Quantum computer at quantum computing - bago , na idinagdag sa aming espasyo ng impormasyon kasama ng , at iba pang high-tech na termino. Kasabay nito, hindi ako nakahanap ng materyal sa Internet na magsasama-sama ng palaisipan sa aking ulo na tinatawag "kung paano gumagana ang mga quantum computer". Oo, maraming mahuhusay na gawa, kabilang ang sa Habr (tingnan. ), ang mga komento kung saan, gaya ng karaniwang nangyayari, ay mas nagbibigay-kaalaman at kapaki-pakinabang, ngunit ang larawan sa aking ulo, tulad ng sinasabi nila, ay hindi nagdaragdag.
At kamakailan lang ay lumapit sa akin ang aking mga kasamahan at nagtanong, βNaiintindihan mo ba kung paano gumagana ang isang quantum computer? Maaari mo bang sabihin sa amin?β At pagkatapos ay napagtanto ko na hindi lang ako ang may problema sa pagsasama-sama ng magkakaugnay na larawan sa aking ulo.
Bilang isang resulta, isang pagtatangka ay ginawa upang i-compile ang impormasyon tungkol sa mga quantum computer sa isang pare-parehong logic circuit kung saan pangunahing antas, nang walang malalim na pagsasawsaw sa matematika at ang istruktura ng mundong quantum, ipinaliwanag kung ano ang isang quantum computer, kung anong mga prinsipyo ang pinapatakbo nito, at kung anong mga problema ang kinakaharap ng mga siyentipiko sa paggawa at pagpapatakbo nito.
Talaan ng nilalaman
Disclaimer
Ang may-akda ay hindi isang dalubhasa sa quantum computing, at Ang target na madla ng artikulo ay ang parehong mga tao sa IT, hindi mga quantum specialist, na gusto ring magsama-sama ng larawan sa kanilang mga ulo na tinatawag na "Paano gumagana ang mga quantum computer." Dahil dito, maraming mga konsepto sa artikulo ang sadyang pinasimple upang mas maunawaan ang mga teknolohiyang quantum sa isang "basic" na antas, ngunit walang .
Ang artikulo sa ilang mga lugar ay gumagamit ng mga materyales mula sa iba pang mga mapagkukunan, . Hangga't maaari, ang mga direktang link at indikasyon sa orihinal na teksto, talahanayan o figure ay ipinapasok. Kung may nakalimutan ako (o isang tao) sa isang lugar, sumulat at itatama ko ito.
Pagpapakilala
Sa kabanatang ito, maikling titingnan natin kung paano nagsimula ang quantum era, kung ano ang nag-uudyok na dahilan para sa ideya ng isang quantum computer, na (kung aling mga bansa at korporasyon) ang kasalukuyang nangungunang mga manlalaro sa larangang ito, at maikling pag-uusap din. tungkol sa mga pangunahing direksyon ng pagbuo ng quantum computing.
Kung paano ang lahat ng ito ay nagsimula
Ang panimulang punto ng panahon ng quantum ay itinuturing na 1900, nang unang iniharap ni M. Planck na enerhiya ay ibinubuga at hinihigop hindi tuloy-tuloy, ngunit sa magkahiwalay na quanta (mga bahagi). Ang ideya ay kinuha at binuo ng maraming mga natitirang siyentipiko noong panahong iyon - Bohr, Einstein, Heisenberg, SchrΓΆdinger, na sa huli ay humantong sa paglikha at pag-unlad ng naturang agham tulad ng . Mayroong maraming magagandang materyales sa Internet tungkol sa pagbuo ng quantum physics bilang isang agham; sa artikulong ito ay hindi natin ito tatalakayin nang detalyado, ngunit kinakailangang ipahiwatig ang petsa kung kailan tayo pumasok sa bagong panahon ng quantum.
Ang quantum physics ay nagdala ng maraming imbensyon at teknolohiya sa ating pang-araw-araw na buhay, kung wala ito mahirap na ngayong isipin ang mundo sa paligid natin. Halimbawa, isang laser, na ginagamit na ngayon sa lahat ng dako, mula sa mga gamit sa bahay (mga antas ng laser, atbp.) hanggang sa mga high-tech na sistema (mga laser para sa pagwawasto ng paningin, hello ). Magiging lohikal na ipagpalagay na maaga o huli ay may makakaisip ng ideya na bakit hindi gumamit ng mga quantum system para sa pag-compute. At pagkatapos ay noong 1980 nangyari ito.
Ipinapahiwatig ng Wikipedia na ang unang ideya ng quantum computing ay ipinahayag noong 1980 ng aming siyentipikong si Yuri Manin. Ngunit talagang nagsimula silang makipag-usap tungkol dito lamang noong 1981, nang ang kilalang R. Feynman , nabanggit na imposibleng gayahin ang ebolusyon ng isang quantum system sa isang klasikal na computer sa isang mahusay na paraan. Nagmungkahi siya ng isang modelong elementarya , na magagawang magsagawa ng naturang pagmomolde.
Meron isang , kung saan ay itinuturing na mas akademiko at mas detalyado, ngunit tatalakayin natin sa madaling sabi:
Mga pangunahing milestone sa kasaysayan ng paglikha ng mga quantum computer:
- [1994]. P. Shore. Dinisenyo ni
- [1998]. Nilikha
- [2001]. Ipinakilala ng IBM ang pagpapatupad para sa pagpapalawak ng numero 15
- [2007-2016]. lumilikha at bumuo ng isang computer na may 128-2000 qubits
- [2012]. Ipinatupad sa Unibersidad ng California
- [2016]. Google sa isang 9-qubit na computer
- [2017]. (tatlong atomo)
- [2019]. . 20-qubit na computer sa cloud
- [2019]. . 53 qubit na computer. ?
Tulad ng makikita mo, 17 taon na ang lumipas (mula 1981 hanggang 1998) mula sa sandali ng ideya hanggang sa unang pagpapatupad nito sa isang computer na may 2 qubits, at 21 taon (mula 1998 hanggang 2019) hanggang sa sandaling tumaas ang bilang ng mga qubit. hanggang 53. Kinailangan ng 11 taon (mula 2001 hanggang 2012) upang mapabuti ang resulta ng algorithm ni Shor (titingnan natin ito nang mas detalyado sa ibang pagkakataon) mula sa numero 15 hanggang 21. Gayundin, tatlong taon lamang ang nakalipas dumating tayo sa punto ng pagpapatupad ng pinag-usapan ni Feynman, at matutong magmodelo ng mga pinakasimpleng pisikal na sistema.
Ang pag-unlad ng quantum computing ay mabagal. Ang mga siyentipiko at inhinyero ay nahaharap sa napakahirap na mga gawain, ang mga quantum state ay napakaikli ang buhay at marupok, at upang mapanatili ang mga ito ng sapat na katagalan upang magsagawa ng mga kalkulasyon, kailangan nilang magtayo ng sarcophagi para sa sampu-sampung milyong dolyar, kung saan ang temperatura ay pinananatili. sa itaas lamang ng absolute zero, at kung saan ay lubos na protektado mula sa mga panlabas na impluwensya. Susunod ay pag-uusapan natin ang mga gawain at problemang ito nang mas detalyado.
Mga Nangungunang Manlalaro
Ang mga slide para sa seksyong ito ay kinuha mula sa artikulo , mula sa mananaliksik Alexey Fedorov. Hayaan mong bigyan kita ng mga direktang quote:
Lahat ng mga bansang matagumpay sa teknolohiya ay kasalukuyang aktibong bumubuo ng mga teknolohiyang quantum. Malaking halaga ng pera ang ini-invest sa pananaliksik na ito, at ang mga espesyal na programa para suportahan ang mga teknolohiyang quantum ay nalilikha.
Hindi lamang mga estado, kundi pati na rin ang mga pribadong kumpanya ay nakikilahok sa quantum race. Sa kabuuan, ang Google, IBM, Intel at Microsoft ay kamakailang namuhunan ng humigit-kumulang $0,5 bilyon sa pagbuo ng mga quantum computer at lumikha ng malalaking laboratoryo at mga sentro ng pananaliksik.
Mayroong maraming mga artikulo sa HabrΓ© at sa Internet, halimbawa, , ΠΈ , kung saan ang kasalukuyang kalagayan sa pag-unlad ng mga teknolohiyang quantum sa iba't ibang bansa ay sinusuri nang mas detalyado. Ang pangunahing bagay para sa amin ngayon ay ang lahat ng nangungunang teknolohikal na binuo na mga bansa at mga manlalaro ay namumuhunan ng malaking halaga ng pera sa pananaliksik sa direksyong ito, na nagbibigay ng pag-asa para sa isang paraan mula sa kasalukuyang teknolohikal na hindi pagkakasundo.
