Kompjuters kwantiċi u kompjuters quantum - ġodda , li ġie miżjud mal-ispazju ta 'informazzjoni tagħna flimkien ma' , u termini oħra ta 'teknoloġija għolja. Fl-istess ħin, qatt ma stajt insib materjal fuq l-Internet li jgħaqqad flimkien il-puzzle f'rasi msejjaħ "Kif jaħdmu l-kompjuters quantum". Iva, hemm ħafna xogħlijiet eċċellenti, inkluż fuq Habr (ara. ), kummenti li għalihom, kif inhu normalment il-każ, huma saħansitra aktar informattivi u utli, iżda l-istampa f'rasi, kif jgħidu, ma kinitx tammonta.
U dan l-aħħar il-kollegi tiegħi ġew għandi u staqsew, “Fhimt kif jaħdem kompjuter quantum? Tista’ tgħidilna?” U mbagħad indunajt li m’iniex l-uniku wieħed li għandu problema biex ngħaqqad stampa koerenti f’rasi.
Bħala riżultat, sar tentattiv biex tinġabar informazzjoni dwar kompjuters quantum f'ċirkwit loġiku konsistenti li fih livell bażiku, mingħajr immersjoni profonda fil-matematika u l-istruttura tad-dinja quantum, ġie spjegat x'inhu kompjuter quantum, fuq liema prinċipji jopera, u x'problemi jiffaċċjaw ix-xjentisti meta joħolqu u jħaddmuh.
Tabella tal-kontenut
Ċaħda
L-awtur mhuwiex espert fl-informatika kwantistika, u L-udjenza fil-mira tal-artiklu hija l-istess nies tal-IT, mhux speċjalisti quantum, li jridu wkoll jgħaqqdu stampa f’rashom imsejħa “Kif jaħdmu l-kompjuters quantum.” Minħabba dan, ħafna kunċetti fl-artikolu huma deliberatament issimplifikati biex jifhmu aħjar it-teknoloġiji kwantitiċi f'livell "bażiku", iżda mingħajr .
L-artikolu f'xi postijiet juża materjali minn sorsi oħra, . Kull fejn hu possibbli, jiddaħħlu links diretti u indikazzjonijiet għat-test, tabella jew figura oriġinali. Jekk insejt xi ħaġa (jew xi ħadd) x'imkien, ikteb u nikkoreġiha.
Introduzzjoni
F'dan il-kapitlu, se nħarsu fil-qosor lejn kif bdiet l-era quantum, x'kienet ir-raġuni motivanti għall-idea ta 'kompjuter quantum, li (liema pajjiżi u korporazzjonijiet) bħalissa huma l-atturi ewlenin f'dan il-qasam, u nitkellmu wkoll fil-qosor dwar id-direzzjonijiet ewlenin tal-iżvilupp tal-komputazzjoni kwantistika.
Kif beda dan kollu
Il-punt tat-tluq tal-era quantum huwa meqjus bħala l-1900, meta M. Planck ressaq għall-ewwel darba dik l-enerġija hija emessa u assorbita mhux kontinwament, iżda fi kwanti separati (porzjonijiet). L-idea ttieħdet u żviluppata minn ħafna xjenzati eċċellenti ta 'dak iż-żmien - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, li fl-aħħar wasslu għall-ħolqien u l-iżvilupp ta' xjenza bħal . Hemm ħafna materjali tajbin fuq l-Internet dwar il-formazzjoni tal-fiżika kwantistika bħala xjenza; f'dan l-artikolu mhux se noqogħdu noqogħdu fuq dan fid-dettall, iżda kien meħtieġ li nindika d-data meta dħalna fl-era quantum ġdida.
Il-fiżika kwantika ġabet ħafna invenzjonijiet u teknoloġiji fil-ħajja tagħna ta 'kuljum, li mingħajrhom issa huwa diffiċli li wieħed jimmaġina d-dinja ta' madwarna. Pereżempju, laser, li issa jintuża kullimkien, minn apparat tad-dar (livelli tal-laser, eċċ.) Sa sistemi ta 'teknoloġija għolja (lasers għall-korrezzjoni tal-vista, bonjour ). Ikun loġiku li wieħed jassumi li llum jew għada xi ħadd se joħroġ bl-idea li għaliex ma tużax sistemi quantum għall-kompjuters. U mbagħad fl-1980 ġara.
Il-Wikipedija tindika li l-ewwel idea tal-komputazzjoni quantum ġiet espressa fl-1980 mix-xjenzat tagħna Yuri Manin. Iżda huma verament bdew jitkellmu dwar dan biss fl-1981, meta l-magħruf R. Feynman , innota li huwa impossibbli li tissimula l-evoluzzjoni ta 'sistema quantum fuq kompjuter klassiku b'mod effiċjenti. Huwa ppropona mudell elementari , li se jkunu jistgħu jwettqu tali immudellar.
Hemm , fejn hija kkunsidrata aktar akkademikament u fid-dettall, iżda se ngħaddu fil-qosor:
Tragwardi ewlenin fl-istorja tal-ħolqien ta' kompjuters quantum:
- [1994]. P. Xatt. Iddisinjat minn
- [1998]. Maħluq
- [2001]. IBM introduċiet l-eżekuzzjoni għall-espansjoni tan-numru 15
- [2007-2016]. joħloq u jiżviluppa kompjuter b'128-2000 qubits
- [2012]. Implimentat fl-Università ta 'Kalifornja
- [2016]. Google fuq kompjuter 9-qubit
- [2017]. (tliet atomi)
- [2019]. . Kompjuter ta '20 qubit fis-sħab
- [2019]. . 53 qubit kompjuter. ?
Kif tistgħu taraw, għaddew 17-il sena (mill-1981 sal-1998) mill-mument tal-idea għall-ewwel implimentazzjoni tagħha f'kompjuter b'2 qubits, u 21 sena (mill-1998 sal-2019) sakemm in-numru ta 'qubits żdied għal 53. Dom 11-il sena (mill-2001 sal-2012) biex intejbu r-riżultat tal-algoritmu ta’ Shor (se nħarsu lejh f’aktar dettall ftit aktar tard) min-numru 15 sa 21. Ukoll, tliet snin biss ilu wasalna sal-punt li timplimenta dak li tkellem dwaru Feynman, u titgħallem timmudella l-aktar sistemi fiżiċi sempliċi.
L-iżvilupp tal-komputazzjoni quantum huwa bil-mod. Ix-xjentisti u l-inġiniera qed iħabbtu wiċċhom ma 'kompiti diffiċli ħafna, l-istati quantum huma ta' ħajja qasira ħafna u fraġli, u sabiex jippreservawhom għal żmien twil biżżejjed biex iwettqu kalkoli, iridu jibnu sarkofaġi għal għexieren ta 'miljuni ta' dollari, li fihom tinżamm it-temperatura. eżatt fuq iż-żero assolut, u li huma protetti b'mod massimu minn influwenzi esterni. Sussegwentement nitkellmu dwar dawn il-kompiti u l-problemi f'aktar dettall.
Plejers ewlenin
Il-pjastri għal din it-taqsima huma meħuda mill-artiklu , mir-riċerkatur Alexey Fedorov. Ħa nagħtikom kwotazzjonijiet diretti:
Il-pajjiżi kollha ta' suċċess teknoloġiku bħalissa qed jiżviluppaw b'mod attiv teknoloġiji quantum. F'din ir-riċerka qed jiġi investit ammont kbir ta' flus, u qed jinħolqu programmi speċjali biex jappoġġjaw it-teknoloġiji quantum.
Mhux biss l-istati, iżda wkoll kumpaniji privati qed jipparteċipaw fit-tellieqa quantum. B'kollox, Google, IBM, Intel u Microsoft reċentement investew madwar $0,5 biljun fl-iżvilupp ta 'kompjuters quantum u ħolqu laboratorji kbar u ċentri ta' riċerka.
Hemm ħafna artikli fuq Habré u fuq l-Internet, pereżempju, , и , li fiha l-istat attwali tal-affarijiet bl-iżvilupp ta 'teknoloġiji quantum f'pajjiżi differenti huwa eżaminat f'aktar dettall. Il-ħaġa ewlenija għalina issa hija li l-pajjiżi u l-atturi żviluppati teknoloġikament ewlenin kollha qed jinvestu ammonti kbar ta 'flus fir-riċerka f'din id-direzzjoni, li tagħti tama għal mod kif toħroġ mill-impass teknoloġiku attwali.
Direzzjonijiet għall-iżvilupp
Bħalissa (nista' nkun żbaljat, ikkoreġini) l-isforzi ewlenin (u riżultati ftit jew wisq sinifikanti) tal-atturi ewlenin kollha huma kkonċentrati f'żewġ oqsma:
- Kompjuters kwantistiċi speċjalizzati, li huma mmirati biex isolvu problema speċifika waħda speċifika, pereżempju, problema ta 'ottimizzazzjoni. Eżempju ta' prodott huma l-kompjuters quantum D-Wave.
