Компютерҳои квантӣ ва ҳисоббарории квантӣ - нав , ки дар баробари ба фазои иттилоотии мо зам карда шуд , ва дигар истилоҳоти баландтехнологӣ. Дар айни замон, ман ҳеҷ гоҳ натавонистам дар Интернет маводе пайдо кунам, ки муамморо дар сари ман ҷамъ кунад "Чӣ гуна компютерҳои квантӣ кор мекунанд". Бале, бисёр асарҳои аъло ҳастанд, аз ҷумла дар бораи Ҳабр (ниг. ), тафсирхое, ки ба онхо чун маъмулан, боз хам пурмазмунтар ва муфидтаранд, аммо расм дар сари ман, чунон ки мегуянд, илова нагардид.
Ва чанде пеш ҳамкорони ман ба наздам омада пурсиданд: «Оё шумо мефаҳмед, ки компютери квантӣ чӣ гуна кор мекунад? Метавонед ба мо бигӯед?» Ва он гоҳ ман фаҳмидам, ки ман ягона шахсе нестам, ки бо ҷамъ кардани тасвири мувофиқ дар сари ман мушкилӣ дорам.
Дар натиҷа, кӯшиш карда шуд, ки маълумот дар бораи компютерҳои квантӣ ба як схемаи мантиқии мувофиқ ҷамъоварӣ карда шавад. сатҳи асосӣ, бе таъмиди амиқ ба математика ва сохтори ҷаҳони квантӣ, фахмонда дода шуд, ки компютери квантй чист, он аз руи кадом принципхо кор мекунад ва олимон хангоми сохтан ва кор фармудани он ба кадом мушкилот дучор мешаванд.
Мундариҷа
Радди масъулият
Муаллиф мутахассиси ҳисоббарории квантӣ нест ва Шунавандагони мақсадноки мақола ҳамон одамони IT мебошанд, на мутахассисони квантӣ, ки онҳо низ мехоҳанд дар сари худ расмеро бо номи "Чӣ гуна компютерҳои квантӣ кор мекунанд" ҷамъ кунанд. Аз ин рӯ, бисёре аз мафҳумҳо дар мақола дидаю дониста содда карда шудаанд, то технологияҳои квантиро дар сатҳи "асосии" беҳтар дарк кунанд, аммо бидуни .
Мақола дар баъзе ҷойҳо маводи дигарро истифода мебарад, . То ҳадди имкон истинодҳо ва нишондодҳои мустақим ба матни аслӣ, ҷадвал ё расм ворид карда мешаванд. Агар ман чизеро (ё касеро) дар ҷое фаромӯш карда бошам, нависед ва ман онро ислоҳ мекунам.
Муқаддима
Дар ин боб мо ба таври мухтасар дида мебароем, ки давраи квантӣ чӣ гуна оғоз шудааст, сабаби ангезаи идеяи компютери квантӣ дар чист, ки дар айни замон кӣ (кадом кишварҳо ва корпоратсияҳо) бозигарони пешбари ин соҳа мебошанд ва инчунин мухтасар сӯҳбат мекунем. дар бораи самтхои асосии инкишофи хисоббарори квантй.
Чӣ тавр он ҳама сар шуд
Нуқтаи оғози давраи квантӣ соли 1900 ҳисобида мешавад, вақте ки М.Планк бори аввал ба миён гузошта буд. ки энергия пай дар пай не, балки дар квантхои алохида (порцияхо) бароварда ва азхуд карда мешавад. Ин идеяро бисёр олимони барҷастаи он замон - Бор, Эйнштейн, Ҳейзенберг, Шредингер гирифта ва таҳия карда буданд, ки дар ниҳоят боиси эҷод ва рушди чунин илм гардид, аз қабили . Дар интернет дар бораи ташаккули физикаи квантӣ ҳамчун илм бисёр маводи хуб мавҷуд аст, дар ин мақола мо ба таври муфассал дар ин бора таваққуф намекунем, аммо зарур буд, ки санаи ворид шудан ба давраи нави квантиро нишон диҳем.
Физикаи квантӣ ба ҳаёти ҳаррӯзаи мо ихтироот ва технологияҳои зиёде ворид кардааст, ки ҳоло бидуни онҳо ҷаҳони атрофро тасаввур кардан душвор аст. Масалан, лазере, ки ҳоло дар ҳама ҷо истифода мешавад, аз асбобҳои рӯзгор (сатҳи лазерӣ ва ғайра) то системаҳои баландтехнологӣ (лазерҳо барои ислоҳи биниш, салом ). Фарз кардан мантиқӣ мебуд, ки дер ё зуд касе фикр мекунад, ки чаро системаҳои квантиро барои ҳисоббарор истифода набарем. Ва он гоҳ дар соли 1980 рӯй дод.
Википедия нишон медиҳад, ки аввалин идеяи ҳисоббарории квантӣ дар соли 1980 аз ҷониби олими мо Юрий Манин ифода ёфтааст. Аммо дар хакикат дар ин бора танхо соли 1981, вакте ки Р.Фейнмани машхур ба сухан баромада буданд , кайд кард, ки эволютсияи системаи квантиро дар компютери классики ба таври самаранок тақлид кардан ғайриимкон аст. Вай модели элементариро пешниход кард , ки ин гуна моделсозиро ичро карда метавонад.
вуҷуд дорад , ки дар он бештар академикӣ ва муфассал баррасӣ мешавад, аммо мо ба таври мухтасар баррасем:
Марҳилаҳои асосӣ дар таърихи эҷоди компютерҳои квантӣ:
- [1994]. П.Шор. Аз ҷониби тарҳрезӣ шудааст
- [1998]. Эҷод карда шуд
- [2001]. IBM иҷроишро ҷорӣ кард барои васеъ кардани раками 15
- [2007-2016]. компютери дорои 128-2000 кубитро эҷод ва таҳия мекунад
- [2012]. Дар Донишгоҳи Калифорния амалӣ карда мешавад
- [2016]. Google дар компютери 9-кубит
- [2017]. (се атом)
- [2019]. . Компютери 20-кубит дар абр
- [2019]. . Компютери 53 кубит. ?
Тавре мебинед, аз лаҳзаи пайдоиши идея то татбиқи аввалини он дар компютери дорои 17 кубит 1981 сол (аз соли 1998 то соли 2) ва то 21 сол (аз соли 1998 то соли 2019) то 53 адад зиёд шудани шумораи қубитҳо гузашт. 11 сол (аз соли 2001 то 2012) барои такмил додани натиљаи алгоритми Шор (дар бораи он каме баъдтар муфассалтар дида мебароем) аз раќами 15 то 21 лозим шуд. Њамчунин, њамагї се сол пеш мо ба нуктаи он чизеро, ки Фейнман гуфта буд, амалӣ намуда, моделсозии оддитарин системаҳои физикиро ёд гиред.
Инкишофи ҳисоббарории квантӣ суст аст. Олимон ва муҳандисон бо вазифаҳои хеле душвор рӯ ба рӯ мешаванд, ҳолати квантӣ хеле кӯтоҳмуддат ва ноустуворанд ва барои нигоҳ доштани онҳо барои иҷрои ҳисобҳо, онҳо бояд ба маблағи даҳҳо миллион доллар саркофагҳо созанд, ки ҳарорат дар онҳо нигоҳ дошта мешавад. танҳо аз сифри мутлақ болотар аст ва онҳо аз таъсири беруна ба ҳадди аксар муҳофизат шудаанд. Минбаъд дар бораи ин вазифахо ва проблемахо муфассалтар сухан меронем.
Бозингарони пешқадам
Слайдҳо барои ин бахш аз мақола гирифта шудаанд , аз муҳаққиқ Алексей Федоров. Биёед ман ба шумо иқтибосҳои мустақим диҳам:
Ҳама кишварҳои аз ҷиҳати технологӣ муваффақ дар айни замон технологияҳои квантиро фаъолона инкишоф медиҳанд. Ба ин тадкикот маблаги калон чудо карда шуда, программахои махсуси дастгирии технологияхои квантй ба вучуд оварда мешаванд.
Дар мусобиқаи квантӣ на танҳо давлатҳо, балки ширкатҳои хусусӣ низ ширкат мекунанд. Дар маҷмӯъ, Google, IBM, Intel ва Microsoft чанде пеш барои таҳияи компютерҳои квантӣ ҳудуди 0,5 миллиард доллар сармоягузорӣ карда, озмоишгоҳҳо ва марказҳои бузурги тадқиқотӣ бунёд кардаанд.
Дар бораи Ҳабре ва Интернет мақолаҳои зиёде мавҷуданд, масалан, , и , ки дар он вазъияти хозираи инкишофи технологияи квантй дар мамлакатхои гуногун муфассалтар тахлил карда мешавад. Ҳоло барои мо чизи асосӣ ин аст, ки ҳама кишварҳо ва бозигарони пешрафтаи технологӣ барои таҳқиқот дар ин самт маблағҳои ҳангуфте сармоягузорӣ мекунанд, ки ба роҳи раҳоӣ аз бунбасти технологӣ умед мебахшад.