Mga direksyon sa pag-unlad
Sa ngayon (maaaring mali ako, itama ako) ang mga pangunahing pagsisikap (at higit pa o hindi gaanong makabuluhang mga resulta) ng lahat ng nangungunang manlalaro ay puro sa dalawang lugar:
- Mga dalubhasang quantum computer, na naglalayong lutasin ang isang partikular na partikular na problema, halimbawa, isang problema sa pag-optimize. Ang isang halimbawa ng isang produkto ay ang D-Wave quantum computers.
- Mga unibersal na quantum computer β na may kakayahang magpatupad ng mga arbitrary na quantum algorithm (Shor, Grover, atbp.). Mga pagpapatupad mula sa IBM, Google.
Iba pang mga vector ng pag-unlad na ibinibigay sa atin ng quantum physics, tulad ng:
- bilang batayan para sa
- at marami pang iba
Siyempre, nasa listahan din ito ng mga lugar para sa pagsasaliksik, ngunit sa kasalukuyan ay tila wala nang higit pa o hindi gaanong makabuluhang mga resulta.
Bilang karagdagan, maaari mong basahin , sige, google"", Halimbawa, , ΠΈ .
Mga pangunahing kaalaman. Quantum object at quantum system
Ang pinakamahalagang bagay na dapat maunawaan mula sa seksyong ito ay iyon
Quantum computer (hindi tulad ng dati) ay ginagamit bilang mga tagapagdala ng impormasyon mga bagay na quantum, at para magsagawa ng mga kalkulasyon, dapat na konektado ang mga quantum object sistema ng quantum.
Ano ang isang quantum object?
Quantum object - isang bagay ng microworld (quantum world) na nagpapakita ng quantum properties:
- May tinukoy na estado na may dalawang antas ng hangganan
- Nasa superposisyon ng estado nito hanggang sa sandali ng pagsukat
- Nakikisali sa sarili sa iba pang mga bagay upang lumikha ng mga quantum system
- Natutugunan ang no-cloning theorem (ang estado ng isang bagay ay hindi maaaring kopyahin)
Tingnan natin ang bawat ari-arian nang mas detalyado:
May tinukoy na estado na may dalawang antas ng hangganan (end state)
Ang isang klasikong real-world na halimbawa ay isang barya. Mayroon itong "panig" na estado, na tumatagal sa dalawang antas ng hangganan - "mga ulo" at "mga buntot".
Nasa superposisyon ng estado nito hanggang sa sandali ng pagsukat
Naghagis sila ng barya, lumilipad ito at umiikot. Habang ito ay umiikot, imposibleng sabihin kung saan sa mga antas ng hangganan matatagpuan ang "panig" nitong estado. Ngunit sa sandaling ibagsak natin ito at tingnan ang resulta, ang superposisyon ng mga estado ay agad na bumagsak sa isa sa dalawang estado ng hangganan - "mga ulo" at "mga buntot". Ang paghampas ng barya sa aming kaso ay isang sukatan.
Nakikisali sa sarili sa iba pang mga bagay upang lumikha ng mga quantum system
Mahirap sa isang barya, ngunit subukan natin. Imagine naghagis tayo ng tatlong barya para paikutin sila magkadikit, ito ay pag-juggling ng barya. Sa bawat sandali ng panahon, hindi lamang ang bawat isa sa kanila ay nasa superposisyon ng mga estado, ngunit ang mga estadong ito ay magkaparehong impluwensya sa isa't isa (ang mga barya ay nagbanggaan).
Natutugunan ang no-cloning theorem (ang estado ng isang bagay ay hindi maaaring kopyahin)
Habang lumilipad at umiikot ang mga barya, walang paraan na makagawa tayo ng kopya ng estado ng pag-ikot ng alinman sa mga barya, na hiwalay sa system. Ang sistema ay nabubuhay sa sarili nito at labis na naninibugho sa pagpapalabas ng anumang impormasyon sa labas ng mundo.
Ilang salita pa tungkol sa konsepto mismo "mga superposisyon", sa halos lahat ng mga artikulo superposisyon ay ipinaliwanag bilang "ay nasa lahat ng estado nang sabay-sabay", na, siyempre, totoo, ngunit kung minsan ay hindi kinakailangang nakalilito. Ang isang superposisyon ng mga estado ay maaari ding isipin bilang ang katotohanan na sa bawat sandali ng oras ay isang bagay na quantum may mga tiyak na posibilidad ng pagbagsak sa bawat antas ng hangganan nito, at sa kabuuan ang mga probabilidad na ito ay natural na katumbas ng 1. Sa ibang pagkakataon, kapag isinasaalang-alang ang qubit, tatalakayin natin ito nang mas detalyado.
Para sa mga barya, maaari itong mailarawan - depende sa paunang bilis, anggulo ng paghagis, ang estado ng kapaligiran kung saan lumilipad ang barya, sa bawat sandali ng oras ang posibilidad na makakuha ng "mga ulo" o "mga buntot" ay iba. At, gaya ng nabanggit kanina, ang kalagayan ng naturang lumilipad na barya ay maaaring isipin bilang "nasa lahat ng hangganan nito sa parehong oras, ngunit may iba't ibang posibilidad ng kanilang pagpapatupad."
Anumang bagay kung saan ang mga katangian sa itaas ay natutugunan at kung saan maaari naming gawin at kontrolin ay maaaring gamitin bilang isang carrier ng impormasyon sa isang quantum computer.
Kaunti pa ay pag-uusapan natin ang tungkol sa kasalukuyang kalagayan sa pisikal na pagpapatupad ng mga qubit bilang mga bagay na quantum, at kung ano ang ginagamit ngayon ng mga siyentipiko sa kapasidad na ito.
Kaya't ang ikatlong pag-aari ay nagsasaad na ang mga bagay na quantum ay maaaring maging gusot upang lumikha ng mga sistema ng quantum. Ano ang isang quantum system?
Sistema ng kuwantum β isang sistema ng mga bagay na buhol-buhol na quantum na may mga sumusunod na katangian:
- Ang isang quantum system ay nasa isang superposisyon ng lahat ng posibleng estado ng mga bagay kung saan ito binubuo
- Imposibleng malaman ang estado ng system hanggang sa sandali ng pagsukat
- Sa sandali ng pagsukat, ipinapatupad ng system ang isa sa mga posibleng variant ng mga hangganan ng estado nito
(at, tumingin sa unahan ng kaunti)
Corollary para sa mga quantum program:
- Ang isang quantum program ay may ibinigay na estado ng system sa input, isang superposition sa loob, isang superposition sa output
- Sa output ng programa pagkatapos ng pagsukat mayroon kaming probabilistikong pagpapatupad ng isa sa mga posibleng huling estado ng system (kasama ang mga posibleng error)
- Ang anumang quantum program ay may chimney architecture (input -> output. Walang mga loop, hindi mo makikita ang estado ng system sa gitna ng proseso.)
Paghahambing ng isang quantum computer at isang conventional
Ihambing natin ngayon ang isang kumbensyonal na computer at isang quantum.
| regular na kompyuter | Quantum computer | |
|
Lohika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Pisika
|
Semiconductor transistor | Quantum object |
|
Tagadala ng impormasyon
|
Mga antas ng boltahe | Polariseysyon, pag-ikot,... |
|
Mga Operasyon
|
HINDI, AT, O, XOR sa mga bit | Mga balbula: CNOT, Hadamard,β¦ |
|
Pagkakabit
|
Semiconductor chip | Pagkalito sa isa't isa |
|
Mga algorithm
|
Standard (tingnan ang Whip) | Mga Espesyal (Shore, Grover) |
|
Prinsipyo
|
Digital, deterministiko | Analog, probabilistiko |
Antas ng lohika
Sa isang regular na computer ito ay medyo. Kilalang-kilala sa amin sa pamamagitan at sa pamamagitan ng deterministikong bit. Maaaring kumuha ng mga halaga ng alinman sa 0 o 1. Ito ay ganap na nakayanan ang tungkulin lohikal na yunit para sa isang regular na computer, ngunit ganap na hindi angkop para sa paglalarawan ng estado bagay na quantum, na, tulad ng nasabi na natin, sa ligaw ay matatagpuan samga superposisyon ng kanilang mga hangganang estado.
Ito ang kanilang naisip . Sa mga estado ng hangganan nito, napagtanto nito ang mga estado na katulad ng 0 at 1 , at sa superposisyon ay kumakatawan pamamahagi ng posibilidad sa mga hangganan nito |0> ΠΈ |1>:
a|0> + b|1>, ΡΠ°ΠΊΠΎΠ΅, ΡΡΠΎ a^2+b^2=1kumakatawan ang a at b , at ang mga parisukat ng kanilang mga module ay ang aktwal na mga posibilidad na makakuha ng eksaktong mga halaga ng mga estado ng hangganan |0> ΠΈ |1>, kung i-collapse mo ang qubit na may sukat ngayon.
