Як працює квантові обчислення?

Квантові обчислення просто звучать здорово. Ми всі читаємо про масові інвестиції в її реалізацію та про її обіцянку проривів у багатьох галузях. Але все, що преса, як правило, не вистачає того, що це таке і як вона працює. Це є причиною: квантові обчислення досить відрізняються від традиційних цифрових обчислень і вимагають мислення про речі неінтуїтивно. О, і є математика. Багато це.

Ця стаття не зробить вас експертом, але вона повинна допомогти вам зрозуміти, що таке квантові обчислення, чому це важливо, і чому це так цікаво. Якщо ви вже маєте досвід роботи з квантовою механікою та математикою, вам, мабуть, не потрібно читати цю статтю. Ви можете перейти прямо до книги, як A Gentle Introduction to Quantum Computing (натяк, “ніжний” є відносним терміном). Але якщо ви, як більшість з нас, і не маєте цього фону, давайте зробимо все можливе, щоб демістифікувати одну з найбільш містичних тем у обчислювальній техніці.

Концепції квантових обчислень

У кількох коротких пунктах наведено основні відомості, які ми розглянемо більш детально в цій статті: Комп'ютери Quantum використовують кубіти замість традиційних бітів (двійкові розряди). Кубіти відрізняються від традиційних бітів, тому що, поки вони не зчитуються (тобто вимірюються), вони можуть існувати в невизначеному стані, де ми не можемо визначити, чи будуть вони виміряні як 0 або 1. суперпозиція.

Суперпозиція робить кубіти цікавими, але їхня справжня наддержава - це заплутаність. Заплутані кубіти можуть миттєво взаємодіяти. Щоб зробити функціональні кубіти, квантові комп'ютери повинні охолоджуватися до майже абсолютного нуля. Навіть при переохолодженні кубіти не зберігають своє заплутане стан (когерентність) дуже довго.

Це робить програмування їх надзвичайно складним. Квантові комп'ютери запрограмовані з використанням послідовностей логічних воріт різних видів, але програми повинні працювати досить швидко, щоб кубіти не втрачали когерентності, перш ніж вони були виміряні. Для тих, хто взяв клас логіки або цифровий контур з використанням тригерів, ворота квантової логіки здадуться дещо знайомими, хоча самі квантові комп'ютери по суті є аналогами. Однак поєднання суперпозиції і заплутаності робить процес в сто разів більш заплутаним.

Кубіти і суперпозиція

Звичайні біти, які ми використовуємо в типових цифрових комп'ютерах, або 0, або 1. Ви можете читати їх, коли захочете, і якщо не буде недоліків в апаратному забезпеченні, вони не зміняться. Кубіти не такі. Вони мають ймовірність бути 0 і ймовірність бути 1, але до тих пір, поки ви їх виміряти, вони можуть бути в невизначеному стані. Такий стан, разом з деякою іншою інформацією про стан, що дозволяє додаткову обчислювальну складність, може бути описаний як такий, що знаходиться в довільній точці сфери (радіуса 1), що відображає ймовірність вимірювання як 0 або 1 (які північного і південного полюсів).

Qubits зазвичай починають життя в 0, хоча вони часто переходять у невизначене стан за допомогою ворота Адамара, що призводить до кубіту, який буде зчитуватися як 0 половина часу і 1 друга половина. Інші ворота доступні для перегортання стану кубіту різними кількостями і напрямками - як відносно осей 0 і 1, так і третьої осі, що представляє фазу, і надає додаткові можливості для представлення інформації. Конкретні операції та ворота, які доступні, залежать від квантового комп'ютера та інструментарію, який ви використовуєте.

Заплутаність: де діє

Ви можете почати бачити, наскільки потужним може бути порівняння з традиційним комп'ютером, який повинен читати і записувати з кожного елемента пам'яті окремо, перш ніж працювати на ньому. Як наслідок, існує кілька великих потенційних вигод від заплутаності. По-перше, це величезне збільшення складності програмування, яке може бути виконане, принаймні для певних типів проблем. Одним з них, що створює багато хвилювання, є моделювання складних молекул і матеріалів, які дуже складно моделювати класичними комп'ютерами. Іншими можуть бути інновації в безпечних комунікаціях на далекі відстані - якщо і коли стане можливим зберегти квантовий стан на великих відстанях. Програмування з використанням заплутаності зазвичай починається з C-NOT-воріт, який перевертає стан заплутаної частки, якщо її партнер зчитується як 1. Це подібно до традиційного XOR-воріт, за винятком того, що він працює тільки, коли проводиться вимірювання .