Самтҳои рушд
Дар айни замон (ман хато карда метавонам, маро ислоҳ кунед) кӯшишҳои асосии (ва натиҷаҳои каму беш назаррас) ҳамаи бозингарони пешсаф дар ду самт мутамарказ шудаанд:
- Компютерҳои махсуси квантӣ, ки барои ҳалли як масъалаи мушаххас, масалан, масъалаи оптимизатсия нигаронида шудаанд. Намунаи маҳсулот компютерҳои квантии D-Wave мебошанд.
- Компютерҳои универсалии квантӣ — ки кодиранд алгоритмхои квантии худсарона (Шор, Гровер ва гайра). Амалиётҳо аз IBM, Google.
Векторҳои дигари рушд, ки физикаи квантӣ ба мо медиҳад, ба монанди:
- хамчун асос барои
- ва хеле бештар
Албатта, он ҳам дар рӯйхати самтҳои тадқиқотӣ аст, аммо дар айни замон натиҷаҳои каму беш назаррас ба назар намерасанд.
Илова бар ин, шумо метавонед хонед , хуб, google "", Барои намуна, , и .
Асосҳо. Объекти квантӣ ва системаҳои квантӣ
Муҳимтарин чизе, ки аз ин бахш фаҳмида мешавад, ин аст
Компютери квантӣ (бар хилофи маъмул) ҳамчун интиқолдиҳандагони иттилоот истифода мебарад объектҳои квантӣ, ва барои анҷом додани ҳисобҳо, объектҳои квантӣ бояд пайваст карда шаванд системаи квантӣ.
Объекти квантӣ чист?
Объекти квантӣ - объекти олами микро (олами квантӣ), ки хосиятҳои квантиро нишон медиҳад:
- Ҳолати муайяншуда бо ду сатҳи сарҳадӣ дорад
- То лаҳзаи ченкунӣ дар ҳолати суперпозитсия қарор дорад
- Барои сохтани системаҳои квантӣ худро бо дигар объектҳо мепайвандад
- Теоремаи бе клонкуниро қонеъ мекунад (ҳолати объектро нусхабардорӣ кардан мумкин нест)
Биёед ҳар як амволро муфассалтар дида бароем:
Ҳолати муайяни дорои ду сатҳи сарҳадӣ (ҳолати ниҳоӣ)
Намунаи классикии воқеӣ танга аст. Он як ҳолати "тараф" дорад, ки ду сатҳи сарҳадӣ - "сарҳо" ва "думҳо" -ро мегирад.
То лаҳзаи ченкунӣ дар ҳолати суперпозитсия қарор дорад
Танга партофтанд, он мепарад ва чарх мезанад. Хангоми гардиш, гуфтан мумкин нест, ки дар кадом сатхи сархад холати «тараф»-и он чойгир аст. Аммо вақте ки мо онро пахш мекунем ва ба натиҷа назар мекунем, суперпозицияи давлатҳо фавран ба яке аз ду ҳолати сарҳадӣ - "сарҳо" ва "думҳо" меафтад. Тосак задан дар ҳолати мо ченак аст.
Барои сохтани системаҳои квантӣ худро бо дигар объектҳо мепайвандад
Бо танга ин мушкил аст, аммо биёед кӯшиш кунем. Тасаввур кунед, ки мо се танга партофтем, ки онҳо ба якдигар часпида гардиш мекунанд, ин бо тангаҳо ҷунглер кардан аст. Дар хар лахзаи замон на танхо хар кадоми онхо дар суперпозицияи холатхо мебошанд, балки ин холатхо ба хамдигар таъсир мерасонанд (тангахо бархурд мекунанд).
Теоремаи бе клонкуниро қонеъ мекунад (ҳолати объектро нусхабардорӣ кардан мумкин нест)
Дар ҳоле ки тангаҳо парвоз мекунанд ва чарх мезананд, ҳеҷ роҳе нест, ки мо нусхаи ҳолати чархзании ягон тангаро ҷудо аз система эҷод кунем. Система дар дохили худ зиндагӣ мекунад ва ба паҳн кардани ҳама гуна маълумот ба ҷаҳони беруна хеле ҳасад мебарад.
Чанд сухани дигар дар бораи худи консепсия "суперпозицияҳо", қариб дар ҳама мақолаҳо суперпозиция ҳамчун шарҳ дода мешавад "дар ҳама иёлотҳо дар як вақт аст", ки ин, албатта, дуруст аст, вале баъзан но-даркор аст. Суперпозицияи давлатҳоро инчунин метавон ҳамчун далел тасаввур кард, ки дар ҳар лаҳзаи вақт объекти квантӣ эҳтимолияти муайяни фурӯпошӣ ба ҳар як сатҳҳои сарҳадии он вуҷуд дорад ва дар маҷмӯъ ин эҳтимолиятҳо табиатан ба 1 баробаранд.. Баъдтар, ҳангоми баррасии кубит, мо ба ин муфассалтар таваққуф хоҳем кард.
Барои тангаҳо инро метавон тасаввур кард - вобаста ба суръати ибтидоӣ, кунҷи партофт, ҳолати муҳит, ки танга дар он парвоз мекунад, дар ҳар лаҳза эҳтимолияти ба даст овардани "сарҳо" ё "думҳо" гуногун аст. Ва, тавре ки қаблан зикр гардид, ҳолати чунин тангаи парвозкунандаро метавон ҳамчун «дар як вақт дар тамоми давлатҳои сарҳадии худ, вале бо эҳтимолияти гуногуни татбиқи онҳо» тасаввур кард.
Ҳар як объекте, ки хосиятҳои дар боло зикршуда барои онҳо мувофиқанд ва мо метавонем онро эҷод кунем ва идора кунем, метавонад ҳамчун интиқолдиҳандаи иттилоот дар компютери квантӣ истифода шавад.
Каме дигар мо дар бораи вазъи кунунии корҳо бо татбиқи ҷисмонии кубитҳо ҳамчун объектҳои квантӣ ва он чизеро, ки олимон ҳоло дар ин иқтидор истифода мебаранд, сӯҳбат хоҳем кард.
Ҳамин тариқ, моликияти сеюм изҳор мекунад, ки объектҳои квантӣ метавонанд барои сохтани системаҳои квантӣ печида шаванд. Системаи квантӣ чист?
Системаи квантӣ — системаи объектхои квантии печида бо хосиятхои зерин:
- Системаи квантӣ дар суперпозицияи ҳама ҳолатҳои имконпазири объектҳое, ки аз онҳо иборат аст, ҷойгир аст
- То лаҳзаи ченкунӣ ҳолати системаро донистан ғайриимкон аст
- Дар лаҳзаи ченкунӣ, система яке аз вариантҳои имконпазири ҳолати сарҳадии худро амалӣ мекунад
(ва, каме ба пеш нигоҳ карда)
Хулоса барои барномаҳои квантӣ:
- Барномаи квантӣ ҳолати додаи системаро дар вуруд, суперпозиция дар дохили, суперпозиция дар баромад дорад.
- Ҳангоми баромади барнома пас аз андозагирӣ мо эҳтимолияти амалисозии яке аз ҳолатҳои ниҳоии системаро дорем (илова бар хатоҳои эҳтимолӣ)
- Ҳар як барномаи квантӣ дорои меъмории дудкаш мебошад (ворид -> баромад. Ҳеч гуна ҳалқаҳо вуҷуд надоранд, шумо ҳолати системаро дар мобайни раванд дида наметавонед.)
Муқоисаи компютери квантӣ ва компютери муқаррарӣ
Акнун биёед як компютери муқаррарӣ ва як компютери квантиро муқоиса кунем.
| компютери муқаррарӣ | Компютери квантӣ | |
|
Мантиқ
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Физика
|
Транзистори нимноқил | Объекти квантӣ |
|
Интиқолдиҳандаи ВАО
|
Сатҳи шиддат | Поляризатсия, гардиш, … |
|
амалиёт
|
НЕ, ВА, Ё, XOR бар битҳо | Клапанҳо: CNOT, Ҳадамард,… |
|
Муносибат
|
Чипи нимноқил | Мушкилот бо ҳамдигар |
|
Алгоритмҳо
|
Стандарт (ниг. Қамчин) | Махсусҳо (Шор, Гровер) |
|
Принсипи
|
Рақамӣ, детерминистӣ | Аналогӣ, эҳтимолӣ |
Сатҳи мантиқӣ
Дар компютери муқаррарӣ ин каме аст. Ба мо ба таври васеъ маълум аст каме детерминистӣ. Метавонад арзишҳои 0 ё 1 -ро бигирад. Он бо нақш комилан мувофиқ аст воҳиди мантиқӣ барои компютери муқаррарӣ, вале барои тавсифи давлат комилан номувофиқ аст объекти квантӣ, ки чи тавре ки мо гуфта будем, дар вахшй дарсуперпозицияҳои давлатҳои сарҳадии онҳо.
Ин аст он чизе ки онҳо ба хулоса омаданд . Дар давлатҳои сарҳадии худ, он ҳолатҳои шабеҳи 0 ва 1 -ро амалӣ мекунад , ва дар суперпозиция ифода мекунад тақсимоти эҳтимолият аз болои давлатҳои сарҳадии он |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1а ва б ифода мекунанд , ва квадратҳои модулҳои онҳо эҳтимолияти воқеии ба даст овардани маҳз чунин арзишҳои давлатҳои сарҳадӣ мебошанд |0> и |1>, агар шумо дар айни замон қубитро бо андозагирӣ вайрон кунед.
