Kompjuterat kuantorë dhe llogaritjet kuantore — një term i ri , që iu shtua hapësirës sonë informative përkrah , dhe terminologjive të tjera me teknologji të lartë. Megjithatë, nuk arrita të gjej në internet një material që të përmbledhte për mua mozaikun e titulluar “si funksionojnë kompjuterat kuantorë”. Po, ka shumë punime të shkëlqyera, përfshirë edhe ato në Habrë (shih ), komentet e të cilave, ashtu si zakonisht, janë edhe më informuese dhe të dobishme, por imazhi në mendje, siç thuhet, nuk përputhej.
Së fundmi, kolegët e mi erdhën dhe më pyetën “A e kupton si funksionon një kompjuter kuantor? A mund të na tregosh?” Dhe këtu e kuptova se problemi i formimit të një imazhi të plotë nuk kishte vetëm unë.
Si rezultat, u bë një përpjekje për të kompiluar informacionin mbi kompjuterat kuantorë në një skemë logjike të qëndrueshme, ku në nivelin bazik, pa u thelluar shumë në matematikë dhe strukturën e botës kuantore, u shpjegua se çfarë është kompjuteri kuantik, në cilat principe funksionon, si dhe cilat probleme përballen shkencëtarët gjatë krijimit dhe përdorimit të tij.
Përmbajtja
Kufizimi
Autori nuk është një specialist në llogaritjet kuantike, dhe audienca e synuar e artikullit janë IT-istë të tillë, jo specialistë kuantikë, të cilët gjithashtu dëshirojnë të krijojnë një kuptim të qartë mbi “Si funksionojnë kompjuterët kuantikë”. Prandaj, shumë të konceptesh në artikull janë qëllimisht të thjeshtuara për një kuptim më të lehtë të teknologjive kuantike në një nivel “themelor”, 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 tekstin origjinal, tabelën ose figurën. Nëse ndokund kam harruar diçka (ose dikë), më shkruani — do ta rregULLOJ.
Hyrje
Në këtë kapitull ne do të shqyrtojmë shkurtimisht se nga filloi epoka kuantike, cila ishte shkaku i lindjes së ideve për kompjuterët kuantikë, kush (cilat vende dhe korporata) aktualisht janë lojtarët kryesorë në këtë fushë, si dhe do të flasim shkurtimisht për drejtimet kryesore të zhvillimit të llogaritjeve kuantike.
Si filloi gjithçka
Pika e fillimit të epokës kuantike merret si viti 1900, kur M. Planck paraqiti për herë të parë se energia shkarkohet dhe absorbohet jo vazhdimisht, por në kuante (sasi). Ideja u përqafua dhe zhvillua nga shumë shkencëtarë të shquar të asaj kohe — Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, që në fund çoi në krijimin dhe zhvillimin e një shkence si . Në rrjet ka shumë materiale të mira për zhvillimin e fizikës kuantike si shkencë, në këtë artikull nuk do të ndalemi në detaje për këtë, por ishte e nevojshme të theksohej data kur ne hyjmë në një epokë të re kuantike.
Fizika kuantike solli në jetën tonë të përditshme shumë shpikje dhe teknologji, pa të cilat është e vështirë të imagjinojmë botën përreth. Për shembull, laseri, i cili tani përdoret kudo, nga paisjet shtëpiake (nivela lazer dhe të tjera) deri te sistemet me teknologji të lartë (laserë për korrigjimin e shikimit, përshëndetje ). Ishte logjike të supozohej se herët a vonë dikush do të sugjeronte idenë pse të mos përdoren sistemet kuantike për llogaritje. Dhe ja, në vitin 1980 ndodhi kjo.
Wikipedia tregon se ideja e llogaritjeve kuantike u shpreh për herë të parë në vitin 1980 nga shkencëtari ynë Yuri Manin. Mirëpo, vërtet filluan të flisnin për të vetëm në 1981, kur i njohuri R. Feynman në , the noted that it is impossible to model the evolution of a quantum system on a classical computer effectively. He proposed a elementary model , which will be capable of conducting such modeling.
There is , në të cilën is examined more academically and in detail, we will briefly run through:
Key milestones in the history of quantum computers:
- [1994]. P. Shor. Developed
- [1998]. Created
- [2001]. IBM presented the execution for factoring the number 15
- [2007-2016]. creates and develops a computer with 128-2000 qubits
- [2012]. The University of California implemented
- [2016]. Google on a 9-qubit computer
- [2017]. (three atoms)
- [2019]. . A 20-qubit computer in the cloud
- [2019]. . A 53-qubit computer. ?
Si e shihni, kaluan 17 vjet (nga 1981 deri në 1998) nga idea 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 u rrit në 53. Duhej 11 vjet (nga 2001 deri në 2012) për të përmirësuar rezultatet e algoritmit të Shor-it (ne do të ndalemi më shumë mbi të pak më vonë) nga numri 15 në 21. Po ashtu, vetëm tre vjet më parë arritëm të realizonim atë për të cilën fliste Feynman-i, dhe të mësojmë si të modelojmë sistemet fizike më të thjeshta.
Zhvillimi i llogaritjeve kuantike po zhvillohet ngadalë. Shkencëtarët dhe inxhinierët përballen me detyra shumë të vështira, gjendjet kuantike janë shumë të brishta dhe delikate, dhe për të ruajtur ato për një kohë të mjaftueshme për të kryer llogaritjet, është e nevojshme të ndërtohen sarcofaga me dhjetëra miliona dollarë, ku mbahet një temperaturë pak mbi zeroin absolut, dhe që janë maksimalisht të mbrojtura nga ndikimet e jashtme. Më pas do të flasim më në detaje për këto detyra dhe probleme.
Liderët
Slidet për këtë seksion janë marrë nga artikulli , nga një kërkues shkencor Aleksandër Fjodorov. Do të lejoj vetes citata direkte:
Të gjitha vendet që kanë sukses në teknologji aktualisht po angazhohen aktivisht në zhvillimin e teknologjive kuantike. Në këto kërkime investohen sasi të mëdha parash, dhe krijohen programe të veçanta mbështetjeje për teknologjitë kuantike.
Në garën kuantike marrin pjesë jo vetëm shtetet, por edhe kompani private. Në total, Google, IBM, Intel dhe Microsoft kanë investuar rreth 0,5 miliard dollarë në zhvillimin e kompjuterëve kuantikë kohët e fundit, duke krijuar laboratorë të mëdhenj dhe qendra kërkimore.
Në Habr dhe në internet ka shumë artikuj, për shembull, , dhe , në të cilat aktualiteti i zhvillimeve në teknologjitë kuantike në vende të ndryshme shqyrtohet më në detaje. Për ne, tani më e rëndësishme është që të gjitha vendet kryesore që janë të zhvilluara teknologjikisht po investojnë sasi të mëdha në kërkime në këtë drejtim, që jep shpresa për daljen nga ngërçi aktual teknologjik.
Direksionet e zhvillimit
Në këtë moment (mund të gaboj, më rregulloni) përpjekjet kryesore (dhe rezultatet më të rëndësishme) të të gjithë lojtarëve kryesorë janë përqendruar në dy drejtime:
- Kompjuterët kuantikë të specializuar, të cilët janë të orientuar drejt zgjidhjes së një problemi specifik, siç është optimizimi. Një shembull i produktit janë kompjuterët kuantikë D-Wave.
- Kompjuterët kuantikë universale — të cilët janë të aftë të realizojnë algoritme të ndryshme kuantike (Shor, Grover, etj.). Implementime nga IBM, Google.
Direktive të tjera zhvillimi që na ofron fizika kuantike, si:
- si një bazë për
- dhe shumë më tepër
sigurisht që janë gjithashtu në listën e drejtimeve për hulumtim, por për momentin nuk ka rezultate më shumë se të rëndësishme.
