Komputer kuantum dan pengkomputeran kuantum - baharu , yang telah ditambahkan pada ruang maklumat kami bersama-sama dengan , dan istilah teknologi tinggi yang lain. Pada masa yang sama, saya tidak pernah dapat mencari bahan di Internet yang akan menyusun teka-teki dalam kepala saya dipanggil "bagaimana komputer kuantum berfungsi". Ya, terdapat banyak karya cemerlang, termasuk pada Habr (lihat. ), komen yang, seperti biasanya, lebih bermaklumat dan berguna, tetapi gambar di kepala saya, seperti yang mereka katakan, tidak menambah.
Dan baru-baru ini rakan sekerja saya datang kepada saya dan bertanya, "Adakah anda faham bagaimana komputer kuantum berfungsi? Boleh awak beritahu kami?β Dan kemudian saya menyedari bahawa saya bukan satu-satunya yang mempunyai masalah dengan menyusun gambar yang koheren di kepala saya.
Hasilnya, percubaan telah dibuat untuk menyusun maklumat tentang komputer kuantum ke dalam litar logik yang konsisten di mana peringkat asas, tanpa mendalami matematik dan struktur dunia kuantum, telah dijelaskan apa itu komputer kuantum, apakah prinsip ia beroperasi, dan masalah yang dihadapi oleh saintis semasa mencipta dan mengendalikannya.
jadual kandungan
Penafian
Penulis bukan pakar dalam pengkomputeran kuantum, dan Khalayak sasaran artikel adalah orang IT yang sama, bukan pakar kuantum, yang juga mahu mengumpulkan gambar dalam kepala mereka yang dipanggil "Cara komputer kuantum berfungsi." Oleh sebab itu, banyak konsep dalam artikel sengaja dipermudahkan untuk lebih memahami teknologi kuantum pada tahap "asas", tetapi tanpa .
Artikel di beberapa tempat menggunakan bahan daripada sumber lain, . Di mana boleh, pautan terus dan petunjuk kepada teks asal, jadual atau rajah dimasukkan. Jika saya terlupa sesuatu (atau seseorang) di suatu tempat, tulis dan saya akan membetulkannya.
Pengenalan
Dalam bab ini, kita akan melihat secara ringkas bagaimana era kuantum bermula, apakah sebab motivasi untuk idea komputer kuantum, yang (negara dan syarikat mana) kini merupakan pemain terkemuka dalam bidang ini, dan juga bercakap secara ringkas tentang arah utama pembangunan pengkomputeran kuantum.
Bagaimana ia semua bermula
Titik permulaan era kuantum dianggap sebagai 1900, apabila M. Planck pertama kali dikemukakan bahawa tenaga dipancarkan dan diserap bukan secara berterusan, tetapi dalam kuantiti (bahagian) yang berasingan. Idea ini telah diambil dan dikembangkan oleh ramai saintis yang cemerlang pada masa itu - Bohr, Einstein, Heisenberg, SchrΓΆdinger, yang akhirnya membawa kepada penciptaan dan pembangunan sains seperti itu. . Terdapat banyak bahan yang baik di Internet tentang pembentukan fizik kuantum sebagai sains; dalam artikel ini kita tidak akan membincangkan perkara ini secara terperinci, tetapi perlu untuk menunjukkan tarikh apabila kita memasuki era kuantum baru.
Fizik kuantum telah membawa banyak ciptaan dan teknologi ke dalam kehidupan seharian kita, tanpanya kini sukar untuk membayangkan dunia di sekeliling kita. Sebagai contoh, laser, yang kini digunakan di mana-mana, daripada perkakas rumah (tahap laser, dll.) kepada sistem berteknologi tinggi (laser untuk pembetulan penglihatan, hello ). Adalah logik untuk mengandaikan bahawa lambat laun seseorang akan mendapat idea bahawa mengapa tidak menggunakan sistem kuantum untuk pengkomputeran. Dan kemudian pada tahun 1980 ia berlaku.
Wikipedia menunjukkan bahawa idea pertama pengkomputeran kuantum telah dinyatakan pada tahun 1980 oleh saintis kami Yuri Manin. Tetapi mereka benar-benar mula bercakap mengenainya hanya pada tahun 1981, apabila R. Feynman yang terkenal , menyatakan bahawa adalah mustahil untuk mensimulasikan evolusi sistem kuantum pada komputer klasik dengan cara yang cekap. Dia mencadangkan model asas , yang akan dapat menjalankan pemodelan sedemikian.
Ada , di mana dianggap lebih akademik dan terperinci, tetapi kami akan membincangkan secara ringkas:
Pencapaian utama dalam sejarah penciptaan komputer kuantum:
- [1994]. P. Pantai. Direka oleh
- [1998]. Dicipta
- [2001]. IBM memperkenalkan pelaksanaan untuk pengembangan nombor 15
- [2007-2016]. mencipta dan membangunkan komputer dengan 128-2000 qubit
- [2012]. Dilaksanakan di Universiti California
- [2016]. Google pada komputer 9-qubit
- [2017]. (tiga atom)
- [2019]. . Komputer 20-qubit di awan
- [2019]. . komputer 53 qubit. ?
Seperti yang anda lihat, 17 tahun telah berlalu (dari 1981 hingga 1998) dari saat idea itu hingga pelaksanaan pertamanya dalam komputer dengan 2 qubit, dan 21 tahun (dari 1998 hingga 2019) sehingga jumlah qubit meningkat kepada 53. Ia mengambil masa 11 tahun (dari 2001 hingga 2012) untuk menambah baik hasil algoritma Shor (kita akan melihatnya dengan lebih terperinci sedikit kemudian) daripada nombor 15 hingga 21. Juga, hanya tiga tahun lalu kami sampai ke tahap melaksanakan perkara yang dibincangkan oleh Feynman, dan belajar memodelkan sistem fizikal yang paling mudah.
Perkembangan pengkomputeran kuantum adalah perlahan. Para saintis dan jurutera berhadapan dengan tugas yang sangat sukar, keadaan kuantum sangat singkat dan rapuh, dan untuk mengekalkannya cukup lama untuk melakukan pengiraan, mereka perlu membina sarkofagus untuk berpuluh-puluh juta dolar, di mana suhu dikekalkan hanya di atas sifar mutlak, dan yang dilindungi secara maksimum daripada pengaruh luar. Seterusnya kita akan membincangkan tugas dan masalah ini dengan lebih terperinci.
Pemain Utama
Slaid untuk bahagian ini diambil daripada artikel , daripada penyelidik Alexey Fedorov. Izinkan saya memberi anda sebut harga langsung:
Semua negara yang berjaya dari segi teknologi sedang giat membangunkan teknologi kuantum. Sejumlah besar wang sedang dilaburkan dalam penyelidikan ini, dan program khas untuk menyokong teknologi kuantum sedang dibuat.
Bukan sahaja negeri, malah syarikat swasta turut serta dalam perlumbaan kuantum. Secara keseluruhan, Google, IBM, Intel dan Microsoft baru-baru ini telah melabur kira-kira $0,5 bilion dalam pembangunan komputer kuantum dan mewujudkan makmal dan pusat penyelidikan yang besar.
Terdapat banyak artikel mengenai HabrΓ© dan di Internet, sebagai contoh, , ΠΈ , di mana keadaan semasa dengan perkembangan teknologi kuantum di negara yang berbeza diteliti dengan lebih terperinci. Perkara utama bagi kami sekarang ialah semua negara dan pemain teknologi maju yang terkemuka melabur sejumlah besar wang dalam penyelidikan ke arah ini, yang memberi harapan untuk jalan keluar daripada kebuntuan teknologi semasa.