- Kompjuters quantum universali — li huma kapaċi jimplimentaw algoritmi kwantistika arbitrarji (Shor, Grover, eċċ.). Implimentazzjonijiet minn IBM, Google.
Vetturi oħra ta 'żvilupp li tagħtina l-fiżika kwantistika, bħal:
- bħala bażi għal
- u ħafna iktar
Naturalment, huwa wkoll fuq il-lista ta 'oqsma għar-riċerka, iżda fil-preżent jidher li m'hemmx riżultati aktar jew inqas sinifikanti.
Barra minn hekk tista 'taqra , ukoll, google "", Pereżempju, , и .
Bażi. Oġġett quantum u sistemi quantum
L-aktar ħaġa importanti li wieħed jifhem minn din it-taqsima hija li
Kompjuter kwantiku (bħas-soltu) użi bħala trasportaturi ta 'informazzjoni oġġetti quantum, u biex iwettqu kalkoli, oġġetti quantum għandhom ikunu konnessi fi sistema kwantistika.
X'inhu oġġett quantum?
Oġġett quantum - oġġett tal-mikrodinja (dinja kwantika) li juri proprjetajiet quantum:
- Għandu stat definit b'żewġ livelli tal-konfini
- Huwa f'superpożizzjoni tal-istat tiegħu sal-mument tal-kejl
- Tħabbil ruħha ma 'oġġetti oħra biex toħloq sistemi quantum
- Jissodisfa t-teorema tal-ebda klonazzjoni (l-istat ta' oġġett ma jistax jiġi kkupjat)
Ejja nħarsu lejn kull proprjetà f'aktar dettall:
Għandu stat definit b'żewġ livelli tal-konfini (stat finali)
Eżempju klassiku tad-dinja reali huwa munita. Għandu stat "tal-ġenb", li jieħu żewġ livelli tal-konfini - "irjus" u "dnub".
Huwa f'superpożizzjoni tal-istat tiegħu sal-mument tal-kejl
Huma tefgħu munita, itir u ddur. Waqt li tkun qed iddur, huwa impossibbli li wieħed jgħid f'liema livelli tal-konfini jinsab l-istat "tal-ġenb" tiegħu. Iżda malli nħabbtuha u nħarsu lejn ir-riżultat, is-superpożizzjoni tal-istati immedjatament tikkollassa f'wieħed minn żewġ stati tal-konfini - "irjus" u "dnub". Slapping munita fil-każ tagħna huwa kejl.
Tħabbil ruħha ma 'oġġetti oħra biex toħloq sistemi quantum
Huwa diffiċli b'munita, imma ejja nippruvaw. Immaġina li tajna tliet muniti sabiex iduru mwaħħla ma 'xulxin, dan huwa juggling mal-muniti. F'kull mument ta 'żmien, mhux biss kull wieħed minnhom jinsab f'superpożizzjoni ta' stati, iżda dawn l-istati jinfluwenzaw lil xulxin b'mod reċiproku (il-muniti jaħbtu).
Jissodisfa t-teorema tal-ebda klonazzjoni (l-istat ta' oġġett ma jistax jiġi kkupjat)
Filwaqt li l-muniti qed itiru u jduru, m'hemm l-ebda mod kif nistgħu noħolqu kopja tal-istat tal-għażil ta 'kwalunkwe muniti, separata mis-sistema. Is-sistema tgħix fiha nnifisha u hija ħafna jealous li tirrilaxxa kwalunkwe informazzjoni lid-dinja ta 'barra.
Ftit kliem ieħor dwar il-kunċett innifsu "superpożizzjonijiet", fi kważi l-artikoli kollha s-superpożizzjoni hija spjegata bħala "huwa fl-istati kollha fl-istess ħin", li huwa, ovvjament, veru, iżda xi drabi jħawdu bla bżonn. Sovrapożizzjoni ta 'stati tista' wkoll tiġi immaġinata bħala l-fatt li f'kull mument ta 'żmien oġġett quantum għandu hemm ċerti probabbiltajiet ta’ kollass f’kull wieħed mil-livelli tal-konfini tiegħu, u b’kollox dawn il-probabbiltajiet huma naturalment ugwali għal 1. Aktar tard, meta nikkunsidraw il-qubit, se noqogħdu fuq dan f'aktar dettall.
Għall-muniti, dan jista 'jiġi viżwalizzat - skond il-veloċità inizjali, l-angolu tat-toss, l-istat ta' l-ambjent li fih il-munita tkun qed itir, f'kull mument fiż-żmien il-probabbiltà li tikseb "irjus" jew "denb" hija differenti. U, kif issemma qabel, l-istat ta 'munita li ttir bħal din jista' jiġi immaġinat bħala "li tkun fl-istati tal-konfini kollha tagħha fl-istess ħin, iżda bi probabbiltajiet differenti tal-implimentazzjoni tagħhom."
Kwalunkwe oġġett li għalih jintlaħqu l-proprjetajiet ta 'hawn fuq u li nistgħu noħolqu u nikkontrollaw jista' jintuża bħala ġarrier ta 'informazzjoni f'kompjuter quantum.
Ftit aktar se nitkellmu dwar l-istat attwali tal-affarijiet bl-implimentazzjoni fiżika tal-qubits bħala oġġetti quantum, u dak li x-xjentisti qed jużaw issa f'din il-kapaċità.
Allura t-tielet proprjetà tiddikjara li l-oġġetti quantum jistgħu jitħabblu biex joħolqu sistemi quantum. X'inhi sistema quantum?
Sistema kwantika — sistema ta’ oġġetti quantum mħabblin bil-proprjetajiet li ġejjin:
- Sistema quantum tinsab f'superpożizzjoni tal-istati kollha possibbli tal-oġġetti li tikkonsisti minnhom
- Huwa impossibbli li tkun taf l-istat tas-sistema sal-mument tal-kejl
- Fil-mument tal-kejl, is-sistema timplimenta waħda mill-varjanti possibbli tal-istati tal-konfini tagħha
(u, tħares ftit 'il quddiem)
Korollarju għall-programmi quantum:
- Programm quantum għandu stat partikolari tas-sistema fl-input, superpożizzjoni ġewwa, superpożizzjoni fl-output
- Fl-output tal-programm wara l-kejl għandna implimentazzjoni probabilistika ta 'wieħed mill-istati finali possibbli tas-sistema (flimkien ma' żbalji possibbli)
- Kwalunkwe programm quantum għandu arkitettura taċ-ċumnija (input -> output. M'hemm l-ebda loops, ma tistax tara l-istat tas-sistema fin-nofs tal-proċess.)
Tqabbil ta' kompjuter quantum u wieħed konvenzjonali
Ejja issa nqabblu kompjuter konvenzjonali u wieħed quantum.
| kompjuter regolari | Kompjuter kwantiku | |
|
Loġika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fiżika
|
Transistor semikonduttur | Oġġett quantum |
|
Trasportatur ta' l-informazzjoni
|
Livelli ta 'vultaġġ | Polarizzazzjoni, spin,... |
|
Operazzjonijiet
|
MHUX, U, JEW, XOR fuq bits | Valvoli: CNOT, Hadamard,... |
|
Relazzjoni
|
Ċippa tas-semikondutturi | Konfużjoni ma’ xulxin |
|
Algoritmi
|
Standard (ara Whip) | Speċjali (Xatt, Grover) |
|
Prinċipju
|
Diġitali, deterministiku | Analogu, probabilistiku |
Livell loġiku
F'kompjuter regolari dan huwa daqsxejn. Magħruf sew magħna minn kollox bit deterministiku. Jista 'jieħu valuri ta' 0 jew 1. Tlaħħaq perfettament mar-rwol unità loġika għal kompjuter regolari, iżda huwa kompletament mhux adattat biex jiddeskrivi l-istat oġġett quantum, li, kif diġà għedna, fis-selvaġġ tinsab fisuperpożizzjonijiet tal-istati tal-konfini tagħhom.
Dan huwa dak li ħarġu bih . Fl-istati tal-konfini tiegħu jirrealizza stati simili għal 0 u 1 , u f'superpożizzjoni tirrappreżenta distribuzzjoni tal-probabbiltà fuq l-istati tal-konfini tagħha |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a u b jirrappreżentaw , u l-kwadri tal-moduli tagħhom huma l-probabbiltajiet attwali li jinkisbu eżattament tali valuri tal-istati tal-konfini |0> и |1>, jekk tikkollassa l-qubit b'kejl issa.
