Kvant kompyuterlari va kvant hisoblashlari - yangi bilan birga axborot makonimizga qo'shildi , va boshqa yuqori texnologiyali atamalar. Shu bilan birga, men Internetda boshimdagi jumboqni birlashtirgan materialni hech qachon topa olmadim "Kvant kompyuterlari qanday ishlaydi". Ha, juda ko'p ajoyib asarlar, shu jumladan Habrda (qarang. ), sharhlar, odatda bo'lgani kabi, yanada ma'lumotli va foydalidir, ammo mening boshimdagi rasm, ular aytganidek, qo'shilmadi.
Va yaqinda mening hamkasblarim yonimga kelib: “Kvant kompyuteri qanday ishlashini tushunasizmi? Ayta olasizmi?” Va keyin men boshimda izchil rasmni yig'ishda muammoga duch kelgan yagona odam emasligimni angladim.
Natijada, kvant kompyuterlari haqidagi ma'lumotlarni izchil mantiqiy sxemaga jamlashga harakat qilindi. matematika va kvant dunyosining tuzilishiga chuqur kirmasdan, asosiy daraja, kvant kompyuteri nima ekanligi, u qanday tamoyillar asosida ishlashi, uni yaratish va ishlatishda olimlar qanday muammolarga duch kelishi tushuntirildi.
Mundarija
Rad etish
Muallif kvant hisoblash bo'yicha mutaxassis emas va Maqolaning maqsadli auditoriyasi kvant mutaxassislari emas, balki bir xil IT xodimlaridir, ular ham boshlarida "Kvant kompyuterlari qanday ishlaydi" deb nomlangan rasmni birlashtirmoqchi. Shu sababli, maqoladagi ko'plab tushunchalar kvant texnologiyalarini "asosiy" darajada yaxshiroq tushunish uchun ataylab soddalashtirilgan, ammo ularsiz .
Maqolada ba'zi joylarda boshqa manbalardan olingan materiallar, . Iloji bo'lsa, asl matn, jadval yoki rasmga to'g'ridan-to'g'ri havolalar va ko'rsatmalar kiritiladi. Agar biror joyda (yoki kimnidir) unutgan bo'lsam, yozing va men uni tuzataman.
kirish
Ushbu bobda biz kvant davri qanday boshlangani, kvant kompyuteri g'oyasining paydo bo'lishiga nima turtki bo'lganligi, hozirda kim (qaysi mamlakatlar va korporatsiyalar) bu sohada yetakchi o'yinchilar ekanligi haqida qisqacha ma'lumot beramiz, shuningdek qisqacha gapiramiz. kvant hisoblashni rivojlantirishning asosiy yo'nalishlari haqida.
Qanday qilib hamma narsa boshlandi
Kvant davrining boshlanish nuqtasi M.Plank birinchi marta ilgari surgan 1900 yil hisoblanadi. energiya doimiy ravishda emas, balki alohida kvantlarda (qismlarda) chiqariladi va so'riladi. Ushbu g'oya o'sha davrning ko'plab taniqli olimlari - Bor, Eynshteyn, Geyzenberg, Shredinger tomonidan qabul qilindi va ishlab chiqildi, bu oxir-oqibatda bunday fanning yaratilishiga va rivojlanishiga olib keldi. . Internetda kvant fizikasining fan sifatida shakllanishi haqida juda ko'p yaxshi materiallar mavjud, bu maqolada biz bu haqda batafsil to'xtalmaymiz, ammo biz yangi kvant davriga kirgan sanani ko'rsatishimiz kerak edi.
Kvant fizikasi bizning kundalik hayotimizga ko'plab ixtirolar va texnologiyalarni olib keldi, ularsiz atrofimizdagi dunyoni tasavvur qilish qiyin. Misol uchun, hozir hamma joyda qo'llaniladigan lazer, maishiy texnikadan (lazer sathi va boshqalar) yuqori texnologiyali tizimlargacha (ko'rishni tuzatish uchun lazerlar, salom. ). Ertami-kechmi kimdir hisoblash uchun kvant tizimlaridan foydalanmaslik kerak degan fikrni o'ylab topadi, deb taxmin qilish mantiqan to'g'ri bo'lar edi. Va keyin 1980 yilda bu sodir bo'ldi.
Vikipediya shuni ko'rsatadiki, kvant hisoblash haqidagi birinchi g'oya 1980 yilda bizning olim Yuriy Manin tomonidan bildirilgan. Lekin ular haqiqatan ham bu haqda faqat 1981 yilda, taniqli R.Feynman gapira boshlagan , klassik kompyuterda kvant tizimining evolyutsiyasini samarali tarzda simulyatsiya qilishning iloji yo'qligini ta'kidladi. U elementar modelni taklif qildi , bunday modellashtirishni amalga oshirishga qodir bo'ladi.
a bor , unda akademik va batafsilroq ko'rib chiqiladi, ammo biz qisqacha to'xtalib o'tamiz:
Kvant kompyuterlarini yaratish tarixidagi asosiy bosqichlar:
- [1994]. P. Shor. tomonidan ishlab chiqilgan
- [1998]. Yaratilgan
- [2001]. IBM ijroni joriy qildi 15 raqamini kengaytirish uchun
- [2007-2016]. 128-2000 kubitli kompyuterni yaratadi va rivojlantiradi
- [2012]. Kaliforniya universitetida amalga oshirilgan
- [2016]. Google 9 kubitli kompyuterda
- [2017]. (uch atom)
- [2019]. . Bulutdagi 20 kubitli kompyuter
- [2019]. . 53 kubitli kompyuter. ?
Ko'rib turganingizdek, g'oya paydo bo'lgan paytdan boshlab 17 kubitli kompyuterda birinchi marta amalga oshirilgunga qadar 1981 yil (1998 yildan 2 yilgacha) va qubitlar soni 21 tagacha ko'tarilguncha 1998 yil (2019 yildan 53 yilgacha) o'tdi. Shor algoritmining natijasini yaxshilash uchun (11 yildan 2001 yilgacha) 2012 yil kerak bo'ldi (bu haqda biroz keyinroq batafsil to'xtalib o'tamiz) 15 dan 21 gacha. Bundan tashqari, biz faqat uch yil oldin nuqtaga keldik. Feynman aytgan narsalarni amalga oshirish va eng oddiy jismoniy tizimlarni modellashni o'rganish.
Kvant hisoblashning rivojlanishi sekin. Olimlar va muhandislar oldida juda qiyin vazifalar turibdi, kvant holatlari juda qisqa muddatli va mo'rt bo'lib, ularni hisob-kitoblarni amalga oshirish uchun etarlicha uzoq saqlash uchun ular o'nlab million dollarga sarkofagilar qurishlari kerak, ularda harorat saqlanadi. mutlaq noldan biroz yuqoriroq va tashqi ta'sirlardan maksimal darajada himoyalangan. Keyinchalik biz ushbu vazifalar va muammolar haqida batafsilroq gaplashamiz.
Etakchi o'yinchilar
Ushbu bo'lim uchun slaydlar maqoladan olingan , tadqiqotchidan Aleksey Fedorov. Sizga to'g'ridan-to'g'ri iqtiboslar beraman:
Texnologik jihatdan muvaffaqiyat qozongan barcha mamlakatlar hozirda kvant texnologiyalarini faol rivojlantirmoqda. Ushbu tadqiqotga katta miqdorda mablag 'sarflanmoqda, kvant texnologiyalarini qo'llab-quvvatlash uchun maxsus dasturlar yaratilmoqda.
Kvant poygasida nafaqat davlatlar, balki xususiy kompaniyalar ham ishtirok etmoqda. Umuman olganda, Google, IBM, Intel va Microsoft yaqinda kvant kompyuterlarini yaratishga taxminan 0,5 milliard dollar sarmoya kiritdi va yirik laboratoriyalar va tadqiqot markazlarini yaratdi.
Habré va Internetda ko'plab maqolalar mavjud, masalan, , и , unda turli mamlakatlarda kvant texnologiyalarining rivojlanishi bilan bog'liq ishlarning hozirgi holati batafsilroq ko'rib chiqiladi. Hozir biz uchun asosiysi, texnologik jihatdan rivojlangan barcha yetakchi davlatlar va oʻyinchilar ushbu yoʻnalishdagi tadqiqotlarga katta miqdorda mablagʻ sarflamoqda, bu esa hozirgi texnologik boshsizlikdan chiqish yoʻlida umid uygʻotmoqda.