Pisikal na layer
Sa kasalukuyang teknolohikal na antas ng pag-unlad, ang pisikal na pagpapatupad ng kaunti para sa isang maginoo na computer ay semiconductor transistor, para sa quantum, gaya ng nasabi na natin, anumang bagay na quantum. Sa susunod na seksyon ay pag-uusapan natin kung ano ang kasalukuyang ginagamit bilang pisikal na media para sa mga qubit.
Daluyan ng imbakan
Para sa isang regular na computer ito ay kuryente - mga antas ng boltahe, presensya o kawalan ng kasalukuyang, atbp., para sa quantum - pareho estado ng isang quantum object (direksyon ng polarization, spin, atbp.), na maaaring nasa estado ng superposisyon.
Mga Operasyon
Upang ipatupad ang mga logic circuit sa isang regular na computer, ginagamit namin ang kilalang-kilala , para sa mga operasyon sa qubits ito ay kinakailangan upang makabuo ng isang ganap na naiibang sistema ng mga operasyon, na tinatawag . Ang mga gate ay maaaring single-qubit o double-qubit, depende sa kung gaano karaming mga qubit ang na-convert.
Mga halimbawa ng quantum gate:
May konsepto unibersal na hanay ng balbula, na sapat upang maisagawa ang anumang pagkalkula ng quantum. Halimbawa, ang isang unibersal na set ay may kasamang Hadamard gate, isang phase shift gate, isang CNOT gate, at isang Οβ8 gate. Sa kanilang tulong, maaari kang magsagawa ng anumang pagkalkula ng quantum sa isang di-makatwirang hanay ng mga qubit.
Sa artikulong ito, hindi kami magtatagal nang detalyado sa sistema ng mga quantum gate; maaari kang magbasa nang higit pa tungkol sa mga ito at lohikal na operasyon sa mga qubit, halimbawa, . Ang pangunahing bagay na dapat tandaan:
- Ang mga operasyon sa mga bagay na quantum ay nangangailangan ng paglikha ng mga bagong lohikal na operator (mga quantum gate)
- Ang mga quantum gate ay may mga single-qubit at double-qubit na uri.
- Mayroong mga unibersal na hanay ng mga gate na maaaring magamit upang magsagawa ng anumang quantum computation
Pagkakabit
Ang isang transistor ay ganap na walang silbi sa amin; upang maisagawa ang mga kalkulasyon, kailangan naming ikonekta ang maraming mga transistor sa bawat isa, iyon ay, lumikha ng isang semiconductor chip mula sa milyun-milyong transistor kung saan bubuo ng mga lohikal na circuit. at, sa huli, kumuha ng modernong processor sa klasikong anyo nito.
Ang isang qubit ay ganap ding walang silbi sa amin (well, kung sa akademikong termino lamang),
upang magsagawa ng mga kalkulasyon kailangan namin ng isang sistema ng mga qubit (mga bagay na quantum)
na, gaya ng nasabi na natin, ay nilikha sa pamamagitan ng pagkakasalubong ng mga qubit sa isa't isa upang ang mga pagbabago sa kanilang mga estado ay mangyari sa isang koordinadong paraan.
Mga algorithm
Ang mga karaniwang algorithm na naipon ng sangkatauhan hanggang sa kasalukuyan ay ganap na hindi angkop para sa pagpapatupad sa isang quantum computer. Oo, sa pangkalahatan ay hindi na kailangan. Ang mga quantum computer batay sa gate logic sa mga qubit ay nangangailangan ng paglikha ng ganap na magkakaibang mga algorithm, mga quantum algorithm. Sa mga pinakakilalang quantum algorithm, tatlo ang maaaring makilala:
- (factorization)
- (mabilis na paghahanap sa isang hindi nakaayos na database)
- (sagot sa tanong, pare-pareho o balanseng pag-andar)
Prinsipyo
At ang pinakamahalagang pagkakaiba ay ang prinsipyo ng pagpapatakbo. Para sa isang karaniwang computer ito ay digital, mahigpit na deterministikong prinsipyo, batay sa katotohanan na kung magtakda kami ng ilang paunang estado ng system at ipasa ito sa isang ibinigay na algorithm, ang resulta ng mga kalkulasyon ay magiging pareho, gaano man karaming beses namin patakbuhin ang pagkalkula na ito. Sa totoo lang, ang pag-uugali na ito ay eksakto kung ano ang inaasahan namin mula sa isang computer.
Gumagana ang Quantum computer analogue, probabilistikong prinsipyo. Ang resulta ng isang ibinigay na algorithm sa isang naibigay na paunang estado ay sample mula sa isang probability distribution panghuling pagpapatupad ng algorithm at mga posibleng error.
Ang probabilistic na katangian ng quantum computing ay dahil sa napaka probabilistic na esensya ng quantum world. "Hindi nakikipaglaro ang Diyos sa uniberso.", sabi ng matandang Einstein, ngunit ang lahat ng mga eksperimento at obserbasyon sa ngayon (sa kasalukuyang paradigma ng siyentipiko) ay nagpapatunay ng kabaligtaran.
Mga pisikal na pagpapatupad ng mga qubit
Tulad ng nasabi na natin, ang isang qubit ay maaaring katawanin ng isang quantum object, iyon ay, isang pisikal na bagay na nagpapatupad ng mga katangian ng quantum na inilarawan sa itaas. Iyon ay, halos nagsasalita, anumang pisikal na bagay kung saan mayroong dalawang estado at ang dalawang estado na ito ay nasa isang estado ng superposisyon ay maaaring gamitin upang bumuo ng isang quantum computer.
"Kung maaari naming ilagay ang isang atom sa dalawang magkaibang mga antas at kontrolin ang mga ito, pagkatapos ay mayroon kang isang qubit. Kung magagawa natin ito sa isang ion, ito ay isang qubit. Ito ay pareho sa kasalukuyang. Kung sabay nating patakbuhin ito ng clockwise at counterclockwise, mayroon kang qubit."
Mayroon ΠΊ , kung saan ang kasalukuyang iba't ibang pisikal na pagpapatupad ng qubit ay isinasaalang-alang nang mas detalyado, ililista lang namin ang pinakakilala at karaniwan:
- at marami pang ibang kakaibang ideya (anion, atbp.)
Sa lahat ng iba't-ibang ito, ang pinaka-binuo ay ang unang paraan ng pagkuha ng mga qubit, batay sa . , , at iba pang nangungunang manlalaro ay ginagamit ito upang bumuo ng kanilang mga system.
Well, magbasa pa maaari qubits mula sa .
Mga pangunahing kaalaman. Paano gumagana ang isang quantum computer
Ang mga materyales para sa seksyong ito (gawain at mga larawan) ay kinuha mula sa artikulo .
Kaya, isipin na mayroon tayong sumusunod na gawain:
Mayroong isang pangkat ng tatlong tao: (A)ndrey, (B)olodya at (C)erezha. May dalawang taxi (0 at 1).
Ito ay kilala rin na:
- (A)ndrey, (B)olodya are friends
- Si (A)ndrey, (C)erezha ay mga kaaway
- Sina (B)olodya at (C)erezha ay magkaaway
Gawain: Maglagay ng mga tao sa mga taxi upang Max(kaibigan) ΠΈ Min(mga kaaway)
Rating: L = (bilang ng mga kaibigan) - (bilang ng mga kaaway) para sa bawat opsyon sa tirahan
MAHALAGA: Ipagpalagay na walang heuristics, walang pinakamainam na solusyon. Sa kasong ito, malulutas lamang ang problema sa pamamagitan ng kumpletong paghahanap ng mga opsyon.
Solusyon sa isang regular na computer
Paano malutas ang problemang ito sa isang regular na (sobrang) computer (o kumpol) - ito ay malinaw na kailangan mong i-loop sa lahat ng posibleng opsyon. Kung mayroon tayong multiprocessor system, maaari nating iparallelize ang pagkalkula ng mga solusyon sa ilang mga processor at pagkatapos ay kolektahin ang mga resulta.
