Kompjuterët kuantikë dhe llogaritë kuantike — një e re , e cila është shtuar në hapësirën tonë informacioni përkrah , dhe terminologjive të tjera me teknologji të avancuar. Megjithatë, nuk kam arritur të gjej asnjë material në internet që ta formojë në mendjen time puzzlen me titull “si funksionojnë kompjuterët kuantikë”. Po, ka shumë punime të shkëlqyera, përfshirë edhe në Habrë (shih ), komentet e të cilëve, si zakonisht, janë edhe më informuese dhe të dobishme, por imazhi në mendje, siç thuhet, nuk përputhej.
Së fundmi, kolegët erdhën dhe më pyetën “A e kupton si funksionon një kompjuter kuantik? Mund të na tregosh?” Dhe aty kuptova se problemi me formimin e një imazhi të plotë ka ndodhur jo vetëm me mua.
Si rezultat, u bë një përpjekje për të tërhequr informacionin për kompjuterët kuantikë në një skemë logjike të papërputhshme, e cila do të shpjegonte në nivelin bazë, pa një zhytje të thellë në matematikë dhe strukturën e botës kuantike, se çfarë është një kompjuter kuantik, cilat janë parimet mbi të cilat punon, si edhe cilat janë problemet me të cilat përballen shkencëtarët në krijimin dhe shfrytëzimin e tij.
Përmbajtja
Kërcënimi
Autori nuk është specialist në llogaritë kuantike, dhe audienca e synuar e artikullit — po të njëjtit IT-ista, jo specialistë kuantikë, të cilët gjithashtu duan të formojnë në mendje imazhin me titull “Si funksionojnë kompjuterët kuantikë”. Për këtë arsye, shumë koncepte në artikull janë qëllimisht të thjeshtuara për një kuptim më të mirë të teknologjive kuantike në nivelin “bazik”, por pa .
Në artikull, në disa vende përdoren materiale nga burime të tjera, . Kudo ku ka qenë e mundur, janë vendosur lidhje direkte dhe referenca në origjinën e tekstit, tabelave ose figurave. Nëse kam harruar diçka (ose dikë), shkruani — do e korrigjoj.
Hyrje
Në këtë kapitull do të shqyrtojmë shkurtimisht se nga filloi era kuantike, çfarë ishte shkaku që nxiti idenë e kompjuterit kuantik, cilat vende dhe korporata janë aktualisht lojtarët kryesorë në këtë fushë, si dhe do flasim shkurtimisht për drejtimet kryesore të zhvillimit të llogaritjeve kuantike.
Si filloi gjithçka
Pikënisja e erës kuantike konsiderohet viti 1900, kur M. Planck për herë të parë ka propozuar se energjia shpenzohet dhe përthithet jo vazhdueshëm, por me kvanta të veçanta (sasi). Ideja u kap dhe u zhvillua nga shumë shkencëtarë të shquar të kohës — Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, çka, përfundimisht, çoi në krijimin dhe zhvillimin e një shkence siç është . Për formimin e fizikës kuantike si shkencë ka shumë materiale të mira në internet, në këtë artikull ne nuk do të ndalojmë shumë në këtë, por ishte e nevojshme të përmendim datën kur hynë në një epokë të re kuantike.
Fizika kuantike ka sjellë shumë shpikje dhe teknologji në jetën tonë të zakonshme, pa të cilat tani është e vështirë të imagjinosh botën përreth. Për shembull, laseri, i cili tani përdoret në gjithçka, nga pajisjet shtëpiake (nivela lazer dhe të tjera) deri te sistemet me teknologji të lartë (lasera për korrigjimin e shikimit, përshëndetje ). Do të ishte logjike të supozojmë se herët a vonë dikush do të paraqiste idenë se pse të mos përdorim sistemet kuantike për llogaritje. Dhe në vitin 1980 kjo ndodhi.
Vikipedia tregon se ideja e llogaritjeve kuantike u shfaq për herë të parë në vitin 1980 nga shkencëtari ynë Yuri Manin. Por shqyrtimi i saj filloi realmente vetëm në vitin 1981, kur i njohuri R. Feynman në , vuri në dukje se nuk është e mundur të modelosh evolucionin e një sistemi kuantik në një kompjuter klasik në një mënyrë efikase. Ai propozoi një model elementar. , i cili do të jetë në gjendje të kryejë një modelim të tillë.
Në rrjet ka , në të cilën konsiderohet më akademikisht dhe në detaje, ne do të kalojmë shpejt:
Pikat kryesore në historinë e krijimit të kompjuterëve kuantik:
- [1994]. P.Shor. U zhvillua
- [1998]. U krijua
- [2001]. IBM prezantoi përmbushjen për ndarjen e numrit 15
- [2007-2016]. krijon dhe zhvillon kompjuterë me 128-2000 kubitë
- [2012]. Në Universitetin e Kalifornisë u realizua
- [2016]. Google në një kompjuter me 9 kubitë
- [2017]. (tri Atome)
- [2019]. . kompjuteri me 20 kubitë në cloud
- [2019]. . kompjuteri me 53 kubitë. ?
Siç e shihni, kanë kaluar 17 vjet (nga 1981 deri në 1998) nga ideja deri në realizimin e saj të parë në një kompjuter me 2 kubitë, dhe 21 vjet (nga 1998 deri në 2019) deri në momentin kur numri i kubitëve është rritur në 53. Kërkoi 11 vjet (nga 2001 deri në 2012) për të përmirësuar rezultatin e ekzekutimit të algoritmit të Shorit (ne do të ndalojmë në këtë më në detaje pak më vonë) nga numri 15 në 21. Po ashtu vetëm tre vjet më parë arritëm të realizojmë atë që tha Feynman dhe të mësojmë të simulonim njësi fizike më të thjeshta.
Zhvillimi i llogaritjeve kuantike po shkon ngadalë. Para shkencëtarëve dhe inxhinierëve qëndrojnë detyra shumë të komplikuara, gjendjet kuantike janë shumë të brishta dhe të përkohshme, dhe për të ruajtur ato për një kohë të mjaftueshme për të kryer llogaritje, duhet të ndërtohen sarcofagë që kushtojnë dhjetëra milionë dollarë, në të cilat mbahet temperatura pak mbi zero absolute, dhe që janë maksimalisht të mbrojtura nga ndikimet e jashtme. Më pas ne do të flasim për këto detyra dhe probleme më në detaje.
Lojtarët kryesorë
Slidet për këtë seksion janë marrë nga artikulli , nga studiuesi Alexei Fëdorov. Do të lejoj vetveten të jap citata të drejtpërdrejta:
Të gjitha vendet që kanë sukses teknologjik po angazhohen aktivisht në zhvillimin e teknologjive kuantike. Një shifër e madhe investohet në këto kërkime, janë krijuar programe të veçanta për mbështetje të teknologjive kuantike.
Në garën kuantikeparticipojnë jo vetëm shtetet, por edhe kompanitë private. Nga ana e përbashkët, Google, IBM, Intel dhe Microsoft kanë investuar rreth 0.5 miliard dollarë në zhvillimin e kompjuterëve kuantikë kohët e fundit, duke krijuar laboratore dhe qendra kërkimore të mëdha.
Në Habrë dhe në internet ka shumë artikuj, për shembull, , dhe , në të cilat gjendja aktuale e zhvillimit të teknologjive kuantike në vendet e ndryshme shqyrtohet më në detaje. Për ne tani është e rëndësishme që të gjitha vendet dhe lojtarët kryesorë të zhvilluar teknologjikisht po investojnë një sasi të madhe parash në kërkime në këtë drejtim, që jep shpresë për daljen nga ky bllokim teknologjik aktual.
Drejtimet e zhvillimit
Në këtë moment (mund të jem në gabim, më korigjoni) përpjekjet kryesore (dhe rezultatet më domethënëse) nga të gjithë lojtarët kryesorë janë përqendruar në dy drejtim:
- Kompjuterët kuantikë të specializuar, të cilët janë të destinuar për të zgjidhur një problem specifik, për shembull, problemin e optimizimit. Një shembuj i produktit janë kompjuterët kuantikë D-Wave.