Shtesë, mund të lexoni , dhe gjithashtu kërkoni në Google “”, për shembull, , dhe .
Baza. Objekti kuantik dhe sistemet kuantike
Gjëja më e rëndësishme që duhet të kuptohet nga ky seksion është se
Kompjuteri kuantik (ndryshe nga ai zakonshëm) përdor objekte kuantike, dhe për të realizuar llogaritjet, objektet kuantike duhet të jenë të lidhura në sistem kuantik.
Çfarë është një objekt kuantik?
Objekti kuantik — një objekt mikrokozmik (i botës kuantike) që shfaq vetitë kuantike:
- Ka një gjendje të caktuar me dy nivele kufitare
- Gjendet në superpozitë të gjendjes së tij deri në momentin e matjes
- Ndërthuret me objekte të tjera për të krijuar sisteme kuantike
- Përmbush teoremin e ndalimit të klonimit (nuk mund të kopjohet gjendja e objektit)
Le të shqyrtojmë secilën prej vetive më në detaje:
Ka një gjendje të caktuar me dy nivele kufitare (gjendje të përfunduar)
Një shembull klasik nga bota reale — një monedhë. Ajo ka një gjendje 'anë', e cila merr dy nivele kufitare — 'shqiponjë' dhe 'kryq'.
Gjendet 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 thuash në cilin nga nivelet kufitare ndodhet gjendja e saj 'anë'. Por sapo ta godasim dhe të shohim rezultatin — si superpozita e gjendjeve menjeherë shpërndahet në një nga dy kufijtë — 'shqiponjë' dhe 'kryq'. Goditja e monedhës në këtë rast është matja.
Ndërthuret me objekte të tjera për të krijuar sisteme kuantike
Me vështirësi me monedhën, por do ta provojmë. Imagjinoni se kemi hedhur tre monedha në ajër në mënyrë që ato të rrotullohen njëra mbi tjetrën, si një xhonglerie monedhash. Në çdo moment, jo vetëm që secila prej tyre ndodhet në superpozitë gjendjesh, por këto gjendje ndikojnë gjithashtu njëra nga tjetra (monedhat ndodhen në kontakt).
Përmbush teoremin e ndalimit të klonimit (nuk mund të kopjohet gjendja e objektit)
Ndërsa monedhat fluturojnë dhe rrotullohen, nuk kemi mënyrë të krijojmë një kopje të veçantë nga sistemi të gjendjes rrotulluese të ndonjë prej monedhave. Sistemi jeton vetvetiu dhe është shumë xheloz në lidhje me nxjerrjen e ndonjë informacioni në jashtë.
Një çift fjalësh për vetë konceptin “superpozitës”, praktikisht në të gjitha artikujt superpozita shpjegohet si “të jetë në të gjitha gjendjet njëkohësisht,” çka, sigurisht, është e saktë, por ndonjëherë e tepron duke e ngatërruar. Superpozita e gjendjeve mund të mendohet gjithashtu si ato që në çdo moment kohor një objekti kuantik ka probabilitete të caktuara për të kaluar në secilin prej niveleve të tij kufitare, dhe në përmbledhje këto probabilitete, natyrisht, janë të barabarta me 1. Më pas, gjatë shqyrtimit të kubit, ne do të fokusohemi më në detaje në këtë.
Për monedhat, kjo mund të paraqitet vizualisht - varësisht nga shpejtësia fillestare, këndi i hedhjes, dhe gjendja e mjedisit ku fluturon monedha, probabiliteti për të marrë “kokë” ose “bisht” ndryshon në çdo moment. Dhe, siç u përmend më parë, gjendja e një monedhe që fluturon mund të paraqitet si “ndodhet në të gjitha gjendjet e saj kufitare në të njëjtën kohë, por me probabilitete të ndryshme të realizimit të tyre”.
Çdo objekt që përmbush cilësitë e mësipërme dhe që ne mund ta krijojmë dhe menaxhojmë, mund të përdoret si një mbajtës informacioni në një kompjuter kuantik.
Pak më vonë do të flasim për gjendjen aktuale të realizimit fizik të kubiteve si objekte kuantike, dhe se çfarë përdorin tani shkencëtarët për këtë qëllim.
Kështu, pronarja e tretë thotë se objektet kuantike mund të lidhin për të krijuar sisteme kuantike. Çfarë është një sistem kuantik?
Sistemi kuantik — është një sistem i objekteve kuantike të lidhura, i cili ka cilësitë e mëposhtme:
- Sistemi kuantik ndodhet në superpozitën e të gjitha gjendjeve të mundshme të objekteve që përbëjnë atë.
- Nuk mund të zbulohet gjendja e sistemit deri në momentin e matjes
- Në momentin e matjes, sistemi realizon një nga variantet e mundshme të gjendjeve të tij kufitare
(dhe, duke shkuar pak më përpara)
Pasoja për programet kuantike:
- Një program kuantik 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 njërit nga stetat përfundimtare të sistemit (përveç gabimeve të mundshme)
- Cdo program kuantik ka një arkitekturë të përhumbjes (hyrje -> dalje. Nuk ka cikle, nuk mund të shikosh gjendjen e sistemit në mes të procesit.)
Krahasimi i kompjuterit kuantik dhe atij tradicional
Tani le të krahasojmë një kompjuter të zakonshëm me një kuantik.
| Kompjuter i zakonshëm | Kompjuteri kuantik | |
Logjika | 0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
Fizika | Transistori i gjysmëpërçuesve | Objekti kuantik |
Mediu informacioni | Nivelet e tensionit | Polarizimi, spin,… |
Operacione | NOT, AND, OR, XOR mbi bit-et | Portat: CNOT, Hadamard,… |
Ndërveprimi | Çipi gjysmëpërçues | Entanglimi mes tyre |
Algoritmet | Standarde (shih Knuth) | Të posaçme (Shor, Grover) |
Parimi | Digjital, të përcaktuar | Analog, probabilistik |
Niveli logjik
Në një kompjuter të zakonshëm, kjo është bit. Një koncept që na është njohur thellësisht bit deterministik. Mund të marrë vetëm vlerat 0 ose 1. Ai përmbush në mënyrë të shkëlqyer rolin njësisë logjike për një kompjuter të zakonshëm, por nuk është aspak i përshtatshëm për të përshkruar gjendjen objektit kuantik, siç e thamë, në natyrë ndodhet në njësuperpozitë të gjendjeve të saj kufitare.
Për këtë, u shpik . Në gjendjet e tij kufitare, ai realizon gjendje të ngjashme me 0 dhe 1 , ndërsa në superpozitë paraqet një shpërndarje probabiliteti 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 modulusit të tyre janë pikërisht probabilitetet për të marrë këto vlera të gjendjeve kufitare |0> dhe |1> , nëse kufizohet kubiti me matje tani.
Niveli fizik
Në nivelin e tanishëm të zhvillimit teknologjik, realiteti fizik i bitit për një kompjuter të zakonshëm është tranzistori polusor, për kuantin, siç e thamë, çdo objekt kuantik. Në seksionin e ardhshëm, do të flasim për atë që aktualisht përdoret si mbajtës fizikë të kubiteve.
Mjet i informacionit
Për një kompjuter të zakonshëm, kjo është rrjedha elektrike — nivelet e tensionit, prania ose mungesa e rrjedhës, etj., për kuantum — është ajo gjakftohja e objektit kuantik (drejtimi i polarizimit, spin, etj.), e cila mund të jetë në një gjendje superpozite.
Operacione
Për realizimin e diagrameve logjike në një kompjuter të zakonshëm përdoren operacionet logjike të njohura nga të gjithëve , për operacionet mbi kubitë, duhej shpikur një sistem krejtësisht i ri operacionesh, të quajtur . Ventilat janë të një kubiti dhe dy kubitësh, në përputhje me numrin e kubitëve mbi të cilët bëhet transformimi.