Saff fiżiku
Fil-livell teknoloġiku attwali ta 'żvilupp, l-implimentazzjoni fiżika ta' daqsxejn għal kompjuter konvenzjonali hija transistor semikonduttur, għal quantum, kif diġà għidna, kwalunkwe oġġett quantum. Fit-taqsima li jmiss se nitkellmu dwar dak li bħalissa jintuża bħala midja fiżika għal qubits.
Mezz ta 'ħażna
Għal kompjuter regolari dan huwa elettriku - livelli ta 'vultaġġ, preżenza jew assenza ta' kurrent, eċċ, għal quantum - l-istess stat ta' oġġett quantum (direzzjoni ta 'polarizzazzjoni, spin, eċċ.), li jista' jkun fi stat ta 'superpożizzjoni.
Operazzjonijiet
Biex timplimenta ċirkwiti loġiċi fuq kompjuter regolari, nużaw magħrufa sew , għal operazzjonijiet fuq qubits kien meħtieġ li toħroġ b'sistema ta 'operazzjonijiet kompletament differenti, imsejħa . Il-gradi jistgħu jkunu qubit wieħed jew qubit doppju, skont kemm qed jiġu kkonvertiti qubits.
Eżempji ta' gradi quantum:
Hemm kunċett sett tal-valv universali, li huma biżżejjed biex iwettqu kwalunkwe kalkolu quantum. Pereżempju, sett universali jinkludi xatba Hadamard, xatba ta 'bidla fil-fażi, xatba CNOT, u xatba π⁄8. Bl-għajnuna tagħhom, tista 'twettaq kwalunkwe kalkolu quantum fuq sett arbitrarju ta' qubits.
F'dan l-artikolu mhux se noqogħdu fid-dettall dwar is-sistema ta 'xtiebi quantum; tista' taqra aktar dwarhom u operazzjonijiet loġiċi fuq qubits, pereżempju, . Il-ħaġa prinċipali li għandek tiftakar:
- Operazzjonijiet fuq oġġetti quantum jeħtieġu l-ħolqien ta 'operaturi loġiċi ġodda (xtiebi quantum)
- Xtiebi Quantum jiġu f'tipi ta 'qubit wieħed u doppju.
- Hemm settijiet universali ta 'gradi li jistgħu jintużaw biex iwettqu kwalunkwe komputazzjoni kwantistika
Relazzjoni
Transistor wieħed huwa kompletament inutli għalina; sabiex inwettqu kalkoli jeħtieġ li nikkonnettjaw ħafna transisters ma 'xulxin, jiġifieri, noħolqu ċippa semikonduttur minn miljuni ta' transisters li fuqhom nibnu ċirkwiti loġiċi, u, fl-aħħar mill-aħħar, tikseb proċessur modern fil-forma klassika tiegħu.
Qubit wieħed huwa wkoll kompletament inutli għalina (sewwa, jekk biss f'termini akkademiċi),
biex inwettqu l-kalkoli neħtieġu sistema ta’ qubits (oġġetti quantum)
li, kif diġà għidna, hija maħluqa billi tħabbil qubits ma 'xulxin sabiex il-bidliet fl-istati tagħhom iseħħu b'mod koordinat.
Algoritmi
L-algoritmi standard li l-umanità akkumulat sal-lum huma kompletament mhux adattati għall-implimentazzjoni fuq kompjuter quantum. Iva, b'mod ġenerali m'hemmx bżonn. Kompjuters kwantiċi bbażati fuq il-loġika tal-bieb fuq qubits jeħtieġu l-ħolqien ta 'algoritmi kompletament differenti, algoritmi tal-kwantum. Mill-algoritmi quantum l-aktar magħrufa, tlieta jistgħu jiġu distinti:
- (fatturizzazzjoni)
- (tfittxija mgħaġġla f'database mhux ordnata)
- (tweġiba għall-mistoqsija, funzjoni kostanti jew bilanċjata)
Prinċipju
U l-aktar differenza importanti hija l-prinċipju operattiv. Għal kompjuter standard dan huwa prinċipju diġitali, strettament deterministiku, ibbażat fuq il-fatt li jekk nissettjaw xi stat inizjali tas-sistema u ngħadduha minn algoritmu partikolari, allura r-riżultat tal-kalkoli jkun l-istess, irrispettivament minn kemm-il darba nħaddmu dan il-kalkolu. Fil-fatt, din l-imġieba hija eżattament dak li nistennew minn kompjuter.
Il-kompjuter quantum jaħdem fuq analogu, prinċipju probabilistiku. Ir-riżultat ta 'algoritmu partikolari fi stat inizjali partikolari huwa kampjun minn distribuzzjoni ta' probabbiltà implimentazzjonijiet finali tal-algoritmu flimkien ma' żbalji possibbli.
Din in-natura probabilistika tal-komputazzjoni kwantistika hija dovuta għall-essenza probabilistika ħafna tad-dinja quantum. "Alla ma jilgħabx dadi mal-univers.", qal il-qadim Einstein, iżda l-esperimenti u l-osservazzjonijiet kollha s'issa (fil-paradigma xjentifika attwali) jikkonfermaw l-oppost.
Implimentazzjonijiet fiżiċi ta' qubits
Kif diġà għidna, qubit jista 'jiġi rappreżentat minn oġġett quantum, jiġifieri, oġġett fiżiku li jimplimenta l-proprjetajiet quantum deskritti hawn fuq. Jiġifieri, bejn wieħed u ieħor, kwalunkwe oġġett fiżiku li fih hemm żewġ stati u dawn iż-żewġ stati huma fi stat ta 'superpożizzjoni jista' jintuża biex jinbena kompjuter quantum.
“Jekk nistgħu npoġġu atomu f’żewġ livelli differenti u nikkontrollawhom, allura għandek qubit. Jekk nistgħu nagħmlu dan b'jone, huwa qubit. Huwa l-istess mal-kurrent. Jekk inħaddmuh lejn l-arloġġ u kontra l-arloġġ fl-istess ħin, għandek qubit.”
Hemm к , li fiha l-varjetà attwali ta 'implimentazzjonijiet fiżiċi tal-qubit hija kkunsidrata f'aktar dettall, aħna sempliċiment se niżżel l-aktar magħrufa u komuni:
- u ħafna ideat eżotiċi oħra (anjoni, eċċ.)
Minn din il-varjetà kollha, l-aktar żviluppat huwa l-ewwel metodu ta 'ksib ta' qubits, ibbażat fuq . , , u atturi ewlenin oħra jużawha biex jibnu s-sistemi tagħhom.
Ukoll, aqra aktar possibbli qubits minn .
Bażi. Kif jaħdem kompjuter quantum
Materjali għal din it-taqsima (kompitu u stampi) huma meħuda mill-artiklu .
Allura, immaġina li għandna l-kompitu li ġej:
Hemm grupp ta’ tliet persuni: (A)ndrey, (B)olodya u (C)erezha. Hemm żewġ taxis (0 u 1).
Huwa magħruf ukoll li:
- (A)ndrey, (B)olodya huma ħbieb
- (A)ndrey, (C)erezha huma għedewwa
- (B)olodya u (C)erezha huma għedewwa
Kompitu: Poġġi n-nies fit-taxis sabiex Max(ħbieb) и Min(għedewwa)
Klassifikazzjoni: L = (numru ta 'ħbieb) - (numru ta' għedewwa) għal kull għażla ta’ akkomodazzjoni
IMPORTANTI: Jekk wieħed jassumi li m'hemmx euristiċi, m'hemm l-ebda soluzzjoni ottima. F'dan il-każ, il-problema tista 'tiġi solvuta biss permezz ta' tfittxija sħiħa ta 'għażliet.
Soluzzjoni fuq kompjuter regolari
Kif issolvi din il-problema fuq kompjuter (jew cluster) regolari (super) - huwa ċar li trid tgħaddi l-għażliet kollha possibbli. Jekk ikollna sistema multiproċessur, allura nistgħu nipparallelizzaw il-kalkolu tas-soluzzjonijiet f'diversi proċessuri u mbagħad niġbru r-riżultati.
Għandna 2 għażliet ta' akkomodazzjoni possibbli (taxi 0 u taxi 1) u 3 persuni. Spazju tas-soluzzjoni 2 ^ 3 = 8. Tista 'anki tgħaddi minn 8 għażliet billi tuża kalkulatur, din mhix problema. Issa ejja nikkomplikaw il-problema - għandna 20 persuna u żewġ karozzi tal-linja, l-ispazju tas-soluzzjoni 2^20 = 1. Xejn ikkumplikat lanqas. Ejja nżidu n-numru ta 'nies b'2.5 darbiet - ħu 50 persuna u żewġ ferroviji, l-ispazju tas-soluzzjoni huwa issa 2^50 = 1.12 x 10^15. Kompjuter ordinarju (super) diġà qed jibda jkollu problemi serji. Ejja nżidu n-numru ta 'nies b'2 darbiet, 100 ruħ se jagħtuna diġà 1.2x10^30 għażliet possibbli.
