Komputer kuantum sareng komputasi kuantum - énggal , nu ditambahkeun kana spasi informasi urang babarengan jeung , sareng istilah téknologi luhur sanés. Dina waktu nu sarua, kuring pernah bisa manggihan bahan dina Internet nu bakal nunda babarengan teka dina sirah kuring disebut "kumaha komputer kuantum dianggo". Leres, aya seueur karya anu saé, kalebet dina Habr (tingali. ), koméntar anu, sakumaha biasana, malah langkung informatif sareng mangpaat, tapi gambar dina sirah kuring, sakumaha anu aranjeunna nyarios, henteu nambahan.
Sareng nembe kolega kuring sumping ka kuring sareng naros, "Naha anjeun ngartos kumaha komputer kuantum jalanna? Dupi anjeun tiasa nyarios ka kami?" Teras kuring sadar yén kuring sanés ngan ukur anu gaduh masalah sareng ngahijikeun gambar anu koheren dina sirah kuring.
Hasilna, usaha dilakukeun pikeun ngumpulkeun inpormasi ngeunaan komputer kuantum kana sirkuit logika anu konsisten dimana tingkat dasar, tanpa immersion jero dina matematik jeung struktur dunya kuantum, ieu dipedar naon komputer kuantum téh, naon prinsip eta ngoperasikeun, sarta naon masalah élmuwan nyanghareupan nalika nyieun sarta operasi eta.
daptar eusi
Bantahan
Panulis sanes ahli dina komputasi kuantum, jeung Pamirsa targét tina tulisan éta nyaéta jalma IT anu sami, sanés spesialis kuantum, Anu ogé hoyong nunda babarengan gambar dina sirah maranéhanana disebut "Kumaha karya komputer kuantum". Kusabab ieu, seueur konsép dina tulisan anu ngahaja disederhanakeun pikeun langkung ngartos téknologi kuantum dina tingkat "dasar", tapi tanpa .
Artikel di sababaraha tempat ngagunakeun bahan tina sumber séjén, . Dimana wae mungkin, Tumbu langsung jeung indikasi kana téks aslina, tabel atawa gambar diselapkeun. Upami kuring hilap hiji hal (atanapi batur) dimana waé, nyerat sareng kuring bakal ngabenerkeunana.
perkenalan
Dina bab ieu, urang sakeudeung bakal nempo kumaha jaman kuantum dimimitian, naon alesan motivating pikeun gagasan komputer kuantum, saha (nagara jeung korporasi mana) ayeuna pamaén ngarah dina widang ieu, sarta ogé sakeudeung ngobrol. ngeunaan arah utama ngembangkeun komputasi kuantum.
Kumaha eta kabeh mimiti
Titik awal jaman kuantum dianggap 1900, nalika M. Planck munggaran nempatkeun ka hareup yén énergi dipancarkeun sareng diserep henteu terus-terusan, tapi dina kuanta (porsi) anu misah. Gagasan ieu dipulut sareng dikembangkeun ku seueur élmuwan anu luar biasa dina waktos éta - Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, anu pamustunganana nyababkeun nyiptakeun sareng ngembangkeun élmu sapertos kitu. . Aya seueur bahan anu saé dina Internét ngeunaan formasi fisika kuantum salaku élmu; dina tulisan ieu kami moal ngabahas ieu sacara rinci, tapi éta kedah nunjukkeun tanggal nalika urang asup kana jaman kuantum énggal.
Fisika kuantum geus mawa loba pamanggihan jeung téknologi kana kahirupan urang sapopoé, tanpa nu ayeuna hésé ngabayangkeun dunya sabudeureun urang. Salaku conto, laser, anu ayeuna dianggo di mana waé, ti alat-alat rumah tangga (tingkat laser, jsb) dugi ka sistem téknologi tinggi (laser pikeun koreksi visi, halo. ). Bakal logis mun nganggap yén sooner atanapi engké batur bakal datang nepi ka pamanggih yén naha henteu ngagunakeun sistem kuantum pikeun komputasi. Lajeng dina 1980 eta kajadian.
Wikipedia nunjukkeun yén pamanggih mimiti komputasi kuantum dinyatakeun dina 1980 ku élmuwan urang Yuri Manin. Tapi maranéhanana bener dimimitian ngobrol ngeunaan eta ngan dina 1981, nalika well-dipikawanoh R. Feynman , Catet yén teu mungkin mun simulate évolusi sistem kuantum dina komputer klasik dina cara efisien. Anjeunna ngajukeun modél dasar , anu bakal tiasa ngalaksanakeun modeling sapertos kitu.
Aya , dimana dianggap leuwih akademis jeung jéntré, tapi urang bakal balik leuwih sakeudeung:
Tonggak utama dina sajarah nyiptakeun komputer kuantum:
- [1994]. P. Basisir. Dirancang ku
- [1998]. Kacipta
- [2001]. IBM diwanohkeun palaksanaan pikeun ékspansi nomer 15
- [2007-2016]. nyiptakeun sarta ngamekarkeun komputer kalawan 128-2000 qubits
- [2012]. Dilaksanakeun di Universitas California
- [2016]. Google dina komputer 9-qubit
- [2017]. (tilu atom)
- [2019]. . 20-qubit komputer dina awan
- [2019]. . 53 qubit komputer. ?
Sakumaha anjeun tiasa tingali, 17 taun parantos kalangkung (ti 1981 dugi ka 1998) ti mimiti ideu dugi ka palaksanaan munggaran dina komputer kalayan 2 qubit, sareng 21 taun (ti 1998 dugi ka 2019) dugi ka waktos jumlah qubit naék. nuju 53. Butuh waktu 11 taun (ti 2001 nepi ka 2012) pikeun ngaronjatkeun hasil tina algoritma Shor urang (urang bakal kasampak di leuwih jéntré saeutik engké) ti angka 15 nepi ka 21. Oge, ngan tilu taun ka tukang urang datang ka titik ngalaksanakeun naon Feynman dikaitkeun, sarta diajar model sistem fisik pangbasajanna.
Kamekaran komputasi kuantum lambat. Élmuwan sareng insinyur disanghareupan ku tugas anu sesah, nagara kuantum pondok umurna sareng rapuh, sareng pikeun ngawétkeun aranjeunna cukup lila pikeun ngalakukeun itungan, aranjeunna kedah ngawangun sarcophagi pikeun puluhan juta dolar, dimana suhu dijaga. ngan luhureun enol mutlak, jeung nu maksimum ditangtayungan tina pangaruh éksternal. Salajengna urang bakal ngobrol ngeunaan pancén sareng masalah ieu sacara langkung rinci.
Anjog Pamaén
Slides pikeun bagian ieu dicokot tina artikel , ti panalungtik Alexey Fedorov. Hayu atuh masihan anjeun kutipan langsung:
Sadaya nagara anu suksés sacara téknologi ayeuna nuju aktip ngembangkeun téknologi kuantum. A jumlah badag duit keur invested dina ieu panalungtikan, sarta program husus pikeun ngarojong téhnologi kuantum keur dijieun.
Henteu ngan ukur nagara, tapi ogé perusahaan swasta anu milu dina balapan kuantum. Dina total, Google, IBM, Intel sarta Microsoft geus anyar investasi ngeunaan $ 0,5 milyar dina ngembangkeun komputer kuantum sarta dijieun laboratorium badag sarta puseur panalungtikan.
Aya seueur tulisan ngeunaan Habré sareng dina Internét, contona, , и , nu kaayaan kiwari urusan jeung ngembangkeun téknologi kuantum di nagara béda nalungtik di leuwih jéntré. Hal utama pikeun urang ayeuna nyaéta yén sadaya nagara-nagara maju téknologi ngarah sareng pamaén investasi sajumlah ageung artos dina panalungtikan arah ieu, anu masihan harepan pikeun jalan kaluar tina impasse téknologi ayeuna.
arah ngembangkeun
Di momen (Kuring bisa jadi salah, mangga ngabenerkeun kuring), usaha utama (jeung leuwih atawa kurang hasil signifikan) sadaya pamaén ngarah ngumpul di dua wewengkon:
- Komputer kuantum husus, anu ditujukeun pikeun ngarengsekeun hiji masalah khusus, contona, masalah optimasi. Conto produk nyaéta komputer kuantum D-Wave.
