Як працуюць квантавыя вылічэнні і чаму гэта важна

Кампутары кардынальна змянілі грамадства. Неўзабаве пасля заканчэння Другой сусветнай вайны навукоўцы выкарыстоўвалі кампутары для вырашэння ўсялякіх праблем. Прагрэс быў неверагодна хуткі. Да 1970-х гадоў нарадзіўся хатні кампутар.

Але пры ўсім гэтым прагрэсе некаторыя праблемы па-ранейшаму вельмі складаныя. Незалежна ад таго, наколькі добрыя камп'ютэры атрымаць, праблемы, такія як раздзел вялікай колькасці альбо аптымізацыя кур'ерскіх маршрутаў, застаюцца складанымі.

Але біты - не адзіны спосаб вылічыць. Квантовая механіка - правілы, якія рэгулююць свет атамаў і малекул - таксама можа быць выкарыстана для вылічэння. І гэтыя вылічэнні выконваюцца дзіўна па-іншаму.

Спадзяюся, што калі-небудзь гэтыя "квантавыя кампутары" змогуць вырашыць жорсткія праблемы. Але што на самай справе ўяўляюць сабой квантавыя кампутары і як яны працуюць?

16-кубітны квантавы кампутар ад IBM (квантавы вопыт IBM)

Дэталёвы погляд пад капотам квантавага кампутара паказвае, чаму даследчыкі так спадзяюцца, што гэтыя кампутары будуць настолькі магутнымі і не магутнымі, як працэсар новага пакалення ад Intel. Не, практычны квантавы кампутар можа патэнцыйна змяніць свет. Такія кампаніі, як D-Wave, IBM і Google, а таксама навукова-даследчыя лабараторыі па ўсім свеце, імчацца па выпуску першых практычных квантавых кампутараў.

Што робіць квантавы кампутар розным?

Каб праілюстраваць розніцу паміж квантавымі і традыцыйнымі вылічэннямі, Даніэль Лідар, прафесар фізічнай тэарэтычнай хіміі з Універсітэта Паўднёвай Каліфорніі, выкарыстоўвае наступную аналогію (якую я змяніў).

Уявіце, што шукаеце чорны шар у скрынцы, поўнай белых шарыкаў, і вы не бачыце ўнутры скрынкі. Каб знайсці чорны шарык, вы сляпа схапіце шарык, вывучыце колер і выкіньце яго, калі ён не чорны. Вы можаце схапіць чорны шарык з першай спробы альбо выбраць яго ў апошні.

Найбольш верагодны вынік: вы разбураеце скрыню расчараваннем.

Зараз пераходзім да квантавага алгарытму. Вашы квантовыя рукі сягаюць у скрыню, але яны не захопліваюць шарык. Замест гэтага гэтыя рукі трымаюць верагоднасць падабрання кожнага шара - у тым ліку і чорнага. Калі ў полі ёсць 10 шароў, вашы квантовыя рукі маюць 10 аднолькавых верагоднасцей.

Далей вы запусціце квантавы алгарытм, які павялічвае верагоднасць таго, што шарык будзе чорным. Пасля гэтага вы правяраеце руку: расчараванне, шарык белы. Вы вяртаецеся назад у скрыню. Але на гэты раз верагоднасць не роўная: Верагоднасць знайсці чорны шар зараз вышэй, чым для іншых шароў.

Гэта як калі папярэдняя спроба выкінула лішні белы шар разам з той, якую вы знайшлі. Гэта адбываецца пры кожнай спробе, таму шанец знайсці чорны шар хутка павялічваецца. Ключ да таго, як мяняюцца гэтыя верагоднасці, заключаецца ў тым, як маніпулююць квантавымі станамі, альбо "кубітамі" ў выпадку вылічэнняў.

Станы квантовага суперпазіцыі

Давайце разбярэм гэтую гісторыю з шароў, каб паглядзець, як усё гэта працуе.

Квантовая рука лезе ў скрыню і хапае верагоднасці. У традыцыйных вылічэннях інфармацыя захоўваецца як біты, якія маюць пэўныя значэнні. Трохі - гэта альбо нуль. Праверка значэння крыху не змяняе яго.

Але кубіт непасрэдна не ўяўляе значэнне біта; у ім відаць верагоднасць кубіта роўная нулю. Гэта называецца "стан квантавага накладання".

Аднак, калі мы правяраем значэнне кубіта, мы не атрымліваем верагоднасці. Вымярэнне выяўляе адзін або нуль - выбар, які вызначаецца выпадковым чынам, з верагоднасці суперпазіцыі. Вымярэнне усталёўвае значэнне кубіта. Калі мы вымераем кубіт і атрымаем адзін, праверка яшчэ раз прывядзе да адзінкі.

Калі мы заходзім у поле, мы фактычна бярэм кубіт - дастаткова, каб прадставіць усе шары. Кубіты пераводзяцца ў стан суперпазіцыі, які праводзіць верагоднасць знаходжання кожнага шара. Паколькі пошук цалкам выпадковы, кожны шар прадстаўлены з аднолькавай верагоднасцю.

