийлж болно, өөрөөр хэлбэл. 2 битийн архитектурт 3^(32+N), 2 битийн хувьд 4^(64+N) байна.
- N кубит дээрх квант үйлдлийг 2^N x 2^N матрицаар дүрсэлж болно.
Дараа нь:
- 10 кубитийн дууриасан төлөвийг хадгалахын тулд 8 КБ шаардлагатай
- 20 кубитийн төлөвийг хадгалахын тулд танд 8 МБ хэрэгтэй
- 30 кубитийн төлөвийг хадгалахын тулд 8 ГБ шаардлагатай
- 40 кубитийн төлөвийг хадгалахад 8 терабайт шаардлагатай
- 50 кубитийн төлөвийг хадгалахын тулд 8 петабайт гэх мэт шаардлагатай.
Харьцуулахын тулд, () ердөө 2.8 петабайт санах ойтой.
— Өнгөрсөн жил Хятадын хамгийн том суперкомпьютерт 49 кубит хүргэсэн ()
Сонгодог системүүд дээр квант компьютерийг дуурайх хязгаарыг кубитийн төлөвийг хадгалахад шаардагдах RAM-ийн хэмжээгээр тодорхойлдог.
Би бас уншихыг зөвлөж байна . Тэндээс:
Ашиглалтын хувьд - ойролцоогоор 49 "цикл" (хаалганы бие даасан давхаргууд) -аас бүрдэх 39-кубит хэлхээг үнэн зөв эмуляци хийхэд зориулагдсан. 2^63 нийлмэл үржүүлэх - 4 цагийн турш суперкомпьютерийн 4 Pflops
Сонгодог системүүд дээр 50+ кубит квант компьютерийг дуурайх нь боломжийн хугацаанд боломжгүй гэж үздэг. Тийм ч учраас Google квантын давамгайлах туршилтдаа 53-кубит процессор ашигласан.
Квантын тооцооллын давуу байдал.
Википедиа бидэнд квант тооцооллын давуу байдлын дараах тодорхойлолтыг өгдөг.
Квантын давуу байдал - чадвар сонгодог компьютерийн бараг шийдэж чадахгүй байгаа асуудлыг шийдвэрлэх төхөөрөмж.
Чухамдаа квантын давамгайлалд хүрнэ гэдэг нь жишээ нь Шор алгоритмыг ашиглан олон тооны хүчин зүйл ангилах асуудлыг хангалттай хугацаанд шийдэж болно, эсвэл нарийн төвөгтэй химийн молекулуудыг квант түвшинд дуурайж болно гэх мэт. Энэ нь шинэ эрин үе ирлээ гэсэн үг.
Гэхдээ тодорхойлолтын үг хэллэгт зарим нэг цоорхой бий, "сонгодог компьютерууд бараг шийдэж чадахгүй байгаа" Үнэн хэрэгтээ энэ нь хэрэв та 50+ кубит багтаамжтай квант компьютер бүтээж, түүн дээр ямар нэгэн квант хэлхээ ажиллуулбал дээр дурдсанчлан энэ хэлхээний үр дүнг энгийн компьютер дээр дууриах боломжгүй гэсэн үг юм. Тэр бол сонгодог компьютер ийм хэлхээний үр дүнг дахин үүсгэх боломжгүй болно.
Ийм үр дүн нь бодит квантын давамгайлал мөн үү, үгүй юу гэдэг нь философийн асуудал юм. Гэхдээ Google юу хийсэн, юунд үндэслэсэн болохыг ойлгоорой шаардлагатай.
Google-ийн Квантын давуу байдлын мэдэгдэл
Sycamore 54-qubit процессор
Тиймээс 2019 оны XNUMX-р сард Google-ийн хөгжүүлэгчид Nature шинжлэх ухааны хэвлэлд нийтлэл нийтлүүлсэн." Зохиогчид түүхэндээ анх удаа 54 квбит Sycamore процессор ашиглан квантын давамгайлалд хүрсэн тухай зарлав.
