Кванттық есептеу: оның ақылсыздығы

(назарын аудару үшін әдемі көрінеді)

Біз кванттық есептеу туралы біраз уақыттан бері естиміз, бірақ алдау деген не? Кванттық компьютерлер классикалық компьютерлерге қарағанда анағұрлым тезірек (сіз осы жазбаны оқу үшін пайдаланатын құрылғы) біздің қазіргі компьютерлерімізді ескіруге мәжбүр ете ме?

Нах, мен олай ойламаймын. Кванттық процессор кванттық параллелизмді қолданатын міндеттерді шешуге көмектесу үшін қалыпты процессордың қасында орналасатын өзіндік процессор бола алады. Кванттық компьютерлер барлық жағдайларда классикалық компьютерлерге қарағанда тезірек емес пе? Жоқ олар емес.

Сонымен кванттық параллелизм дегеніміз не және оны кванттық компьютер қалай қолдана алады. Кванттық параллелизмнің кванттық компьютерді қалай қолданатынын білу үшін алдымен классикалық компьютер мәселені қалай шешетінін білу керек.

Бізде осындай лабиринт бар делік

(лабиринт)

Классикалық компьютер бұл шешімді қалай шешеді (жеңілдетілген)

  • Бастапқы бағдарды таңдаңыз
  • Солға, оңға немесе алға (артқа емес) жылжуға тырысыңыз
  • Сіз лабиринттің сыртында екеніңізді тексеріңіз
  • Егер сіз сыртта болмасаңыз, 1-қадамды қайталаңыз
  • Егер артқа қарай жылжудың жалғыз тәсілі болса, онда сіз өзіңізді ұстайсыз.
  • Маршрутты жарамсыз деп белгілеп, жарамсыз маршруттарға апаратын қадамдардан бас тартып, қадамдарды басынан бастап қайталаңыз.
  • Ақырында, біз әр жолмен және әр шешім арқылы қатыгездікпен дұрыс бағытты таңдаймыз

Бұл өте көп уақытты қажет етеді. Бұл процесті жылдамдатудың бір әдісі - бірнеше процессорды бір уақытта бірнеше маршрутты тексеру үшін бірнеше процессордың ядросын пайдаланып, CPU ядросының пропорциясына пропорционалды түрде сызықтық масштабтауға мүмкіндік береді. Бірақ сіз мүмкін болатын максималды жылдамдық CPU ядросының болмауына байланысты болады. сізде көп жағдайда шамамен 4-16 болуы мүмкін.

Жақсы жылдамдыққа жету үшін бір уақытта 4000 маршрутты тексеру үшін 1000-4000 өзегі бар GPU қолдана аласыз. Бірақ егер миллиондаған маршрут болса, қарапайым процессорларға лабиринтті шешу өте қиын болады жылдамдықты арттыру үшін өзек жоқ. Сонымен кванттық процессор лабиринтті қалай шешеді?

Бұл өте қарапайым, кванттық процессор ешқандай ядромен шектелмейді, ол кванттық параллелизмнің көмегімен әр бағытты бір бағытта тексереді. Бұл өте ақылды естіледі. Кванттық компьютер мұны қалай жасайды, қалай бірнеше маршрутты бір уақытта қалай тексеруге болады? уақыт? Мұны суперпозиция қолдана отырып жасайды.

Qubits: тұрақты биттердің кванттық баламасы

Қалыпты компьютерлер екі немесе бірегей екі күйді сақтай алатын биттерді қолдана отырып есептеулер жасайды, бірақ кванттық компьютерлер 0 және 1-ге тең болатын кубиттерді қолданады, иә?

Классикалық бит - Qubit

Көпшілігіміз материяның өте кішкентай бірлігі (электрон) екі бөлек зат болып табылатын материяның екеуінің де қасиетін көрсететінін білдік. Олар толқындар мен материяның қасиеттерін бір уақытта көрсетеді, сондықтан олар бір уақытта екі бөлек күйде болады. Сондай-ақ, кванттық бит суперпозицияны қолданады және 1,0 және 1 және 0 суперпозициясы болуы мүмкін.

Классикалық биттерде жоғары кернеу 1, ал төмен кернеу - нақты жағдайларды өлшеуге мүмкіндік беретін нөлді білдіреді .Кубицте суперпозиция күйін қалай өлшеуге болады?

Superposition: «сондықтан сіз бір уақытта өлі және тірісіз бе?»

Ұңғыманың суперпозициясы - бұл өлшеудің алдындағы жағдай және оны түсіндірудің жақсы әдісі Шредингердің ойластырылған экспериментінің «оңайлатылған» нұсқасын қолданудан гөрі. Шредингер мысықты радиоактивті атоммен металл қорапқа жапты .Қазір 50-50 мүмкіндік бар бұл атом радиоактивті ыдырауға ұшырауы мүмкін және мысық радиациялық уланудан қайтыс болуы мүмкін немесе атом ыдырауға ұшырамайды және мысық әңгімені айту үшін өмір сүреді. Біз қорапты ашқан кезде мысықтың өлі немесе тірі болғанын білеміз. қорап ашылмаған кезде мысықтың өлі немесе тірі болуының ықтималдығы бірдей, біз қорап ашылмаған кезде мысық өлі де, тірі де болады (суперпозиция) және қорапты ашқанда өлі де, тірі де болады , яғни егер сіз қорапты ашып, мысықтың өлгенін көрсеңіз, ол бұрын өлмеген, бірақ эксперимент нәтижесін өлшеу үшін қорапты ашқан сәтте қайтыс болды. Қорапты ашқан кезде сіз мысықты өлтірдіңіз :( .Осы жерде не болғанын қайта ойланып, ойланып көрейік.

