Как работают квантовые вычисления?

Квантовые вычисления просто звучат круто. Мы все читали о масштабных инвестициях в его реализацию и об обещаниях прорывов во многих отраслях. Но вся эта пресса обычно коротка о том, что это такое и как это работает. Это по причине: Квантовые вычисления весьма отличаются от традиционных цифровых вычислений и требуют неординарного подхода к вещам. Ох, и есть математика. Многое из этого.

Эта статья не сделает вас экспертом, но она должна помочь вам понять, что такое квантовые вычисления, почему это важно и почему это так увлекательно. Если у вас уже есть опыт работы в области квантовой механики и математики в аспирантуре, вам, вероятно, не нужно читать эту статью. Вы можете сразу перейти к книге, подобной «Нежному введению в квантовые вычисления» (намек, «нежный» - относительный термин). Но если вы похожи на большинство из нас и у вас нет такого опыта, давайте сделаем все возможное, чтобы демистифицировать одну из самых мистических тем в вычислительной технике.

Концепции квантовых вычислений

В нескольких коротких параграфах приведены основы, которые мы рассмотрим более подробно в этой статье: Квантовые компьютеры используют кубиты вместо традиционных битов (двоичные цифры). Кубиты отличаются от традиционных битов, потому что до тех пор, пока они не будут считаны (что означает измерение), они могут существовать в неопределенном состоянии, где мы не можем сказать, будут ли они измерены как 0 или 1. Это из-за уникального свойства, называемого суперпозиция.

Суперпозиция делает кубиты интересными, но их настоящая сверхдержава - запутанность. Запутанные кубиты могут взаимодействовать мгновенно. Для создания функциональных кубитов квантовые компьютеры должны быть охлаждены почти до абсолютного нуля. Даже будучи переохлажденными, кубиты не сохраняют свое запутанное состояние (согласованность) очень долго.

Это делает программирование их более сложным. Квантовые компьютеры программируются с использованием последовательностей логических элементов различного типа, но программы должны запускаться достаточно быстро, чтобы кубиты не теряли когерентность, прежде чем их измерять. Для тех, кто взял класс логики или проектирование цифровых схем с использованием триггеров, квантовые логические элементы покажутся вам знакомыми, хотя сами квантовые компьютеры по сути являются аналоговыми. Тем не менее, сочетание суперпозиции и запутывания делает процесс примерно в сто раз более запутанным.

Кубиты и Суперпозиция

Обычные биты, которые мы используем в типичных цифровых компьютерах, равны 0 или 1. Вы можете прочитать их, когда захотите, и, если в оборудовании нет недостатка, они не изменятся. Кубиты не такие. У них есть вероятность быть 0 и вероятность быть 1, но пока вы не измеряете их, они могут находиться в неопределенном состоянии. Это состояние, наряду с некоторой другой информацией о состоянии, которая допускает дополнительную вычислительную сложность, может быть описано как находящееся в произвольной точке на сфере (с радиусом 1), которая отражает вероятность того, что она будет измерена как 0 или 1 (которые являются северный и южный полюсы).

Кубиты обычно начинают жизнь с 0, хотя они часто затем переводятся в неопределенное состояние с использованием Ворот Адамара, что приводит к кубиту, который будет считываться как 0 половину времени, а 1 - как другая половина. Другие ворота доступны для изменения состояния кубита с помощью различных величин и направлений - как относительно осей 0 и 1, так и третьей оси, которая представляет фазу, и предоставляет дополнительные возможности для представления информации. Конкретные доступные операции и вентили зависят от используемого вами квантового компьютера и инструментария.

Запутанность: где действие

Вы можете начать видеть, насколько мощным он может быть по сравнению с традиционным компьютером, которому нужно читать и записывать каждый элемент памяти отдельно, прежде чем работать на нем. В результате есть много больших потенциальных выгод от запутывания. Первый - это огромное увеличение сложности программирования, которое может быть выполнено, по крайней мере, для определенных типов задач. Тот, который вызывает большое волнение, - это моделирование сложных молекул и материалов, которые очень трудно симулировать с помощью классических компьютеров. Другим примером могут быть инновации в безопасных коммуникациях на большие расстояния - если и когда станет возможным сохранить квантовое состояние на больших расстояниях. Программирование с использованием запутывания обычно начинается с логического элемента C-NOT, который переворачивает состояние запутанной частицы, если его партнер считывается как 1. Это похоже на традиционный гейтовый код XOR, за исключением того, что он работает только при выполнении измерения. ,

Квантовые алгоритмы изменят криптографию

Суперпозиция и запутанность являются впечатляющими физическими явлениями, но использование их для выполнения вычислений требует совершенно другого мышления и модели программирования. Вы не можете просто выбросить свой код C на квантовый компьютер и ожидать, что он будет работать, и, конечно, не работать быстрее. К счастью, математики и физики намного опережают производителей компьютеров здесь, разработав умные алгоритмы, которые используют преимущества квантовых компьютеров за десятилетия до того, как машины начали появляться.