- Kompjuterët kuantikë universalë — të cilët janë në gjendje të implementojnë algoritme kuantike të ndryshme (Shor, Grover, etj.). Zbatimet nga IBM, Google.
Drejtimet e tjera të zhvillimit që na jep fizikë kuantike, si:
- si një bazë për
- dhe shumë më tepër
sigurisht që janë në listën e drejtimëve për kërkime, por ndonjë rezultat më domethënës deri tani duket se nuk ka.
Për më tepër, mund të lexoni , gjithashtu kërkoni “”, për shembull, , dhe .
Bazat. Objekti kuantik dhe sistemet kuantike
E rëndësishme është që duhet të kuptohet nga ky seksion, është se
Kompjuter kuantik (ndryshe nga ai normal) si mbajtëse informacioni përdor objekte kuantike, dhe për të kryer llogaritje, objektet kuantike duhet të jenë të lidhura në sistemi kuantik.
Çfarë është një objekt kuantik?
Objekti kuantik — është një objekt i mikromjedisit (botës kuantike), i cili tregon karakteristika kuantike:
- Ka një gjendje të caktuar me dy nivele kufi
- Ndodhet në superpozitë të gjendjes së tij deri në momentin e matjes
- Është e ngatërruar me objekte të tjera për të krijuar sisteme kuantike
- Kryen teoremën e ndalimit të klonimit (nuk mund të kopjohet gjendja e objektit)
Të shqyrtojmë çdo pronë më në detaje:
Ka një gjendje të caktuar me dy nivele kufitare (gjendja përfundimtare)
Një shembull klasik nga bota reale — monedha. Ajo ka gjendjen 'anë', që pranon dy nivele kufitare — 'shkronjë' dhe 'kokë'.
Ndodhet në superpozitë të gjendjes së tij deri në momentin e matjes
E hedhim monedhën, ajo fluturon dhe rrotullohet. Ndërsa ajo rrotullohet, është e pamundur të thuhet se në cilin prej niveleve kufitare ndodhet gjendja e saj 'anë'. Por sapo e godasim dhe shohim rezultatin — siç ndodhet superpozita e gjendjeve menjëherë kthehet në një nga dy nivelet e saj kufitare — 'shkronjë' dhe 'kokë'. Goditja e monedhës në këtë rast është matja.
Është e ngatërruar me objekte të tjera për të krijuar sisteme kuantike
Me monedhat është e komplikuar, por le të provojmë. Imagjinoni se kemi hedhur tre monedha në mënyrë që ato rrotullohen duke u kapur njëra pas tjetrës, një lloj xhongluerje monedhash. Në çdo moment, jo vetëm që secila prej tyre ndodhet në superpozitë gjendjesh, por këto gjendje ndikojnë njëra-tjetrën (monedhat bien njëra mbi tjetrën).
Kryen teoremën e ndalimit të klonimit (nuk mund të kopjohet gjendja e objektit)
Ndërsa monedhat fluturojnë dhe rrotullohen, nuk mund të krijojmë asnjë mënyrë një kopje të veçantë të gjendjes rrotulluese të ndonjë prej monedhave. Sistemi jeton brenda vetes dhe është shumë xheloz për të nxjerrë ndonjë informacion jashtë.
Një dy fjalë më shumë për konceptin e vetë “superpozitës”, pothuajse në të gjitha artikujt superpozita shpjegohet si “të jetë në të gjitha gjendjet njëkohësisht”, çka, natyrisht, është e vërtetë, por ndonjëherë e sqaruar tepër. Superpozita e gjendjeve mund të imagjinohet gjithashtu si ajo që në çdo moment kohor një objekti kuantik ka probabilitete të caktuara për t'u ndalur në secilin prej niveleve të tij kufitare, dhe në shumën e këtyre probabiliteteve, natyrisht, janë baraz me 1. Më pas, kur të shqyrtojmë kubitin, do të ndalemi më në detaje në këtë.
Për monedhat, mund ta paraqesim vizualisht — në varësi të shpejtësisë fillestare, këndit të hedhjes, gjendjes së mjedisit në të cilin fluturon monedha, në çdo moment probabiliteti për të marrë 'shkronjë' ose 'kokë' është i ndryshëm. Dhe, siç u tha më parë, gjendja e një monedhe që fluturon mund të paraqitet si 'ndodhet në të gjitha gjendjet e saj kufitare njëkohësisht, por me probabilitete të ndryshme të realizimit'.
Çdo objekt, për të cilin realizohen vetitë e mësipërme dhe që mund ta krijojmë dhe ta menaxhojmë, mund të përdoret si një mbajtës informacioni në kompjuterin kuantor.
Pak më vonë do të flasim për gjendjen aktuale të realizimit fizik të kubiteve si objekte kuantore, dhe se çfarë po përdorin shkencëtarët për këtë qëllim.
Pra, pronësia e tretë thotë se objektet kuantore mund të ndërlidhen për të krijuar sisteme kuantore. Çfarë është pra një sistem kuantor?
Sistemi kuantor — është një sistem i objekteve kuantore të ndërlidhura, që ka këto veçori:
- Sistemi kuantor ndodhet në superpozitë të të gjitha gjendjeve të mundshme të objekteve, nga të cilat përbëhet
- Nuk mund të zbulohet gjendja e sistemit deri në kohën e matjes
- Në momentin e matjes, sistemi realizon njërën nga mundësitë e gjendjeve të tij limit
(dhe, duke u përshpejtuar pak)
Pasojat për programet kuantore:
- Një program kuantor ka një gjendje të caktuar të sistemit në hyrje, superpozitë brenda, superpozitë në dalje
- Në daljen e programit, pas matjes, kemi një realizim probabilistik të njërës nga gjendjet përfundimtare të mundshme të sistemit (plus gabime të mundshme)
- Çdo program kuantor ka një arkitekturë të formës së tymit (hyrja -> dalja. Nuk ka cikle, nuk mund të shikohet gjendja e sistemit në mes të procesit.)
Krahasimi i kompjuterit kuantik me të zakonshmit
Tani le të krahasojmë një kompjuter normal me një kuantor.
| Kompjuteri normal | Kompjuter kuantik | |
Logjika | 0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
Fizika | Transistorët gjysmëpërçues | Objekti kuantik |
Mbajtësi i inf. | Nivelet e tensionit | Polarizimi, spin,… |
Operacionet | NOT, AND, OR, XOR mbi bit-e | Portat: CNOT, Hadamard,… |
Ndërveprimi | Çipi gjysmëpërçues | Ndërlidhja me njëri-tjetrin |
Algoritmet | Standardet (shih Knut) | Specifikat (Shor, Grover) |
Parimi | Digjital, deterministik | Analog, probabilistik |
Niveli logjik
Në një kompjuter normal, ky është biti. Të njohur mirë për ne biti deterministik. Ai mund të marrë vlera ose 0 ose 1. Ai merr përsipër rolin e një njësie logjike për kompjuterin normal, por është plotësisht i papërshtatshëm për përshkrimin e gjendjes objektit kuantor, i cili, siç e kemi thënë, ndodhet natyrisht nësuperpozitë të gjendjeve të tij limit.
Për këtë është shpikur . Në gjendjet e tij limit ai realizon gjendje të ngjashme me 0 dhe 1 , dhe në superpozitë përfaqëson distribuimin probabilistik mbi gjendjet e tij kufitare |0> dhe |1>:
a|0> + b|1>, në mënyrë që a^2+b^2=1a dhe b përfaqësojnë , dhe katrorët e modulus së tyre — vetë probabilitetet për të marrë pikërisht ato vlera të gjendjeve kufitare |0> dhe |1>, nëse e mbyllim kubitin me matje tani.
Niveli fizik
Në nivelin aktual të zhvillimit teknologjik, realizimi fizik i bitit për një kompjuter normal është transistorin polsemikor, për atë kuantum, siç kemi thënë, çdo objekt kuantum. Në seksionin e ardhshëm do të flasim për atë që aktualisht përdoret si mbajtës fizik i kubiteve.