Qubits кванттық параллелизмге қол жеткізу үшін суперпозиция күйін қолданады. Ұғымды түсінуге көмектесетін тағы бір мысал - монетаны лақтыру эксперименті. Егер сіз монетаны лақтырғыңыз келсе, мүмкін нәтиже бас немесе құйрық болады (0 және 1). монетаны лақтырып тастасаңыз, түпкілікті күйдің басы немесе құйрығы болуы ықтималдығы бірдей, бұл күйдің суперпозициясына әкеледі. Монета сіздің қолыңызға түсіп қалған кезде біз монетаны суперпозициялық күйден ерекше күйге шығарамыз. біреуі (басы немесе құйрығы). Егер сіз осы әлемде басыңа ие болсаңыз, онда монетаның нәтижесі құйрық болатын параллель әлем бар. Кванттық компьютер осы параллель әлем тұжырымдамасын нәтиженің барлық мүмкін күйлерін бір есептеуде есептеу үшін қолдана алады. есептерді шығару үшін кванттық параллелизмді қолданыңыз. Яғни, егер классикалық компьютер жалғыз күйді бейнелесе, онда бір күйді қолдана алады. . . . . . (0 немесе 1) уақытта qubit екі күйді білдіруі мүмкін (0 және 1). Қабиттері жоқ кванттық компьютерлік шкалалар өте қызықты. Егер 3 классикалық биттер болса, жоқты білдіру үшін қолданылады, олар тек бір мемлекетті көрсете алады, мысалы (000,001,010,111) және т.с.с, бірақ 3 qubit 8 Барлық мүмкін күйлер бір уақытта суперпозицияны қолданады (qqq-та әрбір q-нің мәні 0 немесе 1-ге тең болады), сондықтан классикалық компьютердің алатын 8 есептеуіш тек 1 есептеуді алады, егер кванттардың бірде-бірі кванттық компьютердің экспоненциалды түрде өсетін мәліметтерін көбейтпесе 2 ^ n мұндағы n - qubit саны, әр qubit кванттық компьютердің мәліметтерді өңдейтін қабілетін екі есеге арттырады, біз қазір 1024 -4096 магнитудасы жылдамдығына ауысатын жыл сайын 10–12 куб өсіп жатыр. бір жыл бұрын шығарылған кванттық компьютерге қарағанда, бұл CPU үшін моур заңы бойынша болжанған ең жоғары жылдамдықтың өсуімен салыстырғанда үлкен.

Кванттық интеграл: «махаббаттың күші жарықтан жылдам»

Кванттық компьютерлерде қолданатын тағы бір құбылыс - интегралдау. Егер біз екі электронды алып, оларды итерсек, онда бір-біріне өзгеріс енгізуге тырыссақ, ол басқа электронға бірден әсер етеді. Мысалы, біз 2 электрон аламыз, содан кейін кноп қақпасын қолданып, оларды суперпозиция күйіне келтіріп, оларды әлемнің шетінен шығарамыз делік. Енді екі электронның да сағат тіліне қарсы немесе сағат тіліне қарсы айналуының бірдей мүмкіндігі бар. біз электронды өлшейміз және оның айналу жылдамдығын табамыз, бұл әрекет басқа иілген электронның айналуын лезде қарама-қарсы бағытқа өзгертеді .Бұл лезде болатын әрекет жарық жылдамдығынан тезірек болады, бірақ Эйнштейн жарықтан жылдам ештеңе жүре алмайды деп болжады. бұл әрекетті қашықтықта деп атады.

(шынымен қызықты)

Сондықтан сіз «бұл кванттық есептеу технологиясы футуристік болып көрінетіндіктен, мен осы онжылдықта кез-келген уақытта кванттық компьютерді қолдана алмаймын» деп ойлауыңыз мүмкін «жоқ, сіз дәл қазір кванттық компьютерді қолдана алмайсыз .IBM сізге нақты квант екендігіңізді білдіреді қазіргі уақытта 5 кубиттен асатын компьютер

Кванттық компьютерлердің нақты қосымшалары ақуызды модельдеу және крекинг шифрлауында. Шифрлеудің кілті - өте көп санның негізгі факторлары іс жүзінде шешілмейді, сіз оларды негізгі факторлардан көбейту арқылы генерациялай аласыз, бірақ сіз негізгі факторларды жасай алмайсыз. Мұны шешуге талпыныс барлық мүмкін болатын комбинацияларды бірінен соң бірі жасыру арқылы жасалды, бұл ғаламның жасына қарағанда көбірек уақытты талап етеді. Бірақ кванттық компьютерлердің келуі ойынды өзгерте алатын еді, кванттық компьютерлер барлық деңгейден өте алады. Бірден кванттық параллелизмді қолдана отырып, барлық заманауи шифрлауды пайдасыз етеді. Кванттық компьютерлер келгеннен кейін кванттық компьютерлер үшін іс жүзінде ашылмайтын пост-кванттық криптография деп аталатын криптография пайда болмайды.

Кванттық компьютерлердің жаңа қосымшаларын күн сайын IBM анықтап, кванттық компьютерлер 5 жыл ішінде басты бағытқа айналады деп болжайды және кванттық есептеулерге қазірден гөрі жақсы уақыт жоқ сияқты. Сонымен қатар, кванттық қуатталған Macbook-тің пайда болуын күтудің орнына IBM Q тәжірибесі