Shembuj të ventilave kuantike:
Ka konceptin e grupit universale të ventilave, i cili është i mjaftueshëm për të kryer çdo llogaritje kuantike. Për shembull, grupi universale përfshin ventilin Hadamard, ventilin e ndryshimit të fazës, ventilin CNOT dhe ventilin π⁄8. Me ndihmën e tyre mund të kryhet çdo llogaritje kuantike mbi një grup të rastësishëm kubitësh.
Në këtë artikull, nuk do të ndalemi thellësisht në sistemin e qarkut kuantik; mund të lexoni më shumë për ta dhe operacionet logjike mbi kubitët, për shembull, . E rëndësishme të mbani mend:
- Operacionet mbi objektet kuantike kërkojnë krijimin e operatorëve logjikë të rinj (qarku kuantik)
- Qarku kuantik mund të jetë me një kubit dhe me dy kubitë.
- Ekzistojnë grupe universale qarku, me anën e të cilave mund të realizohet çdo llogaritje kuantike.
Ndërveprimi
Një transistor është krejtësisht i padobishëm; për të kryer llogaritje, na nevojitet lidhja e shumë transistorëve së bashku për të krijuar një çip gjysmëpërçues me miliona transistorë mbi të cilin mund të ndërtojmë skema logjike, dhe, në fund, të kemi një procesor modern në formën e tij klasike.
Një kubit gjithashtu është krejtësisht i padobishëm (përveç në një plan akademik),
për të bërë llogaritje, na nevojitet një sistem kubitësh (objektesh kuantike)
i cili, siç e kemi thënë, krijohet përmes lidhjes së kubitëve në mënyrë që ndryshimet në gjendjet e tyre të ndodhin në mënyrë të sinkronizuar.
Algoritmet
Algoritmet standarde që është grumbulluar nga njerëzimi deri në këtë moment, nuk janë aspak të përshtatshme për t'u zbatuar në një kompjuter kuantik. Në fakt, nuk ka nevojë. Kompjuteri kuantik, i bazuar në logjikën e porteve mbi qubitët, kërkon krijimin e algoritmeve të tjera krejtësisht të ndryshme, algoritme kuantike. Nga algoritmet kuantike më të njohura, mund të përmendim tre:
- (faktorizimi)
- (kërkimi i shpejtë në një bazë të dhënash të pa renditur)
- (përgjigja në pyetje nëse funksioni është konstant ose i balancuar)
Parimi
Dhe ndryshimi më i rëndësishëm është parimi i funksionimit. Për kompjuterin standard, ky është një parim digjital, striktisht i determinuar, i bazuar në faktin se nëse ne kemi caktuar një gjendje fillestare të sistemit dhe e kalojmë atë përmes një algoritmi të caktuar, rezultati i llogaritjeve do të jetë i njëjtë, sa herë që ne të nisim këtë llogaritje. Në të vërtetë, një sjellje e tillë është pikërisht ajo që presim nga kompjuteri.
Kompjuteri kuantik punon në një parim analogjik, probabilistik. Rezultati i punës së një algoritmi të caktuar në një gjendje fillestare të caktuar përbën selektoni nga shpërndarja probabiliste realizimeve përfundimtare të algoritmit plus gabimet e mundshme.
Natyrshmëria probabiliste e llogaritjeve kuantike është e bazuar në vetë natyrën probabiliste të botës kuantike. “Zoti nuk luan me dadi me universin”, — thoshte plaku Einstein, por të gjitha eksperimentet dhe vëzhgimet deri tani (në paradigmen shkencore aktuale) e konfirmojnë të kundërtën.
Realizimet fizike të kubiteve
Siç e thamë tashmë, kubiti mund të paraqitet si një objekt kuantik, pra një objekt fizik që realizon pronat e përshkruara më lart kuantike. Kështu, në terma të thjeshtë, çdo objekt fizik që ka dy gjendje dhe këto dy gjendje janë në superpozitë mund të përdoret për ndërtimin e një kompjuteri kuantik.
“Nëse dimë si të vendosim atomin në dy nivele të ndryshme dhe t'i menaxhojmë ato, ja, ky është kubiti. Nëse arrijmë ta bëjmë këtë me një ion, — kubiti. Po ashtu me rrymën. Nëse e dërgojmë atë në drejtim të një ore dhe kundër saj njëkohësisht, ja, ky është kubiti.”
Ka për , në të cilin pasqyrohet më në detaje shumëllojshmëria aktuale e realizimeve fizike të kubitëve, ne thjesht do të rendisim më të njohurit dhe më të përdorurit:
- dhe shumë ide të tjera eksotike (anione dhe të tjera)
Nga e gjithë kjo shumëllojshmëri, metoda më e zhvilluar për prodhimin e kubitëve është ajo e bazuar në . , , dhe lojtarë të tjerë kryesorë e përdorin atë për ndërtimin e sistemeve të tyre.
Dhe lexoni gjithashtu realizimet të kubitëve nga .
Baza. Principe e funksionimit të kompjuterit kuantik
Materialet për këtë seksion (detyra dhe imazhe) janë marrë nga artikulli .
Pra, le të supozojmë se kemi këtë detyrë:
Ka një grup prej tre personash: (A)ndrei, (B)olodia dhe (C)ereja. Ka dy taksi (0 dhe 1).
Njëkohësisht është e njohur se:
- (A)ndrei, (B)olodia — miq
- (A)ndrei, (C)ereja — armiq
- (B)olodia dhe (C)ereja — armiq
Detyra: Të vendosim njerëzit në taksi në mënyrë që Max(miq) dhe Min(armi)
Vlerësimi: L = (numri i miqve) — (numri i armiqve) për çdo variant vendosjeje
E RËNDËSISHME: Supozojmë se nuk ka heuristika, zgjidhja optimale nuk ekziston. Në këtë rast, detyra zgjidhet vetëm nëpërmjet një prove të plotë të mundësive.
Zgjidhja në një kompjuter të zakonshëm
Si ta zgjidhim këtë detyrë në një kompjuter (super) të zakonshëm (ose në një klaster) — është e qartë se duhet të kalojmë nëpër cikël të gjitha mundësitë e mundshme. Nëse kemi një sistem me shumë procese, atëherë mund ta ndajmë llogaritjen e zgjidhjeve në disa procese dhe pastaj të mbledhim rezultatet.
Kemi 2 mundësi vendosjeje (taksia 0 dhe taksia 1) dhe 3 persona. Hapësira e zgjidhjeve 2^3 = 8. Të kalosh nëpër 8 mundësi është e mundur madje edhe me një kalkulator, kjo nuk është problem. Tani e komplikohemi pak detyrën — kemi 20 njerëz dhe dy autobusë, hapësira e zgjidhjeve 2^20 = 1 048 576. Po ashtu nuk është asgjë e komplikuar. Të rrisim numrin e njerëzve 2.5 herë — të marrim 50 njerëz dhe dy trena, hapësira e zgjidhjeve tani është 2^50 = 1.12 x 10^15. Në një kompjuter (super) të zakonshëm tashmë fillojnë problemet serioze. Të rrisim numrin e njerëzve 2 herë, 100 njerëz do të na japin tashmë 1.2 x 10^30 mundësi.
I gjithë, brenda një kohe të arsyeshme, kjo detyrë nuk mund të llogaritet.
Kthejmë në superkompjuter
Kompjuteri më i fuqishëm aktualisht është numri 1 në , kjo është , performancë 122 . Supozoni se që për llogaritjen e një varianti na mjaftojnë 100 operacione, atëherë për të zgjidhur problemin për 100 njerëz na nevojitet:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 vjet.
