Kompyuta za quantum na kompyuta ya quantum - mpya , ambayo iliongezwa kwenye nafasi yetu ya habari pamoja na , na masharti mengine ya hali ya juu. Wakati huo huo, sikuweza kupata nyenzo kwenye Mtandao ambazo zingeweka pamoja fumbo kichwani mwangu "Jinsi kompyuta za quantum zinavyofanya kazi". Ndio, kuna kazi nyingi bora, pamoja na za Habr (ona. ), maoni ambayo, kama kawaida, ni ya kuelimisha na muhimu zaidi, lakini picha iliyo kichwani mwangu, kama wanasema, haikuongeza.
Na hivi majuzi wenzangu walinijia na kuniuliza, "Je, unaelewa jinsi kompyuta ya quantum inavyofanya kazi? Unaweza kutuambia?β Na kisha nikagundua kuwa sio mimi pekee niliye na shida ya kuweka pamoja picha thabiti katika kichwa changu.
Kama matokeo, jaribio lilifanywa la kukusanya habari kuhusu kompyuta za quantum katika mzunguko thabiti wa mantiki ambayo ngazi ya msingi, bila kuzamishwa kwa kina katika hisabati na muundo wa ulimwengu wa quantum, ilielezwa kompyuta ya quantum ni nini, inafanya kazi kwa kanuni gani, na wanasayansi wanakabiliwa na matatizo gani wanapoiunda na kuiendesha.
Meza ya yaliyomo
Kanusho
Mwandishi sio mtaalam wa kompyuta ya quantum, na Watazamaji walengwa wa kifungu hicho ni watu sawa wa IT, sio wataalam wa quantum, ambao pia wanataka kuweka pamoja picha katika vichwa vyao inayoitwa "Jinsi kompyuta za quantum zinavyofanya kazi." Kwa sababu hii, dhana nyingi katika kifungu hurahisishwa kwa makusudi ili kuelewa vyema teknolojia za quantum katika kiwango cha "msingi", lakini bila .
Nakala katika sehemu zingine hutumia nyenzo kutoka kwa vyanzo vingine, . Inapowezekana, viungo vya moja kwa moja na viashiria vya maandishi asilia, jedwali au kielelezo huingizwa. Ikiwa nilisahau kitu (au mtu) mahali fulani, andika na nitaisahihisha.
Utangulizi
Katika sura hii, tutaangalia kwa ufupi jinsi enzi ya quantum ilianza, ni nini sababu ya kuchochea ya wazo la kompyuta ya quantum, ambao (ambao nchi na mashirika) kwa sasa ndio wachezaji wanaoongoza kwenye uwanja huu, na pia tunazungumza kwa ufupi. kuhusu maelekezo kuu ya maendeleo ya kompyuta ya quantum.
Jinsi wote wakaanza
Hatua ya mwanzo ya enzi ya quantum inachukuliwa kuwa 1900, wakati M. Planck alipoweka mbele. nishati hiyo hutolewa na kufyonzwa sio kwa kuendelea, lakini kwa quanta tofauti (sehemu). Wazo hilo lilichukuliwa na kuendelezwa na wanasayansi wengi mashuhuri wa wakati huo - Bohr, Einstein, Heisenberg, SchrΓΆdinger, ambayo hatimaye ilisababisha kuundwa na maendeleo ya sayansi kama vile. . Kuna nyenzo nyingi nzuri kwenye mtandao juu ya malezi ya fizikia ya quantum kama sayansi; katika nakala hii hatutakaa juu ya hili kwa undani, lakini ilihitajika kuonyesha tarehe tulipoingia enzi mpya ya quantum.
Fizikia ya Quantum imeleta uvumbuzi na teknolojia nyingi katika maisha yetu ya kila siku, bila ambayo sasa ni ngumu kufikiria ulimwengu unaotuzunguka. Kwa mfano, laser, ambayo sasa inatumika kila mahali, kutoka kwa vifaa vya nyumbani (ngazi ya laser, nk) hadi mifumo ya juu ya teknolojia (laser kwa marekebisho ya maono, hello. ) Itakuwa jambo la busara kudhani kwamba mapema au baadaye mtu atakuja na wazo kwamba kwa nini usitumie mifumo ya quantum kwa kompyuta. Na kisha mnamo 1980 ilifanyika.
Wikipedia inaonyesha kuwa wazo la kwanza la kompyuta ya quantum lilionyeshwa mnamo 1980 na mwanasayansi wetu Yuri Manin. Lakini kwa kweli walianza kuzungumza juu yake tu mnamo 1981, wakati R. Feynman anayejulikana , alibainisha kuwa haiwezekani kuiga mageuzi ya mfumo wa quantum kwenye kompyuta ya classical kwa njia ya ufanisi. Alipendekeza mfano wa msingi , ambayo itaweza kutekeleza modeli kama hiyo.
Kuna , ambapo inazingatiwa zaidi kitaaluma na kwa undani, lakini tutapitia kwa ufupi:
Hatua kuu katika historia ya kuunda kompyuta za quantum:
- [1994]. P. Pwani. Iliyoundwa na
- [1998]. Imeundwa
- [2001]. IBM ilianzisha utekelezaji kwa upanuzi wa nambari 15
- [2007-2016]. inaunda na kukuza kompyuta yenye qubits 128-2000
- [2012]. Imetekelezwa katika Chuo Kikuu cha California
- [2016]. Google kwenye kompyuta ya qubit 9
- [2017]. (atomi tatu)
- [2019]. . Kompyuta ya qubit 20 kwenye wingu
- [2019]. . 53 qubit kompyuta. ?
Kama unaweza kuona, miaka 17 imepita (kutoka 1981 hadi 1998) kutoka wakati wa wazo hadi utekelezaji wake wa kwanza kwenye kompyuta iliyo na qubits 2, na miaka 21 (kutoka 1998 hadi 2019) hadi wakati ambapo idadi ya qubits iliongezeka. kwa 53. Ilichukua miaka 11 (kutoka 2001 hadi 2012) kuboresha matokeo ya algorithm ya Shor (tutaiangalia kwa undani zaidi baadaye) kutoka nambari 15 hadi 21. Pia, miaka mitatu tu iliyopita tulifikia hatua ya kutekeleza kile Feynman alichozungumza, na jifunze kuiga mifumo rahisi zaidi ya mwili.
Maendeleo ya kompyuta ya quantum ni polepole. Wanasayansi na wahandisi wanakabiliwa na kazi ngumu sana, majimbo ya quantum ni ya muda mfupi sana na dhaifu, na ili kuwahifadhi kwa muda wa kutosha kufanya mahesabu, wanapaswa kujenga sarcophagi kwa makumi ya mamilioni ya dola, ambayo joto huhifadhiwa. juu tu ya sifuri kabisa, na ambazo zinalindwa kwa kiwango cha juu dhidi ya athari za nje. Ifuatayo, tutazungumza juu ya kazi hizi na shida kwa undani zaidi.
Wachezaji Wanaoongoza
Slaidi za sehemu hii zimechukuliwa kutoka kwa kifungu , kutoka kwa mtafiti Alexey Fedorov. Acha nikupe nukuu za moja kwa moja:
Nchi zote zilizofanikiwa kiteknolojia kwa sasa zinaendeleza kikamilifu teknolojia ya quantum. Kiasi kikubwa cha pesa kinawekezwa katika utafiti huu, na programu maalum za kusaidia teknolojia za quantum zinaundwa.
Sio tu majimbo, lakini pia kampuni za kibinafsi zinashiriki katika mbio za quantum. Kwa jumla, Google, IBM, Intel na Microsoft hivi karibuni wamewekeza karibu dola bilioni 0,5 katika maendeleo ya kompyuta za quantum na kuunda maabara kubwa na vituo vya utafiti.
Kuna nakala nyingi juu ya Habre na kwenye Mtandao, kwa mfano, , ΠΈ , ambayo hali ya sasa ya mambo na maendeleo ya teknolojia ya quantum katika nchi tofauti inachunguzwa kwa undani zaidi. Jambo kuu kwetu sasa ni kwamba nchi zote zinazoongoza kwa maendeleo ya teknolojia na wachezaji wanawekeza kiasi kikubwa cha fedha katika utafiti katika mwelekeo huu, ambayo inatoa matumaini ya njia ya kutoka kwa msuguano wa sasa wa teknolojia.
