Kvant hisoblash: uning aqldan ozganligi

(diqqatni jalb qilish uchun yoqimli ko'rinadigan mutlaqo ahamiyatsiz rasm)

Biz kvantni hisoblash to'g'risida bir muncha vaqtdan beri eshitmoqdamiz, ammo shov-shuv nima bilan bog'liq. Kvantli kompyuterlar klassik kompyuterlarga qaraganda ancha tezroq (bu xabarni o'qish uchun foydalanadigan qurilma) bizning hozirgi kompyuterlarimizni eskiradigan qilib qo'yadimi?

Nah, unday deb o'ylamayman. Kvant protsessor kvant parallelizmi ustunlik qiladigan vazifalarni bajarishda yordam berish uchun oddiy protsessor yonida joylashgan o'ziga xos koeffitsientga aylanishi mumkin edi. Shunday qilib, keling, bu erda hamma narsada kvant kompyuterlar klassik kompyuterlardan tezroq emasmi? Yo'q, ular emas.

Xo'sh, kvant parallelizmi nima va kvant kompyuteri undan qanday foydalanishi mumkin. Kvant kompyuteri kvant parallelizmdan qanday foydalansa ekanligini bilish uchun avval klassik kompyuter muammoni qanday hal qilishini bilishimiz kerak.

Aytaylik, bizda bunday labirint bor

(labirint)

Klassik kompyuter ushbu echimni qanday hal qiladi (soddalashtirilgan)

  • Dastlabki marshrutni tanlang
  • Chapga, o'ngga yoki oldinga (orqaga emas) harakatlanishga harakat qiling
  • Labirent tashqarisida ekanligingizni tekshiring
  • Agar siz tashqarida bo'lmasangiz, 1-bosqichni takrorlang
  • Agar orqaga harakatlanishning yagona usuli bo'lsa, siz tuzoqqa tushasiz.
  • Yo'nalishni yaroqsiz deb belgilang va yaroqsiz marshrutlarga olib keladigan qadamlardan qochib, qadamlarni boshidan takrorlang.
  • Va nihoyat, biz har bir echim orqali shafqatsizlik bilan to'g'ri yo'nalishni tanlaymiz

Bu juda ko'p vaqt talab etadi. Ushbu jarayonni mahkamlashning bir usuli bu bir vaqtning o'zida bir nechta marshrutlarni tekshirish uchun bir nechta protsessor yadrolaridan foydalanish, protsessor yadrolari soniga mutanosib ravishda chiziqli miqyosni oshirish. Ammo siz erishishingiz mumkin bo'lgan maksimal tezlikni CPU yadrosining yo'qligiga bog'liq. aksariyat hollarda siz 4-16 atrofida bo'lasiz.

Siz bir vaqtning o'zida 4000 marshrutni tekshirish uchun 1000-4000 yadroga ega GPU-dan foydalanishga harakat qilishingiz mumkin. Ammo bir necha million marshrutga ega bo'lsangiz, oddiy protsessorlarga labirintni echish juda qiyin bo'ladi. tezlashtirish uchun yadro yo'q. Xo'sh, kvant protsessor labirintni qanday hal qiladi?

Bu juda oddiy, kvant protsessor yadrolari bilan cheklanmagan, chunki har bir marshrutni tekshirish uchun kvant parallelizmidan foydalanish mumkin. Bu aqldan ozadi. Kvant kompyuteri buni qanday amalga oshiradi, qanday qilib bir vaqtning o'zida bir nechta marshrutlarni tekshirishi mumkin. ! Bu superpozitsiyadan foydalanib amalga oshiriladi.

Qubits: oddiy bitlarning kvant ekvivalenti

Oddiy kompyuterlar 0 yoki 1 ga teng ikkita noyob holatni saqlashi mumkin bo'lgan bitlardan foydalangan holda hisob-kitob qilmoqdalar, ammo kvant kompyuterlari 0 va 1 ga teng bo'lgan qubitlardan foydalanadilar, shunday emasmi?