Mbetës i informacionit
Për një kompjuter normal, kjo është rrjedha elektrike — nivelet e tensionit, prania ose mungesa e rrjedhës, etj., për kuantumin — ajo e një gjendje kuantumi (direksioni i polarizimit, spin, etj.), e cila mund të jetë në gjendje superpozite.
Operacionet
Për realizimin e skemave logjike në një kompjuter normal, përdoren të njohurat , për operacionet mbi kubitët u desh të shpiknim një sistem krejtësisht të ndryshëm operacionesh, të quajtur . Ventilat janë një-kubit dhe dy-kubit, në varësi të numrit të kubitëve mbi të cilët kryhet transformimi.
Shembuj të ventileve kuantike:
Ka një koncept të grupit universale të ventileve, të cilat janë të mjaftueshme për të kryer çdo përllogaritje kuantike. Për shembull, grupi universale përfshin ventilin Hadamard, ventilin e zhvendosjes së fazës, ventilin CNOT dhe ventilin π/8. Me ndihmën e tyre, mund të kryhet çdo përllogaritje kuantike mbi një grup të caktuar kubitësh.
Në këtë artikull nuk do të ndalemi në detaje mbi sistemin e ventileve kuantike, më shumë për to dhe operacionet logjike mbi kubitët mund të lexoni, për shembull, . E rëndësishme është që duhet të mbani mend:
- Operacionet mbi objektet kuantike kërkojnë krijimin e operatorëve të rinj logjikë (ventilate kuantike)
- Ventilat kuantike janë një-kubit dhe dy-kubit
- Ekzistojnë skupet universale të ventileve, me ndihmën e të cilave mund të kryhet çdo përllogaritje kuantike
Ndërveprimi
Një transistor është krejtësisht i padobishëm për ne; për të kryer llogaritje, na nevojitet të lidhim shumë transistora bashkë, dmth të krijojmë një çip gjysmëpërçues nga miliona transistora, mbi të cilët do të ndërtojmë skemat logjike, dhe, në fund, të marrim procesorin modern në formën e tij klasike.
Një kubit gjithashtu është krejtësisht i padobishëm për ne (ndoshta vetëm në një plan akademik),
për të kryer llogaritje na nevojitet një sistem kubitësh (objektesh kuantike)
i cili, siç thamë, krijohet përmes ngatërrimit të kubitëve midis tyre, në mënyrë që ndryshimet në gjendjet përkatëse të ndodhin në mënyrë të përputhur.
Algoritmet
Algoritmet standarde që njerëzimi ka grumbulluar deri tani, nuk janë të përshtatshme për t'u realizuar në një kompjuter kuantik. Në fakt, nuk ka nevojë. Kompjuterët kuantikë, të bazuar në logjikën e portave mbi kubitë, kërkojnë krijimin e algoritmeve krejtësisht të tjera, algoritmeve kuantike. Nga algoritmet më të njohura kuantike, mund të veçojmë tre:
- (faktorizimi)
- (kërkimi i shpejtë në një bazë të dhënash të pa renditur)
- (përgjigja në pyetje, një funksion konstant apo i balancuar)
Parimi
Dhe dallimi më i rëndësishëm është parimi i punës. Në kompjuterin standard, ky është një parim digjital, i përcaktuar rreptësisht, i bazuar në faktin se nëse ne caktuam një gjendje fillestare të sistemit dhe e kaluam atë përmes një algoritmi të caktuar, rezultati i llogaritjeve do të jetë i njëjtë, sa herë të nisnim këtë llogaritje. Në fakt, një sjellje e tillë është pikërisht ajo që presim nga kompjuteri.
Kompjuteri kuantik punon sipas një parimi analogjik, probabilistik. Rezultati i punës së një algoritmi të caktuar në një gjendje fillestare të caktuar përbën një mostër nga shpërndarja probabilistike e realizimeve përfundimtare të algoritmit plus gabimet e mundshme.
Natyrshmëria probabilistike e llogaritjeve kuantike është e kushtëzuar nga vetë natyra probabilistike e botës kuantike. “Zoti nuk luan me monedha me universin”, - tha i moshuari Einstein, por të gjitha eksperimentet dhe vëzhgimet deri tani (në parimin shkencor aktual) e konfirmojnë të kundërtën.
Zbatimet fizike të kubiteve
Siç e thamë më parë, kubiti mund të përfaqësohet nga një objekt kuantik, domethënë një objekt fizik që realizon atributet kuantike të përmendura më lart. Në terma të thjeshtë, çdo objekt fizik që ka dy stanja dhe këto dy stanja ndodhen në një gjendje superpozite mund të përdoret për ndërtimin e një kompjuteri kuantik.
“Nëse dimë të vendosim një atom në dy nivele të ndryshme dhe t'i menaxhojmë ato, ja ku e keni kubitin. Nëse mund ta bëjmë këtë me një ion, — kubit është. Me rrymën është e njëjtë. Nëse e drejtojmë në sensin e parakohshëm dhe në sensin e kundërt njëkohësisht, ja ku e keni kubitin.”
Ka në , ku aktualisht konsiderohet më shumë në thellësi shumëllojshmëria fizike e realizimeve të kubitëve, ne do të rendisim vetëm ato më të njohurat dhe të zakonshmet:
- dhe shumë ide të tjera ekzotike (aniyonet dhe të tjera)
Nga e gjithë kjo shumëllojshmëri, metoda më e zhvilluar për marrjen e kubitëve është ajo e bazuar në . , , dhe lojtarët e tjerë kryesorë e përdorin pikërisht atë për ndërtimin e sistemet e tyre.
Dhe lexoni gjithashtu realizimet të kubitëve nga .
Bazat. Parimi i funksionimit të kompjuterit kuantik
Materialet për këtë seksion (detyra dhe figurat) janë marrë nga artikulli .
Tani, le të supozojmë se kemi detyrën e mëposhtme:
Ka një grup prej tre personash: (A)ndrei, (B)olodya dhe (C)ereja. Ka dy taksi (0 dhe 1).
Gjithashtu dihet se:
- (A)ndrei, (B)olodya — miq
- (A)ndrei, (C)ereja — armiq
- (B)olodya dhe (C)ereja — armiq
Detyra: Të vendosim njerëzit në taksi në mënyrë që Max(miqtë) dhe Min(armiqtë)
Vlerësimi: L = (numri i miqve) — (numri i armiqve) për çdo variant vendosjeje
IMPORTANTE: Supozoni se nuk ka heuristikë, nuk ka zgjidhje optimale. Në këtë rast, detyra zgjidhet vetëm përmes një kontrolli të plotë të varianteve.
Zgjidhja në një kompjuter normal
Si ta zgjidhim këtë detyrë në një kompjuter normal (super) apo në një klaster — është e qartë se duhet të kontrollojmë në cikël të gjitha variantet e mundshme. Nëse kemi një sistem me shumë procesorë, atëherë mund të ndajnë llogaritjet e zgjidhjeve në disa procesorë dhe pastaj të mbledhin rezultatet.
Ne kemi 2 mundësi vendosjeje (taksia 0 dhe taksia 1) dhe 3 njerëz. Hapsira e zgjidhjeve 2^3 = 8. Të kalosh 8 mundësi mund të bëhet edhe me kalkulator, kjo nuk është problem. Tani le ta vështirësojmë detyrën — kemi 20 njerëz dhe dy autobusa, hapsira e zgjidhjeve 2^20 = 1 048 576. Nuk ka asgjë të komplikuar. Të rrisim numrin e njerëzve me 2.5 herë — të marrim 50 njerëz dhe dy trena, hapsira e zgjidhjeve tani është 2^50 = 1.12 x 10^15. Një kompjuter i zakonshëm (super) tashmë ka probleme serioze. Të dyfishojmë numrin e njerëzve, 100 njerëz do t na japin 1.2 x 10^30 mundësi të mundshme.
E gjithë kjo, nuk mund të llogaritet brenda një kohe të arsyeshme.