Қабати физикӣ
Дар сатҳи ҳозираи технологии рушд татбиқи физикии бит барои компютери муқаррарӣ мебошад транзистори нимноқил, барои квант, чунон ки мо аллакай гуфта будем, ягон объекти квантй. Дар фасли оянда мо дар бораи он чизе, ки ҳоло ҳамчун васоити физикӣ барои qubits истифода мешавад, сӯҳбат хоҳем кард.
Миёнаравӣ
Барои компютери муқаррарӣ ин аст барқ - сатњи шиддат, мављудият ё набудани љараён ва ѓайра, барои квантї - якхела ҳолати объекти квантӣ (самти поляризатсия, чарх ва ғ.), ки метавонад дар ҳолати суперпозиция бошад.
амалиёт
Барои амалӣ намудани схемаҳои мантиқӣ дар компютери муқаррарӣ, мо маъруфро истифода мебарем , барои амалиётхо оид ба кубитхо системаи тамоман дигари амалиётро ба вучуд овардан лозим буд, ки ном дорад . Гейтс метавонад як-кубит ё ду-кубит бошад, вобаста аз он ки чанд кубит табдил дода мешавад.
Намунаҳои дарвозаҳои квантӣ:
Консепсия вуҷуд дорад маҷмӯи клапанҳои универсалӣ, ки барои иҷрои ҳама гуна ҳисобкунии квантӣ кифояанд. Масалан, маҷмӯи универсалӣ дарвозаи Ҳадамард, дарвозаи гузариш, дарвозаи CNOT ва дарвозаи π⁄8-ро дар бар мегирад. Бо ёрии онҳо шумо метавонед ҳама гуна ҳисобкунии квантиро дар маҷмӯи худсаронаи қубитҳо иҷро кунед.
Дар ин мақола мо ба таври муфассал дар бораи системаи дарвозаҳои квантӣ таваққуф намекунем; шумо метавонед дар бораи онҳо ва амалиёти мантиқӣ дар кубитҳо бештар хонед, масалан, . Чизи асосие, ки бояд дар хотир дошт:
- Амалиёт дар объектҳои квантӣ эҷоди операторҳои нави мантиқӣ (дарвозаҳои квантиро) талаб мекунад.
- Дарвозаҳои квантӣ дар намудҳои яккубит ва дукубит меоянд.
- Маҷмӯаҳои универсалии дарвозаҳо мавҷуданд, ки метавонанд барои иҷрои ҳама гуна ҳисобҳои квантӣ истифода шаванд
Муносибат
Як транзистор барои мо тамоман бефоида аст, барои ба амал баровардани хисобхо мо бояд бисьёр транзисторхоро ба хамдигар пайваст кунем, яъне аз миллионхо транзистор чипи нимноилй созем, ки дар он схемахои мантикй сохта шаванд. ва дар ниҳоят, протсессори муосирро дар шакли классикии он ба даст оред.
Як қубит низ барои мо комилан бефоида аст (хуб, агар танҳо бо истилоҳи академикӣ),
Барои анҷом додани ҳисобҳо ба мо системаи кубитҳо (объектҳои квантӣ) лозим аст.
ки чи тавре ки мо гуфта будем, бо рохи ба хам печондани кубитхо ба вучуд оварда мешавад, то ки тагйирот дар холатхои онхо ба таври мутобик ба амал ояд.
Алгоритмҳо
Алгоритмҳои стандартие, ки инсоният то имрӯз ҷамъ кардааст, барои татбиқ дар компютери квантӣ комилан номувофиқанд. Бале, умуман лозим нест. Компютерҳои квантӣ, ки дар асоси мантиқи дарвозаҳо бар qubits асос ёфтаанд, эҷоди алгоритмҳои комилан гуногун, алгоритмҳои квантиро талаб мекунанд. Аз маъмултарин алгоритмҳои квантӣ сеторо ҷудо кардан мумкин аст:
- (факторизатсия)
- (ҷустуҷӯи фаврӣ дар пойгоҳи додаҳои бетартиб)
- (ҷавоб ба савол, вазифаи доимӣ ё мутавозин)
Принсипи
Ва фарқияти муҳимтарин принсипи фаъолият аст. Барои компютери стандартӣ ин аст рақамӣ, принсипи қатъӣ детерминистӣ, дар асоси он, ки агар мо ягон ҳолати ибтидоии системаро муқаррар кунем ва онро аз алгоритми додашуда гузаронем, он гоҳ натиҷаи ҳисобҳо як хел мешавад, сарфи назар аз он ки мо ин ҳисобро чанд маротиба иҷро кунем. Дар асл, ин рафтор маҳз ҳамон чизест, ки мо аз компютер интизорем.
Компютери квантӣ кор мекунад аналогӣ, принсипи эҳтимолият. Натиҷаи алгоритми додашуда дар ҳолати ибтидоии додашуда аст намуна аз тақсимоти эҳтимолият татбиқи ниҳоии алгоритм ва хатогиҳои эҳтимолӣ.
Ин хусусияти эҳтимолии ҳисоббарории квантӣ ба моҳияти хеле эҳтимолияти ҷаҳони квантӣ вобаста аст. "Худо бо коинот зарбозӣ намекунад.", гуфт Эйнштейни кухансол, аммо хамаи тачрибахо ва мушохидахо то хол (дар парадигмаи илмии хозира) акси инро тасдик мекунанд.
Амалисозии физикии кубитҳо
Тавре ки мо аллакай гуфта будем, кубитро метавон бо объекти квантӣ, яъне объекти физикӣ муаррифӣ кард, ки хосиятҳои квантии дар боло тавсифшударо амалӣ мекунад. Яъне, таќрибан њар объекти физикї, ки дар он ду њолат мављуд аст ва ин ду њолат дар њолати суперпозиция ќарор доранд, метавонад барои сохтани компютери квантї истифода шавад.
"Агар мо метавонем як атомро ба ду сатҳи гуногун ҷойгир кунем ва онҳоро идора кунем, пас шумо як қубит доред. Агар мо инро бо ион карда тавонем, ин як қубит аст. Бо ҷорӣ низ ҳамин тавр аст. Агар мо онро дар як вақт бо ақрабаки ақрабаки соат ва муқобили ақрабаки соат иҷро кунем, шумо қубит доред."
вуҷуд доранд к , ки дар он гуногунии ҷории амалисозии физикии қубит ба таври муфассал баррасӣ карда мешавад, мо танҳо маъмултарин ва маъмултаринро номбар мекунем:
- ва бисёр ғояҳои дигари экзотикӣ (анионҳо ва ғ.)
Аз ҳамаи ин навъҳо, аз ҳама таҳияшуда усули аввалини ба даст овардани qubits мебошад, ки ба он асос ёфтааст . , , ва дигар бозигарони пешбари онро барои сохтани системаҳои худ истифода мебаранд.
Хуб, бештар хонед имконпазир аст қубитҳо аз .
Асосҳо. Чӣ тавр компютери квантӣ кор мекунад
Маводҳои ин бахш (вазифа ва расмҳо) аз мақола гирифта шудаанд .
Пас, тасаввур кунед, ки мо вазифаи зерин дорем:
Як гурӯҳи се нафар вуҷуд дорад: (А)ндрей, (Б)олодя ва (В)ережа. Ду такси вуҷуд дорад (0 ва 1).
Инчунин маълум аст, ки:
- (А)ндрей, (Б)олодя дустанд
- (А) ндрей, (в) эрежа душмананд
- (Б)олодя ва (В)ережа душмананд
Вазифа: Одамонро дар таксиҳо тавре ҷойгир кунед Макс (дӯстон) и Мин (душманон)
Рейтинг: L = (шумораи дӯстон) - (шумораи душманон) барои ҳар як варианти манзил
МУҲИМ: Фарз мекунем, ки эвристика вуҷуд надорад, ҳалли оптималӣ вуҷуд надорад. Дар ин ҳолат, мушкилотро танҳо тавассути ҷустуҷӯи пурраи вариантҳо ҳал кардан мумкин аст.
Ҳал дар компютери муқаррарӣ
Чӣ тавр ин масъаларо дар компютери муқаррарӣ (супер) ҳал кардан мумкин аст (ё кластер) - маълум аст, ки ба шумо лозим аст, ки тамоми имконоти имконпазирро паймоиш кунед. Агар мо системаи бисёрпросессор дошта бошем, он гоҳ мо метавонем ҳисобкунии қарорҳоро дар якчанд протсессор параллел созем ва сипас натиҷаҳоро ҷамъ оварем.
Мо 2 варианти ҷойгиркунии имконпазир дорем (такси 0 ва такси 1) ва 3 нафар. Фазои ҳалли 2 ^ 3 = 8. Шумо ҳатто метавонед бо истифода аз ҳисобкунак аз 8 вариант гузаред, ин мушкил нест. Акнун биёед мушкилотро мураккаб кунем - мо 20 нафар ва ду автобус дорем, фазои ҳал 2^20 = 1. Ҳеҷ чиз мураккаб ҳам нест. Шумораи одамонро 2.5 баробар зиёд кунем — 50 нафар ва ду поездро гирем, фазой халли хозир. 2^50 = 1.12 x 10^15. Компютери оддӣ (супер) аллакай мушкилоти ҷиддиро оғоз мекунад. Шумораи одамонро 2 баробар зиёд кунем, аллакай 100 кас медихад 1.2 x 10^30 имконоти имконпазир.