Klassik bit vs Qubit

Ko'pchiligimiz bilishimiz mumkinki, moddaning juda kichik birligi (elektron) har ikkala materiyani ikkala alohida holat bo'lgan to'lqinning xususiyatlarini namoyish etadi. Ular to'lqin va materiyaning xususiyatlarini bir vaqtning o'zida ko'rsatadilar, shuning uchun ular bir vaqtning o'zida ikkita alohida holatda mavjuddir. Kvantli bit superpozitsiyani ham ishlatadi va 1,0 va super va 1 va 0 bo'lishi mumkin.

Klassik bitlarda yuqori kuchlanish 1 ni, past kuchlanish esa nolni bildiradi, bu esa aniq hollarni o'lchash imkonini beradi .Qubitsada superpozitsiya holatini qanday o'lchashimiz mumkin?

Superpozitsiya: "demak siz bir vaqtning o'zida o'liksiz va tirikmisiz?"

Yaxshi superpozitsiya - bu o'lchashdan oldingi holat va buni Shroyederning "soddalashtirilgan" versiyasidan foydalanish orqali tushuntirishning iloji yo'q. Shroedder mushukini radioaktiv atom bilan metall qutiga qamab qo'ydi .Hozir 50-50 imkoniyat mavjud atom radioaktiv parchalanishga duchor bo'lishi va keyinchalik mushuk radiatsiyaviy zaharlanishdan o'lishi yoki atom parchalanishiga olib kelmasligi va mushuk ertakni aytib berish uchun yashashi mumkin. Biz qutini ochganimizda mushuk o'lgan yoki tirikligini bilamiz, ammo u erda bo'lgani kabi quti ochilmay turib mushukning o'lik yoki tirik bo'lish ehtimoli teng, biz mushuk o'lik va tirik (superpozitsiya), quti ochilmaganda o'lik yoki tirikga aylanadi deymiz. , ya'ni agar siz qutichani ochsangiz va mushukning o'likligini ko'rsangiz, u ilgari o'lik emas edi, lekin eksperiment natijasini o'lchash uchun qutini ochganingizdan so'ng vafot etdi. Aslida siz qutini ochganingizda mushukni o'ldirgansiz .(

Qubits kvant parallelizmiga erishish uchun superpozitsiya holatidan foydalanadi. Kontseptsiyani tushunishga yordam beradigan yana bir misol - bu tanga tashlab yuborish tajribasi. Agar tanga tashlasangiz, ehtimol natija bosh yoki quyruqdir (0 va 1). Agar siz tangani tashlasangiz, yakuniy holatning bosh yoki quyruq bo'lishi mumkinligi ehtimolligi teng bo'lib, bu holat superpozitsiyaga olib keladi. Agar tanga nihoyat sizning qo'lingizga tushib qolsa, biz shu vaqt ichida tangani ortiqcha holatdan chiqarib yuboramiz. bitta (bosh yoki dum). Bu dunyoda boshingizni egganingizda, tanga natijasi dumi bo'lgan parallel dunyo mavjud. Kvant kompyuteri ushbu parallel dunyo tushunchasidan foydalanib, barcha mumkin bo'lgan holatlarni bitta hisoblashda hisoblash uchun ishlatishi mumkin. Muammolarni hal qilish uchun kvant parallelizmidan foydalaning. Agar klassik kompyuter bitta bitni bitta davlatni ifodalash uchun ishlatsa. . . . . . Bir vaqtning o'zida (0 yoki 1) qubit 2 holatni bildirishi mumkin (ikkalasi ham 0 va 1). Qubits bo'lmagan kvant kompyuter shkalasi juda ajoyib. Agar 3 ta klass bit mavjud bo'lsa, ular bitta davlatni ifodalashi mumkin, masalan (000,001,010,111) va hokazo, ammo 3 qubit 8 tadan iborat bo'lishi mumkin. Barcha mumkin bo'lgan holatlar bir vaqtning o'zida superpozitsiyadan (qqq har bir q 0 yoki 1 bo'lishi mumkin) foydalanadi, shuning uchun klassik kompyuter uchun 8 ta hisoblash uchun faqat bitta hisoblash kerak bo'ladi. 2 ^ n, bu erda n - har bir qubit kvant kompyuterning ma'lumotlarni qayta ishlash qobiliyatini ikki baravar oshiradigan qubits.sozlik, endi biz har yili 1024 -4096 kattalikning tezlashishiga olib keladigan 10-12 qubit oshishini ko'rmoqdamiz. bir yil oldin ishlab chiqarilgan kvant kompyuteriga qaraganda CPU uchun moor qonunida bashorat qilingan eng yuqori tezlikka nisbatan juda katta.