Siç shohim, në rritjen e dimensionit të të dhënave fillestare, hapësira e zgjidhjeve rritet sipas ligjit eksponencial, në rastin e përgjithshëm për N bite kemi 2^N variante të mundshme zgjidhjeje, të cilat për N relativisht të vogla (100) na japin një hapësirë zgjidhjesh të pamendueshme (në nivelin aktual të teknologjisë).
A ka alternativa? Siç e keni menduar, po, ka.
Por para se të kalojmë në atë si dhe pse kompjuterët kuantikë lejojnë të zgjidhen efikasitetet e tilla, le të kujtojmë pak se çfarë është distribucioni probabilistik. Mos u trembni, artikulli është një përmbledhje, nuk do të ketë matematikë të ashpër, do të shkojmë me shembullin klasik me çantën dhe topat.
Pak kombinatorikë, teori probabiliteti dhe një eksperimentues i çuditshëm
Le të marrim një çantë dhe të vendosim brenda saj 1000 topa të bardhë dhe 1000 topa të zi. Ne do ta eksperimenti — heqim topin, regjistrojm ngjyrën, e kthejm topin në çantë dhe e përziejmë topat në çantë.
E kryem eksperimentin 10 herë, nxorrëm 10 topa të zinj.. A është e mundur? Po. Na jep kjo mostër ndonjë ide të arsyeshme për shpërndarjen e vërtetë në çantë? E qartë që jo. Çfarë duhet bërë — saktë, përsëritni eksperimentin një milion herë dhe llogaritni frekuencat e topave të zinj dhe të bardhë. Do të marrim, për shembull, 49.95% topa të zinj dhe 50.05% topa të bardhë.. Në këtë rast, struktura e shpërndarjes nga e cila ne po marrim mostra (nxjerrim një top) është tashmë e qartë disa.
E rëndësishme është të kuptojmë se eksperimentin ka një natyrë probabiliste,me një mostër (top) nuk do të mësojmë strukturën e vërtetë të shpërndarjes, këtu na duhet të përsërisim eksperimentin shumë herë dhe të mesojmë rezultatet.
Shtojmë në çantën tonë 10 topa të kuq dhe 10 topa të gjelbër, (gabimet). Përsërisim eksperimentin 10 herë. Nënxorrëm 5 topa të kuq dhe 5 topa të gjelbër.. A është e mundur? Po. Mund të themi diçka për shpërndarjen e vërtetë — Jo. Çfarë duhet bërë — mirë, e kuptuat.
Për të kuptuar strukturën e shpërndarjes probabiliste, duhet të marrim disa mostra të rastit nga kjo shpërndarje dhe të mesojmë rezultatet.
Lidhim teorinë me praktikën
Tani, në vend të topave të zezë dhe të bardhë, le të marrim topat e bilardos dhe t'i vendosim në një çantë 1000 topa me numrin 2, 1000 me numrin 7 dhe 10 topa me numra të tjerë. Imagjinoni një eksperimentues të trajnuar për veprime të thjeshta (të nxjerrë një top, të regjistrojë numrin, ta kthejë topin në çantë, të trazojë topat në çantë) dhe ai e bën këtë në 150 mikrosekonda. Një eksperimentues i tillë është me shpejtësi (nuk është reklamë droge!!!). Atëherë, për 150 sekonda ai do të jetë në gjendje të kryejë eksperimentin tonë 1 milion herë dhe të na ofrojë rezultatet e mesataren.
E vendosëm eksperimentuesin, i dhuruam çantën, u shmangëm, prisnim 150 sekonda — morëm:
numri 2 — 49.5%, numri 7 — 49.5%, numrat e tjerë në total — 1%.
Po, gjithçka është e saktë, çantë tonë është një kompjuter kuantor me një algoritëm që zgjidh problemin tonë, ndërsa topat janë opsionet e mundshme të zgjidhjes. Duke qenë se zgjidhjet e sakta janë dy, atëherë komputeri kuantik do të na japë të gjitha këto zgjidhje me probabilitet të barabartë, dhe 0.5% (10/2000) gabimesh, për të cilat do të flasim më vonë.
Për të marrë rezultatin e punës së kompjuterit kuantik, duhet të ejecim shumë herë algoritmin kuantik mbi të njëjtën grumbull të dhënash dhe të mesatojmë rezultatin.
Shkallëzimi i kompjuterit kuantik
Tani le të imagjinojmë se për një problem që përfshin 100 njerëz (hapësira e zgjidhjeve 2^100 ne e mbajmë mend këtë), zgjidhjet e sakta gjithashtu janë vetëm dy. Atëherë, nëse marrim 100 kubitë dhe shkruajmë një algoritëm që llogarit funksionin tonë të synuar (L, shih më lart) mbi këta kubitë, 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 probabiliste të përgjigjeve të sakta.
Koha e ekzekutimit të algoritmit kuantik (me disa supozime) mund të konsiderohet konstante O(1) në raport me dimensionalitetin e hapësirës së zgjidhjeve (2^N).
Dhe pikërisht ky është karakteristika e kompjuterit kuantik — konstanca e kohëzgjatjes së ekzekutimit në lidhje me kompleksitetin e rritjes sipas një ligji eksponential të hapësirës së zgjidhjeve dhe është kyç.
Qubit dhe botët paralelee
Si ndodh kjo? Çfarë i lejon kompjuterit kuantik të bëjë llogaritje kaq shpejt? E gjithë çështja është në natyrën kuantike të qubit.
Shihni, ne thamë se qubit si një objekt kuantik realizon një nga dy gjendjet e tij kur vëzhgohet, por në natyrën e “gjallë” është në supozi të gjendjeve, dmth ndodhet në të dyja gjendjet e tij kufitare njëkohësisht (me një probabilitet të caktuar).
Të marrim (A)ndreun dhe ta paraqesim gjendjen e tij (në çfarë mjeti transporti është — 0 ose 1) si qubit. Atëherë na krijohen (në hapësirën kuantike) dy botë paralele, në njërën (A) rri në taksi 0, në botën tjetër — në taksi 1. Njëkohësisht në dy taksi, por me një probabilitet të caktuar për ta gjetur atë në secilën prej tyre kur vëzhgohet.
Të marrim (V)olodyn dhe gjithashtu ta paraqesim gjendjen e tij si qubit. Krijohen dy botë të tjera paralele. Por derisa këto çiftë botësh (A) dhe (V) nuk ndërveprojnë në asnjë mënyrë. Çfarë duhet të bëjmë për të krijuar një të lidhur sistemin? Po, duhet t'i lidhim këto kubite të lidhura (të ngatërruara). Marim dhe ngatërrojmë (A) me (B) — marrim një sistem kuantik me dy kubite (A, B), duke realizuar brenda vetes katër botë ndërvarëse . Shtojmë (S)ergiun dhe marrim një sistem me tre kubite (ABC), duke realizuar tetë botë ndërvarëse botë paralele.
Thelbi i llogaritjeve kuantike (realizimi i zinxhirit të derivateve kuantike mbi sistemin e kubiteve të lidhura) është fakti se llogaritja ndodh në të gjitha botët paralele njëkohësisht.
Dhe s'ka rëndësi sa prej tyre kemi, 2^3 ose 2^100, algoritmi kuantik do të ekzekutohet në një kohë të caktuar mbi të gjitha këto botë paralele dhe do të na japë një rezultat, që përbën një mostrë nga shpërndarja probabiliste e përgjigjeve të algoritmit.
Për një kuptim më të mirë, mund të imagjinoni se kompjuteri kuantik në nivelin kuantik nis 2^N procese paralele zgjidhjeje, secili prej të cilëve punon mbi një mundësi të vetme, pastaj mbledh rezultatet e punës — dhe na jep një përgjigje në formën e superpozitës së zgjidhjes (shpërndarjes probabilistike të përgjigjeve), nga e cila ne çdo herë (në çdo eksperiment) marrim një mostër.