- Komputer kuantum universal - anu sanggup ngalaksanakeun algoritma kuantum sawenang (Shor, Grover, jsb.). Palaksanaan ti IBM, Google.
Vektor séjén pangwangunan anu fisika kuantum masihan urang, sapertos:
- salaku dadasar pikeun
- jeung leuwih
Tangtosna, éta ogé aya dina daptar daérah pikeun panalungtikan, tapi ayeuna sigana henteu aya hasil anu langkung atanapi kirang signifikan.
Sajaba anjeun bisa maca , muhun, google "", Salaku conto, , и .
Dasar. objék kuantum jeung sistem kuantum
Hal pangpentingna ngartos tina bagian ieu éta
Komputer kuantum (teu kawas biasa) ngagunakeun salaku operator informasi objék kuantum, sarta pikeun ngalakonan itungan, objék kuantum kudu disambungkeun di sistem kuantum.
Naon objek kuantum?
objék kuantum - objék tina microworld (dunya kuantum) nu némbongkeun sipat kuantum:
- Mibanda kaayaan tangtu kalawan dua tingkat wates
- Aya dina superposisi kaayaan na dugi ka momen pangukuran
- Entangles sorangan jeung objék séjén pikeun nyieun sistem kuantum
- Nyugemakeun teorema no-kloning (kaayaan obyék teu bisa ditiron)
Hayu urang nempo unggal sipat dina leuwih jéntré:
Mibanda kaayaan nu tangtu kalawan dua tingkat wates (kaayaan tungtung)
Conto klasik dunya nyata nyaéta koin. Mibanda kaayaan "sisi", nu nyokot dua tingkat wates - "sirah" jeung "buntut".
Aya dina superposisi kaayaan na dugi ka momen pangukuran
Aranjeunna tossed koin, eta flies na spins. Bari eta puteran, teu mungkin keur nyebutkeun di mana tina tingkat wates na kaayaan "sisi". Tapi pas urang ngabantingkeun sareng ningali hasilna, superposisi nagara langsung runtuh janten salah sahiji dua nagara wates - "sirah" sareng "buntut". Nyabok koin dina hal urang mangrupikeun ukuran.
Entangles sorangan jeung objék séjén pikeun nyieun sistem kuantum
Hese ku koin, tapi hayu urang coba. Bayangkeun urang tossed tilu koin ambéh maranéhanana muterkeun clinging ka silih, ieu juggling jeung koin. Dina unggal momen waktu, teu ukur unggal sahijina dina superposition nagara, tapi nagara bagian ieu silih pangaruh silih (koin tabrakan).
Nyugemakeun teorema no-kloning (kaayaan obyék teu bisa ditiron)
Bari koin nu ngalayang na spinning, teu aya deui jalan urang bisa nyieun salinan kaayaan spinning salah sahiji koin, misah ti sistem. Sistim nu hirup di sorangan sarta pisan cemburu ngaleupaskeun sagala informasi ka dunya luar.
Sababaraha kecap deui ngeunaan konsep sorangan "superposisi", dina ampir sakabéh artikel superposition dipedar salaku "Aya di sadaya nagara dina waktos anu sami", nu, tangtosna, leres, tapi di kali unnecessarily matak ngabingungkeun. A superposisi nagara ogé bisa dibayangkeun salaku kanyataan yén dina unggal momen waktu objék kuantum aya probabiliti tangtu runtuh kana unggal tingkat watesna, sarta jumlahna probabiliti ieu sacara alami sarua jeung 1. Engké, nalika nganggap qubit, urang bakal ngémutan ieu langkung rinci.
Pikeun koin, ieu tiasa ditingali - gumantung kana laju awal, sudut lémparan, kaayaan lingkungan dimana koin ngalayang, dina unggal momen dina waktos kamungkinan meunang "sirah" atanapi "buntut" béda. Sareng, sapertos anu disebatkeun sateuacana, kaayaan koin ngalayang sapertos kitu tiasa dibayangkeun salaku "aya dina sadaya nagara watesna dina waktos anu sami, tapi kalayan kamungkinan anu béda dina palaksanaanna."
Sakur obyék anu sipat-sipat di luhur kapendak sareng anu tiasa urang ciptakeun sareng kontrol tiasa dianggo salaku pamawa inpormasi dina komputer kuantum.
Sakedap deui urang bakal ngobrol ngeunaan kaayaan ayeuna sareng palaksanaan fisik qubits salaku objék kuantum, sareng naon anu ayeuna dianggo ku para ilmuwan dina kapasitas ieu.
Jadi sipat katilu nyebutkeun yén objék kuantum bisa jadi entangled nyieun sistem kuantum. Naon sistem kuantum?
Sistim kuantum - sistem objék kuantum entangled kalawan sipat handap:
- Sistem kuantum aya dina superposisi sadaya kaayaan mungkin tina objék anu diwangun
- Teu mungkin pikeun terang kaayaan sistem dugi ka momen pangukuran
- Dina momen pangukuran, sistem nerapkeun salah sahiji varian mungkin tina kaayaan wates na
(jeung, ningali ka hareup saeutik)
Corollary pikeun program kuantum:
- Program kuantum ngagaduhan kaayaan sistem dina input, superposisi di jero, superposisi dina kaluaran
- Dina kaluaran program saatos pangukuran kami gaduh palaksanaan probabilistik tina salah sahiji kaayaan ahir sistem (tambah kamungkinan kasalahan)
- Sakur program kuantum gaduh arsitéktur liang haseup (input -> kaluaran. Henteu aya puteran, anjeun moal tiasa ningali kaayaan sistem di tengah prosés.)
Babandingan komputer kuantum sareng komputer konvensional
Ayeuna urang ngabandingkeun komputer konvensional sareng komputer kuantum.
| komputer biasa | Komputer kuantum | |
|
Logika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fisika
|
Transistor semikonduktor | objék kuantum |
|
Pamawa inpormasi
|
Tingkat tegangan | Polarisasi, spin,… |
|
Operasi
|
NOT, AND, ATAWA, XOR leuwih bit | Klep: CNOT, Hadamard,… |
|
Hubungan
|
Chip semikonduktor | Silih lieur |
|
Algoritma
|
Standar (tingali Pecut) | Husus (Pantai, Grover) |
|
Prinsip
|
Digital, deterministik | Analog, probabilistik |
Tingkat logika
Dina komputer biasa ieu saeutik. Dipikawanoh ku urang liwat sarta ngaliwatan bit deterministik. Bisa nyandak nilai boh 0 atawa 1. Ieu copes sampurna kalawan peran unit logis pikeun komputer biasa, tapi sagemblengna teu cocog pikeun ngajelaskeun kaayaan objék kuantum, nu, sakumaha geus kami geus ngomong, di alam liar lokasina disuperpositions nagara wates maranéhanana.
Ieu naon maranéhna datang nepi ka . Dina nagara watesna nyadar kaayaan sarupa 0 jeung 1 , sarta dina superposition ngagambarkeun sebaran probabiliti leuwih nagara wates na |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a jeung b ngagambarkeun , sareng kuadrat modulna mangrupikeun kamungkinan saleresna pikeun nampi nilai-nilai anu leres-leres sapertos nagara-nagara wates. |0> и |1>, upami anjeun ngancurkeun qubit kalayan pangukuran ayeuna.
