Квантовыя вылічэнні: яго вар'ят

(абсалютна неактуальны вобраз, які выглядае крута, каб прыцягнуць увагу)

Мы чуем пра квантавыя вылічэнні ўжо даволі даўно, але ў чым шуміхі. Квантовыя кампутары нашмат хутчэй, чым класічныя кампутары (прылада, якую вы чытаеце гэты пост), і таму яны стануць устарэлымі?

Не, я не думаю. Квантовы працэсар ператворыцца ў своеасаблівы сапрацэсар, які будзе знаходзіцца побач з звычайным працэсарам, каб дапамагчы яму ў выкананні задач, якія карыстаюцца перавагамі квантавага паралелізму. Такім чынам, давайце разбярэмся з гэтым, так што квантавыя кампутары ва ўсіх выпадках не хутчэй, чым класічныя? Не, яны не.

Такім чынам, што такое квантовы паралелізм і як можа выкарыстоўваць яго квантавы кампутар? Каб ведаць, як квантавы кампутар выкарыстоўвае перавагі квантавага паралелізму, мы павінны спачатку ведаць, як класічны кампутар вырашае праблему.

Дапусцім, у нас такі лабірынт

(лабірынт)

Як класічны кампутар вырашае гэтае рашэнне (спрошчана)

  • Выберыце пачатковы маршрут
  • Паспрабуйце рухацца налева, направа ці наперад (а не назад)
  • Праверце, вы знаходзіцеся па-за лабірынтам
  • Калі вы не за межамі, паўтарыце крок 1
  • Калі адзіны спосаб рухацца назад, вы трапіце ў пастку.
  • Адзначце маршрут як несапраўдны і паўтарайце крокі з самага пачатку, пазбягаючы прыступак, якія прыводзяць да несапраўдных маршрутаў.
  • У рэшце рэшт, мы абярэм правільны маршрут, правёўшы шлях праз кожнае рашэнне

Гэта вельмі адымае шмат часу. Адзін са спосабаў замацаваць гэты працэс - выкарыстанне некалькіх ядраў працэсара, каб адначасова правяраць некалькі маршрутаў адначасова, дазваляючы лінейны маштаб прапарцыянальна адсутнасці ядраў працэсара. Але максімальная хуткасць, якую вы можаце мець, залежыць ад адсутнасці ядраў працэсара. у вас у большасці выпадкаў звычайна каля 4-16.

Вы можаце паспрабаваць выкарыстаць GPU, які мае 1000–4000 ядраў, каб адначасова праверыць 4000 маршрутаў, каб дасягнуць значна лепшай speedup.but, калі ў вас ёсць мільён магчымых маршрутаў, нармальным працэсарам становіцца вельмі цяжка вырашыць лабірынт, як гэта залежыць. няма ядраў для паскарэння. Так як квантавы працэсар вырашыць лабірынт?

Гэта вельмі просты квантавы працэсар, не абмяжоўваецца колькасцю ядраў, ён можа скарыстацца квантавым паралелізмам, каб праверыць кожны маршрут за адзін раз. Гэта гучыць вар'ятам. Як гэта робіць квантавы кампутар, як ён можа праверыць некалькі маршрутаў адначасова? час? Гэта робіцца, выкарыстоўваючы суперпазіцыю.

Кубіты: квантавы эквівалент правільных біт

Нармальныя кампутары робяць вылічэнні, выкарыстоўваючы біты, якія могуць захоўваць два унікальных стану альбо 0, альбо 1, але квантавыя кампутары выкарыстоўваюць кубіты, якія могуць быць 0 і 1 адначасова, так?

Класічны біт супраць Qubit

Большасць з нас, магчыма, даведалася, што вельмі маленькія адзінкі матэрыі (электрон) праяўляюць ўласцівасці абедзвюх хвалевых рэчываў, якія ўяўляюць сабой два розных стану. Яны добра праяўляюць ўласцівасці хвалі і матэрыі адначасова, таму яны літаральна існуюць адначасова ў двух розных станах. Квантовы біт таксама выкарыстоўвае суперпазіцыю і можа быць 1,0 і суперпазіцыі 1 і 0.

У класічных бітах высокае напружанне паказвае на 1, а нізкае напружанне - на нуль, што дазваляе вымераць розныя стану. У кубітах, як можна вымераць стан суперпазіцыі?

Супазіцыі: "Значыць, вы адначасова мёртвыя і жывыя?"

Ну суперпазіцыі - гэта стан перад вымярэннем, і няма лепшага спосабу растлумачыць гэта, чым выкарыстанне "спрошчанай" версіі думкі эксперыменту Шродынгера. Шродынгер замкнуў свайго ката ў металічную скрынку з радыеактыўным атамам. Цяпер ёсць шанец 50-50 што атам можа падвергнуцца радыеактыўнаму распаду, і кошка пасля смерці ад радыяцыйнага атручвання альбо атам не падвяргаецца распаду, і котка жыве, каб распавесці казку. Мы можам толькі даведацца, жыве кот ці жывы, калі мы адкрываем скрыню, але як там гэта роўная верагоднасць таго, што котка загінула ці жывая, калі скрынка не адчынена, мы кажам, што котка адначасова і мёртвая, і жывая (накладанне), калі скрынка не адчыняецца, і пры адкрыцці скрынкі трансфармуецца ў мёртвую ці жывую , гэта значыць, калі вы адкрылі скрынку і знайшлі котку мёртвай, яна раней не была мёртвай, але памерла ў той момант, калі вы адкрылі акно для вымярэння вынікаў эксперыменту. Па сутнасці, вы забілі ката, калі вы адкрылі скрынку :(. Давайце пераматаць назад і падумайце, што толькі што адбылося тут.