Цяпер мы запускаем алгарытм, які павялічвае верагоднасць знайсці чорны шар.

Вы можаце спытаць: Як вы можаце павялічыць верагоднасць, не дасягнуўшы піка? Адказ заключаецца ў тым, як кубіт мае верагоднасць. Верагоднасць прадстаўлена лічбай паміж нулем і адным. Але кубіты займаюць амплітуды верагоднасці, якія могуць быць станоўчымі або адмоўнымі.

Як лічыць Лідар: "[T] яго там, дзе ёсць рэальная розніца. Не існуе паняцця адмоўнай верагоднасці [у класічнай фізіцы], гэта бессэнсоўна ... Але ў квантавым выпадку мы можам мець [а] адмоўную [верагоднасць] амплітуду, якая адмяняе станоўчыя [верагоднасці] амплітуды. Менавіта праз маніпуляцыі з гэтымі перашкодамі мы можам пачаць разумець, як квантовыя вылічэнні могуць атрымаць перавагу ".

У гэтай цытаце хаваюцца два ключавыя моманты. Калі адмоўная амплітуда сустракаецца з станоўчай амплітудай, чысты вынік аказваецца чымсьці бліжэй да нуля, таму верагоднасць гэтага канкрэтнага выніку зніжаецца; калі сустракаюцца дзве станоўчыя амплітуды, верагоднасць гэтага выніку павялічваецца. Гэта значыць, мы можам маніпуляваць верагоднасцю пэўнага выніку без вымярэння кубіта. (Памятайце, што вымярэнне разбурыць стан суперпазіцыі.)

Што яшчэ больш важна, кубіты могуць зрабіць гэта для сябе. Калі мы гаворым пра станоўчую амплітуду, якая сустракаецца з адмоўнай амплітудай, гэтыя амплітуды могуць быць з аднаго кубіта. І калі гэта не прымусіць ваш розум крыху сагнуцца і рыпаць, нічога не будзе.

У выніку, квантавы кампутар можа хутка знізіць верагоднасць атрымання няправільнага адказу і павялічыць шанцы на атрыманне правільнага адказу. Гэта менавіта такі фокус, які выкарыстоўвае квантавы кампутар, каб павялічыць верагоднасць знайсці патрэбны шар.

Працэс, схільны да памылак

Каб зрабіць вылічэнні, стан суперпазіцыі многіх кубітаў змяняецца. Але паміж наўмыснымі зменамі навакольнае асяроддзе таксама змяняе стан суперпазіцыі. Гэты шум - вораг квантавых вылічэнняў, якія знішчаюць стану суперпазіцыі амаль так хутка, як мы можам іх стварыць.

У выніку чаго кубіты ненадзейныя і схільныя да памылак. І гэтыя памылкі трэба выявіць і выправіць.

Гэта не банальна. Як лічыць Лідар: "Для таго, каб квантовыя вылічэнні маглі правільна правесці, трэба будзе выкарыстоўваць высокую ступень надмернасці. Такім чынам, што ж гэта за накладныя расходы? Ну, гэта можа быць вельмі сур'ёзна, гэта можа быць па фактарах 1000 ці 1 000 000 ".

Іншымі словамі, кожны фрагмент інфармацыі закадуецца ў невялікую армію кубітаў замест аднаго кубіта.

Як пабудаваць квантавы кампутар

Існуе некалькі асноўных падыходаў да стварэння квантавага кампутара. Самы распаўсюджаны падыход падобны да таго, як мы зараз будуем кампутары, званая схемай мадэляў квантавых вылічэнняў.

Кожная праграма разбіта на шэраг пэўных лагічных аперацый, большасць з якіх змяняе амплітуды верагоднасці аднаго кубіта, у залежнасці ад амплітуд верагоднасці другога кубіта. На аснове схемнага квантавага кампутара прымаецца пускавы набор кубітаў і выконваецца кожная аперацыя ў праграме паслядоўна. Пасля запуску праграмы стану кубіта чытаюцца, каб атрымаць адказ.

IBM стварае квантавыя кампутары такога кшталту, і вы нават можаце з імі гуляць. Але зусім не напэўна, што IBM або любая іншая схема схемы стане стандартнай. Маштабаванне колькасці кубіта і тэрмін службы да патрэбнага памеру - задача няпростая.

Іншыя кампаніі, такія як D-Wave і Google, таксама праяўляюць цікавасць. Але іх падыход значна адрозніваецца ад падыходу IBM і большасці даследчых лабараторый. Самы распаўсюджаны падыход да стварэння квантавага кампутара - блізка да ідэй звычайных кампутараў: лагічных варот, якія выконваюць паслядоўныя аперацыі. Але таксама можна зрабіць кампутары, якія працуюць без прамых логічных аперацый.

Квантавы аптымізатар D-Wave (D-Wave Inc.)