Lapisan fisik
Dina tingkat téhnologis ayeuna pangwangunan, palaksanaan fisik bit pikeun komputer konvensional nyaéta transistor semikonduktor, pikeun kuantum, sakumaha urang geus ngomong, sagala objék kuantum. Dina bagian salajengna urang bakal ngobrol ngeunaan naon anu ayeuna dianggo salaku média fisik pikeun qubits.
Sedeng neundeun
Pikeun komputer biasa ieu arus listrik - tingkat tegangan, ayana atawa henteuna arus, jeung sajabana, pikeun kuantum - sarua kaayaan objék kuantum (arah polarisasi, spin, jsb), nu bisa jadi dina kaayaan superposition.
Operasi
Pikeun nerapkeun sirkuit logika dina komputer biasa, kami nganggo well-dipikawanoh , Pikeun operasi on qubits ieu diperlukeun pikeun datang nepi ka sistem operasi lengkep beda, disebutna . Gerbang tiasa tunggal-qubit atanapi ganda-qubit, gumantung kana sabaraha qubit anu dirobih.
Conto gerbang kuantum:
Aya konsép set klep universal, anu cukup pikeun ngalakukeun itungan kuantum. Contona, hiji set universal ngawengku Gerbang Hadamard, Gerbang shift fase, Gerbang CNOT, sarta Gerbang π⁄8. Kalayan bantosanana, anjeun tiasa ngalakukeun itungan kuantum dina set qubit anu sawenang.
Dina artikel ieu kami moal cicing sacara rinci dina sistem gerbang kuantum; anjeun tiasa maca langkung seueur ngeunaan aranjeunna sareng operasi logis dina qubit, contona, . Hal utama pikeun nginget:
- Operasi dina objék kuantum merlukeun kreasi operator logis anyar (gerbang kuantum)
- Gerbang kuantum datangna dina tipe tunggal-qubit jeung ganda-qubit.
- Aya set universal gerbang anu tiasa dianggo pikeun ngalakukeun komputasi kuantum
Hubungan
Hiji transistor henteu aya gunana pikeun urang; pikeun ngalaksanakeun itungan, urang kedah nyambungkeun seueur transistor ka silih, nyaéta, nyiptakeun chip semikonduktor tina jutaan transistor pikeun ngawangun sirkuit logis, jeung, pamustunganana, meunang prosesor modern dina formulir klasik na.
Hiji qubit ogé henteu aya gunana pikeun urang (muhun, upami ukur dina hal akademik),
Pikeun ngalaksanakeun itungan urang peryogi sistem qubits (objék kuantum)
nu, sakumaha kami geus ngomong, dijieun ku entangling qubits saling ambéh parobahan dina kaayaan maranéhanana lumangsung dina ragam ngagabung.
Algoritma
Algoritma standar anu dikumpulkeun ku umat manusa dugi ka ayeuna henteu cocog pikeun palaksanaan dina komputer kuantum. Sumuhun, sacara umum teu perlu. Komputer kuantum dumasar kana logika gerbang leuwih qubits merlukeun kreasi algoritma lengkep beda, algoritma kuantum. Tina algoritma kuantum anu paling terkenal, tilu tiasa dibédakeun:
- (faktorisasi)
- (paluruh gancang dina database unordered)
- (jawaban kana patarosan, fungsi konstan atanapi saimbang)
Prinsip
Jeung bédana pangpentingna nyaéta prinsip operasi. Pikeun komputer standar ieu digital, prinsip mastikeun deterministik, dumasar kana kanyataan yén lamun urang nyetel sababaraha kaayaan awal sistem jeung ngaliwatan eta ngaliwatan algoritma dibikeun, hasilna itungan bakal sarua, euweuh urusan sabaraha kali urang ngajalankeun itungan ieu. Sabenerna, kabiasaan ieu persis naon urang nyangka ti komputer.
Komputer kuantum dijalankeun analog, prinsip probabilistik. Hasil tina algoritma anu dipasihkeun dina kaayaan awal anu dipasihkeun nyaéta sampel tina sebaran probabiliti palaksanaan ahir algoritma ditambah kamungkinan kasalahan.
Sifat probabilistik tina komputasi kuantum ieu alatan hakekat probabilistik pisan tina dunya kuantum. "Gusti henteu maén dadu sareng jagat raya.", ceuk Einstein heubeul, tapi sagala percobaan sarta observasi jadi jauh (dina paradigma ilmiah ayeuna) mastikeun sabalikna.
Palaksanaan fisik qubits
Sakumaha anu parantos kami nyarios, qubit tiasa diwakilan ku obyék kuantum, nyaéta, obyék fisik anu ngalaksanakeun sipat kuantum anu dijelaskeun di luhur. Nyaéta, kasarna nyarios, naon waé objék fisik anu aya dua kaayaan sareng dua kaayaan ieu dina kaayaan superposisi tiasa dianggo pikeun ngawangun komputer kuantum.
"Upami urang tiasa nempatkeun atom kana dua tingkat anu béda sareng ngontrolana, maka anjeun gaduh qubit. Upami urang tiasa ngalakukeun ieu sareng ion, éta qubit. Éta sami sareng ayeuna. Upami urang ngajalankeun éta saarah jarum jam sareng sabalikna dina waktos anu sami, anjeun gaduh qubit.
aya к , dimana rupa-rupa palaksanaan fisik qubit ayeuna dianggap sacara langkung rinci, urang ngan saukur daptar daptar anu paling umum sareng umum:
- sarta loba gagasan aheng séjén (anion, jsb)
Tina sagala rupa ieu, anu paling maju nyaéta metode anu munggaran pikeun meunangkeun qubits, dumasar kana . , , sarta pamaén ngarah séjén ngagunakeun eta pikeun ngawangun sistem maranéhna.
Muhun, baca deui mungkin qubits ti .
Dasar. Kumaha komputer kuantum jalan
Bahan pikeun bagian ieu (tugas jeung gambar) dicokot tina artikel .
Janten, bayangkeun yén urang ngagaduhan tugas di handap ieu:
Aya grup tilu urang: (A)ndrey, (B)olodya jeung (C)erezha. Aya dua taksi (0 jeung 1).
Éta ogé dipikanyaho yén:
- (A)ndrey, (B)olodya téh babaturan
- (A)ndrey, (C)erezha musuh
- (B)olodya jeung (C)erezha téh musuh
Pancén: Pasang jalma dina taksi supados Max (babaturan) и Min (musuh)
Peunteun: L = (jumlah babaturan) - (jumlah musuh) pikeun tiap pilihan akomodasi
PENTING: Anggap teu aya heuristik, teu aya solusi anu optimal. Dina hal ieu, masalah ngan bisa direngsekeun ku pilarian lengkep pilihan.
Solusi dina komputer biasa
Kumaha carana ngajawab masalah ieu dina biasa (super) komputer (atawa klaster) - eta jelas yén Anjeun kudu loop ngaliwatan sagala pilihan mungkin. Upami urang gaduh sistem multiprocessor, maka urang tiasa parallelize itungan solusi dina sababaraha prosesor teras ngumpulkeun hasilna.
Simkuring gaduh 2 pilihan akomodasi (taksi 0 jeung taksi 1) jeung 3 jalma. spasi solusi 2 ^ 3 = 8. Anjeun malah bisa ngaliwatan 8 pilihan ngagunakeun kalkulator a, ieu teu masalah. Ayeuna hayu urang ngahesekeun masalah - urang gaduh 20 urang sareng dua beus, ruang solusi 2^20 = 1. Euweuh pajeulit ogé. Hayu urang ningkatkeun jumlah jalma ku 2.5 kali - nyandak 50 urang sareng dua karéta, ruang solusi ayeuna 2^50 = 1.12 x 10^15. Komputer biasa (super) parantos mimiti ngagaduhan masalah anu serius. Hayu urang nambahan jumlah jalma ku 2 kali, 100 urang bakal masihan urang geus 1.2 x 10 ^ 30 pilihan mungkin.