Rivojlanish yo'nalishlari
Ayni paytda (men noto'g'ri bo'lishim mumkin, iltimos, meni to'g'rilang), barcha etakchi o'yinchilarning asosiy harakatlari (va ozmi-ko'pmi muhim natijalar) ikkita yo'nalishda jamlangan:
- Maxsus kvant kompyuterlari, ular bitta aniq muammoni, masalan, optimallashtirish muammosini hal qilishga qaratilgan. Mahsulotga misol sifatida D-Wave kvant kompyuterlarini keltirish mumkin.
- Universal kvant kompyuterlari — ixtiyoriy kvant algoritmlarini amalga oshirishga qodir (Shor, Grover va boshqalar). IBM, Google dan ilovalar.
Kvant fizikasi bizga beradigan rivojlanishning boshqa vektorlari, masalan:
- uchun asos sifatida
- va boshqalar
Albatta, u ham tadqiqot uchun yo'nalishlar ro'yxatida, ammo hozirda ko'p yoki kamroq muhim natijalar yo'qdek.
Bundan tashqari, siz o'qishingiz mumkin , yaxshi, google "", Masalan, , и .
Asoslar. Kvant ob'ekti va kvant tizimlari
Ushbu bo'limdan tushunish kerak bo'lgan eng muhim narsa bu
Kvant kompyuter (odatdagidan farqli o'laroq) axborot tashuvchi sifatida foydalanadi kvant ob'ektlari, va hisob-kitoblarni amalga oshirish uchun kvant ob'ektlari ulangan bo'lishi kerak kvant tizimi.
Kvant ob'ekti nima?
Kvant ob'ekti - kvant xususiyatlarini ko'rsatadigan mikrodunyo ob'ekti (kvant dunyosi):
- Ikki chegara darajasi bilan belgilangan holatga ega
- O'lchov momentigacha o'z holatining superpozitsiyasida
- Kvant tizimlarini yaratish uchun boshqa ob'ektlar bilan aralashib ketadi
- Klonlanmaslik teoremasini qondiradi (ob'ektning holatini nusxalash mumkin emas)
Keling, har bir mulkni batafsil ko'rib chiqaylik:
Ikki chegara darajasi bilan belgilangan holatga ega (oxirgi holat)
Klassik haqiqiy misol - bu tanga. U "yon" holatiga ega bo'lib, u ikkita chegara darajasini oladi - "boshlar" va "dumlar".
O'lchov momentigacha o'z holatining superpozitsiyasida
Ular tanga tashlashdi, u uchadi va aylanadi. U aylanayotganda uning qaysi chegara sathlarida "yon" holati joylashganligini aytish mumkin emas. Ammo biz uni sindirib, natijaga qaraganimizdan so'ng, shtatlarning superpozitsiyasi darhol ikkita chegara holatidan biriga - "boshlar" va "dumlar" ga qulab tushadi. Bizning holatimizda tanga urish o'lchovdir.
Kvant tizimlarini yaratish uchun boshqa ob'ektlar bilan aralashib ketadi
Tanga bilan bu qiyin, lekin harakat qilaylik. Tasavvur qiling-a, biz uchta tanga tashladik, ular bir-biriga yopishib aylanadilar, bu tangalar bilan jonglyorlikdir. Vaqtning har bir daqiqasida ularning har biri nafaqat davlatlar superpozitsiyasida, balki bu holatlar bir-biriga o'zaro ta'sir qiladi (tangalar to'qnashadi).
Klonlanmaslik teoremasini qondiradi (ob'ektning holatini nusxalash mumkin emas)
Tangalar uchib, aylanayotganda, tizimdan alohida tangalarning aylanish holatining nusxasini yaratishning iloji yo'q. Tizim o'z ichida yashaydi va har qanday ma'lumotni tashqi dunyoga chiqarishga juda hasad qiladi.
Kontseptsiyaning o'zi haqida yana bir necha so'z "superpozitsiyalar", deyarli barcha maqolalarda superpozitsiya sifatida izohlanadi "bir vaqtning o'zida barcha shtatlarda" bu, albatta, to'g'ri, lekin ba'zida keraksiz ravishda chalkashtirib yuboradi. Vaziyatlarning superpozitsiyasini kvant ob'ekti vaqtning har bir momentida ega bo'lishi haqiqati sifatida ham tasavvur qilish mumkin. uning har bir chegaraviy darajasiga tushishning ma'lum ehtimoli bor va jami bu ehtimolliklar tabiiy ravishda 1 ga teng.. Keyinchalik, kubitni ko'rib chiqayotganda, biz bu haqda batafsilroq to'xtalamiz.
Tangalar uchun buni tasavvur qilish mumkin - boshlang'ich tezligiga, otish burchagiga, tanga uchayotgan muhitning holatiga qarab, har lahzada "bosh" yoki "dum" olish ehtimoli har xil bo'ladi. Va yuqorida aytib o'tilganidek, bunday uchadigan tanganing holatini "bir vaqtning o'zida barcha chegara holatlarida bo'lish, lekin ularni amalga oshirishning turli xil ehtimoli bilan" tasavvur qilish mumkin.
Yuqoridagi xossalari bajarilgan va biz yaratishimiz va boshqarishimiz mumkin bo'lgan har qanday ob'ekt kvant kompyuterida axborot tashuvchisi sifatida ishlatilishi mumkin.
Birozdan keyin biz qubitlarni kvant ob'ektlari sifatida jismoniy amalga oshirish bilan bog'liq ishlarning hozirgi holati va olimlar hozirda ushbu quvvatda nimadan foydalanayotgani haqida gaplashamiz.
Shunday qilib, uchinchi xususiyat kvant ob'ektlari kvant tizimlarini yaratish uchun chigallashishi mumkinligini bildiradi. Kvant tizimi nima?
Kvant tizimi - quyidagi xususiyatlarga ega chigal kvant ob'ektlari tizimi:
- Kvant tizimi o'zi tashkil etuvchi ob'ektlarning barcha mumkin bo'lgan holatlarining superpozitsiyasida
- O'lchov momentigacha tizimning holatini bilish mumkin emas
- O'lchov vaqtida tizim chegara holatlarining mumkin bo'lgan variantlaridan birini amalga oshiradi
(va biroz oldinga qarab)
Kvant dasturlari uchun xulosa:
- Kvant dasturi kirishda tizimning berilgan holatiga, ichidagi superpozitsiyaga, chiqishda superpozitsiyaga ega.
- O'lchovdan so'ng dasturning chiqishida biz tizimning mumkin bo'lgan yakuniy holatlaridan birini (plyus mumkin bo'lgan xatolar) ehtimoliy amalga oshirishga egamiz.
- Har qanday kvant dasturi baca arxitekturasiga ega (kirish -> chiqish. Hech qanday tsikllar yo'q, jarayonning o'rtasida tizimning holatini ko'ra olmaysiz).
Kvant kompyuteri va an'anaviy kompyuterni taqqoslash
Keling, an'anaviy kompyuter va kvantni taqqoslaylik.
| oddiy kompyuter | Kvant kompyuter | |
|
Mantiq
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fizika
|
Yarimo'tkazgichli tranzistor | Kvant ob'ekti |
|
Media tashuvchisi
|
Voltaj darajalari | Polarizatsiya, aylanish,… |
|
operatsiyalar
|
Bitlar ustida EMAS, AND, OR, XOR | Vanalar: CNOT, Hadamard,… |
|
Aloqa
|
Yarimo'tkazgich chipi | Bir-biri bilan chalkashlik |
|
Algoritmlar
|
Standart (qarang: Qamchi) | Maxsus xizmatlar (Shor, Grover) |
|
printsip
|
Raqamli, deterministik | Analog, ehtimollik |
Mantiqiy daraja
Oddiy kompyuterda bu biroz. Bizga yaxshi tanish deterministik bit. 0 yoki 1 qiymatlarini qabul qilishi mumkin. U rolni yaxshi bajaradi mantiqiy birlik oddiy kompyuter uchun, lekin davlatni tavsiflash uchun mutlaqo yaroqsiz kvant ob'ekti, yuqorida aytib o'tganimizdek, yovvoyi tabiatda joylashganularning chegaraviy holatlarining superpozitsiyalari.
