Kvantové počítače a kvantové výpočty – novinka , ktorý bol pridaný do nášho informačného priestoru spolu s , a ďalšie high-tech termíny. Zároveň sa mi nikdy nepodarilo nájsť na internete materiál, ktorý by skladal skladačku v mojej hlave tzv „ako fungujú kvantové počítače“. Áno, existuje veľa vynikajúcich diel, vrátane Habrovi (pozri. ), komentáre, ktoré sú, ako to už býva zvykom, ešte poučnejšie a užitočnejšie, no obraz v mojej hlave, ako sa hovorí, nepridal.
A nedávno za mnou prišli moji kolegovia a pýtali sa: „Rozumiete, ako funguje kvantový počítač? Môžeš nám to povedať?" A potom som si uvedomil, že nie som jediný, kto má problém poskladať si v hlave súvislý obraz.
V dôsledku toho sa uskutočnil pokus zostaviť informácie o kvantových počítačoch do konzistentného logického obvodu, v ktorom základnej úrovni, bez hlbokého ponorenia sa do matematiky a štruktúry kvantového sveta, bolo vysvetlené, čo je kvantový počítač, na akých princípoch funguje a s akými problémami sa vedci stretávajú pri jeho vytváraní a prevádzke.
obsah
Vylúčenie zodpovednosti
Autor nie je odborníkom na kvantové výpočty a Cieľovou skupinou článku sú tí istí IT ľudia, nie kvantoví špecialisti, ktorí si tiež chcú v hlave poskladať obrázok s názvom „Ako fungujú kvantové počítače“. Z tohto dôvodu sú mnohé koncepty v článku zámerne zjednodušené, aby lepšie porozumeli kvantovým technológiám na „základnej“ úrovni, ale bez .
Článok na niektorých miestach používa materiály z iných zdrojov, . Kdekoľvek je to možné, vkladajú sa priame odkazy a označenia na pôvodný text, tabuľku alebo obrázok. Ak som niekde niečo (alebo niekoho) zabudol, napíšte a ja to opravím.
Úvod
V tejto kapitole sa stručne pozrieme na to, ako začala kvantová éra, aký bol motivačný dôvod pre myšlienku kvantového počítača, kto (ktoré krajiny a korporácie) sú v súčasnosti poprednými hráčmi v tejto oblasti a tiež krátko porozprávame o hlavných smeroch vývoja kvantovej výpočtovej techniky.
Ako to všetko začalo
Za východiskový bod kvantovej éry sa považuje rok 1900, kedy M. Planck prvýkrát predložil že energia sa vyžaruje a absorbuje nie nepretržite, ale v samostatných kvantách (častiach). Myšlienku zachytili a rozvinuli mnohí vynikajúci vedci tej doby – Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, čo v konečnom dôsledku viedlo k vytvoreniu a rozvoju takej vedy, ako je napr. . O vzniku kvantovej fyziky ako vedy je na internete veľa dobrých materiálov, v tomto článku sa tomu nebudeme podrobne venovať, ale bolo potrebné uviesť dátum, kedy sme vstúpili do novej kvantovej éry.
Kvantová fyzika priniesla do nášho každodenného života množstvo vynálezov a technológií, bez ktorých si dnes už len ťažko vieme predstaviť svet okolo nás. Napríklad laser, ktorý sa dnes používa všade, od domácich spotrebičov (laserové hladiny atď.) až po špičkové systémy (lasery na korekciu zraku, ahoj ). Bolo by logické predpokladať, že skôr či neskôr niekoho napadne, že prečo nepoužiť kvantové systémy na výpočty. A potom v roku 1980 sa to stalo.
Wikipedia uvádza, že prvú myšlienku kvantového počítača vyjadril v roku 1980 náš vedec Jurij Manin. No reálne sa o tom začalo rozprávať až v roku 1981, keď známy R. Feynman poznamenal, že je nemožné efektívne simulovať vývoj kvantového systému na klasickom počítači. Navrhol elementárny model , ktorá bude môcť takéto modelovanie realizovať.
Existuje a , kde sa posudzuje akademickejšie a podrobnejšie, ale stručne prejdeme:
Hlavné míľniky v histórii vytvárania kvantových počítačov:
- [1994]. P. Shore. Navrhol
- [1998]. Vytvorené
- [2001]. IBM zaviedlo vykonávanie pre rozšírenie čísla 15
- [2007-2016]. vytvára a vyvíja počítač s 128-2000 qubitmi
- [2012]. Implementované na Kalifornskej univerzite
- [2016]. Google na 9-qubitovom počítači
- [2017]. (tri atómy)
- [2019]. . 20-qubitový počítač v cloude
- [2019]. . 53 qubit počítač. ?
Ako vidíte, od okamihu nápadu po jeho prvú implementáciu v počítači s 17 qubitmi uplynulo 1981 rokov (od roku 1998 do roku 2) a 21 rokov (od roku 1998 do roku 2019) do momentu, kedy sa počet qubitov zvýšil. do 53. Trvalo 11 rokov (od roku 2001 do 2012), kým sa zlepšil výsledok Shorovho algoritmu (pozrime sa naň podrobnejšie neskôr) z čísla 15 na 21. Okrem toho len pred tromi rokmi sme dospeli k bodu implementovať to, o čom hovoril Feynman, a naučiť sa modelovať najjednoduchšie fyzikálne systémy.
Rozvoj kvantových počítačov je pomalý. Vedci a inžinieri stoja pred veľmi ťažkými úlohami, kvantové stavy sú veľmi krátkodobé a krehké a aby ich uchovali dostatočne dlho na vykonávanie výpočtov, musia za desiatky miliónov dolárov postaviť sarkofágy, v ktorých sa udržiava teplota tesne nad absolútnou nulou, a ktoré sú maximálne chránené pred vonkajšími vplyvmi. Ďalej si o týchto úlohách a problémoch povieme podrobnejšie.
Poprední hráči
Snímky pre túto sekciu sú prevzaté z článku , od výskumníka Alexej Fedorov. Dovoľte mi uviesť priame citácie:
Všetky technologicky úspešné krajiny v súčasnosti aktívne rozvíjajú kvantové technológie. Do tohto výskumu sa investuje obrovské množstvo peňazí a vznikajú špeciálne programy na podporu kvantových technológií.
Na kvantovom preteku sa nezúčastňujú len štáty, ale aj súkromné spoločnosti. Celkovo spoločnosti Google, IBM, Intel a Microsoft nedávno investovali približne 0,5 miliardy dolárov do vývoja kvantových počítačov a vytvorili veľké laboratóriá a výskumné centrá.
Na Habré a na internete je veľa článkov, napr. , и , v ktorej sa podrobnejšie skúma súčasný stav s rozvojom kvantových technológií v rôznych krajinách. Pre nás je teraz hlavné, že všetky popredné technologicky vyspelé krajiny a hráči investujú obrovské množstvo peňazí do výskumu týmto smerom, čo dáva nádej na východisko zo súčasnej technologickej slepej uličky.