Sycamore нийтлэлүүд нь ихэвчлэн 54-qubit процессор эсвэл 53-qubit процессорын аль нэгийг хэлдэг. Үнэн бол түүний дагуу , процессор нь физикийн хувьд 54 кубитээс бүрдэх боловч тэдгээрийн нэг нь ажиллахгүй байгаа тул үйлчилгээнээс хасагдсан байна. Тиймээс бодит байдал дээр бид 53-qubit процессортой болсон.
Яг тэнд вэб дээр зэрэг нь өөр өөр байсан энэ сэдвээр материал нь .
IBM-ийн квант тооцооллын баг дараа нь ингэж мэдэгдэв . Энгийн компьютер энэ ажлыг хамгийн муу тохиолдолд 2,5 хоногийн дотор даван туулах бөгөөд үүний хариу нь квант компьютерийнхээс илүү үнэн зөв байх болно гэж тус компани мэдэгдэв. Энэ дүгнэлтийг хэд хэдэн оновчлолын аргын онолын шинжилгээний үр дүнд үндэслэн хийсэн.
Тэгээд мэдээж түүний дотор Би энэ мэдэгдлийг үл тоомсорлож чадаагүй. Түүний бүх холбоосын хамт болон ердийнх шиг, тэд таны цагийг зарцуулах нь зүйтэй юм. Төв дээр Энэхүү түгээмэл асуултууд болон сэтгэгдлийг уншихаа мартуузай, албан ёсны мэдэгдэл гарахаас өмнө онлайнаар цацагдсан урьдчилсан баримт бичгийн холбоосууд байгаа.
Google үнэндээ юу хийсэн бэ? Нарийвчилсан ойлголтыг авахын тулд Ааронсоныг эндээс товчхон уншина уу:
Мэдээжийн хэрэг би танд хэлж чадна, гэхдээ би үнэхээр тэнэг юм шиг санагдаж байна. Тооцоолол нь дараах байдалтай байна: туршилт хийгч C санамсаргүй квант хэлхээг үүсгэдэг (жишээ нь, хамгийн ойрын хөршүүдийн хоорондох 1-кубит ба 2-кубит хаалганы санамсаргүй дараалал, жишээлбэл, 20-ийн гүнтэй, n-ийн 2D сүлжээнд ажилладаг. = 50-60 кубит). Дараа нь туршилт хийгч C-г квант компьютер руу илгээж, түүнээс C-г 0-ийн анхны төлөвт хэрэглэж, үр дүнг {0,1} үндсэн дээр хэмжиж, n-битийн ажиглагдсан дарааллыг (мөр) буцааж илгээж, хэд хэдэн үйлдлийг давтахыг хүснэ. мянга, сая сая удаа. Эцэст нь туршилт хийгч С-ийн мэдлэгээ ашиглан үр дүн нь квант компьютерээс хүлээгдэж буй гаралттай тохирч байгаа эсэхийг шалгахын тулд статистикийн тест хийдэг.
Маш товчхондоо:
- Хаалга ашиглан 20 кубитийн 53 урттай санамсаргүй хэлхээг үүсгэсэн
- Хэлхээ нь гүйцэтгэх анхны төлөвөөс эхэлдэг [0…0]
- Хэлхээний гаралт нь санамсаргүй бит мөр (жишээ) юм.
- Үр дүнгийн хуваарилалт нь санамсаргүй биш (хөндлөнгөөс)
- Хүлээн авсан дээжийн тархалтыг хүлээгдэж буйтай харьцуулна
- Квантын давамгайлалыг төгсгөв
Өөрөөр хэлбэл, Google 53-кубит процессор дээр синтетик асуудлыг хэрэгжүүлсэн бөгөөд ийм процессорыг стандарт системүүд дээр боломжийн хугацаанд дуурайх боломжгүй гэсэн үндэслэлээр квантын давамгайлалд хүрсэн гэж үзэж байна.
Ойлгохын тулд - Энэ хэсэг нь Google-ийн амжилтыг ямар ч байдлаар бууруулахгүй, инженерүүд үнэхээр мундаг бөгөөд үүнийг дээр дурдсанчлан бодит квантын давуу тал гэж үзэж болох уу, үгүй юу гэдэг нь инженерчлэл гэхээсээ илүү гүн ухааны асуудал юм. Гэхдээ бид ийм тооцооллын давуу талыг олж авснаар Шорын алгоритмыг 2048 битийн тоон дээр ажиллуулах чадвар руу нэг ч алхам урагшлаагүй гэдгийг ойлгох ёстой.