Arah pembangunan
Pada masa ini (saya mungkin salah, betulkan saya) usaha utama (dan lebih kurang keputusan yang ketara) semua pemain terkemuka tertumpu dalam dua bidang:
- Komputer kuantum khusus, yang bertujuan untuk menyelesaikan satu masalah khusus tertentu, sebagai contoh, masalah pengoptimuman. Contoh produk ialah komputer kuantum D-Wave.
- Komputer kuantum sejagat β yang mampu melaksanakan algoritma kuantum sewenang-wenangnya (Shor, Grover, dll.). Pelaksanaan daripada IBM, Google.
Vektor pembangunan lain yang diberikan oleh fizik kuantum kepada kita, seperti:
- sebagai asas untuk
- dan banyak lagi
Sudah tentu, ia juga dalam senarai bidang untuk penyelidikan, tetapi pada masa ini nampaknya tidak ada hasil yang lebih atau kurang ketara.
Selain itu anda boleh membaca , baik, google "", Sebagai contoh, , ΠΈ .
Asas. Objek kuantum dan sistem kuantum
Perkara yang paling penting untuk difahami dari bahagian ini ialah
Komputer kuantum (tidak seperti biasa) digunakan sebagai pembawa maklumat objek kuantum, dan untuk menjalankan pengiraan, objek kuantum mesti disambungkan sistem kuantum.
Apakah objek kuantum?
Objek kuantum - objek dunia mikro (dunia kuantum) yang mempamerkan sifat kuantum:
- Mempunyai keadaan yang ditetapkan dengan dua aras sempadan
- Berada dalam superposisi keadaannya sehingga saat pengukuran
- Menjerat dirinya dengan objek lain untuk mencipta sistem kuantum
- Memenuhi teorem tiada pengklonan (keadaan objek tidak boleh disalin)
Mari lihat setiap hartanah dengan lebih terperinci:
Mempunyai keadaan yang ditentukan dengan dua aras sempadan (keadaan akhir)
Contoh dunia nyata klasik ialah duit syiling. Ia mempunyai keadaan "sisi", yang mengambil dua tahap sempadan - "kepala" dan "ekor".
Berada dalam superposisi keadaannya sehingga saat pengukuran
Mereka melemparkan syiling, ia terbang dan berputar. Semasa ia berputar, adalah mustahil untuk menyatakan di mana tahap sempadannya terletak keadaan "sisi". Tetapi sebaik sahaja kita membantingnya dan melihat hasilnya, superposisi negeri serta-merta runtuh menjadi salah satu daripada dua negeri sempadan - "kepala" dan "ekor". Menampar syiling dalam kes kami adalah ukuran.
Menjerat dirinya dengan objek lain untuk mencipta sistem kuantum
Sukar dengan syiling, tetapi mari cuba. Bayangkan kita baling tiga syiling supaya berpusing berpaut antara satu sama lain, ini berjoging dengan syiling. Pada setiap saat, bukan sahaja setiap daripada mereka berada dalam superposisi negeri, tetapi negeri ini saling mempengaruhi antara satu sama lain (syiling bertembung).
Memenuhi teorem tiada pengklonan (keadaan objek tidak boleh disalin)
Semasa syiling terbang dan berputar, tidak ada cara kita boleh membuat salinan keadaan berputar mana-mana syiling, berasingan daripada sistem. Sistem ini hidup dalam dirinya sendiri dan sangat cemburu melepaskan sebarang maklumat kepada dunia luar.
Beberapa perkataan lagi tentang konsep itu sendiri βsuperposisiβ, dalam hampir semua superposisi artikel dijelaskan sebagai "ada di semua negeri pada masa yang sama", yang, sudah tentu, benar, tetapi kadang-kadang tidak perlu mengelirukan. Superposisi keadaan juga boleh dibayangkan sebagai fakta bahawa pada setiap saat sesuatu objek kuantum mempunyai terdapat kebarangkalian tertentu untuk runtuh ke dalam setiap aras sempadannya, dan secara keseluruhannya kebarangkalian ini secara semula jadi bersamaan dengan 1. Kemudian, apabila mempertimbangkan qubit, kita akan membincangkan perkara ini dengan lebih terperinci.
Untuk syiling, ini boleh divisualisasikan - bergantung pada kelajuan awal, sudut lambungan, keadaan persekitaran di mana syiling itu terbang, pada setiap saat kebarangkalian untuk mendapatkan "kepala" atau "ekor" adalah berbeza. Dan, seperti yang dinyatakan sebelum ini, keadaan syiling terbang sedemikian boleh dibayangkan sebagai "berada di semua negeri sempadannya pada masa yang sama, tetapi dengan kebarangkalian yang berbeza untuk pelaksanaannya."
Sebarang objek yang sifat-sifat di atas dipenuhi dan yang boleh kami cipta dan kawal boleh digunakan sebagai pembawa maklumat dalam komputer kuantum.
Sedikit lagi kita akan bercakap tentang keadaan semasa dengan pelaksanaan fizikal qubit sebagai objek kuantum, dan apa yang kini digunakan saintis dalam kapasiti ini.
Jadi sifat ketiga menyatakan bahawa objek kuantum boleh terjerat untuk mencipta sistem kuantum. Apakah sistem kuantum?
Sistem kuantum β sistem objek kuantum terjerat dengan sifat berikut:
- Sistem kuantum berada dalam superposisi semua keadaan yang mungkin bagi objek di mana ia terdiri
- Adalah mustahil untuk mengetahui keadaan sistem sehingga saat pengukuran
- Pada saat pengukuran, sistem melaksanakan salah satu daripada kemungkinan varian keadaan sempadannya
(dan, memandang ke hadapan sedikit)
Akibat untuk program kuantum:
- Program kuantum mempunyai keadaan tertentu sistem pada input, superposisi di dalam, superposisi pada output
- Pada output program selepas pengukuran, kami mempunyai pelaksanaan kebarangkalian bagi salah satu kemungkinan keadaan akhir sistem (ditambah ralat yang mungkin)
- Mana-mana program kuantum mempunyai seni bina cerobong (input -> output. Tiada gelung, anda tidak boleh melihat keadaan sistem di tengah-tengah proses.)
Perbandingan komputer kuantum dan komputer konvensional
Sekarang mari kita bandingkan komputer konvensional dan komputer kuantum.
| komputer biasa | Komputer kuantum | |
|
Logik
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fizik
|
Transistor semikonduktor | Objek kuantum |
|
Pembawa media
|
Tahap voltan | Polarisasi, putaran,β¦ |
|
Operasi
|
BUKAN, DAN, ATAU, XOR atas bit | Injap: CNOT, Hadamard,β¦ |
|
Perhubungan
|
Cip semikonduktor | Kekeliruan antara satu sama lain |
|
Algoritma
|
Standard (lihat Whip) | Istimewa (Shore, Grover) |
|
prinsip
|
Digital, deterministik | Analog, kebarangkalian |
Tahap logik
Dalam komputer biasa ini adalah sedikit. Terkenal kepada kami melalui dan melalui bit deterministik. Boleh mengambil nilai sama ada 0 atau 1. Ia mampu mengatasi peranan dengan sempurna unit logik untuk komputer biasa, tetapi tidak sesuai sama sekali untuk menggambarkan keadaan objek kuantum, yang, seperti yang telah kami katakan, di alam liar terletak disuperposisi negeri sempadan mereka.
Inilah yang mereka buat . Dalam keadaan sempadannya ia merealisasikan negeri yang serupa dengan 0 dan 1 , dan dalam superposisi mewakili taburan kebarangkalian ke atas negeri sempadannya |0> ΠΈ |1>:
a|0> + b|1>, ΡΠ°ΠΊΠΎΠ΅, ΡΡΠΎ a^2+b^2=1a dan b mewakili , dan kuasa dua modul mereka adalah kebarangkalian sebenar untuk mendapatkan nilai yang tepat bagi keadaan sempadan |0> ΠΈ |1>, jika anda meruntuhkan qubit dengan ukuran sekarang.