Maagizo ya maendeleo
Kwa sasa (ninaweza kuwa na makosa, nirekebishe) juhudi kuu (na matokeo muhimu zaidi au chini) ya wachezaji wote wanaoongoza yanajikita katika maeneo mawili:
- Kompyuta maalum za quantum, ambayo inalenga kutatua tatizo moja maalum, kwa mfano, tatizo la utoshelezaji. Mfano wa bidhaa ni kompyuta za quantum za D-Wave.
- Kompyuta za Universal quantum - ambayo ina uwezo wa kutekeleza algorithms ya quantum ya kiholela (Shor, Grover, nk). Utekelezaji kutoka IBM, Google.
Vekta zingine za maendeleo ambazo fizikia ya quantum inatupa, kama vile:
- kama msingi wa
- na mengi zaidi
Bila shaka, pia iko kwenye orodha ya maeneo ya utafiti, lakini kwa sasa inaonekana kuwa hakuna matokeo muhimu zaidi au chini.
Zaidi ya hayo unaweza kusoma , google"", Kwa mfano, , ΠΈ .
Misingi. Kitu cha quantum na mifumo ya quantum
Jambo muhimu zaidi kuelewa kutoka kwa sehemu hii ni kwamba
Kompyuta ya quantum (tofauti na kawaida) hutumika kama watoa taarifa vitu vya quantum, na kufanya mahesabu, vitu vya quantum lazima viunganishwe ndani mfumo wa quantum.
Kitu cha quantum ni nini?
Kitu cha quantum - kitu cha ulimwengu mdogo (ulimwengu wa quantum) ambayo inaonyesha mali ya quantum:
- Ina hali iliyobainishwa yenye viwango viwili vya mipaka
- Iko katika nafasi ya juu ya hali yake hadi wakati wa kipimo
- Inajifunga yenyewe na vitu vingine ili kuunda mifumo ya quantum
- Inatosheleza nadharia ya kutoiga (hali ya kitu haiwezi kunakiliwa)
Wacha tuangalie kila mali kwa undani zaidi:
Ina hali iliyoainishwa yenye viwango viwili vya mipaka (hali ya mwisho)
Mfano wa ulimwengu halisi ni sarafu. Ina hali ya "upande", ambayo inachukua viwango viwili vya mipaka - "vichwa" na "mikia".
Iko katika nafasi ya juu ya hali yake hadi wakati wa kipimo
Walitupa sarafu, inaruka na inazunguka. Wakati inazunguka, haiwezekani kusema ni katika viwango gani vya mipaka hali yake ya "upande" iko. Lakini mara tu tunapoipiga chini na kuangalia matokeo, nafasi ya juu ya majimbo mara moja huanguka katika moja ya majimbo mawili ya mipaka - "vichwa" na "mikia". Kupiga sarafu kwa upande wetu ni kipimo.
Inajifunga yenyewe na vitu vingine ili kuunda mifumo ya quantum
Ni ngumu na sarafu, lakini hebu tujaribu. Hebu fikiria tulirusha sarafu tatu ili zizunguke zikishikana, hii ni mauzauza na sarafu. Katika kila wakati wa wakati, sio tu kila moja yao iko katika nafasi ya juu ya majimbo, lakini majimbo haya huathiri kila mmoja (sarafu zinagongana).
Inatosheleza nadharia ya kutoiga (hali ya kitu haiwezi kunakiliwa)
Wakati sarafu zinaruka na kuzunguka, hakuna njia tunaweza kuunda nakala ya hali ya mzunguko wa sarafu yoyote, tofauti na mfumo. Mfumo huishi ndani yake na ni wivu sana wa kutoa habari yoyote kwa ulimwengu wa nje.
Maneno machache zaidi kuhusu dhana yenyewe "nafasi kuu", katika karibu makala yote superposition inaelezwa kama "ni katika majimbo yote kwa wakati mmoja", ambayo, bila shaka, ni kweli, lakini wakati fulani inachanganya bila sababu. Ukubwa wa majimbo pia unaweza kufikiria kama ukweli kwamba kwa kila wakati wa wakati kitu cha quantum kina kuna uwezekano fulani wa kuporomoka katika kila ngazi yake ya mipaka, na kwa jumla uwezekano huu ni sawa na 1.. Baadaye, wakati wa kuzingatia qubit, tutakaa juu ya hili kwa undani zaidi.
Kwa sarafu, hii inaweza kuonekana - kulingana na kasi ya awali, angle ya kutupa, hali ya mazingira ambayo sarafu inaruka, kwa kila wakati kwa wakati uwezekano wa kupata "vichwa" au "mikia" ni tofauti. Na, kama ilivyotajwa hapo awali, hali ya sarafu kama hiyo inayoruka inaweza kuzingatiwa kama "kuwa katika majimbo yake yote ya mpaka kwa wakati mmoja, lakini kwa uwezekano tofauti wa utekelezaji wake."
Kitu chochote ambacho sifa zilizo hapo juu zimetimizwa na ambazo tunaweza kuunda na kudhibiti kinaweza kutumika kama mtoa taarifa katika kompyuta ya quantum.
Zaidi kidogo tutazungumza juu ya hali ya sasa ya mambo na utekelezaji wa kimwili wa qubits kama vitu vya quantum, na kile wanasayansi wanatumia sasa katika uwezo huu.
Kwa hivyo mali ya tatu inasema kwamba vitu vya quantum vinaweza kuingizwa ili kuunda mifumo ya quantum. Mfumo wa quantum ni nini?
Mfumo wa quantum - mfumo wa vitu vya quantum vilivyofungwa na sifa zifuatazo:
- Mfumo wa quantum uko katika nafasi ya juu ya majimbo yote yanayowezekana ya vitu ambavyo vinajumuisha
- Haiwezekani kujua hali ya mfumo hadi wakati wa kipimo
- Wakati wa kipimo, mfumo unatumia mojawapo ya chaguzi zinazowezekana za majimbo yake ya mipaka
(na, kuangalia mbele kidogo)
Corollary kwa programu za quantum:
- Programu ya quantum ina hali fulani ya mfumo kwenye pembejeo, nafasi ya juu ndani, nafasi ya juu kwenye pato.
- Katika matokeo ya programu baada ya kipimo tunayo utekelezaji wa uwezekano wa mojawapo ya majimbo ya mwisho ya mfumo (pamoja na makosa iwezekanavyo)
- Programu yoyote ya quantum ina usanifu wa chimney (pembejeo -> pato. Hakuna vitanzi, huwezi kuona hali ya mfumo katikati ya mchakato.)
Ulinganisho wa kompyuta ya quantum na ya kawaida
Hebu sasa tulinganishe kompyuta ya kawaida na quantum moja.
| kompyuta ya kawaida | Kompyuta ya quantum | |
|
Mantiki
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fizikia
|
Semiconductor transistor | Kitu cha quantum |
|
Mtoa huduma wa media
|
Viwango vya voltage | Polarization, spin, ... |
|
Operesheni
|
SI, NA, AU, XOR juu ya bits | Vali: CNOT, Hadamard,... |
|
Uhusiano
|
Chip ya semiconductor | Kuchanganyikiwa na kila mmoja |
|
Algorithms
|
Kawaida (angalia Whip) | Maalum (Pwani, Grover) |
|
Kanuni
|
Digital, deterministic | Analogi, uwezekano |
Kiwango cha mantiki
Katika kompyuta ya kawaida hii ni kidogo. Inajulikana kwetu kupitia na kupitia biti ya kuamua. Inaweza kuchukua maadili ya 0 au 1. Inakabiliana kikamilifu na jukumu kitengo cha mantiki kwa kompyuta ya kawaida, lakini haifai kabisa kuelezea hali kitu cha quantum, ambayo, kama tulivyokwisha sema, porini iko ndaninafasi za juu za majimbo yao ya mipaka.
Hivi ndivyo walivyokuja na . Katika majimbo yake ya mpaka inatambua majimbo sawa na 0 na 1 , na katika nafasi ya juu inawakilisha usambazaji wa uwezekano juu ya majimbo yake ya mipaka |0> ΠΈ |1>:
a|0> + b|1>, ΡΠ°ΠΊΠΎΠ΅, ΡΡΠΎ a^2+b^2=1a na b kuwakilisha , na mraba wa moduli zao ni uwezekano halisi wa kupata maadili kama haya ya majimbo ya mpaka. |0> ΠΈ |1>, ukikunja qubit kwa kipimo sasa hivi.