Lidhim superkompjuterin
Kompjuteri më i fuqishëm në momentin e tanishëm — nr. 1 i , është , me performancë 122 . Le të supozojmë se për llogaritjen e një varianti na duhen 100 operacione, atëherë për të zgjidhur detyrën për 100 njerëz do na nevojiten:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 vite.
Siç e shohim, kur rritet dimensionaliteti i të dhënave fillestare, hapsira e zgjidhjeve rritet sipas një ligji eksponencial, në rastin e përgjithshëm për N bit, ne kemi 2^N mundësi të zgjidhjeve, që në N relativisht të vogla (100) na japin një hapsirë zgjidhjesh që nuk llogaritet (në nivelin aktual teknologjik).
A ka alternativa? Siç e ndieni, po, ka.
Por para se të kalojmë te se si dhe pse kompju-tarët kuantikë lejojnë të zgjidhen efektivisht të tilla detyra, le të kujtojmë pak se çfarë është shpërndarja e mundësive. Mos u frikësoni, ky artikull është një përmbledhje, nuk do ketë matematikë të ashpër, do t mjaftohemi me një shembull klasik me një çantë dhe topa.
Shumë pak kombinatorikë, teori e mundësive dhe një eksperimentues i çuditshëm
Merrni një çantë dhe vendosni brenda saj 1000 topa të bardhë dhe 1000 topa të zezë. Do të kemi një eksperiment — të heqim një top, të regjistrojmë ngjyrën, ta kthejmë topin në çantë dhe të përziejmë topat në çantë.
Kemi kryer eksperimentin 10 herë, hequr 10 topa të zezë.A është e mundur? Plotësisht. Na jep kjo mostrë një ide të arsyeshme për shpërndarjen e vërtetë në çantë? E qartë, që jo. Çfarë duhet të bëjmë — saktësisht, përsërisim eksperimentin një milion herë dhe llogarisim frekuencat e daljes së topave të zezë dhe të bardhë.Mund të marrim, për shembull, 49.95% të zezë dhe 50.05% të bardhë. 49.95% черных и 50.05% белых. Në këtë rast, struktura e shpërndarjes nga e cila ne po marrim mostrën (nxjerrim një top) është mëse e qartë.
E rëndësishme është të kuptojmë se eksperimenti ka karakter probabilistik., me një mostër (top) ne nuk do të zbulojmë strukturën e vërtetë të shpërndarjes, na nevojitet të përsërisim eksperimentin shumë herë dhe të mesojmë rezultatet.
Shtojmë në qesen tonë 10 topa të kuq dhe 10 topa të gjelbër (gabime). Do ta përsërisim eksperimentin 10 herë. Nënxorëm 5 të kuq dhe 5 të gjelbër.A është e mundur? Po. A mund të themi ndonjë gjë mbi shpërndarjen e vërtetë — Jo. Çfarë duhet bërë — e kuptuat.
Për të fituar një kuptim mbi strukturën e shpërndarjes probabilistike, duhet të marrim mostrat e njëpasnjëshme nga kjo shpërndarje dhe të mesojmë rezultatet.
Lidhim teorinë me praktikën.
Tani, në vend të topave të zi dhe të bardhë, le të marrim topat e bilardos dhe t'i vendosim në qese 1000 topa me numrin 2, 1000 me numrin 7 dhe 10 topa me numra të tjerë.Le ta imagjinojmë një eksperimentator, i trajnuar në veprime të thjeshta (nxjerr një top, regjistron numrin, e kthen topin në qese, përzien topat në qese) dhe ai e bën këtë për 150 mikrosekonda. Një eksperimentator i tillë është i shpejtë (jo reklamë për drogën!!!). Atëherë, për 150 sekonda, ai do të mund të realizojë eksperimentin tonë 1 milion herë dhe të na ofrojë rezultatet e mesatareve.
E vendosëm eksperimentatorin, i dhamë qesen, u kthyem mbrapsht, pritëm 150 sekonda — morëm:
numri 2 — 49.5%, numri 7 — 49.5%, numrat e tjerë në total — 1%.
Po, gjithçka është e saktë, qesja jonë — është një kompjuter kuantik me një algoritem që zgjidh problemin tonë,, dhe topat — janë mundësitë e zgjidhjes. Duke qenë se ka dy zgjidhje të sakta, kompjuteri kuantik do të na jep njëra nga këto zgjidhje me probabilitet të barabartë, dhe 0.5% (10/2000) gabime,, për të cilat do të flasim më vonë.
Për të marrë rezultatin e punës së kompjuterit kuantik, duhet të nisim shumë herë algoritemin kuantik mbi të njëjtin set të dhënash të hyrjes dhe të mesojmë rezultatin.
Shkallëzimi i kompjuterit kuantik
Tani, le të imagjinojmë se për një detyrë ku marrin pjesë 100 njerëz (hapësira e zgjidhjeve 2^100. Ne kemi parasysh këtë, ka vetëm dy zgjidhje të sakta. Tani, nëse marrim 100 kubitë dhe shkruajmë një algoritem që llogarit funksionin tonë qëllimor (L, shih më sipër) mbi këta kubitë, atëherë ne do të marrim një çantë, në të cilën do të ketë 1000 topa me numrin e përgjigjes së parë të saktë, 1000 me numrin e dytë të saktë dhe 10 topa me numra të tjerë. Dhe eksperimentatori ynë për të njëjtat 150 sekonda do të na japë një vlerësim të shpërndarjes probabilistike të përgjigjeve të sakta..
Koha e ekzekutimit të algoritmit kuantik (me disa supozime) mund të konsiderohet konstante O(1) në lidhje me dimensionin e hapësirës së zgjidhjeve (2^N).
Dhe kjo është saktësisht kjo pronësi e kompjuterit kuantik — konstanta e kohës së ekzekutimit në lidhje me rritjen me ligjin e fuqisë të kompleksitetit të hapësirës së zgjidhjeve dhe është çelësi.
Kubitë dhe botë paralele
Si ndodh kjo? Çfarë i lejon kompjuterit kuantik të kryejë llogaritjet kaq shpejt? E gjithë çështja është në natyrën kuantike të kubitit.
Shihni, ne folem se kubiti si një objekt kuantik realizon një nga dy gjendjet e tij kur e vëzhgojmë, por në “natyrën e gjallë” ndodhet në superpozitën e gjendjeve, dmth ndodhet në të dyjat e gjendjeve të tij kufitare në të njëjtën kohë (me disa probabilitet).
Le të marrim (A)ndrën dhe ta paraqesim gjendjen e tij (në cilin mjet transporti ndodhet — 0 ose 1) si kubit. Atëherë, në hapësirën kuantike, kanë lindurdy botë paralele , në njërën (A)ndreja është në taksi 0, në botën tjetër — në taksi 1. Në të njëjtën kohë në dy taksi, por me ndonjë probabilitet për ta gjetur atë në secilën prej tyre kur e vëzhgojmë.
Le të marrim (V)olodën dhe gjithashtu ta paraqesim gjendjen e tij si kubit. Lindin dy botë të tjera paralele. Poraktë, këto çifte botësh , në njërën dhe (V) nuk ndodhin në asnjë mënyrë. Çfarë duhet të bëjmë për të krijuar një sistem të lidhur? Siç është e saktë, duhet t'i lidhim (të ngatërojmë) kubitë. Merr dhe ngatëro (A) me (V) — marrim një sistem kuantik prej dy kubitësh (A, V), i cili realizon brenda vetes katër botë paralele . Shtojmë (S)ergjin dhe krijojmë një sistem prej tri kubitësh (A, B, C), i cili realizon tetë botë paralele. . Shtojmë Thelbi i llogaritjeve kuantike (realizimi i zinxhirit të dyerve kuantike mbi sistemin e kubitëve të lidhur) është fakti që llogaritja ndodh në të gjitha botët paralele në të njëjtën kohë.
Сутью квантовых вычислений (реализации цепочки квантовых вентилей над системой связанных кубитов) является тот факт, что вычисление происходит во всех параллельных мирах одновременно.