Хураангуй
Квантын компьютер ба квант тооцоолол нь мэдээллийн технологийн маш ирээдүйтэй, маш залуу бөгөөд одоог хүртэл үйлдвэрлэлийн хувьд бага зэрэг хэрэглэгдэх салбар юм.
Квантын тооцооллын хөгжил (хэзээ нэгэн цагт) бидэнд дараах асуудлуудыг шийдвэрлэх боломжийг олгоно.
- Квантын түвшинд нарийн төвөгтэй физик системийг загварчлах
- Тооцооллын нарийн төвөгтэй байдлаас болж энгийн компьютер дээр шийдвэрлэх боломжгүй
Квантын компьютер үүсгэх, ажиллуулахад тулгарч буй гол бэрхшээлүүд:
- Зөрчлийн эвдрэл
- Алдаа (холбогдохгүй байх ба хаалга)
- Процессорын архитектур (бүрэн холбогдсон кубит хэлхээ)
Одоогийн байдал:
- Үнэндээ - хамгийн эхлэл .
- Бодит арилжааны мөлжлөг хараахан гараагүй байна (мөн хэзээ болох нь тодорхойгүй байна)
Юу тусалж чадах вэ:
- Процессорын утас, үйл ажиллагааны зардлыг бууруулдаг зарим төрлийн физик нээлт
- Задаргааны хугацааг дарааллаар нь нэмэгдүүлэх ба/эсвэл алдааг багасгах ямар нэг зүйлийг олж илрүүлэх
Миний бодлоор (цэвэр хувийн бодол), Мэдлэгийн өнөөгийн шинжлэх ухааны парадигмд бид квант технологийг хөгжүүлэхэд мэдэгдэхүйц амжилтанд хүрэхгүй, энд бидэнд шинэ санаа, арга барилд түлхэц өгөх суурь буюу хэрэглээний шинжлэх ухааны зарим салбарт чанарын нээлт хэрэгтэй байна.
Энэ хооронд бид квант програмчлал, квант алгоритм цуглуулах, бүтээх, санааг турших гэх мэт туршлага хуримтлуулж байна. Бид нээлтийг хүлээж байна.
дүгнэлт
Энэ нийтлэлд бид квант тооцоолол, квант компьютерийг хөгжүүлэх гол үе шатуудыг туулж, тэдгээрийн ажиллах зарчмыг судалж, квант процессорыг хөгжүүлэх, ажиллуулахад инженерүүдэд тулгарч буй гол асуудлуудыг судалж, мөн олон кубит гэж юу болохыг авч үзсэн. D-компьютер бол үнэндээ. Wave болон Google-ийн саяхан зарласан квантын давамгайлал.
Хөшигний ард үлдсэн хэсэг нь квант компьютерийг програмчлах (хэл, арга барил, арга гэх мэт) болон процессоруудын тодорхой физик хэрэгжилт, кубитуудыг хэрхэн удирдах, холбох, унших гэх мэт асуултууд юм. Магадгүй энэ нь дараагийн нийтлэл эсвэл нийтлэлийн сэдэв байх болно.
Анхаарал тавьсанд баярлалаа, энэ нийтлэл хэн нэгэнд хэрэг болно гэж найдаж байна.
(C)
Талархал
эх бичвэрийн талаархи засвар, тайлбар, нийтлэлийн хувьд
талаарх мэдээллээр баялаг сэтгэгдлүүдийг авах , зөвхөн түүнд ч биш, энэ нь надад энэ оньсогыг олоход ихээхэн тусалсан.
Энэхүү нийтлэлийг бичихэд материалыг ашигласан нийтлэл, нийтлэлийн бүх зохиогчдод зориулав.
Нөөцийн жагсаалт
[The National Academies Press]-ийн цаг үеийн нийтлэлүүд
Хабраас нийтлэлүүд (санамсаргүй дарааллаар)
Интернетээс эрэмблэгдээгүй (гэхдээ сонирхолтой биш) нийтлэлүүд
Курс, лекц
Эх сурвалж: www.habr.com