Некоторые из первых квантовых алгоритмов, созданных, и, честно говоря, некоторые из немногих полезных, которые я обнаружил, что вы можете понять, не имея диплома по математике, предназначены для безопасного распределения криптографических ключей. Эти алгоритмы используют свойство запутывания, чтобы позволить создателю ключа отправить одну из каждой из множества пар кубитов получателю. Полное объяснение довольно длинное, но алгоритмы основаны на том факте, что, если кто-либо перехватит и прочитает один из запутанных битов в пути, будет затронут сопутствующий кубит в отправителе. Передавая некоторую статистику назад и вперед, отправитель и получатель могут выяснить, был ли ключ передан надежно или взломан в пути.

Возможно, вы читали, что квантовые компьютеры однажды могут сломать большинство современных систем криптографии. Они смогут сделать это, потому что есть некоторые очень умные алгоритмы, разработанные для квантовых компьютеров, которые могут решить сложную математическую задачу, которая, в свою очередь, может использоваться для вычисления очень больших чисел. Одним из самых известных является алгоритм факторинга Шора. Сложность факторизации больших количеств важна для обеспечения безопасности всех систем открытых и закрытых ключей, которые сегодня наиболее широко используются. На современных квантовых компьютерах почти нет кубитов, чтобы выполнить задачу, но различные эксперты предсказывают, что они появятся в течение следующих 3-8 лет. Это приводит к некоторым потенциально опасным ситуациям, например, если бы только правительства и сверхбогатые имели доступ к ультра-безопасному шифрованию, предоставляемому квантовыми компьютерами.

Почему строить квантовые компьютеры сложно

Есть много причин, по которым квантовым компьютерам требуется много времени для разработки. Для начала вам нужно найти способ изолировать и контролировать физический объект, который реализует кубит. Это также требует его охлаждения практически до нуля (как в 0,015 градусах Кельвина, в случае IBM Quantum One). Даже при такой низкой температуре кубиты стабильны (сохраняют когерентность) в течение очень короткого времени. Это значительно ограничивает гибкость программистов в том, сколько операций они могут выполнить, прежде чем им нужно будет считывать результат.

Мало того, что программы должны быть ограничены, они должны запускаться много раз, так как текущие реализации кубитов имеют высокую частоту появления ошибок. Кроме того, запутывание нелегко реализовать в оборудовании. Во многих проектах только некоторые кубиты запутаны, поэтому компилятор должен быть достаточно умен, чтобы обмениваться битами по мере необходимости, чтобы помочь имитировать систему, в которой все биты потенциально могут быть запутаны.

Начало работы с квантовыми вычислениями

Лучше всего начать с IBM QISKit, бесплатного квантового инструментария от IBM Q Research, который включает в себя визуальный композитор, симулятор и доступ к реальному квантовому компьютеру IBM после того, как ваш код запущен на симуляторе. Rigetti Quantum Computing также опубликовала простое вступительное приложение, которое опирается на их инструментарий и может быть запущено на их машинах в облаке.

К сожалению, тривиальные приложения просто тривиальны. Таким образом, простое следование вместе с кодом в каждом примере не поможет вам освоить тонкости более сложных квантовых алгоритмов. Это гораздо сложнее.

Спасибо Уильяму Пулу и Сью Джеммелл за их вдумчивый вклад.

Кроме того, ознакомьтесь с нашей серией статей wfoojjaec Explains для более глубокого освещения самых актуальных современных технических тем.

Топ кредит изображения: IBM

Читать далее

IBM обещает в 2021 году ускорение квантовых вычислений в 100 раз

Intel планирует в этом году ускорить квантовые рабочие нагрузки до 100 раз благодаря новым программным инструментам и улучшенной поддержке классических и квантовых рабочих нагрузок.

Google стремится сделать квантовые вычисления жизнеспособными к 2029 году

Google включен на следующий Moonshot с Quantum Ai Campus, где он надеется создать полезный, исправленный ошибками квантовой компьютер в течение следующего десятилетия. Десять лет могут звучать как долгое время, но это не будет легко взломать квантовые вычисления.

Квантовые вычисления скоро могут помочь защитить энергосистему

Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но обещают решить одну из самых сложных задач в криптографии - безопасный обмен ключами. Две национальные лаборатории начали демонстрировать, как это может помочь обезопасить энергосистему США от хакеров.

Вы можете начать новую карьеру в облачных вычислениях с этим обучением

Получите навыки и сертификаты, необходимые для успеха в облачном мире, с комплектом сертификации Essential Microsoft Azure всего за $ 29,99 - скидка более 95% в течение ограниченного времени.