Smery vývoja
V súčasnosti (môžem sa mýliť, opravte ma) sa hlavné úsilie (a viac či menej významné výsledky) všetkých popredných hráčov sústreďuje do dvoch oblastí:
- Špecializované kvantové počítače, ktoré sú zamerané na riešenie jedného konkrétneho problému, napríklad optimalizačného problému. Príkladom produktu sú kvantové počítače D-Wave.
- Univerzálne kvantové počítače — ktoré sú schopné implementovať ľubovoľné kvantové algoritmy (Shor, Grover atď.). Implementácie od IBM, Google.
Ďalšie vektory vývoja, ktoré nám dáva kvantová fyzika, ako napríklad:
- ako základ pre
- a oveľa viac
Samozrejme, je tiež na zozname oblastí pre výskum, ale v súčasnosti sa zdá, že neexistujú žiadne viac či menej významné výsledky.
Okrem toho môžete čítať , no, google“", Napríklad, , и .
Základy. Kvantový objekt a kvantové systémy
Najdôležitejšia vec, ktorú je potrebné pochopiť z tejto časti, je to
Kvantový počítač (na rozdiel od zvyku) využíva ako nosiče informácií kvantové objektya na vykonávanie výpočtov musia byť pripojené kvantové objekty kvantový systém.
Čo je kvantový objekt?
Kvantový objekt - objekt mikrosveta (kvantový svet), ktorý vykazuje kvantové vlastnosti:
- Má definovaný stav s dvoma hraničnými úrovňami
- Je v superpozícii svojho stavu až do okamihu merania
- Spája sa s inými objektmi a vytvára kvantové systémy
- Spĺňa vetu o neklonovaní (stav objektu nemožno skopírovať)
Pozrime sa na každú nehnuteľnosť podrobnejšie:
Má definovaný stav s dvoma hraničnými úrovňami (koncový stav)
Klasickým príkladom v reálnom svete je minca. Má „bočný“ stav, ktorý nadobúda dve hraničné úrovne – „hlavy“ a „chvosty“.
Je v superpozícii svojho stavu až do okamihu merania
Hodili mincou, letí a točí sa. Zatiaľ čo sa otáča, nie je možné povedať, v ktorej z hraničných úrovní sa nachádza jej „bočný“ stav. Ale akonáhle to dáme dole a pozrieme sa na výsledok, superpozícia stavov sa okamžite zrúti do jedného z dvoch hraničných stavov – „hlavy“ a „chvosty“. Plieskanie mincou je v našom prípade meranie.
Spája sa s inými objektmi a vytvára kvantové systémy
S mincou je to ťažké, ale skúsme to. Predstavte si, že sme si hodili tri mince tak, aby sa otáčali prilepené k sebe, toto je žonglovanie s mincami. V každom okamihu je nielen každý z nich v superpozícii stavov, ale tieto stavy sa navzájom ovplyvňujú (mince sa zrážajú).
Spĺňa vetu o neklonovaní (stav objektu nemožno skopírovať)
Kým mince lietajú a točia sa, nie je možné vytvoriť kópiu stavu otáčania ktorejkoľvek z mincí, oddelene od systému. Systém žije v sebe a veľmi žiarli na vypúšťanie akýchkoľvek informácií do vonkajšieho sveta.
Ešte pár slov k samotnému konceptu "superpozície", takmer vo všetkých článkoch sa superpozícia vysvetľuje ako "je vo všetkých štátoch súčasne", čo je samozrejme pravda, ale miestami zbytočne mätúce. Superpozíciu stavov si možno predstaviť aj ako skutočnosť, že v každom časovom okamihu má kvantový objekt existujú určité pravdepodobnosti kolapsu do každej z jeho hraničných úrovní a v súčte sa tieto pravdepodobnosti prirodzene rovnajú 1. Neskôr, keď uvažujeme o qubite, sa tomu budeme venovať podrobnejšie.
V prípade mincí sa to dá vizualizovať - v závislosti od počiatočnej rýchlosti, uhla hodu, stavu prostredia, v ktorom minca letí, je v každom okamihu pravdepodobnosť získania „hlavy“ alebo „chvosta“ iná. A ako už bolo spomenuté, stav takejto lietajúcej mince si možno predstaviť ako „súčasne vo všetkých svojich hraničných stavoch, ale s rôznymi pravdepodobnosťami ich implementácie“.
Akýkoľvek objekt, pre ktorý sú splnené vyššie uvedené vlastnosti a ktorý dokážeme vytvoriť a ovládať, môže byť použitý ako nosič informácií v kvantovom počítači.
O niečo ďalej budeme hovoriť o súčasnom stave vecí s fyzickou implementáciou qubitov ako kvantových objektov a o tom, čo vedci v tejto funkcii teraz používajú.
Takže tretia vlastnosť hovorí, že kvantové objekty sa môžu zamotať, aby vytvorili kvantové systémy. Čo je to kvantový systém?
Kvantový systém — systém zapletených kvantových objektov s nasledujúcimi vlastnosťami:
- Kvantový systém je v superpozícii všetkých možných stavov objektov, z ktorých pozostáva
- Do okamihu merania nie je možné zistiť stav systému
- V momente merania systém implementuje jeden z možných variantov svojich hraničných stavov
(a pri pohľade trochu dopredu)
Dôsledok pre kvantové programy:
- Kvantový program má daný stav systému na vstupe, superpozíciu vo vnútri, superpozíciu na výstupe
- Na výstupe programu po meraní máme pravdepodobnostnú implementáciu jedného z možných konečných stavov systému (plus možné chyby)
- Každý kvantový program má komínovú architektúru (vstup -> výstup. Neexistujú žiadne slučky, nemôžete vidieť stav systému uprostred procesu.)
Porovnanie kvantového počítača a konvenčného počítača
Porovnajme teraz konvenčný počítač a kvantový.
| bežný počítač | Kvantový počítač | |
|
logika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
fyzika
|
Polovodičový tranzistor | Kvantový objekt |
|
Nosič médií
|
Úrovne napätia | Polarizácia, spin,… |
|
operácie
|
NOT, AND, OR, XOR over bits | Ventily: CNOT, Hadamard,… |
|
Vzťah
|
Polovodičový čip | Zmätok medzi sebou |
|
Algoritmy
|
Štandardné (pozri Bič) | Špeciálne ponuky (Shore, Grover) |
|
zásada
|
Digitálne, deterministické | Analógové, pravdepodobnostné |
Logická úroveň
V bežnom počítači je to trochu. Je nám dobre známy skrz naskrz deterministický bit. Môže nadobudnúť hodnoty 0 alebo 1. Dokonale sa vyrovná s úlohou logická jednotka pre bežný počítač, ale na popis stavu je úplne nevhodný kvantový objekt, ktorý, ako sme už povedali, vo voľnej prírode sa nachádza vsuperpozície ich hraničných stavov.
Na toto prišli . Vo svojich hraničných stavoch realizuje stavy podobné 0 a 1 , a v superpozícii predstavuje rozdelenie pravdepodobnosti cez jeho hraničné stavy |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a a b predstavujú a druhé mocniny ich modulov sú skutočné pravdepodobnosti získania presne takých hodnôt hraničných stavov |0> и |1>, ak práve teraz skolabujete qubit meraním.