Bu ular o'ylab topdilar . O'zining chegaraviy holatlarida u 0 va 1 ga o'xshash holatlarni amalga oshiradi , va superpozitsiyada ifodalaydi uning chegaraviy holatlari bo'yicha ehtimollik taqsimoti |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a va b ifodalaydi , va ularning modullarining kvadratlari chegara holatlarining aynan shunday qiymatlarini olishning haqiqiy ehtimolidir. |0> и |1>, agar siz qubitni hozir o'lchov bilan yiqitib qo'ysangiz.
Jismoniy qatlam
Rivojlanishning hozirgi texnologik darajasida an'anaviy kompyuter uchun bitni jismoniy amalga oshirish hisoblanadi yarimo'tkazgichli tranzistor, kvant uchun, biz allaqachon aytganimizdek, har qanday kvant ob'ekti. Keyingi bo'limda biz hozirda kubitlar uchun jismoniy vosita sifatida ishlatiladigan narsalar haqida gaplashamiz.
Saqlash muhiti
Oddiy kompyuter uchun bu elektr toki - kuchlanish darajalari, oqimning mavjudligi yoki yo'qligi va boshqalar, kvant uchun - bir xil kvant ob'ektining holati (polarizatsiya yo'nalishi, spin va boshqalar), bu superpozitsiya holatida bo'lishi mumkin.
operatsiyalar
Oddiy kompyuterda mantiqiy sxemalarni amalga oshirish uchun biz taniqli bo'lganlardan foydalanamiz , kubitlardagi operatsiyalar uchun mutlaqo boshqa operatsiyalar tizimini o'ylab topish kerak edi . Qancha kubit o'zgartirilayotganiga qarab, geytslar bitta kubit yoki ikki kubit bo'lishi mumkin.
Kvant eshiklariga misollar:
Tushunchasi bor universal valf to'plami, bu har qanday kvant hisobini bajarish uchun etarli. Misol uchun, universal to'plamga Hadamard shlyuzi, fazali o'tish eshigi, CNOT shlyuzi va p⁄8 eshik kiradi. Ularning yordami bilan siz ixtiyoriy kubitlar to'plamida har qanday kvant hisobini amalga oshirishingiz mumkin.
Ushbu maqolada biz kvant eshiklari tizimi haqida batafsil to'xtalib o'tmaymiz, ular haqida ko'proq ma'lumot olishingiz va kubitlardagi mantiqiy operatsiyalarni o'qishingiz mumkin, masalan, . Eslash kerak bo'lgan asosiy narsa:
- Kvant ob'ektlari ustida operatsiyalar yangi mantiqiy operatorlarni (kvant eshiklari) yaratishni talab qiladi.
- Kvant eshiklari bir kubitli va ikki kubitli turlarda keladi.
- Har qanday kvant hisoblashni amalga oshirish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan universal eshiklar to'plami mavjud
Aloqa
Bitta tranzistor biz uchun mutlaqo foydasiz, hisob-kitoblarni amalga oshirish uchun biz ko'plab tranzistorlarni bir-biriga ulashimiz kerak, ya'ni mantiqiy sxemalarni qurish uchun millionlab tranzistorlardan yarimo'tkazgich chipini yaratishimiz kerak. va, oxir-oqibat, klassik shaklda zamonaviy protsessorga ega bo'ling.
Bitta kubit ham biz uchun mutlaqo foydasiz (yaxshi, faqat akademik ma'noda),
Hisob-kitoblarni amalga oshirish uchun bizga kubitlar tizimi (kvant ob'ektlari) kerak.
Bu, yuqorida aytib o'tganimizdek, qubitlarni bir-biriga bog'lash orqali yaratilgan, shunda ularning holatidagi o'zgarishlar muvofiqlashtirilgan tarzda sodir bo'ladi.
Algoritmlar
Insoniyat bugungi kungacha to'plagan standart algoritmlar kvant kompyuterida amalga oshirish uchun mutlaqo yaroqsiz. Ha, umuman olganda, kerak emas. Qubitlar ustidagi darvoza mantiqiga asoslangan kvant kompyuterlari butunlay boshqa algoritmlarni, kvant algoritmlarini yaratishni talab qiladi. Eng mashhur kvant algoritmlaridan uchtasini ajratib ko'rsatish mumkin:
- (faktorizatsiya)
- (tartibsiz ma'lumotlar bazasida tezkor qidiruv)
- (savolga javob, doimiy yoki muvozanatli funktsiya)
printsip
Va eng muhim farq - bu ish printsipi. Standart kompyuter uchun bu raqamli, qat'iy deterministik printsip, agar tizimning qandaydir boshlang‘ich holatini o‘rnatsak va uni berilgan algoritm orqali o‘tkazsak, bu hisobni necha marta bajarmasak ham, hisob-kitoblarning natijasi bir xil bo‘lishiga asoslanadi. Aslida, bu xatti-harakatlar biz kompyuterdan kutgan narsadir.
Kvant kompyuteri ishlaydi analog, ehtimollik printsipi. Berilgan dastlabki holatda berilgan algoritmning natijasi ehtimollik taqsimotidan namuna algoritmning yakuniy bajarilishi va mumkin bo'lgan xatolar.
Kvant hisoblashning bu ehtimollik tabiati kvant olamining o'ta ehtimolli mohiyati bilan bog'liq. "Xudo koinot bilan zar o'ynamaydi.", dedi keksa Eynshteyn, lekin hozirgacha barcha tajriba va kuzatishlar (hozirgi ilmiy paradigmada) buning aksini tasdiqlaydi.
Qubitlarning jismoniy amalga oshirilishi
Yuqorida aytib o'tganimizdek, qubit kvant ob'ekti, ya'ni yuqorida tavsiflangan kvant xususiyatlarini amalga oshiradigan jismoniy ob'ekt bilan ifodalanishi mumkin. Ya'ni, qo'pol qilib aytganda, ikkita holat mavjud bo'lgan va bu ikki holat superpozitsiya holatida bo'lgan har qanday jismoniy ob'ektdan kvant kompyuterini qurish mumkin.
“Agar biz atomni ikki xil darajaga joylashtirsak va ularni boshqara olsak, demak sizda qubit bor. Agar biz buni ion bilan qila olsak, bu kubit. Bu oqim bilan bir xil. Agar biz uni bir vaqtning o'zida soat yo'nalishi bo'yicha va teskari yo'nalishda ishlatsak, sizda qubit bor."
bor к , unda qubitning jismoniy qo'llanilishining hozirgi xilma-xilligi batafsilroq ko'rib chiqiladi, biz shunchaki eng mashhur va keng tarqalganlarini sanab o'tamiz:
- va boshqa ko'plab ekzotik g'oyalar (anionlar va boshqalar).
Bu xilma-xillik orasida eng rivojlangani qubitlarni olishning birinchi usuli hisoblanadi . , , va boshqa etakchi o'yinchilar o'z tizimlarini yaratish uchun foydalanadilar.
Xo'sh, ko'proq o'qing mumkin dan kubitlar .
Asoslar. Kvant kompyuteri qanday ishlaydi
Ushbu bo'lim uchun materiallar (topshiriq va rasmlar) maqoladan olingan .
Shunday qilib, bizda quyidagi vazifa borligini tasavvur qiling:
Uch kishidan iborat guruh mavjud: (A)ndrey, (B)olodya va (C)erezha. Ikkita taksi bor (0 va 1).
Shuningdek, ma'lumki:
- (A) Andrey, (B) Olodya do'st
- (A)ndrey, (C)ereja - dushman
- (B)olodya va (C)erezha bir-biriga dushman
Vazifa: Odamlarni taksiga shunday joylashtiring Maks (do'stlar) и Min (dushmanlar)
Baholash: L = (do'stlar soni) - (dushmanlar soni) har bir turar joy varianti uchun
MUHIM: Evristika yo'q deb faraz qilsak, optimal yechim yo'q. Bunday holda, muammoni faqat variantlarni to'liq qidirish orqali hal qilish mumkin.
Oddiy kompyuterda yechim
Oddiy (super) kompyuterda (yoki klasterda) bu muammoni qanday hal qilish mumkin - bu aniq barcha mumkin bo'lgan variantlarni aylanib chiqishingiz kerak. Agar bizda ko'p protsessorli tizim bo'lsa, u holda biz bir nechta protsessorlar bo'ylab echimlarni hisoblashni parallellashtirishimiz va keyin natijalarni yig'ishimiz mumkin.