Dhe nuk ka rëndësi sa kemi prej tyre, 2^3 apo 2^100, algoritmi kuantum do të përfundojë brenda një kohe finie mbi të gjithë këto botë paralele dhe do të na japë një rezultat, që përbën një mostër nga shpërndarja probabiliste e përgjigjeve të algoritmit.
Për një kuptim më të mirë, mund të imagjinoni se kompjuteri kuantum në nivelin kuantum fillon 2^N procese paralele zgjidhjeje,, secili prej të cilëve punon mbi një mundësi të vetme, pastaj mbledh rezultatet e punës — dhe na jep përgjigjen në formën e superpozitës së zgjidhjes (shpërndarjes probabiliste të përgjigjeve), nga e cila çdo herë (në çdo eksperiment) ne marrim një mostër.
Kujtoni kohën që i duhet eksperimentatorit tonë (150 µs) për të kryer eksperimentin, kjo do të na nevojitet pak më vonë, kur do të flasim për problemet kryesore të kompjuterëve kuantum dhe për kohën e dekoherecës.
Algoritmet kuantike
Siç është thënë më parë, algoritmet e zakonshme të bazuara në logjikën binare nuk aplikohen në kompjuterin kuantum që përdor logjikën kuantum (portat kuantum). Për të, është dashur të shpikim të reja, që shfrytëzojnë plotësisht potencialin që është i endur në natyrën kuantume të llogaritjeve.
Algoritmet më të njohura deri më tani janë:
Kundrejt atyre klasike, kompjuterët kuantum nuk janë universale.
Ende janë gjetur vetëm një numër të vogël algoritmesh kuantum.
anonim kommentatorit për lidhjen në , një vend, ku, sipas autorit (), janë mbledhur dhe vazhdojnë të mblidhen përfaqësuesit më të mirë të botës kuantum-algoritmike.
Në këtë artikull ne nuk do të shqyrtojmë thellësisht algoritmet kuantum, në internet ka shumë materiale të mrekullueshme për çdo nivel vështirësie, por do të kalojmë shkurtimisht në tre nga më të njohurit.
Algoritmi i Shor.
Algoritmi më i njohur kuantum është (i shpikur në vitin 1994 nga matematikani anglez ), i cili është i fokusuar në zgjidhjen e problemit të zbërthimit të numrave në faktorët e thjeshtë (problemi i faktorizimit, logaritmi diskret).
Ky algoritëm është pikë referimi kur flitet për faktin se sistemet tuaja bankare dhe fjalëkalimet tuaj do të thyen së shpejti. Duke marrë parasysh se gjatësia e çelësave të përdorur sot është jo më pak se 2048 bit, koha për kapelen nuk ka ardhur ende.
Sot më shumë se modeste. Rezultatet më të mira të faktorizimit me algoritmin Shor — numrat dhe , që është shumë më pak se 2048 bit. Për rezultatet e tjera nga tabela është përdorur një tjetër llogaritjeje, por edhe rezultati më i mirë nga ky algoritëm (291311) është shumë larg përdorimit real.
Mund të lexoni më shumë për algoritmin Shor, për shembull,. Për realizimin praktik — .
Një nga e kompleksitetit dhe fuqisë së nevojshme për të faktorizuar një numër prej 2048 bit është një kompjuter me . Flasim qetësisht.
Algoritmi i Grover.
— për zgjidhjen e problemit të kërkimit, pra gjetjen e zgjidhjes së ekuacionit F(X) = 1, ku F është nga n i variablave. Propozuar nga matematikani amerikan në .
Algoritmi Grover mund të përdoret për të gjetur dhe të një serie numerike. Për më tepër, ai mund të përdoret për të zgjidhur nëpërmjet kërkimit të plotë mes një sërë zgjidhjesh të mundshme. Kjo mund të sjellë një rritje të konsiderueshme të shpejtësisë krahasuar me algoritmet klasike, megjithëse nuk ofron një "" në formë të përgjithshme.
Mund të lexoni më shumë, ose . Ka gjithashtu një shpjegim të mirë të algoritmit me shembuj kutish dhe topash, por, fatkeqësisht, për arsye që nuk varen nga askush, ky site nuk hapet për mua nga Rusia. Nëse ju po ashtu është bllokuar, ja një përmbledhje e shkurtër:
Algoritmi Grover. Paraqitni se keni N kutia të numëruara të mbyllura. Të gjitha janë bosh përveç një, ku ndodhet një top. Detyra juaj: të gjej numrin e kutisë në të cilën ndodhet topi (ky numër i panjohur shpesh shënohet me letrën w).
Si ta zgjidhni këtë problem? Mënyra më e thjeshtë është të hapni kutitë një nga një, dhe herë pas here do të ndiheni në kutinë me topin. Sa kutia mesatarisht duhet të kontrolloni derisa të zbuloni kutinë me topin? Mesatarisht, duhet hapur rreth gjysma e kutive N/2. E rëndësishme këtu është se, nëse ne e rrisim numrin e kutive me 100 herë, atëherë po ashtu do të rritet mesatarja e kutive që duhet të hapen deri sa të gjendet kutia me topin.
Tani do të bëjmë një sqarim të tjetër. Le të themi se ne nuk i hapim kutitë me dorë dhe nuk kontrollojmë prania e topit në secilën, por kemi një ndërmjetës, ta quajmë Oracle. Ne i themi Oracle: "kontrollo kutinë numër 732", dhe Oracle sinqerisht kontrollon dhe përgjigjet "në kutinë numër 732 nuk ka top". Tani, në vend të fjalëve për sa kutia na nevojitet mesatarisht të hapim, ne thoni "sa herë mesatarisht duhet të drejtohemi te Oracle për të gjetur numrin e kutisë me top".
Duket se, nëse e përkthejmë këtë detyrë me kutitë, topin dhe Oracle në gjuhën kuantike, rezultati i mahnitshëm është: për të gjetur numrin e kutisë me topin mes N kutive, na nevojitet të shqetësojmë Oracle-in vetëm të paktën SQRT(N) herë!
Kështu që, kompleksiteti i detyrës së kërkimit duke përdorur algoritmin e Grover-it zvogëlohet në rrënjën katrore.
Algoritmi i Deutsch-Jozhi
Algoritmi i Deutsch-Yozhi (i përmendur gjithashtu si algoritmi i Deutsch-Jozës) është [algoritmi kuantik](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный dhe në , dhe u bë një nga shembujt e parë të algoritmeve të destinuara për t'u zbatuar në . _
Detyra e Deutsch-Yozhit konsiston në përcaktimin nëse një funksion me disa variabla binarë F(x1, x2, … xn) është konstant (merr ose vlerën 0 ose 1 për çdo argument) apo i balancuar (për gjysmën e fushës së përkufizimit merr vlerën 0, për gjysmën tjetër 1). Në këtë rast, supozohet se është e njohur paraprakisht se funksioni ose është konstant, ose i balancuar.
Mund të lexoni gjithashtu . Një shpjegim më i thjeshtë:
Algoritmi i Deutsch (Deutsch-Yozhi) bazohet në kërkim, por lejon ta bëjmë atë më shpejt se zakonisht. Imagjinoni se mbi tavolinë është një monedhë dhe duhet të kuptoni nëse është e rreme apo jo. Për këtë, nevojiten dy herë për të parë monedhën dhe të përcaktojmë: "kokë" dhe "e mbushur" - e vërtetë, dy "kokë", dy "e mbushur" - e rreme. Pra, nëse përdorim algoritmin kuantik të Deutsch, atëherë kjo përcaktim mund të bëhet me një shikim – matje.
Problemet e kompjuterëve kuantikë
Në projektimin dhe operimin e kompjuterëve kuantikë, para shkencëtarëve dhe inxhinierëve shfaqen një sërë problemesh të mëdha, të cilat aktualisht zgjidhen me sukses të ndryshëm. Sipas () mund të identifikohen një sërë problematikash:
- Ndjeshmëria ndaj mjedisit dhe interaksionit me mjedisin
- Akumulimi i gabimeve në llogaritje
- Vështirësitë me inicializimin fillestar të gjendjeve të kubiteve
- Vështirësitë me krijimin e sistemeve me shumë kubite
E rekomandoj fort leximin e artikullit “”, veçanërisht komentet lidhur me të.