Dak hu, dan il-kompitu ma jistax jiġi kkalkulat f'ammont raġonevoli ta 'żmien.
Konnessjoni ta 'superkompjuter
L-aktar kompjuter b'saħħtu bħalissa huwa n-numru 1 ta' Hija , produttività 122 . Ejja nassumu li għandna bżonn 100 operazzjoni biex nikkalkulaw għażla waħda, imbagħad biex insolvu l-problema għal 100 ruħ ikollna bżonn:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 sena.
Kif nistgħu naraw hekk kif id-dimensjoni tad-dejta inizjali tiżdied, l-ispazju tas-soluzzjoni jikber skont liġi tal-qawwa, fil-każ ġenerali, għal N bits għandna 2^N għażliet ta 'soluzzjoni possibbli, li għal N relattivament żgħir (100) jagħtuna spazju ta' soluzzjoni mhux ikkalkulat (fil-livell teknoloġiku attwali).
Hemm xi alternattivi? Kif forsi bdejt, iva, hemm.
Iżda qabel ma nidħlu f'kif u għaliex il-kompjuters quantum jistgħu jsolvu problemi bħal dawn b'mod effettiv, ejja nieħdu mument biex niġbru lura x'inhuma. distribuzzjoni tal-probabbiltà. Tħawwadx, dan huwa artiklu ta 'reviżjoni, mhux se jkun hemm matematika iebsa hawn, aħna se nagħmlu l-eżempju klassiku b'borża u blalen.
Biss ftit combinatorics, teorija tal-probabbiltà u esperimentatur stramba
Ejja nieħdu borża u poġġiha fiha 1000 ballun abjad u 1000 iswed. Aħna se nagħmlu esperiment - oħroġ il-ballun, ikteb il-kulur, erġa 'lura l-ballun fil-borża u ħallat il-blalen fil-borża.
L-esperiment sar 10 darbiet, ħareġ 10 blalen suwed. Jista 'jkun? Pjuttost. Dan il-kampjun jagħtina xi idea raġonevoli tad-distribuzzjoni vera fil-borża? Ovvjament le. Dak li jrid isir - id-dritt, pirrepeti l-esperiment miljun darba u kkalkula l-frekwenzi tal-blalen suwed u bojod. Nirċievu, pereżempju 49.95% iswed u 50.05% abjad. F'dan il-każ, l-istruttura tad-distribuzzjoni li minnha nieħdu kampjun (ħu ballun wieħed) diġà hija ftit jew wisq ċara.
Il-ħaġa prinċipali hija li tifhem dan l-esperiment innifsu għandu natura probabilistika, b'kampjun wieħed (ballun) mhux se nkunu nafu l-istruttura vera tad-distribuzzjoni, għandna bżonn nirrepetu l-esperiment ħafna drabi u medja tar-riżultati.
Ejja nżiduha mal-borża tagħna 10 blalen ħomor u 10 ħodor (żbalji). Ejja rrepeti l-esperiment 10 darbiet. INħarġet 5 ħomor u 5 ħodor. Jista 'jkun? Iva. Nistgħu ngħidu xi ħaġa dwar id-distribuzzjoni vera - Le. Dak li jrid isir - tajjeb, tifhem.
Biex tinkiseb fehim tal-istruttura ta 'distribuzzjoni ta' probabbiltà, huwa meħtieġ li ripetutament kampjun ta 'riżultati individwali minn din id-distribuzzjoni u medja tar-riżultati.
Tgħaqqad it-teorija mal-prattika
Issa minflok blalen suwed u bojod, ejja nieħdu blalen tal-biljard u poġġihom ġo borża 1000 ballun bin-numru 2, 1000 bin-numru 7 u 10 ballun b'numri oħra. Ejja nimmaġinaw esperimentatur li huwa mħarreġ fl-aktar azzjonijiet sempliċi (oħroġ ballun, ikteb in-numru, poġġi l-ballun lura fil-borża, ħallat il-blalen fil-borża) u jagħmel dan f'150 mikrosekonda. Ukoll, esperimentatur bħal dan dwar il-veloċità (mhux reklam tad-droga!!!). Imbagħad f'150 sekonda jkun jista 'jwettaq l-esperiment tagħna miljun darba u agħtina r-riżultati tal-medja.
Poġġew lill-esperimentatur, tawh borża, daru, stennew 150 sekonda u rċevew:
numru 2 - 49.5%, numru 7 - 49.5%, in-numri li jifdal b'kollox - 1%.
Iva, hekk hu, il-borża tagħna hija kompjuter quantum b'algoritmu li jsolvi l-problema tagħna, u l-blalen huma soluzzjonijiet possibbli. Peress li hemm żewġ soluzzjonijiet korretti, allura kompjuter quantum jagħtina kwalunkwe minn dawn is-soluzzjonijiet possibbli bi probabbiltà ugwali, u 0.5% (10/2000) żbalji, li se nitkellmu dwarha aktar tard.
Biex tikseb ir-riżultat ta 'kompjuter quantum, għandek bżonn tħaddem l-algoritmu quantum diversi drabi fuq l-istess sett ta' data input u medja tar-riżultat.
Skalabbiltà ta' kompjuter quantum
Issa immaġina li għal biċċa xogħol li tinvolvi 100 ruħ (spazju tas-soluzzjoni 2^100 niftakru dan), hemm ukoll żewġ deċiżjonijiet korretti biss. Imbagħad, jekk nieħdu 100 qubits u niktbu algoritmu li jikkalkula l-funzjoni oġġettiva tagħna (L, ara hawn fuq) fuq dawn il-qubits, allura nġibu borża li fiha jkun hemm 1000 ballun bin-numru tal-ewwel tweġiba korretta, 1000 b' in-numru tat-tieni tweġiba korretta u 10 blalen b'numri oħra. U fl-istess 150 sekonda l-esperimentatur tagħna jagħtina stima tad-distribuzzjoni tal-probabbiltà tat-tweġibiet korretti.
Il-ħin ta' eżekuzzjoni ta' algoritmu quantum (b'xi suppożizzjonijiet) jista' jitqies kostanti O(1) fir-rigward tad-dimensjoni tal-ispazju tas-soluzzjoni (2^N).
U din hija preċiżament il-proprjetà ta 'kompjuter quantum - kostanza runtime fir-rigward tal-kumplessità tal-liġi tal-qawwa dejjem tikber tal-ispazju tas-soluzzjoni hija ċ-ċavetta.
Qubit u dinjiet paralleli
Kif jiġri dan? X'jħalli kompjuter quantum jagħmel kalkoli daqshekk malajr? Huwa kollu dwar in-natura kwantistika tal-qubit.
Ara, għidna li qubit huwa bħal oġġett quantum jirrealizza wieħed miż-żewġ stati tiegħu meta osservat, iżda fin-"natura selvaġġa" hija fi superpożizzjonijiet ta' stati, jiġifieri, huwa fiż-żewġ stati tal-konfini tiegħu simultanjament (b'xi probabbiltà).
Ħu (A)ndreya u immaġina l-istat tagħha (f'liema vettura hija - 0 jew 1) bħala qubit. Imbagħad għandna (fl-ispazju quantum) żewġ dinjiet paralleli, f'wieħed (IMMA) joqgħod fit-taxi 0, f'dinja oħra - fit-taxi 1. F'żewġ taxis fl-istess ħin, iżda b'xi probabbiltà li ssibha f'kull wieħed minnhom waqt l-osservazzjoni.
Ħu (B) żgħażagħ u ejja wkoll nimmaġinaw l-istat tiegħu bħala qubit. Jqumu żewġ dinjiet paralleli oħra. Iżda għalissa dawn il-pari ta 'dinjiet (IMMA) и (AT) ma jinteraġixxu xejn. Dak li jrid isir biex jinħoloq relatati sistema? Dak id-dritt, għandna bżonn dawn il-qubits torbot (tħawwad). Nieħduha u nħawduha (A) bi (B) — niksbu sistema quantum ta’ żewġ qubits (A, B), jirrealizza fih innifsu erba interdipendenti dinjiet paralleli. Żid (S)ergey u nġibu sistema ta’ tliet qubits (ABC), timplimenta tmienja interdipendenti dinjiet paralleli.
L-essenza tal-komputazzjoni kwantistika (l-implimentazzjoni ta 'katina ta' gradi quantum fuq sistema ta 'qubits konnessi) hija l-fatt li l-kalkolu jseħħ fid-dinjiet paralleli kollha simultanjament.
U ma jimpurtax kemm għandna minnhom, 2^3 jew 2^100, l-algoritmu quantum se jiġi esegwit fi żmien finit fuq dawn id-dinjiet paralleli kollha u se tagħtina riżultat, li huwa kampjun mid-distribuzzjoni tal-probabbiltà tat-tweġibiet tal-algoritmu.