Bizda 2 ta turar joy varianti mavjud (taksi 0 va taksi 1) va 3 kishi. Yechim maydoni 2 ^ 3 = 8. Siz hatto kalkulyator yordamida 8 ta variantdan o'tishingiz mumkin, bu muammo emas. Endi muammoni murakkablashtiramiz - bizda 20 kishi va ikkita avtobus, yechim maydoni 2^20 = 1 048 576. Hech narsa murakkab emas. Keling, odamlar sonini 2.5 baravar oshiraylik - 50 kishi va ikkita poezdni oling, yechim maydoni hozir 2^50 = 1.12 x 10^15. Oddiy (super) kompyuter allaqachon jiddiy muammolarga duch kela boshlaydi. Odamlar sonini 2 barobar ko'paytiraylik, 100 kishi bizga beradi 1.2 x 10^30 mumkin bo'lgan variantlar.
Mana, bu vazifani oqilona vaqt ichida hisoblab bo'lmaydi.
Superkompyuterni ulash
Hozirda eng kuchli kompyuter 1-raqamdir , bu , mahsuldorlik 122 . Faraz qilaylik, bitta variantni hisoblash uchun bizga 100 ta operatsiya kerak bo'ladi, keyin 100 kishi uchun muammoni hal qilish uchun bizga kerak bo'ladi:
(1.2 x 10^30 100) / 122×10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 yil.
Ko'rib turganimizdek boshlang'ich ma'lumotlarning o'lchami oshgani sayin, yechim maydoni kuch qonuniga muvofiq o'sadi, umumiy holatda, N bit uchun bizda 2^N mumkin bo'lgan yechim variantlari mavjud, ular nisbatan kichik N (100) uchun bizga hisoblanmagan (hozirgi texnologik darajada) yechim maydonini beradi.
Muqobil variantlar bormi? Siz taxmin qilganingizdek, ha, bor.
Ammo kvant kompyuterlari bu kabi muammolarni qanday va nima uchun samarali hal qilishiga kirishdan oldin, keling, ularning nima ekanligini qisqacha ko'rib chiqaylik. ehtimollik taqsimoti. Xavotir olmang, bu sharh maqolasi, bu erda hech qanday qiyin matematika bo'lmaydi, biz sumka va to'plar bilan klassik misolni bajaramiz.
Bir oz kombinatorika, ehtimollik nazariyasi va g'alati eksperimentator
Keling, sumkani olib, ichiga solaylik 1000 oq va 1000 qora shar. Biz tajriba o'tkazamiz - to'pni chiqaramiz, rangini yozamiz, to'pni sumkaga qaytaramiz va to'plarni sumkaga aralashtiramiz.
Tajriba 10 marta o'tkazildi, 10 ta qora sharni chiqarib oldi. Balki? Juda. Ushbu namuna bizga sumkada haqiqiy taqsimot haqida oqilona fikr beradimi? Shubhasiz. Nima qilish kerak - to'g'ri, ptajribani million marta takrorlang va qora va oq sharlarning chastotalarini hisoblang. Biz, masalan, olamiz 49.95% qora va 50.05% oq. Bunday holda, biz namuna oladigan (bitta to'pni olib) taqsimlashning tuzilishi allaqachon ko'proq yoki kamroq aniq.
Asosiysi, buni tushunish tajribaning o'zi ehtimollik xususiyatiga ega, bitta namuna (to'p) bilan biz taqsimotning haqiqiy tuzilishini bilmaymiz, tajribani ko'p marta takrorlashimiz kerak va natijalarni o'rtacha.
Keling, uni sumkamizga qo'shamiz 10 qizil va 10 yashil to'p (xatolar). Keling, tajribani 10 marta takrorlaymiz. IN5 ta qizil va 5 ta yashil rangni tortib oldi. Balki? Ha. Haqiqiy taqsimot haqida bir narsa aytishimiz mumkin - Yo'q. Nima qilish kerak - yaxshi tushunasiz.
Ehtimollar taqsimotining tuzilishini tushunish uchun ushbu taqsimotdan individual natijalarni qayta-qayta tanlab olish va natijalarni o'rtacha qilish kerak.
Nazariyani amaliyot bilan bog‘lash
Endi oq va qora to'plar o'rniga bilyard to'plarini olib, sumkaga solamiz 1000-raqamli 2 ta shar, 1000-raqamli 7 ta va boshqa raqamlarga ega 10 ta shar.. Tasavvur qilaylik, eng oddiy harakatlarga (to'pni chiqarib, raqamni yozing, to'pni yana qopga soling, to'plarni xaltaga aralashtiring) o'rgatgan va u buni 150 mikrosekundda bajaradi. Xo'sh, tezlik bo'yicha bunday eksperimentator (dori reklamasi emas!!!). Keyin 150 soniyada u bizning tajribamizni 1 million marta bajara oladi va bizga o'rtacha natijalarni taqdim eting.
Ular eksperimentatorni o'tirdilar, unga sumka berdilar, orqaga o'girildilar, 150 soniya kutdilar va oldilar:
2-son - 49.5%, 7-raqam - 49.5%, qolgan raqamlar jami - 1%.
Ha hammasi to'g'ri, bizning sumkamiz bizning muammomizni hal qiladigan algoritmga ega kvant kompyuteridir, va to'plar mumkin bo'lgan echimlardir. Chunki ikkita to'g'ri echim bor Kvant kompyuteri bizga ushbu mumkin bo'lgan echimlardan birini teng ehtimollik bilan va 0.5% (10/2000) xatolar bilan beradi., bu haqda keyinroq gaplashamiz.
Kvant kompyuterining natijasini olish uchun siz kvant algoritmini bir xil kiritilgan ma'lumotlar to'plamida bir necha marta bajarishingiz va natijani o'rtacha hisoblashingiz kerak.
Kvant kompyuterining miqyosi
Endi tasavvur qiling-a, 100 kishi ishtirok etgan vazifa uchun (yechim maydoni 2^100 Biz buni eslaymiz), faqat ikkita to'g'ri qaror mavjud. Keyin, agar biz 100 kubit olsak va ushbu kubitlar bo'yicha maqsad funktsiyamizni (L, yuqoriga qarang) hisoblaydigan algoritmni yozsak, unda biz birinchi to'g'ri javob raqami bo'lgan 1000 ta to'p bo'lgan sumkaga ega bo'lamiz. ikkinchi to'g'ri javobning soni va boshqa raqamlar bilan 1000 ta to'p. Xuddi shu 150 soniya ichida bizning eksperimentatorimiz bizga to'g'ri javoblarning ehtimollik taqsimotini baholaydi..
Kvant algoritmining bajarilish vaqti (ba'zi taxminlar bilan) yechim fazosining o'lchamiga (1^N) nisbatan doimiy O(2) deb hisoblanishi mumkin.
Va bu aniq kvant kompyuterining xususiyati - ish vaqtining doimiyligi kuchayib borayotgan kuch qonuniga nisbatan yechim fazosining murakkabligi asosiy hisoblanadi.
Qubit va parallel dunyolar
Bu qanday sodir bo'ladi? Kvant kompyuteriga hisob-kitoblarni tez bajarishga nima imkon beradi? Hammasi qubitning kvant tabiati haqida.
Qarang, biz qubit kvant ob'ektiga o'xshashligini aytdik kuzatilganda uning ikki holatidan birini amalga oshiradi, lekin "yovvoyi tabiatda" u mavjud davlatlarning superpozitsiyalari, ya'ni u bir vaqtning o'zida ikkala chegara holatida (ba'zi bir ehtimollik bilan).
Qabul qiling (A) ndreya va uning holatini (qaysi transport vositasida - 0 yoki 1) qubit sifatida tasavvur qiling. Keyin bizda (kvant fazosida) ikkita parallel dunyo, birida (A) taksida o'tiradi 0, boshqa dunyoda - taksida 1. Bir vaqtning o'zida ikkita taksida, lekin kuzatish paytida ularning har birida uni topish ehtimoli bor.
Qabul qiling (B) yosh va uning holatini ham kubit sifatida tasavvur qilaylik. Yana ikkita parallel dunyo paydo bo'ladi. Ammo hozircha bu dunyolar juftligi (A) и (DA) umuman aloqa qilmang. Yaratish uchun nima qilish kerak bog'liq tizimi? To'g'ri, bizga bu qubitlar kerak bog'lash (chalkashtirish). Biz uni qabul qilamiz va aralashtiramiz (A) (B) bilan — biz ikki kubitdan iborat kvant tizimini olamiz (A, B), o'z ichida to'rtta anglash o'zaro bog'liq parallel dunyolar. Qo'shish (S)ergey va biz uchta kubitli tizimni olamiz (ABC), sakkiztasini amalga oshirish o'zaro bog'liq parallel dunyolar.