Mayroon kaming 2 posibleng opsyon sa tirahan (taxi 0 at taxi 1) at 3 tao. Puwang ng solusyon 2 ^ 3 = 8. Maaari ka ring dumaan sa 8 mga pagpipilian sa isang calculator, hindi ito isang problema. Ngayon gawing kumplikado ang problema - mayroon tayong 20 tao at dalawang bus, ang espasyo ng solusyon 2^20 = 1. Wala ring kumplikado. Dagdagan natin ang bilang ng mga tao ng 2.5 beses - sumakay ng 50 tao at dalawang tren, ang espasyo ng solusyon ay ngayon 2^50 = 1.12 x 10^15. Ang isang ordinaryong (sobrang) computer ay nagsisimula nang magkaroon ng malubhang problema. Dagdagan natin ng 2 beses, 100 tao na ang magbibigay sa atin 1.2x10^30 posibleng mga opsyon.
Iyon lang, ang gawaing ito ay hindi maaaring kalkulahin sa isang makatwirang dami ng oras.
Pagkonekta ng supercomputer
Ang pinakamakapangyarihang computer sa kasalukuyan ay ang numero 1 ng Ito , pagiging produktibo 122 . Ipagpalagay natin na kailangan natin ng 100 na operasyon upang makalkula ang isang opsyon, pagkatapos ay upang malutas ang problema para sa 100 tao na kakailanganin natin:
(1.2 x 10^30 100) / 122Γ10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 taon.
Katulad ng nakikita natin habang tumataas ang dimensyon ng paunang data, lumalaki ang espasyo ng solusyon ayon sa batas ng kapangyarihan, sa pangkalahatang kaso, para sa N bits mayroon kaming 2^N posibleng mga opsyon sa solusyon, na para sa medyo maliit na N (100) ay nagbibigay sa amin ng hindi nakalkula (sa kasalukuyang teknolohikal na antas) na espasyo ng solusyon.
Mayroon bang anumang mga alternatibo? Tulad ng nahulaan mo, oo, mayroon.
Ngunit bago tayo pumasok sa kung paano at bakit epektibong malulutas ng mga quantum computer ang mga problemang tulad nito, maglaan muna tayo ng ilang sandali upang i-recap kung ano ang mga ito. pamamahagi ng posibilidad. Huwag mag-alala, ito ay isang review na artikulo, hindi magkakaroon ng anumang mahirap na matematika dito, gagawin namin ang klasikong halimbawa na may isang bag at mga bola.
Konting combinatorics lang, probability theory at kakaibang experimenter
Kumuha tayo ng bag at ilagay ito 1000 puti at 1000 itim na bola. Magsasagawa kami ng isang eksperimento - ilabas ang bola, isulat ang kulay, ibalik ang bola sa bag at ihalo ang mga bola sa bag.
Ang eksperimento ay isinagawa ng 10 beses, naglabas ng 10 itim na bola. Siguro? medyo. Nagbibigay ba sa amin ang sample na ito ng anumang makatwirang ideya ng tunay na pamamahagi sa bag? Halatang hindi. Ano ang kailangang gawin - tama, pulitin ang eksperimento ng isang milyong beses at kalkulahin ang mga frequency ng mga itim at puting bola. Nakukuha namin, halimbawa 49.95% itim at 50.05% puti. Sa kasong ito, ang istraktura ng pamamahagi kung saan kami nagsa-sample (kumuha ng isang bola) ay higit pa o hindi gaanong malinaw.
Ang pangunahing bagay ay upang maunawaan iyon ang eksperimento mismo ay may probabilistikong kalikasan, sa isang sample (bola) hindi natin malalaman ang tunay na istraktura ng pamamahagi, kailangan nating ulitin ang eksperimento nang maraming beses at average ang mga resulta.
Idagdag natin sa bag natin 10 pula at 10 berdeng bola (mga pagkakamali). Ulitin natin ang eksperimento nang 10 beses. SAnaglabas ng 5 pula at 5 berde. Siguro? Oo. May masasabi tayo tungkol sa totoong pamamahagi - Hindi. Ano ang kailangang gawin - mabuti, naiintindihan mo.
Upang magkaroon ng pag-unawa sa istruktura ng isang probability distribution, kinakailangan na paulit-ulit na sample ng mga indibidwal na resulta mula sa distribution na ito at i-average ang mga resulta.
Pag-uugnay ng teorya sa pagsasanay
Ngayon sa halip na itim at puting bola, kumuha tayo ng mga bola ng bilyar at ilagay ito sa isang bag 1000 bola na may numero 2, 1000 na may numero 7 at 10 bola na may iba pang mga numero. Isipin natin ang isang eksperimento na sinanay sa pinakasimpleng mga aksyon (maglabas ng bola, isulat ang numero, ibalik ang bola sa bag, ihalo ang mga bola sa bag) at ginagawa niya ito sa loob ng 150 microseconds. Well, tulad ng isang experimenter sa bilis (hindi isang advertisement ng gamot!!!). Pagkatapos ay sa loob ng 150 segundo magagawa niya ang aming eksperimento nang 1 milyong beses at ibigay sa amin ang mga average na resulta.
Pinaupo nila ang eksperimento, binigyan siya ng isang bag, tumalikod, naghintay ng 150 segundo at nakatanggap ng:
numero 2 - 49.5%, numero 7 - 49.5%, ang natitirang mga numero sa kabuuan - 1%.
Oo, tama iyan, ang aming bag ay isang quantum computer na may algorithm na lumulutas sa aming problema, at ang mga bola ay posibleng solusyon. Dahil mayroong dalawang tamang solusyon, kung gayon ang isang quantum computer ay magbibigay sa amin ng alinman sa mga posibleng solusyong ito na may pantay na posibilidad, at 0.5% (10/2000) na mga error, na pag-uusapan natin mamaya.
Upang makuha ang resulta ng isang quantum computer, kailangan mong patakbuhin ang quantum algorithm nang maraming beses sa parehong set ng data ng input at i-average ang resulta.
Scalability ng isang quantum computer
Ngayon isipin na para sa isang gawain na kinasasangkutan ng 100 tao (espasyo ng solusyon 2^100 tandaan natin ito), dalawa lang din ang tamang desisyon. Pagkatapos, kung kukuha tayo ng 100 qubit at magsulat ng algorithm na kinakalkula ang ating layunin na function (L, tingnan sa itaas) sa mga qubit na ito, makakakuha tayo ng isang bag kung saan magkakaroon ng 1000 bola na may bilang ng unang tamang sagot, 1000 na may ang bilang ng pangalawang tamang sagot at 10 bola na may iba pang mga numero. At sa loob ng parehong 150 segundo ay bibigyan kami ng aming eksperimento ng isang pagtatantya ng probabilidad na pamamahagi ng mga tamang sagot.
Ang oras ng pagpapatupad ng isang quantum algorithm (na may ilang mga pagpapalagay) ay maaaring ituring na pare-pareho ang O(1) na may paggalang sa dimensyon ng espasyo ng solusyon (2^N).
At ito ay tiyak na pag-aari ng isang quantum computer - tuluy-tuloy na runtime may kaugnayan sa pagtaas ng kapangyarihan batas kumplikado ng solusyon space ay ang susi.
Qubit at parallel na mundo
Paano ito nangyayari? Ano ang nagpapahintulot sa isang quantum computer na magsagawa ng mga kalkulasyon nang napakabilis? Lahat ito ay tungkol sa quantum nature ng qubit.
Tingnan, sinabi namin na ang isang qubit ay parang isang bagay na quantum napagtanto ang isa sa dalawang estado nito kapag sinusunod, ngunit sa "ligaw na kalikasan" ito ay nasa superposisyon ng mga estado, ibig sabihin, ito ay nasa parehong hangganan ng estado nito nang sabay-sabay (na may ilang posibilidad).
Dalhin (A)ndreya at isipin ang estado nito (kung saang sasakyan ito - 0 o 1) bilang isang qubit. Pagkatapos mayroon kaming (sa quantum space) dalawang magkatulad na mundo, sa isa (A) nakaupo sa taxi 0, sa ibang mundo - sa taxi 1. Sa dalawang taxi ng sabay, ngunit may ilang posibilidad na mahanap ito sa bawat isa sa kanila sa panahon ng pagmamasid.
Dalhin (B) bata at isipin din natin ang estado nito bilang isang qubit. Dalawang iba pang magkatulad na mundo ang lumitaw. Ngunit sa ngayon ang mga pares ng mundo (A) ΠΈ (AT) huwag makipag-ugnayan sa lahat. Ano ang kailangang gawin upang lumikha kaugnay sistema? Tama, kailangan natin ang mga qubit na ito itali (malito). Kinukuha namin ito at nalilito (A) kasama ang (B) β nakakakuha tayo ng quantum system ng dalawang qubit (A, B), napagtatanto sa loob mismo ng apat nagtutulungan parallel na mundo. Idagdag (S)ergey at nakakakuha kami ng isang sistema ng tatlong qubit (ABC), nagpapatupad ng walo nagtutulungan mga parallel na mundo.