Fyzická vrstva
Pri súčasnej technologickej úrovni vývoja je fyzická implementácia bitu pre bežný počítač polovodičový tranzistor, pre kvantá, ako sme už povedali, akýkoľvek kvantový objekt. V ďalšej časti si povieme o tom, čo sa v súčasnosti používa ako fyzické médium pre qubity.
Úložné médium
Pre bežný počítač je to tak elektriny - úrovne napätia, prítomnosť alebo neprítomnosť prúdu atď., Pre kvantá - to isté stav kvantového objektu (smer polarizácie, spin a pod.), ktoré môžu byť v stave superpozície.
operácie
Na implementáciu logických obvodov na bežnom počítači používame známe , pre operácie na qubitoch bolo potrebné vymyslieť úplne iný systém operácií, tzv . Brány môžu byť jedno-qubitové alebo dvojqubitové, v závislosti od toho, koľko qubitov sa prevádza.
Príklady kvantových brán:
Existuje koncept univerzálna ventilová súprava, ktoré sú dostatočné na vykonanie akéhokoľvek kvantového výpočtu. Napríklad univerzálna sada obsahuje hradlo Hadamard, hradlo fázového posunu, hradlo CNOT a hradlo π⁄8. S ich pomocou môžete vykonať akýkoľvek kvantový výpočet na ľubovoľnej sade qubitov.
V tomto článku sa nebudeme podrobne zaoberať systémom kvantových brán, viac si o nich a logických operáciách na qubitoch môžete prečítať napr. . Hlavná vec na zapamätanie:
- Operácie na kvantových objektoch vyžadujú vytvorenie nových logických operátorov (kvantové brány)
- Kvantové brány prichádzajú v jedno-qubitových a dvojqubitových typoch.
- Existujú univerzálne sady brán, ktoré možno použiť na vykonanie akéhokoľvek kvantového výpočtu
Vzťah
Jeden tranzistor je pre nás úplne zbytočný, na výpočty potrebujeme spojiť veľa tranzistorov navzájom, to znamená vytvoriť polovodičový čip z miliónov tranzistorov, na ktorom sa dajú postaviť logické obvody, a v konečnom dôsledku získate moderný procesor v jeho klasickej podobe.
Jeden qubit je pre nás tiež úplne zbytočný (no, ak len z akademického hľadiska),
na vykonávanie výpočtov potrebujeme systém qubitov (kvantových objektov)
ktorý, ako sme už povedali, vzniká vzájomným zapletením qubitov tak, aby zmeny ich stavov prebiehali koordinovane.
Algoritmy
Štandardné algoritmy, ktoré ľudstvo doteraz nazhromaždilo, sú úplne nevhodné na implementáciu na kvantovom počítači. Áno, vo všeobecnosti to nie je potrebné. Kvantové počítače založené na hradlovej logike nad qubitmi vyžadujú vytvorenie úplne odlišných algoritmov, kvantových algoritmov. Z najznámejších kvantových algoritmov možno rozlíšiť tri:
- (faktorizácia)
- (rýchle vyhľadávanie v neusporiadanej databáze)
- (odpoveď na otázku, konštantná alebo vyvážená funkcia)
zásada
A najdôležitejším rozdielom je princíp fungovania. Pre štandardný počítač je to tak digitálny, prísne deterministický princíp, na základe toho, že ak nastavíme nejaký počiatočný stav systému a prejdeme ho daným algoritmom, tak výsledok výpočtov bude rovnaký, bez ohľadu na to, koľkokrát tento výpočet spustíme. V skutočnosti je toto správanie presne to, čo od počítača očakávame.
Kvantový počítač beží ďalej analógový, pravdepodobnostný princíp. Výsledkom daného algoritmu v danom počiatočnom stave je vzorka z rozdelenia pravdepodobnosti konečné implementácie algoritmu plus možné chyby.
Táto pravdepodobnostná povaha kvantových výpočtov je spôsobená samotnou pravdepodobnostnou podstatou kvantového sveta. "Boh nehrá kocky s vesmírom.", povedal starý Einstein, ale všetky doterajšie experimenty a pozorovania (v súčasnej vedeckej paradigme) potvrdzujú opak.
Fyzické implementácie qubitov
Ako sme už povedali, qubit môže byť reprezentovaný kvantovým objektom, teda fyzickým objektom, ktorý implementuje kvantové vlastnosti opísané vyššie. To znamená, že zhruba každý fyzický objekt, v ktorom sú dva stavy a tieto dva stavy sú v stave superpozície, môže byť použitý na zostavenie kvantového počítača.
„Ak dokážeme umiestniť atóm do dvoch rôznych úrovní a ovládať ich, potom máte qubit. Ak to dokážeme s iónom, je to qubit. Rovnako je to aj s prúdom. Ak ho spustíme v smere a proti smeru hodinových ručičiek súčasne, máte qubit.“
K dispozícii je к , v ktorom sa podrobnejšie uvažuje o súčasnej rozmanitosti fyzických implementácií qubit, jednoducho uvedieme najznámejšie a najbežnejšie:
- a mnoho ďalších exotických nápadov (anióny atď.)
Z celej tejto odrody je najrozvinutejšia prvá metóda získavania qubitov, založená na . , , a ďalší poprední hráči ho používajú na budovanie svojich systémov.
Nuž, čítajte ďalej možné qubits z .
Základy. Ako funguje kvantový počítač
Materiály pre túto časť (úloha a obrázky) sú prevzaté z článku .
Predstavte si teda, že máme nasledujúcu úlohu:
Existuje skupina troch ľudí: (A)ndrey, (B)olodya a (C)erezha. Sú tam dva taxíky (0 a 1).
Je tiež známe, že:
- (A)ndrey, (B)olodya sú priatelia
- (A)ndrey, (C)erezha sú nepriatelia
- (B)olodya a (C)erezha sú nepriatelia
Úloha: Umiestnite ľudí do taxíkov tak, aby Max (priatelia) и Min (nepriatelia)
Hodnotenie: L = (počet priateľov) - (počet nepriateľov) pre každú možnosť ubytovania
DÔLEŽITÉ: Za predpokladu, že neexistujú žiadne heuristiky, neexistuje žiadne optimálne riešenie. V tomto prípade je možné problém vyriešiť iba úplným hľadaním možností.
Riešenie na bežnom počítači
Ako vyriešiť tento problém na bežnom (super) počítači (alebo klastri) - to je jasné musíte prejsť všetkými možnými možnosťami. Ak máme viacprocesorový systém, potom môžeme paralelizovať výpočet riešení naprieč viacerými procesormi a následne zbierať výsledky.
Máme 2 možnosti ubytovania (taxi 0 a taxi 1) a 3 osoby. Priestor riešenia 2 ^ 3 = 8. Pomocou kalkulačky môžete prejsť dokonca cez 8 možností, to nie je problém. Teraz skomplikujme problém – máme 20 ľudí a dva autobusy, priestor na riešenie 2^20 = 1 048 576. Tiež nič zložité. Zvýšme počet ľudí 2.5-krát - vezmite 50 ľudí a dva vlaky, priestor riešenia je teraz 2^50 = 1.12 x 10^15. Bežný (super) počítač už začína mať vážne problémy. Zvýšme počet ľudí 2-krát, už nám dá 100 ľudí 1.2 x 10^30 možné možnosti.