Kvant hisoblashning mohiyati (bog'langan kubitlar tizimi orqali kvant eshiklari zanjirini amalga oshirish) hisoblash bir vaqtning o'zida barcha parallel dunyolarda sodir bo'lishidir.
Va ularning qanchasi borligi muhim emas, 2^3 yoki 2^100, kvant algoritmi bu parallel olamlarning barchasida chekli vaqt ichida bajariladi va bizga natija beradi, bu algoritm javoblarining ehtimollik taqsimotidan olingan namunadir.
Yaxshiroq tushunish uchun buni tasavvur qilish mumkin kvant darajasidagi kvant kompyuteri 2^N parallel eritma jarayonlarini boshqaradi, ularning har biri bitta mumkin bo'lgan variant ustida ishlaydi, keyin ish natijalarini to'playdi - va bizga yechimning superpozitsiyasi shaklida javob beradi (javoblarning ehtimollik taqsimoti), biz har safar bittadan tanlaymiz (har bir tajriba uchun).
Tajribachimiz talab qilgan vaqtni eslang (150 mks) eksperimentni o'tkazish uchun, biz kvant kompyuterlarining asosiy muammolari va dekogerentlik vaqti haqida gapirganda, bu bizga biroz foydali bo'ladi.
Kvant algoritmlari
Yuqorida aytib o'tilganidek, ikkilik mantiqqa asoslangan an'anaviy algoritmlar kvant mantiqidan (kvant eshiklari) foydalanadigan kvant kompyuterida qo'llanilmaydi. Uning uchun hisoblashning kvant tabiatiga xos bo'lgan potentsialdan to'liq foydalanadigan yangilarini o'ylab topish kerak edi.
Bugungi kunda eng mashhur algoritmlar:
Klassik kompyuterlardan farqli o'laroq, kvant kompyuterlari universal emas.
Hozirgacha faqat oz sonli kvant algoritmlari topilgan.
Rahmat ga havola uchun , muallifga ko'ra (), kvant-algoritmik dunyoning eng yaxshi vakillari to'plangan va to'planishda davom etmoqda.
Ushbu maqolada biz kvant algoritmlarini batafsil tahlil qilmaymiz, Internetda har qanday murakkablik darajasi uchun juda ko'p ajoyib materiallar mavjud, ammo biz hali ham eng mashhur uchtasini qisqacha ko'rib chiqishimiz kerak.
Shor algoritmi.
Eng mashhur kvant algoritmi (1994 yilda ingliz matematigi tomonidan ixtiro qilingan ), sonlarni tub ko‘rsatkichlarga ko‘paytirish masalasini yechishga qaratilgan (ko‘paytmalar masalasi, diskret logarifm).
Sizning bank tizimlaringiz va parollaringiz tez orada buzib kirishi haqida yozishganda aynan shu algoritm misol sifatida keltiriladi. Bugungi kunda ishlatiladigan kalitlarning uzunligi 2048 bitdan kam emasligini hisobga olsak, qopqoq vaqti hali kelmagan.
Bugungi kunda kamtarinroq. Shor algoritmi yordamida eng yaxshi faktorizatsiya natijalari - raqamlar и , bu 2048 bitdan ancha kam. Jadvaldagi qolgan natijalar uchun boshqacha hisob-kitoblar, lekin bu algoritmga ko'ra eng yaxshi natija ham (291311) haqiqiy dasturdan juda uzoqdir.
Shor algoritmi haqida ko'proq o'qishingiz mumkin, masalan,. Amaliy amalga oshirish haqida - .
Ulardan biri 2048 bitli raqamni koeffitsient qilish uchun murakkablik va talab qilinadigan quvvat kompyuterga ega . Biz tinch uxlaymiz.
Grover algoritmi
- sanash masalasini yechish, ya’ni tenglamaning yechimini topish F(X) = 1, bu erda F от n o'zgaruvchilar. Amerikalik matematik tomonidan taklif qilingan в .
Topish uchun Grover algoritmidan foydalanish mumkin и raqamlar seriyasi. Bundan tashqari, u hal qilish uchun ishlatilishi mumkin ko'plab mumkin bo'lgan echimlar orasida to'liq qidiruv orqali muammolar. Bu klassik algoritmlarga nisbatan sezilarli tezlikni oshirishga olib kelishi mumkin, garchi taqdim etmasa ham "" umuman.
Siz ko'proq o'qishingiz mumkinyoki . Ko'proq Qutilar va to'p misolidan foydalangan holda algoritmni yaxshi tushuntirish mavjud, ammo, afsuski, hech kimga bog'liq bo'lmagan sabablarga ko'ra, bu sayt men uchun Rossiyadan ochilmaydi. Agar bor bo'lsa ham bloklangan, shuning uchun qisqacha xulosa:
Grover algoritmi. Tasavvur qiling-a, sizda N dona raqamlangan yopiq quti bor. Ularning barchasi bo'sh, bittadan tashqari, ichida to'p bor. Sizning vazifangiz: to'p joylashgan qutining raqamini toping (bu noma'lum raqam ko'pincha w harfi bilan belgilanadi).
Bu muammoni qanday hal qilish mumkin? Eng ahmoqona yo'l - navbatma-navbat qutilarni ochish va ertami-kechmi to'p bilan qutiga duch kelasiz. Koptokli quti topilgunga qadar o'rtacha nechta qutini tekshirish kerak? O'rtacha, siz N / 2 qutilarining yarmini ochishingiz kerak. Bu erda asosiy narsa shundaki, agar biz qutilar sonini 100 marta ko'paytirsak, to'p bilan quti topilgunga qadar ochilishi kerak bo'lgan o'rtacha qutilar soni ham xuddi shunday 100 barobar ortadi.
Endi yana bir aniqlik kiritamiz. Keling, qutilarni o'z qo'llarimiz bilan ochmaylik va har birida to'p borligini tekshirib ko'rmaylik, lekin ma'lum bir vositachi bor, keling, uni Oracle deb ataylik. Biz Oracle-ga "732-raqamli katakchani belgilaymiz" deymiz va Oracle halollik bilan tekshiradi va javob beradi: "732-raqamli qutida to'p yo'q". Endi biz o'rtacha nechta qutini ochishimiz kerakligini aytish o'rniga, biz "to'p bilan qutining raqamini topish uchun Oracle'ga o'rtacha necha marta borishimiz kerak" deymiz.
Ma'lum bo'lishicha, agar biz qutilar, to'p va Oracle bilan bog'liq bu masalani kvant tiliga tarjima qilsak, ajoyib natijaga erishamiz: N qutilar orasidan to'pli qutining sonini topish uchun biz Oracle-ni faqat SQRT haqida bezovta qilishimiz kerak. (N) marta!
Ya'ni, Grover algoritmidan foydalangan holda qidirish vazifasining murakkabligi vaqtlarning kvadrat ildiziga kamayadi.
Deutsch-Jozi algoritmi
Deutsch-Jozsa algoritmi (Deutsch-Jozsa algoritmi deb ham ataladi) - [kvant algoritmi](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , va bajarish uchun mo'ljallangan algoritmlarning birinchi namunalaridan biri bo'ldi . _
Deutsch-Jozsi muammosi F(x1, x2, ... xn) bir nechta ikkilik oʻzgaruvchilar funksiyasi oʻzgarmasligini (har qanday argumentlar uchun 0 yoki 1 qiymatini oladi) yoki muvozanatli (domenning yarmi uchun) ekanligini aniqlashdan iborat. qiymati 0, ikkinchi yarmi uchun 1). Bunday holda, funktsiyaning doimiy yoki muvozanatli ekanligi apriori ma'lum deb hisoblanadi.
Siz ham o'qishingiz mumkin . Oddiyroq tushuntirish:
Deutsch (Deutsch-Jozsi) algoritmi qo'pol kuchga asoslangan, ammo uni odatdagidan tezroq bajarishga imkon beradi. Tasavvur qiling-a, stolda tanga bor va siz uning soxtami yoki yo'qligini aniqlashingiz kerak. Buning uchun siz tangaga ikki marta qarashingiz va aniqlashingiz kerak: "boshlar" va "dumlar" haqiqiy, ikkita "bosh", ikkita "dum" soxta. Shunday qilib, agar siz Deutsch kvant algoritmidan foydalansangiz, unda bu aniqlash bir qarashda - o'lchov bilan amalga oshirilishi mumkin.