Ин аст, ки ин вазифаро дар вақти мувофиқ ҳисоб кардан мумкин нест.
Пайваст кардани суперкомпьютер
Компютери пурқувваттарин ҳоло рақами 1 мебошад , ин , хосилнокии мехнат 122 . Фарз мекунем, ки барои ҳисоб кардани як вариант ба мо 100 амалиёт лозим аст, пас барои ҳалли масъала барои 100 нафар ба мо лозим меояд:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 х 10^37 сол.
Тавре ки мо мебинем бо зиёд шудани андозаи маълумоти ибтидоӣ, фазои ҳалли мувофиқи қонуни қудрат меафзояд, дар ҳолати умумӣ, барои N бит мо 2^N варианти имконпазири ҳалли ҳалли худро дорем, ки барои N нисбатан хурд (100) ба мо фазои ҳалли ҳисобнашуда (дар сатҳи ҳозираи технологӣ) медиҳад.
Оё ягон алтернатива вуҷуд дорад? Тавре ки шумо тахмин кардаед, ҳа, вуҷуд дорад.
Аммо пеш аз он ки мо фаҳмем, ки чӣ гуна ва чаро компютерҳои квантӣ метавонанд мушкилотро ба таври муассир ҳал кунанд, биёед каме вақт ҷудо кунем, ки онҳо чӣ гунаанд. тақсимоти эҳтимолият. Парво накунед, ин мақолаи барраси аст, дар ин ҷо ягон математикаи душвор вуҷуд надорад, мо бо мисоли классикӣ бо халта ва тӯбҳо кор хоҳем кард.
Танҳо каме комбинаторика, назарияи эҳтимолият ва як озмоишгари аҷиб
Биёед як халтаро гирифта, ба он гузорем 1000 тӯби сафед ва 1000 сиёҳ. Мо таҷриба мегузаронем - тӯбро бароварда, рангро нависед, тӯбро ба халта баргардонед ва тӯбҳоро дар халта омехта кунед.
Таҷриба 10 маротиба гузаронида шуд, 10 туби сиёх бароварданд. Мумкин ки? Бале. Оё ин намуна ба мо дар бораи тақсимоти ҳақиқӣ дар халта ягон фикри оқилона медиҳад? Аён аст, ки не. Чй бояд кард — дуруст, сахтаҷрибаро миллион маротиба такрор кунед ва басомадҳои тӯбҳои сиёҳ ва сафедро ҳисоб кунед. Мо, масалан, мегирем 49.95% сиёҳ ва 50.05% сафед. Дар ин ҳолат, сохтори тақсимоте, ки мо аз он намуна мегирем (як тӯбро мегирем) аллакай кам ё камтар равшан аст.
Чизи асосй он аст, ки инро фахмем худи тачриба характери эхтимолй дорад, бо як намуна (туб) мо сохтори воқеии тақсимотро намедонем, ба мо лозим меояд, ки тачрибаро борхо такрор кунем ва натиҷаҳоро ба ҳисоби миёна.
Биёед онро ба сумкаамон илова кунем 10 тӯби сурх ва 10 сабз (хатоҳо). Биёед таҷрибаро 10 маротиба такрор кунем. ДАР5 сурх ва 5 сабзро берун кашиданд. Мумкин ки? Бале. Мо дар бораи тақсимоти ҳақиқӣ чизе гуфта метавонем - Не. Чӣ бояд кард - хуб, шумо мефаҳмед.
Барои ба даст овардани фаҳмиши сохтори тақсимоти эҳтимолият, зарур аст, ки такроран натиҷаҳои инфиродӣ аз ин тақсимот интихоб карда шаванд ва натиҷаҳоро миёна кунанд.
Пайвастани назария бо амалия
Акнун ба чои тубхои сиёху сафед тубхои билярдро гирифта ба халта гузорем 1000 тӯб бо рақами 2, 1000 тӯб бо рақами 7 ва 10 тӯб бо рақамҳои дигар. Тасаввур мекунем, ки таҷрибакунандаеро, ки дар амалҳои оддитарин (тубро баровардан, рақамро навиштан, тӯбро дубора ба халта гузоридан, тӯбҳоро дар халта омехта кардан) омӯзонида бошад ва ӯ ин корро дар 150 микросония анҷом медиҳад. Хуб, чунин таҷрибаомӯз оид ба суръат (на таблиғи маводи мухаддир !!!). Пас дар 150 сония ӯ метавонад таҷрибаи моро 1 миллион маротиба иҷро кунад ва ба мо натиҷаҳои миёнаро пешниҳод кунед.
Онҳо таҷрибакунандаро ба ҷои худ шинонида, ба ӯ сумка доданд ва рӯй гардонданд ва 150 сония интизор шуданд ва қабул карданд:
раками 2 — 49.5 фоиз, раками 7 — 49.5 фоиз, ракамхои бокимонда чамъ — 1 фоиз.
Бале, дуруст аст, халтаи мо як компютери квантӣ бо алгоритме мебошад, ки мушкилоти моро ҳал мекунад, ва тубҳо ҳалли имконпазир мебошанд. Азбаски ду роҳи ҳалли дуруст вуҷуд дорад, пас компютери квантӣ ба мо яке аз ин ҳалли имконпазирро бо эҳтимолияти баробар ва хатогиҳои 0.5% (10/2000) медиҳад., ки мо дар бораи он баъдтар гап мезанем.
Барои ба даст овардани натиҷаи компютери квантӣ, шумо бояд алгоритми квантиро дар як маҷмӯи додаҳои воридотӣ чанд маротиба иҷро кунед ва натиҷаро миёна кунед.
Миқёспазирии компютери квантӣ
Акнун тасаввур кунед, ки барои коре бо 100 нафар (фазои ҳалли 2^100 мо инро дар хотир дорем), хамагй ду карори дуруст мавчуд аст. Пас, агар мо 100 кубит гирем ва алгоритме нависем, ки функсияи ҳадафи моро (L, ба боло нигаред) аз болои ин кубитҳо ҳисоб мекунад, он гоҳ мо халтаеро мегирем, ки дар он 1000 тӯб бо шумораи ҷавоби аввалини дуруст, 1000 бо рақами дуюми ҷавоби дуруст ва 10 тӯб бо рақамҳои дигар. Ва дар давоми 150 сония озмоишгари мо ба мо тахмини тақсимоти эҳтимолияти ҷавобҳои дурустро медиҳад..
Ваќти иљрои алгоритми квантиро (бо баъзе фарзияњо) нисбат ба андозаи фазои њал (1^N) доимии О(2) њисоб кардан мумкин аст.
Ва ин маҳз моликияти компютери квантӣ аст - доимии вақти корӣ дар робита ба афзоиши қонуни қудрат мураккабии фазои ҳалли калиди аст.
Ҷаҳонҳои қубит ва параллелӣ
Ин чӣ гуна рӯй медиҳад? Чӣ ба компютери квантӣ имкон медиҳад, ки ин қадар зуд ҳисобҳоро анҷом диҳад? Ин ҳама дар бораи табиати квантии кубит аст.
Инак, мо гуфтем, ки кубит ба объекти квантӣ монанд аст ҳангоми мушоҳида яке аз ду ҳолати худро дарк мекунад, вале дар «табиати вахшй» он дар суперпозицияҳои давлатҳо, яъне дар ҳарду ҳолати сарҳадии худ дар як вақт (бо эҳтимолияти муайян) қарор дорад.
Андешидани (А) ндрея ва ҳолати онро (дар кадом мошин - 0 ё 1) ҳамчун як қубит тасаввур кунед. Пас мо (дар фазои квантӣ) ду ҷаҳони параллел, дар як (ВА) дар такси нишаста 0, дар дунёи дигар - дар такси 1. Дар ду такси дар як вакт, вале бо баъзе эњтимолияти пайдо кардани он дар њар кадоми онњо њангоми мушоњида.
Андешидани $B) ҷавон ва инчунин ҳолати онро ҳамчун як қубит тасаввур кунем. Ду ҷаҳони дигари параллелӣ ба вуҷуд меоянд. Аммо ҳоло ин ҷуфтҳои ҷаҳониён (ВА) и (AT) умуман муомила накунед. Барои эҷод кардан чӣ кор кардан лозим аст алоқаманд система? Дуруст, ба мо ин кубитхо лозиманд баста кардан (ихтилоф кардан). Мо онро мегирем ва омехта мекунем (А) бо (Б) — мо системаи квантии ду кубиро мегирем (А, Б), дар худ чорй карданй ба хамдигар вобаста ҷаҳони параллелӣ. Илова (С)ергей ва мо системаи се кубиро ба даст меорем (ABC), татбиқи ҳашт ба хамдигар вобаста ҷаҳони параллелӣ.