Lapisan fizikal
Pada tahap pembangunan teknologi semasa, pelaksanaan fizikal sedikit untuk komputer konvensional adalah transistor semikonduktor, untuk kuantum, seperti yang telah kami katakan, sebarang objek kuantum. Dalam bahagian seterusnya kita akan bercakap tentang apa yang kini digunakan sebagai media fizikal untuk qubit.
Medium simpanan
Untuk komputer biasa ini adalah elektrik - tahap voltan, kehadiran atau ketiadaan arus, dsb., untuk kuantum - sama keadaan objek kuantum (arah polarisasi, putaran, dsb.), yang mungkin dalam keadaan superposisi.
Operasi
Untuk melaksanakan litar logik pada komputer biasa, kami menggunakan yang terkenal , untuk operasi pada qubit adalah perlu untuk menghasilkan sistem operasi yang sama sekali berbeza, dipanggil . Gerbang boleh menjadi qubit tunggal atau qubit berganda, bergantung pada bilangan qubit yang sedang ditukar.
Contoh gerbang kuantum:
Ada konsep set injap sejagat, yang mencukupi untuk melakukan sebarang pengiraan kuantum. Sebagai contoh, set universal termasuk get Hadamard, get shift fasa, get CNOT dan get Οβ8. Dengan bantuan mereka, anda boleh melakukan sebarang pengiraan kuantum pada set qubit yang sewenang-wenangnya.
Dalam artikel ini kita tidak akan membincangkan secara terperinci tentang sistem gerbang kuantum; anda boleh membaca lebih lanjut mengenainya dan operasi logik pada qubit, sebagai contoh, . Perkara utama yang perlu diingat:
- Operasi pada objek kuantum memerlukan penciptaan operator logik baharu (gerbang kuantum)
- Gerbang kuantum datang dalam jenis qubit tunggal dan dua qubit.
- Terdapat set gerbang universal yang boleh digunakan untuk melakukan sebarang pengiraan kuantum
Perhubungan
Satu transistor sama sekali tidak berguna kepada kami; untuk menjalankan pengiraan, kami perlu menyambungkan banyak transistor antara satu sama lain, iaitu, mencipta cip semikonduktor daripada berjuta-juta transistor untuk membina litar logik, dan, akhirnya, dapatkan pemproses moden dalam bentuk klasiknya.
Satu qubit juga sama sekali tidak berguna kepada kita (baik, jika hanya dari segi akademik),
untuk menjalankan pengiraan kita memerlukan sistem qubit (objek kuantum)
yang, seperti yang telah kita katakan, dicipta dengan menjerat qubit antara satu sama lain supaya perubahan dalam keadaan mereka berlaku dalam cara yang diselaraskan.
Algoritma
Algoritma standard yang telah dikumpulkan oleh manusia setakat ini adalah tidak sesuai untuk dilaksanakan pada komputer kuantum. Ya, secara umum tidak perlu. Komputer kuantum berdasarkan logik gerbang berbanding qubit memerlukan penciptaan algoritma yang sama sekali berbeza, algoritma kuantum. Daripada algoritma kuantum yang paling terkenal, tiga boleh dibezakan:
- (pemfaktoran)
- (carian pantas dalam pangkalan data tidak teratur)
- (jawapan kepada soalan, fungsi malar atau seimbang)
prinsip
Dan perbezaan yang paling penting ialah prinsip operasi. Untuk komputer standard ini adalah digital, prinsip deterministik yang tegas, berdasarkan fakta bahawa jika kita menetapkan beberapa keadaan awal sistem dan melewatinya melalui algoritma tertentu, maka hasil pengiraan akan sama, tidak kira berapa kali kita menjalankan pengiraan ini. Sebenarnya, tingkah laku ini adalah apa yang kita harapkan daripada komputer.
Komputer kuantum berjalan analog, prinsip kebarangkalian. Hasil daripada algoritma yang diberikan pada keadaan awal yang diberikan ialah sampel daripada taburan kebarangkalian pelaksanaan akhir algoritma ditambah kemungkinan ralat.
Sifat kebarangkalian pengkomputeran kuantum ini adalah disebabkan oleh intipati dunia kuantum yang sangat berkemungkinan. "Tuhan tidak bermain dadu dengan alam semesta.", kata Einstein lama, tetapi semua eksperimen dan pemerhatian setakat ini (dalam paradigma saintifik semasa) mengesahkan sebaliknya.
Pelaksanaan fizikal qubit
Seperti yang telah kami katakan, qubit boleh diwakili oleh objek kuantum, iaitu objek fizikal yang melaksanakan sifat kuantum yang diterangkan di atas. Iaitu, secara kasarnya, sebarang objek fizikal yang terdapat dua keadaan dan kedua-dua keadaan ini berada dalam keadaan superposisi boleh digunakan untuk membina komputer kuantum.
"Jika kita boleh meletakkan atom ke dalam dua tahap berbeza dan mengawalnya, maka anda mempunyai qubit. Jika kita boleh melakukan ini dengan ion, ia adalah qubit. Ia sama dengan semasa. Jika kami menjalankannya mengikut arah jam dan lawan jam pada masa yang sama, anda mempunyai qubit.β
Terdapat ΠΊ , di mana pelbagai pelaksanaan fizikal qubit semasa dipertimbangkan dengan lebih terperinci, kami hanya akan menyenaraikan yang paling terkenal dan biasa:
- dan banyak idea eksotik lain (anion, dll.)
Daripada semua varieti ini, yang paling maju adalah kaedah pertama untuk mendapatkan qubit, berdasarkan . , , dan pemain terkemuka lain menggunakannya untuk membina sistem mereka.
Nah, baca lagi mungkin qubit daripada .
Asas. Bagaimana komputer kuantum berfungsi
Bahan untuk bahagian ini (tugasan dan gambar) diambil daripada artikel .
Jadi, bayangkan bahawa kita mempunyai tugas berikut:
Terdapat sekumpulan tiga orang: (A)ndrey, (B)olodya dan (C)erezha. Terdapat dua teksi (0 dan 1).
Ia juga diketahui bahawa:
- (A)ndrey, (B)olodya adalah kawan
- (A)ndrey, (C)erezha adalah musuh
- (B)olodya dan (C)erezha adalah musuh
Tugas: Letakkan orang di dalam teksi supaya Max(kawan) ΠΈ Min(musuh)
Penilaian: L = (bilangan kawan) - (bilangan musuh) bagi setiap pilihan penginapan
PENTING: Dengan mengandaikan bahawa tiada heuristik, tiada penyelesaian yang optimum. Dalam kes ini, masalah hanya boleh diselesaikan dengan carian lengkap pilihan.
Penyelesaian pada komputer biasa
Bagaimana untuk menyelesaikan masalah ini pada komputer (atau kluster) biasa (super) - jelas sekali anda perlu mengulangi semua pilihan yang mungkin. Jika kita mempunyai sistem berbilang pemproses, maka kita boleh menyelaraskan pengiraan penyelesaian merentas beberapa pemproses dan kemudian mengumpul hasilnya.
Kami mempunyai 2 pilihan penginapan (teksi 0 dan teksi 1) dan 3 orang. Ruang penyelesaian 2^3 = 8. Anda juga boleh melalui 8 pilihan menggunakan kalkulator, ini tidak menjadi masalah. Sekarang mari kita rumitkan masalah - kita mempunyai 20 orang dan dua bas, ruang penyelesaian 2^20 = 1. Tiada yang rumit juga. Mari tambah bilangan orang sebanyak 2.5 kali ganda - ambil 50 orang dan dua kereta api, ruang penyelesaian kini 2^50 = 1.12 x 10^15. Komputer biasa (super) sudah mula mengalami masalah yang serius. Mari kita tambah bilangan orang sebanyak 2 kali ganda, 100 orang akan memberi kita sudah 1.2 x 10 ^ 30 pilihan yang mungkin.