Kvant kompyuterlarining muammolari
Kvant kompyuterlarini loyihalash va ishlatishda olimlar va muhandislar bugungi kunga qadar turli darajadagi muvaffaqiyatlar bilan hal qilingan juda ko'p muammolarga duch kelishadi. Ga binoan () quyidagi muammolar qatorini aniqlash mumkin:
- Atrof-muhitga sezgirlik va atrof-muhit bilan o'zaro munosabat
- Hisob-kitoblar paytida xatolarning to'planishi
- Qubit holatlarini ishga tushirishda qiyinchiliklar
- Ko'p qubitli tizimlarni yaratishdagi qiyinchiliklar
Maqolani o'qishni tavsiya qilaman "”, ayniqsa unga sharhlar.
Keling, barcha asosiy muammolarni uchta katta guruhga ajratamiz va ularning har birini batafsil ko'rib chiqamiz:
Dekogerentlik
.
Kvant holati juda nozik narsachigal holatda bo'lgan kubitlar juda beqaror, har qanday tashqi ta'sir bu aloqani buzishi mumkin (va qiladi).. Haroratning darajaning eng kichik qismiga o'zgarishi, bosim, yaqin atrofda uchadigan tasodifiy foton - bularning barchasi bizning tizimimizni beqarorlashtiradi.
Ushbu muammoni hal qilish uchun harorat (-273.14 daraja Selsiy) mutlaq noldan bir oz yuqori bo'lgan, ichki kamerani protsessor bilan tashqi muhitning barcha (mumkin) ta'siridan maksimal darajada ajratib turadigan past haroratli sarkofagilar quriladi.
Bir necha chigal kubitlardan iborat kvant tizimining maksimal ishlash muddati, bu vaqt davomida u o'zining kvant xususiyatlarini saqlab qoladi va hisob-kitoblar uchun ishlatilishi mumkin, dekogerentlik vaqti deyiladi.
Hozirgi vaqtda eng yaxshi kvant eritmalarida dekogerentlik vaqti XNUMX ga teng o'nlab va yuzlab mikrosoniyalar.
Ajoyib bor qayerga qarashingiz mumkin barcha yaratilgan kvant tizimlari. Ushbu maqola faqat ikkita eng yaxshi protsessorni o'z ichiga oladi - IBM'dan va dan . Ko'rib turganimizdek, dekogerentlik vaqti (T2) 200 mks dan oshmaydi.
Men Sycamore haqida aniq ma'lumot topa olmadim, lekin ko'p ikkita raqam berilgan - 1 soniyada 200 million hisob, boshqa joyda - uchun 130 soniya nazorat signallarini yo'qotmasdan va hokazo.. Har holda, bu bizga beradi dekogerentlik vaqti taxminan 150 mks. Bizning sumka bilan eksperimentator? Xo'sh, u mana.
| Kompyuter nomi | N Qubits | Maks | T2 (mks) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Decoherence bizni nima bilan tahdid qiladi?
Asosiy muammo shundaki, 150 ms dan so'ng bizning N o'ralgan kubitli hisoblash tizimimiz to'g'ri echimlarning ehtimollik taqsimoti o'rniga ehtimollik oq shovqinni chiqara boshlaydi.
Ya'ni, bizga kerak:
- Qubit tizimini ishga tushiring
- Hisoblash (darvoza operatsiyalari zanjiri)
- Natijani o'qish
Va bularning barchasini 150 mikrosekundda bajaring. Vaqtim yo'q edi - natija qovoqqa aylandi.
Lekin bu hammasi emas…
Xatolar
Aytganimizdek, kvant jarayonlari va kvant hisoblash tabiatda ehtimollikdir, biz hech narsaga 100% amin bo'la olmaymiz, faqat ba'zi bir ehtimollik bilan. Vaziyat bundan ham og'irlashadi kvant hisoblash xatolarga moyil. Kvant hisoblashdagi xatolarning asosiy turlari:
- Dekogerentlik xatolar tizimning murakkabligi va tashqi muhit bilan o'zaro ta'siridan kelib chiqadi
- Gate hisoblash xatolari (hisoblashning kvant tabiati tufayli)
- Yakuniy holatni o'qishdagi xatolar (natija)
Decoherence bilan bog'liq xatolar, kubitlarimizni o'rab olishimiz va hisob-kitoblarni boshlashimiz bilanoq paydo bo'ladi. Biz qanchalik ko'p kubitlarni o'rab olsak, tizim shunchalik murakkab bo'ladi, va uni yo'q qilish osonroq. Past haroratli sarkofagiyalar, himoyalangan kameralar, bu barcha texnologik hiylalar aniq xatolar sonini kamaytirishga va dekoherentlik vaqtini uzaytirishga qaratilgan.
Gate hisoblash xatolari - kubitlardagi har qanday operatsiya (eshik) ma'lum bir ehtimollik bilan xato bilan tugashi mumkin va algoritmni amalga oshirish uchun biz yuzlab eshiklarni bajarishimiz kerak, shuning uchun bizning algoritmimiz bajarilishi oxirida nima olishimizni tasavvur qiling. Savolga klassik javob: "Liftda dinozavr bilan uchrashish ehtimoli qanday?" - 50x50, yo uchrashasiz yoki yo'q.
Klonlashsiz teorema tufayli kvant olamida xatolarni tuzatishning standart usullari (hisob-kitoblarni takrorlash va o‘rtacha hisoblash) ishlamayotganligi muammoni yanada og‘irlashtiradi. Uchun kvant hisoblashda ixtiro qilish kerak edi . Taxminan aytganda, biz N oddiy kubitni olamiz va ulardan 1 tasini qilamiz mantiqiy kubit kamroq xato darajasi bilan.
Ammo bu erda yana bir muammo paydo bo'ladi - kubitlarning umumiy soni. Qarang, deylik, bizda 100 kubitli protsessor bor, shundan 80 kubit xatolarni tuzatish uchun ishlatiladi, keyin hisob-kitoblar uchun atigi 20 tasi qoldi.
Yakuniy natijani o'qishdagi xatolar — eslaganimizdek, kvant hisob-kitoblarining natijasi bizga shaklda taqdim etiladi javoblarning ehtimollik taqsimoti. Ammo yakuniy holatni o'qish xato bilan ham muvaffaqiyatsiz bo'lishi mumkin.
Xuddi shunday Xato darajalari bo'yicha protsessorlarning qiyosiy jadvallari mavjud. Taqqoslash uchun oldingi misoldagi kabi bir xil protsessorlarni olaylik - IBM и :
| kompyuter | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | O'qish sodiqligi |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
u ikki kvant holatining o'xshashligining o'lchovidir. Xatoning kattaligi taxminan 1-Fidelity sifatida ifodalanishi mumkin. Ko'rib turganimizdek, 2 kubitli eshiklardagi xatolar va o'qish xatolari mavjud kvant kompyuterlarida murakkab va uzoq algoritmlarni bajarish uchun asosiy to'siqdir.
Siz ham o'qishingiz mumkin yildan boshlab xatolarni tuzatish muammosini hal qilish uchun.
Protsessor arxitekturasi
Nazariy jihatdan biz quramiz va ishlaymiz o'nlab chigal qubitlarning sxemalari, aslida hamma narsa murakkabroq. Barcha mavjud kvant chiplari (protsessorlar) og'riqsizligini ta'minlaydigan tarzda qurilgan bir qubitning faqat qo'shnilari bilan chalkashishi, ulardan oltitadan ko'p emas.
Agar biz 1-qubitni, aytaylik, 12-chi qubitni bog'lashimiz kerak bo'lsa, unda biz kerak bo'ladi. qo'shimcha kvant operatsiyalari zanjirini qurish, qo'shimcha kubitlarni va boshqalarni o'z ichiga oladi, bu umumiy xato darajasini oshiradi. Ha, va bu haqda unutmang dekogeratsiya vaqti, ehtimol siz qubitlarni kerakli sxemaga ulashni tugatganingizda, vaqt tugaydi va butun sxema aylanadi yoqimli oq shovqin generatori.
Buni ham unutmang Barcha kvant protsessorlarining arxitekturasi boshqacha, va emulyatorda "hammaga ulanish" rejimida yozilgan dasturni ma'lum bir chip arxitekturasiga "qayta kompilyatsiya qilish" kerak bo'ladi. Hatto bor ushbu operatsiyani bajarish uchun.