To je všetko, táto úloha sa nedá vypočítať v primeranom čase.
Pripojenie superpočítača
Najvýkonnejší počítač je momentálne číslo 1 To , produktivita 122 . Predpokladajme, že na výpočet jednej možnosti potrebujeme 100 operácií, potom na vyriešenie problému pre 100 ľudí budeme potrebovať:
(1.2 x 10^30 100) / 122 × 10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 rokov.
Ako vidíme ako sa zväčšuje rozmer počiatočných údajov, priestor riešenia rastie podľa mocninného zákona, vo všeobecnom prípade pre N bitov máme 2^N možných možností riešenia, ktoré nám pre relatívne malé N (100) poskytujú nevypočítaný (na súčasnej technologickej úrovni) priestor riešenia.
Existujú nejaké alternatívy? Ako ste možno uhádli, áno, existuje.
Ale predtým, než sa dostaneme k tomu, ako a prečo môžu kvantové počítače efektívne riešiť problémy, ako sú tieto, nájdime si chvíľu na rekapituláciu, o čo ide. rozdelenia pravdepodobnosti. Nezľaknite sa, toto je recenzný článok, nebude tu žiadna ťažká matematika, vystačíme si s klasickým príkladom s taškou a loptičkami.
Stačí trocha kombinatoriky, teórie pravdepodobnosti a zvláštneho experimentátora
Vezmeme vrecko a vložíme ho do neho 1000 bielych a 1000 čiernych loptičiek. Urobíme experiment - vyberieme loptičku, zapíšeme farbu, vrátime loptičku do vrecúška a guličky v taške premiešame.
Experiment sa uskutočnil 10-krát, vytiahol 10 čiernych guličiek. Možno? Celkom. Poskytuje nám táto vzorka nejakú rozumnú predstavu o skutočnej distribúcii vo vrecku? Očividne nie. Čo je potrebné urobiť - správne, pzopakujte experiment miliónkrát a vypočítajte frekvencie čiernych a bielych guľôčok. Dostaneme napr 49.95 % čiernej a 50.05 % bielej. V tomto prípade je štruktúra distribúcie, z ktorej vzorkujeme (vyberáme jednu guľôčku), už viac-menej jasná.
Hlavná vec je pochopiť to samotný experiment má pravdepodobnostný charakter, pri jednej vzorke (guličke) nepoznáme skutočnú štruktúru rozdelenia, musíme experiment mnohokrát opakovať a výsledky spriemerujte.
Pridajme si to do tašky 10 červených a 10 zelených guličiek (chyby). Pokus zopakujeme 10x. INvytiahol 5 červených a 5 zelených. Možno? Áno. Môžeme povedať niečo o skutočnej distribúcii - Nie. Čo je potrebné urobiť - dobre, chápete.
Aby sme pochopili štruktúru rozdelenia pravdepodobnosti, je potrebné opakovane vzorkovať jednotlivé výsledky z tohto rozdelenia a výsledky spriemerovať.
Prepojenie teórie s praxou
Teraz namiesto čiernych a bielych gúľ vezmime biliardové gule a dáme ich do tašky 1000 loptičiek s číslom 2, 1000 s číslom 7 a 10 loptičiek s inými číslami. Predstavme si experimentátora, ktorý je trénovaný v najjednoduchších úkonoch (vytiahnuť loptičku, zapísať si číslo, vložiť loptičku späť do vrecka, zamiešať loptičky vo vrecúšku) a urobí to za 150 mikrosekúnd. No taký experimentátor na rýchlosti (nie reklama na lieky!!!). Potom bude za 150 sekúnd schopný vykonať náš experiment 1 milión krát a poskytnite nám priemerné výsledky.
Posadili experimentátora, dali mu tašku, otočili sa, počkali 150 sekúnd a dostali:
číslo 2 - 49.5%, číslo 7 - 49.5%, zvyšné čísla spolu - 1%.
Áno, to je správne, naša taška je kvantový počítač s algoritmom, ktorý rieši náš problém, a gule sú možné riešenia. Keďže existujú dve správne riešenia kvantový počítač nám poskytne akékoľvek z týchto možných riešení s rovnakou pravdepodobnosťou a 0.5 % (10/2000) chýb, o ktorom si povieme neskôr.
Ak chcete získať výsledok kvantového počítača, musíte spustiť kvantový algoritmus viackrát na rovnakom súbore vstupných údajov a spriemerovať výsledok.
Škálovateľnosť kvantového počítača
Teraz si predstavte, že pre úlohu zahŕňajúcu 100 ľudí (priestor riešenia 2^100 pamätáme si to), sú tiež len dve správne rozhodnutia. Potom, ak vezmeme 100 qubitov a napíšeme algoritmus, ktorý vypočíta našu účelovú funkciu (L, pozri vyššie) cez tieto qubity, potom dostaneme vrece, v ktorom bude 1000 loptičiek s číslom prvej správnej odpovede, 1000 s číslo druhej správnej odpovede a 10 loptičiek s inými číslami. A do tých istých 150 sekúnd nám náš experimentátor poskytne odhad rozdelenia pravdepodobnosti správnych odpovedí.
Čas vykonávania kvantového algoritmu (s určitými predpokladmi) možno považovať za konštantný O(1) vzhľadom na rozmer priestoru riešenia (2^N).
A to je práve vlastnosť kvantového počítača - stálosť behu vo vzťahu k rastúcej mocninnej zložitosti priestoru riešenia je kľúčová.
Qubit a paralelné svety
Ako sa to stane? Čo umožňuje kvantovému počítaču vykonávať výpočty tak rýchlo? Všetko je to o kvantovej povahe qubitu.
Pozrite, povedali sme, že qubit je ako kvantový objekt pri pozorovaní realizuje jeden zo svojich dvoch stavov, ale v „divokej prírode“ je in superpozície štátov, teda je v oboch svojich hraničných stavoch súčasne (s určitou pravdepodobnosťou).
Vezmime (A)Andreya a predstavte si jeho stav (v akom vozidle je - 0 alebo 1) ako qubit. Potom máme (v kvantovom priestore) dva paralelné svety, v jednom (A) sedí v taxíku 0, v inom svete - v taxíku 1. V dvoch taxíkoch súčasne, ale s určitou pravdepodobnosťou, že ho v každom z nich počas pozorovania nájdeme.
Vezmime (B) mladý a predstavme si aj jeho stav ako qubit. Vznikajú ďalšie dva paralelné svety. Ale zatiaľ tieto dvojice svetov (A) и (V) vôbec neinteragujte. Čo je potrebné urobiť pre vytvorenie súvisiace systém? Správne, potrebujeme tieto qubity zviazať (zmiasť). Berieme to a zamieňame to (A) s (B) — dostaneme kvantový systém dvoch qubitov (A, B), uvedomujúc si v sebe štyri vzájomne závislé paralelné svety. Pridať (S)ergey a dostaneme systém troch qubitov (ABC), implementácia ôsmich vzájomne závislé paralelné svety.
Podstatou kvantového počítania (implementácia reťazca kvantových brán cez systém spojených qubitov) je skutočnosť, že výpočet prebieha vo všetkých paralelných svetoch súčasne.