Itu sahaja, tugas ini tidak boleh dikira dalam masa yang munasabah.
Menyambung superkomputer
Komputer yang paling berkuasa pada masa ini ialah nombor 1 daripada adalah , produktiviti 122 . Mari kita anggap bahawa kita memerlukan 100 operasi untuk mengira satu pilihan, kemudian untuk menyelesaikan masalah untuk 100 orang kita perlukan:
(1.2 x 10^30 100) / 122Γ10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 tahun.
Seperti yang dapat kita lihat apabila dimensi data awal meningkat, ruang penyelesaian berkembang mengikut undang-undang kuasa, dalam kes umum, untuk N bit kita mempunyai 2^N pilihan penyelesaian yang mungkin, yang untuk N yang agak kecil (100) memberikan kita ruang penyelesaian yang tidak dikira (pada tahap teknologi semasa).
Adakah terdapat sebarang alternatif? Seperti yang anda duga, ya, ada.
Tetapi sebelum kita membincangkan bagaimana dan mengapa komputer kuantum boleh menyelesaikan masalah seperti ini dengan berkesan, mari kita luangkan sedikit masa untuk mengimbas semula apa itu. taburan kebarangkalian. Jangan risau, ini adalah artikel ulasan, tidak akan ada sebarang matematik yang sukar di sini, kami akan lakukan dengan contoh klasik dengan beg dan bola.
Hanya sedikit kombinatorik, teori kebarangkalian dan penguji pelik
Mari kita ambil beg dan letakkan di dalamnya 1000 bola putih dan 1000 bola hitam. Kami akan menjalankan eksperimen - keluarkan bola, tuliskan warna, kembalikan bola ke dalam beg dan campurkan bola dalam beg.
Eksperimen dijalankan sebanyak 10 kali, mengeluarkan 10 bola hitam. Mungkin? cukup. Adakah sampel ini memberi kami idea yang munasabah tentang pengedaran sebenar dalam beg itu? Jelas sekali tidak. Apa yang perlu dilakukan - betul, hlmulangi eksperimen sejuta kali dan hitung kekerapan bola hitam dan putih. Kita dapat, sebagai contoh 49.95% hitam dan 50.05% putih. Dalam kes ini, struktur pengedaran dari mana kami mengambil sampel (mengeluarkan satu bola) sudah lebih atau kurang jelas.
Perkara utama ialah memahaminya eksperimen itu sendiri mempunyai sifat kebarangkalian, dengan satu sampel (bola) kita tidak akan mengetahui struktur sebenar taburan, kita perlu mengulangi eksperimen berkali-kali dan purata hasilnya.
Jom tambah dalam beg kita 10 bola merah dan 10 bola hijau (kesilapan). Mari ulangi eksperimen sebanyak 10 kali. DALAMditarik keluar 5 merah dan 5 hijau. Mungkin? ya. Kita boleh mengatakan sesuatu tentang pengedaran sebenar - Tidak. Apa yang perlu dilakukan - baik, anda faham.
Untuk mendapatkan pemahaman tentang struktur taburan kebarangkalian, adalah perlu untuk membuat sampel berulang kali hasil individu daripada taburan ini dan purata hasilnya.
Menghubungkaitkan teori dengan amalan
Sekarang daripada bola hitam dan putih, mari kita ambil bola biliard dan masukkan ke dalam beg 1000 bola dengan nombor 2, 1000 dengan nombor 7 dan 10 bola dengan nombor lain. Mari kita bayangkan seorang penguji yang dilatih dalam tindakan paling mudah (keluarkan bola, tulis nombor, masukkan semula bola ke dalam beg, campurkan bola dalam beg) dan dia melakukan ini dalam 150 mikrosaat. Nah, penguji kepantasan seperti itu (bukan iklan dadah!!!). Kemudian dalam 150 saat dia akan dapat melakukan eksperimen kami sebanyak 1 juta kali dan berikan kami hasil purata.
Mereka dudukkan penguji, memberinya beg, berpaling, menunggu 150 saat dan menerima:
nombor 2 - 49.5%, nombor 7 - 49.5%, jumlah baki keseluruhan - 1%.
Ya betul, beg kami adalah komputer kuantum dengan algoritma yang menyelesaikan masalah kami, dan bola adalah penyelesaian yang mungkin. Oleh kerana terdapat dua penyelesaian yang betul, maka komputer kuantum akan memberi kita mana-mana penyelesaian yang mungkin ini dengan kebarangkalian yang sama, dan 0.5% (10/2000) ralat, yang akan kita bincangkan kemudian.
Untuk mendapatkan hasil komputer kuantum, anda perlu menjalankan algoritma kuantum beberapa kali pada set data input yang sama dan purata hasilnya.
Kebolehskalaan komputer kuantum
Sekarang bayangkan bahawa untuk tugas yang melibatkan 100 orang (ruang penyelesaian 2^100 kami ingat ini), terdapat juga hanya dua keputusan yang betul. Kemudian, jika kita mengambil 100 qubit dan menulis algoritma yang mengira fungsi objektif kita (L, lihat di atas) ke atas qubit ini, maka kita akan mendapat beg di mana akan terdapat 1000 bola dengan nombor jawapan betul pertama, 1000 dengan nombor jawapan kedua betul dan 10 bola dengan nombor lain. Dan dalam masa 150 saat yang sama penguji kami akan memberi kami anggaran taburan kebarangkalian jawapan yang betul.
Masa pelaksanaan algoritma kuantum (dengan beberapa andaian) boleh dianggap malar O(1) berkenaan dengan dimensi ruang penyelesaian (2^N).
Dan ini adalah hak milik komputer kuantum - ketekalan masa larian berhubung dengan peningkatan kerumitan undang-undang kuasa ruang penyelesaian adalah kuncinya.
Qubit dan dunia selari
Bagaimana ini berlaku? Apakah yang membolehkan komputer kuantum melakukan pengiraan dengan begitu pantas? Ini semua tentang sifat kuantum qubit.
Lihat, kami berkata bahawa qubit adalah seperti objek kuantum menyedari salah satu daripada dua keadaannya apabila diperhatikan, tetapi dalam "alam liar" ia berada dalam superposisi negeri, iaitu, ia berada dalam kedua-dua keadaan sempadannya secara serentak (dengan beberapa kebarangkalian).
Mari ambil (A)ndreya dan bayangkan keadaannya (di mana kenderaan itu - 0 atau 1) sebagai qubit. Kemudian kita ada (dalam ruang kuantum) dua dunia selari, dalam satu (A) duduk dalam teksi 0, di dunia lain - dalam teksi 1. Dalam dua teksi serentak, tetapi dengan beberapa kebarangkalian menemuinya dalam setiap daripada mereka semasa pemerhatian.
Mari ambil (B) muda dan mari kita bayangkan juga keadaannya sebagai qubit. Dua lagi dunia selari timbul. Tetapi buat masa ini pasangan dunia ini (A) ΠΈ (DALAM) tidak berinteraksi langsung. Apa yang perlu dilakukan untuk mencipta berkaitan sistem? Betul, kita memerlukan qubit ini mengikat (mengelirukan). Kami mengambilnya dan mengelirukannya (A) dengan (B) β kita mendapat sistem kuantum dua qubit (A, B), menyedari dalam dirinya empat saling bergantung dunia selari. Tambah (S)ergey dan kami mendapat sistem tiga qubit (ABC), melaksanakan lapan saling bergantung dunia selari.
Intipati pengkomputeran kuantum (pelaksanaan rantaian gerbang kuantum ke atas sistem qubit yang disambungkan) adalah hakikat bahawa pengiraan berlaku di semua dunia selari secara serentak.