Квантові алгоритми змінять криптографію

Суперпозиція і заплутаність є вражаючими фізичними явищами, але використання їх для виконання обчислень вимагає зовсім іншої моделі мислення і програмування. Ви не можете просто кинути свій код С на квантовий комп'ютер і очікувати, що він запуститься, і, звичайно, не працювати швидше. На щастя, математики і фізики тут набагато випереджають комп'ютерних будівельників, розробили розумні алгоритми, які використовують переваги квантових комп'ютерів десятиліть до появи машин.

Деякі з перших квантових алгоритмів, створених, і чесно кажучи, деякі з небагатьох корисних, які ви знайшли, що ви можете зрозуміти без випускника з математики, призначені для безпечного розподілу ключів. Ці алгоритми використовують властивість заплутаності, щоб дозволити розробнику ключа надіслати одержувачу одну з кожної з багатьох пар кубітів. Повне пояснення є досить тривалим, але алгоритми покладаються на той факт, що якщо хтось перехоплює і зчитує один з заплутаних бітів на шляху, то супровідний кубіт у відправника буде зачеплений. Пропускаючи деяку статистику вперед і назад, відправник і одержувач можуть з'ясувати, чи був ключ надійно переданий, або був зламаний на цьому шляху.

Можливо, ви прочитали, що квантові комп'ютери одного дня можуть зламати більшість сучасних систем криптографії. Вони зможуть це зробити, тому що є деякі дуже розумні алгоритми, розроблені для роботи на квантових комп'ютерах, які можуть вирішити складну математичну задачу, яка, у свою чергу, може бути використана для визначення великих чисел. Один з найвідоміших - це алгоритм факторингу Шора. Складність факторингу великих чисел має важливе значення для безпеки всіх систем державно-приватних ключів, які сьогодні найчастіше використовуються. Сучасні квантові комп'ютери не мають майже достатньої кількості кубітів для виконання цього завдання, але різні експерти передбачають, що вони будуть виконуватися протягом наступних 3-8 років. Це призводить до деяких потенційно небезпечних ситуацій, наприклад, якщо тільки уряди і надбагаті мають доступ до надширокого шифрування, наданого квантовими комп'ютерами.

Чому будівництво квантових комп'ютерів важке

Є багато причин, за якими квантові комп'ютери займають багато часу, щоб розвиватися. По-перше, потрібно знайти спосіб ізолювати і керувати фізичним об'єктом, який реалізує кубіт. Це також вимагає охолодження до істотно нульового (як у .015 градусів Кельвіна, у випадку з IBM Quantum One). Навіть при такій низькій температурі кубіти є дуже стабільними (зберігаючи когерентність) протягом дуже короткого часу. Це значно обмежує гнучкість програмістів у тому, скільки операцій вони можуть виконувати, перш ніж потрібно прочитати результат.

Не тільки програми повинні бути обмежені, але вони повинні бути запущені багато разів, так як поточні реалізації кубіту мають високу частоту помилок. Крім того, неможливо виконати заплутаність апаратно. У багатьох конструкціях лише деякі кубіти заплутані, тому компілятор повинен бути достатньо розумним, щоб поміняти біти навколо, щоб допомогти імітувати систему, де всі біти потенційно можуть бути заплутані.

Початок роботи з квантовими обчисленнями

Одне з найкращих місць для початку - це QISKit від IBM, безкоштовний квантовий інструментарій з IBM Q Research, який включає візуальний композитор, симулятор і доступ до фактичного IBM-квантового комп'ютера після того, як ваш код працює на симуляторі. Компанія Rigetti Quantum Computing також опублікувала легке інтро-додаток, яке спирається на їхній інструментарій і може працювати на своїх машинах у хмарі.

На жаль, тривіальні програми такі: тривіальні. Тому просто слідуючи разом з кодом у кожному прикладі, це не допоможе вам освоїти тонкощі більш складних квантових алгоритмів. Це набагато складніше завдання.

Завдяки William Poole та Сью Gemmell для їхнього вдумливого введення.

Крім того, ознайомтеся з нашою серією wfoojjaec Explains для більш глибокого висвітлення найактуальніших тематичних питань сьогоднішнього дня.

Найпопулярніші зображення кредитування: IBM