Éta waé, tugas ieu teu tiasa diitung dina waktos anu lumayan.
Nyambungkeun superkomputer
Komputer anu paling kuat ayeuna nyaéta nomer 1 tina eta , produktivitas 122 . Anggap urang peryogi 100 operasi pikeun ngitung hiji pilihan, teras pikeun ngabéréskeun masalah pikeun 100 urang urang peryogi:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 taun.
Sakumaha urang tiasa tingali sakumaha diménsi data awal naek, spasi solusi tumuwuh nurutkeun hiji hukum kakuatan, dina kasus umum, pikeun N bit urang boga 2 ^ N pilihan solusi mungkin, nu keur relatif leutik N (100) masihan kami uncalculated (dina tingkat téhnologis ayeuna) spasi solusi.
Dupi aya alternatif? Sakumaha anjeun tiasa duga, enya, aya.
Tapi sateuacan urang ngartos kumaha sareng kunaon komputer kuantum tiasa sacara efektif ngarengsekeun masalah sapertos kieu, hayu urang sakedap pikeun ngémutan deui naon éta. sebaran probabiliti. Entong hariwang, ieu mangrupikeun tulisan ulasan, moal aya matematika anu susah di dieu, kami bakal ngalakukeun conto klasik kalayan kantong sareng bal.
Ngan hiji kombinatorika saeutik, téori probabiliti sarta experimenter aneh
Hayu urang nyandak kantong teras lebetkeun kana 1000 bodas jeung 1000 bal hideung. Urang bakal ngalakukeun percobaan - nyandak kaluar bal, tuliskeun warna, balik bal kana kantong jeung campur bal dina kantong.
Uji coba dilaksanakeun 10 kali, ditarik kaluar 10 bal hideung. Tiasa waé? Lumayan. Naha conto ieu masihan urang ide anu wajar ngeunaan distribusi anu leres dina kantong? Jelas henteu. Naon anu kedah dilakukeun - leres, pmalikan percobaan sajuta kali jeung ngitung frékuénsi bal hideung bodas. Urang meunang, contona 49.95% hideung 50.05% bodas. Dina hal ieu, struktur sebaran ti mana urang sampel (nyokot hiji bal) geus leuwih atawa kurang jelas.
Hal utama nyaéta ngartos éta percobaan sorangan miboga sipat probabilistik, kalawan hiji sampel (bola) urang moal nyaho struktur sabenerna sebaran, urang kudu ngulang percobaan sababaraha kali jeung rata-rata hasilna.
Hayu urang tambahkeun kana kantong urang 10 beureum jeung 10 bal héjo (kasalahan). Hayu urang ngulang percobaan 10 kali. DIditarik kaluar 5 beureum jeung 5 héjo. Tiasa waé? Sumuhun. Urang bisa nyebutkeun hal ngeunaan sebaran leres - No. Naon anu kudu dipigawé - sumur, anjeun ngartos.
Pikeun ngartos struktur sebaran probabilitas, perlu sababaraha kali sampel hasil individu tina distribusi ieu sareng rata-rata hasilna.
Nyambungkeun téori jeung prakték
Ayeuna tibatan bal hideung sareng bodas, hayu urang nyandak bal biliar teras nempatkeun kana kantong 1000 bal kalayan nomer 2, 1000 kalayan nomer 7 sareng 10 bal kalayan nomer sanés. Hayu urang ngabayangkeun hiji ékspérimén anu dilatih dina lampah pangbasajanna (nyokot bal, tulis nomerna, nempatkeun bal deui dina kantong, campur bal dina kantong) jeung manehna ngalakukeun ieu dina 150 microseconds. Muhun, sapertos experimenter on speed (sanes iklan ubar!!!). Lajeng dina 150 detik anjeunna bakal tiasa ngalakukeun percobaan urang 1 juta kali sareng masihan kami hasil rata-rata.
Aranjeunna diuk experimenter handap, masihan anjeunna kantong, balik, ngantosan 150 detik sarta narima:
angka 2 - 49.5%, angka 7 - 49.5%, jumlah sésana - 1%.
Sumuhun leres, kantong urang téh komputer kuantum kalawan algoritma nu solves masalah urang, sarta bal anu mungkin solusi. Kusabab aya dua solusi anu leres, teras komputer kuantum bakal masihan urang salah sahiji solusi ieu mungkin kalawan probabiliti sarua, sarta 0.5% (10/2000) kasalahan, nu urang bakal ngobrol ngeunaan engké.
Pikeun kéngingkeun hasil tina komputer kuantum, anjeun kedah ngajalankeun algoritma kuantum sababaraha kali dina set data input anu sami sareng rata-rata hasilna.
Skalabilitas komputer kuantum
Ayeuna bayangkeun yén pikeun tugas ngalibetkeun 100 urang (spasi solusi 2^100 urang apal ieu), aya ogé ngan dua kaputusan bener. Teras, upami urang nyandak 100 qubit sareng nyerat algoritma anu ngitung fungsi tujuan urang (L, tingali di luhur) dina qubit ieu, maka urang bakal nampi kantong anu bakal aya 1000 bal kalayan jumlah jawaban anu leres, 1000 kalayan jumlah kadua jawaban bener jeung 10 bal jeung nomer séjén. Sareng dina 150 detik anu sami, panyidik urang bakal masihan perkiraan distribusi probabilitas jawaban anu leres.
Waktu palaksanaan hiji algoritma kuantum (kalawan sababaraha asumsi) bisa dianggap konstanta O(1) nu patali jeung dimensi spasi solusi (2^N).
Sareng ieu mangrupikeun hak milik komputer kuantum - runtime constancy dina hubungan ngaronjatna pajeulitna hukum kakuatan tina spasi solusi mangrupakeun konci.
Qubit sareng dunya paralel
Kumaha ieu kajadian? Naon anu ngamungkinkeun komputer kuantum pikeun ngalakukeun itungan gancang? Éta sadayana ngeunaan sifat kuantum qubit.
Tingali, urang nyarios yén qubit sapertos objék kuantum nyadar salah sahiji dua kaayaan na lamun observasi, tapi di "alam liar" eta aya dina superpositions nagara, nyaeta, eta aya dina duanana nagara wates na sakaligus (kalawan sababaraha kamungkinan).
Candak (A)ndreya sarta ngabayangkeun kaayaan na (nu wahana éta - 0 atawa 1) salaku qubit a. Teras urang gaduh (dina rohangan kuantum) dua dunya paralel, dina hiji (A) linggih di taksi 0, di dunya séjén - dina taksi 1. Dina dua taksi sakaligus, Tapi kalawan sababaraha kamungkinan manggihan eta dina unggal sahijina salila observasi.
Candak (B) ngora sarta hayu urang ogé ngabayangkeun kaayaan na salaku qubit a. Dua dunya paralel séjén timbul. Tapi pikeun ayeuna pasangan ieu dunya (A) и (AT) teu berinteraksi pisan. Naon anu kudu dipigawé pikeun nyieun patali sistem? Leres, urang peryogi qubit ieu mengikat (bingung). Urang nyokot eta jeung bingung eta (A) jeung (B) - urang meunang sistem kuantum dua qubits (A, B), ngawujud dina diri opat silih gumantung dunya paralel. Tambihan (S) ergey sarta kami meunang sistem tilu qubits (ABC), ngalaksanakeun dalapan silih gumantung dunya paralel.
Hakekat komputasi kuantum (palaksanaan ranté gerbang kuantum dina sistem qubits disambungkeun) nyaéta kanyataan yén itungan lumangsung dina sakabéh dunya paralel sakaligus.
Sareng henteu masalah sabaraha urang gaduh, 2 ^ 3 atanapi 2 ^ 100, Algoritma kuantum bakal dieksekusi dina waktos anu terbatas dina sadaya dunya paralel ieu sarta bakal masihan urang hasilna, nu mangrupakeun sampel tina sebaran probabiliti réspon algoritma urang.