Dan tidak kira berapa banyak daripada mereka yang kita ada, 2^3 atau 2^100, algoritma kuantum akan dilaksanakan dalam masa yang terhad ke atas semua dunia selari ini dan akan memberi kami hasil, yang merupakan sampel daripada taburan kebarangkalian respons algoritma.
Untuk pemahaman yang lebih baik, seseorang boleh membayangkannya komputer kuantum pada aras kuantum menjalankan 2^N proses penyelesaian selari, setiap daripada mereka bekerja pada satu pilihan yang mungkin, kemudian mengumpul hasil kerja - dan memberikan kita jawapan dalam bentuk superposisi penyelesaian (taburan kebarangkalian respons), yang mana kami mengambil sampel satu setiap kali (untuk setiap percubaan).
Ingat masa yang diperlukan oleh penguji kami (150 Β΅s) untuk menjalankan eksperimen, ini akan berguna kepada kita sedikit lagi, apabila kita bercakap tentang masalah utama komputer kuantum dan masa dekoheren.
Algoritma kuantum
Seperti yang telah disebutkan, algoritma konvensional berdasarkan logik binari tidak boleh digunakan untuk komputer kuantum menggunakan logik kuantum (gerbang kuantum). Baginya, adalah perlu untuk menghasilkan yang baharu yang mengeksploitasi sepenuhnya potensi yang wujud dalam sifat kuantum pengkomputeran.
Algoritma yang paling terkenal hari ini ialah:
Tidak seperti yang klasik, komputer kuantum tidak universal.
Hanya sebilangan kecil algoritma kuantum telah ditemui setakat ini.
Terima kasih untuk pautan ke , tempat di mana, menurut pengarang (), wakil terbaik dunia kuantum-algoritma telah dikumpulkan dan terus dikumpulkan.
Dalam artikel ini kami tidak akan menganalisis algoritma kuantum secara terperinci; terdapat banyak bahan yang sangat baik di Internet untuk sebarang tahap kerumitan, tetapi kami masih perlu membincangkan secara ringkas tiga yang paling terkenal.
Algoritma Shor.
Algoritma kuantum yang paling terkenal ialah (dicipta pada tahun 1994 oleh ahli matematik Inggeris ), yang bertujuan untuk menyelesaikan masalah pemfaktoran nombor menjadi faktor perdana (masalah pemfaktoran, logaritma diskret).
Algoritma inilah yang disebut sebagai contoh apabila mereka menulis bahawa sistem perbankan dan kata laluan anda akan digodam tidak lama lagi. Memandangkan panjang kunci yang digunakan hari ini adalah tidak kurang daripada 2048 bit, masa untuk cap belum tiba.
Sehingga kini lebih daripada sederhana. Keputusan Pemfaktoran Terbaik dengan Algoritma Shor - Nombor ΠΈ , yang jauh lebih kecil daripada 2048 bit. Untuk baki hasil daripada jadual, yang berbeza pengiraan, tetapi hasil terbaik mengikut algoritma ini (291311) adalah sangat jauh dari aplikasi sebenar.
Anda boleh membaca lebih lanjut tentang algoritma Shor, contohnya,. Mengenai pelaksanaan praktikal - .
Salah satu kerumitan dan kuasa yang diperlukan untuk memfaktorkan nombor 2048-bit ialah komputer dengan . Kami tidur dengan tenang.
Algoritma Grover
- menyelesaikan masalah enumerasi, iaitu mencari penyelesaian kepada persamaan F(X) = 1, di mana F adalah daripada n pembolehubah. Dicadangkan oleh seorang ahli matematik Amerika Π² .
Algoritma Grover boleh digunakan untuk mencari ΠΈ siri nombor. Di samping itu, ia boleh digunakan untuk menyelesaikan masalah melalui pencarian menyeluruh antara banyak penyelesaian yang mungkin. Ini mungkin memerlukan peningkatan kelajuan yang ketara berbanding dengan algoritma klasik, walaupun tanpa menyediakan "" secara umum.
Anda boleh membaca lebih lanjutAtau . Lebih banyak Terdapat penjelasan yang baik tentang algoritma menggunakan contoh kotak dan bola, tetapi, malangnya, atas sebab di luar kawalan sesiapa, laman web ini tidak dibuka untuk saya dari Rusia. Jika anda mempunyai juga disekat, jadi berikut adalah ringkasan ringkas:
Algoritma Grover. Bayangkan anda mempunyai N keping kotak tertutup bernombor. Semuanya kosong kecuali satu, yang mengandungi bola. Tugas anda: mengetahui nombor kotak di mana bola terletak (nombor yang tidak diketahui ini selalunya dilambangkan dengan huruf w).
Bagaimana untuk menyelesaikan masalah ini? Cara paling bodoh adalah dengan bergilir-gilir membuka kotak, dan lambat laun anda akan terjumpa kotak dengan bola. Secara purata, berapa banyak kotak yang perlu diperiksa sebelum kotak yang mengandungi bola ditemui? Secara purata, anda perlu membuka kira-kira separuh daripada N/2 kotak. Perkara utama di sini ialah jika kita menambah bilangan kotak sebanyak 100 kali ganda, maka purata bilangan kotak yang perlu dibuka sebelum kotak dengan bola ditemui juga akan meningkat sebanyak 100 kali ganda.
Sekarang mari kita buat satu lagi penjelasan. Jangan kita membuka kotak itu sendiri dengan tangan kita dan memeriksa kehadiran bola di setiap kotak, tetapi ada perantara tertentu, mari kita panggil dia Oracle. Kami memberitahu Oracle, "kotak semak nombor 732," dan Oracle dengan jujur ββββmenyemak dan menjawab, "tidak ada bola dalam kotak nombor 732." Sekarang, daripada menyatakan berapa banyak kotak yang perlu kita buka secara purata, kita katakan "berapa kali secara purata kita harus pergi ke Oracle untuk mencari nombor kotak dengan bola"
Ternyata jika kita menterjemahkan masalah ini dengan kotak, bola dan Oracle ke dalam bahasa kuantum, kita mendapat hasil yang luar biasa: untuk mencari bilangan kotak dengan bola di antara N kotak, kita perlu mengganggu Oracle hanya tentang SQRT (N) kali!
Iaitu, kerumitan tugas carian menggunakan algoritma Grover dikurangkan dengan punca kuasa dua kali.
Algoritma Deutsch-Jozi
Algoritma Deutsch-Jozsa (juga dirujuk sebagai algoritma Deutsch-Jozsa) - [algoritma kuantum](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), ΠΏΡΠ΅Π΄Π»ΠΎΠΆΠ΅Π½Π½ΡΠΉ ΠΈ Π² , dan menjadi salah satu contoh pertama algoritma yang direka untuk dilaksanakan pada . _
Masalah Deutsch-Jozsi adalah untuk menentukan sama ada fungsi beberapa pembolehubah binari F(x1, x2, ... xn) adalah malar (mengambil sama ada nilai 0 atau 1 untuk sebarang hujah) atau seimbang (untuk separuh daripada domain yang diperlukan nilai 0, untuk separuh lagi 1). Dalam kes ini, ia dianggap sebagai priori yang diketahui bahawa fungsi itu sama ada malar atau seimbang.
Anda juga boleh membaca . Penjelasan yang lebih mudah:
Algoritma Deutsch (Deutsch-Jozsi) adalah berdasarkan kekerasan, tetapi membolehkannya dilakukan lebih cepat daripada biasa. Bayangkan bahawa terdapat syiling di atas meja dan anda perlu mengetahui sama ada ia palsu atau tidak. Untuk melakukan ini, anda perlu melihat duit syiling dua kali dan menentukan: "kepala" dan "ekor" adalah nyata, dua "kepala", dua "ekor" adalah palsu. Jadi, jika anda menggunakan algoritma kuantum Deutsch, maka penentuan ini boleh dibuat dengan sekali imbas - pengukuran.