Għal fehim aħjar, wieħed jista 'jimmaġina li kompjuter quantum fil-livell quantum imexxi 2^N proċessi ta' soluzzjoni paralleli, li kull wieħed minnhom jaħdem fuq għażla waħda possibbli, imbagħad jiġbor ir-riżultati tax-xogħol - u tagħtina t-tweġiba fil-forma ta 'superpożizzjoni tas-soluzzjoni (distribuzzjoni tal-probabbiltà tat-tweġibiet), li minnha nieħdu kampjun wieħed kull darba (għal kull esperiment).
Ftakar il-ħin meħtieġ mill-esperimentatur tagħna (150 µs) biex twettaq l-esperiment, dan se jkun utli għalina ftit aktar, meta nitkellmu dwar il-problemi ewlenin tal-kompjuters quantum u l-ħin tad-dekoerenza.
Algoritmi kwantiċi
Kif diġà ssemma, algoritmi konvenzjonali bbażati fuq loġika binarja mhumiex applikabbli għal kompjuter quantum li juża loġika quantum (xtiebi quantum). Għalih, kien meħtieġ li joħorġu b'oħrajn ġodda li jisfruttaw bis-sħiħ il-potenzjal inerenti fin-natura quantum tal-kompjuters.
L-aktar algoritmi magħrufa llum huma:
B'differenza minn dawk klassiċi, il-kompjuters quantum mhumiex universali.
S'issa nstabu biss numru żgħir ta' algoritmi quantum.
Grazzi għall-link għal , post fejn, skont l-awtur (), l-aqwa rappreżentanti tad-dinja quantum-algoritmika inġabru u jkomplu jinġabru.
F'dan l-artikolu mhux se nanalizzaw l-algoritmi tal-kwantiżmu fid-dettall; hemm ħafna materjali eċċellenti fuq l-Internet għal kwalunkwe livell ta 'kumplessità, iżda xorta rridu ngħaddu fil-qosor fuq it-tliet l-aktar famużi.
L-algoritmu ta' Shor.
L-algoritmu quantum l-aktar famuż huwa (ivvintat fl-1994 mill-matematiku Ingliż ), li hija mmirata biex issolvi l-problema tal-fatturar tan-numri f'fatturi primi (problema tal-fatturizzazzjoni, logaritmu diskret).
Huwa dan l-algoritmu li huwa kkwotat bħala eżempju meta jiktbu li s-sistemi bankarji u l-passwords tiegħek dalwaqt se jiġu hackjati. Meta wieħed iqis li t-tul taċ-ċwievet użati llum huwa ta 'mhux inqas minn 2048 bit, iż-żmien għal limitu għadu ma wasalx.
Sal-lum aktar minn modest. L-Aħjar Riżultati ta' Factorizzazzjoni bl-Algoritmu ta' Shor - Numri и , li hija ħafna inqas minn 2048 bit. Għar-riżultati li jifdal mit-tabella, differenti kalkoli, iżda anke l-aħjar riżultat skond dan l-algoritmu (291311) huwa 'l bogħod ħafna mill-applikazzjoni reali.
Tista 'taqra aktar dwar l-algoritmu ta' Shor, pereżempju,. Dwar l-implimentazzjoni prattika - .
Wieħed minn kumplessità u l-qawwa meħtieġa biex fattur numru 2048-bit huwa kompjuter ma . Noqgħodu bil-paċi.
L-algoritmu ta' Grover
- issolvi l-problema tal-enumerazzjoni, jiġifieri, tinstab soluzzjoni għall-ekwazzjoni F(X) = 1, fejn F hija minn n varjabbli. Ġie propost minn matematiku Amerikan в .
L-algoritmu ta' Grover jista' jintuża biex issib и serje tan-numri. Barra minn hekk, jista 'jintuża biex issolvi problemi permezz ta’ tfittxija eżawrjenti fost ħafna soluzzjonijiet possibbli. Dan jista' jinvolvi qligħ sinifikanti fil-veloċità meta mqabbel ma' algoritmi klassiċi, għalkemm mingħajr ma jipprovdi "" ġeneralment.
Tista' taqra aktarJew ... Għadu Hemm spjegazzjoni tajba tal-algoritmu li juża l-eżempju ta 'kaxxi u ballun, iżda, sfortunatament, għal raġunijiet lil hinn mill-kontroll ta' ħadd, dan is-sit ma jiftaħx għalija mir-Russja. Jekk għandek hija wkoll imblukkata, għalhekk hawn sommarju qasir:
L-algoritmu ta' Grover. Immaġina li għandek N biċċiet ta’ kaxxi magħluqa nnumerati. Dawn huma kollha vojta ħlief waħda, li fiha ballun. Il-kompitu tiegħek: sib in-numru tal-kaxxa li fiha jinsab il-ballun (dan in-numru mhux magħruf ħafna drabi huwa indikat bl-ittra w).
Kif issolvi din il-problema? L-aktar mod stupidu huwa li tieħu dawra tiftaħ il-kaxxi, u illum jew għada tiltaqa 'ma' kaxxa bil-ballun. Bħala medja, kemm-il kaxxi jridu jiġu ċċekkjati qabel ma tinstab kaxxa bil-ballun? Bħala medja, għandek bżonn tiftaħ madwar nofs il-kaxxi N/2. Il-ħaġa prinċipali hawnhekk hija li jekk inżidu n-numru ta 'kaxxi b'100 darba, allura n-numru medju ta' kaxxi li jeħtieġ li jinfetħu qabel ma tinstab il-kaxxa bil-ballun jiżdied ukoll bl-istess 100 darba.
Issa ejja nagħmlu kjarifika waħda oħra. Ejja ma niftħux il-kaxxi aħna stess b'idejna u niċċekkjaw għall-preżenza ta 'ballun f'kull wieħed, iżda hemm ċertu intermedjarju, ejja nsejħulha Oracle. Aħna ngħidu lill-Oracle, "iċċekkja l-kaxxa numru 732," u l-Oracle jiċċekkja u jwieġeb b'mod onest, "m'hemm l-ebda ballun fil-kaxxa numru 732." Issa, minflok ma ngħidu kemm għandna bżonn niftħu bħala medja, ngħidu "kemm-il darba bħala medja għandna mmorru għand l-Oracle sabiex insibu n-numru tal-kaxxa bil-ballun"
Jirriżulta li jekk nittraduċu din il-problema b’kaxxi, ballun u l-Oracle f’lingwa kwantistika, niksbu riżultat notevoli: biex insibu n-numru ta’ kaxxa b’ballun fost N kaxxi, irridu niddisturbaw l-Oracle biss dwar SQRT (N) darbiet!
Jiġifieri, il-kumplessità tal-kompitu ta 'tfittxija bl-użu tal-algoritmu ta' Grover titnaqqas bl-għerq kwadrat tal-ħinijiet.
Algoritmu Deutsch-Jozi
Algoritmu Deutsch-Jozsa (imsejjaħ ukoll algoritmu Deutsch-Jozsa) - [algoritmu tal-quantum](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , u sar wieħed mill-ewwel eżempji ta 'algoritmi mfassla biex jiġu eżegwiti fuq . _
Il-problema ta’ Deutsch-Jozsi hija li tiddetermina jekk funzjoni ta’ diversi varjabbli binarji F(x1, x2, ... xn) hijiex kostanti (tieħu jew il-valur 0 jew 1 għal kwalunkwe argument) jew bilanċjata (għal nofs id-dominju li tieħu il-valur 0, għan-nofs l-ieħor 1). F'dan il-każ, huwa meqjus a priori magħruf li l-funzjoni hija jew kostanti jew bilanċjata.
Aktar jista 'jinqara . Spjegazzjoni aktar sempliċi:
L-algoritmu Deutsch (Deutsch-Jozsi) huwa bbażat fuq forza bruta, iżda jippermetti li jsir aktar malajr mis-soltu. Immaġina li hemm munita fuq il-mejda u trid issir taf jekk hijiex falza jew le. Biex tagħmel dan, trid tħares lejn il-munita darbtejn u tiddetermina: "irjus" u "dnub" huma reali, żewġ "irjus", żewġ "dnub" huma foloz. Allura, jekk tuża l-algoritmu tal-quantum Deutsch, allura din id-determinazzjoni tista 'ssir b'daqqa t'għajn - kejl.
Problemi tal-kompjuters quantum
Meta jiddisinjaw u joperaw kompjuters quantum, ix-xjenzati u l-inġiniera jiffaċċjaw numru kbir ta 'problemi, li sal-lum ġew solvuti bi gradi differenti ta' suċċess. Skond () jistgħu jiġu identifikati s-serje ta' problemi li ġejjin:
- Sensittività għall-ambjent u interazzjoni mal-ambjent
- Akkumulazzjoni ta' żbalji waqt il-kalkoli
- Diffikultajiet bl-inizjalizzazzjoni inizjali ta 'stati qubit
- Diffikultajiet fil-ħolqien ta 'sistemi multi-qubit
Nirrakkomanda ħafna li taqra l-artiklu "”, speċjalment il-kummenti lilu.