Pikeun pamahaman anu langkung saé, urang tiasa ngabayangkeun éta komputer kuantum dina tingkat kuantum ngajalankeun 2^N prosés solusi paralel, unggal saha dianggo dina hiji pilihan mungkin, lajeng ngumpulkeun hasil karya - jeung méré urang jawaban dina wangun superposisi solusi (distribusi probabiliti réspon), ti mana urang sampel hiji unggal waktu (pikeun unggal percobaan).
Inget waktu diperlukeun ku experimenter urang (150 µs) pikeun ngalaksanakeun percobaan, ieu bakal mangpaat pikeun urang saeutik salajengna, lamun urang ngobrol ngeunaan masalah utama komputer kuantum jeung waktu decohérénsi.
Algoritma kuantum
Sakumaha anu parantos disebatkeun, algoritma konvensional dumasar kana logika binér henteu tiasa dianggo pikeun komputer kuantum nganggo logika kuantum (gerbang kuantum). Pikeun anjeunna, éta perlu datang nepi ka anyar nu pinuh mangpaatkeun poténsi alamiah dina alam kuantum komputasi.
Algoritma anu paling kasohor ayeuna nyaéta:
Teu kawas anu klasik, komputer kuantum henteu universal.
Ngan sajumlah leutik algoritma kuantum geus kapanggih jadi jauh.
Спасибо pikeun link ka , tempat dimana, nurutkeun pangarang (), wawakil pangalusna tina dunya kuantum-algorithmic geus dikumpulkeun sarta terus ngumpulkeun.
Dina artikel ieu kami moal nganalisa algoritma kuantum sacara rinci; aya seueur bahan anu saé dina Internét pikeun tingkat pajeulitna naon waé, tapi urang masih kedah sakeudeung ngaliwat tilu anu paling kasohor.
Algoritma Shor.
Algoritma kuantum anu paling kasohor nyaéta (diciptakeun taun 1994 ku matematikawan Inggris ), anu ditujukeun pikeun ngaréngsékeun masalah pemfaktoran wilangan jadi faktor prima (masalah faktorisasi, logaritma diskrit).
Algoritma ieu anu dicutat sabagé conto nalika aranjeunna nyerat yén sistem perbankan sareng kecap akses anjeun bakal di-hack. Tempo yén panjang konci dipaké kiwari teu kirang ti 2048 bit, waktos cap teu acan datang.
Dinten leuwih ti modest. Hasil Factorization pangalusna kalawan Algoritma Shor urang - Angka и , nu loba kurang ti 2048 bit. Pikeun hasil sésana tina tabél, béda itungan, tapi malah hasil pangalusna nurutkeun algoritma ieu (291311) pisan tebih ti aplikasi nyata.
Anjeun tiasa maca langkung seueur ngeunaan algoritma Shor, contona,. Ngeunaan palaksanaan praktis - .
hiji pajeulitna sarta kakuatan diperlukeun pikeun faktor angka 2048-bit mangrupakeun komputer kalawan . Urang bobo damai.
algoritma Grover urang
- ngarengsekeun masalah enumerasi, nyaeta, neangan solusi pikeun persamaan F(X) = 1, dimana F от n variabel. Diusulkeun ku matematikawan Amérika в .
algoritma Grover urang bisa dipaké pikeun manggihan и runtuyan nomer. Sajaba ti éta, bisa dipaké pikeun ngajawab masalah ngaliwatan hiji pilarian tuntas diantara loba solusi mungkin. Ieu tiasa nyababkeun paningkatan kacepetan anu signifikan dibandingkeun sareng algoritma klasik, sanaos henteu nyayogikeun "" sacara umum.
Anjeun tiasa maca deuiatawa ... Tambih deui Aya katerangan anu hadé ngeunaan algoritma nganggo conto kotak sareng bal, tapi, hanjakalna, kusabab alesan di luar kendali saha waé, situs ieu henteu dibuka pikeun kuring ti Rusia. Upami anjeun gaduh ogé diblokir, janten ieu kasimpulan pondok:
algoritma Grover urang. Bayangkeun anjeun gaduh N potongan kotak katutup anu wilanganana. Éta kabéh kosong iwal hiji, nu ngandung bal. Tugas anjeun: milarian nomer kotak dimana balna aya (angka anu teu dipikanyaho ieu sering dilambangkeun ku hurup w).
Kumaha carana ngajawab masalah ieu? Cara anu paling bodo nyaéta giliran muka kotak, sareng engké atanapi engké anjeun bakal mendakan kotak anu aya bal. Rata-rata, sabaraha kotak nu kudu dipariksa saméméh hiji kotak jeung bal kapanggih? Rata-rata, anjeun kedah muka satengah tina N / 2 kotak. Hal utama di dieu nyaéta yén upami urang ningkatkeun jumlah kotak ku 100 kali, maka jumlah rata-rata kotak anu kedah dibuka sateuacan kotak kalayan bal kapanggih ogé bakal ningkat ku 100 kali sami.
Ayeuna hayu urang ngadamel hiji klarifikasi deui. Hayu urang ulah muka kotak sorangan jeung leungeun jeung pariksa ayana bal di unggal, tapi aya hiji perantara tangtu, hayu urang nelepon anjeunna Oracle. Kami nyarios ka Oracle, "kotak centang nomer 732," sareng Oracle jujur cek sareng ngajawab, "teu aya bal dina kotak nomer 732." Ayeuna, tinimbang nyebutkeun sabaraha buleud urang kudu muka rata-rata, urang nyebutkeun "sabaraha kali rata-rata urang kudu indit ka Oracle pikeun manggihan jumlah kotak kalayan bal"
Tétéla yén lamun urang narjamahkeun masalah ieu kalawan buleud, bal na Oracle kana basa kuantum, urang meunang hasil anu luar biasa: pikeun manggihan jumlah kotak kalayan bal diantara N buleud, urang kudu ngaganggu Oracle ukur ngeunaan SQRT. (N) kali!
Hartina, pajeulitna tugas pilarian ngagunakeun algoritma Grover urang diréduksi ku akar kuadrat kali.
Algoritma Deutsch-Jozi
Algoritma Deutsch-Jozsa (ogé disebut algoritma Deutsch-Jozsa) - [algoritma kuantum](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , sarta jadi salah sahiji conto mimiti algoritma dirancang pikeun dieksekusi dina . _
Masalah Deutsch-Jozsi nyaéta pikeun nangtukeun naha fungsi sababaraha variabel binér F(x1, x2, ... xn) konstan (nyandak nilai 0 atanapi 1 pikeun argumen naon waé) atanapi saimbang (pikeun satengah tina domain anu diperyogikeun. nilai 0, keur satengah séjén 1). Dina hal ieu, dianggap apriori yén fungsina nyaéta konstanta atanapi saimbang.
Anjeun oge bisa maca . Penjelasan anu langkung saderhana:
Algoritma Deutsch (Deutsch-Jozsi) dumasar kana gaya kasar, tapi ngamungkinkeun pikeun dilakukeun langkung gancang ti biasana. Bayangkeun yén aya koin dina méja sareng anjeun kedah terang naha éta palsu atanapi henteu. Jang ngalampahkeun ieu, anjeun kudu kasampak di koin dua kali tur nangtukeun: "sirah" jeung "buntut" nyata, dua "sirah", dua "buntut" palsu. Janten, upami anjeun nganggo algoritma kuantum Deutsch, maka tekad ieu tiasa dilakukeun ku hiji pandangan - pangukuran.