Ang kakanyahan ng quantum computing (ang pagpapatupad ng isang kadena ng mga quantum gate sa isang sistema ng mga konektadong qubit) ay ang katotohanan na ang pagkalkula ay nangyayari sa lahat ng magkatulad na mundo nang sabay-sabay.
At hindi mahalaga kung gaano karami ang mayroon tayo, 2^3 o 2^100, ang quantum algorithm ay isasagawa sa may takdang panahon sa lahat ng magkatulad na mundong ito at magbibigay sa amin ng resulta, na isang sample mula sa probability distribution ng mga tugon ng algorithm.
Para sa mas mahusay na pag-unawa, maaari mong isipin iyon ang isang quantum computer sa quantum level ay nagpapatakbo ng 2^N parallel solution na proseso, bawat isa ay gumagana sa isang posibleng opsyon, pagkatapos ay kinokolekta ang mga resulta ng trabaho - at nagbibigay sa atin ng sagot sa anyo ng isang superposisyon ng solusyon (probability distribution ng mga tugon), kung saan nagsa-sample kami ng isa sa bawat pagkakataon (para sa bawat eksperimento).
Tandaan ang oras na kailangan ng aming eksperimento (150 Β΅s) upang maisagawa ang eksperimento, ito ay magiging kapaki-pakinabang sa amin ng kaunti pa, kapag pinag-uusapan natin ang mga pangunahing problema ng mga quantum computer at ang oras ng decoherence.
Quantum algorithm
Tulad ng nabanggit na, ang mga kumbensyonal na algorithm batay sa binary logic ay hindi naaangkop sa isang quantum computer gamit ang quantum logic (quantum gates). Para sa kanya, kinakailangan na makabuo ng mga bago na ganap na nagsasamantala sa potensyal na likas sa quantum nature ng computing.
Ang pinakakilalang mga algorithm ngayon ay:
Hindi tulad ng mga klasikal, ang mga quantum computer ay hindi pangkalahatan.
Maliit na bilang lamang ng mga quantum algorithm ang natagpuan sa ngayon.
salamat para sa link sa , isang lugar kung saan, ayon sa may-akda (), ang pinakamahusay na mga kinatawan ng quantum-algorithmic na mundo ay nakolekta at patuloy na nagtitipon.
Sa artikulong ito, hindi namin susuriin nang detalyado ang mga quantum algorithm; maraming mahuhusay na materyales sa Internet para sa anumang antas ng pagiging kumplikado, ngunit kailangan pa rin nating talakayin sa madaling sabi ang tatlong pinakasikat.
Algorithm ni Shor.
Ang pinakasikat na quantum algorithm ay (naimbento noong 1994 ng English mathematician ), na naglalayong lutasin ang problema ng factoring numbers sa prime factor (problema sa factorization, discrete logarithm).
Ang algorithm na ito ang binanggit bilang isang halimbawa noong isinulat nila na malapit nang ma-hack ang iyong mga banking system at password. Isinasaalang-alang na ang haba ng mga key na ginagamit ngayon ay hindi bababa sa 2048 bits, ang oras para sa isang cap ay hindi pa dumating.
Sa ngayon higit pa sa katamtaman. Pinakamahusay na Resulta ng Factorization sa Shor's Algorithm - Mga Numero ΠΈ , na mas mababa sa 2048 bits. Para sa natitirang mga resulta mula sa talahanayan, ibang mga kalkulasyon, ngunit kahit na ang pinakamahusay na resulta ayon sa algorithm na ito (291311) ay napakalayo sa totoong aplikasyon.
Maaari kang magbasa nang higit pa tungkol sa algorithm ni Shor, halimbawa,. Tungkol sa praktikal na pagpapatupad - .
Isa sa pagiging kumplikado at kinakailangang kapangyarihan upang i-factor ang isang 2048-bit na numero ay isang computer na may . Tahimik kaming natutulog.
Algorithm ni Grover
- paglutas ng problema sa enumeration, iyon ay, paghahanap ng solusyon sa equation F(X) = 1, kung nasaan ang F mula sa n mga variable. Iminungkahi ng isang Amerikanong matematiko Π² .
Maaaring gamitin ang algorithm ni Grover upang mahanap ΠΈ serye ng numero. Bilang karagdagan, maaari itong magamit upang malutas mga problema sa pamamagitan ng isang kumpletong paghahanap sa maraming posibleng solusyon. Ito ay maaaring magsama ng makabuluhang pagtaas ng bilis kumpara sa mga klasikal na algorithm, bagama't hindi nagbibigay ng "" sa pangkalahatan.
Maaari mong basahin ang higit paO . Higit pa Mayroong isang mahusay na paliwanag ng algorithm gamit ang halimbawa ng mga kahon at isang bola, ngunit, sa kasamaang-palad, para sa mga kadahilanang lampas sa kontrol ng sinuman, ang site na ito ay hindi nagbubukas para sa akin mula sa Russia. Kung mayroon kang ay naka-block din, kaya narito ang isang maikling buod:
Algorithm ni Grover. Isipin na mayroon kang N piraso ng may bilang na mga saradong kahon. Lahat sila ay walang laman maliban sa isa, na naglalaman ng bola. Ang iyong gawain: alamin ang numero ng kahon kung saan matatagpuan ang bola (ang hindi kilalang numerong ito ay madalas na tinutukoy ng titik w).
Paano malutas ang problemang ito? Ang pinakatangang paraan ay ang magpalit-palit sa pagbukas ng mga kahon, at maya-maya ay makakatagpo ka ng isang kahon na may bola. Sa karaniwan, ilang kahon ang kailangang suriin bago matagpuan ang isang kahon na may bola? Sa karaniwan, kailangan mong buksan ang halos kalahati ng N/2 na kahon. Ang pangunahing bagay dito ay kung dagdagan natin ang bilang ng mga kahon ng 100 beses, ang average na bilang ng mga kahon na kailangang buksan bago matagpuan ang kahon na may bola ay tataas din ng parehong 100 beses.
Ngayon gumawa tayo ng isa pang paglilinaw. Huwag nating buksan ang mga kahon gamit ang ating mga kamay at tingnan kung may bola sa bawat isa, ngunit mayroong isang tiyak na tagapamagitan, tawagan natin siyang Oracle. Sinasabi namin sa Oracle, "check box number 732," at ang Oracle ay tapat na nagsusuri at sumasagot, "walang bola sa box number 732." Ngayon, sa halip na sabihin kung gaano karaming mga kahon ang kailangan nating buksan sa karaniwan, sinasabi natin "ilang beses sa karaniwan dapat tayong pumunta sa Oracle upang mahanap ang numero ng kahon na may bola"
Lumalabas na kung isasalin natin ang problemang ito sa mga kahon, bola at Oracle sa wikang quantum, makakakuha tayo ng isang kahanga-hangang resulta: upang mahanap ang bilang ng isang kahon na may bola sa mga N kahon, kailangan nating abalahin ang Oracle tungkol lamang sa SQRT. (N) beses!
Ibig sabihin, ang pagiging kumplikado ng gawain sa paghahanap gamit ang algorithm ni Grover ay nababawasan ng square root ng mga oras.
Algoritmo ng Deutsch-Jozi
Deutsch-Jozsa algorithm (tinukoy din bilang Deutsch-Jozsa algorithm) - [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 , at naging isa sa mga unang halimbawa ng mga algorithm na idinisenyo upang isagawa sa . _
Ang problema ng Deutsch-Jozsi ay upang matukoy kung ang isang function ng ilang binary variable F(x1, x2, ... xn) ay pare-pareho (kumukuha ng alinman sa value na 0 o 1 para sa anumang argumento) o balanse (para sa kalahati ng domain na kailangan nito ang halaga 0, para sa iba pang kalahati 1). Sa kasong ito, ito ay itinuturing na kilala bilang isang priori na ang function ay alinman sa isang pare-pareho o balanse.
Maaari mo ring basahin . Isang mas simpleng paliwanag:
Ang algorithm ng Deutsch (Deutsch-Jozsi) ay batay sa brute force, ngunit pinapayagan itong gawin nang mas mabilis kaysa karaniwan. Isipin na mayroong isang barya sa mesa at kailangan mong malaman kung ito ay peke o hindi. Upang gawin ito, kailangan mong tingnan ang barya ng dalawang beses at matukoy: "mga ulo" at "mga buntot" ay totoo, dalawang "ulo", dalawang "buntot" ay peke. Kaya, kung gagamitin mo ang Deutsch quantum algorithm, kung gayon ang pagpapasiya na ito ay maaaring gawin sa isang sulyap - pagsukat.