Bir xil yuqori chiplar uchun maksimal ulanish va maksimal kubitlar soni:
| Kompyuter nomi | N Qubits | Maks | T2 (mks) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Va taqqoslash uchun, oldingi avlod protsessorlari ma'lumotlari bilan jadval. Qubitlar sonini, dekogerentlik vaqtini va xatolik darajasini yangi avlod bilan solishtiring. Shunga qaramay, taraqqiyot sekin, lekin harakatlanmoqda.
Shunday qilib:
- Hozirda 6 kubitdan ortiq toʻliq bogʻlangan arxitektura yoʻq
- Haqiqiy protsessorda qubit 0 s ni o'rash uchun, masalan, 15 qubit bir necha o'nlab qo'shimcha operatsiyalarni talab qilishi mumkin.
- Ko'proq operatsiyalar -> ko'proq xatolar -> dekogerentlikning kuchli ta'siri
natijalar
Dekogerentlik zamonaviy kvant hisoblashning Prokrust yo'nalishidir. Biz hamma narsani 150 ms ga sig'dirishimiz kerak:
- Qubitlarning dastlabki holatini ishga tushirish
- Kvant eshiklari yordamida muammoni hisoblash
- Aniq natijalarga erishish uchun xatolarni tuzating
- Natijani o'qing
Hozircha natijalar umidsizlikka uchrasa ham ga asoslangan kvant kompyuterida 0.5 s kogerentlikni saqlash vaqtiga erishish uchun da'vo :
Biz qubit kogerentlik vaqtini 0.5 s dan ortiq o'lchaymiz va magnit ekranlash bilan bu 1000 s dan uzoqroq bo'lishini kutamiz.
Ushbu texnologiya haqida ham o'qishingiz mumkin yoki masalan .
Vaziyat murakkab hisob-kitoblarni amalga oshirishda kvant xatolarini tuzatish sxemalaridan foydalanish kerakligi bilan yanada murakkablashadi, bu ham vaqtni ham, mavjud kubitlarni ham iste'mol qiladi.
Va nihoyat, zamonaviy arxitekturalar chigallashtirish sxemalarini minimal xarajat bilan 1da 4 yoki 1da 6dan yaxshiroq amalga oshirishga imkon bermaydi.
Muammolarni hal qilish yo'llari
Yuqoridagi muammolarni hal qilish uchun hozirgi vaqtda quyidagi yondashuvlar va usullar qo'llaniladi:
- Past haroratli kriyokameralardan foydalanish (10 mK (-273,14 ° C))
- Tashqi ta'sirlardan maksimal darajada himoyalangan protsessor bloklaridan foydalanish
- Kvant xatolarini tuzatish tizimlaridan foydalanish (Logic Qubit)
- Muayyan protsessor uchun sxemalarni dasturlashda optimallashtiruvchilardan foydalanish
Shuningdek, dekogerentlik vaqtini ko'paytirish, kvant ob'ektlarining yangi (va ma'lum bo'lgan) jismoniy amalga oshirilishini izlash, tuzatish sxemalarini optimallashtirish va boshqalarga qaratilgan tadqiqotlar olib borilmoqda. Taraqqiyot bor (yuqorida oldingi va bugungi eng yuqori darajadagi chiplarning xususiyatlariga qarang), lekin hozirgacha u sekin, juda va juda sekin.
D-to'lqin
D-Wave 2000Q 2000 kubitli kompyuter. Manba:
Google 53 kubitli protsessor yordamida kvant ustunligiga erishganini e'lon qilgan paytda, и kubitlar soni minglab bo'lgan D-Wave kompaniyasidan, biroz chalkash. Xo'sh, haqiqatan ham, agar 53 kubit kvant ustunligiga erisha olgan bo'lsa, unda 2048 kubitli kompyuter nimaga qodir? Ammo hamma narsa unchalik yaxshi emas ...
Qisqasi (wikidan olingan):
Kompyuterlar tamoyili bo'yicha ishlash (), optimallashtirish muammolarining juda cheklangan kichik sinfini hal qila oladi va an'anaviy kvant algoritmlari va kvant eshiklarini amalga oshirish uchun mos kelmaydi.
Batafsil ma'lumot uchun o'qishingiz mumkin, masalan, , (ehtiyotkorlik, Rossiyadan ochilmasligi mumkin) yoki в unikidan . Aytgancha, men uning blogini umuman o'qishni tavsiya qilaman, u erda juda ko'p yaxshi materiallar mavjud
Umuman olganda, e'lonlarning boshidanoq ilmiy jamoatchilik D-Wave kompyuterlari haqida savollarga ega edi. Misol uchun, 2014 yilda IBM D-Wave haqiqatini shubha ostiga qo'ydi 2015 yilda Google NASA bilan birgalikda ushbu kvant kompyuterlaridan birini sotib oldi va tadqiqotdan so'ng , ha, kompyuter muammoni odatdagidan tezroq ishlaydi va hisoblaydi. Google bayonoti haqida ko'proq o'qishingiz mumkin va, masalan, .
Asosiysi, D-Wave kompyuterlari o'zining yuzlab va minglab kubitlariga ega bo'lib, kvant algoritmlarini hisoblash va ishga tushirish uchun ishlatib bo'lmaydi. Masalan, ularda Shor algoritmini ishlata olmaysiz. Ular qila oladigan yagona narsa ma'lum bir optimallashtirish muammosini hal qilish uchun ma'lum kvant mexanizmlaridan foydalanishdir. Biz D-Wave ma'lum bir vazifa uchun kvant ASIC deb hisoblashimiz mumkin.
Kvant kompyuter emulyatsiyasi haqida bir oz
Kvant hisoblashni oddiy kompyuterda taqlid qilish mumkin. Haqiqatdan ham, :
- Qubit holati bo'lishi mumkin murakkab son, protsessor arxitekturasiga qarab 2x32 dan 2x64 bitgacha (8-16 bayt) egallaydi
- N bog'langan kubitlarning holati 2 ^ N kompleks sonlar sifatida ifodalanishi mumkin, ya'ni. 2-bitli arxitektura uchun 3^(32+N) va 2-bit uchun 4^(64+N).
- N kubit ustidagi kvant operatsiyasi 2^N x 2^N matritsa bilan ifodalanishi mumkin.
Keyin:
- 10 kubitlik emulyatsiya qilingan holatlarni saqlash uchun 8 KB kerak bo'ladi
- 20 kubitlik holatlarni saqlash uchun sizga 8 MB kerak bo'ladi
- 30 kubitlik holatlarni saqlash uchun 8 GB kerak bo'ladi
- 40 kubitlik holatlarni saqlash uchun 8 terabayt kerak bo'ladi
- 50 kubitlik holatlarni saqlash uchun 8 Petabayt kerak va hokazo.
Taqqoslash uchun, () faqat 2.8 Petabayt xotiraga ega.
— 49 kubit oʻtgan yili Xitoyning eng yirik superkompyuteriga yetkazildi ()
Klassik tizimlarda kvant kompyuterini simulyatsiya qilish chegarasi kubitlarning holatini saqlash uchun zarur bo'lgan operativ xotira miqdori bilan belgilanadi.
Men ham o'qishni tavsiya qilaman . U yerdan:
Ishlash bo'yicha - taxminan 49 "tsikl" dan (mustaqil eshik qatlamlari) iborat 39 kubitli sxemani aniq emulyatsiya qilish uchun 2^63 murakkab ko'paytirish - 4 soat davomida superkompyuterning 4 Pflopsi
Klassik tizimlarda 50+ kubitli kvant kompyuteriga taqlid qilish oqilona vaqt ichida imkonsiz deb hisoblanadi. Shu sababli ham Google kvant ustunligi tajribasi uchun 53 kubitli protsessordan foydalangan.
Kvant hisoblash ustunligi.
Vikipediya bizga kvant hisoblash ustunligining quyidagi ta'rifini beradi:
Kvant ustunligi - qobiliyat Klassik kompyuterlar deyarli hal qila olmaydigan muammolarni hal qilish uchun qurilmalar.
Aslida, kvant ustunligiga erishish, masalan, Shor algoritmi yordamida katta sonlarni faktorizatsiya qilish adekvat vaqt ichida hal qilinishi yoki murakkab kimyoviy molekulalarni kvant darajasida taqlid qilish va hokazo. Ya'ni, yangi davr keldi.