Masalah komputer kuantum
Nalika ngarancang sareng ngoperasikeun komputer kuantum, para ilmuwan sareng insinyur nyanghareupan sajumlah ageung masalah, anu dugi ka ayeuna parantos direngsekeun kalayan tingkat kasuksésan anu béda. Numutkeun kana () runtuyan masalah ieu bisa diidentifikasi:
- Sensitipitas kana lingkungan sareng interaksi sareng lingkungan
- Akumulasi kasalahan nalika itungan
- Kasesahan sareng initialization awal nagara qubit
- Kasesahan dina nyieun sistem multi-qubit
Abdi nyarankeun pisan maca tulisan "”, khususna koméntar kana éta.
Hayu urang ngatur sagala masalah utama kana tilu grup badag tur nyandak katingal ngadeukeutan di unggal sahijina:
Dekoherensi
.
kaayaan kuantum hal anu pohara rapuhqubits dina kaayaan entangled pisan teu stabil, sagala pangaruh éksternal bisa (jeung teu) ngancurkeun sambungan ieu. Parobahan suhu ku fraksi pangleutikna gelar, tekanan, foton acak ngalayang caket dieu - kabeh ieu destabilizes sistem urang.
Pikeun ngajawab masalah ieu diwangun sarcophagi-suhu low, nu suhu (-273.14 darajat Celsius) rada luhur enol mutlak, jeung isolasi maksimum chamber internal jeung processor ti sagala (mungkin) pangaruh lingkungan éksternal.
Umur maksimum sistem kuantum tina sababaraha qubits entangled, salila eta nahan sipat kuantum sarta bisa dipaké pikeun itungan, disebut waktu decohérénsi.
Ayeuna, waktos decohérénsi dina solusi kuantum pangsaéna dina urutan puluhan jeung ratusan microseconds.
Aya éndah dimana anjeun tiasa ningali sadaya sistem kuantum dijieun. Artikel ieu ngawengku ukur dua prosesor luhur salaku conto - ti IBM sareng ti . Sakumaha anu urang tingali, waktos decohérénsi (T2) henteu langkung ti 200 μs.
Kuring teu manggihan data pasti on Sycamore, tapi paling dua angka dibéré - 1 juta itungan dina 200 detik, di tempat séjén - pikeun 130 detik tanpa kaleungitan sinyal kontrol, jsb.. Dina sagala hal, ieu méré urang waktos decohérénsi nyaéta ngeunaan 150 μs. Inget urang experimenter kalawan kantong? Nya, ieu anjeunna.
| Ngaran Komputer | N Qubits | Max dipasangkeun | T2 (µs) |
| IBM Q System Hiji | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Naon decohérénsi ngancem urang?
Masalah utama nyaéta saatos 150 μs, sistem komputasi kami tina N qubits entangled bakal mimiti ngaluarkeun sora bodas probabilistik tinimbang distribusi probabilistik solusi anu leres.
Maksudna, urang peryogi:
- Mimitian sistem qubit
- Ngalaksanakeun itungan (ranté operasi gerbang)
- Baca hasilna
Sareng lakukeun sadayana ieu dina 150 mikrodetik. Abdi henteu gaduh waktos - hasilna janten waluh.
Tapi éta sanés sadayana…
kasalahan
Salaku urang nyarios, prosés kuantum jeung komputasi kuantum anu probabilistik di alam, urang teu bisa 100% yakin kana nanaon, tapi ngan mibanda sababaraha kamungkinan. kaayaan ieu salajengna aggravated ku kanyataan yén komputasi kuantum rawan kasalahan. Jenis utama kasalahan dina komputasi kuantum nyaéta:
- Kasalahan dekoherénsi disababkeun ku pajeulitna sistem sareng interaksi sareng lingkungan luar
- Kasalahan komputasi Gerbang (kusabab sifat kuantum komputasi)
- Kasalahan dina maca kaayaan ahir (hasil)
Kasalahan pakait sareng decohérénsi, muncul pas urang entangle qubits urang tur mimitian ngalakonan itungan. Beuki qubits kami entangle, beuki kompleks sistem, jeung leuwih gampang pikeun ngancurkeun eta. Sarcophagi suhu rendah, kamar anu ditangtayungan, sadaya trik téknologi ieu ditujukeun pikeun ngirangan jumlah kasalahan sareng manjangkeun waktos decohérénsi.
Kasalahan komputasi Gerbang - sagala operasi (gerbang) on qubits tiasa, kalawan sababaraha kamungkinan, ditungtungan ku kasalahan, sarta pikeun nerapkeun algoritma urang kudu nedunan ratusan Gerbang, jadi ngabayangkeun naon urang meunang di ahir palaksanaan algoritma urang. Jawaban klasik pikeun patarosan nyaéta "Naon kamungkinan pendak sareng dinosaurus dina lift?" - 50x50, boh anjeun bakal papanggih atawa henteu.
Masalahna langkung parah ku kanyataan yén metode koréksi kasalahan standar (duplikasi itungan sareng rata-rata) henteu tiasa dianggo di dunya kuantum kusabab téoréma no-kloning. Pikeun dina komputasi kuantum kungsi nimukeun . Sacara kasar, urang nyandak N qubit biasa sareng ngadamel 1 di antarana qubit logis kalawan laju kasalahan handap.
Tapi di dieu aya masalah anu sanés - total jumlah qubits. Tingali, anggap urang gaduh prosesor kalayan 100 qubit, dimana 80 qubit dianggo pikeun koréksi kasalahan, teras urang ngan ukur ngagaduhan 20 kanggo itungan.
Kasalahan dina maca hasil ahir - sakumaha urang apal, hasil itungan kuantum dibere ka urang dina formulir sebaran probabiliti jawaban. Tapi maca kaayaan ahir ogé bisa gagal jeung kasalahan.
Dina sarua Aya tabel komparatif prosesor ku tingkat kasalahan. Pikeun babandingan, hayu urang nyandak prosesor anu sami sareng conto sateuacana - IBM и :
| komputer | 1-Qubit Gate Kasatiaan | 2-Qubit Gate Kasatiaan | Readout Kasatiaan |
| IBM Q System Hiji | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Ieu téh mangrupa ukuran kasaruaan dua kaayaan kuantum. Gedéna kasalahan bisa kasarna dikedalkeun salaku 1-Kasatiaan. Sakumaha anu urang tingali, kasalahan dina gerbang 2-qubit sareng kasalahan maca mangrupikeun halangan utama pikeun ngalaksanakeun algoritma anu rumit sareng panjang dina komputer kuantum anu tos aya.
Anjeun oge bisa maca taun ti pikeun ngajawab masalah koréksi kasalahan.
Arsitéktur prosésor
Dina tiori urang ngawangun jeung beroperasi sirkuit tina puluhan qubits entangled, dina kanyataanana sagalana leuwih pajeulit. Sadaya chip kuantum (prosesor) anu aya diwangun ku cara anu henteu aya rasa nyeri entanglement hiji qubit wungkul kalawan tatanggana na, nu aya teu leuwih ti genep.
Lamun urang kudu entangle 1st qubit, sebutkeun, jeung 12th, mangka urang kudu ngawangun ranté operasi kuantum tambahan, ngalibetkeun qubits tambahan, jeung sajabana, nu ngaronjatkeun tingkat kasalahan sakabéh. Sumuhun, sarta ulah poho ngeunaan waktos dekohérénsi, Panginten nalika anjeun réngsé nyambungkeun qubit kana sirkuit anu anjeun peryogikeun, waktosna bakal réngsé sareng sadayana sirkuit bakal janten generator noise bodas nice.
Ogé ulah poho éta Arsitéktur sadaya prosesor kuantum béda, sareng program anu ditulis dina émulator dina modeu "sadayana-ka-sadayana" kedah "disusun deui" kana arsitektur chip khusus. Malah aya pikeun ngalakukeun operasi ieu.