Mbani mend kohën që i nevojitet eksperimentuesit tonë (150 µs) për të kryer eksperimentin, kjo do na ndihmojë më vonë, kur të flasim për problemet kryesore të kompjuterëve kuantikë dhe kohën e dekoherecës.
Algoritmet kuantike
Siç është përmendur më parë, algoritmet e zakonshme, të bazuara në logjikën binare, nuk janë të aplikueshme për kompjuterin kuantik që përdor logjikën kuantike (portat kuantike). Për të, është dashur të shpikën të reja, që të përdorin plotësisht potencialin e fshehur në natyrën kuantike të përpunimeve.
Algoritmet më të njohura deri më sot janë:
Ndryshe nga klasike, kompjuterët kuantikë nuk janë universale.
Derisa deri tani janë gjetur vetëm një numër të vogël algoritmesh kuantike.
Faleminderit për linkun në , vendi ku, sipas autorit (), janë mbledhur dhe vazhdojnë të mblidhen përfaqësuesit më të mirë të botës algoritmike kuantike.
Në këtë artikull ne nuk do të shqyrtojmë hollësisht algoritmet kuantike, pasi në internet ka shumë materiale të shkëlqyera për çdo nivel vështirësie, por është e nevojshme të kalojmë shkurtimisht mbi tre nga më të njohurit.
Algoritmi i Shor.
Algoritmi më i njohur kuantik është (i shpiku në vitin 1994 matematikani anglez ), i cili ka si objektiv zgjidhjen e problemit të faktorizimit të numrave në faktorë të thjeshtë (problemi i faktorizimit, logaritmi diskret).
Ky algoritëm përdoret si shembull kur flitet se sistemet tuaj bankare dhe fjalëkalimet do të thyhen së shpejti. Duke marrë parasysh se gjatësi e çelësave të përdorur sot është të paktën 2048 bit, koha për një 'kapelë' ende nuk ka ardhur.
Në ditët e sotme të gjitha janë më se skromë. Rezultatet më të mira të faktorizimit me algoritmin e Shor janë numrat dhe , që janë shumë më të vogla se 2048 bit. Për rezultatet e tjera në tabelë është përdorur një lloj tjetër llogaritjeje, por edhe rezultati më i mirë nga ky algoritëm (291311) është shumë larg përdorimit të vërtetë.
Mund të lexoni më shumë rreth algoritmit të Shor, për shembull,. Rreth zbatimit praktik — .
Një nga vështirësive dhe fuqisë së nevojshme për faktorimin e një numri prej 2048 bit, ky është një kompjuter me . Flijmë qetë.
Algoritmi i Grover
— zgjidhjen e problemit të kërkimit, pra gjetjen e zgjidhjes së ekuacionit F(X) = 1, ku F është nga n të variablave. U propozua nga matematikani amerikan në .
Algoritmi i Groverit mund të përdoret për gjetjen e dhe të një sere numerike. Për më tepër, ai mund të aplikohet për të zgjidhur nëpërmjet një kërkimi të plotë midis shumësisë së zgjidhjeve të mundshme. Kjo mund të sjellë një rritje të konsiderueshme të shpejtësisë krahasuar me algoritmet klasike, megjithëse nuk ofron njënë formën e përgjithshme.
Për më shumë, mund ta lexoni, ose . Gjithashtu ka një shpjegim të mirë të algoritmit duke përdorur shembuj me kuti dhe topa, por, fatkeqësisht, nga arsye që nuk varen nga askush, ky сайт nuk hapet për mua nga Rusia. Nëse ju është bllokuar gjithashtu, atëherë këtu është një përmbledhje e shkurtër:
Algoritmi i Groverit. Paraqitni se keni N kuti të mbyllura të numëruara. Të gjitha janë bosh përveç një, në të cilën ndodhet një top. Detyra juaj është: të identifikoni numrin e kutisë ku ndodhet topi (ky numër i panjohur shpesh shënohet me shkronjën w).
Si ta zgjidhni këtë problem? Mënyra më e thjeshtë është të hapni kutitë një nga një, dhe pas një kohe do të gjeni kutinë me top. Sa kutira mesatarisht duhet të kontrolloni përpara se të gjeni kutinë me top? Mesatarisht duhet të hapni rreth gjysmën e kutive N/2. Elementi kryesor këtu është se nëse rritim numrin e kutive 100 herë, mesatarisht do të rritet gjithashtu me 100 herë numri i kutive që duhet të hapen deri në gjetjen e kutisë me top.
Tani, do të bëjmë një sqarim tjetër. Le të themi se ne nuk i hapim kutitë me duar dhe nuk kontrollojmë praninë e topit në çdo kuti, por kemi një ndërmjetës, ta quajmë Oracle. I themi Oracle-it: "kontrollo kutinë numër 732", dhe Oracle-i kontrollon me ndershmëri dhe përgjigjet "në kutinë numër 732 nuk ka top". Tani, në vend të fjalëve për numrin mesatar të kutive që na nevojitet të hapim, ne po flasim "sa herë në mesatare duhet të kontaktojmë Oracle-in për të gjetur numrin e kutisë me topin".
Doli se nëse e përkthim këtë detyrë me kuti, top dhe Oracle në gjuhën kuantike, rezultati është i mrekullueshëm: për të gjetur numrin e kutisë me topin midis N kutive, na nevojitet të shqetësojmë Oracle-in vetëm afërsisht SQRT(N) herë!
Pra, kompleksiteti i problemit të kërkimit duke përdorur algoritmin e Grover-it zvogëlohet në rrënjën katrore.
Algoritmi i Deutsch-Joszhu
Algoritmi i Deutsch-Yozh është [algoritmi kuantik](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный dhe në , dhe është bërë një nga shembujt e parë të algoritmeve të destinuara për t'u ekzekutuar në . _
Detyra e Deutsch - Yozhi është të përcaktojë nëse funksioni i disa variablave binarë F(x1, x2, … xn) është konstant (merr ose vlerën 0 ose 1 me çdo argument) ose i balancuar (për gjysmën e domainit merr vlerën 0, për gjysmën tjetër 1). Këtu merret si e njohur a priori që funksioni ose është një konstantë, ose është i balancuar.
Mund të lexoni më shumë . Një shpjegim më i thjeshtë:
Algoritmi i Deutsch (Deutsch - Yozhi) bazohet në kërkimin, por lejon ta bëjë atë më shpejt se zakonisht. Imagjinoni se në një tavolinë ka një monedhë dhe duhet të zbulohet nëse është e fallsifikuar apo jo. Për të bërë këtë, duhet ta shikoni dy herë monedhën dhe të përcaktoni: "kokë" dhe "pjesë" - e vërtetë, dy "kokë", dy "pjesë" - e fallsifikuar. Pra, nëse përdoret algoritmi kuantum i Deutsch, kjo përcaktim mund të bëhet me një shikim - matje.
Problemet e kompjuterëve kuantikë
Shkencëtarët dhe ingjinierët ballafaqohen me shumë probleme gjatë projektimit dhe operimit të kompjuterëve kuantë, të cilat aktualisht po zgjidhen me sukses të ndryshueshëm. Sipas () mund të identifikohen këto probleme të radhitur si më poshtë:
- Ndjeshmëria ndaj mjedisit dhe ndërveprimi me të
- Akumulimi i gabimeve gjatë llogaritjeve
- Vështirësitë në inicializimin fillestar të gjendjeve të kubiteve
- Vështirësitë në krijimin e sistemeve me shumë kubite
E rekomandoj shumë leximin e artikullit “”, veçanërisht komentet për të.