Моҳияти ҳисоббарории квантӣ (амалӣ кардани занҷири дарвозаҳои квантӣ аз болои системаи кубитҳои пайваст) дар он аст, ки ҳисобкунӣ дар ҳама ҷаҳонҳои параллелӣ ҳамзамон сурат мегирад.
Ва муҳим нест, ки мо чанд нафари онҳоро дорем, 2^3 ё 2^100, алгоритми квантӣ дар вақти ниҳоӣ дар тамоми ин ҷаҳонҳои параллелӣ иҷро карда мешавад ва ба мо натиҷа медиҳад, ки намунаи тақсимоти эҳтимолияти ҷавобҳои алгоритм аст.
Барои беҳтар фаҳмидани он, метавон тасаввур кард компютери квантӣ дар сатҳи квантӣ 2^N равандҳои ҳалли параллелро иҷро мекунад, ки хар кадоми онхо аз руи як варианти имконпазир кор карда, баъд натичахои корро чамъ- ва ба мо дар шакли суперпозицияи ҳалли ҷавоб медиҳад (тақсимоти эҳтимолияти ҷавобҳо), ки мо аз он ҳар дафъа якторо интихоб мекунем (барои ҳар як озмоиш).
Дар хотир доред, ки вақтеро, ки озмоишгари мо талаб мекунад (150 мкс) барои гузарондани тачриба, ин барои мо каме бештар фоиданок мешавад, вакте ки мо дар бораи проблемахои асосии хисоббарори квантй ва вакти декогерентй сухан меронем.
Алгоритмҳои квантӣ
Тавре ки аллакай зикр гардид, алгоритмҳои анъанавӣ дар асоси мантиқи дуӣ ба компютери квантӣ бо истифода аз мантиқи квантӣ (дарвозаҳои квантӣ) татбиқ намешаванд. Барои вай лозим буд, ки навъҳои наверо таҳия кунанд, ки потенсиали ба табиати квантии ҳисоббарорӣ хосро пурра истифода баранд.
Алгоритмҳои машҳуртарини имрӯза инҳоянд:
Баръакси компютерҳои классикӣ, компютерҳои квантӣ универсалӣ нестанд.
То ҳол танҳо шумораи ками алгоритмҳои квантӣ пайдо шудаанд.
Спасибо барои пайванд ба , ҷойе, ки ба гуфтаи муаллиф (), бехтарин намояндагони олами квантй-алгоритмй гирд оварда шудаанд ва чамъ карданро давом медиханд.
Дар ин мақола мо алгоритмҳои квантиро ба таври муфассал таҳлил намекунем; дар Интернет маводи зиёде барои ҳама гуна сатҳи мураккаб мавҷуданд, аммо ба мо лозим аст, ки ба таври мухтасар аз се алгоритми машҳуртарин гузаред.
алгоритми Шор.
Машҳуртарин алгоритми квантӣ аст (соли 1994 аз ҷониби математики англисӣ ихтироъ шудааст ), ки ба халли масъалаи факторизатсияи ададхо ба омилхои ибтидои (масъалаи кофиронизатсия, логарифми дискрети) нигаронида шудааст.
Маҳз ҳамин алгоритм аст, ки вақте онҳо менависанд, ки системаҳои бонкӣ ва паролҳои шумо ба зудӣ рахна мешаванд, ҳамчун мисол оварда мешавад. Бо назардошти он, ки дарозии калидҳои имрӯза истифодашаванда на камтар аз 2048 бит аст, вақти cap кардан ҳанӯз нарасидааст.
То имрӯз, бештар аз хоксор. Беҳтарин натиҷаҳои факторизатсия бо алгоритми Шор - Рақамҳо и , ки аз 2048 бит хеле камтар аст. Барои натиҷаҳои боқимонда аз ҷадвал, як дигар ҳисобҳо, вале ҳатто беҳтарин натиҷаи аз рӯи ин алгоритми (291311) хеле дур аз татбиқи воқеӣ аст.
Шумо метавонед дар бораи алгоритми Шор бештар хонед, масалан,. Дар бораи татбиқи амалӣ - .
Яке аз мураккабӣ ва қудрати зарурӣ барои омили рақами 2048-бит компютер бо аст . Мо ором хобем.
Алгоритми Гровер
- халли масъалаи руйхатгирй, яъне ёфтани рохи халли муодила F(X) = 1, дар куҷо F аз он n тағирёбандаҳо. Математики америкой пешниход карда буд в .
Барои дарёфти алгоритми Гровер истифода бурдан мумкин аст и силсилаи рақамҳо. Илова бар ин, он метавонад барои ҳалли он истифода шавад мушкилот тавассути ҷустуҷӯи ҳамаҷониба дар байни роҳҳои ҳалли имконпазир. Ин метавонад боиси афзоиши назарраси суръат дар муқоиса бо алгоритмҳои классикӣ шавад, гарчанде ки бидуни таъмин "" умуман.
Шумо метавонед бештар хонедё ... Бештар Бо истифода аз мисоли қуттиҳо ва тӯб шарҳи хуби алгоритм мавҷуд аст, аммо, мутаассифона, бо сабабҳои аз касе вобаста нест, ин сайт барои ман аз Русия кушода намешавад. Агар дошта бошед низ баста шудааст, бинобар ин дар ин ҷо як хулосаи кӯтоҳ:
Алгоритми Гровер. Тасаввур кунед, ки шумо N дона қуттиҳои пӯшида доред. Ҳамаи онҳо холӣ ҳастанд, ба истиснои як, ки тӯб дорад. Вазифаи шумо: рақами қуттии дар он ҷойгиршударо фаҳмед (ин рақами номаълум аксар вақт бо ҳарфи w ишора мешавад).
Ин масъаларо чй тавр бояд хал кард? Беақлтарин роҳ ин аст, ки бо навбат қуттиҳоро кушоед ва дер ё зуд ба қуттии тӯб дучор мешавед. Ба ҳисоби миёна, пеш аз пайдо кардани қуттии дорои тӯб чанд қуттӣ бояд тафтиш карда шавад? Ба ҳисоби миёна, шумо бояд тақрибан нисфи қуттиҳои N/2-ро кушоед. Дар ин чо чизи асосй дар он аст, ки агар шумораи куттихоро 100 маротиба зиёд кунем, пас микдори миёнаи куттихое, ки пеш аз пайдо кардани куттии туб бояд кушода шаванд, низ хамон 100 маротиба зиёд мешавад.
Акнун биёед боз як тавзех дихем. Биёед худамон қуттиҳоро бо даст накушоем ва дар ҳар кадоми онҳо тӯб мавҷуд будани худро тафтиш накунем, аммо миёнарави муайяне ҳаст, биёед ӯро Oracle бигӯем. Мо ба Oracle мегӯем, "қуттии санҷиши рақами 732" ва Oracle ростқавлона тафтиш мекунад ва ҷавоб медиҳад, ки "дар қуттии рақами 732 тӯб нест." Ҳоло, ба ҷои он ки бигӯем, ки мо ба ҳисоби миёна чанд қуттӣ бояд кушоем, мо мегӯем, ки "ба ҳисоби миёна чанд маротиба бояд ба Oracle равем, то шумораи қуттии тӯбро пайдо кунем"
Маълум мешавад, ки агар мо ин масъаларо бо қуттиҳо, тӯб ва Oracle ба забони квантӣ тарҷума кунем, мо натиҷаи назаррас ба даст меорем: барои ёфтани шумораи қуттии дорои тӯб дар байни N қуттиҳо, мо бояд Oracle-ро танҳо дар бораи SQRT халалдор кунем. (N) маротиба!
Яъне, мураккабии вазифаи ҷустуҷӯӣ бо истифода аз алгоритми Гровер бо решаи квадратии вақтҳо кам карда мешавад.
Алгоритми Deutsch-Jozi
Алгоритми Deutsch-Jozsa (инчунин алгоритми Deutsch-Jozsa номида мешавад) - [алгоритм квантӣ](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , ва яке аз аввалин намунаҳои алгоритмҳое гардид, ки барои иҷроиш тарҳрезӣ шудаанд . _
Масъалаи Deutsch-Jozsi аз он иборат аст, ки оё функсияи якчанд тағирёбандаҳои дуӣ F(x1, x2, ... xn) доимӣ аст (барои ҳар як аргумент ё арзиши 0 ё 1-ро мегирад) ё мутавозин (барои нисфи домени он мегирад) арзиши 0, барои нисфи дигар 1). Дар ин ҳолат, априори маълум ҳисобида мешавад, ки функсия ё доимӣ ё мутавозин аст.
Шумо инчунин метавонед хонед . Шарҳи соддатар:
Алгоритми Deutsch (Deutsch-Jozsi) ба қувваи бераҳмона асос ёфтааст, аммо имкон медиҳад, ки он назар ба муқаррарӣ зудтар анҷом дода шавад. Тасаввур кунед, ки дар рӯи миз танга ҳаст ва шумо бояд фаҳмед, ки он қалбакӣ аст ё не. Барои ин, шумо бояд ду маротиба ба танга нигаред ва муайян кунед: "сар" ва "думҳо" воқеӣ, ду "сар", ду "дум" қалбакӣ мебошанд. Ҳамин тавр, агар шумо алгоритми квантии Deutsch-ро истифода баред, пас ин муайянкуниро бо як нигоҳ кардан мумкин аст - андозагирӣ.