A nezáleží na tom, koľko ich máme, 2^3 alebo 2^100, kvantový algoritmus bude vykonaný v konečnom čase nad všetkými týmito paralelnými svetmi a poskytne nám výsledok, ktorý je vzorkou z rozdelenia pravdepodobnosti odpovedí algoritmu.
Pre lepšie pochopenie si to možno predstaviť kvantový počítač na kvantovej úrovni beží 2^N paralelných procesov riešenia, z ktorých každý pracuje na jednej možnej možnosti, potom zbiera výsledky práce - a nám dáva odpoveď vo forme superpozície riešenia (pravdepodobnostné rozdelenie odpovedí), z ktorých zakaždým vyberieme jednu vzorku (pre každý experiment).
Pamätajte na čas, ktorý vyžaduje náš experimentátor (150 µs) na uskutočnenie experimentu nám to bude užitočné o niečo ďalej, keď budeme hovoriť o hlavných problémoch kvantových počítačov a čase dekoherencie.
Kvantové algoritmy
Ako už bolo spomenuté, konvenčné algoritmy založené na binárnej logike nie sú použiteľné na kvantový počítač využívajúci kvantovú logiku (kvantové brány). Pre neho bolo potrebné prísť s novými, ktoré plne využívajú potenciál kvantovej povahy výpočtovej techniky.
Najznámejšie algoritmy súčasnosti sú:
Na rozdiel od klasických nie sú kvantové počítače univerzálne.
Doteraz sa našlo len malé množstvo kvantových algoritmov.
Vďaka pre odkaz na , miesto, kde podľa autora (), boli zhromaždení a naďalej sa zhromažďujú najlepší predstavitelia kvantovo-algoritmického sveta.
V tomto článku nebudeme podrobne analyzovať kvantové algoritmy; na internete je veľa vynikajúcich materiálov pre akúkoľvek úroveň zložitosti, ale stále musíme stručne prejsť tri najznámejšie.
Shorov algoritmus.
Najznámejší kvantový algoritmus je (vynájdený v roku 1994 anglickým matematikom ), ktorý je zameraný na riešenie problému rozkladu čísel na prvočiniteľ (problém faktorizácie, diskrétny logaritmus).
Je to tento algoritmus, ktorý je uvedený ako príklad, keď píšu, že vaše bankové systémy a heslá budú čoskoro napadnuté. Ak vezmeme do úvahy, že dĺžka dnes používaných kľúčov nie je menšia ako 2048 bitov, čas na cap ešte neprišiel.
K dnešnému dňu viac než skromné. Najlepšie výsledky faktorizácie pomocou Shorovho algoritmu – čísla и , čo je oveľa menej ako 2048 bitov. Pre zvyšné výsledky z tabuľky, iné výpočty, ale aj najlepší výsledok podľa tohto algoritmu (291311) je veľmi vzdialený od reálnej aplikácie.
Viac o Shorovom algoritme si môžete prečítať napr.. O praktickej realizácii - .
Jeden z nich zložitosť a potrebný výkon na faktor 2048-bitového čísla je počítač s . Spíme pokojne.
Groverov algoritmus
- riešenie enumeračného problému, teda nájdenie riešenia rovnice F(X) = 1, kde F je od n premenných. Navrhol ho americký matematik в .
Na nájdenie je možné použiť Groverov algoritmus и číselný rad. Okrem toho sa dá použiť na riešenie problémov prostredníctvom vyčerpávajúceho hľadania medzi mnohými možnými riešeniami. To môže znamenať výrazné zvýšenie rýchlosti v porovnaní s klasickými algoritmami, aj keď bez poskytnutia "" všeobecne.
Viac podrobností si môžete prečítaťAlebo , Ešte Existuje dobré vysvetlenie algoritmu na príklade škatúľ a lopty, ale, žiaľ, z dôvodov, ktoré nikto nemôže ovplyvniť, sa mi táto stránka z Ruska neotvorí. Ak máte je tiež zablokovaný, takže tu je krátke zhrnutie:
Groverov algoritmus. Predstavte si, že máte N kusov očíslovaných uzavretých škatúľ. Všetky sú prázdne okrem jedného, ktorý obsahuje loptičku. Vaša úloha: zistite číslo krabice, v ktorej sa lopta nachádza (toto neznáme číslo sa často označuje písmenom w).
Ako tento problém vyriešiť? Najhlúpejší spôsob je striedať sa pri otváraní krabíc a skôr či neskôr natrafíte na krabicu s loptou. Koľko políčok treba v priemere skontrolovať, kým sa nájde krabica s loptou? V priemere potrebujete otvoriť asi polovicu N/2 boxov. Tu ide hlavne o to, že ak zvýšime počet škatúľ 100-krát, tak sa rovnako 100-krát zvýši aj priemerný počet krabičiek, ktoré je potrebné otvoriť, kým sa nájde krabica s loptou.
Teraz si urobme ešte jedno objasnenie. Neotvárajme krabice sami rukami a nekontrolujme prítomnosť guľôčky v každej, ale existuje istý prostredník, nazvime ho Oracle. Povieme Oracle „zaškrtávacie políčko číslo 732“ a Oracle poctivo skontroluje a odpovie: „v políčku číslo 732 nie je loptička“. Teraz namiesto toho, aby sme povedali, koľko škatúľ musíme v priemere otvoriť, povieme „koľkokrát v priemere máme ísť do Oracle, aby sme našli číslo škatule s loptou“
Ukazuje sa, že ak tento problém so škatuľami, loptou a Oracle preložíme do kvantového jazyka, dostaneme pozoruhodný výsledok: aby sme našli číslo krabice s loptou medzi N krabicami, potrebujeme rušiť Oracle iba približne SQRT (N) krát!
To znamená, že zložitosť úlohy vyhľadávania pomocou Groverovho algoritmu sa zníži o druhú odmocninu časov.
Deutsch-Jozi algoritmus
Deutsch-Jozsov algoritmus (tiež označovaný ako Deutsch-Jozsov algoritmus) – [kvantový algoritmus](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в a stal sa jedným z prvých príkladov algoritmov navrhnutých na vykonávanie . _
Deutsch-Jozsiho problém spočíva v určení, či je funkcia niekoľkých binárnych premenných F(x1, x2, ... xn) konštantná (pre akékoľvek argumenty má hodnotu 0 alebo 1) alebo vyvážená (pre polovicu domény, ktorú potrebuje hodnota 0, pre druhú polovicu 1). V tomto prípade sa považuje a priori za známe, že funkcia je buď konštantná alebo vyvážená.
Môžete tiež čítať . Jednoduchšie vysvetlenie:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) algoritmus je založený na hrubej sile, ale umožňuje to rýchlejšie ako zvyčajne. Predstavte si, že na stole je minca a potrebujete zistiť, či je falošná alebo nie. Aby ste to dosiahli, musíte sa pozrieť na mincu dvakrát a určiť: „hlavy“ a „chvosty“ sú skutočné, dve „hlavy“, dva „chvosty“ sú falošné. Takže, ak použijete Deutsch kvantový algoritmus, potom sa toto určenie dá urobiť jedným pohľadom – meraním.
