Кванттық есептеу қалай жұмыс істейді және неге маңызды

Компьютерлер қоғамды түбегейлі өзгертті. Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін көп ұзамай ғалымдар компьютерлердің көмегімен барлық мәселелерді шеше бастады. Прогресс керемет жылдам өтті. 1970 жылдары үй компьютері дүниеге келді.

Осы жетістіктер үшін кейбір проблемалар әлі де қиын. Компьютерлер қаншалықты жақсы жұмыс жасамасын, көп санды факторлау немесе курьерлік маршруттарды оңтайландыру сияқты қиындықтар қиын болып қала береді.

Бірақ биттер есептеудің жалғыз тәсілі емес. Кванттық механика - атомдар мен молекулалар әлемін басқаратын ережелерді есептеу үшін де қолдануға болады. Ал бұл есептеулер керемет түрде орындалады.

Осы «кванттық компьютерлер» бір күні қиын мәселелерді шеше алады деген үміт бар. Бірақ кванттық компьютерлер дегеніміз не және олар қалай жұмыс істейді?

16 qubit квантты компьютер (IBM кванттық тәжірибесі)

Кванттық компьютердің капюшонындағы егжей-тегжейлі зерттеу зерттеушілердің бұл компьютерлердің Intel жаңа процессоры сияқты қуатты емес, соншалықты мықты болатынына үміттенетінін көрсетеді. Жоқ, практикалық кванттық компьютер әлемді өзгерту мүмкіндігіне ие. D-Wave, IBM және Google сияқты компаниялар бүкіл әлемдегі зертханалық зертханалармен бірге алғашқы практикалық кванттық компьютерлер шығару үшін жарысуда.

Кванттық компьютерді несімен ерекшелендіреді?

Кванттық және дәстүрлі есептеулердің арасындағы айырмашылықты көрсету үшін, Оңтүстік Калифорния университетінің физикалық теориялық химиясының профессоры Даниэль Лидар келесі ұқсастықты қолданады (мен оны өзгерттім).

Ақ шарларға толы қорапта қара допты іздеуді елестетіп көріңіз, сонда сіз қораптың ішінен көре алмайсыз. Қара шарды табу үшін сіз допты соқыр ұстап, түсін тексеріп, егер ол қара болмаса, лақтырып жібересіз. Сіз бірінші доптан қара допты ұстап алуыңыз мүмкін немесе сіз оны соңғы рет таңдай аласыз.

Ең ықтимал нәтиже: Сіз қорапты ашуланшақтықпен жоясыз.

Енді кванттық алгоритмге көшейік. Сіздің кванттық қолдарыңыз қорапқа жетеді, бірақ олар допты ұстамайды. Оның орнына, бұл қолдар әр допты, оның ішінде қара допты алу ықтималдығын ұстайды. Егер қорапта 10 шар болса, кванттық қолдарыңызда 10 бірдей ықтималдық бар.

Әрі қарай, сіз доптың қара түсу ықтималдығын арттыратын кванттық алгоритмді іске асырасыз. Осыдан кейін сіз қолыңызды тексересіз: Көңілсіз, доп ақ түсті. Сіз қайтадан қорапқа жетесіз. Бірақ бұл жолы ықтималдылықтар бірдей емес: сіздің қара допты табу мүмкіндігі басқа шарларға қарағанда дәл қазір жоғары.

Алдыңғы әрекет сіз тапқан шармен бірге қосымша ақ допты лақтырып жібергендей. Бұл кез-келген әрекет үшін орын алады, сондықтан қара допты табу мүмкіндігі тез артады. Бұл ықтималдықтардың өзгеруінің кілті - кванттық күйлердің немесе есептеу кезінде «qubits» қалай басқарылатындығында.

Кванттық суперпозиция күйлері

Осының бәрі қалай жұмыс істейтінін білу үшін шарлар қорапшасын бөліп алайық.

Кванттық қол қорапқа түсіп, ықтималдылықты алады. Дәстүрлі есептеуде белгілі бір мәндері бар биттер түрінде сақталады. Бит - бұл біреу немесе нөл. Аздықтың мәнін тексеру оны ешқандай түрде өзгертпейді.

Бірақ qubit биттің мәнін тікелей білдірмейді; ол qubit ықтималдығын бір немесе нөлге тең. Бұл «кванттық суперпозиция күйі» деп аталады.

Біз qubit мәнін тексерген кезде, біз мүмкін емес. Өлшем бір немесе нөлді анықтайды - суперпозиция ықтималдығынан кездейсоқ анықталған таңдау. Өлшеу qubit мәнін анықтайды. Егер біз qubitті өлшеп, біреуін алсақ, қайтадан тексеру нәтижесінде оның нәтижесі пайда болады.