Konektipitas maksimum sareng jumlah maksimum qubit pikeun chip luhur anu sami:
| Ngaran Komputer | N Qubits | Max dipasangkeun | T2 (µs) |
| IBM Q System Hiji | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Jeung, pikeun babandingan, tabel kalawan data ti generasi saméméhna tina processor. Bandingkeun jumlah qubits, waktos decoherence sareng tingkat kasalahan sareng naon anu urang gaduh ayeuna sareng generasi anyar. Leungit, kamajuan téh slow, tapi pindah.
jadi:
- Ayeuna teu aya arsitéktur anu sapinuhna disambungkeun kalayan > 6 qubits
- Pikeun entangle qubit 0 s dina processor nyata, contona, qubit 15 bisa merlukeun sababaraha belasan operasi tambahan.
- Langkung seueur operasi -> langkung seueur kasalahan -> pangaruh dekohérénsi anu langkung kuat
hasil
Decoherence nyaéta ranjang Procrustean tina komputasi kuantum modern. Urang kedah nyocogkeun sadayana kana 150 μs:
- Initialization tina kaayaan awal qubits
- Ngitung masalah ngagunakeun gerbang kuantum
- Ngalereskeun kasalahan pikeun kéngingkeun hasil anu bermakna
- Baca hasilna
Sajauh hasilna nguciwakeun, sanajan ngaku pikeun ngahontal 0.5s waktos ingetan kohérénsi dina komputer kuantum dumasar kana :
Kami ngukur waktos kohérénsi qubit langkung ti 0.5 s, sareng kalayan tameng magnét kami ngarepkeun ieu ningkat langkung lami ti 1000 s.
Anjeun oge bisa maca ngeunaan téhnologi ieu atawa, contona, .
Kaayaan ieu langkung pajeulit ku kanyataan yén nalika ngalaksanakeun itungan rumit kedah nganggo sirkuit koréksi kasalahan kuantum, anu ogé ngahakan waktos sareng qubit anu sayogi.
Sarta pamustunganana, arsitéktur modern teu ngidinan nerapkeun schemes entanglement hadé ti 1 di 4 atawa 1 di 6 kalawan biaya minimal.
Cara pikeun ngajawab masalah
Pikeun ngabéréskeun masalah di luhur, pendekatan sareng metode ieu ayeuna dianggo:
- Ngagunakeun cryochambers kalawan suhu handap (10 mK (-273,14 ° C))
- Ngagunakeun unit processor nu maximally ditangtayungan tina pangaruh éksternal
- Ngagunakeun Sistem Koréksi Kasalahan Kuantum (Logika Qubit)
- Ngagunakeun optimizers nalika sirkuit programming pikeun processor husus
Panaliti ogé dilaksanakeun pikeun ningkatkeun waktos dekohérénsi, milarian palaksanaan fisik objék kuantum anu énggal (sareng ningkatkeun anu dipikanyaho), ngaoptimalkeun sirkuit koreksi, jsb. Aya kamajuan (tingali di luhur dina ciri saméméhna jeung chip luhur-tungtung dinten ieu), tapi sajauh ieu slow, pisan, pisan slow.
D-Gelombang
D-Wave 2000Q 2000-qubit komputer. Sumber:
Ditengah pengumuman Google pikeun ngahontal kaunggulan kuantum ngagunakeun prosésor 53-qubit, и ti parusahaan D-Wave, nu jumlah qubits aya dina rébuan, rada ngabingungkeun. Nya, saleresna, upami 53 qubits tiasa ngahontal kaunggulan kuantum, teras naon komputer anu gaduh 2048 qubits sanggup? Tapi henteu sadayana saé pisan ...
Singketna (dicokot tina wiki):
komputer gawé dina prinsip (), tiasa ngabéréskeun masalah optimasi subkelas anu terbatas, sareng henteu cocog pikeun ngalaksanakeun algoritma kuantum tradisional sareng gerbang kuantum.
Pikeun langkung rinci anjeun tiasa maca, contona, , (ati-ati, bisa jadi teu muka ti Rusia), atawa в ti anjeunna . Ku jalan kitu, kuring nyarankeun pisan maca blog na sacara umum, aya seueur bahan anu saé
Sacara umum, ti mimiti pengumuman, komunitas ilmiah ngagaduhan patarosan ngeunaan komputer D-Wave. Contona, dina 2014, IBM questioned kanyataan yén D-Wave Éta dugi ka titik yén dina 2015, Google, sareng NASA, mésér salah sahiji komputer kuantum ieu sareng saatos panalungtikan. , éta enya, komputer jalan jeung ngitung masalah leuwih gancang ti nu biasa. Anjeun tiasa maca langkung seueur ngeunaan pernyataan Google jeung, contona, .
Hal utama nyaéta komputer D-Wave, kalayan ratusan sareng rébuan qubits, teu tiasa dianggo pikeun ngitung sareng ngajalankeun algoritma kuantum. Anjeun teu bisa ngajalankeun algoritma Shor on aranjeunna, contona. Sadaya anu aranjeunna tiasa laksanakeun nyaéta ngagunakeun mékanisme kuantum anu tangtu pikeun ngabéréskeun masalah optimasi anu tangtu. Urang tiasa nganggap yén D-Wave mangrupikeun ASIC kuantum pikeun tugas khusus.
A saeutik ngeunaan emulation komputer kuantum
Komputasi kuantum tiasa ditiru dina komputer biasa. Leres pisan, :
- Kaayaan qubit tiasa bilangan kompléks, ngeusian tina 2x32 dugi ka 2x64 bit (8-16 bait) gumantung kana arsitéktur prosésor.
- Kaayaan N qubits disambungkeun bisa digambarkeun salaku 2 ^ N wilangan kompleks, i.e. 2^(3+N) pikeun arsitektur 32-bit jeung 2^(4+N) pikeun 64-bit.
- Operasi kuantum dina N qubits bisa digambarkeun ku matriks 2^N x 2^N.
Satuluyna:
- Pikeun nyimpen kaayaan ditiru tina 10 qubits, 8 KB diperlukeun
- Pikeun nyimpen kaayaan 20 qubit anjeun peryogi 8 MB
- Pikeun nyimpen kaayaan 30 qubits, 8 GB diperlukeun
- 40 Terabytes diperlukeun pikeun nyimpen kaayaan 8 qubits
- Pikeun nyimpen kaayaan 50 qubits, 8 Petabytes diperlukeun, jsb.
Pikeun ngabandingkeun, ngabandingkeun () ngan mawa memori 2.8 Petabytes.
- 49 qubit dikirimkeun taun ka tukang ka superkomputer Cina panggedéna ()
Watesan simulasi komputer kuantum dina sistem klasik ditangtukeun ku jumlah RAM anu diperyogikeun pikeun nyimpen kaayaan qubit.
Kuring ogé nyarankeun maca . Ti dinya:
Ku operasi - pikeun émulasi akurat tina sirkuit 49-qubit diwangun ku sababaraha 39 "siklus" (lapisan bebas tina gerbang) 2^63 multiplications kompléks - 4 Pflops tina superkomputer salila 4 jam
Niru komputer kuantum 50+ qubit dina sistem klasik dianggap teu mungkin dina waktos anu lumrah. Ieu ogé naha Google nganggo prosésor 53-qubit pikeun ékspérimén supremasi kuantum na.
Kaunggulan komputasi kuantum.
Wikipedia masihan kami definisi di handap ieu ngeunaan kaunggulan komputasi kuantum:
Kaunggulan kuantum - kamampuhan alat pikeun ngajawab masalah nu komputer klasik praktis teu bisa ngajawab.
Kanyataanna, ngahontal kaunggulan kuantum hartina, contona, faktorisasi jumlah badag ngagunakeun algoritma Shor bisa direngsekeun dina waktu cukup, atawa molekul kimia kompléks bisa ditiru dina tingkat kuantum, jeung saterusna. Hartina, jaman anyar geus datang.