Problémy kvantových počítačov
Pri navrhovaní a prevádzke kvantových počítačov čelia vedci a inžinieri obrovskému množstvu problémov, ktoré sa doteraz podarilo vyriešiť s rôznym stupňom úspechu. Podľa () možno identifikovať nasledujúci rad problémov:
- Citlivosť na prostredie a interakcia s okolím
- Hromadenie chýb pri výpočtoch
- Ťažkosti s počiatočnou inicializáciou stavov qubit
- Ťažkosti pri vytváraní multi-qubitových systémov
Vrelo odporúčam prečítať si článok ““, najmä komentáre k nemu.
Usporiadajme všetky hlavné problémy do troch veľkých skupín a pozrime sa bližšie na každý z nich:
Dekoherencia
.
Kvantový stav veľmi krehká vecqubity v zapletenom stave sú extrémne nestabilné, akýkoľvek vonkajší vplyv môže (a robí) toto spojenie zničiť. Zmena teploty o najmenší zlomok stupňa, tlak, náhodný fotón letiaci v blízkosti – to všetko destabilizuje náš systém.
Na vyriešenie tohto problému sa stavajú nízkoteplotné sarkofágy, v ktorých je teplota (-273.14 stupňov Celzia) mierne nad absolútnou nulou, s maximálnou izoláciou vnútornej komory s procesorom od všetkých (možných) vplyvov vonkajšieho prostredia.
Maximálna životnosť kvantového systému niekoľkých zapletených qubitov, počas ktorej si zachováva svoje kvantové vlastnosti a môže byť použitá na výpočty, sa nazýva dekoherenčný čas.
V súčasnosti je čas dekoherencie v najlepších kvantových riešeniach rádovo desiatky a stovky mikrosekúnd.
Existuje úžasné kde sa môžeš pozrieť všetkých vytvorených kvantových systémov. Tento článok obsahuje ako príklad iba dva špičkové procesory – od IBM a od . Ako vidíme, čas dekoherencie (T2) nepresahuje 200 μs.
Presné údaje o Sycamore som nenašiel, ale v naj sú uvedené dve čísla - 1 milión výpočtov za 200 sekúnd, na inom mieste - za 130 sekúnd bez straty riadiacich signálov atď.. V každom prípade nám to dáva čas dekoherencie je asi 150 μs. Spomeňte si na naše experimentátor s taškou? No, tu je.
| Názov počítača | N Qubits | Max spárované | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Čo nám dekoherencia hrozí?
Hlavným problémom je, že po 150 μs náš výpočtový systém N zapletených qubitov začne vydávať pravdepodobnostný biely šum namiesto pravdepodobnostnej distribúcie správnych riešení.
To znamená, že potrebujeme:
- Inicializujte systém qubit
- Vykonajte výpočet (reťazec operácií brány)
- Prečítajte si výsledok
A to všetko za 150 mikrosekúnd. Nemal som čas - výsledok sa zmenil na tekvicu.
To však nie je všetko…
Chyby
Ako sme povedali, kvantové procesy a kvantové výpočty majú pravdepodobnostný charakter, nemôžeme si byť ničím 100% istí, ale len s určitou pravdepodobnosťou. Situáciu ešte zhoršuje skutočnosť, že kvantové výpočty sú náchylné na chyby. Hlavné typy chýb v kvantových výpočtoch sú:
- Chyby dekoherencie sú spôsobené zložitosťou systému a interakciou s vonkajším prostredím
- Výpočtové chyby hradla (kvôli kvantovej povahe výpočtu)
- Chyby pri čítaní konečného stavu (výsledok)
Chyby spojené s dekoherenciou, objaví sa hneď, ako zamotáme svoje qubity a začneme počítať. Čím viac qubitov zamotáme, tým je systém zložitejší, a tým ľahšie je zničiť ho. Nízkoteplotné sarkofágy, chránené komory, všetky tieto technologické triky sú presne zamerané na zníženie počtu chýb a predĺženie doby dekoherencie.
Výpočtové chyby brány - akákoľvek operácia (brána) na qubitoch môže s určitou pravdepodobnosťou skončiť chybou a na implementáciu algoritmu potrebujeme vykonať stovky brán, takže si predstavte, čo dostaneme na konci vykonávania nášho algoritmu. Klasická odpoveď na otázku znie: „Aká je pravdepodobnosť, že stretnete dinosaura vo výťahu? - 50x50, buď sa stretnete alebo nie.
Problém ešte zhoršuje skutočnosť, že štandardné metódy korekcie chýb (duplikácia výpočtov a priemerovanie) nefungujú v kvantovom svete kvôli vete o neklonovaní. Pre v kvantovej výpočtovej technike bolo potrebné vynájsť . Zhruba povedané, vezmeme N obyčajných qubitov a vytvoríme z nich 1 logický qubit s nižšou chybovosťou.
Tu však vzniká ďalší problém - celkový počet qubitov. Pozrite, povedzme, že máme procesor so 100 qubitmi, z ktorých 80 qubitov sa používa na opravu chýb, potom nám zostáva len 20 na výpočty.
Chyby pri čítaní konečného výsledku — ako si pamätáme, výsledok kvantových výpočtov je nám prezentovaný vo forme pravdepodobnostné rozdelenie odpovedí. Čítanie konečného stavu však môže tiež zlyhať s chybou.
Na rovnakom Existujú porovnávacie tabuľky procesorov podľa úrovní chýb. Pre porovnanie si zoberme rovnaké procesory ako v predchádzajúcom príklade – IBM и :
| počítačový | Vernosť 1-Qubitovej brány | 2-Vernosť brány Qubit | Vernosť odčítania |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Tu je mierou podobnosti dvoch kvantových stavov. Veľkosť chyby možno zhruba vyjadriť ako 1-vernosť. Ako vidíme, chyby na 2-qubitových bránach a chyby pri čítaní sú hlavnou prekážkou pri vykonávaní zložitých a dlhých algoritmov na existujúcich kvantových počítačoch.
Môžete tiež čítať rokov od vyriešiť problém opravy chýb.
Architektúra procesora
Teoreticky staviame a prevádzkujeme obvody desiatok zapletených qubitov, v skutočnosti je všetko komplikovanejšie. Všetky existujúce kvantové čipy (procesory) sú postavené tak, že poskytujú bezbolestné zapletenie jedného qubitu len so svojimi susedmi, ktorých nie je viac ako šesť.
Ak potrebujeme prepojiť 1. qubit, povedzme, s 12., potom budeme musieť vybudovať reťazec dodatočných kvantových operácií, zahŕňajú ďalšie qubity atď., čo zvyšuje celkovú úroveň chýb. Áno, a nezabudnite čas dekoherencie, možno kým dokončíte zapojenie qubitov do obvodu, ktorý potrebujete, čas skončí a celý obvod sa zmení na pekný generátor bieleho šumu.
Tiež na to nezabudnite Architektúra všetkých kvantových procesorov je odlišnáa program napísaný v emulátore v režime „all-to-all connectivity“ bude potrebné „prekompilovať“ do architektúry konkrétneho čipu. Existujú dokonca vykonať túto operáciu.