Қорапқа кіргенде, біз барлық шарларды көрсетуге жеткілікті қобиттер жиынтығын аламыз. Кубиттер әр шарды табу ықтималдығын сақтайтын суперпозиция жағдайына қойылады. Іздеу толығымен кездейсоқ болғандықтан, әр шардың бірдей ықтималдығы бар.

Енді біз қара допты табу ықтималдығын арттыратын алгоритмді іске қосамыз.

Сіз сұрақ қоюыңыз мүмкін: сіз шыңды иемденбей, ықтималдылықты қалай арттыруға болады? Жауап qubit-тің ықтималдылықты ұстап тұруынан тұрады. Ықтималдық нөл мен бір арасындағы санмен ұсынылған. Бірақ qubits оң немесе теріс болуы мүмкін ықтималдық амплитудасына ие.

Лидар айтқандай: «нақты айырмашылық бар жерде. Теріс ықтималдық туралы түсінік жоқ [классикалық физикада], бұл мағынасыз ... Бірақ кванттық жағдайда оң [ықтималдық] амплитудасын теріс [ықтималдық] теріс амплитудаға ие етеміз. Дәл осы кедергілерді басқарудың арқасында кванттық есептеудің артықшылыққа ие болатындығын түсіне аламыз ».

Бұл бағада екі түйін жасырылған. Теріс амплитуда оң амплитудаға сәйкес келсе, таза нәтиже нөлге жақын болады, сондықтан нақты нәтиженің ықтималдығы төмендейді; егер екі оң амплитуда кездессе, онда нәтиженің пайда болу мүмкіндігі артады. Яғни, біз белгілі бір нәтиженің ықтималдығын кубитті өлшеместен басқара аламыз. (Есіңізде болсын, өлшеу жасау суперпозиция күйін бұзады.)

Ең бастысы, мұны өздеріне жасау үшін qubits жасауға болады. Теріс амплитудаға сәйкес келетін оң амплитуда туралы айтатын болсақ, онда бұл амплитудалар бірдей кубиттен болуы мүмкін. Егер бұл сіздің ойыңыздың аздап бүгілуіне себеп болмаса, ештеңе болмайды.

Нәтижесінде, кванттық компьютер дұрыс емес жауап алу ықтималдығын тез азайтып, дұрыс жауап алу мүмкіндігін арттыра алады. Дәл сол допты табу ықтималдығын арттыру үшін кванттық компьютер қолданатын дәл осындай әдіс.

Қателікке бейім процесс

Есептеуді орындау үшін көптеген кубиттердің суперпозиция күйі өзгертіледі. Бірақ қасақана өзгертулердің арасында қоршаған орта суперпозиция күйін өзгертеді. Бұл шу кванттық есептеулердің жауы, суперпозиция жағдайларын біз жасай алатындай тез бұзады.

Нәтижесінде, qubits сенімсіз және қателікке бейім. Ал қателіктер табылып, түзетілуі керек.

Бұл тривиалды емес. Лидар айтқандай: «[W] e кванттық есептеудің дұрыс орындалуын қамтамасыз ету үшін көп мөлшерде резервтеу керек. Сонымен, кодтауға байланысты бұл артық шығын не? Бұл өте ауыр болуы мүмкін, бұл 1,000 немесе 1 000 000 факторлары болуы мүмкін ».

Басқаша айтқанда, әрбір ақпараттар бір кубиттің орнына кішкентай кубиттер армиясына кодталған.

Кванттық компьютерді қалай құруға болады

Кванттық компьютерді құрудың бірнеше негізгі тәсілдері бар. Қазіргі кезде кванттық есептеудің тізбек моделі деп аталатын компьютерлерді құру сияқты көп кездесетін әдіс.

Әрбір бағдарлама белгілі бір логикалық операциялардың қатарына бөлінеді, олардың көпшілігі екінші кубиттің ықтималды амплитудасына байланысты бір кубиттің ықтималды амплитудасын өзгертеді. Электр тізбегіне негізделген кванттық компьютер бастапқы жиынтықты қабылдайды және бағдарламада әрбір операцияны жүйелі түрде орындайды. Бағдарламаны іске қосқаннан кейін жауап алу үшін qubit күйлері оқылады.

IBM осындай түрдегі кванттық компьютерлерді жасайды, сіз олармен ойнай аласыз. Бірақ IBM немесе кез келген басқа тізбек моделі стандартқа айналатыны сөзсіз. Qubit нөмірін және қызмет ету мерзімін пайдалы мөлшерге дейін ұлғайту оңай емес.

D-Wave және Google сияқты басқа компаниялар да қызығушылық танытып отыр. Бірақ олардың көзқарасы IBM және көптеген зертханалық лабораториялардан мүлдем өзгеше. Кванттық компьютерді құрудың ең кең таралған тәсілі - қарапайым компьютерлердің идеяларына жақын болу: жүйелі операцияларды орындайтын логикалық қақпалар. Сонымен қатар тікелей логикалық операцияларсыз жұмыс істейтін компьютерлер жасауға болады.