Масъалаҳои компютерҳои квантӣ
Ҳангоми тарҳрезӣ ва истифодабарии компютерҳои квантӣ, олимон ва муҳандисон ба шумораи зиёди мушкилот дучор мешаванд, ки то имрӯз бо дараҷаҳои гуногуни муваффақият ҳал карда шудаанд. Бино бар () силсилаи мушкилоти зеринро метавон муайян кард:
- Ҳассосият ба муҳити зист ва ҳамкорӣ бо муҳити зист
- Ҷамъоварии хатогиҳо ҳангоми ҳисобҳо
- Мушкилот бо оғозкунии ибтидоии ҳолати кубит
- Мушкилот дар ташкили системаҳои бисёркубит
Ман тавсия медиҳам, ки мақоларо хонед "”, махсусан шарҳҳо ба он.
Биёед ҳамаи мушкилоти асосиро ба се гурӯҳи калон тақсим кунем ва ба ҳар яки онҳо бодиққат назар кунем:
Декогератсия
.
Ҳолати квантӣ чизи хеле нозуккубитҳо дар ҳолати печида хеле ноустуворанд, хар гуна таъсири беруна ин алокаро вайрон карда метавонад (ва мекунад).. Тағйирёбии ҳарорат ба андозаи хурдтарини дараҷа, фишор, фотони тасодуфӣ дар наздикӣ парвоз мекунад - ҳамаи ин системаи моро ноустувор мекунад.
Барои халли ин масъала саркофагхои паст-харорат сохта мешаванд, ки дар онхо харорат (-273.14 дарача) аз сифри мутлак каме болотар буда, камераи дохилй бо процессор аз тамоми таъсири (имконпазир) мухити беруна чудо карда мешавад.
Давомнокии максималии системаи квантӣ аз якчанд кубитҳои печида, ки дар давоми он хосиятҳои квантии худро нигоҳ медорад ва метавонад барои ҳисобҳо истифода шавад, вақти декогерентсия номида мешавад.
Дар айни замон, вақти декогерентатсия дар беҳтарин ҳалли квантӣ аз рӯи тартиби аст даххо ва садхо микросонияхо.
Аҷиб вуҷуд дорад дар куҷо дидан мумкин аст тамоми системахои квантии офаридашуда. Ин мақола танҳо ду протсессори беҳтаринро ҳамчун мисол дар бар мегирад - аз IBM ва аз . Тавре ки мо мебинем, вақти декогерентатсия (T2) аз 200 мкс зиёд нест.
Ман дар бораи Sycamore маълумоти дақиқ наёфтам, аммо дар аксари ду рақам дода мешавад - 1 миллион ҳисоб дар 200 сония, дар чои дигар — барои 130 сония бе талафи сигналхои идоракунй ва гайра.. Дар ҳар сурат, ин ба мо медиҳад вақти декогерентатсия тақрибан 150 мкс аст. Моро ба ёд оред тачрибакунанда бо халта? Хуб, вай дар ин ҷост.
| Номи компютер | N Qubits | Макс ҷуфт карда шудааст | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Декогератсия ба мо чӣ таҳдид мекунад?
Мушкилоти асосӣ дар он аст, ки пас аз 150 мкс, системаи ҳисоббарории мо аз N куби печида ба ҷои тақсимоти эҳтимолии ҳалли дуруст садои эҳтимолии сафедро мебарорад.
Яъне, ба мо лозим аст:
- Системаи кубитро оғоз кунед
- Ҳисоб кардан (занҷири амалиёти дарвоза)
- Натиҷа хонед
Ва ҳамаи инро дар 150 микросония иҷро кунед. Ман вақт надоштам - натиҷа ба каду табдил ёфт.
Аммо ин ҳама нест…
Хатогӣ
Тавре гуфтем, равандҳои квантӣ ва ҳисоббарории квантӣ табиати эҳтимолӣ доранд, мо наметавонем 100% ба чизе боварӣ дошта бошем, аммо танҳо бо як эҳтимолият. Вазъиятро боз хам тезу тунд мегардонад, ки ҳисоббарории квантӣ ба хатогӣ дучор мешавад. Намудҳои асосии хатогиҳо дар ҳисоббарории квантӣ инҳоянд:
- Хатогиҳои декогерентӣ аз мураккабии система ва таъсири мутақобила бо муҳити беруна ба вуҷуд меоянд
- Хатогиҳои ҳисоббарории дарвоза (бо сабаби табиати квантии ҳисобкунӣ)
- Хатогиҳо дар хондани ҳолати ниҳоӣ (натиҷа)
Хатогиҳои марбут ба decoherence, вақте ки мо қубитҳои худро печонида, ба ҳисобкуниҳо шурӯъ мекунем, пайдо мешаванд. Чӣ қадаре ки мо қубитҳоро бештар гирем, система ҳамон қадар мураккабтар мешавад, ва нобуд кардани он хамон кадар осонтар аст. Саркофагҳои ҳарорати паст, камераҳои муҳофизатшаванда, ҳамаи ин ҳиллаҳои технологӣ маҳз ба кам кардани шумораи хатогиҳо ва дароз кардани вақти декогератсия нигаронида шудаанд.
Хатогиҳои ҳисоббарории дарвоза - ҳама гуна амалиёт (дарвоза) дар кубитҳо метавонад бо эҳтимолияти каме бо хато анҷом ёбад ва барои амалӣ кардани алгоритм мо бояд садҳо дарвозаҳоро иҷро кунем, пас тасаввур кунед, ки мо дар охири иҷрои алгоритми мо чӣ ба даст меорем. Ҷавоби классикӣ ба савол ин аст: "Эҳтимолияти вохӯрдан бо динозавр дар лифт чӣ гуна аст?" - 50х50, ё вохӯрӣ ё не.
Мушкилот аз он сабаб боз ҳам бадтар мешавад, ки усулҳои ислоҳи хатогиҳои стандартӣ (такроркунии ҳисобҳо ва миёна) дар ҷаҳони квантӣ аз сабаби теоремаи бе клонкунӣ кор намекунанд. Барои дар хисоббарории квантй ихтироъ кардан лозим омад . Тақрибан гӯем, мо N куби муқаррариро мегирем ва 1-тои онҳоро мекунем қубити мантиқӣ бо сатҳи пасти хатогиҳо.
Аммо дар ин ҷо мушкилоти дигар ба миён меояд - шумораи умумии кубитҳо. Бубинед, фарз мекунем, ки мо протсессори дорои 100 кубит дорем, ки аз он 80 кубит барои ислоҳи хато истифода мешавад, пас барои ҳисобҳо танҳо 20 адад боқӣ мондааст.
Хатогиҳо дар хондани натиҷаи ниҳоӣ — чунон ки мо дар хотир дорем, натичаи хисобу китоби квантй ба мо шакл дода мешавад тақсимоти эҳтимолияти ҷавобҳо. Аммо хондани ҳолати ниҳоӣ низ метавонад бо хатогӣ ноком шавад.
Дар баробари хамин Ҷадвалҳои муқоисавии протсессорҳо аз рӯи сатҳи хатогиҳо мавҷуданд. Барои муқоиса, биёед ҳамон протсессори мисоли қаблӣ - IBM-ро гирем и :
| компютер | 1-Садоқати дарвозаи Qubit | 2- Садоқати дарвозаи Qubit | Садоқати хондан |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Ин аст, ченаки шабоҳати ду ҳолати квантӣ мебошад. Миқдори хатогиро метавон тақрибан ҳамчун 1-Фидолият ифода кард. Тавре ки мо мебинем, хатогиҳо дар дарвозаҳои 2-кубит ва хатогиҳои хондан монеаи асосӣ барои иҷрои алгоритмҳои мураккаб ва дароз дар компютерҳои мавҷудаи квантӣ мебошанд.
Шумо инчунин метавонед хонед сол аз ки масъалаи ислохи хатохо хал карда шавад.
Архитектураи протсессор
Дар назария мо месозем ва кор мекунем схемахои даххо кубитхои печида, дар асл ҳама чиз мураккабтар аст. Ҳама микросхемаҳои квантии мавҷуда (протсессори) тавре сохта шудаанд, ки онҳо бедардро таъмин мекунанд печидани як кубит танҳо бо ҳамсоягонаш, ки аз он бештар аз шаш нафар нест.
Агар ба мо лозим ояд, ки қубити 1-умро, масалан, бо 12-ум печонед, пас мо бояд занҷири амалҳои иловагии квантиро созед, ҷалби қубитҳои иловагӣ ва ғайра, ки сатҳи умумии хатогиҳоро зиёд мекунад. Бале, ва фаромӯш накунед вақти декогератсия, шояд вақте ки шумо пайваст кардани қубитҳоро ба схемаи лозимӣ анҷом медиҳед, вақт ба охир мерасад ва тамоми схема ба схема табдил меёбад. генератори хуби садои сафед.
Инро низ фаромӯш накунед Меъмории ҳамаи протсессорҳои квантӣ гуногун аст, ва барномае, ки дар эмулятор дар ҳолати "пайвастшавӣ ба ҳама" навишта шудааст, бояд ба меъмории чипи мушаххас "аз нав тартиб дода шавад". Хатто хастанд барои иҷрои ин амалиёт.