Masalah komputer kuantum
Apabila mereka bentuk dan mengendalikan komputer kuantum, saintis dan jurutera menghadapi sejumlah besar masalah, yang sehingga kini telah diselesaikan dengan pelbagai peringkat kejayaan. mengikut () siri masalah berikut boleh dikenalpasti:
- Kepekaan terhadap persekitaran dan interaksi dengan persekitaran
- Pengumpulan ralat semasa pengiraan
- Kesukaran dengan permulaan awal keadaan qubit
- Kesukaran dalam mencipta sistem multi-qubit
Saya sangat mengesyorkan membaca artikel "β, terutamanya komen mengenainya.
Mari kita susun semua masalah utama kepada tiga kumpulan besar dan lihat dengan lebih dekat setiap daripada mereka:
Penyahkadaran
.
Keadaan kuantum perkara yang sangat rapuhqubit dalam keadaan terjerat sangat tidak stabil, sebarang pengaruh luar boleh (dan tidak) memusnahkan hubungan ini. Perubahan suhu dengan pecahan terkecil darjah, tekanan, foton rawak yang terbang berdekatan - semua ini menjejaskan kestabilan sistem kami.
Untuk menyelesaikan masalah ini, sarcophagi suhu rendah dibina, di mana suhu (-273.14 darjah Celsius) sedikit di atas sifar mutlak, dengan pengasingan maksimum ruang dalaman dengan pemproses dari semua (kemungkinan) pengaruh persekitaran luaran.
Jangka hayat maksimum sistem kuantum beberapa qubit terjerat, di mana ia mengekalkan sifat kuantumnya dan boleh digunakan untuk pengiraan, dipanggil masa dekoheren.
Pada masa ini, masa dekoheren dalam penyelesaian kuantum terbaik adalah mengikut urutan puluhan dan ratusan mikrosaat.
Ada yang indah di mana anda boleh melihat semua sistem kuantum yang dicipta. Artikel ini termasuk hanya dua pemproses teratas sebagai contoh - daripada IBM dan dari . Seperti yang kita dapat lihat, masa penyahpaduan (T2) tidak melebihi 200 ΞΌs.
Saya tidak menemui data tepat mengenai Sycamore, tetapi kebanyakannya dua nombor diberi - 1 juta pengiraan dalam 200 saat, di tempat lain - untuk 130 saat tanpa kehilangan isyarat kawalan, dsb.. Walau apa pun, ini memberi kita masa dekoheren adalah kira-kira 150 ΞΌs. Ingat kami penguji dengan beg? Nah, ini dia.
| Nama Komputer | N Qubits | Max berpasangan | T2 (Β΅s) |
| IBM Q Sistem Satu | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Apakah yang mengancam kita dengan ketidakselarasan?
Masalah utama ialah selepas 150 ΞΌs, sistem pengkomputeran N qubit terjerat kami akan mula mengeluarkan bunyi putih berkemungkinan dan bukannya pengedaran kebarangkalian penyelesaian yang betul.
Iaitu, kita memerlukan:
- Mulakan sistem qubit
- Lakukan pengiraan (rantaian operasi get)
- Baca hasil
Dan lakukan semua ini dalam 150 mikrosaat. Saya tidak mempunyai masa - hasilnya berubah menjadi labu.
Tetapi bukan itu sahajaβ¦
Kesilapan
Seperti yang kami katakan, proses kuantum dan pengkomputeran kuantum bersifat probabilistik, kita tidak boleh yakin 100% tentang apa-apa, tetapi hanya dengan beberapa kebarangkalian. Keadaan diburukkan lagi dengan fakta bahawa pengkomputeran kuantum terdedah kepada ralat. Jenis ralat utama dalam pengkomputeran kuantum ialah:
- Ralat penyahkadaran disebabkan oleh kerumitan sistem dan interaksi dengan persekitaran luaran
- Ralat pengiraan gerbang (disebabkan sifat kuantum pengiraan)
- Ralat dalam membaca keadaan akhir (hasil)
Ralat yang berkaitan dengan dekoheren, muncul sebaik sahaja kita menjerat qubit kita dan mula melakukan pengiraan. Semakin banyak qubit yang kita jalin, semakin kompleks sistemnya, dan lebih mudah untuk memusnahkannya. Sarcophagi suhu rendah, ruang terlindung, semua helah teknologi ini bertujuan untuk mengurangkan bilangan ralat dan memanjangkan masa penyahkoherensian.
Ralat pengiraan gerbang - mana-mana operasi (pintu) pada qubit boleh, dengan beberapa kebarangkalian, berakhir dengan ralat, dan untuk melaksanakan algoritma kita perlu melakukan beratus-ratus pintu, jadi bayangkan apa yang kita dapat pada akhir pelaksanaan algoritma kita. Jawapan klasik kepada soalan itu ialah "Apakah kebarangkalian bertemu dengan dinosaur di dalam lif?" - 50x50, sama ada anda akan bertemu atau tidak.
Masalahnya diburukkan lagi oleh fakta bahawa kaedah pembetulan ralat piawai (penduaan pengiraan dan purata) tidak berfungsi dalam dunia kuantum kerana teorem tanpa pengklonan. Untuk dalam pengkomputeran kuantum terpaksa dicipta . Secara kasarnya, kami mengambil N qubit biasa dan membuat 1 daripadanya qubit logik dengan kadar ralat yang lebih rendah.
Tetapi di sini masalah lain timbul - jumlah bilangan qubit. Lihat, katakan kita mempunyai pemproses dengan 100 qubit, yang mana 80 qubit digunakan untuk pembetulan ralat, maka kita hanya mempunyai 20 qubit sahaja lagi untuk pengiraan.
Kesilapan dalam membaca keputusan akhir β seperti yang kita ingat, hasil pengiraan kuantum dibentangkan kepada kita dalam bentuk taburan kebarangkalian jawapan. Tetapi membaca keadaan akhir juga mungkin gagal dengan ralat.
Pada yang sama Terdapat jadual perbandingan pemproses mengikut tahap ralat. Sebagai perbandingan, mari kita ambil pemproses yang sama seperti dalam contoh sebelumnya - IBM ΠΈ :
| Komputer | 1-Kesetiaan Gerbang Qubit | 2-Kesetiaan Gerbang Qubit | Kesetiaan Bacaan |
| IBM Q Sistem Satu | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
ia adalah ialah ukuran persamaan dua keadaan kuantum. Magnitud ralat boleh dinyatakan secara kasar sebagai 1-Fidelity. Seperti yang dapat kita lihat, ralat pada get 2-qubit dan ralat pembacaan adalah halangan utama untuk melaksanakan algoritma yang kompleks dan panjang pada komputer kuantum sedia ada.
Anda juga boleh membaca tahun dari untuk menyelesaikan masalah pembetulan ralat.
Seni bina pemproses
Secara teori kita membina dan mengendalikan litar berpuluh-puluh qubit terjerat, sebenarnya semuanya lebih rumit. Semua cip kuantum (pemproses) sedia ada dibina sedemikian rupa sehingga ia tidak menyakitkan keterjeratan satu qubit sahaja dengan jirannya, yang mana tidak lebih daripada enam.
Jika kita perlu menjerat qubit pertama, katakan, dengan qubit ke-1, maka kita perlu membina rantaian operasi kuantum tambahan, melibatkan qubit tambahan, dsb., yang meningkatkan tahap ralat keseluruhan. Ya, dan jangan lupa tentang masa dekoheren, mungkin apabila anda selesai menyambungkan qubit ke dalam litar yang anda perlukan, masa akan berakhir dan keseluruhan litar akan berubah menjadi penjana bunyi putih yang bagus.
Juga jangan lupa itu Seni bina semua pemproses kuantum adalah berbeza, dan program yang ditulis dalam emulator dalam mod "kesambungan semua-ke-semua" perlu "disusun semula" ke dalam seni bina cip tertentu. Malah ada untuk melakukan operasi ini.