Maximálna konektivita a maximálny počet qubitov pre rovnaké špičkové čipy:
| Názov počítača | N Qubits | Max spárované | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
A pre porovnanie, tabuľka s údajmi z predchádzajúcej generácie procesorov. Porovnajte počet qubitov, čas dekoherencie a chybovosť s tým, čo máme teraz s novou generáciou. Napriek tomu je pokrok pomalý, ale pohyblivý.
Takže:
- V súčasnosti neexistujú žiadne plne prepojené architektúry s > 6 qubitmi
- Na zamotanie qubitu 0 s na skutočnom procesore môže napríklad qubit 15 vyžadovať niekoľko desiatok dodatočných operácií
- Viac operácií -> viac chýb -> silnejší vplyv dekoherencie
Výsledky
Dekoherencia je prokrustovské lôžko moderných kvantových počítačov. Všetko musíme zmestiť do 150 μs:
- Inicializácia počiatočného stavu qubitov
- Výpočet problému pomocou kvantových brán
- Opravte chyby, aby ste dosiahli zmysluplné výsledky
- Prečítajte si výsledok
Výsledky sú však zatiaľ sklamaním nárok na dosiahnutie koherentného retenčného času 0.5 s na kvantovom počítači založenom na :
Meriame čas qubitovej koherencie presahujúci 0.5 s a s magnetickým tienením očakávame, že toto zlepšenie bude dlhšie ako 1000 XNUMX s
Môžete si tiež prečítať o tejto technológii alebo napr .
Situáciu ďalej komplikuje skutočnosť, že pri vykonávaní zložitých výpočtov je potrebné použiť obvody na kvantovú korekciu chýb, čo tiež zaberá čas aj dostupné qubity.
A napokon, moderné architektúry neumožňujú implementovať schémy zapletenia lepšie ako 1 ku 4 alebo 1 ku 6 s minimálnymi nákladmi.
Spôsoby riešenia problémov
Na vyriešenie vyššie uvedených problémov sa v súčasnosti používajú nasledujúce prístupy a metódy:
- Používanie kryokomôr s nízkymi teplotami (10 mK (–273,14 °C))
- Použitie procesorových jednotiek, ktoré sú maximálne chránené pred vonkajšími vplyvmi
- Používanie systémov kvantovej korekcie chýb (Logic Qubit)
- Používanie optimalizátorov pri programovaní obvodov pre konkrétny procesor
Uskutočňuje sa aj výskum zameraný na zvýšenie času dekoherencie, hľadanie nových (a zlepšenie známych) fyzikálnych implementácií kvantových objektov, optimalizáciu korekčných obvodov atď., atď. Existuje pokrok (pozrite sa vyššie na charakteristiky skorších a dnešných špičkových čipov), ale zatiaľ je pomalý, veľmi, veľmi pomalý.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-qubitový počítač. Zdroj:
Uprostred oznámenia spoločnosti Google o dosiahnutí kvantovej nadvlády pomocou 53-qubitového procesora и od spoločnosti D-Wave, v ktorej sa počet qubitov pohybuje v tisícoch, je trochu mätúci. No, naozaj, ak 53 qubitov bolo schopných dosiahnuť kvantovú prevahu, čo potom dokáže počítač s 2048 qubitmi? Ale nie všetko je také dobré...
V skratke (prevzaté z wiki):
Počítače pracovať na princípe (), môžu vyriešiť veľmi obmedzenú podtriedu optimalizačných problémov a nie sú vhodné na implementáciu tradičných kvantových algoritmov a kvantových brán.
Bližšie informácie si môžete prečítať napr. , (pozor, nesmie sa otvárať z Ruska), príp в z jeho . Mimochodom, vrelo odporúčam prečítať si jeho blog vo všeobecnosti, je tam veľa dobrého materiálu
Vo všeobecnosti mala vedecká komunita od samého začiatku oznámení otázky týkajúce sa počítačov D-Wave. Napríklad v roku 2014 spoločnosť IBM spochybnila skutočnosť, že D-Wave Dospelo to do bodu, že v roku 2015 Google spolu s NASA kúpili jeden z týchto kvantových počítačov a po výskume , že áno, počítač funguje a vypočítava problém rýchlejšie ako bežný. Viac o vyhlásení spoločnosti Google si môžete prečítať a napr. .
Hlavná vec je, že počítače D-Wave s ich stovkami a tisíckami qubitov nemožno použiť na výpočet a spustenie kvantových algoritmov. Nemôžete na nich spustiť napríklad Shorov algoritmus. Jediné, čo môžu urobiť, je použiť určité kvantové mechanizmy na vyriešenie určitého optimalizačného problému. Môžeme uvažovať, že D-Wave je kvantový ASIC pre konkrétnu úlohu.
Trochu o emulácii kvantového počítača
Kvantové výpočty je možné emulovať na bežnom počítači. Naozaj, :
- Stav qubit môže byť komplexné číslo, ktorá zaberá od 2x32 do 2x64 bitov (8-16 bajtov) v závislosti od architektúry procesora
- Stav N spojených qubitov možno znázorniť ako 2^N komplexných čísel, t.j. 2^(3+N) pre 32-bitovú architektúru a 2^(4+N) pre 64-bitovú architektúru.
- Kvantová operácia na N qubitoch môže byť reprezentovaná maticou 2^N x 2^N
potom:
- Na uloženie emulovaných stavov 10 qubitov je potrebných 8 KB
- Na uloženie stavov 20 qubitov potrebujete 8 MB
- Na uloženie stavov 30 qubitov je potrebných 8 GB
- Na uloženie stavov 40 qubitov je potrebných 8 terabajtov
- Na uloženie stavov 50 qubitov je potrebných 8 petabajtov atď.
Na porovnanie, () má iba 2.8 petabajtov pamäte.
— 49 qubitov dodaných minulý rok najväčšiemu čínskemu superpočítaču ()
Hranica simulácie kvantového počítača na klasických systémoch je určená množstvom pamäte RAM potrebnej na uloženie stavu qubitov.
Odporúčam aj prečítať . Odtiaľ:
Prevádzkou - pre presnú emuláciu 49-qubitového obvodu pozostávajúceho z približne 39 „cyklov“ (nezávislé vrstvy brán) 2^63 komplexné násobenia - 4 Pflops superpočítača na 4 hodiny
Emulácia 50+ qubitového kvantového počítača na klasických systémoch sa považuje za nemožnú v rozumnom čase. To je tiež dôvod, prečo Google použil 53-qubitový procesor pre svoj experiment s kvantovou nadradenosťou.
Kvantová výpočtová nadradenosť.
Wikipedia nám dáva nasledujúcu definíciu nadradenosti kvantových počítačov:
Kvantová nadradenosť – schopnosť zariadenia na riešenie problémov, ktoré klasické počítače prakticky nedokážu vyriešiť.
V skutočnosti dosiahnutie kvantovej prevahy znamená, že napríklad faktorizácia veľkých čísel pomocou algoritmu Shor môže byť vyriešená v primeranom čase, alebo môžu byť na kvantovej úrovni emulované zložité chemické molekuly atď. To znamená, že prišla nová éra.