Ejja norganizzaw il-problemi ewlenin kollha fi tliet gruppi kbar u nagħtu ħarsa aktar mill-qrib lejn kull wieħed minnhom:
Dekoerenza
.
Stat kwantiku ħaġa fraġli ħafnaqubits fi stat imħabbbil huma estremament instabbli, kwalunkwe influwenza esterna tista' (u tagħmel) teqred din il-konnessjoni. Bidla fit-temperatura bl-iżgħar frazzjoni ta 'grad, pressjoni, foton każwali li jtir fil-qrib - dan kollu jiddestabilizza s-sistema tagħna.
Biex issolvi din il-problema, jinbnew sarkofagi b'temperatura baxxa, li fihom it-temperatura (-273.14 gradi Celsius) hija kemmxejn ogħla minn żero assolut, b'iżolament massimu tal-kamra interna mal-proċessur mill-influwenzi kollha (possibbli) tal-ambjent estern.
Il-ħajja massima ta 'sistema kwantistika ta' diversi qubits imħabblin, li matulha żżomm il-proprjetajiet kwantitiċi tagħha u tista 'tintuża għall-kalkoli, tissejjaħ ħin ta' dekoerenza.
Bħalissa, il-ħin ta 'dekoerenza fl-aħjar soluzzjonijiet quantum huwa tal-ordni ta' għexieren u mijiet ta’ mikrosekondi.
Hemm wunderbare fejn tista' tfittex tas-sistemi quantum kollha maħluqa. Dan l-artikolu jinkludi biss żewġ proċessuri top bħala eżempji - minn IBM u minn . Kif nistgħu naraw, il-ħin ta 'decoerence (T2) ma jaqbiżx 200 μs.
Ma sibtx data eżatta fuq Sycamore, iżda fl-aktar jingħataw żewġ numri - 1 miljun kalkoli f'200 sekonda, x'imkien ieħor - għal 130 sekonda mingħajr telf ta 'sinjali ta' kontroll, eċċ.. Fi kwalunkwe każ, dan jagħtina il-ħin ta 'dekoerenza huwa ta' madwar 150 μs. Ftakar tagħna esperimentatur b'borża? Ukoll, hawn hu.
| Isem tal-Kompjuter | N Qubits | Max paired | T2 (µs) |
| IBM Q Sistema Waħda | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Id-dekoerenza x’heddidna?
Il-problema ewlenija hija li wara 150 μs, is-sistema informatika tagħna ta 'N qubits imħabblin se tibda toħroġ ħsejjes abjad probabilistiċi minflok distribuzzjoni probabilistika ta' soluzzjonijiet korretti.
Jiġifieri għandna bżonn:
- Inizjalizza s-sistema qubit
- Wettaq kalkolu (katina ta' operazzjonijiet tal-bieb)
- Aqra riżultat
U agħmel dan kollu f'150 mikrosekonda. Ma kellix ħin - ir-riżultat inbidel f'qargħa ħamra.
Imma dan mhux kollox...
Żbalji
Kif għidna, proċessi quantum u quantum computing huma ta' natura probabilistika, ma nistgħux inkunu ċerti 100% ta 'xejn, iżda biss b'xi probabbiltà. Is-sitwazzjoni tkompli tiggrava mill-fatt li quantum computing huwa suxxettibbli għall-iżbalji. It-tipi ewlenin ta’ żbalji fil-komputazzjoni kwantistika huma:
- L-iżbalji tad-dekoerenza huma kkawżati mill-kumplessità tas-sistema u l-interazzjoni mal-ambjent estern
- Żbalji ta' komputazzjoni tal-gate (minħabba n-natura kwantistika tal-komputazzjoni)
- Żbalji fil-qari tal-istat finali (riżultat)
Żbalji assoċjati mad-dekoerenza, jidhru hekk kif inħabbtu l-qubits tagħna u nibdew nagħmlu l-kalkoli. Aktar ma nħabbtu l-qubits, iktar tkun kumplessa s-sistema, u iktar ikun faċli li teqredha. Sarkofagi b'temperatura baxxa, kmamar protetti, dawn it-tricks teknoloġiċi kollha huma mmirati preċiżament biex inaqqsu n-numru ta 'żbalji u jestendu l-ħin ta' dekoerenza.
Żbalji ta' komputazzjoni tal-bieb - kwalunkwe operazzjoni (gate) fuq qubits tista', b'ċerta probabbiltà, tispiċċa bi żball, u biex nimplimentaw l-algoritmu għandna bżonn inwettqu mijiet ta' gradi, għalhekk immaġina dak li nġibu fit-tmiem tal-eżekuzzjoni tal-algoritmu tagħna. It-tweġiba klassika għall-mistoqsija hija "X'inhi l-probabbiltà li tiltaqa' ma' dinosawru f'lift?" - 50x50, jew se tiltaqa' jew le.
Il-problema hija aggravata aktar mill-fatt li l-metodi standard ta 'korrezzjoni ta' żbalji (duplikazzjoni ta 'kalkoli u medja) ma jaħdmux fid-dinja kwantistika minħabba t-teorema tal-ebda klonazzjoni. Għal fil quantum computing kellu jiġi ivvintat . Bejn wieħed u ieħor, nieħdu N qubits ordinarji u nagħmlu 1 minnhom qubit loġiku b'rata ta' żball aktar baxxa.
Imma hawn tqum problema oħra - numru totali ta' qubits. Ara, ejja ngħidu li għandna proċessur b'100 qubit, li minnhom 80 qubit huma użati għall-korrezzjoni tal-iżbalji, allura fadal biss 20 għall-kalkoli.
Żbalji fil-qari tar-riżultat finali — kif niftakru, ir-riżultat tal-kalkoli kwantiċi huwa ppreżentat lilna fil-forma distribuzzjoni tal-probabbiltà tat-tweġibiet. Iżda l-qari tal-istat finali jista 'wkoll ifalli bi żball.
Fuq l-istess Hemm tabelli komparattivi ta 'proċessuri skond il-livelli ta' żball. Għal tqabbil, ejja nieħdu l-istess proċessuri bħal fl-eżempju preċedenti - IBM и :
| Kompjuter | 1-Qubit Gate Fedeltà | 2-Qubit Gate Fedeltà | Aqra Fedeltà |
| IBM Q Sistema Waħda | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Hawnhekk hija miżura tax-xebh ta 'żewġ stati kwantistiċi. Il-kobor tal-iżball jista 'jiġi espress bejn wieħed u ieħor bħala 1-Fidelity. Kif nistgħu naraw, l-iżbalji fuq il-gradi ta '2-qubit u l-iżbalji tal-qari huma l-ostaklu ewlieni għall-eżekuzzjoni ta' algoritmi kumplessi u twal fuq kompjuters quantum eżistenti.
Aktar jista 'jinqara snin minn biex issolvi l-problema tal-korrezzjoni tal-iżbalji.
Arkitettura tal-proċessur
Fit-teorija nibnu u noperaw ċirkwiti ta’ għexieren ta’ qubits imħabblin, fir-realtà kollox huwa aktar ikkumplikat. Iċ-ċipep quantum eżistenti kollha (proċessuri) huma mibnija b'tali mod li jipprovdu mingħajr tbatija tħabbil ta’ qubit wieħed biss mal-ġirien tiegħu, li minnhom m'hemmx aktar minn sitta.
Jekk irridu nħabbtu l-1 qubit, ngħidu aħna, mat-12, allura jkollna tibni katina ta' operazzjonijiet quantum addizzjonali, jinvolvu qubits addizzjonali, eċċ., li jżid il-livell ta 'żball ġenerali. Iva, u tinsiex ħin tad-dekoerenza, forsi sa meta tispiċċa tgħaqqad il-qubits fiċ-ċirkwit li għandek bżonn, il-ħin jispiċċa u ċ-ċirkwit kollu jinbidel f' Ġeneratur sabiħ tal-ħoss abjad.
Tinsiex ukoll li L-arkitettura tal-proċessuri quantum kollha hija differenti, u l-programm miktub fl-emulator fil-modalità "all-to-all-konnettività" jeħtieġ li jiġi "rikompilat" fl-arkitettura ta 'ċippa speċifika. Hemm anke biex twettaq din l-operazzjoni.
Konnettività massima u numru massimu ta' qubits għall-istess ċipep ta' fuq:
| Isem tal-Kompjuter | N Qubits | Max paired | T2 (µs) |
| IBM Q Sistema Waħda | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
U, għal tqabbil, tabella b'dejta mill-ġenerazzjoni preċedenti ta 'proċessuri. Qabbel in-numru ta 'qubits, ħin ta' dekoerenza u rata ta 'żball ma' dak li għandna issa mal-ġenerazzjoni l-ġdida. Xorta waħda, il-progress huwa bil-mod, iżda miexi.