Mga problema ng quantum computer
Kapag nagdidisenyo at nagpapatakbo ng mga quantum computer, ang mga siyentipiko at inhinyero ay nahaharap sa isang malaking bilang ng mga problema, na hanggang ngayon ay nalutas nang may iba't ibang antas ng tagumpay. Ayon kay () matutukoy ang mga sumusunod na serye ng mga problema:
- Ang pagiging sensitibo sa kapaligiran at pakikipag-ugnayan sa kapaligiran
- Ang akumulasyon ng mga error sa panahon ng mga kalkulasyon
- Mga kahirapan sa paunang pagsisimula ng mga estado ng qubit
- Mga kahirapan sa paglikha ng mga multiqubit system
Lubos kong inirerekumenda na basahin ang artikulo "β, lalo na ang mga komento dito.
Ayusin natin ang lahat ng mga pangunahing problema sa tatlong malalaking grupo at tingnang mabuti ang bawat isa sa kanila:
Dechererence
.
Quantum state napakarupok na bagayAng mga qubit sa isang gusot na estado ay lubhang hindi matatag, anumang panlabas na impluwensya ay maaaring (at ginagawa) sirain ang koneksyon na ito. Isang pagbabago sa temperatura sa pamamagitan ng pinakamaliit na bahagi ng isang degree, presyon, isang random na photon na lumilipad sa malapit - lahat ng ito ay nagpapahina sa ating system.
Upang malutas ang problemang ito, ang mababang temperatura na sarcophagi ay itinayo, kung saan ang temperatura (-273.14 degrees Celsius) ay bahagyang mas mataas sa absolute zero, na may pinakamataas na paghihiwalay ng panloob na silid na may processor mula sa lahat (posibleng) impluwensya ng panlabas na kapaligiran.
Ang pinakamataas na tagal ng isang quantum system ng ilang gusot na qubit, kung saan pinananatili nito ang mga katangian ng quantum at maaaring magamit para sa mga kalkulasyon, ay tinatawag na oras ng decoherence.
Sa kasalukuyan, ang oras ng decoherence sa pinakamahusay na mga solusyon sa quantum ay nasa pagkakasunud-sunod ng sampu at daan-daang microseconds.
Mayroong isang kahanga-hanga kung saan maaari kang tumingin ng lahat ng nilikhang quantum system. Kasama sa artikulong ito ang dalawang nangungunang processor bilang mga halimbawa - mula sa IBM at mula sa . Tulad ng nakikita natin, ang oras ng decoherence (T2) ay hindi lalampas sa 200 ΞΌs.
Hindi ako nakahanap ng eksaktong data sa Sycamore, ngunit sa karamihan dalawang numero ang ibinigay - 1 milyong kalkulasyon sa loob ng 200 segundo, sa ibang lugar - para sa 130 segundo nang walang pagkawala ng mga signal ng kontrol, atbp.. Sa anumang kaso, ito ay nagbibigay sa amin Ang oras ng decoherence ay tungkol sa 150 ΞΌs. Tandaan ang ating eksperimento na may isang bag? Well, eto na siya.
| Pangalan ng Computer | N Qubits | Pinares ni Max | T2 (Β΅s) |
| IBM Q System Isa | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Ano ang nagbabanta sa atin ng decoherence?
Ang pangunahing problema ay pagkatapos ng 150 ΞΌs, ang aming computing system ng N entangled qubits ay magsisimulang mag-output ng probabilistic white noise sa halip na isang probabilistic distribution ng mga tamang solusyon.
Ibig sabihin, kailangan natin:
- Simulan ang qubit system
- Magsagawa ng pagkalkula (chain of gate operations)
- Basahin ang resulta
At gawin ang lahat ng ito sa loob ng 150 microseconds. Wala akong oras - ang resulta ay naging isang kalabasa.
Ngunit hindi lang iyonβ¦
Mga error
Tulad ng sinabi namin, quantum process at quantum computing ay probabilistic sa kalikasan, hindi tayo maaaring maging 100% sigurado sa anumang bagay, ngunit may ilang posibilidad lamang. Ang sitwasyon ay mas pinalala ng katotohanan na Ang quantum computing ay madaling kapitan ng error. Ang mga pangunahing uri ng mga error sa quantum computing ay:
- Ang mga error sa decoherence ay sanhi ng pagiging kumplikado ng system at pakikipag-ugnayan sa panlabas na kapaligiran
- Gate computational error (dahil sa quantum nature ng computation)
- Mga error sa pagbabasa ng huling estado (resulta)
Mga error na nauugnay sa decoherence, lilitaw sa sandaling mabigla namin ang aming mga qubit at magsimulang gumawa ng mga kalkulasyon. Ang mas maraming qubits na aming nasasalungat, mas kumplikado ang sistema, at mas madaling sirain ito. Ang mababang temperatura na sarcophagi, mga protektadong silid, lahat ng mga teknolohikal na trick na ito ay tiyak na naglalayong bawasan ang bilang ng mga error at pagpapalawak ng oras ng decoherence.
Gate computational error - Ang anumang operasyon (gate) sa mga qubit ay maaaring, na may ilang posibilidad, ay magtatapos sa isang error, at upang ipatupad ang algorithm na kailangan nating magsagawa ng daan-daang mga gate, kaya isipin kung ano ang makukuha natin sa pagtatapos ng pagpapatupad ng ating algorithm. Ang klasikong sagot sa tanong ay "Ano ang posibilidad na makilala ang isang dinosaur sa isang elevator?" - 50x50, magkikita man kayo o hindi.
Ang problema ay higit na pinalala ng katotohanan na ang mga karaniwang pamamaraan ng pagwawasto ng error (pagdoble ng mga kalkulasyon at pag-average) ay hindi gumagana sa mundo ng quantum dahil sa no-cloning theorem. Para sa sa quantum computing ay kailangang imbento . Sa halos pagsasalita, kumukuha kami ng N ordinaryong qubit at gumawa ng 1 sa mga ito lohikal na qubit na may mas mababang rate ng error.
Ngunit narito ang isa pang problema ay lumitaw - kabuuang bilang ng mga qubit. Tingnan natin, sabihin nating mayroon tayong processor na may 100 qubits, kung saan 80 qubits ang ginagamit para sa pagwawasto ng error, pagkatapos ay mayroon na lamang tayong 20 na natitira para sa mga kalkulasyon.
Mga error sa pagbabasa ng huling resulta β gaya ng naaalala natin, ang resulta ng mga kalkulasyon ng kabuuan ay ipinakita sa atin sa anyo probability distribution ng mga sagot. Ngunit ang pagbabasa sa huling estado ay maaari ring mabigo sa isang error.
Sa parehong Mayroong mga comparative table ng mga processor ayon sa mga antas ng error. Para sa paghahambing, kunin natin ang parehong mga processor tulad ng sa nakaraang halimbawa - IBM ΠΈ :
| computer | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Readout Fidelity |
| IBM Q System Isa | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Dito ay isang sukatan ng pagkakatulad ng dalawang quantum states. Ang laki ng error ay maaaring ipahayag bilang 1-Fidelity. Tulad ng nakikita natin, ang mga error sa 2-qubit gate at readout error ay ang pangunahing hadlang sa pagsasagawa ng kumplikado at mahabang algorithm sa mga umiiral na quantum computer.
Maaari mo ring basahin taon mula sa upang malutas ang problema ng pagwawasto ng error.
Arkitektura ng processor
Sa teorya tayo ay nagtatayo at nagpapatakbo mga circuit ng dose-dosenang mga gusot na qubit, sa katotohanan ang lahat ay mas kumplikado. Ang lahat ng umiiral na quantum chips (processors) ay binuo sa paraang nagbibigay sila ng walang sakit gusot ng isang qubit lamang sa mga kapitbahay nito, kung saan mayroong hindi hihigit sa anim.
Kung kailangan nating isali ang 1st qubit, sabihin nating, sa ika-12, kailangan nating bumuo ng isang hanay ng mga karagdagang operasyong quantum, nagsasangkot ng mga karagdagang qubit, atbp., na nagpapataas sa pangkalahatang antas ng error. Oo, at huwag kalimutan ang tungkol sa oras ng decoherence, marahil sa oras na matapos mong ikonekta ang mga qubit sa circuit na kailangan mo, magtatapos ang oras at ang buong circuit ay magiging magandang puting ingay generator.
Huwag ding kalimutan iyon Ang arkitektura ng lahat ng mga quantum processor ay iba, at ang program na nakasulat sa emulator sa mode na "all-to-all connectivity" ay kailangang "recompiled" sa arkitektura ng isang partikular na chip. Mayroong kahit na upang maisagawa ang operasyong ito.