Пайвасти максималӣ ва шумораи максималии кубитҳо барои ҳамон чипҳои боло:
| Номи компютер | N Qubits | Макс ҷуфт карда шудааст | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Ва барои муқоиса, ҷадвал бо маълумот аз насли гузаштаи коркардкунандагони. Шумораи кубитҳо, вақти декогерентатсия ва сатҳи хатогиҳоро бо он чизе, ки мо ҳоло бо насли нав дорем, муқоиса кунед. Бо вуҷуди ин, пешрафт суст, вале ҳаракат аст.
Пас,
- Дар айни замон ягон меъмории пурра пайвастшуда бо > 6 кубит мавҷуд нест
- Барои печонидани qubit 0 с дар протсессори воқеӣ, масалан, qubit 15 метавонад якчанд даҳҳо амалиёти иловагиро талаб кунад
- Амалиётҳои бештар -> хатогиҳои бештар -> таъсири қавитари декогерентсия
Натиҷаҳо
Декогерентӣ қабати Прокрасти ҳисоббарории квантии муосир мебошад. Мо бояд ҳама чизро ба 150 мкс мувофиқ созем:
- Оғози ҳолати ибтидоии қубитҳо
- Ҳисоб кардани мушкилот бо истифодаи дарвозаҳои квантӣ
- Барои ба даст овардани натиҷаҳои назаррас хатогиҳоро ислоҳ кунед
- Натиҷаро хонед
То ҳол натиҷаҳо ноумедкунандаанд, ҳарчанд даъво доранд, ки дар компютери квантӣ ба 0.5 сонияи нигоҳдории ҳамоҳангӣ ноил шаванд :
Мо вақти ҳамоҳангии кубитро дар зиёда аз 0.5 сония чен мекунем ва бо муҳофизати магнитӣ мо интизорем, ки ин беҳтар аз 1000 с дарозтар шавад.
Шумо инчунин метавонед дар бораи ин технология хонед ё масалан .
Вазъият аз он сабаб боз ҳам мураккабтар мешавад, ки ҳангоми иҷрои ҳисобҳои мураккаб схемаҳои ислоҳи хатогиҳои квантиро истифода бурдан лозим аст, ки онҳо ҳам вақт ва ҳам кубитҳои дастрасро мехӯранд.
Ва ниҳоят, меъмории муосир имкон намедиҳад, ки нақшаҳои печидаро беҳтар аз 1 дар 4 ё 1 бар 6 бо арзиши ҳадди ақал амалӣ созанд.
Роҳҳои ҳалли мушкилот
Барои ҳалли мушкилоти дар боло зикршуда дар айни замон равиш ва усулҳои зерин истифода мешаванд:
- Истифодаи криокамераҳо бо ҳарорати паст (10 мК (-273,14°C))
- Истифодаи воҳидҳои протсессори, ки ҳадди аксар аз таъсири беруна ҳифз шудаанд
- Истифодаи системаҳои ислоҳи хатогиҳои квантӣ (Logic Qubit)
- Истифодаи оптимизаторҳо ҳангоми барномасозии схемаҳо барои протсессори мушаххас
Таҳқиқот инчунин барои зиёд кардани вақти декогерентатсия, ҷустуҷӯи татбиқи нави физикии объектҳои квантӣ, оптимизатсияи схемаҳои ислоҳкунӣ ва ғайра ва ғайра гузаронида мешавад. Пешравӣ вуҷуд дорад (ба хусусиятҳои чипҳои қаблӣ ва имрӯза нигаред), аммо то ҳол он суст, хеле ва хеле суст аст.
D-Wave
Компютери D-Wave 2000Q 2000-кубит. Сарчашма:
Дар байни эълони Google дар бораи ба даст овардани бартарии квантӣ бо истифода аз протсессори 53-кубит, и аз ширкати D-Wave, ки дар он шумораи кубитҳо ҳазорҳо аст, то ҳадде печида аст. Хуб, дар ҳақиқат, агар 53 кубит тавонистани бартарии квантиро дошта бошад, пас компютери дорои 2048 кубит чӣ кор карда метавонад? Аммо на ҳама чиз хуб аст ...
Хулоса (аз вики гирифта шудааст):
Компютерҳо аз руи принцип кор мекунанд (), метавонад зерсинфи хеле маҳдуди масъалаҳои оптимизатсияро ҳал кунад ва барои татбиқи алгоритмҳои анъанавии квантӣ ва дарвозаҳои квантӣ мувофиқ нестанд.
Барои тафсилоти бештар шумо метавонед хонед, масалан, , (эҳтиёт, метавонад аз Русия кушода нашавад), ё в аз у . Дар омади гап, ман хеле тавсия медиҳам, ки блоги ӯро дар маҷмӯъ хонед, дар он ҷо бисёр маводи хуб мавҷуд аст
Умуман, аз ибтидои эълонҳо ҷомеаи илмӣ дар бораи компютерҳои D-Wave саволҳо доштанд. Масалан, дар соли 2014, IBM далели D-Wave-ро зери шубҳа гузошт Кор ба ҷое расид, ки соли 2015 Google дар якҷоягӣ бо NASA яке аз ин компютерҳои квантиро харида, пас аз таҳқиқот , ки ҳа, компютер назар ба як муқаррарӣ масъаларо зудтар кор мекунад ва ҳисоб мекунад. Шумо метавонед дар бораи изҳороти Google бештар хонед ва, масалан, .
Муҳим он аст, ки компютерҳои D-Wave, ки садҳо ва ҳазорҳо куби доранд, наметавонанд алгоритмҳои квантиро ҳисоб ва иҷро кунанд. Масалан, шумо алгоритми Шорро дар онҳо иҷро карда наметавонед. Ҳамаи онҳо метавонанд истифода баранд, механизмҳои муайяни квантиро барои ҳалли мушкилоти муайяни оптимизатсия истифода баранд. Мо метавонем фикр кунем, ки D-Wave як ASIC квантӣ барои як вазифаи мушаххас аст.
Каме дар бораи эмуляцияи компютерии квантӣ
Компютерҳои квантиро метавон дар компютери муқаррарӣ тақлид кард. Ҳақиқатан, :
- Ҳолати кубит метавонад бошад рақами мураккаб, вобаста аз меъмории протсессор аз 2x32 то 2x64 бит (8-16 байт) ишғол мекунад
- Ҳолати N кубитҳои пайвастшударо метавон ҳамчун 2^N ададҳои мураккаб муаррифӣ кард, яъне. 2^(3+N) барои меъмории 32-бит ва 2^(4+N) барои 64-бит.
- Амалиёти квантӣ дар N кубитро метавон бо матритсаи 2^N x 2^N муаррифӣ кард
Сипас:
- Барои нигоҳ доштани ҳолати тақлидшудаи 10 кубит, 8 КБ лозим аст
- Барои нигоҳ доштани ҳолати 20 кубит ба шумо 8 МБ лозим аст
- Барои нигоҳ доштани ҳолати 30 кубит, 8 ГБ лозим аст
- Барои нигоҳ доштани ҳолати 40 кубит 8 терабайт лозим аст
- Барои нигоҳ доштани ҳолати 50 кубит, 8 петабайт лозим аст ва ғайра.
Барои муқоиса, () ҳамагӣ 2.8 петабайт хотира дорад.
— 49 кубит соли гузашта ба бузургтарин суперкомпютери чинӣ ()
Маҳдудияти симулятсияи компютери квантӣ дар системаҳои классикӣ аз рӯи миқдори RAM, ки барои нигоҳ доштани ҳолати кубитҳо лозим аст, муайян карда мешавад.
Ман инчунин хонданро тавсия медиҳам . Аз он ҷо:
Аз рӯи амалиёт - барои тақлидкунии дақиқи схемаи 49-кубит, ки аз тақрибан 39 "сикл" (қабатҳои мустақили дарвозаҳо) иборат аст 2^63 зарбкунии мураккаб - 4 Pflops суперкомпьютер барои 4 соат
Тақлид кардани компютери квантии 50+ кубитӣ дар системаҳои классикӣ дар муддати мувофиқ имконнопазир ҳисобида мешавад. Ин аст, ки чаро Google барои таҷрибаи бартарии квантии худ протсессори 53-кубитро истифода бурд.
Бартарии ҳисоббарории квантӣ.
Википедиа ба мо таърифи зерини волоияти ҳисоббарории квантиро медиҳад:
Бартарии квантӣ - қобилият дастгоҳҳо барои ҳалли мушкилоте, ки компютерҳои классикӣ амалан ҳал карда наметавонанд.
Дарвоқеъ, ноил шудан ба бартарии квантӣ маънои онро дорад, ки масалан, факторизатсияи ададҳои калон бо истифода аз алгоритми Шор метавонад дар вақти мувофиқ ҳал карда шавад ё молекулаҳои мураккаби химиявӣ дар сатҳи квантӣ тақлид карда шаванд ва ғайра. Яъне давраи нав фаро расид.