Кубіты выкарыстоўваюць стан суперпазіцыі для дасягнення квантавага паралелізму. Яшчэ адзін прыклад, які дапаможа ўсвядоміць паняцце, - гэта эксперымент падкідвання манет. Выкажам здагадку, што вы кідаеце манету, магчымы вынік - альбо галава, альбо хвост (0 і 1), калі вы кідаеце манету, ёсць аднолькавая верагоднасць таго, што канчатковым стане можа быць альбо галава, альбо хвост, што прыводзіць да стану суперпазіцыі. Калі манета нарэшце прызямліцца ў вашай руцэ ў гэты момант, мы выціскаем манету з стану суперпазіцыі на розныя адзін (альбо галава, альбо хвост). Калі вы атрымліваеце галаву ў гэтым свеце, ёсць паралельны свет, у якім зыход манеты быў хвастом. Квантовы кампутар можа выкарыстоўваць гэтую канцэпцыю паралельнага свету для вылічэння ўсіх магчымых станаў вынікаў за адну адзіную вылічэнне. Гэта, як мы выкарыстоўвайце квантавы паралелізм для вырашэння праблем. Гэта калі класічны кампутар можа выкарыстаць адзін біт, каб прадставіць адзін стан. . . . . . (0 або 1) падчас кубіт можа прадстаўляць 2 стану (або 0, і 1). Як квантовая кампутарная шкала з колькасцю кубітаў даволі займальная. Калі ёсць 3 класічныя біты, якія выкарыстоўваюцца для пазначэння не, яны могуць прадстаўляць толькі адзін стан, напрыклад (000,001,010,111) і г.д., але 3 кубіта могуць прадстаўляць 8 усе магчымыя станы адначасова з выкарыстаннем суперпазіцыі (qqq, у якой кожны q можа быць альбо 0, альбо 1), таму для класічных камп'ютэраў 8 вылічэнняў займае ў кубіта толькі 1 вылічэнне. Калі няма кубітаў, павялічваюцца дадзеныя, якія квантавы кампутар павялічваецца ў экспаненцыяльнай меры, 2 ^ n, дзе n - колькасць qubits.so, з якім кожны кубіт павялічвае магутнасць квантавага кампутара для апрацоўкі дадзеных у два разы, зараз мы назіраем павелічэнне на 10–12 кубітаў кожны год, што прыводзіць да паскарэння велічынёй 1024 -4096 чым квантовы кампутар, які быў выраблены пазалетась, што з'яўляецца гіганцкім у параўнанні з пікавым павелічэннем хуткасці, прадказаным законам Мура для працэсараў.

Квантовае заблытанне: "сіла кахання хутчэй, чым святло"

Яшчэ адно з'ява, якое мы выкарыстоўваем у квантавых кампутарах, - гэта заблытанасць. Калі мы возьмем 2 электроны і заблытаем іх, то яны будуць звязаны паміж сабой, калі паспрабаваць унесці змены ў адзін, гэта імгненна адаб'ецца на іншым электроне. Выкажам здагадку, што мы бярэм 2 электроны і заблытаемся, выкарыстоўваючы затвор з зашнуроўкай, і ставім іх у стан суперпазіцыі і вязем іх да канцоў сусвету. Цяпер абодва электрона маюць аднолькавую верагоднасць апынуцца ў гадзіннікавай стрэлцы ці супраць гадзіннікавай стрэлкі. мы вымяраем электрон і знаходзім яго спін, гэта дзеянне імгненна змяняе спін іншага заблытанага электрона ў процілеглы бок. Гэта імгненнае дзеянне хутчэй, чым хуткасць святла, але Эйнштэйн прадказаў, што нічога не можа рухацца хутчэй, чым святло. Такім чынам, ён назваў гэта жудаснае дзеянне на адлегласці.

(жахліва)

Такім чынам, вы можаце падумаць: "Гэтая тэхналогія квантавых вылічэнняў здаецца настолькі футурыстычнай, што няма магчымасці выкарыстоўваць квантавы камп'ютэр у любы час гэтага дзесяцігоддзя." Не, вы не маеце рацыю, вы можаце зараз выкарыстоўваць квантавы кампутар. кампутар павазіцца з 5 кубітамі, як цяпер

Рэальнае прымяненне квантавых кампутараў заключаецца ў мадэляванні бялку і ўзломванні encryption. Ключ да шыфравання заключаецца ў тым, што простыя каэфіцыенты вельмі вялікай колькасці практычна невырашальныя. Вы можаце ствараць лік з простых каэфіцыентаў, памножаючы іх, але вы не можаце генераваць простыя фактары. назад з ліку. Спробы вырашэння гэтага былі шляхам жорсткага прымусу ўсіх магчымых камбінацый па адной, якія могуць заняць больш часу, чым узрост сусвету. Але прыход квантавых кампутараў змяняе гульню, квантавыя кампутары могуць прайсці ўсе рашэнні адразу, выкарыстоўваючы квантавы паралелізм, робячы ўсе сучасныя шыфраванні бескарыснымі. Але не варта хвалявацца пасля прыходу квантавых кампутараў, там будзе крыптаграфія пад назвай постквантная крыптаграфія, якая практычна не паддаецца нават квантовым камп'ютэрам.

Новыя прыкладанні квантавых кампутараў сустракаюцца кожны дзень, і IBM прадказвае, што квантавыя кампутары пяройдуць у асноўны лік на працягу 5 гадоў, і, здаецца, няма лепшага часу, каб увайсці ў квантавыя вылічэнні, чым зараз. Такім чынам, а не чакаць прыходу вашага квантовага MacBook, паспрабаваць яго на Вопыт IBM Q