Pinakamataas na pagkakakonekta at maximum na bilang ng mga qubit para sa parehong nangungunang mga chip:
| Pangalan ng Computer | N Qubits | Pinares ni Max | T2 (Β΅s) |
| IBM Q System Isa | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
At, bilang paghahambing, talahanayan na may data mula sa nakaraang henerasyon ng mga processor. Ihambing ang bilang ng mga qubit, oras ng decoherence at rate ng error sa kung ano ang mayroon tayo ngayon sa bagong henerasyon. Gayunpaman, ang pag-unlad ay mabagal, ngunit gumagalaw.
Kaya:
- Sa kasalukuyan ay walang ganap na konektadong mga arkitektura na may > 6 na qubit
- Upang isali ang qubit 0 s sa isang tunay na processor, halimbawa, ang qubit 15 ay maaaring mangailangan ng ilang dosenang karagdagang operasyon
- Mas maraming operasyon -> mas maraming error -> mas malakas na impluwensya ng decoherence
Mga resulta ng
Ang Decoherence ay ang Procrustean bed ng modernong quantum computing. Kailangan nating magkasya ang lahat sa 150 ΞΌs:
- Pagsisimula ng paunang estado ng mga qubit
- Pag-compute ng problema gamit ang mga quantum gate
- Iwasto ang mga error para makakuha ng makabuluhang resulta
- Basahin ang resulta
Sa ngayon ang mga resulta ay disappointing, bagaman i-claim na makamit ang 0.5s coherence retention time sa isang quantum computer batay sa :
Sinusukat namin ang isang qubit coherence time na lampas sa 0.5 s, at sa magnetic shielding inaasahan namin na mas mapapabuti ito nang mas mahaba kaysa sa 1000 s
Maaari mo ring basahin ang tungkol sa teknolohiyang ito o, halimbawa, .
Ang sitwasyon ay mas kumplikado sa pamamagitan ng katotohanan na kapag nagsasagawa ng mga kumplikadong kalkulasyon ay kinakailangan na gumamit ng mga circuit ng pagwawasto ng error sa kabuuan, na kumakain din ng parehong oras at magagamit na mga qubit.
At sa wakas, hindi pinapayagan ng mga modernong arkitektura ang pagpapatupad ng mga iskema ng entanglement na mas mahusay kaysa sa 1 sa 4 o 1 sa 6 sa minimal na gastos.
Mga paraan upang malutas ang mga problema
Upang malutas ang mga problema sa itaas, ang mga sumusunod na diskarte at pamamaraan ay kasalukuyang ginagamit:
- Paggamit ng mga cryochamber na may mababang temperatura (10 mK (β273,14Β°C))
- Paggamit ng mga yunit ng processor na lubos na protektado mula sa mga panlabas na impluwensya
- Paggamit ng Quantum Error Correction System (Logic Qubit)
- Paggamit ng mga optimizer kapag nagprograma ng mga circuit para sa isang partikular na processor
Isinasagawa rin ang pananaliksik na naglalayong pataasin ang oras ng decoherence, paghahanap ng bago (at pagpapabuti ng kilalang) pisikal na pagpapatupad ng mga quantum object, pag-optimize ng mga correction circuit, atbp., atbp. Mayroong pag-unlad (tingnan sa itaas ang mga katangian ng nauna at ang mga top-end na chips ngayon), ngunit sa ngayon ito ay mabagal, napaka, napakabagal.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000-qubit na computer. Pinagmulan:
Sa gitna ng anunsyo ng Google sa pagkamit ng quantum supremacy gamit ang isang 53-qubit processor, ΠΈ mula sa kumpanyang D-Wave, kung saan ang bilang ng mga qubit ay nasa libu-libo, ay medyo nakakalito. Well, talaga, kung nagawang makamit ng 53 qubits ang quantum supremacy, kung gayon ano ang kaya ng isang computer na may 2048 qubits? Ngunit hindi lahat ay napakahusay ...
Sa madaling salita (kinuha mula sa wiki):
Computer magtrabaho sa prinsipyo (), maaaring malutas ang isang napakalimitadong subclass ng mga problema sa pag-optimize, at hindi angkop para sa pagpapatupad ng mga tradisyonal na quantum algorithm at quantum gate.
Para sa higit pang mga detalye maaari mong basahin, halimbawa, , (mag-ingat, maaaring hindi magbukas mula sa Russia), o Π² mula sa kanya . Sa pamamagitan ng paraan, lubos kong inirerekumenda na basahin ang kanyang blog sa pangkalahatan, mayroong maraming magagandang materyal doon
Sa pangkalahatan, sa simula pa lang ng mga anunsyo, may mga tanong ang siyentipikong komunidad tungkol sa mga D-Wave na computer. Halimbawa, noong 2014, tinanong ng IBM ang katotohanan na ang D-Wave Umabot sa punto na noong 2015, ang Google, kasama ang NASA, ay bumili ng isa sa mga quantum computer na ito at pagkatapos ng pananaliksik , na oo, gumagana ang computer at kinakalkula ang problema nang mas mabilis kaysa sa isang regular. Maaari kang magbasa nang higit pa tungkol sa pahayag ng Google at, halimbawa, .
Ang pangunahing bagay ay ang mga D-Wave na computer, kasama ang kanilang daan-daan at libu-libong qubit, ay hindi magagamit upang kalkulahin at patakbuhin ang mga algorithm ng quantum. Hindi mo maaaring patakbuhin ang algorithm ng Shor sa kanila, halimbawa. Ang magagawa lang nila ay gumamit ng ilang mga quantum mechanism para malutas ang isang partikular na problema sa pag-optimize. Maaari nating isaalang-alang na ang D-Wave ay isang quantum ASIC para sa isang partikular na gawain.
Kaunti tungkol sa quantum computer emulation
Ang quantum computing ay maaaring tularan sa isang regular na computer. talaga, :
- Ang estado ng qubit ay maaaring kumplikadong numero, na sumasakop mula 2x32 hanggang 2x64 bits (8-16 bytes) depende sa arkitektura ng processor
- Ang estado ng N konektadong mga qubit ay maaaring katawanin bilang 2^N kumplikadong mga numero, i.e. 2^(3+N) para sa 32-bit na arkitektura at 2^(4+N) para sa 64-bit.
- Ang isang quantum operation sa N qubits ay maaaring katawanin ng isang 2^N x 2^N matrix
Pagkatapos:
- Upang maimbak ang emulated states ng 10 qubits, 8 KB ang kailangan
- Upang maimbak ang mga estado ng 20 qubits kailangan mo ng 8 MB
- Upang maimbak ang mga estado ng 30 qubits, 8 GB ang kailangan
- 40 Terabytes ang kailangan upang maiimbak ang mga estado ng 8 qubits
- Upang maimbak ang mga estado ng 50 qubits, 8 Petabytes ang kailangan, atbp.
Para sa paghahambing, () nagdadala lamang ng 2.8 Petabytes ng memorya.
β 49 qubit ang naihatid noong nakaraang taon sa pinakamalaking Chinese supercomputer ()
Ang limitasyon ng pagtulad sa isang quantum computer sa mga klasikal na sistema ay tinutukoy ng dami ng RAM na kinakailangan upang maiimbak ang estado ng mga qubit.
Inirerekomenda ko rin ang pagbabasa . Mula doon:
Sa pamamagitan ng operasyon - para sa tumpak na emulation ng isang 49-qubit circuit na binubuo ng mga 39 na "cycle" (independiyenteng mga layer ng gate) 2^63 complex multiplications - 4 Pflops ng supercomputer sa loob ng 4 na oras
Ang pagtulad sa isang 50+ qubit quantum computer sa mga klasikal na sistema ay itinuturing na imposible sa isang makatwirang oras. Ito rin ang dahilan kung bakit gumamit ang Google ng 53-qubit processor para sa quantum supremacy experiment nito.
Quantum computing supremacy.
Ang Wikipedia ay nagbibigay sa atin ng sumusunod na kahulugan ng quantum computing supremacy:
Quantum supremacy - kakayahan mga device upang malutas ang mga problema na halos hindi kayang lutasin ng mga klasikal na computer.
Sa katunayan, ang pagkamit ng quantum supremacy ay nangangahulugan na, halimbawa, ang factorization ng malalaking numero gamit ang Shor algorithm ay maaaring malutas sa sapat na oras, o ang mga kumplikadong molekula ng kemikal ay maaaring tularan sa antas ng quantum, at iba pa. Ibig sabihin, isang bagong panahon ang dumating.