Le të organizojmë të gjitha problemet kryesore në tre grupe të mëdha dhe t'i shqyrtojmë më tepër secilën prej tyre:
Dekohorenca
.
Gjendja kuantike është një gjë shumë delikate, kubitet në gjendje e ngatërruar janë jashtëzakonisht të paqëndrueshëm, çdo ndikim i jashtëm mund ta prishë (dhe e prish) këtë lidhje. Ndryshimi i temperaturës me një pjesë të vogël të gradës, presioni, një foton rastësor që kalon afër — të gjitha këto destabilizojnë sistemin tonë.
Për të zgjidhur këtë problem, ndërtohen sarkofagë me temperaturë të ulët, në të cilët temperatura (-273.14 gradë Celsius) është pak më e lartë se e para absolute, me izolim maksimal të dhomës së brendshme me procesorin nga të gjitha ndikimet (e mundshme) të mjedisit të jashtëm.
Koha maksimale e jetës së një sistemi kuantik me disa kubite të ngatërruar, gjatë së cilës ai ruan vetitë e tij kuantike dhe mund të përdoret për të kryer llogaritje, quhet koha e dekoherecës.
Aktualisht, koha e dekoherecës në zgjidhjet më të mira kuantike arrin rreth dhjetra dhe qindra mikrosekonda.
Ka një shembull të shkëlqyer , ku mund të shikoni të të gjitha sistemeve kuantike të krijuara. Në këtë artikull, për shembull, janë përmendur vetëm dy procesorët më të mirë - nga IBM dhe nga . Siç e shohim, koha e dekoherecës (T2) nuk e kalon 200 µs.
Nuk kam gjetur të dhëna të sakta për Sycamore, por në vetë jep dy numra - 1 milion llogaritje për 200 sekonda, në një vend tjetër - për 130 sekonda pa humbje në sinjalet kontrolluese dhe të tjera. Në çdo rast, kjo na jep kohën e dekoherecës rreth 150 µs.Mos e harroni eksperimenti tonë me çantën экспериментатора с мешком? Ну так вот он.
| Emri i Kompjuterit | N Qubits | Maksimumi i çift që | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~150-200 |
Çfarë rreziku na rrezikon dekohereca?
Problemi kryesor është se pas 150 mks, sistemi ynë kompjuterik me N kubite të ndërlidhura do të fillojë të japë si rezultat, në vend të një shpërndarjeje probabiliteti të zgjidhjeve korrekte — zhurmë të bardhë probabilistike.
Kështu që ne duhet:
- Të inicializojmë sistemin e kubiteve
- Të kryejmë llogaritjen (një zinxhir operacioneve logjike)
- Të lexojmë rezultatin
Dhe ta bëjmë gjithçka brenda 150 mks. Nëse nuk arrijmë — rezultati kthehet në një kungull.
Por kjo nuk është gjithçka...
Gabimet
Siç e kemi thënë tashmë, proceset dhe llogaritjet kuantike kanë natyrë probabilistike, ne nuk mund të jemi të sigurt 100% për asgjë, vetëm me një probabilitet të caktuar. Situata përkeqësohet më tej nga fakti se llogaritjet kuantike janë subjekt i gabimeve. Llojet kryesore të gabimeve gjatë llogaritjeve kuantike janë:
- Gabimet e dekohorencës, të shkaktuar nga kompleksiteti i sistemit dhe ndërveprimi me ambientin e jashtëm
- Gabimet e llogaritjes së portave (të shkaktuara nga natyra kuantike e llogaritjeve)
- Gabimet e leximit të gjendjes finale (rezultatit)
Gabimet e lidhura me dekoherencën, shfaqen sapo ne i lidhim kubitet tanë dhe fillojmë të kryejmë llogaritjet. Sa më shumë kubitë që ne i kemi ngatërruar, aq më e ndërlikuar bëhet sistemi, dhe aq më lehtë është ta shkatërrosh atë. Sarkofagët me temperaturë të ulët, dhomat e mbrojtura, të gjitha këto mashtrime teknologjike janë pikërisht të destinuara për të ulur numrin e gabimeve dhe për të zgjatur kohën e dekoherecës.
Gabimet në llogaritjet e porta — çdo operacion (portë) mbi kubitët mund të përfundojë me ndonjë probabilitet me gabim, dhe për të realizuar algoritmin tonë na nevojitet të kryejmë qindra porta, kështu që imagjinoni se çfarë do të marrim në fund të ekzekutimit të algoritmit tonë. Një variant klasik i përgjigjes në pyetjen — “Cila është probabiliteti për të takuar një dinosaur në ashensor?” — 50 në 50, ose do ta takosh ose jo.
Problemi bëhet edhe më serioz për shkak se metodat standarde të korrigjimit të gabimeve (dyfishimi i llogaritjeve dhe mesatarizimi) në botën kuantike nuk funksionojnë për shkak të teoremës së ndalimit të klonimit. Për në llogaritjet kuantike duhej të shpiknim . Thënë shkurt, ne marrim N kubitë të zakonshëm dhe krijojmë prej tyre 1 kubit logjik me një nivel më të ultë gabimesh.
Por këtu lind një problem tjetër — numri total i kubitëve. Le të themi se kemi një procesor me 100 kubitë, nga të cilët 80 kubitë janë të angazhuar në korrigjimin e gabimeve, atëherë për llogaritjet na mbeten vetëm 20.
Gabimet në leximin e rezultatit përfundimtar — siç e përmendëm, rezultati i llogaritjeve kuantike na paraqitet në formën e distribucioneve probabiliste të përgjigjeve. Por leximi i gjendjes përfundimtare gjithashtu mund të përfundojë me gabim.
Në të njëjtën janë tabela krahasuese të procesorëve sipas niveleve të gabimeve. Për të krahasuar, do të marrim të njëjtët procesorë si në shembullin e mëparshëm — IBM dhe :
| Computer | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Readout Fidelity |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | — |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Këtu — një masë e ngjashmërisë mes dy gjendjeve kuantike. Sasia e gabimit mund të përfaqësohet përafërsisht si 1-Fidelity. Siç e shohim, gabimet në portat me 2 kubitë dhe gabimet në lexim janë pengesa kryesore për ekzekutimin e algoritmeve komplekse dhe të gjata në kompjuterët kuantikë të tanishëm.
Mund të lexoni më shumë nga në zgjidhjen e problemit të korrigjimit të gabimeve.
Arkitektura e procesorëve
Në teori, ne ndërlidhim dhe operojmë me skema të dhjetëra kubitëve të endur, por në realitet, gjithçka është më e komplikuar. Të gjithë çipat kuantikë (procesorët) ekzistues janë ndërtuar në një mënyrë që garantojnë pa dhimbje shkërmoqja e një kubiti vetëm me fqinjët e tij, të cilët nuk janë më shumë se gjashtë.
Nëse na nevojitet të lidhim kubitin e parë, le të themi, me të dymbëdhjetin, atëherë do të duhet të ndërtosh një zinxhir operacionesh të tjera kuantike, të angazhojmë kubitë e tjerë dhe të tjera, gjë që rrit nivelin e përgjithshëm të gabimeve. Po ashtu, mos harroni për kohën e dekoherecës, ndoshta deri në atë kohë, kur të përfundoni lidhjen e kubitëve në skemën që kërkoni, kohe do të përfundojë dhe e gjithë skema do të shndërrohet në një gjenerator simpatik zhurmë të bardhë.
Mos harroni gjithashtu se arkitektura e të gjithë procesorëve kuantikë është e ndryshme, dhe programi i shkruar në emulator në modin “lidhshmëri e të gjithëve me të gjithë” do të duhet “të rikompilohet” në arkitekturën e çipit specifik. Ekzistojnë madje për të realizuar këtë operacion.