Safu ya kimwili
Katika ngazi ya sasa ya teknolojia ya maendeleo, utekelezaji wa kimwili wa kidogo kwa kompyuta ya kawaida ni transistor ya semiconductor, kwa quantum, kama tulivyokwisha sema, kitu chochote cha quantum. Katika sehemu inayofuata tutazungumza juu ya kile kinachotumika sasa kama media ya mwili kwa qubits.
Uhifadhi wa kati
Kwa kompyuta ya kawaida hii ni umeme - viwango vya voltage, kuwepo au kutokuwepo kwa sasa, nk, kwa quantum - sawa hali ya kitu cha quantum (mwelekeo wa polarization, spin, nk), ambayo inaweza kuwa katika hali ya juu.
Operesheni
Ili kutekeleza nyaya za mantiki kwenye kompyuta ya kawaida, tunatumia inayojulikana , kwa ajili ya uendeshaji kwenye qubits ilikuwa ni lazima kuja na mfumo tofauti kabisa wa uendeshaji, unaoitwa . Gates inaweza kuwa moja-qubit au mbili-qubit, kulingana na jinsi qubits nyingi zinabadilishwa.
Mifano ya milango ya quantum:
Kuna dhana seti ya valve ya ulimwengu wote, ambayo ni ya kutosha kufanya hesabu yoyote ya quantum. Kwa mfano, seti ya jumla inajumuisha lango la Hadamard, lango la mabadiliko ya awamu, lango la CNOT, na lango Οβ8. Kwa msaada wao, unaweza kufanya hesabu yoyote ya quantum kwenye seti ya kiholela ya qubits.
Katika nakala hii hatutakaa kwa undani juu ya mfumo wa milango ya quantum; unaweza kusoma zaidi juu yao na shughuli za kimantiki kwenye qubits, kwa mfano, . Jambo kuu la kukumbuka:
- Uendeshaji kwenye vitu vya quantum unahitaji uundaji wa waendeshaji mpya wa kimantiki (milango ya quantum)
- Milango ya Quantum huja katika aina za qubit moja na mbili-qubit.
- Kuna seti zima za milango ambayo inaweza kutumika kufanya hesabu yoyote ya quantum
Uhusiano
Transistor moja haina maana kabisa kwetu; ili kufanya mahesabu tunahitaji kuunganisha transistors nyingi kwa kila mmoja, ambayo ni, kuunda chip ya semiconductor kutoka kwa mamilioni ya transistors ambayo inaweza kujenga mizunguko ya kimantiki, na, hatimaye, pata processor ya kisasa katika fomu yake ya classic.
Kubiti moja pia haina maana kwetu (vizuri, ikiwa tu kwa maneno ya kitaaluma),
kufanya mahesabu tunahitaji mfumo wa qubits (vitu vya quantum)
ambayo, kama tulivyokwisha sema, huundwa kwa kuunganisha qubits na kila mmoja ili mabadiliko katika majimbo yao yatokee kwa njia iliyoratibiwa.
Algorithms
Algorithms ya kawaida ambayo ubinadamu umekusanya hadi sasa haifai kabisa kwa utekelezaji kwenye kompyuta ya quantum. Ndiyo, kwa ujumla hakuna haja. Kompyuta za quantum kulingana na mantiki ya lango juu ya qubits zinahitaji kuundwa kwa algorithms tofauti kabisa, algorithms ya quantum. Kati ya algorithms inayojulikana zaidi ya quantum, tatu zinaweza kutofautishwa:
- (factorization)
- (tafuta haraka katika hifadhidata isiyopangwa)
- (jibu la swali, kazi ya mara kwa mara au ya usawa)
Kanuni
Na tofauti muhimu zaidi ni kanuni ya uendeshaji. Kwa kompyuta ya kawaida hii ni kanuni ya kidijitali, yenye uamuzi madhubuti, kwa kuzingatia ukweli kwamba ikiwa tunaweka hali fulani ya awali ya mfumo na kuipitisha kupitia algorithm iliyotolewa, basi matokeo ya mahesabu yatakuwa sawa, bila kujali mara ngapi tunaendesha hesabu hii. Kwa kweli, tabia hii ndiyo tunayotarajia kutoka kwa kompyuta.
Kompyuta ya Quantum inawasha analog, kanuni ya uwezekano. Matokeo ya algorithm fulani katika hali fulani ya awali ni sampuli kutoka kwa usambazaji wa uwezekano utekelezaji wa mwisho wa algorithm pamoja na makosa iwezekanavyo.
Asili hii ya uwezekano wa kompyuta ya quantum inatokana na kiini cha uwezekano wa ulimwengu wa quantum. "Mungu hachezi kete na ulimwengu.", alisema mzee Einstein, lakini majaribio yote na uchunguzi hadi sasa (katika dhana ya sasa ya kisayansi) inathibitisha kinyume chake.
Utekelezaji wa kimwili wa qubits
Kama tulivyokwisha sema, qubit inaweza kuwakilishwa na kitu cha quantum, ambayo ni, kitu cha mwili ambacho hutekelezea mali ya quantum iliyoelezewa hapo juu. Hiyo ni, takribani kusema, kitu chochote cha kimwili ambacho kuna majimbo mawili na hali hizi mbili ziko katika hali ya juu inaweza kutumika kujenga kompyuta ya quantum.
"Ikiwa tunaweza kuweka atomi katika viwango viwili tofauti na kuzidhibiti, basi una qubit. Ikiwa tunaweza kufanya hivi na ioni, ni qubit. Ni sawa na mkondo. Ikiwa tutaiendesha kwa mwendo wa saa na kinyume na saa kwa wakati mmoja, una qubit."
Kuna ΠΊ , ambayo aina ya sasa ya utekelezaji wa kimwili wa qubit inazingatiwa kwa undani zaidi, tutaorodhesha tu inayojulikana zaidi na ya kawaida:
- na mawazo mengine mengi ya kigeni (anions, nk)
Kati ya utofauti huu wote, iliyoendelezwa zaidi ni njia ya kwanza ya kupata qubits, kulingana na . , , na wachezaji wengine wakuu wanaitumia kujenga mifumo yao.
Naam, soma zaidi inawezekana qubits kutoka .
Misingi. Jinsi kompyuta ya quantum inavyofanya kazi
Nyenzo za sehemu hii (kazi na picha) zinachukuliwa kutoka kwa kifungu .
Kwa hivyo, fikiria kuwa tunayo kazi ifuatayo:
Kuna kundi la watu watatu: (A)ndrey, (B)olodya na (C)erezha. Kuna teksi mbili (0 na 1).
Pia inajulikana kuwa:
- (A)ndrey, (B)olodya ni marafiki
- (A)ndrey, (C)erezha ni maadui
- (B)olodya na (C)erezha ni maadui
Kazi: Weka watu kwenye teksi ili Max (marafiki) ΠΈ Wadogo (maadui)
Rating: L = (idadi ya marafiki) - (idadi ya maadui) kwa kila chaguo la malazi
MUHIMU: Kwa kudhani kwamba hakuna heuristics, hakuna suluhisho mojawapo. Katika kesi hii, tatizo linaweza kutatuliwa tu kwa utafutaji kamili wa chaguzi.
Suluhisho kwenye kompyuta ya kawaida
Jinsi ya kutatua tatizo hili kwenye kompyuta ya kawaida (ya juu) (au nguzo) - ni wazi kwamba unahitaji kuzunguka kupitia chaguzi zote zinazowezekana. Ikiwa tuna mfumo wa vichakataji vingi, basi tunaweza kusawazisha hesabu ya suluhu kwenye vichakataji kadhaa na kisha kukusanya matokeo.
Tuna chaguzi 2 za malazi zinazowezekana (teksi 0 na teksi 1) na watu 3. Nafasi ya suluhisho 2^3 = 8. Unaweza hata kupitia chaguzi 8 kwa kutumia kikokotoo, hili sio tatizo. Sasa wacha tufanye shida - tuna watu 20 na mabasi mawili, nafasi ya suluhisho 2^20 = 1. Hakuna kitu ngumu pia. Wacha tuongeze idadi ya watu kwa mara 2.5 - chukua watu 50 na treni mbili, nafasi ya suluhisho iko sasa. 2^50 = 1.12 x 10^15. Kompyuta ya kawaida (super) tayari inaanza kuwa na matatizo makubwa. Wacha tuongeze idadi ya watu kwa mara 2, watu 100 watatupa tayari 1.2 x 10 ^ 30 chaguzi zinazowezekana.