Ngunit mayroong ilang butas sa mga salita ng kahulugan, "na halos hindi kayang lutasin ng mga klasikal na kompyuter" Sa katunayan, nangangahulugan ito na kung lumikha ka ng isang quantum computer ng 50+ qubits at magpatakbo ng ilang quantum circuit dito, kung gayon, tulad ng tinalakay natin sa itaas, ang resulta ng circuit na ito ay hindi maaaring tularan sa isang regular na computer. Yan ay ang isang klasikal na computer ay hindi magagawang muling likhain ang resulta ng naturang circuit.
Kung ang naturang resulta ay bumubuo ng tunay na quantum supremacy o hindi ay sa halip ay isang pilosopikal na tanong. Ngunit unawain kung ano ang ginawa ng Google at kung saan ito nakabatay kailangan.
Quantum Supremacy Statement ng Google
Sycamore 54-qubit processor
Kaya, noong Oktubre 2019, naglathala ang mga developer ng Google ng isang artikulo sa siyentipikong publikasyong Nature "" Inihayag ng mga may-akda ang pagkamit ng quantum supremacy sa unang pagkakataon sa kasaysayan gamit ang 54-qubit Sycamore processor.
Ang mga artikulo ng Sycamore online ay madalas na tumutukoy sa alinman sa isang 54-qubit processor o isang 53-qubit processor. Ang totoo ay ayon sa , ang processor ay pisikal na binubuo ng 54 qubits, ngunit ang isa sa mga ito ay hindi gumagana at inalis sa serbisyo. Kaya, sa katotohanan mayroon kaming 53-qubit processor.
Sa web doon mismo materyales sa paksang ito, ang antas ng kung saan ay iba-iba mula sa sa .
Ang koponan ng quantum computing ng IBM ay nagpahayag na . Sinasabi ng kumpanya na ang isang maginoo na computer ay makakayanan ang gawaing ito sa pinakamasamang kaso sa loob ng 2,5 araw, at ang resultang sagot ay magiging mas tumpak kaysa sa isang quantum computer. Ang konklusyon na ito ay ginawa batay sa mga resulta ng isang teoretikal na pagsusuri ng ilang mga pamamaraan ng pag-optimize.
At syempre, sa kanyang Hindi ko maaaring balewalain ang pahayag na ito. Ang kanyang kasama ang lahat ng mga link at gaya ng dati, sulit na gugulin nila ang iyong oras. Sa hub FAQ na ito, at siguraduhing basahin ang mga komento, may mga link sa mga paunang dokumento na na-leak online bago ang opisyal na anunsyo.
Ano ba talaga ang ginawa ng Google? Para sa isang detalyadong pag-unawa, basahin ang Aaronson, ngunit maikli dito:
Maaari ko, siyempre, sabihin sa iyo, ngunit pakiramdam ko ay tanga. Ang pagkalkula ay ang mga sumusunod: ang eksperimento ay bumubuo ng isang random na quantum circuit C (ibig sabihin, isang random na pagkakasunud-sunod ng 1-qubit at 2-qubit gate sa pagitan ng pinakamalapit na kapitbahay, na may lalim na, halimbawa, 20, na kumikilos sa isang 2D network ng n = 50-60 qubits). Pagkatapos ay ipinapadala ng eksperimento ang C sa quantum computer, at hihilingin itong ilapat ang C sa isang inisyal na estado na 0, sukatin ang resulta sa {0,1} na batayan, ipadala muli ang isang n-bit na naobserbahang sequence (string), at ulitin ang ilang libo o milyon-milyong beses. Sa wakas, gamit ang kanyang kaalaman sa C, ang eksperimento ay nagsasagawa ng istatistikal na pagsubok upang makita kung ang resulta ay tumutugma sa inaasahang output mula sa quantum computer.
Sa madaling sabi:
- Ang isang random na circuit na may haba na 20 ng 53 qubits ay nilikha gamit ang mga gate
- Ang circuit ay nagsisimula sa paunang estado [0β¦0] para sa pagpapatupad
- Ang output ng circuit ay isang random bit string (sample)
- Ang pamamahagi ng resulta ay hindi random (panghihimasok)
- Ang distribusyon ng mga nakuhang sample ay inihambing sa inaasahang isa
- Nagtatapos sa Quantum Supremacy
Ibig sabihin, ipinatupad ng Google ang isang sintetikong problema sa isang 53-qubit na processor, at ibinabatay ang claim nito sa pagkamit ng quantum supremacy sa katotohanang imposibleng tularan ang naturang processor sa mga karaniwang system sa isang makatwirang oras.
Sa pag-iintindi - Ang seksyong ito ay hindi sa anumang paraan ay nakakabawas sa tagumpay ng Google, ang mga inhinyero ay talagang mahusay, at ang tanong kung ito ay maituturing na tunay na quantum superiority o hindi, gaya ng nabanggit kanina, ay mas pilosopiko kaysa sa engineering. Ngunit dapat nating maunawaan na sa pagkamit ng naturang computational superiority, hindi tayo sumulong ng isang hakbang patungo sa kakayahang patakbuhin ang algorithm ng Shor sa 2048-bit na mga numero.
Buod
Ang mga quantum computer at quantum computing ay isang napaka-promising, napakabata at sa ngayon ay maliit na industriyal na naaangkop na lugar ng teknolohiya ng impormasyon.
Ang pagbuo ng quantum computing ay (sa ibang araw) ay magbibigay-daan sa amin upang malutas ang mga problema:
- Pagmomodelo ng mga kumplikadong pisikal na sistema sa antas ng quantum
- Hindi malulutas sa isang regular na computer dahil sa computational complexity
Ang mga pangunahing problema sa paglikha at pagpapatakbo ng mga quantum computer:
- Dechererence
- Mga Error (decoherence at gate)
- Arkitektura ng processor (ganap na konektadong mga qubit circuit)
Kasalukuyang kalagayan:
- Sa katunayan - sa pinakadulo simula .
- Wala pang TUNAY na komersyal na pagsasamantala (at hindi malinaw kung kailan magkakaroon)
Ano ang makakatulong:
- Ilang uri ng pisikal na pagtuklas na nagpapababa sa gastos ng mga wiring at operating processor
- Pagtuklas ng isang bagay na magpapataas ng oras ng decoherence ayon sa pagkakasunud-sunod ng magnitude at/o bawasan ang bilang ng mga error
Sa aking opinyon (purely personal na opinyon), Sa kasalukuyang siyentipikong paradigma ng kaalaman, hindi natin makakamit ang makabuluhang tagumpay sa pagbuo ng mga teknolohiyang quantum, dito kailangan namin ng isang husay na tagumpay sa ilang lugar ng pangunahing o inilapat na agham, na magbibigay ng lakas sa mga bagong ideya at pamamaraan.
Pansamantala, nakakakuha kami ng karanasan sa quantum programming, pagkolekta at paglikha ng mga quantum algorithm, pagsubok ng mga ideya, atbp., atbp. Naghihintay kami ng isang pambihirang tagumpay.
Konklusyon
Sa artikulong ito, dumaan kami sa mga pangunahing milestone sa pagbuo ng quantum computing at quantum computer, sinuri ang prinsipyo ng kanilang operasyon, sinuri ang mga pangunahing problema na kinakaharap ng mga inhinyero sa pag-unlad at pagpapatakbo ng mga quantum processor, at tiningnan din kung ano ang multi-qubit Ang mga D-computer talaga. Wave at ang kamakailang anunsyo ng Google sa pagkamit ng quantum supremacy.
Ang naiwan sa likod ng mga eksena ay mga tanong tungkol sa pagprograma ng mga quantum computer (mga wika, diskarte, pamamaraan, atbp.) at mga tanong na may kaugnayan sa partikular na pisikal na pagpapatupad ng mga processor, kung paano pinamamahalaan, naka-link, binabasa, atbp ang mga qubit. Marahil ito ang magiging paksa ng susunod na artikulo o mga artikulo.
Salamat sa iyong pansin, umaasa ako na ang artikulong ito ay magiging kapaki-pakinabang sa isang tao.
(C)
Mga Pasasalamat
para sa pag-proofread at mga komento sa pinagmulang teksto, gayundin para sa artikulo
para sa mga komentong mayaman sa impormasyon sa , at hindi lamang sa kanya, na higit na nakatulong sa akin na malaman ang palaisipang ito.
Sa lahat ng may-akda ng mga artikulo at publikasyon na ang mga materyales ay ginamit sa pagsulat ng artikulong ito.
Listahan ng mga mapagkukunan
Mga Artikulo sa Kasalukuyang Affairs mula sa [The National Academies Press]
Mga artikulo mula kay Habr (sa random na pagkakasunud-sunod)
Hindi pinagsunod-sunod (ngunit hindi gaanong kawili-wili) na mga artikulo mula sa Internet
Mga kurso at lektura
Pinagmulan: www.habr.com