Lidhshmëria maksimale dhe numri maksimal i kubitëve për ato çipa të nivelit më të lartë:
| Emri i Kompjuterit | N Qubits | Maksimumi i çift që | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~150-200 |
Dhe, për krahasim, tabela me të dhënat e gjeneratës së kaluar të procesorëve. Krahasoni numrin e kubitëve, kohën e dekoherecës dhe përqindjen e gabimeve me atë që kemi tani në gjeneratën e re. Megjithatë, progresi ngadalë, por po ecën.
Pra:
- Aktualisht nuk ka skema arkitektonike të plota lidhëse me > 6 kubitë
- Për të ngatërruar kubitin 0 me, për shembull, kubitin 15 mund të kërkohet disa dhjetëra operacione shtesë
- Më shumë operacione -> më shumë gabime -> ndikimi më i fortë i dekoherecës
Përfundimet
Dekohereca — shtrati i Prakustit i llogaritjeve moderne kuantike. Në 150 μs ne duhet të përfundojmë gjithçka:
- Inicializimin e gjendjes fillestare të kubitëve
- Llogaritjen e detyrës duke përdorur porta kuantike
- Të kryejmë korrigjimin e gabimeve për të marrë një rezultat të rëndësishëm
- Të numërojmë rezultatin e arritur
Për momentin rezultatet janë të pakënaqshme, megjithatë ata shpallin arritjen e 0.5 s kohë mbajtjeje të koherencës në një kompjuter kuantik të bazuar në :
Ne masim një kohë koherencë kubiti përtej 0.5 s, dhe me mbrojtje magnetike presim që kjo të përmirësohet për të qenë më e gjatë se 1000 s
Për këtë teknologji mund të lexoni më shumë ose, për shembull, .
Situata komplikohet edhe më shumë sepse gjatë kryerjes së llogaritjeve të ndërlikuara është e nevojshme të përdoren skema kuantike të korrigjimit të gabimeve, të cilat gjithashtu konsumojnë kohë dhe kubitët e disponueshëm.
Dhe, në fund, arkitekturat moderne nuk lejojnë të realizohet me kosto minimale skemat e përzierjes më mirë se 1 në 4 ose 1 në 6.
Rrugët e zgjidhjes së problemeve
Për të zgjidhur problemet e përmendura më sipër, aktualisht përdoren qasje dhe metoda të mëposhtme:
- Përdorimi i krio-kamerave me temperatura të ulëta (10 mK (–273,14°C))
- Përdorimi i njësive procesoriale 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 e caktuar
Po ashtu, po zhvillohen kërkime për të rritur kohën e dekoherecës, për të gjetur realizime të reja (dhe për të përmirësuar ato të njohura) të objekteve kuantike, për të optimizuar skemat e korrigjimit dhe të tjera e të tjera. Progresi ekziston (shihni më lart karakteristikat e çipave më herët dhe më të avancuar sot), por deri tani po ecën ngadalë, shumë shumë ngadalë.
D-Wave
Kompyteri 2000-kubit D-Wave 2000Q. Burimi:
Në sfondin e shpalljes së Google për arritjen e superioritetit kuantik duke përdorur një procesor me 53 kubitë, dhe nga nga D-Wave, ku numri i kubiteve matet me mijëra, duket pak konfuz. Me të vërtetë, nëse 53 kubite arritën superioritetin kuantik, çfarë është në gjendje të bëjë një kompjuter me 2048 kubite? Por, gjërat nuk janë aq të mira...
Nëse e shkurtë (e marrë nga wiki):
Kompjuterët punojnë mbi parimin (), mund të zgjidhin një nënklas të kufizuar të problemeve të optimizimit, dhe nuk janë të përshtatshme për zbatimin e algoritmeve tradicionale kuantike dhe portave kuantike.
Më hollësisht mund të lexoni, për shembull, , (kujdes, mund të mos hapet nga Rusia), ose te në nga blogu i tij . Pastrimi do të rekomandoja të lexoni blogun e tij, ka shumë materiale të mira
Prej fillimit të shpalljeve, kishte pyetje në komunitetin shkencor në lidhje me kompjuterët D-Wave. Për shembull, në vitin 2014 IBM vuri në dyshim faktin që D-Wave Çështja arriti në pikën sa që në vitin 2015 Google së bashku me NASA bleu një nga këta kompjuterë kuantikë dhe pas hulumtimeve , në fakt kompjuteri punon dhe zgjidh një problem më shpejt se një kompjuter normal. Për më shumë rreth deklaratës së Google, mund të lexoni dhe, për shembull, .
E rëndësishme është se kompjuterët D-Wave, me qindra dhe mijëra kubitë, nuk mund të përdoren për llogaritje dhe ekzekutim të algoritmeve kuantike. Për shembull, nuk mund të ekzekutohet algoritmi i Shor-it në to. Ato mund të zgjidhin probleme optimizimi duke përdorur mekanizma të caktuar kuantikë. Mund të thuhet se D-Wave është një ASIC kuantik për një detyrë specifike.
Një pak mbi emulimin e kompjuterëve kuantikë
Llogaritjet kuantike mund të emulohen në një kompjuter të zakonshëm. Në të vërtetë, :
- Gjendja e kubitit mund të si numër kompleks, i cili zë nga 2^32 deri në 2^64 bit (8-16 byte) në varësi të arkitekturës së procesorit.
- Gjendja e N kubitëve të lidhur mund të përfaqësohet 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 kubitë mund të përfaqësohet me një matricë 2^N x 2^N.
Atëherë:
- Për të ruajtur gjendjet e emuluara të 10 kubitëve nevojiten 8 KB.
- Për të ruajtur gjendjet e 20 kubitëve nevojiten 8 MB.
- Për të ruajtur gjendjet e 30 kubitëve nevojiten 8 GB.
- Për të ruajtur gjendjet e 40 kubitëve nevojiten 8 Terabyte.
- Për të ruajtur gjendjet e 50 kubitëve nevojiten 8 Petabyte etj.
Për krahasim, () mban vetëm 2.8 Petabyte memorie.
— 49 kubitë të vendosur vitin e kaluar në superkompjuterin më të madh shanganez ()
Kufiri i simulimit të kompjuterëve kuantikë në sistemet klasike është i kushtëzuar nga sasia e memorjes RAM të nevojshme për të ruajtur gjendjen e kubitëve.
Të rekomandoj të lexosh gjithashtu . Nga aty:
Për operacionet — për një emulim të saktë të skemës mbi 49 kubitë nga ndonjë 39 "taktes" (shtresa të pavarura të ventileve) 2^63 shumëzime komplekse — 4 Pflops të superkompjuterit për një periudhë prej 4 orësh
Emulimi i një kompjuteri kuantik me mbi 50 kubitë në sistemet klasike konsiderohet i pamundur brenda një kohe të arsyeshme. Po ashtu për këtë fakt, Google përdori një procesor me 53 kubitë për eksperimentin e saj me superioritetin kuantik.
Superioriteti i llogaritjeve kuantike.
Wikipedia na jep këtë përkufizim për superioritetin kuantik:
Superioriteti kuantik — aftësia për të zgjidhur probleme që kompjuterët klasikë praktikisht nuk mund t'i zgjidhin.
Në thelb, arritja e superioritetit kuantor do të thotë se, për shembull, faktorizimi i numrave të mëdhenj përmes algoritmit të Shor-it mund të zgjidhet brenda një kohë të arsyeshme, ose mund të emulohet në një nivel kuantor molekula komplekse kimike, e kështu me radhë. Pra, ka nisur një epokë e re.