Hiyo ndiyo yote, kazi hii haiwezi kuhesabiwa kwa muda unaofaa.
Kuunganisha kompyuta kuu
Kompyuta yenye nguvu zaidi kwa sasa ni nambari 1 ya ni , tija 122 . Wacha tufikirie kuwa tunahitaji shughuli 100 kuhesabu chaguo moja, kisha kutatua shida kwa watu 100 tutahitaji:
(1.2 x 10^30 100) / 122Γ10^15 / (606024365) = 3 x 10^miaka 37.
Kama tunaweza kuona kadri ukubwa wa data ya awali unavyoongezeka, nafasi ya suluhisho inakua kulingana na sheria ya nguvu, katika hali ya jumla, kwa bits N tuna 2 ^ N chaguzi za ufumbuzi zinazowezekana, ambazo kwa kiasi kidogo N (100) hutupa nafasi ya ufumbuzi isiyohesabiwa (katika kiwango cha sasa cha teknolojia).
Je, kuna njia mbadala? Kama unavyoweza kudhani, ndio, kuna.
Lakini kabla ya kuingia katika jinsi na kwa nini kompyuta za quantum zinaweza kutatua matatizo kama haya kwa ufanisi, hebu tuchukue muda kuelezea ni nini. usambazaji wa uwezekano. Usifadhaike, hii ni nakala ya mapitio, hakutakuwa na hesabu yoyote ngumu hapa, tutafanya na mfano wa classic na mfuko na mipira.
Combinatorics kidogo tu, nadharia ya uwezekano na majaribio ya ajabu
Hebu tuchukue begi na kuiweka ndani yake Mipira 1000 nyeupe na 1000 nyeusi. Tutafanya jaribio - toa mpira, andika rangi, rudisha mpira kwenye begi na uchanganye mipira kwenye begi.
Jaribio lilifanyika mara 10, akatoa mipira 10 nyeusi. Labda? Kabisa. Je, sampuli hii inatupa wazo lolote linalofaa la usambazaji wa kweli kwenye mfuko? Ni wazi sivyo. Nini kinahitajika kufanywa - sawa, prudia jaribio mara milioni na uhesabu masafa ya mipira nyeusi na nyeupe. Tunapata, kwa mfano 49.95% nyeusi na 50.05% nyeupe. Katika kesi hii, muundo wa usambazaji ambao tunachukua sampuli (kuchukua mpira mmoja) tayari uko wazi zaidi au chini.
Jambo kuu ni kuelewa hilo jaribio lenyewe lina asili ya uwezekano, na sampuli moja (mpira) hatutajua muundo wa kweli wa usambazaji, tunahitaji kurudia jaribio mara nyingi na wastani wa matokeo.
Wacha tuiongeze kwenye begi letu Mipira 10 nyekundu na 10 ya kijani (makosa). Wacha turudie jaribio mara 10. KATIKAvunjwa 5 nyekundu na 5 kijani. Labda? Ndiyo. Tunaweza kusema kitu kuhusu usambazaji wa kweli - Hapana. Nini kinahitajika kufanywa - vizuri, unaelewa.
Ili kupata uelewa wa muundo wa usambazaji wa uwezekano, ni muhimu kurudia sampuli ya matokeo ya mtu binafsi kutoka kwa usambazaji huu na wastani wa matokeo.
Kuunganisha nadharia na mazoezi
Sasa badala ya mipira nyeusi na nyeupe, hebu tuchukue mipira ya billiard na kuiweka kwenye mfuko Mipira 1000 yenye namba 2, 1000 yenye namba 7 na mipira 10 yenye namba nyingine.. Wacha tufikirie mjaribio ambaye amefunzwa kwa vitendo rahisi zaidi (chukua mpira, andika nambari, weka mpira kwenye begi, changanya mipira kwenye begi) na anafanya hivi kwa sekunde 150. Kweli, mjaribu kama huyo kwa kasi (sio tangazo la dawa !!!). Kisha katika sekunde 150 ataweza kufanya jaribio letu mara milioni 1 na kutupa matokeo ya wastani.
Walikaa chini majaribio, wakampa begi, wakageuka, wakangoja sekunde 150 na kupokea:
nambari 2 - 49.5%, nambari 7 - 49.5%, nambari zilizobaki kwa jumla - 1%.
Ndiyo hiyo ni sahihi, begi letu ni kompyuta ya quantum yenye algoriti ambayo hutatua tatizo letu, na mipira ni suluhisho zinazowezekana. Kwa kuwa kuna suluhisho mbili sahihi, basi kompyuta ya quantum itatupa suluhu zozote kati ya hizi zinazowezekana na uwezekano sawa, na makosa 0.5% (10/2000), ambayo tutazungumzia baadaye.
Ili kupata matokeo ya kompyuta ya quantum, unahitaji kuendesha algorithm ya quantum mara nyingi kwenye seti sawa ya data ya pembejeo na wastani wa matokeo.
Scalability ya kompyuta ya quantum
Sasa fikiria kwamba kwa kazi inayohusisha watu 100 (nafasi ya suluhisho 2^100 tunakumbuka hili), pia kuna maamuzi mawili tu sahihi. Halafu, ikiwa tutachukua qubits 100 na kuandika algoriti inayohesabu kazi ya lengo (L, tazama hapo juu) juu ya qubits hizi, basi tutapata begi ambalo kutakuwa na mipira 1000 na nambari ya jibu sahihi la kwanza, 1000 na idadi ya jibu la pili sahihi na mipira 10 yenye nambari zingine. Na ndani ya sekunde 150 zile zile mjaribio wetu atatupa makadirio ya usambazaji wa uwezekano wa majibu sahihi..
Wakati wa utekelezaji wa algorithm ya quantum (pamoja na mawazo kadhaa) inaweza kuzingatiwa mara kwa mara O(1) kwa heshima na kipimo cha nafasi ya suluhisho (2^N).
Na hii ni mali ya kompyuta ya quantum - uthabiti wa wakati wa kukimbia kuhusiana na kuongezeka kwa utata wa sheria ya nguvu ya nafasi ya ufumbuzi ni muhimu.
Ulimwengu wa Qubit na sambamba
Je, hii hutokeaje? Ni nini huruhusu kompyuta ya quantum kufanya hesabu haraka sana? Yote ni juu ya asili ya quantum ya qubit.
Angalia, tulisema kwamba qubit ni kama kitu cha quantum inatambua mojawapo ya majimbo yake mawili inapozingatiwa, lakini katika "asili ya mwitu" iko ndani nafasi za juu za majimbo, yaani, iko katika majimbo yake yote mawili ya mipaka kwa wakati mmoja (pamoja na uwezekano fulani).
Hebu tuchukue (A) Andreya na fikiria hali yake (ambayo gari iko - 0 au 1) kama qubit. Halafu tunayo (katika nafasi ya quantum) dunia mbili sambamba, katika moja (LAKINI) anakaa kwenye teksi 0, katika ulimwengu mwingine - kwenye teksi 1. Katika teksi mbili kwa wakati mmoja, lakini kwa uwezekano fulani wa kuipata katika kila moja yao wakati wa uchunguzi.
Hebu tuchukue (B) vijana na wacha pia tufikirie hali yake kama qubit. Ulimwengu zingine mbili zinazofanana zinaibuka. Lakini kwa sasa jozi hizi za walimwengu (LAKINI) ΠΈ (KATIKA) usiingiliane kabisa. Nini kifanyike ili kuunda kuhusiana mfumo? Hiyo ni kweli, tunahitaji qubits hizi funga (kuchanganya). Tunaichukua na kuichanganya (A) na (B) - tunapata mfumo wa quantum wa qubits mbili (A, B), kutambua ndani yenyewe nne kutegemeana ulimwengu sambamba. Ongeza (S) ergey na tunapata mfumo wa qubits tatu (ABC), kutekeleza nane kutegemeana ulimwengu sambamba.
Kiini cha kompyuta ya quantum (utekelezaji wa mlolongo wa milango ya quantum juu ya mfumo wa qubits zilizounganishwa) ni ukweli kwamba hesabu hutokea katika ulimwengu wote wa sambamba wakati huo huo.