Kvant qo'shilishi: "sevgining kuchi yorug'likdan tezroq"

Kvantli kompyuterlarda biz ishlatadigan yana bir hodisa - bu o'rnashish. Agar biz ikkita elektronni olsak va ularni bog'lab qo'ysak, ular bir-biriga bog'liqdir, agar birida o'zgartirish kiritishga harakat qilsak, u boshqa elektronga darhol ta'sir qiladi. Aytaylik, biz ikkita elektronni olamiz va keyin koptok darvozasini ishlatib, ularni super holatga keltiramiz va ularni koinotning chetlariga olib boramiz. Endi ikkala elektronning ham soat yo'nalishi bo'yicha yoki soat sohasi farqli ravishda aylanishi ehtimolligi teng. biz elektronni o'lchaymiz va uning aylanishini topamiz, bu harakat bir zumda boshqa o'rab qo'yilgan elektronning aylanishini qarama-qarshi yo'nalishga o'zgartiradi .Bu lahzali harakat yorug'lik tezligidan tezroq, lekin Eynshteyn yorug'likdan ko'ra tezroq hech narsa yurolmaydi deb taxmin qilgan edi. masofadagi bu bema'ni harakat deb nomlandi.

(haqiqatan ham hazilakam)

Shunday qilib, siz "bu Kvant hisoblash texnologiyasi shunchalik futuristik tuyuladiki, bu o'n yil ichida kvant kompyuteridan har qanday vaqtda foydalana olmayman" "yo'q, siz hozirda kvant kompyuteridan foydalanishingiz mumkin emas .IBM sizga haqiqiy kvant ekanligini ta'minlaydi. hozirda 5 qubitdan iborat bo'lgan kompyuter

Kvant kompyuterlarining haqiqiy qo'llanilishi oqsillarni simulyatsiya qilish va yorilish shifrlashda. Shifrlashning kaliti shundaki, juda ko'p sonning asosiy omillari deyarli hal qilib bo'lmaydi, siz ularni asosiy omillardan ko'paytirib hosil qilishingiz mumkin, ammo siz asosiy omillarni yarata olmaysiz. Bu muammoni echishda urinishlar koinotning yoshidan ko'proq vaqt talab qiladigan barcha mumkin bo'lgan kombinatsiyalarni birma-bir zo'rlash orqali amalga oshirildi. Ammo Kvant kompyuterlarining kelishi o'yinni o'zgartirishi mumkin edi, kvant kompyuterlari hamma narsadan o'tib ketishi mumkin edi. Kvant parallelizmidan foydalanib, barcha zamonaviy shifrlash foydasiz. Kvant kompyuterlari kelgandan keyin kvant post-kvant kriptografiyasi deb nomlangan kriptografiya, hatto kvant kompyuterlariga ham deyarli ajralib turolmaydi.

Kvant kompyuterlarining yangi ilovalari har kuni IBM tomonidan taxmin qilinib, kvant kompyuterlar 5 yil ichida asosiy oqimlarga o'tishini taxmin qilmoqda va hozirgi kunga qaraganda kvant hisoblashlariga kirish uchun yaxshiroq vaqt yo'q. O'zingizning kvantli kompyuteringizni yaratishni kutib o'tirishdan ko'ra, sinab ko'ring IBM Q tajribasi