Por në formulimin e definicionit ka një shkëputje të caktuar, “të cilat kompjuterët klasikë praktiškai nuk mund t'i zgjidhin”. Në fakt, kjo do të thotë se nëse krijohet një kompjuter kuantor me 50+ kubitë dhe operohet me një skemë kuantore, siç e kemi diskutuar më lart, rezultati i kësaj skeme nuk do të mund të emulohet nga një kompjuter të zakonshëm. Pra, një kompjuter klasik do të ishte i paaftë të riprodhojë rezultatin e punës së një skeme të tillë..
A është ky rezultat një superioritet i vërtetë kuantor apo jo, është një pyetje më shumë filozofike. Por është e rëndësishme të kuptohet se çfarë bëri Google dhe mbi çfarë bazohet duhet.
Deklarata e Google për arritjen e superioritetit kuantor
procesori 54-kubitë Sycamore
Pra ndaj, në tetor 2019, zhvilluesit e Google publikuan në revistën shkencore Nature artikullin "". Autorët shpallën arritjen për herë të parë në histori të kryesimit kuantik me ndihmën e një procesori 54-kubit "Sycamore".
Në rrjet në artikujt për Sycamore shpesh përmenden si 54-kubit, ashtu edhe 53-kubit. E vërteta është se, sipas , procesori fizikisht përbëhet nga 54 kubitë, por njëri prej tyre është jo-funksional dhe është tërhequr nga puna. Kështu, në realitet, ne kemi një procesor 53-kubit.
Menjëherë në rrjet materiale mbi këtë temë, ku intensiteti ndryshonte nga deri në .
Më vonë, punonjësit e departamentit të kompjuterëve kuantikë në IBM deklaruan se . Kompania përcaktoi se një kompjuter i zakonshëm do të kryente këtë detyrë në rastin më të keq brenda 2.5 ditësh, dhe përgjigjja e marra do të ishte më e saktë se ajo e kompjuterit kuantik. Ky përfundim u arrit pas një analize teorike të disa mënyrave për optimizim.
Natyrisht, në nuk mund të kaloj pa vënë re këtë deklaratë. Ai së bashku me të gjitha lidhjet dhe normalisht ia vlen të harxhosh kohë mbi to. Në Habrë i këtij FAQ, dhe sigurohuni të lexoni komentet, aty do të gjeni lidhje për dokumentet paraprake që kanë dalë në internet para shpalljes zyrtare.
Çfarë bëri në të vërtetë Google? Për një kuptim më të thellë, lexoni Aaronsonin, ndërsa shkurtimisht ja:
Mund ta them se, por ndjehem pak budallaç. Llogaritja është e tillë: eksperimenti gjeneron një skemë të rastësishme kuantike S (pra, një sekuencë rastësore e portave 1-kuubit dhe 2-kuubit – midis fqinjëve të afërt – me thellësi, për shembull, 20, e cila vepron në një rrjet 2D prej n=50-60 kuabit). Pas kësaj, eksperimenti dërgon S në një kompjuter kuantik dhe kërkon që ai ta aplikohet S në gjendjen fillestare prej 0, të matë rezultatin në bazën {0,1}, të dërgojë përsëri një sekuencë vëzhgimi n-bitore (string) dhe ta përsërisë disa mijëra ose miliona herë. Më në fund, duke përdorur njohuritë e tij mbi S, eksperimenti kryen një kontroll statistik mbi përputhshmërinë e rezultatit me daljen e pritur nga kompjuteri kuantik.
Shkurtimisht:
- Krijohet një skemë e rastësishme e gjatë 20 nga 53 kuabit duke përdorur porta
- Skema niset me një gjendje fillestare [0…0] për ekzekutim
- Dalja e skemës përbën një varg bitash të rastësishëm (sample)
- Shpërndarja e rezultatit nuk është e rastësishme (interferencë)
- Shpërndarja e mostrave të marra krahasohet me atë të pritur
- Kjo tregon përmbushjen e superioritetit kuantik
D.m.th. Google realizoi një problem sintetik në një procesor me 53 kubitë dhe afirmimin e tij për arritjen e superioritetit kuantik e bazohet në faktin se nuk është e mundur që të emulohet një procesor i tillë në sistemet standarde për një kohë të arsyeshme.
Për të kuptuar - në këtë seksion aspak nuk minimizohet arritja e Google, inxhinierët vërtet kanë punuar mirë, dhe pyetja nëse mund të quhet ky superioritet i vërtetë kuantik apo jo, siç është thënë më parë, është më shumë filozofike sesa inxhinierike. Por duhet kuptuar se duke arritur një superioritet të tillë në llogaritje nuk kemi bërë asnjë hap drejt mundësisë për të ekzekutuar algorithmin e Shor-it mbi numra 2048-bit.
Curriculum Vitae
Kompjuterat kuantikë dhe llogaritjet kuantike janë një fushë shumë premtuese, shumë e re dhe për momentin pak e aplikueshme në mënyrë industriale brenda teknologjisë informative.
Zhvillimi i llogaritjeve kuantike do të lejojë (ndonjëherë) zgjidhjen e problemeve:
- Modelimi i sistemeve fizike komplekse në nivel kuantik
- Të cilat janë të pa zgjidhura në një kompjuter të zakonshëm për shkak të kompleksitetit llogaritës
Problemet kryesore në ndërtimin dhe operimin e kompjuterëve kuantikë:
- Dekohorenca
- Gabimet (dekohorencat dhe portalet)
- Arkitektura e procesorëve (schemat e plotë lidhëse të kubitëve)
Gjendja aktuale:
- Në fakt - më e hershmja .
- Nuk ka ende një përdorim komercial REAL (dhe nuk është e qartë se kur do të jetë)
Çfarë mund të ndihmojë:
- Një zbulim fizik, që ul kostot e lidhjes dhe funksionimit të procesorëve
- Zbulimi i diçkaje që do të rrisë ndjeshëm kohën e dekohorencës dhe/ose do të zvogëlojë numrin e gabimeve
Nga pikëpamja ime (opinion personal), në paradigmën aktuale shkencore të njohurive nuk do të arrijmë përparime të rëndësishme në zhvillimin e teknologjive kuantike, këtu nevojitet një përparim cilësor në ndonjë fushë të shkencës themelore ose të aplikuar, që do të japë një nxitje për ide dhe metoda të reja.
Ndërkohë - po grumbullojmë përvojë në programimin kuantik, po mbledhim dhe krijojmë algoritme kuantike, testojmë ide dhe të tjera e të tjera. Po presim një përparim.
Përfundimi
Në këtë artikull, ne kaluam nëpër momentet kyçe të zhvillimit të kompjuterëve kuantorë dhe llogaritjeve kuantore, shqyrtuam parimin e funksionimit të tyre, diskutuan problemet kryesore me të cilat përballen inxhinierët gjatë zhvillimit dhe përdorimit të procesorëve kuantorë, si dhe shikuam se çfarë përfaqësojnë me të vërtetë kompjuterët D-Wave me shumë kubitë dhe deklaratën e fundit të Google mbi arritjen e superioritetit kuantor.
Të paprekura mbetën pyetjet mbi programimin e kompjuterëve kuantorë (gjuhët, qasje, metoda etj.) dhe çështjet që lidhen me realizimin fizik 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 se ky artikull do t’i vijë në ndihmë dikujt.
(C)
Faleminderit
për korrektimin dhe vërejtjet mbi tekstin origjinal, si dhe për artikullin
për komentet informuese dhe të pasura lidhur me , për më tepër, që shumë ndihmuan për të kuptuar këtë puzzle.
Të gjithë autorët e artikujve dhe publikimeve, materialet e të cilëve u përdorën gjatë shkrimit të këtij artikulli.
Listën e burimeve
Artikuj rreth situatës aktuale nga [The National Academies Press]
Artikuj nga Habr (në një rend të rastësishëm)
Artikuj të paortuar (por jo më pak interesantë) nga interneti
Kurset dhe leksionet
Burimi: habr.com