Na haijalishi ni ngapi kati yao, 2^3 au 2^100, algorithm ya quantum itatekelezwa kwa wakati ulio na kikomo juu ya ulimwengu wote huu sambamba na itatupatia matokeo, ambayo ni sampuli kutoka kwa uwezekano wa usambazaji wa majibu ya algoriti.
Kwa ufahamu bora, mtu anaweza kufikiria hilo kompyuta ya quantum katika kiwango cha quantum huendesha michakato ya 2^N ya suluhisho sambamba, kila mmoja ambaye anafanya kazi kwa chaguo moja iwezekanavyo, kisha hukusanya matokeo ya kazi - na inatupa jibu kwa namna ya utangulizi wa suluhisho (uwezekano wa usambazaji wa majibu), ambapo tunatoa sampuli moja kila wakati (kwa kila jaribio).
Kumbuka wakati unaohitajika na mjaribu wetu (150 Β΅s) kufanya majaribio, hii itakuwa na manufaa kwetu kidogo zaidi, tunapozungumzia matatizo makuu ya kompyuta za quantum na wakati wa kuunganishwa.
Algorithms ya Quantum
Kama ilivyotajwa tayari, algorithms za kawaida kulingana na mantiki ya binary hazitumiki kwa kompyuta ya quantum kwa kutumia mantiki ya quantum (milango ya quantum). Kwa ajili yake, ilikuwa ni lazima kuja na mpya ambazo zinatumia kikamilifu uwezo uliopo katika asili ya quantum ya kompyuta.
Algorithms inayojulikana zaidi leo ni:
Tofauti na zile za classical, kompyuta za quantum sio zima.
Ni idadi ndogo tu ya algorithms ya quantum imepatikana hadi sasa.
Shukrani kwa kiungo cha , mahali ambapo, kulingana na mwandishi (), wawakilishi bora wa ulimwengu wa quantum-algorithmic wamekusanywa na wanaendelea kukusanyika.
Katika nakala hii hatutachambua algorithms za quantum kwa undani; kuna vifaa vingi bora kwenye mtandao kwa kiwango chochote cha ugumu, lakini bado tunahitaji kupitia kwa ufupi zile tatu maarufu zaidi.
Algorithm ya Shor.
Algorithm maarufu ya quantum ni (iliyovumbuliwa mnamo 1994 na mwanahisabati wa Kiingereza ), ambayo inalenga kusuluhisha shida ya kuhesabu nambari kuwa sababu kuu (shida ya uainishaji, logarithm ya kipekee).
Ni algorithm hii ambayo inatajwa kama mfano wanapoandika kwamba mifumo na nywila zako za benki zitadukuliwa hivi karibuni. Kwa kuzingatia kwamba urefu wa funguo zilizotumiwa leo sio chini ya bits 2048, wakati wa cap bado haujafika.
Hadi leo zaidi ya kiasi. Matokeo Bora ya Uainishaji na Algorithm ya Shor - Nambari ΠΈ , ambayo ni chini sana kuliko bits 2048. Kwa matokeo iliyobaki kutoka kwa meza, tofauti mahesabu, lakini hata matokeo bora kulingana na algorithm hii (291311) ni mbali sana na maombi halisi.
Unaweza kusoma zaidi juu ya algorithm ya Shor, kwa mfano,. Kuhusu utekelezaji wa vitendo - .
Moja ya utata na nguvu zinazohitajika kuangazia nambari ya 2048-bit ambayo kompyuta nayo . Tunalala kwa amani.
Algorithm ya Grover
- kutatua tatizo la kuhesabu, yaani, kutafuta suluhu ya mlinganyo F(X) = 1, ambapo F kutoka n vigezo. Ilipendekezwa na mwanahisabati wa Marekani Π² .
Algorithm ya Grover inaweza kutumika kupata ΠΈ mfululizo wa nambari. Kwa kuongeza, inaweza kutumika kutatua matatizo kupitia utafutaji wa kina kati ya suluhisho nyingi zinazowezekana. Hii inaweza kujumuisha faida kubwa za kasi ikilinganishwa na algorithms ya zamani, ingawa bila kutoa "" kwa ujumla.
Unaweza kusoma zaidiAu . Zaidi Kuna maelezo mazuri ya algorithm kwa kutumia mfano wa masanduku na mpira, lakini, kwa bahati mbaya, kwa sababu zaidi ya udhibiti wa mtu yeyote, tovuti hii haifunguzi kwangu kutoka Urusi. Ikiwa unayo pia imezuiwa, kwa hivyo hapa kuna muhtasari mfupi:
Algorithm ya Grover. Fikiria kuwa una vipande N vya visanduku vilivyofungwa vilivyo na nambari. Zote ni tupu isipokuwa moja, ambayo ina mpira. Kazi yako: tafuta namba ya sanduku ambalo mpira unapatikana (nambari hii isiyojulikana mara nyingi inaonyeshwa na barua w).
Jinsi ya kutatua tatizo hili? Njia ya kijinga ni kuchukua zamu kufungua masanduku, na mapema au baadaye utakutana na sanduku na mpira. Kwa wastani, ni masanduku ngapi yanahitaji kuangaliwa kabla ya sanduku lenye mpira kupatikana? Kwa wastani, unahitaji kufungua takriban nusu ya visanduku vya N/2. Jambo kuu hapa ni kwamba ikiwa tunaongeza idadi ya masanduku kwa mara 100, basi idadi ya wastani ya masanduku ambayo yanahitaji kufunguliwa kabla ya sanduku na mpira kupatikana pia itaongezeka kwa mara 100 sawa.
Sasa hebu tufanye ufafanuzi mmoja zaidi. Tusifungue masanduku sisi wenyewe kwa mikono yetu na kuangalia uwepo wa mpira katika kila mmoja, lakini kuna mpatanishi fulani, tumwite Oracle. Tunaambia Oracle, "kisanduku tiki nambari 732," na Oracle hukagua na kujibu kwa uaminifu, "hakuna mpira kwenye kisanduku nambari 732." Sasa, badala ya kusema ni sanduku ngapi tunahitaji kufungua kwa wastani, tunasema "ni mara ngapi kwa wastani tunapaswa kwenda Oracle ili kupata nambari ya sanduku na mpira"
Inabadilika kuwa ikiwa tunatafsiri shida hii na masanduku, mpira na Oracle kwa lugha ya quantum, tunapata matokeo ya kushangaza: kupata idadi ya sanduku na mpira kati ya masanduku N, tunahitaji kuvuruga Oracle tu kuhusu SQRT. (N) mara!
Hiyo ni, utata wa kazi ya utafutaji kwa kutumia algorithm ya Grover imepunguzwa na mizizi ya mraba ya nyakati.
Algorithm ya Deutsch-Jozi
Algorithm ya Deutsch-Jozsa (pia inajulikana kama algorithm ya Deutsch-Jozsa) - [quantum algorithm](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), ΠΏΡΠ΅Π΄Π»ΠΎΠΆΠ΅Π½Π½ΡΠΉ ΠΈ Π² , na ikawa moja ya mifano ya kwanza ya algoriti iliyoundwa kutekelezwa . _
Shida ya Deutsch-Jozsi ni kubaini ikiwa utendaji wa vigeu kadhaa vya binary F(x1, x2, ... xn) ni thabiti (inachukua ama thamani 0 au 1 kwa hoja zozote) au kusawazishwa (kwa nusu ya kikoa inachukua. thamani 0, kwa nusu nyingine 1). Katika kesi hii, inachukuliwa kuwa priori inayojulikana kuwa kazi ni ya kudumu au ya usawa.
Unaweza pia kusoma . Maelezo rahisi zaidi:
Algoriti ya Deutsch (Deutsch-Jozsi) inategemea nguvu ya kinyama, lakini inaruhusu ifanyike haraka kuliko kawaida. Fikiria kuwa kuna sarafu kwenye meza na unahitaji kujua ikiwa ni bandia au la. Ili kufanya hivyo, unahitaji kutazama sarafu mara mbili na kuamua: "vichwa" na "mikia" ni halisi, "vichwa" viwili, "mikia" miwili ni bandia. Kwa hivyo, ikiwa unatumia algorithm ya Deutsch quantum, basi uamuzi huu unaweza kufanywa kwa mtazamo mmoja - kipimo.