So:
- Bħalissa m'hemm l-ebda arkitetturi kompletament konnessi b'> 6 qubits
- Biex tħabbel qubit 0 s fuq proċessur reali, pereżempju, qubit 15 jista' jeħtieġ diversi għexieren ta' operazzjonijiet addizzjonali
- Aktar operazzjonijiet -> aktar żbalji -> influwenza aktar qawwija ta 'dekoerenza
Riżultati ta '
Id-dekoerenza hija s-sodda Procrustean tal-komputazzjoni quantum moderna. Irridu noqogħdu kollox f'150 μs:
- Inizjalizzazzjoni tal-istat inizjali tal-qubits
- Kompjuter ta 'problema bl-użu ta' xtiebi quantum
- Ikkoreġi l-iżbalji biex tikseb riżultati sinifikanti
- Aqra r-riżultat
S'issa r-riżultati huma diżappuntanti, għalkemm talba li tikseb ħin ta 'żamma ta' koerenza ta '0.5s fuq kompjuter quantum ibbażat fuq :
Aħna nkejlu ħin ta' koerenza tal-qubit ta' aktar minn 0.5 s, u bi lqugħ manjetiku nistennew li dan jitjieb biex ikun itwal minn 1000 s
Tista 'wkoll taqra dwar din it-teknoloġija jew, pereżempju, .
Is-sitwazzjoni hija kkumplikata aktar mill-fatt li meta jsiru kalkoli kumplessi huwa meħtieġ li jintużaw ċirkwiti ta 'korrezzjoni ta' żball kwantistika, li jiekol ukoll kemm il-ħin kif ukoll il-qubits disponibbli.
U finalment, arkitetturi moderni ma jippermettux l-implimentazzjoni ta 'skemi ta' taħbil aħjar minn 1 f'4 jew 1 f'6 bi spiża minima.
Modi biex issolvi l-problemi
Biex issolvi l-problemi ta 'hawn fuq, bħalissa qed jintużaw l-approċċi u l-metodi li ġejjin:
- L-użu ta' krijochambers b'temperaturi baxxi (10 mK (–273,14°C))
- L-użu ta 'unitajiet ta' proċessur li huma protetti b'mod massimu minn influwenzi esterni
- L-użu ta' Sistemi ta' Korrezzjoni ta' Żbalji Quantum (Loġiku Qubit)
- L-użu ta 'ottimizzaturi meta tipprogramma ċirkwiti għal proċessur speċifiku
Qed issir ukoll riċerka mmirata lejn iż-żieda fil-ħin tad-dekoerenza, it-tiftix għal implimentazzjonijiet fiżiċi ġodda (u t-titjib magħrufa) ta 'oġġetti quantum, l-ottimizzazzjoni taċ-ċirkwiti ta' korrezzjoni, eċċ., eċċ. Hemm progress (ħares hawn fuq lejn il-karatteristiċi taċ-ċipep top-end preċedenti u tal-lum), iżda s'issa huwa bil-mod, ħafna, bil-mod ħafna.
D-Wave
Kompjuter D-Wave 2000Q 2000-qubit. Sors:
Fost it-tħabbira ta' Google li tinkiseb supremazija kwantistika bl-użu ta' proċessur ta' 53 qubit, и mill-kumpanija D-Wave, li fiha n-numru ta 'qubits huwa fl-eluf, hija kemmxejn konfuża. Tassew, tassew, jekk 53 qubits kienu kapaċi jiksbu supremazija kwantistika, allura x'inhu kompjuter b'2048 qubits kapaċi? Imma mhux kollox huwa daqshekk tajjeb...
Fil-qosor (meħuda mill-wiki):
Kompjuters taħdem fuq il-prinċipju (), jistgħu jsolvu subklassi limitata ħafna ta 'problemi ta' ottimizzazzjoni, u mhumiex adattati għall-implimentazzjoni ta 'algoritmi kwantiċi tradizzjonali u xtiebi quantum.
Għal aktar dettalji tista' taqra, pereżempju, , (Oqgħod attent, jista 'ma jiftaħx mir-Russja), jew в minn tiegħu . Mill-mod, nirrakkomanda ħafna li taqra l-blog tiegħu b'mod ġenerali, hemm ħafna materjal tajjeb hemmhekk
B'mod ġenerali, mill-bidu nett tal-avviżi, il-komunità xjentifika kellha mistoqsijiet dwar il-kompjuters D-Wave. Pereżempju, fl-2014, IBM staqsiet il-fatt li D-Wave Wasal sal-punt li fl-2015, Google, flimkien man-NASA, xtrat wieħed minn dawn il-kompjuters quantum u wara riċerka , li iva, il-kompjuter jaħdem u jikkalkula l-problema aktar malajr minn waħda regolari. Tista' taqra aktar dwar id-dikjarazzjoni ta' Google u per eżempju .
Il-ħaġa prinċipali hija li l-kompjuters D-Wave, bil-mijiet u l-eluf ta 'qubits tagħhom, ma jistgħux jintużaw biex jikkalkulaw u jmexxu algoritmi tal-kwantum. Ma tistax tħaddem l-algoritmu ta' Shor fuqhom, pereżempju. Kulma jistgħu jagħmlu huwa li jużaw ċerti mekkaniżmi quantum biex isolvu ċerta problema ta 'ottimizzazzjoni. Nistgħu nikkunsidraw li D-Wave huwa ASIC quantum għal kompitu speċifiku.
Ftit dwar l-emulazzjoni tal-kompjuter quantum
Quantum computing jista 'jiġi imitat fuq kompjuter regolari. Tabilħaqq, :
- L-istat tal-qubit jista 'jkun numru kumpless, li jokkupa minn 2x32 sa 2x64 bits (8-16 bytes) skont l-arkitettura tal-proċessur
- L-istat ta 'N qubits konnessi jista' jiġi rappreżentat bħala 2^N numri kumplessi, i.e. 2^(3+N) għal arkitettura 32-bit u 2^(4+N) għal 64-bit.
- Operazzjoni quantum fuq N qubits tista' tiġi rappreżentata b'matriċi 2^N x 2^N
Imbagħad:
- Biex taħżen l-istati emulati ta '10 qubits, 8 KB huma meħtieġa
- Biex taħżen l-istati ta '20 qubits għandek bżonn 8 MB
- Biex taħżen l-istati ta '30 qubits, 8 GB huma meħtieġa
- 40 Terabytes huma meħtieġa biex jaħżnu l-istati ta '8 qubits
- Biex taħżen l-istati ta '50 qubits, 8 Petabytes huma meħtieġa, eċċ.
Għal paragun, () iġorr biss 2.8 Petabytes ta 'memorja.
— 49 qubit ikkunsinnati s-sena l-oħra lill-akbar superkompjuter Ċiniż ()
Il-limitu ta 'simulazzjoni ta' kompjuter quantum fuq sistemi klassiċi huwa ddeterminat mill-ammont ta 'RAM meħtieġ biex jaħżen l-istat tal-qubits.
Nirrakkomanda wkoll qari . Minn hemm:
Permezz tat-tħaddim - għal emulazzjoni preċiża ta 'ċirkwit ta' 49 qubit li jikkonsisti f'xi 39 "ċiklu" (saffi indipendenti ta 'gradi) 2^63 multiplikazzjoni kumplessa - 4 Pflops ta' superkompjuter għal 4 sigħat
L-emulazzjoni ta' kompjuter quantum ta' 50+ qubit fuq sistemi klassiċi hija meqjusa impossibbli fi żmien raġonevoli. Dan huwa wkoll għaliex Google użat proċessur 53-qubit għall-esperiment ta 'supremazija kwantistika tiegħu.
Supremazija tal-komputazzjoni kwantika.
Il-Wikipedija tagħtina d-definizzjoni li ġejja tas-supremazija tal-kompjuters quantum:
Supremazija kwantika - abbiltà apparati biex isolvu problemi li kompjuters klassiċi prattikament ma jistgħux isolvu.
Fil-fatt, il-kisba ta 'supremazija kwantistika tfisser li, pereżempju, il-fatturizzazzjoni ta' numri kbar bl-użu tal-algoritmu Shor tista 'tiġi solvuta fi żmien adegwat, jew molekuli kimiċi kumplessi jistgħu jiġu emulati fil-livell quantum, eċċ. Jiġifieri waslet era ġdida.