Kesambungan maksimum dan bilangan qubit maksimum untuk cip teratas yang sama:
| Nama Komputer | N Qubits | Max berpasangan | T2 (Β΅s) |
| IBM Q Sistem Satu | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Dan, sebagai perbandingan, jadual dengan data daripada pemproses generasi sebelumnya. Bandingkan bilangan qubit, masa dekoheren dan kadar ralat dengan apa yang kita ada sekarang dengan generasi baharu. Namun, kemajuan adalah perlahan, tetapi bergerak.
Jadi:
- Pada masa ini tiada seni bina yang disambungkan sepenuhnya dengan > 6 qubit
- Untuk menjerat qubit 0 s pada pemproses sebenar, sebagai contoh, qubit 15 mungkin memerlukan beberapa dozen operasi tambahan
- Lebih banyak operasi -> lebih banyak ralat -> pengaruh dekoheren yang lebih kuat
Keputusan
Decherence ialah dasar Procrustean pengkomputeran kuantum moden. Kita mesti memasukkan segala-galanya ke dalam 150 ΞΌs:
- Permulaan keadaan awal qubit
- Mengira masalah menggunakan get kuantum
- Betulkan kesilapan untuk mendapatkan hasil yang bermakna
- Baca hasilnya
Setakat ini keputusannya mengecewakan menuntut untuk mencapai masa pengekalan koheren 0.5s pada komputer kuantum berdasarkan :
Kami mengukur masa koheren qubit melebihi 0.5 s, dan dengan perisai magnet kami menjangkakan ini akan bertambah baik menjadi lebih lama daripada 1000 s
Anda juga boleh membaca tentang teknologi ini atau sebagai contoh .
Keadaan ini menjadi lebih rumit oleh fakta bahawa apabila melakukan pengiraan yang rumit adalah perlu untuk menggunakan litar pembetulan ralat kuantum, yang juga memakan kedua-dua masa dan qubit yang tersedia.
Dan akhirnya, seni bina moden tidak membenarkan pelaksanaan skim keterikatan lebih baik daripada 1 dalam 4 atau 1 dalam 6 pada kos yang minimum.
Cara untuk menyelesaikan masalah
Untuk menyelesaikan masalah di atas, pendekatan dan kaedah berikut digunakan pada masa ini:
- Menggunakan ruang krio dengan suhu rendah (10 mK (β273,14Β°C))
- Menggunakan unit pemproses yang dilindungi secara maksimum daripada pengaruh luaran
- Menggunakan Sistem Pembetulan Ralat Kuantum (Logik Qubit)
- Menggunakan pengoptimum apabila memprogramkan litar untuk pemproses tertentu
Penyelidikan juga sedang dijalankan bertujuan untuk meningkatkan masa dekoheren, mencari pelaksanaan fizikal objek kuantum baharu (dan menambah baik yang diketahui), mengoptimumkan litar pembetulan, dsb., dsb. Terdapat kemajuan (lihat di atas pada ciri-ciri cip atas yang terdahulu dan hari ini), tetapi setakat ini ia perlahan, sangat, sangat perlahan.
D-Wave
Komputer D-Wave 2000Q 2000-qubit. Sumber:
Di tengah-tengah pengumuman Google untuk mencapai ketuanan kuantum menggunakan pemproses 53-qubit, ΠΈ daripada syarikat D-Wave, di mana bilangan qubit adalah beribu-ribu, agak mengelirukan. Sebenarnya, jika 53 qubit dapat mencapai keunggulan kuantum, maka apakah kemampuan komputer dengan 2048 qubit? Tetapi tidak semuanya begitu baik ...
Pendek kata (diambil dari wiki):
Komputer bekerja berdasarkan prinsip (), boleh menyelesaikan subkelas masalah pengoptimuman yang sangat terhad, dan tidak sesuai untuk melaksanakan algoritma kuantum tradisional dan gerbang kuantum.
Untuk butiran lanjut anda boleh membaca, sebagai contoh, , (berhati-hati, mungkin tidak dibuka dari Rusia), atau Π² daripada dia . By the way, saya sangat mengesyorkan membaca blog beliau secara umum, terdapat banyak bahan yang baik di sana
Secara umum, sejak awal pengumuman, komuniti saintifik mempunyai soalan mengenai komputer D-Wave. Sebagai contoh, pada tahun 2014, IBM mempersoalkan fakta bahawa D-Wave Ia sampai ke tahap bahawa pada tahun 2015, Google, bersama-sama dengan NASA, membeli salah satu komputer kuantum ini dan selepas penyelidikan , bahawa ya, komputer berfungsi dan mengira masalah lebih cepat daripada yang biasa. Anda boleh membaca lebih lanjut mengenai kenyataan Google dan, sebagai contoh, .
Perkara utama ialah komputer D-Wave, dengan ratusan dan ribuan qubit, tidak boleh digunakan untuk mengira dan menjalankan algoritma kuantum. Anda tidak boleh menjalankan algoritma Shor pada mereka, sebagai contoh. Apa yang mereka boleh lakukan ialah menggunakan mekanisme kuantum tertentu untuk menyelesaikan masalah pengoptimuman tertentu. Kita boleh menganggap bahawa D-Wave ialah ASIC kuantum untuk tugas tertentu.
Sedikit mengenai emulasi komputer kuantum
Pengkomputeran kuantum boleh dicontohi pada komputer biasa. Sesungguhnya, :
- Keadaan qubit boleh nombor kompleks, menduduki daripada 2x32 hingga 2x64 bit (8-16 bait) bergantung pada seni bina pemproses
- Keadaan N qubit bersambung boleh diwakili sebagai 2^N nombor kompleks, i.e. 2^(3+N) untuk seni bina 32-bit dan 2^(4+N) untuk 64-bit.
- Operasi kuantum pada N qubit boleh diwakili oleh matriks 2^N x 2^N
Kemudian:
- Untuk menyimpan keadaan yang dicontohi sebanyak 10 qubit, 8 KB diperlukan
- Untuk menyimpan keadaan 20 qubit anda memerlukan 8 MB
- Untuk menyimpan keadaan 30 qubit, 8 GB diperlukan
- 40 Terabait diperlukan untuk menyimpan keadaan 8 qubit
- Untuk menyimpan keadaan 50 qubit, 8 Petabait diperlukan, dsb.
Sebagai perbandingan, () hanya membawa 2.8 Petabait memori.
β 49 qubit dihantar tahun lepas ke superkomputer China terbesar ()
Had simulasi komputer kuantum pada sistem klasik ditentukan oleh jumlah RAM yang diperlukan untuk menyimpan keadaan qubit.
Saya juga mengesyorkan membaca . Dari sana:
Dengan operasi - untuk emulasi tepat litar 49-qubit yang terdiri daripada kira-kira 39 "kitaran" (lapisan bebas pintu) 2^63 pendaraban kompleks - 4 Pflops superkomputer selama 4 jam
Meniru komputer kuantum 50+ qubit pada sistem klasik dianggap mustahil dalam masa yang munasabah. Inilah sebabnya mengapa Google menggunakan pemproses 53-qubit untuk percubaan ketuanan kuantumnya.
Ketuanan pengkomputeran kuantum.
Wikipedia memberi kita takrifan berikut tentang keunggulan pengkomputeran kuantum:
Ketuanan kuantum - keupayaan peranti untuk menyelesaikan masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik.
Malah, mencapai ketuanan kuantum bermakna, sebagai contoh, pemfaktoran nombor besar menggunakan algoritma Shor boleh diselesaikan dalam masa yang mencukupi, atau molekul kimia kompleks boleh dicontohi pada tahap kuantum, dan sebagainya. Iaitu, era baru telah tiba.