Tapi aya sababaraha celah dina kecap tina definisi, "nu komputer klasik praktis teu bisa ngajawab" Kanyataanna, ieu ngandung harti yén lamun nyieun komputer kuantum 50+ qubits tur ngajalankeun sababaraha sirkuit kuantum dinya, lajeng, sakumaha urang bahas di luhur, hasil tina sirkuit ieu teu bisa ditiru dina komputer biasa. nyaeta komputer klasik moal bisa nyieun deui hasil tina sirkuit misalna.
Naha hasil sapertos kitu mangrupikeun kaunggulan kuantum nyata atanapi henteu mangrupikeun patarosan filosofis. Tapi ngartos naon Google tuh na naon eta dumasar kana diperlukeun.
Pernyataan Supremasi Kuantum Google
Prosesor Sycamore 54-qubit
Janten, dina Oktober 2019, pamekar Google nyebarkeun tulisan dina publikasi ilmiah Alam "" Panulis ngumumkeun pencapaian supremasi kuantum pikeun kahiji kalina dina sajarah ngagunakeun prosésor Sycamore 54-qubit.
Artikel Sycamore online sering ngarujuk kana prosésor 54-qubit atanapi prosesor 53-qubit. Kabeneran aya nu nurutkeun , processor fisik diwangun ku 54 qubits, tapi salah sahijina nyaeta non-kerja sarta geus dicokot kaluar tina layanan. Janten, kanyataanna urang gaduh prosesor 53-qubit.
Dina web katuhu aya bahan dina topik ieu, darajat nu variatif ti ka .
Tim komputasi kuantum IBM engké nyatakeun yén . Pausahaan ngaklaim yén komputer konvensional bakal Cope jeung tugas ieu dina kasus awon dina 2,5 poé, sarta jawaban anu dihasilkeun bakal leuwih akurat ti nu komputer kuantum. Kacindekan ieu dijieun dumasar kana hasil analisis téoritis sababaraha métode optimasi.
Jeung, tangtu, di na Abdi teu tiasa malire pernyataan ieu. Milikna babarengan jeung sakabeh Tumbu na sakumaha biasa, aranjeunna patut méakkeun waktu anjeun dina. Dina hub FAQ ieu, sareng pastikeun maca koméntar, aya tautan kana dokumén awal anu bocor online sateuacan pengumuman resmi.
Naon Google sabenerna ngalakukeun? Pikeun pamahaman lengkep, baca Aaronson, tapi sakeudeung di dieu:
Kuring bisa, tangtosna, ngabejaan Anjeun, tapi kuring ngarasa rada bodo. Itungan nyaéta kieu: experimenter ngahasilkeun sirkuit kuantum acak C (ie, runtuyan acak 1-qubit jeung 2-qubit Gerbang antara tatanggana pangdeukeutna, kalawan jerona, contona, 20, nimpah dina jaringan 2D tina n. = 50-60 qubit). Experimenter lajeng ngirimkeun C ka komputer kuantum, sarta miwarang nerapkeun C kana kaayaan awal 0, ngukur hasilna dina dasar {0,1}, ngirim deui n-bit observasi runtuyan (string), sarta ngulang sababaraha sarébu atawa jutaan kali. Tungtungna, ngagunakeun pangaweruh ngeunaan C-Na, nu experimenter ngalakukeun uji statistik pikeun nempo lamun hasilna cocog kaluaran ekspektasi tina komputer kuantum.
Sakedap pisan:
- Sirkuit acak panjangna 20 tina 53 qubits didamel nganggo gerbang
- Sirkuit dimimitian ku kaayaan awal [0…0] pikeun palaksanaan
- Kaluaran sirkuit nyaéta string bit acak (sampel)
- Distribusi hasilna henteu acak (interferensi)
- Distribusi sampel anu dicandak dibandingkeun sareng anu dipiharep
- Nyimpulkeun Quantum Supremasi
Nyaéta, Google ngalaksanakeun masalah sintétik dina prosésor 53-qubit, sareng ngadasarkeun klaimna pikeun ngahontal kaunggulan kuantum dina kanyataan yén mustahil pikeun niru prosésor sapertos kitu dina sistem standar dina waktos anu lumrah.
Pikeun pamahaman - Bagian ieu henteu ngirangan prestasi Google, Insinyur anu saé pisan, sareng patarosan naha ieu tiasa dianggap kaunggulan kuantum nyata atanapi henteu, sakumaha anu disebatkeun sateuacana, langkung filosofis tibatan rékayasa. Tapi urang kedah ngartos yén parantos ngahontal kaunggulan komputasi sapertos kitu, kami henteu acan maju hiji léngkah pikeun kamampuan pikeun ngajalankeun algoritma Shor dina nomer 2048-bit.
singgetan
Komputer kuantum sareng komputasi kuantum mangrupikeun daérah anu ngajangjikeun pisan, ngora pisan sareng dugi ka sakedik daérah téknologi inpormasi industri.
Ngembangkeun komputasi kuantum bakal (someday) ngamungkinkeun urang pikeun ngajawab masalah:
- Modeling sistem fisik kompléks dina tingkat kuantum
- Unsolvable dina komputer biasa alatan pajeulitna komputasi
Masalah utama dina nyiptakeun sareng ngoperasikeun komputer kuantum:
- Dekoherensi
- Kasalahan (dekoherensi sareng gerbang)
- Arsitéktur prosésor (circuit qubit disambungkeun pinuh)
Kaayaan ayeuna:
- Kanyataanna - pisan awal .
- Teu acan aya eksploitasi komérsial REAL (sareng teu jelas iraha bakal aya)
Naon anu tiasa ngabantosan:
- Sababaraha jenis kapanggihna fisik nu ngurangan biaya wiring sarta prosesor operasi
- Ngajalajah hal anu bakal ningkatkeun waktos decohérénsi ku urutan gedéna sareng / atanapi ngirangan kasalahan
Saur kuring (pendapat pribadi murni), Dina paradigma ilmiah ayeuna pangaweruh, urang moal ngahontal kasuksésan signifikan dina ngembangkeun téknologi kuantum, Di dieu urang peryogi terobosan kualitatif dina sababaraha daérah élmu dasar atanapi terapan, anu bakal masihan dorongan pikeun ideu sareng metode énggal.
Samentawis éta, urang nampi pangalaman dina program kuantum, ngumpulkeun sareng nyiptakeun algoritma kuantum, nguji ide, jsb. Kami ngantosan terobosan.
kacindekan
Dina artikel ieu, urang ngaliwatan milestones utama dina ngembangkeun komputasi kuantum jeung komputer kuantum, nalungtik prinsip operasi maranéhanana, nalungtik masalah utama nyanghareupan insinyur dina ngembangkeun sarta operasi prosesor kuantum, sarta ogé nempo naon multi-qubit. D-komputer saleresna. Wave sareng pengumuman panganyarna Google pikeun ngahontal kaunggulan kuantum.
Ditinggalkeun di tukangeun layar aya patarosan ngeunaan program komputer kuantum (basa, pendekatan, métode, jsb) jeung patarosan patali palaksanaan fisik husus tina prosesor, kumaha qubits dikokolakeun, numbu, maca, jsb. Panginten ieu bakal janten topik artikel atanapi artikel salajengna.
Hatur nuhun kana perhatosanana, mugi-mugi tulisan ieu tiasa mangfaat kanggo saha wae.
(C)
Ngahaturkeun
pikeun koréksi sareng koméntar kana téks sumber, ogé pikeun artikel
pikeun komentar-euyeub informasi dina , jeung teu ngan ka dirina, nu sakitu legana mantuan kuring angka kaluar teka ieu.
Ka sadaya panulis artikel sareng publikasi anu bahanna dianggo dina nyerat ieu tulisan.
Daptar sumberdaya
Artikel Urusan Ayeuna ti [The National Academies Press]
Artikel ti Habr (dina urutan acak)
Artikel-artikel anu teu disortir (tapi henteu kurang menarik) tina Internét
Kursus sareng ceramah
sumber: www.habr.com