Iżda hemm xi lakuna fil-kliem tad-definizzjoni, "li kompjuters klassiċi prattikament ma jistgħux isolvu" Fil-fatt, dan ifisser li jekk toħloq kompjuter quantum ta '50+ qubits u tħaddem xi ċirkwit quantum fuqu, allura, kif iddiskutejna hawn fuq, ir-riżultat ta' dan iċ-ċirkwit ma jistax jiġi emulat fuq kompjuter regolari. Jiġifieri kompjuter klassiku mhux se jkun kapaċi jirrikreja r-riżultat ta 'ċirkwit bħal dan.
Jekk riżultat bħal dan jikkostitwixxix supremazija quantum reali jew le hija pjuttost kwistjoni filosofika. Imma tifhem x'għamel Google u fuq xiex hija bbażata meħtieġ.
Dikjarazzjoni ta' Supremacy Quantum ta' Google
Sycamore 54-qubit proċessur
Allura, f'Ottubru 2019, l-iżviluppaturi ta 'Google ppubblikaw artiklu fil-pubblikazzjoni xjentifika Nature "" L-awturi ħabbru l-kisba tas-supremazija quantum għall-ewwel darba fl-istorja bl-użu tal-proċessur Sycamore ta '54 qubit.
L-artikoli tas-Sycamore onlajn ħafna drabi jirreferu għal proċessur ta' 54 qubit jew proċessur ta' 53 qubit. Il-verità hi li skont , il-proċessur fiżikament jikkonsisti f'54 qubits, iżda wieħed minnhom ma jaħdimx u tneħħa mis-servizz. Għalhekk, fir-realtà għandna proċessur ta '53-qubit.
Fuq il-web eżatt hemm materjali dwar dan is-suġġett, li l-grad tagħhom ivarja minn li .
It-tim tal-kompjuter quantum tal-IBM aktar tard iddikjara li . Il-kumpanija ssostni li kompjuter konvenzjonali se jlaħħaq ma 'dan il-kompitu fl-agħar każ fi żmien 2,5 ijiem, u t-tweġiba li tirriżulta tkun aktar preċiża minn dik ta' kompjuter quantum. Din il-konklużjoni saret ibbażata fuq ir-riżultati ta 'analiżi teoretika ta' diversi metodi ta 'ottimizzazzjoni.
U, ovvjament, fil tiegħu Ma stajtx ninjora din id-dikjarazzjoni. Tiegħu flimkien mal-links kollha u bħas-soltu, huma ta 'min iqatta' ħin tiegħek. Fuq il-buttun din il-FAQ, u kun żgur li taqra l-kummenti, hemm links għal dokumenti preliminari li ġew nixxew onlajn qabel it-tħabbira uffiċjali.
X'għamel Google fil-fatt? Għal fehim dettaljat, aqra Aaronson, iżda fil-qosor hawn:
Nista’, ovvjament, ngħidlek, imma nħossni pjuttost stupid. Il-kalkolu huwa kif ġej: l-esperimentatur jiġġenera ċirkwit quantum każwali C (jiġifieri, sekwenza każwali ta '1-qubit u 2-qubit gradi bejn l-eqreb ġirien, b'fond ta', pereżempju, 20, li jaġixxi fuq netwerk 2D ta 'n = 50-60 qubits). L-esperimentatur imbagħad jibgħat C lill-kompjuter quantum, u jitlob li japplika C għal stat inizjali ta '0, ikejjel ir-riżultat fil-bażi {0,1}, jibgħat lura sekwenza osservata n-bit (sekwenza), u rrepeti diversi elf jew miljuni ta’ darba. Fl-aħħarnett, billi juża l-għarfien tiegħu ta 'C, l-esperimentatur iwettaq test statistiku biex jara jekk ir-riżultat jaqbilx mal-output mistenni mill-kompjuter quantum.
Fil-qosor ħafna:
- Ċirkwit każwali ta 'tul 20 ta' 53 qubits huwa maħluqa bl-użu ta 'gradi
- Iċ-ċirkwit jibda bl-istat inizjali [0...0] għall-eżekuzzjoni
- L-output taċ-ċirkwit huwa string bit każwali (kampjun)
- Id-distribuzzjoni tar-riżultat mhix każwali (interferenza)
- Id-distribuzzjoni tal-kampjuni miksuba titqabbel ma' dik mistennija
- Jikkonkludi Supremacy Quantum
Jiġifieri, Google implimentat problema sintetika fuq proċessur ta '53 qubit, u tibbaża t-talba tagħha li tikseb supremazija kwantistika fuq il-fatt li huwa impossibbli li jimita tali proċessur fuq sistemi standard fi żmien raġonevoli.
Għall-fehim - Din it-taqsima bl-ebda mod ma tnaqqas il-kisba ta' Google, l-inġiniera huma tassew kbar, u l-mistoqsija dwar jekk dan jistax jitqies bħala superjorità quantum reali jew le, kif issemma qabel, hija aktar filosofika mill-inġinerija. Imma rridu nifhmu li wara li ksibna superjorità komputazzjonali bħal din, aħna ma avvanzajna pass wieħed lejn il-kapaċità li nħaddmu l-algoritmu ta 'Shor fuq numri ta' 2048-bit.
Sommarju
Il-kompjuters kwantiċi u l-kompjuters quantum huma qasam tat-teknoloġija tal-informazzjoni promettenti ħafna, żgħir ħafna u s'issa ftit applikabbli industrijalment.
L-iżvilupp tal-komputazzjoni quantum (xi darba) se jippermettilna nsolvu problemi:
- Immudellar ta' sistemi fiżiċi kumplessi fil-livell quantum
- Mhux solvubbli fuq kompjuter regolari minħabba l-kumplessità tal-komputazzjoni
Il-problemi ewlenin fil-ħolqien u t-tħaddim tal-kompjuters quantum:
- Dekoerenza
- Żbalji (dekoerenza u gate)
- Arkitettura tal-proċessur (ċirkwiti qubit konnessi bis-sħiħ)
L-istat attwali tal-affarijiet:
- Fil-fatt - il-bidu nett .
- Għad m'hemm l-ebda sfruttament kummerċjali REALI (u mhux ċar meta se jkun hemm)
X'jista' jgħin:
- Xi tip ta 'skoperta fiżika li tnaqqas l-ispiża tal-wajers u l-proċessuri operattivi
- Tiskopri xi ħaġa li żżid il-ħin ta 'dekoerenza b'ordni ta' kobor u/jew tnaqqas l-iżbalji
Fl-opinjoni tiegħi (opinjoni purament personali), Fil-paradigma xjentifika attwali tal-għarfien, mhux se niksbu suċċess sinifikanti fl-iżvilupp tat-teknoloġiji quantum, hawnhekk għandna bżonn avvanz kwalitattiv f'xi qasam tax-xjenza fundamentali jew applikata, li se tagħti spinta lil ideat u metodi ġodda.
Sadanittant, qed niksbu esperjenza fl-ipprogrammar tal-quantum, niġbru u noħolqu algoritmi tal-kwantiżmu, nittestjaw ideat, eċċ., eċċ. Qed nistennew avvanz.
Konklużjoni
F'dan l-artikolu, għaddejna mill-istadji ewlenin fl-iżvilupp tal-kompjuters quantum u l-kompjuters quantum, eżaminajna l-prinċipju tat-tħaddim tagħhom, eżaminajna l-problemi ewlenin li jiffaċċjaw l-inġiniera fl-iżvilupp u t-tħaddim ta 'proċessuri quantum, u ħares ukoll lejn liema multi-qubit. Il-kompjuters D fil-fatt huma. Wave u t-tħabbira reċenti ta 'Google dwar il-kisba tas-supremazija kwantistika.
Tħallew wara l-kwinti mistoqsijiet dwar l-ipprogrammar tal-kompjuters quantum (lingwi, approċċi, metodi, eċċ.) u mistoqsijiet relatati mal-implimentazzjoni fiżika speċifika tal-proċessuri, kif il-qubits huma ġestiti, konnessi, jinqraw, eċċ. Forsi dan se jkun is-suġġett tal-artiklu jew artikli li jmiss.
Grazzi għall-attenzjoni tiegħek, nispera li dan l-artikolu jkun utli għal xi ħadd.
(Ċ)
Rikonoxximenti
għall-qari tal-provi u kummenti dwar it-test sors, kif ukoll għall-artiklu
għal kummenti b'ħafna informazzjoni dwar , u mhux lilha biss, li fil-biċċa l-kbira għenni nifhem dan il-puzzle.
Lill-awturi kollha ta' artikli u pubblikazzjonijiet li l-materjali tagħhom intużaw fil-kitba ta' dan l-artikolu.
Lista tar-riżorsi
Artikoli tal-Affarijiet Kurrenti minn [L-Istampa tal-Akkademji Nazzjonali]
Artikoli minn Habr (f'ordni każwali)
Artikli mhux magħżula (iżda mhux inqas interessanti) mill-Internet
Korsijiet u lekċers
Sors: www.habr.com