D-Wave кванттық оңтайландырғышы (D-Wave Inc.)

Екі тәсілдің айырмашылығы өте терең. Реттік логиканы қолданатын компьютерде компьютердің физикалық орналасуы қарапайым, бірақ операциялардың (немесе бағдарламалардың) реттілігі ұзақ және күрделі бола алады. Бірізді логикадан бас тарту арқылы бағдарлама өте қарапайым болады - іс жүзінде ешқандай бағдарламалау мүмкін емес, бірақ физикалық орналасуы қиын болады, өйткені әрбір qubit басқа барлық qubits-ке қосылуы керек.

Канадалық D-Wave стартапы біраз уақыттан бері шектеулі кванттық есептеуді ұсынады, бірақ қазіргі кезде оның процессорлары практикалық мәселелерді шешуге шамалы. D-Wave процессорының орналасуы барлық кубиттерді бір-бірімен байланыстырмайды. Нәтижесінде, оны кейбір мәселелерді шешуге ғана қолдануға болады, бірақ басқаларында емес.

Мәселелерді қиындату үшін, компьютердің жұмысынан оның кванттық компьютер екенін білу мүмкін емес. Оның орнына өте тиімді дәстүрлі компьютер бола алады. Google және Lidar (Google үшін жұмыс жасамайтын) D-Wave's-қа ұқсас тәсілді қолданады; алайда, айырмашылығы, олар қобиттардың бір-біріне қалай әсер ететінін бақылауды мақсат етеді. Осыдан, олар бұл тәсіл кванттық компьютерге әкелетінін дәлелдеуге үміттенеді.

Кванттық шешім іздейтін проблема

Көптеген адамдар, егер олар кванттық компьютерлер туралы білсе, оларды бұзылған шифрмен байланыстырады. Қазіргі криптография өте үлкен сандардың негізгі факторларын табу өте қиын екендігіне сүйенеді.

Практикалық кванттық компьютер, мүмкін, бұны тоқтатады. Бірақ онша жағымсыз бағдарламалар бар.

Кванттық механиканың есептерін шешу үшін кванттық компьютерлерді жасау ең қызықтысы болып табылады. Бұл әлемді өзгертетін бағдарлама.

Кванттық механика материалдардың қасиеттерін, киімдегі мақтадан өсімдіктердегі фотосинтезге дейін сипаттайды. Ең қуатты дәстүрлі компьютерлердің өзінде 30-дан астам атомы бар кез-келген молекуланың қасиеттерін есептеу мүмкін емес. Оның орнына біз әрқашан жақсы жұмыс істемейтін тіркесімдерді аламыз.

Кванттық компьютер дәлірек болуы мүмкін, сондықтан біз бұл есептеуге көп сенім арта аламыз. Ғалымдар күн сәулесінің әсерінен суыған материалдар сияқты әлдеқайда таңғажайып қасиеттерді елестете алады, содан кейін қажетті құрылымды анықтау үшін кванттық компьютерді қолдана алады. Шынымен де мүмкін емес табиғи қасиеттерді тезірек жоюға болады.

Біз қаншалықты жақынбыз?

Кванттық компьютерлер алғашқы теориялармен 1990-шы жылдары келді. Сіздің құпияңыз қауіпсіз, бірақ сіз өзіңіздің банктік шотыңызға зиянды әрекеттер жасайтын кванттық компьютер таба алмайсыз. Лидар сияқты зерттеушілер әлі күнге дейін практикалық кванттық компьютерді күтпейді.

Лидар кванттық қателіктерді түзетудің қажеті жоқ әлемде 100 кубитпен «біз кванттық жүйелерді модельдеуге кванттық компьютерлерді қолдана отырып, ең күшті классикалық компьютерлермен мүмкін болатын деңгейден асатын шкаламен бастай аламыз» дейді.

Бірақ зерттеушілердің мақсаты кванттық үстемдік деп аталатын мақсатқа ие. Үлкен атауына қарамастан, кванттық үстемдік дәстүрлі компьютердің мүмкіндіктерінен тыс кез-келген проблеманы, тіпті практикалық мәні жоқ болса да, кванттық компьютерде шешуге болатындығын көрсетеді.

Кванттық компьютерлердің болжалды түрде орындай алатындығын көрсету маңызды қадам болып табылады және ешкім бұлай болатынына сенімді емес. Бірақ сонда ғана біз болашақ кванттық компьютерлер өз уәделерін орындайтынына шынымен сене аламыз.

Лидар алдағы 12 айда кванттық үстемдікке қол жеткізе алатын компьютерді көреді деп күтеді. Google, атап айтқанда, кванттық үстемдікке мүмкіндігінше тезірек жетуді көздейді, ал IBM корпорациясы абайлап әрекет етеді.

Осыдан кейін бізді күрделі, бірақ қызықты болашақ күтіп тұр.