Tetapi terdapat beberapa kelemahan dalam perkataan definisi, "komputer klasik yang praktikalnya tidak dapat diselesaikan" Sebenarnya, ini bermakna jika anda mencipta komputer kuantum 50+ qubit dan menjalankan beberapa litar kuantum padanya, maka, seperti yang kita bincangkan di atas, hasil litar ini tidak boleh dicontohi pada komputer biasa. Itu dia komputer klasik tidak akan dapat mencipta semula hasil litar sedemikian.
Sama ada keputusan sedemikian membentuk ketuanan kuantum sebenar atau tidak adalah persoalan falsafah. Tetapi fahami apa yang Google lakukan dan berdasarkan apa ia perlu.
Penyata Ketuanan Kuantum Google
Pemproses Sycamore 54-qubit
Jadi, pada Oktober 2019, pembangun Google menerbitkan artikel dalam penerbitan saintifik Nature β" Penulis mengumumkan pencapaian ketuanan kuantum buat kali pertama dalam sejarah menggunakan pemproses Sycamore 54-qubit.
Artikel Sycamore dalam talian sering merujuk sama ada pemproses 54-qubit atau pemproses 53-qubit. Hakikatnya ialah mengikut , pemproses secara fizikal terdiri daripada 54 qubit, tetapi salah satu daripadanya tidak berfungsi dan telah dikeluarkan daripada perkhidmatan. Oleh itu, sebenarnya kami mempunyai pemproses 53-qubit.
Di web di sana bahan mengenai topik ini, tahap yang berbeza dari kepada .
Pasukan pengkomputeran kuantum IBM kemudiannya menyatakan bahawa . Syarikat itu mendakwa bahawa komputer konvensional akan mengatasi tugas ini dalam kes terburuk dalam 2,5 hari, dan jawapan yang terhasil akan lebih tepat daripada komputer kuantum. Kesimpulan ini dibuat berdasarkan hasil analisis teori beberapa kaedah pengoptimuman.
Dan, sudah tentu, dalam dia Saya tidak boleh mengabaikan kenyataan ini. miliknya bersama-sama dengan semua pautan dan seperti biasa, mereka berbaloi untuk meluangkan masa anda. Di hab Soalan Lazim ini, dan pastikan anda membaca ulasan, terdapat pautan kepada dokumen awal yang telah dibocorkan dalam talian sebelum pengumuman rasmi.
Apakah sebenarnya yang Google lakukan? Untuk pemahaman terperinci, baca Aaronson, tetapi secara ringkas di sini:
Saya boleh, sudah tentu, memberitahu anda, tetapi saya berasa agak bodoh. Pengiraan adalah seperti berikut: penguji menjana litar kuantum rawak C (iaitu, jujukan rawak 1-qubit dan 2-qubit get antara jiran terdekat, dengan kedalaman, sebagai contoh, 20, bertindak pada rangkaian 2D n = 50-60 qubit). Penguji kemudian menghantar C ke komputer kuantum, dan memintanya untuk menggunakan C pada keadaan awal 0, mengukur keputusan dalam asas {0,1}, menghantar kembali urutan (rentetan) yang diperhatikan n-bit, dan ulangi beberapa beribu atau berjuta kali. Akhir sekali, menggunakan pengetahuannya tentang C, penguji menjalankan ujian statistik untuk melihat sama ada hasilnya sepadan dengan output yang dijangkakan daripada komputer kuantum.
Secara ringkas:
- Litar rawak panjang 20 daripada 53 qubit dicipta menggunakan get
- Litar bermula dengan keadaan awal [0β¦0] untuk pelaksanaan
- Keluaran litar ialah rentetan bit rawak (sampel)
- Pengagihan keputusan tidak rawak (gangguan)
- Taburan sampel yang diperoleh dibandingkan dengan yang dijangkakan
- Menyimpulkan Quantum Supremacy
Iaitu, Google melaksanakan masalah sintetik pada pemproses 53-qubit, dan mendasarkan tuntutannya untuk mencapai ketuanan kuantum pada fakta bahawa adalah mustahil untuk meniru pemproses sedemikian pada sistem standard dalam masa yang munasabah.
Untuk pemahaman - Bahagian ini tidak sama sekali mengurangkan pencapaian Google, juruteranya benar-benar hebat, dan persoalan sama ada ini boleh dianggap sebagai keunggulan kuantum sebenar atau tidak, seperti yang dinyatakan sebelum ini, adalah lebih berfalsafah daripada kejuruteraan. Tetapi kita mesti faham bahawa setelah mencapai keunggulan pengiraan sedemikian, kita belum maju satu langkah ke arah keupayaan untuk menjalankan algoritma Shor pada nombor 2048-bit.
Ringkasan
Komputer kuantum dan pengkomputeran kuantum adalah bidang teknologi maklumat yang sangat menjanjikan, sangat muda dan setakat ini masih kecil.
Perkembangan pengkomputeran kuantum akan (suatu hari nanti) membolehkan kita menyelesaikan masalah:
- Memodelkan sistem fizikal yang kompleks pada tahap kuantum
- Tidak boleh diselesaikan pada komputer biasa kerana kerumitan pengiraan
Masalah utama dalam mencipta dan mengendalikan komputer kuantum:
- Penyahkadaran
- Ralat (penyahpekatan dan get)
- Seni bina pemproses (litar qubit bersambung sepenuhnya)
Keadaan semasa:
- Malah - permulaannya .
- Belum ada eksploitasi komersial SEBENAR lagi (dan tidak jelas bila akan berlaku)
Apa yang boleh membantu:
- Beberapa jenis penemuan fizikal yang mengurangkan kos pendawaian dan operasi pemproses
- Menemui sesuatu yang akan meningkatkan masa dekoheren mengikut urutan magnitud dan/atau mengurangkan ralat
Pada pendapat saya (pendapat peribadi semata-mata), Dalam paradigma sains semasa pengetahuan, kita tidak akan mencapai kejayaan yang ketara dalam pembangunan teknologi kuantum, di sini kita memerlukan kejayaan kualitatif dalam beberapa bidang sains asas atau gunaan, yang akan memberi dorongan kepada idea dan kaedah baharu.
Sementara itu, kami memperoleh pengalaman dalam pengaturcaraan kuantum, mengumpul dan mencipta algoritma kuantum, menguji idea, dsb., dsb. Kami sedang menunggu kejayaan.
Kesimpulan
Dalam artikel ini, kami telah melalui pencapaian utama dalam pembangunan pengkomputeran kuantum dan komputer kuantum, mengkaji prinsip operasi mereka, mengkaji masalah utama yang dihadapi jurutera dalam pembangunan dan operasi pemproses kuantum, dan juga melihat apa multi-qubit D-komputer sebenarnya adalah. Wave dan pengumuman Google baru-baru ini untuk mencapai ketuanan kuantum.
Tertinggal di belakang tabir ialah soalan pengaturcaraan komputer kuantum (bahasa, pendekatan, kaedah, dll.) dan soalan yang berkaitan dengan pelaksanaan fizikal khusus pemproses, cara qubit diurus, dipautkan, dibaca, dsb. Mungkin ini akan menjadi topik artikel atau artikel seterusnya.
Terima kasih atas perhatian anda, saya harap artikel ini berguna kepada seseorang.
(DENGAN)
Ucapan terima kasih
untuk membaca pruf dan mengulas pada teks sumber, serta untuk artikel
untuk ulasan yang kaya dengan maklumat tentang , dan bukan sahaja kepadanya, yang sebahagian besarnya membantu saya memikirkan teka-teki ini.
Kepada semua pengarang artikel dan penerbitan yang bahannya digunakan dalam penulisan artikel ini.
Senarai sumber
Artikel Hal Ehwal Semasa daripada [The National Academies Press]
Artikel daripada Habr (dalam susunan rawak)
Artikel yang tidak diisih (tetapi tidak kurang menariknya) daripada Internet
Kursus dan kuliah
Sumber: www.habr.com