Le të organizojmë të gjitha problemet kryesore në tre grupe të mëdha dhe t'i shqyrtojmë më në detaj secilin prej tyre:
Dekohereca
.
Gjendja kuantike një gjë shumë delikate, kubitet në një gjendje të entwistuar janë jashtëzakonisht të paqëndrueshëm, çdo ndikim i jashtëm mund të shkatërrojë (dhe shkatërron) këtë lidhje. Ndryshimi i temperaturës me një pjesë të vogël të gradës, presioni, një foton i rastësishëm që kalon pranë — të gjitha këto destabilizojnë sistemin tonë.
Për të zgjidhur këtë problem, ndërtohen sarcofage me temperatura të ulëta, në të cilat temperatura (-273.14 gradë celsius) është paksa më e lartë se zero absolute, me maksimal izolim të dhomës së brendshme me procesorin nga të gjitha (ndikimet e mundshme) e mjedisit të jashtëm.
Koha maksimale e jetës së një sistemi kuantik me disa kubite të entwistuar, brenda së cilës ruan pronat e tij kuantike dhe mund të përdoret për të bërë llogaritje, quhet koha e dekoherecës.
Në këtë moment, koha e dekoherecës në zgjidhjet më të mira kuantike është rreth dhjetra dhe qindra mikrosekonda.
Ka një të shkëlqyer , në të cilin mund të shikoni të gjitha sistemeve kuantike të krijuara. Në këtë artikull për shembull, janë paraqitur vetëm dy procesorë kryesorë — nga IBM dhe nga . Siç e shohim, koha e dekoherecës (T2) nuk kalon 200 μs.
Nuk kam gjetur të dhëna të sakta për Sycamore, por në vetë jepen dy numra — 1 milion llogaritje për 200 sekonda, në një vend tjetër — për 130 sekonda pa humbje për sinjalet kontrolluese dhe të tjera. Në çdo rast, kjo na jep koha e dekoherecës rreth 150 μs.. Mbani mend eksperimentorin tonë me çantë Emri i Kompjuterit? Ну так вот он.
| N Kubite | Max i çiftuar | T2 (μs) | Çfarë rreziku paraqet dekohereca? |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~150-200 |
Problemi kryesor është se pas 150 μs sistemi ynë llogaritës nga N kubitet e entwistuar do të fillojë të japë si rezultat në vend të shpërndarjes probabiliste të zgjidhjeve të sakta — një zhurmë probabiliste të bardhë.
Pra, na duhen:
Të inicializojmë sistemin e kubiteve
- Инициализировать систему кубитов
- Kryeni një llogaritje (zinxhir operacione ventilash)
- Llogarit rezultatin
Dhe bëjeni këtë brenda 150 μs. Nëse nuk arrini, rezultati do të bëhet kungull.
Por kjo nuk është e gjitha...
Gabimet
Siç e kemi bërë të qartë më parë, proceset dhe llogaritjet kuantike kanë natyrë probabilistike, ne nuk mund të jemi 100% të sigurt për asgjë, vetëm me ndonjë probabilitet. Situata përkeqësohet gjithashtu nga fakti se llogaritjet kuantike janë të ndjeshme ndaj gabimeve. Llojet kryesore të gabimeve në llogaritjet kuantike janë:
- Gabimet e dekoherecës, të shkaktuara nga kompleksiteti i sistemit dhe ndërveprimi me mjedisin e jashtëm
- Gabimet llogaritëse të portave (të shkaktuara nga natyra kuantike e llogaritjeve)
- Gabimet në leximin e gjendjes përfundimtare (rezultatit)
Gabimet që lidhen me dekoherecën, ndodhin sapo të bllokojmë kubitet tanë dhe fillojmë të kryejmë llogaritjet. Sa më shumë kubite të komplikuara, aq më komplekse bëhet sistemi, dhe aq më lehtë e prishim. Sarcofaget me temperaturë të ulët, dhomat e mbrojtura, të gjitha këto truke teknologjike janë anjësh për të reduktuar numrin e gabimeve dhe për të zgjatur kohën e dekoherecës.
Gabimet llogaritëse të portave — çdo operacion (ventil) mbi kubitet mund të përfundojë me ndonjë probabilitet me gabim, dhe na nevojitet të kryejmë qindra porta për realizimin e algoritmit, kështu që imagjinoni se çfarë do të arrijmë në fund të kryerjes së algoritmit tonë. Varianti klasik i përgjigjes për pyetjen - "Cila është probabiliteti për të takuar një dinosaur në ashensor?" - 50 për 50, ose do ta takosh ose jo.
Problemi përkeqësohet edhe më tej nga fakti se metodat standarde për korrigjimin e gabimeve (dyfishimi i llogaritjeve dhe mesatarizimi) nuk funksionojnë në botën kuantike për shkak të teoremës së ndalimit të klonimit. Për në llogaritjet kuantike duhej të shpiknim . Thjesht, marrim N kubitë normalë dhe krijojmë nga ata 1 kubit logjik me një nivel më të ulët gabimesh.
Por këtu paraqitet një problem tjetër - numri total i kubiteve. Shikoni, le të themi se kemi një procesor me 100 kubite, nga të cilat 80 kubite janë të angazhuara në korrigjimin e gabimeve, atëherë na mbeten vetëm 20 për llogaritje.
Gabimet në leximin e rezultatit përfundimtar — siç e mbajmë mend, rezultati i llogaritjeve kuantike na paraqitet në formën e shpërndarjes probabilistike të përgjigjevePor shkrimin e gjendjes përfundimtare gjithashtu mund të ndodhi një gabim.
Në të njëjtën janë tabela krahasuese për procesorët sipas niveleve të gabimeve. Për krahasim, le të marrim të njëjtit procesorë si në shembullin e mëparshëm — IBM dhe :
| Kompjuter | Fideliteti i Portës 1-Qubit | 2-Fideliteti i Portës Qubit | Fideliteti i Leximit |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | — |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Këtu — është një masë e ngjashmërisë midis dy gjendjeve kuantike. Sasia e gabimit mund të paraqitet në mënyrë të përbliçtë si 1-Fidelitet. Siç e shohim, gabimet në portat me 2 kubitë dhe gabimet e leximit janë pengesa kryesore për realizimin e algoritmeve të ndërlikuara dhe të gjata në kompjuterët kuantikë ekzistues.
Mund të lexoni gjithashtu nga në zgjidhjen e problemit të korrigjimit të gabimeve.
Arkitektura e procesorit
Në teori ne ndërtuam dhe operojmë me skema të përbëra nga dhjetëra kubitë të ngatërruar, në realitet gjithçka është më e ndërlikuar. Të gjithë çipat kuantikë ekzistues (procesorët) janë ndërtuar në mënyrë që të ofrojnë një ngatërrim të një kubiti vetëm me fqinjët e tij, të cilët nuk janë më shumë se gjashtë.
Nëse kemi nevojë të ngatërrojmë kubitin 1, le të themi, me atë 12, atëherë do të detyrohemi të ndërtojmë një zinxhir operacioneve kuantike shtesë, të angazhojmë kubitë shtesë dhe gjëra të tjera, që rrit nivelin e përgjithshëm të gabimeve. Po ashtu, mos harroni për kohën e dekoherecës, ndoshta në atë moment, kur të përfundoni lidhjen e kubitëve në skemën që ju nevojitet, koha do të mbarojë dhe e gjithë skema do të shndërrohet në një gjenerator të bukur të zhurmës së bardhë.
Mos harroni gjithashtu, se arkitektura e të gjithë procesorëve kuantikë është e ndryshme, dhe programi i shkruar në emulatorin që funksionon në modin "lidhnim të gjithëve me të gjithë" do të duhet "të rikompilohet" në arkitekturën e çipit specifik. Ka madje për të kryer këtë operacion.