Matatizo ya kompyuta za quantum
Wakati wa kubuni na kuendesha kompyuta za quantum, wanasayansi na wahandisi wanakabiliwa na idadi kubwa ya matatizo, ambayo hadi sasa yametatuliwa kwa viwango tofauti vya mafanikio. Kulingana na () mfululizo wa matatizo yafuatayo yanaweza kutambuliwa:
- Usikivu kwa mazingira na mwingiliano na mazingira
- Mkusanyiko wa makosa wakati wa kuhesabu
- Ugumu na uanzishaji wa awali wa majimbo ya qubit
- Ugumu katika kuunda mifumo ya qubit nyingi
Ninapendekeza sana kusoma makala "β, haswa maoni yake.
Wacha tupange shida zote kuu katika vikundi vitatu vikubwa na tuangalie kwa karibu kila moja yao:
Mshikamano
.
Jimbo la Quantum kitu tete sanaqubits katika hali iliyochanganyikiwa sio thabiti sana, ushawishi wowote wa nje unaweza (na hufanya) kuharibu muunganisho huu. Mabadiliko ya halijoto kwa sehemu ndogo zaidi ya digrii, shinikizo, fotoni nasibu inayoruka karibu - yote haya yanahatarisha mfumo wetu.
Ili kutatua tatizo hili, sarcophagi ya chini ya joto hujengwa, ambayo joto (-273.14 digrii Celsius) ni kidogo juu ya sifuri kabisa, na kutengwa kwa upeo wa chumba cha ndani na processor kutoka kwa ushawishi wote (unaowezekana) wa mazingira ya nje.
Upeo wa maisha ya mfumo wa quantum wa qubits kadhaa zilizopigwa, wakati ambapo huhifadhi mali zake za quantum na inaweza kutumika kwa mahesabu, inaitwa wakati wa kuunganishwa.
Hivi sasa, wakati wa kutengana katika suluhisho bora za quantum ni kwa mpangilio wa makumi na mamia ya microseconds.
Kuna ajabu ambapo unaweza kuangalia ya mifumo yote iliyoundwa ya quantum. Kifungu hiki kinajumuisha vichakataji viwili tu vya juu kama mifano - kutoka kwa IBM na kutoka . Kama tunaweza kuona, wakati wa kutengana (T2) hauzidi 200 ΞΌs.
Sikupata data halisi juu ya Sycamore, lakini zaidi nambari mbili zinatolewa - Mahesabu milioni 1 kwa sekunde 200, mahali pengine - kwa Sekunde 130 bila kupoteza ishara za udhibiti, nk.. Kwa hali yoyote, hii inatupa wakati wa kutengana ni karibu 150 ΞΌs. Kumbuka yetu majaribio na mfuko? Naam, yuko hapa.
| Jina la Kompyuta | N Qubits | Max iliyooanishwa | T2 (Β΅s) |
| Mfumo wa IBM Q Moja | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Mshikamano unatutishia nini?
Shida kuu ni kwamba baada ya 150 ΞΌs, mfumo wetu wa kompyuta wa N qubits zilizonaswa utaanza kutoa kelele nyeupe inayowezekana badala ya usambazaji wa uwezekano wa suluhisho sahihi.
Hiyo ni, tunahitaji:
- Anzisha mfumo wa qubit
- Fanya hesabu (mlolongo wa shughuli za lango)
- Soma matokeo
Na fanya haya yote kwa sekunde 150. Sikuwa na wakati - matokeo yakageuka kuwa malenge.
Lakini sio hivyo tuβ¦
Makosa
Kama tulivyosema, michakato ya quantum na kompyuta ya quantum ni ya uwezekano katika asili, hatuwezi kuwa na uhakika wa 100% wa chochote, lakini tu kwa uwezekano fulani. Hali inazidishwa na ukweli kwamba kompyuta ya quantum inakabiliwa na makosa. Aina kuu za makosa katika kompyuta ya quantum ni:
- Makosa ya mshikamano husababishwa na ugumu wa mfumo na mwingiliano na mazingira ya nje
- Makosa ya hesabu ya lango (kwa sababu ya asili ya hesabu)
- Makosa katika kusoma hali ya mwisho (matokeo)
Makosa yanayohusiana na utenganisho, kuonekana mara tu tunapoingiza qubits zetu na kuanza kufanya mahesabu. Kadiri qubits zinavyosonga, ndivyo mfumo unavyozidi kuwa mgumu zaidi, na ni rahisi zaidi kuiharibu. Sarcophagi ya joto la chini, vyumba vilivyolindwa, hila hizi zote za kiteknolojia zinalenga kwa usahihi kupunguza idadi ya makosa na kupanua muda wa kuunganishwa.
Makosa ya hesabu ya lango - operesheni yoyote (lango) kwenye qubits inaweza, kwa uwezekano fulani, kuishia na kosa, na kutekeleza algorithm tunayohitaji kufanya mamia ya milango, kwa hivyo fikiria kile tunachopata mwishoni mwa utekelezaji wa algorithm yetu. Jibu la kawaida kwa swali ni "Je, kuna uwezekano gani wa kukutana na dinosaur kwenye lifti?" - 50x50, ama utakutana au la.
Tatizo linachochewa zaidi na ukweli kwamba njia za kawaida za kurekebisha makosa (kurudufu mahesabu na wastani) hazifanyi kazi katika ulimwengu wa quantum kwa sababu ya nadharia ya no-cloning. Kwa katika kompyuta ya quantum ilibidi kuvumbuliwa . Kwa kusema, tunachukua qubits N za kawaida na kutengeneza 1 kati yao qubit ya kimantiki na kiwango cha chini cha makosa.
Lakini hapa kuna shida nyingine - jumla ya idadi ya qubits. Angalia, hebu sema tuna processor yenye qubits 100, ambayo qubits 80 hutumiwa kwa marekebisho ya makosa, basi tuna 20 tu iliyobaki kwa mahesabu.
Makosa katika kusoma matokeo ya mwisho - kama tunavyokumbuka, matokeo ya mahesabu ya quantum yanawasilishwa kwetu kwa fomu uwezekano wa usambazaji wa majibu. Lakini kusoma hali ya mwisho kunaweza pia kushindwa na kosa.
Juu ya huo Kuna meza za kulinganisha za wasindikaji kwa viwango vya makosa. Kwa kulinganisha, hebu tuchukue wasindikaji sawa na katika mfano uliopita - IBM ΠΈ :
| Kompyuta | 1-Qubit Uaminifu wa Lango | 2-Qubit Gate Uaminifu | Uaminifu wa Kusoma |
| Mfumo wa IBM Q Moja | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Hapa ni kipimo cha kufanana kwa hali mbili za quantum. Ukubwa wa kosa unaweza kuonyeshwa takriban kama 1-Fidelity. Kama tunavyoona, makosa kwenye milango 2-qubit na makosa ya kusoma ndio kikwazo kikuu cha kutekeleza algorithms ngumu na ndefu kwenye kompyuta zilizopo za quantum.
Unaweza pia kusoma miaka kutoka kutatua tatizo la kusahihisha makosa.
Usanifu wa processor
Kwa nadharia tunajenga na kufanya kazi mizunguko ya kadhaa ya qubits iliyoingizwa, kwa kweli kila kitu ni ngumu zaidi. Chips zote zilizopo za quantum (wasindikaji) zimejengwa kwa njia ambayo hutoa bila maumivu msongamano wa qubit moja tu na majirani zake, ambayo hakuna zaidi ya sita.
Ikiwa tunahitaji kushikilia qubit ya 1, sema, na ya 12, basi itabidi jenga mlolongo wa shughuli za ziada za quantum, kuhusisha qubits za ziada, nk, ambayo huongeza kiwango cha jumla cha makosa. Ndiyo, na usisahau kuhusu muda wa utengamano, labda unapomaliza kuunganisha qubits kwenye mzunguko unaohitaji, wakati utaisha na mzunguko mzima utageuka kuwa jenereta nzuri ya kelele nyeupe.
Pia usisahau hilo Usanifu wa wasindikaji wote wa quantum ni tofauti, na programu iliyoandikwa katika emulator katika hali ya "kuunganishwa kwa wote kwa wote" itahitaji "kurejeshwa" katika usanifu wa chip maalum. Kuna hata kufanya operesheni hii.