Ammo ta'rifning matnida qandaydir bo'shliq bor "klassik kompyuterlar amalda hal qila olmaydigan muammolarni" Aslida, bu shuni anglatadiki, agar siz 50+ kubitli kvant kompyuterini yaratsangiz va unda qandaydir kvant sxemasini ishga tushirsangiz, yuqorida muhokama qilganimizdek, ushbu sxemaning natijasini oddiy kompyuterda taqlid qilib bo'lmaydi. Ya'ni klassik kompyuter bunday sxemaning natijasini qayta yarata olmaydi.
Bunday natija haqiqiy kvant ustunligini tashkil qiladimi yoki yo'qmi - bu falsafiy savol. Lekin Google nima qilganini va nimaga asoslanganligini tushuning zarur.
Googlening kvant ustunligi haqidagi bayonoti
Sycamore 54-qubit protsessor
Shunday qilib, 2019 yil oktyabr oyida Google dasturchilari Nature ilmiy nashrida maqola chop etishdi." Mualliflar tarixda birinchi marta 54 kubitli Sycamore protsessoridan foydalangan holda kvant ustunligiga erishilganini e'lon qilishdi.
Onlayn Sycamore maqolalari ko'pincha 54-qubit protsessor yoki 53-qubit protsessorga ishora qiladi. Haqiqat shundaki, shunga ko'ra , protsessor jismonan 54 kubitdan iborat, lekin ulardan biri ishlamayapti va xizmatdan olib tashlangan. Shunday qilib, aslida bizda 53 kubitli protsessor mavjud.
U yerda internetda Ushbu mavzu bo'yicha materiallar, ularning darajasi turlicha uchun .
Bu haqda keyinroq IBMning kvant hisoblash jamoasi ma'lum qildi . Kompaniyaning ta'kidlashicha, oddiy kompyuter bu vazifani eng yomon holatda 2,5 kun ichida uddalaydi va natijada olingan javob kvant kompyuteriga qaraganda aniqroq bo'ladi. Ushbu xulosa bir nechta optimallashtirish usullarini nazariy tahlil qilish natijalariga asoslangan.
Va, albatta, ichida Men bu bayonotni e'tiborsiz qoldirolmadim. Uning barcha havolalar bilan birga va odatdagidek, ular sizning vaqtingizni sarflashga arziydi. Hubda ushbu tez-tez so'raladigan savollar va sharhlarni o'qib chiqing, rasmiy e'londan oldin onlaynda tarqalgan dastlabki hujjatlarga havolalar mavjud.
Google aslida nima qildi? Batafsil tushunish uchun Aaronsonni o'qing, ammo bu erda qisqacha:
Men, albatta, sizga aytishim mumkin, lekin o'zimni juda ahmoq his qilyapman. Hisoblash quyidagicha: eksperimentator tasodifiy C kvant sxemasini yaratadi (ya'ni, eng yaqin qo'shnilar o'rtasida 1-qubit va 2-qubit eshiklarning tasodifiy ketma-ketligi, chuqurligi, masalan, 20, n 2D tarmog'ida ishlaydi. = 50-60 kubit). Keyin eksperimentator C ni kvant kompyuteriga yuboradi va undan C ni 0 ning boshlang'ich holatiga qo'llashni, natijani {0,1} asosida o'lchashni, n-bitli kuzatilgan ketma-ketlikni (string) qaytarib yuborishni va bir nechta takrorlashni so'raydi. minglab yoki millionlab marta. Nihoyat, C bilimidan foydalangan holda, eksperimentator natija kvant kompyuteridan kutilgan natijaga mos kelishini aniqlash uchun statistik test o'tkazadi.
Juda qisqacha:
- Darvozalar yordamida 20 kubitdan 53 uzunlikdagi tasodifiy sxema yaratiladi
- Sxema bajarilish uchun dastlabki holat [0…0] bilan boshlanadi
- Sxemaning chiqishi tasodifiy bit qatoridir (namuna)
- Natijani taqsimlash tasodifiy emas (aralashuv)
- Olingan namunalarning taqsimlanishi kutilgan bilan solishtiriladi
- Kvant ustunligini yakunlaydi
Ya'ni, Google 53 kubitli protsessorda sintetik muammoni amalga oshirdi va kvant ustunligiga erishish haqidagi da'vosini standart tizimlarda bunday protsessorni maqbul vaqt ichida taqlid qilishning iloji yo'qligi bilan asoslaydi.
Tushunish uchun - Bu bo'lim hech qanday tarzda Google yutug'ini kamaytirmaydi, muhandislar haqiqatan ham ajoyib va buni haqiqiy kvant ustunligi deb hisoblash mumkinmi yoki yo'qmi degan savol, avval aytib o'tilganidek, muhandislikdan ko'ra ko'proq falsafiy. Ammo shuni tushunishimiz kerakki, bunday hisoblash ustunligiga erishib, biz Shor algoritmini 2048 bitli raqamlarda ishlatish qobiliyatiga bir qadam ham oldinga siljimadik.
Xulosa
Kvant kompyuterlari va kvant hisoblashlari axborot texnologiyalarining juda istiqbolli, juda yosh va sanoatda qo'llanilishi mumkin bo'lmagan sohasi hisoblanadi.
Kvant hisoblashning rivojlanishi (bir kun kelib) bizga muammolarni hal qilish imkonini beradi:
- Kvant darajasida murakkab fizik tizimlarni modellashtirish
- Hisoblash murakkabligi tufayli oddiy kompyuterda echib bo'lmaydi
Kvant kompyuterlarini yaratish va ishlatishdagi asosiy muammolar:
- Dekogerentlik
- Xatolar (decoherence va gate)
- Protsessor arxitekturasi (to'liq ulangan qubit sxemalari)
Hozirgi holat:
- Aslida - eng boshlanishi .
- Hali REAL tijoriy ekspluatatsiya yo'q (va qachon bo'lishi noma'lum)
Nima yordam berishi mumkin:
- Simlarni ulash va protsessorlarni ishlatish xarajatlarini kamaytiradigan qandaydir jismoniy kashfiyot
- Dekogerentlik vaqtini kattalik tartibida oshiradigan va/yoki xatolarni kamaytiradigan narsani kashf qilish
Mening fikrimcha (sof shaxsiy fikrim), Bilimlarning hozirgi ilmiy paradigmasida biz kvant texnologiyalarini rivojlantirishda sezilarli muvaffaqiyatlarga erisha olmaymiz, bu erda yangi g'oyalar va usullarga turtki beradigan fundamental yoki amaliy fanning qaysidir sohasida sifatli yutuq kerak.
Ayni paytda biz kvant dasturlash, kvant algoritmlarini yig'ish va yaratish, g'oyalarni sinab ko'rish va hokazolar bo'yicha tajriba orttirmoqdamiz. Biz yutuqni kutmoqdamiz.
xulosa
Ushbu maqolada biz kvant hisoblash va kvant kompyuterlarini rivojlantirishning asosiy bosqichlarini ko'rib chiqdik, ularning ishlash printsipini ko'rib chiqdik, kvant protsessorlarini ishlab chiqish va ishlatishda muhandislar oldida turgan asosiy muammolarni ko'rib chiqdik, shuningdek, ko'p qubit nima ekanligini ko'rib chiqdik. D-kompyuterlar aslida shunday. Wave va Google yaqinda kvant ustunligiga erishish haqidagi e'lonlari.
Sahna ortida kvant kompyuterlarini dasturlash masalalari (tillar, yondashuvlar, usullar va boshqalar) va protsessorlarning o'ziga xos jismoniy amalga oshirilishi, kubitlar qanday boshqarilishi, bog'lanishi, o'qilishi va boshqalar bilan bog'liq savollar qolmoqda. Ehtimol, bu keyingi maqola yoki maqolalar mavzusi bo'ladi.
E'tiboringiz uchun rahmat, umid qilamanki, bu maqola kimgadir foydali bo'ladi.
(C)
Rahmatlar
manba matniga, shuningdek, maqolaga tuzatishlar kiritish va sharhlar uchun
haqida ma'lumotlarga boy sharhlar uchun , va nafaqat unga, bu menga bu jumboqni tushunishga yordam berdi.
Ushbu maqolani yozishda materiallaridan foydalanilgan maqola va nashrlarning barcha mualliflariga.
Resurslar ro'yxati
[The National Academies Press] dan dolzarb mavzudagi maqolalar
Habrdan maqolalar (tasodifiy tartibda)
Internetdan saralanmagan (lekin qiziqroq bo'lmagan) maqolalar
Kurslar va ma'ruzalar
Manba: www.habr.com