Lidhja maksimale dhe numri maksimal i kubitëve për çipat më të njohur:
| N Kubite | Max i çiftuar | T2 (μs) | Çfarë rreziku paraqet dekohereca? |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~150-200 |
Dhe, për krahasim, tabela me të dhëna të brezit të mëparshëm të procesorëve. Krahasoni numrin e kubitëve, kohën e dekoherecës dhe përqindjen e gabimeve me atë që kemi tani në brezin e ri. Megjithëse përparimi po ecën ngadalë, ai po ndodh.
Pra:
- Në këtë moment nuk ka skema arkitekturore me lidhje të plota mbi > 6 kubitë
- Për të ngatërrojnë kubitin 0 me, le të themi, atë 15 në një procesor të vërtetë mund të nevojiten disa dhjetëra operacione shtesë
- Më shumë operacione -> më shumë gabime -> ndikimi i dekoherecës rritet.
Përfundime
Dekoherecija — një standard i pabesueshëm i llogaritjeve moderne kuantike. Në 150 µs duhet të përfundojmë gjithçka:
- Inizializimin e gjendjes fillestare të kubiteve
- Zgjidhjen e problemit duke përdorur portat kuantike
- Të kryejmë korrigjimin e gabimeve për të marrë një rezultat të vlefshëm
- Të llogarisim rezultatin e marrë
Derisa rezultatet të jenë të pakënaqshme, megjithatë deklarojnë arritjen e 0.5 sekondave të kohës së mbajtjes së koherencës në një kompjuter kuantik të bazuar në :
Ne masim një kohë koherente të kubitëve në mbi 0.5 sekonda, dhe me mbrojtjen magnetike presim që kjo të përmirësohet për të qenë më e gjatë se 1000 sekonda
Për këtë teknologji ende mund të lexoni apo, për shembull, .
Situata e komplikuar përkeqësohet më tej nga fakti se, gjatë kryerjes së llogaritjeve komplekse, duhet të përdoren skemat kuantike të korrigjimit të gabimeve, që gjithashtu konsumon kohë dhe kubite në dispozicion.
Dhe, përfundimisht, arkitekturat moderne nuk lejojnë të realizohen skemat e ngatërrimit me shpenzime minimale më mirë se 1 me 4 ose 1 me 6.
Mënyrat e zgjidhjes së problemeve
Për të zgjidhur problemet e mësipërme, aktualisht po përdoren qasjet dhe metodat e mëposhtme:
- Përdorimi i kamerave kriogjenike me temperatura të ulëta (10 mK (-273,14 °C))
- Përdorimi i blloqeve procesorike të mbrojtura maksimalisht nga ndikimet e jashtme
- Përdorimi i sistemeve të korrigjimit të gabimeve kuantike (Kubiti logjik)
- Përdorimi i optimizuesve gjatë programimit të skemave për procesorin specifik
Gjithashtu, po kryhen kërkime që synojnë të rrisin kohën e dekoherecës, për të kërkuar realizime të reja (dhe për të përmirësuar ato të njohura) të objekteve kuantike, për optimizimin e skemave të korrigjimit etj. Progresi është i qartë (shihni më sipër karakteristikat e çipave më të hershëm dhe më të avancuar deri më sot), por deri tani po zhvillohet ngadalë, shumë, shumë ngadalë.
D-Wave
Kompjuteri 2000-kubit D-Wave 2000Q. Burimi:
Në sfond të njoftimit të Google mbi arritjen e superioritetit kuantik duke përdorur një procesor me 53 kubite, dhe nga kompania D-Wave, ku numri i kubiteve matet në mijëra, shkakton një konfuzion të caktuar. Në të vërtetë, nëse 53 kubite arritën superioritet kuantik, çfarë është në gjendje të realizojë një kompjuter me 2048 kubite? Por nuk është gjithçka kaq e mirë…
Nëse e ndihmoni shkurt (marrë nga viki):
Kompjuterët punojnë sipas parimit (), mund të zgjidhin një nëngrup shumë të kufizuar të problemeve të optimizimit dhe nuk janë të përshtatshëm për zbatimin e algoriteve tradicionale kuantike dhe derivateve kuantike.
Më shumë mund të lexoni, për shembull, , (kujdes, mund të mos hapet nga Rusia), ose nga në nga blogu i tij . Për më tepër, e rekomandoj me ngulsësi të lexoni blogun e tij, aty ka shumë materiale të mira.
Që në fillim të njoftimeve, ky komunitet shkencor kishte pyetje për kompjuterët D-Wave. Për shembull, në vitin 2014 IBM e vuri në dyshim faktin që D-Wave Aferat arritën në atë pikë sa në vitin 2015 Google së bashku me NASA bleu një nga këta kompjuterë kuantikë dhe pas studimeve , se po, kompjuteri funksionon dhe zgjidh problemin më shpejt se një i zakonshëm. Gjithashtu për deklaratën e Google mund të lexoni dhe, për shembull, .
E rëndësishme është se kompjuterët D-Wave, me qindar dhe mijëra kubite, nuk mund të përdoren për të llogaritur dhe ekzekutuar algoritet kuantike. Për shembull, nuk mund të ekzekutohet algoritmi i Shor. Gjithçka që ata mund të bëjnë është të zgjidhin një problem optimizimi duke përdorur mekanizma të caktuar kuantikë. Mund të thuhet se D-Wave është një ASIC kuantik për një problem të caktuar.
Për pak mbi emulimin e kompjuterëve kuantikë
Llogaritjet kuantike mund të emulohen në një kompjuter të zakonshëm. Në të vërtetë, :
- Stati i kubit mund të me një numër kompleks, që zë prej 2x32 deri në 2x64 bita (8-16 byte) në varësi të arkitekturës së procesorit.
- Stati i N kubite të lidhur mund të paraqitet si 2^N numra kompleksë, dmth 2^(3+N) për arkitekturën 32-bit dhe 2^(4+N) për atë 64-bit.
- Një operacion kuantik mbi N kubite mund të paraqitet si një matric 2^N x 2^N
Atëherë:
- Për të ruajtur staten e emuluar të 10 kubiteve nevojiten 8 KB.
- Për të ruajtur staten e 20 kubiteve nevojiten 8 MB.
- Për të ruajtur staten e 30 kubiteve nevojiten 8 GB.
- Për të ruajtur staten e 40 kubiteve nevojiten 8 Terabyte.
- Për të ruajtur staten e 50 kubiteve nevojiten 8 Petabyte dhe kështu me radhë.
Për krahasim, () mban vetëm 2.8 Petabyte memorje.
— 49 kubite të vendosur vitin e kaluar në superkompjuterin më të madh të Kinës ()
Kufiri i simulimit të një kompjuteri kuantik në sistemet klasike ndikohet nga sasia e memorjes operativë të nevojshme për të ruajtur staten e kubiteve.
Rekomandoj gjithashtu të lexoni më shumë. . Nga aty:
Për operacionet — për emulimin e saktë të skemës në 49 kubitë nga disa 39 "takta" (shtresa të pavarura të derivateve) 2^63 shumëfishime komplekse — 4 Petaflops superkompjuteri për shkak të 4 orëve
Emulimi i një kompjuteri kuantik me 50+ kubitë në sisteme klasike konsiderohet i pamundur brenda një kohe të arsyeshme. Pjesërisht për shkak të këtij fakti, Google përdori një procesor me 53 kubitë për eksperimentin e tij me superioritetin kuantik.
Kryesimi llogaritës kuantik.
Wikipedia na jep këtë përkufizim të superioritetit kuantik:
Superioriteti kuantik — aftësia dispositiveve kuantike për të zgjidhur probleme që kompjuterët klasikë praktikisht nuk mund t'i zgjidhin.
Në fakt, arritja e superioritetit kuantik do të thotë që, për shembull, faktorizimi i numrave të mëdhenj sipas algoritmit të Shor-it mund të zgjidhet brenda një kohe të arsyeshme, ose mund të emulohet në nivelin kuantik molekula të komplikuara kimike, e kështu me radhë. Pra, një epokë e re ka filluar.