Upeo wa muunganisho na idadi ya juu zaidi ya qubits kwa chips sawa za juu:
| Jina la Kompyuta | N Qubits | Max iliyooanishwa | T2 (Β΅s) |
| Mfumo wa IBM Q Moja | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Na kwa kulinganisha, jedwali na data kutoka kwa kizazi cha awali cha wasindikaji. Linganisha idadi ya qubits, muda wa kutenganisha na kiwango cha makosa na kile tulicho nacho sasa na kizazi kipya. Bado, maendeleo ni polepole, lakini yanasonga.
Hivyo:
- Kwa sasa hakuna usanifu uliounganishwa kikamilifu na > qubits 6
- Ili kuingiza qubit 0 s kwenye kichakataji halisi, kwa mfano, qubit 15 inaweza kuhitaji operesheni kadhaa za ziada.
- Uendeshaji zaidi -> makosa zaidi -> ushawishi mkubwa wa utenganisho
Matokeo ya
Decoherence ni kitanda cha Procrustean cha kompyuta ya kisasa ya quantum. Lazima tuweke kila kitu katika 150 ΞΌs:
- Uanzishaji wa hali ya awali ya qubits
- Kuhesabu shida kwa kutumia milango ya quantum
- Sahihisha makosa ili kupata matokeo yenye maana
- Soma matokeo
Hadi sasa matokeo ni ya kukatisha tamaa, ingawa kudai kufikia muda wa kubakiza wa 0.5s kwenye kompyuta ya quantum kulingana na :
Tunapima muda wa mshikamano wa qubit unaozidi s 0.5, na kwa ulinzi wa sumaku tunatarajia hii kuboreshwa kuwa ndefu zaidi ya s 1000.
Unaweza pia kusoma juu ya teknolojia hii au kwa mfano .
Hali hiyo ni ngumu zaidi na ukweli kwamba wakati wa kufanya mahesabu magumu ni muhimu kutumia nyaya za kurekebisha makosa ya quantum, ambayo pia hula wakati wote na qubits zilizopo.
Na hatimaye, usanifu wa kisasa hauruhusu kutekeleza mipango ya kuingiliana bora kuliko 1 kwa 4 au 1 kwa 6 kwa gharama ndogo.
Njia za kutatua matatizo
Ili kutatua shida zilizo hapo juu, njia na njia zifuatazo hutumiwa kwa sasa:
- Kutumia vyumba vya kuhifadhia hewa vilivyo na halijoto ya chini (10 mK (β273,14Β°C))
- Kutumia vitengo vya processor ambavyo vinalindwa kwa kiwango cha juu dhidi ya ushawishi wa nje
- Kutumia Mifumo ya Kurekebisha Makosa ya Quantum (Qubit ya Mantiki)
- Kutumia viboreshaji wakati wa kutengeneza mizunguko ya kichakataji maalum
Utafiti pia unafanywa unaolenga kuongeza muda wa utenganisho, kutafuta utekelezaji mpya (na uboreshaji unaojulikana) wa vitu vya quantum, kuboresha mizunguko ya kusahihisha, nk, nk. Kuna maendeleo (angalia juu ya sifa za chips za awali na za kisasa), lakini hadi sasa ni polepole, sana, polepole sana.
D-Wave
Kompyuta ya D-Wave 2000Q 2000-qubit. Chanzo:
Huku kukiwa na tangazo la Google la kufikia ukuu wa quantum kwa kutumia kichakataji cha qubit 53, ΠΈ kutoka kwa kampuni ya D-Wave, ambayo idadi ya qubits iko katika maelfu, inachanganya kwa kiasi fulani. Kweli, ikiwa qubits 53 ziliweza kufikia ukuu wa quantum, basi kompyuta yenye qubits 2048 inaweza kufanya nini? Lakini sio kila kitu ni nzuri ...
Kwa kifupi (imechukuliwa kutoka kwa wiki):
Kompyuta fanyia kazi kanuni (), inaweza kutatua aina ndogo sana ya shida za utoshelezaji, na haifai kwa kutekeleza algorithms ya kitamaduni ya quantum na milango ya quantum.
Kwa maelezo zaidi unaweza kusoma, kwa mfano, , (kwa uangalifu, haiwezi kufungua kutoka Urusi), au Π² kutoka kwake . Kwa njia, ninapendekeza sana kusoma blogi yake kwa ujumla, kuna nyenzo nyingi nzuri huko
Kwa ujumla, tangu mwanzo wa matangazo, jumuiya ya kisayansi ilikuwa na maswali kuhusu kompyuta za D-Wave. Kwa mfano, mnamo 2014, IBM ilihoji ukweli kwamba D-Wave Ilifikia hatua kwamba mnamo 2015, Google, pamoja na NASA, walinunua moja ya kompyuta hizi za quantum na baada ya utafiti. , kwamba ndiyo, kompyuta inafanya kazi na kuhesabu tatizo kwa kasi zaidi kuliko moja ya kawaida. Unaweza kusoma zaidi kuhusu taarifa ya Google na, kwa mfano, .
Jambo kuu ni kwamba kompyuta za D-Wave, na mamia na maelfu ya qubits, haziwezi kutumika kuhesabu na kuendesha algorithms ya quantum. Huwezi kuendesha algorithm ya Shor juu yao, kwa mfano. Wanachoweza kufanya ni kutumia njia fulani za quantum kutatua tatizo fulani la utoshelezaji. Tunaweza kuzingatia kwamba D-Wave ni quantum ASIC kwa kazi maalum.
Kidogo kuhusu uigaji wa quantum kompyuta
Kompyuta ya quantum inaweza kuigwa kwenye kompyuta ya kawaida. Hakika, :
- Hali ya qubit inaweza kuwa nambari changamano, inachukua kutoka 2x32 hadi 2x64 bits (8-16 byte) kulingana na usanifu wa processor
- Hali ya N qubits zilizounganishwa inaweza kuwakilishwa kama nambari changamano 2^N, i.e. 2^(3+N) kwa usanifu wa 32-bit na 2^(4+N) kwa 64-bit.
- Operesheni ya quantum kwenye qubits N inaweza kuwakilishwa na matrix ya 2^N x 2^N
Kisha:
- Ili kuhifadhi majimbo yaliyoigwa ya qubits 10, 8 KB inahitajika
- Ili kuhifadhi majimbo ya qubits 20 unahitaji 8 MB
- Ili kuhifadhi majimbo ya qubits 30, GB 8 inahitajika
- Terabaiti 40 zinahitajika ili kuhifadhi majimbo ya qubits 8
- Ili kuhifadhi majimbo ya qubits 50, Petabytes 8 zinahitajika, nk.
Kwa kulinganisha, () hubeba kumbukumbu ya Petabytes 2.8 pekee.
- qubit 49 ziliwasilishwa mwaka jana kwa kompyuta kubwa zaidi ya Kichina ()
Kikomo cha kuiga kompyuta ya quantum kwenye mifumo ya classical imedhamiriwa na kiasi cha RAM kinachohitajika kuhifadhi hali ya qubits.
Ninapendekeza pia kusoma . Kutoka hapo:
Kwa operesheni - kwa uigaji sahihi wa mzunguko wa qubit 49 unaojumuisha "mizunguko" 39 (tabaka huru za milango) 2^63 kuzidisha changamano - Pflops 4 za kompyuta kubwa kwa saa 4
Kuiga 50+ qubit quantum kompyuta kwenye mifumo ya classical inachukuliwa kuwa haiwezekani kwa wakati unaofaa. Hii ndio sababu pia Google ilitumia kichakataji cha qubit 53 kwa jaribio lake la ukuu wa quantum.
Ukuu wa kompyuta ya quantum.
Wikipedia inatupa ufafanuzi ufuatao wa ukuu wa kompyuta ya quantum:
Ukuu wa Quantum - uwezo vifaa vya kutatua matatizo ambayo kompyuta za kivitendo haziwezi kutatua.
Kwa kweli, kufikia ukuu wa quantum inamaanisha kwamba, kwa mfano, uundaji wa idadi kubwa kwa kutumia algorithm ya Shor inaweza kutatuliwa kwa wakati wa kutosha, au molekuli ngumu za kemikali zinaweza kuigwa kwa kiwango cha quantum, na kadhalika. Yaani enzi mpya imefika.