Розніца паміж двума падыходамі даволі глыбокая. У камп'ютэры, які выкарыстоўвае паслядоўную логіку, фізічная раскладка кампутара дастаткова простая, але паслядоўнасць аперацый (альбо праграмы) можа стаць доўгай і складанай. Адмаўляючыся ад паслядоўнай логікі, праграма становіцца вельмі простай - у рэчаіснасці праграмавання практычна няма, але фізічная раскладка становіцца вельмі складанай, бо кожны кубіт павінен быць злучаны з усімі іншымі кубітамі.

Канадскі запуск D-Wave ужо некаторы час прапануе абмежаваную форму квантавых вылічэнняў, але на дадзены момант яго працэсары занадта малыя, каб узяць практычныя праблемы. Планіроўка працэсара D-Wave не злучае ўсе кубіты адзін з адным. У выніку яго можна выкарыстоўваць толькі для вырашэння некаторых тыпаў праблем, але не для іншых.

Каб ускладніць пытанні, немагчыма даведацца па прадукцыйнасці кампутара, што гэта квантавы кампутар. Замест гэтага можа быць вельмі эфектыўны традыцыйны кампутар. Google і Lidar (якія не працуюць у Google) выкарыстоўваюць аналагічны падыход да D-Wave; аднак розніца заключаецца ў тым, што яны імкнуцца кантраляваць, як кубіты ўплываюць адзін на аднаго. З гэтага яны спадзяюцца даказаць, што такі падыход вядзе да квантавага кампутара.

Праблема, якая шукае квантавае рашэнне

Большасць людзей, калі яны ведаюць пра квантавыя кампутары, звязваюць іх з парушэннем шыфравання. Сучасная крыптаграфія абапіраецца на тое, што вельмі цяжка знайсці простыя фактары вельмі вялікай колькасці.

Хутчэй за ўсё, практычны квантавы кампутар пакладзе канец гэтаму. Але ёсць і менш злавесныя дадаткі.

Самая хвалюючая ў стадыі распрацоўкі - выкарыстанне квантавых кампутараў для вырашэння задач квантавай механікі. Гэта дадатак, якое, верагодна, зменіць свет.

Квантавая механіка апісвае ўласцівасці матэрыялаў: ад бавоўны ў вашай вопратцы да фотасінтэзу ў раслінах. Нават з самымі магутнымі традыцыйнымі кампутарамі, немагчыма вылічыць ўласцівасці любой малекулы, якая змяшчае больш за 30 атамаў. Замест гэтага мы прымаем цэтлікі, якія не заўсёды працуюць вельмі добра.

Квантны кампутар можа быць значна больш дакладным, таму мы можам мець значна больш упэўненасці ў гэтым разліках. Навукоўцы могуць уявіць сабе значна больш дзіўныя ўласцівасці, як матэрыялы, якія астываюць пры ўздзеянні сонечных прамянёў, а потым выкарыстоўваюць квантавы камп'ютэр для вызначэння патрэбнай структуры. І замежныя ўласцівасці, якія сапраўды немагчымыя, могуць быць ліквідаваны хутчэй.

Наколькі мы блізкія?

Квантовыя кампутары з'явіліся тэарэтычна з першымі дэманстрацыямі ў 1990-х. Тым не менш, вашыя сакрэты ў бяспецы, і вы не знойдзеце квантовага кампутара, які робіць казныя рэчы на ​​свой банкаўскі рахунак. Даследчыкі, такія як Лідар, яшчэ не чакаюць практычнага квантавага кампутара.

Лідар кажа, што са 100 кубітамі ў свеце, дзе няма неабходнасці ў выпраўленні квантовых памылак, "мы маглі б пачаць мадэляванне квантовых сістэм з выкарыстаннем квантавых камп'ютараў у маштабе, які пераўзыходзіць магчымае з самымі магутнымі класічнымі кампутарамі".

Але ў даследчыкаў ёсць назва, якая выклікае трывогу, квантавую перавагу. Нягледзячы на ​​сваю грандыёзную назву, квантовая панаванне проста паказвае, што любая праблема, якая перавышае магчымасці традыцыйнага кампутара, нават тая, якая не мае практычнай каштоўнасці, можа быць вырашана на квантавым кампутары.

Дэманстрацыя таго, што квантавыя кампутары могуць выконваць так, як прагназавана, - важны крок, і ніхто не будзе абсалютна ўпэўнены, што адбудзецца. Але толькі тады мы можам верыць у тое, што будучыя квантавыя кампутары могуць выканаць свае абяцанні.

Лідар чакае, што ў бліжэйшыя 12 месяцаў з'явіцца кампутар, які павінен быць здольны дасягнуць квантовага панавання. У прыватнасці, Google, здаецца, імкнецца дасягнуць квантовага панавання як мага хутчэй, у той час як IBM прымае больш асцярожны падыход.

Пасля гэтага нас чакае мутнае, але захапляльнае будучыню.