Egenskaper hos kvantdatorer

Effekten av en kvantdator mäts i kubiter, den grundläggande enheten för mätning i en kvantdator. Källa.

Jag gör facepalm efter varje läsning av en sådan fras. Det har inte lett till något bra; min syn börjar bli dålig; snart måste jag vända mig till Meklon.

Jag tror det är dags att systematisera huvudparametrarna för en kvantdator. Det finns flera:

1. Antal kubiter
2. Kohärensbevarande tid (dekoherenstid)
3. Felnivå
4. Processorns arkitektur
5. Pris, tillgänglighet, underhållsvillkor, avskrivningstid, programmeringsverktyg, o.s.v.

Antal kubiter

Det här är uppenbart, ju fler desto bättre. I praktiken måste man dock betala för kubiter, och i idealfallet ska man köpa precis så många kubiter som krävs för att utföra uppgiften. För en utvecklare av exklusiva spelautomater räcker det med en kubit per automat (för att generera slumpmässighet). För "brute force" av RSA-2048 behövs minst 2048 kubiter.

De mest hypade kvantalgoritmerna bär namnen Grover och Shor. Grover gör det möjligt att "hacka" hashvärden. För att knäcka bitcoin behövs datorer med minst 256 kubiter ombord (man kan experimentera med bitcoins svårighetsgrad, men låt oss stanna vid det här runda talet). Shor möjliggör faktoriserande av tal. För att faktorisera ett tal av längd n binära siffror behövs minst n kubiter.

Nuvarande maximum: 50 kubiter (redan 72?). Och faktiskt, 50 kubiter är gränsen. Gränsen för simuleringen av en kvantdator. I teorin kan vi simulera vilket antal kubiter som helst på klassiska datorer. I praktiken kräver tillägg av en kubit till simuleringen en fördubbling av de klassiska datorerna. Lägg till rykten om att kubiterna fördubblas varje år och ställ dig själv frågan: hur debuggas algoritmer för 25651210242048 kubiter? Det finns ingen simulator, på en kvantdator kan man inte sätta en brytpunkt.

Kohärensbevarande tid (dekoherenstid)

Kohärens och koherens är inte samma sak. Jag föredrar att jämföra koherens med regenerering av RAM-minnet. På RAM-modulen finns miljarder celler, var och en med en laddning, antingen noll eller ett. Denna laddning har en intressant egenskap – den avtar. En "ett"-cell blir en cell med 0,99, sedan 0,98, och så vidare. Samtidigt ackumuleras 0,01, 0,02, 0,03… på nollan. Därför behöver denna laddning uppdateras, "regenereras". Allt som är mindre än hälften återställs till noll, allt annat justeras upp till ett.

Kvantprocessorer kan inte regenereras. Därför finns det bara en cykel för alla beräkningar, fram till den första "läckande" qubit. Tiden till den första "läckan" kallas dekohärens tid. Kohären är ett tillstånd där qubits ännu inte har "läckt". Här man kan titta på något mer mogna förklaringar.

Dekohärens är relaterad till antalet qubits: ju fler qubits, desto svårare är det att bibehålla koherens. Å andra sidan, med ett stort antal qubits kan man använda en del av dem för att korrigera fel relaterade till dekohärens. Härifrån följer, att antalet qubits i sig själv inte löser något. Man kan dubbla antalet qubits och spendera 90% av dem på att hantera dekohärens.

Här uppstår begreppet logisk qubit. Enkelt uttryckt, om du har en processor med 100 qubits, men 40 av dem är inriktade på att hantera dekohärens – återstår 60 logiska qubits. De som du kör din algoritm på. Begreppet logiska qubits är nu mer teoretiskt, jag har personligen inte hört om praktiska implementationer.

Fel och deras korrigering

En annan plåga för kvantprocessorer. Om du inverterar en qubit, är det med 2% sannolikhet som operationen avslutas med fel. Om du sammanflätar 2 qubits, når fel sannolikheten 8%. Ta ett tal i 256 bitar, hash det med SHA-256, beräkna antalet operationer, beräkna sannolikheten att utföra ALLA dessa operationer utan fel.

Matematiker erbjuder en lösning: felkorrigering. Det finns algoritmer. Implementeringen av en sammanflätning av 2 logiska qubits kräver 100 000 fysiska qubits. Bitco-krisen kommer inte att inträffa snart.

Processorns arkitektur

Rent konkret finns det inga kvantdatorer. Det finns bara kvantprocessorer. Varför behöver man RAM när arbetstiden är begränsad till millisekunder? Jag programmerar i Q#, men det är ett hög-nivåspråk. Jag tilldelade mig 15 kubiter, och gör vad du vill med dem. Om jag vill kan jag sammanfläta den första kubiten med den tionde. Vill jag — sammanflätar jag de första sex.

På en verklig processor finns det inte samma frihet. Jag bad om att sammanfläta den första kubiten med den 15:e — kompileraren genererar 26 ytterligare operationer. Om jag har tur. Om jag inte har tur — genererar det hundra. Grejen är att en kubit endast kan sammanflätas med sina grannar. Mer än 6 grannar per kubit har jag aldrig sett. I princip finns det optimerande kvantprogramkompilatorer, men de är fortfarande mer teoretiska.

Varje processor har sin egen uppsättning instruktioner, och kopplingarna mellan kubiterna varierar. I en ideal värld har vi godtyckliga Rx, Ry, Rz, och deras kombinationer, plus fri sammanflätning över ett dussin egenskaper, plus Swap: kolla in operatörerna i Quirk. Men i verkligheten har vi ett par kubiter, och sammanflätning CNOT (q[0], q[1]) kostar en operation, medan CNOT(q[1], q[0]) redan kostar 7. Och koherensen minskar...

Kostnad, tillgänglighet, underhållsförhållanden, avskrivningstid, programmeringsverktyg...

Priserna offentliggörs inte, tillgängligheten för vanliga medborgare är nästan noll, avskrivningstiden har praktiskt taget inte beräknats, programmeringsverktygen är fortfarande i sin linda. Dokumentation finns på arxiv.org.

Vilken information bör vi begära från experterna vid lanseringen av en ny kvantdator?

Förutom listan ovan gillar jag alternativen från PerlPower och Alter2:

Tänk om varje artikel om en ny kvantdator började med två egenskaper — antal samtida sammanflätade kubiter och tiden för att hålla kubiterna.

Eller ännu bättre — med tiden för att köra det enklaste benchmark-testet, till exempel att hitta primtalsfaktorerna för nummer 91.

Källa: habr.com