Lakini kuna upungufu fulani katika maneno ya ufafanuzi, ".ambayo kompyuta za kawaida haziwezi kutatua" Kwa kweli, hii inamaanisha kwamba ikiwa utaunda kompyuta ya quantum ya qubits 50+ na kukimbia mzunguko wa quantum juu yake, basi, kama tulivyojadili hapo juu, matokeo ya mzunguko huu hayawezi kuigwa kwenye kompyuta ya kawaida. Hiyo ni kompyuta ya classical haitaweza kuunda tena matokeo ya mzunguko kama huo.
Ikiwa matokeo kama haya yanajumuisha ukuu halisi wa quantum au la ni swali la kifalsafa. Lakini elewa Google ilifanya nini na inategemea nini muhimu.
Google inadai kufikia ukuu wa quantum
Kichakataji cha Sycamore 54-qubit
Kwa hivyo, mnamo Oktoba 2019, watengenezaji wa Google walichapisha nakala katika uchapishaji wa kisayansi Nature "" Waandishi walitangaza mafanikio ya ukuu wa quantum kwa mara ya kwanza katika historia kwa kutumia processor ya Sycamore ya qubit 54.
Nakala za Sycamore mtandaoni mara nyingi hurejelea ama kichakataji cha qubit 54 au kichakataji cha qubit 53. Ukweli ni kwamba kulingana na , processor kimwili ina qubits 54, lakini moja yao haifanyi kazi na imetolewa nje ya huduma. Kwa hivyo, kwa kweli tuna processor ya qubit 53.
Kwenye wavuti hapo hapo nyenzo kwenye mada hii, kiwango ambacho kilitofautiana kutoka kwa .
Timu ya kompyuta ya quantum ya IBM baadaye ilisema hivyo . Kampuni hiyo inadai kwamba kompyuta ya kawaida itakabiliana na kazi hii katika hali mbaya zaidi katika siku 2,5, na jibu la matokeo litakuwa sahihi zaidi kuliko la kompyuta ya quantum. Hitimisho hili lilifanywa kwa kuzingatia matokeo ya uchambuzi wa kinadharia wa mbinu kadhaa za utoshelezaji.
Na bila shaka, katika yake Sikuweza kupuuza kauli hii. Yake pamoja na viungo vyote na kama kawaida, zinafaa kutumia wakati wako. Kwenye kitovu Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara, na uhakikishe kusoma maoni, kuna viungo vya hati za awali ambazo zilivuja mtandaoni kabla ya tangazo rasmi.
Je, Google ilifanya nini hasa? Kwa ufahamu wa kina, soma Aaronson, lakini kwa ufupi hapa:
Naweza, bila shaka, kukuambia, lakini ninahisi badala ya kijinga. Hesabu ni kama ifuatavyo: mjaribio hutoa mzunguko wa quantum bila mpangilio C (yaani, mlolongo wa nasibu wa milango 1-qubit na 2-qubit kati ya majirani wa karibu, na kina cha, kwa mfano, 20, kinachofanya kazi kwenye mtandao wa 2D wa n. = 50-60 qubits). Kisha mjaribio hutuma C kwa kompyuta ya quantum, na kuiomba itumie C kwa hali ya awali ya 0, kupima matokeo katika msingi wa {0,1}, rudisha mlolongo wa n-bit uliozingatiwa (kamba), na kurudia kadhaa. mara elfu au mamilioni. Hatimaye, kwa kutumia ujuzi wake wa C, mjaribio hufanya mtihani wa takwimu ili kuona ikiwa matokeo yanalingana na matokeo yanayotarajiwa kutoka kwa kompyuta ya quantum.
Kwa kifupi sana:
- Mzunguko wa nasibu wa urefu wa 20 kati ya qubits 53 huundwa kwa kutumia milango
- Mzunguko huanza na hali ya awali [0β¦0] kwa utekelezaji
- Matokeo ya mzunguko ni kamba ya nasibu (sampuli)
- Usambazaji wa matokeo sio nasibu (kuingilia)
- Usambazaji wa sampuli zilizopatikana unalinganishwa na ile inayotarajiwa
- Inahitimisha Ukuu wa Quantum
Hiyo ni, Google ilitekeleza tatizo la synthetic kwenye processor ya qubit 53, na inaweka madai yake ya kufikia ukuu wa quantum juu ya ukweli kwamba haiwezekani kuiga processor kama hiyo kwenye mifumo ya kawaida kwa wakati unaofaa.
Kwa ufahamu - Sehemu hii haipunguzi mafanikio ya Google kwa njia yoyote, wahandisi ni wazuri sana, na swali la kama hii inaweza kuzingatiwa ukuu halisi wa quantum au la, kama ilivyotajwa hapo awali, ni ya kifalsafa zaidi kuliko uhandisi. Lakini ni lazima tuelewe kwamba baada ya kupata ubora huo wa kimahesabu, hatujasonga mbele hatua moja kuelekea uwezo wa kutekeleza algoriti ya Shor kwenye nambari za 2048-bit.
Muhtasari
Kompyuta za quantum na kompyuta ya quantum ni eneo la kuahidi sana, changa sana na hadi sasa eneo lisilotumika kiviwanda la teknolojia ya habari.
Ukuzaji wa kompyuta ya quantum (siku moja) itaturuhusu kutatua shida:
- Kuiga mifumo tata ya kimwili katika kiwango cha quantum
- Haiwezi kusuluhishwa kwenye kompyuta ya kawaida kwa sababu ya ugumu wa hesabu
Shida kuu katika kuunda na kuendesha kompyuta za quantum:
- Mshikamano
- Makosa (kutenganisha na lango)
- Usanifu wa processor (saketi zilizounganishwa kikamilifu za qubit)
Hali ya sasa:
- Kwa kweli - mwanzo kabisa .
- Bado hakuna unyonyaji HALISI wa kibiashara (na haijulikani ni lini kutakuwa na)
Nini kinaweza kusaidia:
- Aina fulani ya ugunduzi wa kimwili ambayo inapunguza gharama ya wiring na wasindikaji wa uendeshaji
- Kugundua kitu ambacho kitaongeza muda wa utenganisho kwa amri ya ukubwa na / au kupunguza makosa
Kwa maoni yangu (maoni ya kibinafsi tu), katika dhana ya sasa ya kisayansi ya ujuzi hatutafikia mafanikio makubwa katika maendeleo ya teknolojia ya quantum., hapa tunahitaji mafanikio ya ubora katika eneo fulani la sayansi ya kimsingi au inayotumika, ambayo itatoa msukumo kwa maoni na mbinu mpya.
Kwa sasa, tunapata uzoefu katika upangaji wa programu kwa wingi, kukusanya na kuunda algoriti za kiasi, mawazo ya majaribio, n.k., n.k. Tunasubiri mafanikio.
Hitimisho
Katika nakala hii, tulipitia hatua kuu katika ukuzaji wa kompyuta za quantum na kompyuta za quantum, tukachunguza kanuni ya operesheni yao, tukachunguza shida kuu zinazowakabili wahandisi katika ukuzaji na uendeshaji wa wasindikaji wa quantum, na pia tukaangalia ni nini qubit nyingi. Kompyuta za D ni kweli. Wimbi na tangazo la hivi majuzi la Google la kufikia ukuu wa quantum.
Kushoto nyuma ya matukio ni maswali ya programu za kompyuta za quantum (lugha, mbinu, mbinu, nk) na maswali yanayohusiana na utekelezaji maalum wa kimwili wa wasindikaji, jinsi qubits zinasimamiwa, kuunganishwa, kusoma, nk. Pengine hii itakuwa mada ya makala inayofuata au makala.
Asante kwa mawazo yako, natumaini makala hii itakuwa na manufaa kwa mtu.
(C)
Shukrani
kwa kusahihisha na kutoa maoni juu ya matini chanzi, na pia kwa makala
kwa maoni yenye habari nyingi juu ya , na sio kwake tu, ambayo kwa kiasi kikubwa ilinisaidia kujua fumbo hili.
Kwa waandishi wote wa makala na machapisho ambao nyenzo zao zilitumika katika kuandika makala hii.
Orodha ya rasilimali
Nakala za Mambo ya Sasa kutoka [The National Academies Press]
Nakala kutoka kwa Habr (kwa mpangilio wa nasibu)
Nakala ambazo hazijachambuliwa (lakini sio chini ya kuvutia) kutoka kwa Mtandao
Kozi na mihadhara
Chanzo: mapenzi.com