Por në formulimin e përkufizimit ka një mbetje, “të cilat kompjuterët klasikë praktikisht nuk mund t'i zgjidhin”. Në fakt, kjo do të thotë se nëse krijohet një kompjuter kuantik me 50+ kubitë dhe aktivizohet një skemë kuantike mbi të, atëherë, siç e pamë më sipër, rezultati i punës së kësaj skeme nuk do të jetë e mundur të emulohet në një kompjuter të zakonshëm. Do të thotë një kompjuter klasik nuk do të jetë në gjendje të rikrijojë rezultatin e punës së tillë skeme.
Nëse një rezultat i tillë është superioritet real kuantik apo jo, pyetja është më shumë filozofike. Por duhet të kuptojmë se çfarë bëri Google dhe mbi çfarë bazohet duhet.
Deklarata e Google për arritjen e superioritetit kuantik
Procesori 54-kubitësh Sycamore
Kështu, në tetor 2019, zhvilluesit e Google publikuan në revistën shkencore Nature artikulli "". Autorët shpallën arritjen e superioritetit kuantik për herë të parë në histori me ndihmën e procesorit 54-kubitësh "Sycamore".
Në artikujt online, Sycamore shpesh përmendet si procesor 54 kubitësh ose 53 kubitësh. E vërteta është se sipas , procesori fizikisht përbëhet nga 54 kubitë, por një prej tyre nuk funksionon dhe është tërhequr nga funksioni. Pra, në realitet, kemi një procesor me 53 kubitë.
Në internet tashmë materialeve rreth kësaj teme, gradë e të cilave varionte nga në .
Më vonë, punonjësit e departamentit të llogaritjeve kuantike në IBM deklaruan se . Në kompani pretendojnë se një kompjuter i zakonshëm do të arrinte ta zgjidhte këtë detyrë në rastin më të keq brenda 2.5 ditëve, dhe për më tepër, përgjigjja e marrë do të ishte më e saktë se ajo e kompjuterit kuantik. Ky përfundim u bë pas një analize teorike të disa mënyrave të optimizimit.
Sigurisht, në nuk mundi ta injorojë këtë deklaratë. Analiza e tij Scott’s Supreme Quantum Supremacy FAQ! ka një përkthim Çfarë bëri në të vërtetë Google? Për të kuptuar detajet, lexoni Aaronsonin, por shkurtimisht ja:
Mund t'ju tregoj, natyrisht, por ndihem disi e çuditshme. Llogaritja është si më poshtë: eksperimentatori gjeneron një skemë kuantike të rastësishme S (dmth. një sekuencë të rastësishme 1-kubit dhe 2-kubit - midis fqinjëve të afërt - porteve, me thellësi për shembull 20, veprojnë në një rrjet 2D n=50-60 kubitë). Pas kësaj, eksperimentatori dërgon S në kompjuterin kuantik dhe i kërkon atij ta aplikojë S në gjendjen e fillimit nga 0, ta masë rezultatin në bazën {0,1}, ta dërgojë prapa një sekuencë vëzhgimi n-bit (string) dhe ta përsërisë disa mijëra ose miliona herë. Në fund, duke përdorur njohuritë e tij për S, eksperimentatori bën një kontroll statistik për të përputhur rezultatin me daljen e pritur nga kompjuterin kuantik.
Shumë shkurt:
Krijohet një skemë rastësore e gjatë 20 nga 53 kubitë duke përdorur porte
- Skema startohet me një gjendje fillestare [0…0] për ekzekutim
- Dalja e skemës përbën një string rastësor të bitëve (sampel)
- Distribucioni i rezultatit nuk është rastësor (interferenca)
- Distribucioni i sampelave të marra krahasohet me atë të pritur
- Распределение полученных семплов сравнивается с ожидаемым
- Konstatimi për superioritetin kuantik
Kjo do të thotë se Google realizoi një detyrë sintetike në një procesor me 53 kubite, dhe deklarata e saj për arritjen e superioritetit kuantik bazohet në faktin se një procesor i tillë nuk mund të emulohet në sisteme standarde brenda një kohe të arsyeshme.
Për të kuptuar — në këtë pjesë asnjëherë nuk zvogëlohet arritja e Google, inxhinierët vërtet janë të shkëlqyer, ndërsa pyetja nëse mund ta konsiderojmë këtë si një superioritet të vërtetë kuantik, siç u tha më parë, është më shumë filozofike sesa inxhinierike. Por duhet të kuptojmë se duke arritur një superioritet të tillë në llogaritje, ne nuk kemi bërë as një hap drejt mundësisë për të ekzekutuar algoritmin Shor për numra 2048-bit.
CV
Computatorët kuantikë dhe llogaritjet kuantike janë një fushë shumë premtuese, shumë e re dhe për momentin ende pak e aplikuar në mënyrë industriale.
Zhvillimi i llogaritjeve kuantike do të lejojë (ndonjëherë) zgjidhjen e problemeve:
- Modelimi i sistemeve fizike komplekse në nivelin kuantik
- Të pa zgjidhshme në një kompjuter të zakonshëm për shkak të kompleksitetit llogaritar
Problemet kryesore në krijimin dhe operimin e kompjuterëve kuantikë:
- Dekohereca
- Gabimet (dekoherece dhe porta)
- Arkitektura e procesorëve (grafikë plotësisht të lidhur të kubiteve)
Shteti aktual i punëve:
- Faktikisht — shumë fillestare .
- Nuk ka ende shfrytëzim të vërtetë tregtar (dhe nuk dihet se kur do të jetë)
Çfarë mund të ndihmojë:
- Një zbulim fizik që do të ulte kostot e lidhjes dhe operimit të procesorëve
- Zbulimi i diçkaje që do të rrisë ndjeshëm kohën e dekoherecës dhe/ose do të zvogëlojë numrin e gabimeve
Në opinionin tim (exkluzivisht një mendim personal), në paradigmat aktuale shkencore ne nuk do të arrijmë supeë të rëndësishme në zhvillimin e teknologjive kuantike, këtu nevojitet një përparim cilësor në ndonjë fushë të shkencës themelore ose aplikative, i cili do të japë një nxitje për ide dhe metoda të reja.
Ndërkohë — ne po grumbullojmë përvojë në programimin kuantik, po mbledhim dhe krijojmë algoritme kuantike, po testojmë ide dhe të tjera e të tjera. Po presim një përparim.
Përfundim
Në këtë artikull ne kaluam përmes pikave kryesore të zhvillimit të llogaritjeve kuantike dhe kompjuterëve kuantikë, shqyrtuam parimin e funksionimit të tyre, analizuam problemet kryesore përballë inxhinierëve gjatë zhvillimit dhe funksionimit të procesorëve kuantikë, si dhe shikuam se çfarë përfaqësojnë në të vërtetë kompjuterët me shumë kubitë D-Wave dhe deklaratën e fundit të Google mbi arritjen e përparësisë kuantike.
Më pas mbetën pyetje në lidhje me programimin e kompjuterëve kuantikë (gjuhët, qasjet, metodat etj.) dhe pyetje që lidhen me realizimin fizik specifik të procesorëve, si ndodh menaxhimi i kubitëve, lidhja, leximi etj. Ndoshta kjo do të jetë tema e artikullit ose artikujve të ardhshëm.
Faleminderit për vëmendjen, shpresoj që ky artikull do t’u jetë i dobishëm disa njerëzve.
(C)
Faleminderit
për leximin dhe komentet mbi tekstin origjinal, si dhe për artikullin
për komentet informuese që kontribuan në , e jo vetëm për të, që në shumë aspekte më ndihmuan të kuptoj këtë enigmë.
Të gjithë autorëve të artikujve dhe publikimeve, materialet e të cilëve janë përdorur për shk writingimin e këtij artikulli.
Listën e burimeve
Artikuj mbi situatën aktuale nga [The National Academies Press]
Artikuj nga Habr (në rend të rastësishëm)
Artikuj të paorganizuar (por jo më pak interesantë) nga hapësira e internetit
Kurs dhe leksione
Burimi: habr.com