Аммо дар таърифи таъриф каме хала вуҷуд дорад "ки компютерхои классикиро амалан хал карда наметавонанд" Дарвоқеъ, ин маънои онро дорад, ки агар шумо як компютери квантии 50+ кубит эҷод кунед ва дар он як схемаи квантиро иҷро кунед, пас, тавре ки мо дар боло муҳокима кардем, натиҷаи ин схемаро дар компютери муқаррарӣ тақлид кардан мумкин нест. Яъне компютери классикӣ наметавонад натиҷаи чунин схемаро аз нав барқарор кунад.
Новобаста аз он ки чунин натиҷа бартарии воқеии квантиро ташкил медиҳад ё не, як саволи фалсафӣ аст. Аммо бифаҳмед, ки Google чӣ кор кардааст ва он ба чӣ асос ёфтааст зарур.
Изҳороти бартарии квантии Google
Протсессори Sycamore 54-кубит
Ҳамин тавр, моҳи октябри соли 2019 таҳиягарони Google мақолаеро дар нашрияи илмии Nature нашр карданд." Муаллифон барои аввалин бор дар таърих бо истифода аз протсессори 54-кубити Sycamore дар бораи дастоварди бартарии квантӣ эълон карданд.
Мақолаҳои Sycamore онлайн аксар вақт ба протсессори 54-кубит ё протсессори 53-кубит ишора мекунанд. Ҳақиқат ин аст, ки мувофиқи , протсессори ҷисмонӣ аз 54 кубит иборат аст, аммо яке аз онҳо кор намекунад ва аз хидмат хориҷ карда шудааст. Ҳамин тариқ, дар асл мо протсессори 53-кубит дорем.
Дар он ҷо дар веб материалхои дойр ба ин мавзуъ, ки дарачаи онхо аз ба .
Гурӯҳи ҳисоббарории квантии IBM баъдтар изҳор дошт . Ширкат иддао дорад, ки компютери маъмулӣ дар бадтарин ҳолат дар 2,5 рӯз аз ӯҳдаи ин кор мебарояд ва посухи натиҷавӣ нисбат ба як компютери квантӣ дақиқтар хоҳад буд. Ин хулоса дар асоси натиљањои тањлили назариявии якчанд усулњои оптимизатсия бароварда шудааст.
Ва, албатта, дар вай Ман ин изҳоротро нодида гирифта наметавонистам. Ӯ дар баробари ҳамаи пайвандҳо ва чун маъмул, онҳо ба маблағи сарф кардани вақти шумо ҳастанд. Дар хаб ин FAQ, ва боварӣ ҳосил кунед, ки шарҳҳоро хонед, истинодҳо ба ҳуҷҷатҳои пешакӣ мавҷуданд, ки пеш аз эълони расмӣ дар интернет паҳн шудаанд.
Google воқеан чӣ кор кард? Барои фаҳмиши муфассал, Ааронсонро хонед, аммо ба таври мухтасар дар ин ҷо:
Ман, албатта, метавонам ба шумо бигӯям, аммо ман худро хеле беақл ҳис мекунам. Ҳисоб чунин аст: таҷрибакунанда як схемаи квантии тасодуфии C-ро тавлид мекунад (яъне пайдарпаии тасодуфии дарвозаҳои 1-кубит ва 2-кубит байни ҳамсояҳои наздиктарин бо чуқурии, масалан, 20, ки дар шабакаи 2D-и n амал мекунад. = 50-60 кубит). Сипас таҷрибакунанда C-ро ба компютери квантӣ мефиристад ва аз он хоҳиш мекунад, ки C-ро ба ҳолати ибтидоии 0 татбиқ кунад, натиҷаро дар асоси {0,1} андоза кунад, пайдарпаии мушоҳидашудаи n-битро (сатр) баргардонад ва якчанд амалро такрор кунад. ҳазорҳо ё миллионҳо маротиба. Ниҳоят, бо истифода аз дониши худ дар бораи C, таҷрибакунанда санҷиши оморӣ мегузаронад, то бубинад, ки натиҷа ба натиҷаи интизории компютери квантӣ мувофиқат мекунад ё на.
Хеле мухтасар:
- Бо истифода аз дарвозаҳо як схемаи тасодуфии дарозии 20 аз 53 кубит сохта мешавад
- Схема аз ҳолати аввала [0…0] барои иҷро оғоз мешавад
- Натиҷаи схема як сатри тасодуфии бит аст (намуна)
- Тақсимоти натиҷа тасодуфӣ нест (дахолат)
- Тақсимоти намунаҳои гирифташуда бо намунаи пешбинишуда муқоиса карда мешавад
- Бартарии квантиро ба охир мерасонад
Яъне, Google дар як протсессори 53-кубит як мушкили синтетикиро амалӣ кард ва даъвои худро дар бораи ба даст овардани бартарии квантӣ ба он асоснок мекунад, ки тақлид кардани чунин протсессор дар системаҳои стандартӣ дар муддати мувофиқ имконнопазир аст.
Барои фаҳмидани - Ин бахш ба ҳеҷ ваҷҳ дастоварди Google-ро кам намекунад, муҳандисон воқеан бузурганд ва саволе, ки оё инро бартарии воқеии квантӣ шуморидан мумкин аст ё не, чунон ки дар боло зикр гардид, фалсафӣтар аз муҳандисӣ аст. Аммо мо бояд дарк кунем, ки бо ба даст овардани чунин бартарии ҳисоббарор, мо як қадам ба сӯи қобилияти иҷро кардани алгоритми Шор дар рақамҳои 2048-бит пеш нарафтем.
Натиҷа
Компютерҳои квантӣ ва ҳисоббарории квантӣ як соҳаи хеле умедбахш, хеле ҷавон ва то ба ҳол кам татбиқшавандаи технологияи иттилоотӣ мебошанд.
Рушди ҳисоббарории квантӣ (рӯзе) ба мо имкон медиҳад, ки мушкилотро ҳал кунем:
- Моделсозии системаҳои мураккаби физикӣ дар сатҳи квантӣ
- Аз сабаби мураккабии ҳисоббарорӣ дар компютери муқаррарӣ ҳалнашаванда аст
Проблемаҳои асосии эҷод ва истифодаи компютерҳои квантӣ:
- Декогератсия
- Хатогиҳо (декогерентатсия ва дарвоза)
- Архитектураи протсессор (схемаҳои пурра пайвастшудаи qubit)
Ҳолати ҳозираи корҳо:
- Дар асл - ибтидо .
- Ҳанӯз истисмори воқеии тиҷоратӣ вуҷуд надорад (ва маълум нест, ки кай хоҳад буд)
Чӣ кӯмак карда метавонад:
- Як навъ кашфиёти ҷисмонӣ, ки арзиши ноқилҳо ва коркардкунандагони коркардро коҳиш медиҳад
- Кашф кардани чизе, ки вақти декогерентиро бо тартиби миқёс зиёд мекунад ва/ё хатогиҳоро кам мекунад
Ба андешаи ман (фикри сирф шахсӣ), дар парадигмаи илмии хозираи дониш мо дар инкишофи технологияи квантй муваффакияти калон ба даст намеоварем, дар ин ҷо ба мо як пешравии сифатӣ дар баъзе соҳаи илми фундаменталӣ ё амалӣ лозим аст, ки ба ғояҳо ва усулҳои нав такони мебахшад.
Дар айни замон, мо дар барномасозии квантӣ, ҷамъоварӣ ва эҷоди алгоритмҳои квантӣ, санҷиши ғояҳо ва ғайра таҷриба меомӯзем. Мо мунтазири пешрафт ҳастем.
хулоса
Дар ин мақола, мо марҳалаҳои асосии рушди ҳисоббарории квантӣ ва компютерҳои квантиро аз сар гузаронида, принсипи кори онҳоро баррасӣ кардем, мушкилоти асосии муҳандисон дар таҳия ва истифодаи протсессорҳои квантиро баррасӣ кардем ва инчунин ба он дидем, ки чӣ гуна бисёркубит Эълони ба наздикӣ аз ҷониби Wave ва Google дар бораи ба даст овардани бартарии квантӣ.
Дар паси парда саволҳои барномасозии компютерҳои квантӣ (забонҳо, равишҳо, усулҳо ва ғ.) ва саволҳои марбут ба татбиқи мушаххаси физикии протсессорҳо, чӣ гуна идора, пайвастшавӣ, хондан ва ғайра гузошта мешаванд. Шояд ин мавзӯи мақола ё мақолаҳои оянда бошад.
Ташаккур барои таваҷҷуҳ, ман умедворам, ки ин мақола барои касе муфид хоҳад буд.
(C)
Эътирофҳо
барои тахлил ва эродхо дар бораи матни манбаъ, инчунин барои макола
барои шарҳу эзоҳҳои иттилоотӣ дар бораи , ва на танҳо ба вай, ки ба ман дар фаҳмидани ин муаммо кӯмак кард.
Ба ҳамаи муаллифони мақолаҳо ва нашрияҳое, ки маводи онҳо дар навиштани ин мақола истифода шудаанд.
Рӯйхати захираҳо
Мақолаҳои ҷорӣ аз [The National Academies Press]
Мақолаҳо аз Ҳабр (бо тартиби тасодуфӣ)
Мақолаҳои ҷудонашуда (вале на камтар ҷолиб) аз Интернет
Курсхо ва лекцияхо
Манбаъ: will.com