V znení definície je však určitá medzera, “ktoré klasické počítače prakticky nedokážu vyriešiť" V skutočnosti to znamená, že ak vytvoríte kvantový počítač s 50+ qubitmi a spustíte na ňom nejaký kvantový obvod, potom, ako sme diskutovali vyššie, výsledok tohto obvodu nemožno emulovať na bežnom počítači. Teda klasický počítač nebude schopný znovu vytvoriť výsledok takéhoto obvodu.
Či takýto výsledok predstavuje skutočnú kvantovú prevahu alebo nie, je skôr filozofická otázka. Pochopte však, čo Google urobil a na čom je založený nevyhnutné.
Vyhlásenie Quantum Supremacy spoločnosti Google
Sycamore 54-qubitový procesor
Takže v októbri 2019 vývojári Google zverejnili článok vo vedeckej publikácii Nature “" Autori ohlásili dosiahnutie kvantovej nadvlády prvýkrát v histórii pomocou 54-qubitového procesora Sycamore.
Články Sycamore online často odkazujú buď na 54-qubitový procesor alebo 53-qubitový procesor. Pravdou je, že podľa , procesor fyzicky pozostáva z 54 qubitov, ale jeden z nich je nefunkčný a bol vyradený z prevádzky. V skutočnosti teda máme 53-qubitový procesor.
Na webe priamo tam materiálov na túto tému, ktorých miera sa líšila od na .
Neskôr to uviedol tím IBM pre kvantové výpočty . Spoločnosť tvrdí, že konvenčný počítač sa s touto úlohou vyrovná v najhoršom prípade za 2,5 dňa a výsledná odpoveď bude presnejšia ako pri kvantovom počítači. Tento záver bol urobený na základe výsledkov teoretickej analýzy niekoľkých optimalizačných metód.
A samozrejme, v jeho Toto vyhlásenie som nemohol ignorovať. Jeho spolu so všetkými odkazmi a ako obvykle, oplatí sa im venovať svoj čas. Na náboji tento FAQ a nezabudnite si prečítať komentáre, existujú odkazy na predbežné dokumenty, ktoré unikli online pred oficiálnym oznámením.
Čo vlastne Google urobil? Pre podrobné pochopenie si prečítajte Aaronson, ale stručne tu:
Môžem vám to, samozrejme, povedať, ale cítim sa dosť hlúpo. Výpočet je nasledovný: experimentátor vygeneruje náhodný kvantový obvod C (t.j. náhodnú sekvenciu 1-qubitových a 2-qubitových brán medzi najbližšími susedmi, s hĺbkou napríklad 20, pôsobiacich na 2D sieť n = 50-60 qubitov). Experimentátor potom pošle C do kvantového počítača a požiada ho, aby použil C na počiatočný stav 0, zmeral výsledok na báze {0,1}, poslal späť n-bitovú pozorovanú sekvenciu (reťazec) a zopakoval niekoľko tisíc alebo milióny krát. Nakoniec experimentátor pomocou svojich znalostí C vykoná štatistický test, aby zistil, či sa výsledok zhoduje s očakávaným výstupom z kvantového počítača.
Veľmi stručne:
- Pomocou brán je vytvorený náhodný obvod dĺžky 20 z 53 qubitov
- Okruh začína s počiatočným stavom [0…0] pre vykonanie
- Výstupom obvodu je náhodný bitový reťazec (vzorka)
- Rozdelenie výsledku nie je náhodné (interferencia)
- Distribúcia získaných vzoriek sa porovná s očakávanou
- Uzatvára kvantovú nadradenosť
To znamená, že Google implementoval syntetický problém na 53-qubitovom procesore a svoje tvrdenie o dosiahnutí kvantovej prevahy zakladá na skutočnosti, že je nemožné emulovať takýto procesor na štandardných systémoch v rozumnom čase.
Pre pochopenie - Táto sekcia žiadnym spôsobom neznižuje úspech spoločnosti GoogleInžinieri sú naozaj skvelí a otázka, či to možno považovať za skutočnú kvantovú prevahu alebo nie, ako už bolo spomenuté, je skôr filozofická ako inžinierska. Musíme však pochopiť, že keď sme dosiahli takú výpočtovú prevahu, nepokročili sme ani o krok smerom k možnosti spustiť Shorov algoritmus na 2048-bitových číslach.
Zhrnutie
Kvantové počítače a kvantové výpočty sú veľmi perspektívnou, veľmi mladou a zatiaľ málo priemyselne využiteľnou oblasťou informačných technológií.
Rozvoj kvantových počítačov nám (jednoho dňa) umožní riešiť problémy:
- Modelovanie zložitých fyzikálnych systémov na kvantovej úrovni
- Na bežnom počítači z dôvodu výpočtovej náročnosti neriešiteľné
Hlavné problémy pri vytváraní a prevádzke kvantových počítačov:
- Dekoherencia
- Chyby (dekoherencia a brána)
- Architektúra procesora (plne zapojené qubitové obvody)
Aktuálny stav vecí:
- V skutočnosti - úplný začiatok .
- Zatiaľ neexistuje žiadne SKUTOČNÉ komerčné využitie (a nie je jasné, kedy bude)
Čo môže pomôcť:
- Nejaký druh fyzického objavu, ktorý znižuje náklady na kabeláž a prevádzku procesorov
- Objavenie niečoho, čo rádovo zvýši čas dekoherencie a/alebo zníži chyby
Podľa môjho názoru (čisto osobného názoru), V súčasnej vedeckej paradigme poznania výraznejšie úspechy vo vývoji kvantových technológií nedosiahneme, tu potrebujeme kvalitatívny prielom v nejakej oblasti základnej alebo aplikovanej vedy, ktorý dá impulz novým nápadom a metódam.
Medzitým získavame skúsenosti s kvantovým programovaním, zbieraním a vytváraním kvantových algoritmov, testovaním nápadov atď., atď. Čakáme na prelom.
Záver
V tomto článku sme si prešli hlavné míľniky vo vývoji kvantových výpočtov a kvantových počítačov, preskúmali sme princíp ich fungovania, preskúmali sme hlavné problémy, ktorým čelia inžinieri pri vývoji a prevádzke kvantových procesorov a pozreli sme sa aj na to, aký multi-qubit Počítače D v skutočnosti sú. Nedávne vyhlásenie spoločnosti Wave a Google o dosiahnutí kvantovej nadvlády.
V zákulisí zostali otázky programovania kvantových počítačov (jazyky, prístupy, metódy atď.) a otázky súvisiace s konkrétnou fyzickou implementáciou procesorov, ako sa qubity spravujú, prepájajú, čítajú atď. Možno to bude témou ďalšieho článku alebo článkov.
Ďakujem za pozornosť, dúfam, že tento článok bude pre niekoho užitočný.
(C)
Poďakovanie
za korektúry a komentáre k východiskovému textu, ako aj k článku
pre informačne bohaté komentáre k , a nielen jej, čo mi do veľkej miery pomohlo vyriešiť túto hádanku.
Všetkým autorom článkov a publikácií, ktorých materiály boli použité pri písaní tohto článku.
Zoznam zdrojov
Aktuálne články z [The National Academies Press]
Články od Habra (v náhodnom poradí)
Netriedené (ale nemenej zaujímavé) články z internetu
Kurzy a prednášky
Zdroj: hab.com