Квантове обчислення: його божевільне

(абсолютно нерелевантний образ, який виглядає круто, щоб привернути увагу)

Ми чуємо про квантові обчислення вже досить давно, але в чому полягає галас. Квантові комп'ютери набагато швидше, ніж класичні комп’ютери (пристрій, який ви використовуєте для читання цієї публікації), тож вони стануть застарілими нинішніми комп'ютерами?

Ні, я не думаю, що так. Квантовий процесор перетворився б на свого роду співпроцесор, який буде розташований поруч із звичайним процесором, щоб допомогти йому у виконанні завдань, які використовують переваги квантового паралелізму. Тож давайте перейдемо до справи, тож квантові комп'ютери у всіх випадках не швидші, ніж класичні комп’ютери? Ні, вони ні.

Отже, що таке квантовий паралелізм і як може використовувати його квантовий комп'ютер. Щоб знати, як квантовий комп’ютер використовує переваги квантового паралелізму, ми повинні спершу знати, як класичний комп'ютер вирішує проблему.

Припустимо, у нас такий лабіринт

(лабіринт)

Як класичний комп'ютер вирішує це рішення (спрощено)

  • Виберіть початковий маршрут
  • Спробуйте рухатися вліво, вправо або вперед (не назад)
  • Перевірте, чи ви за межами лабіринту
  • Якщо ви не знаходитесь поза межами, повторіть крок 1
  • Якщо єдиний спосіб рухатися назад, ви потрапляєте в пастку.
  • Позначте маршрут як недійсний і повторіть кроки з початку, уникаючи кроків, які призводять до недійсних маршрутів.
  • Зрештою, ми оберемо правильний маршрут, жорстоко пробиваючись через кожне рішення

Це дуже забирає багато часу. Один із способів прискорити цей процес - за допомогою декількох ядер процесора одночасно перевіряти декілька маршрутів одночасно, дозволяючи лінійне масштабування пропорційне ні ядер CPU. Але максимальна швидкість, яку ви можете мати, залежить від відсутності ядер CPU у вас, як правило, в більшості випадків близько 4-16.

Ви можете спробувати використовувати GPU, який має 1000–4000 ядер, щоб перевірити 4000 маршрутів одночасно, щоб досягти значно кращої швидкості. Але що, якщо у вас є мільйон можливих маршрутів, нормальним процесорам стає дуже важко вирішувати лабіринт, як це залежить від кількість ядер для прискорення. То як квантовий процесор вирішить лабіринт?

Дуже простий квантовий процесор не обмежений ні ядром, він може скористатися квантовим паралелізмом, щоб перевірити кожен маршрут за один раз. Це звучить божевільно. Як це робить квантовий комп'ютер, як він може перевіряти кілька маршрутів одночасно час? Це робиться, використовуючи суперпозицію.

Кубіти: квантовий еквівалент регулярних бітів

Звичайні комп’ютери проводять обчислення за допомогою бітів, які можуть зберігати два унікальних стану або 0, або 1, але квантові комп'ютери використовують кубіти, які можуть бути одночасно 0 і 1, так?

Класичний біт проти Кубіта

Більшість з нас, можливо, дізналися, що дуже малі одиниці речовини (електрона) виявляють властивості обох хвильових речовин, які є двома різними станами. Вони добре демонструють властивості хвилі та матерії одночасно, тому вони буквально існують у двох різних станах одночасно. Квантовий біт також використовує суперпозицію і може бути 1,0 і суперпозиція 1 і 0.

У класичних бітах висока напруга вказує на 1, а низька напруга вказує на нуль, що дозволяє вимірювати різні стани. У кубітах як можна виміряти стан суперпозиції?

Суперпозиція: "значить, ви одночасно мертві і живі?"

Ну суперпозиція - це стан перед вимірюванням, і немає кращого способу пояснити це, ніж за допомогою «спрощеної» версії думкового експерименту Шрьодінгера. Шродиндер зафіксував свого кота в металевій коробці з радіоактивним атомом. Тепер є шанс 50–50. що атом може зазнати радіоактивного розпаду, а кішка згодом помер від радіаційного отруєння або атом не зазнає дезінтеграції, і кішка живе, щоб розповісти казку. Ми можемо знати лише, чи кішка мертва чи жива, коли ми відкриваємо коробку, але як там є рівною ймовірністю того, що кішка мертва або жива, коли ящик не відкритий, ми говоримо, що кішка і мертва, і жива (суперпозиція), коли коробка не відкривається і перетворюється на мертву чи живу, коли ви відкриваєте коробку , тобто якщо ви відкрили коробку і знайшли кішку мертвою, вона раніше не була мертвою, а померла, як тільки ви відкрили скриньку для вимірювання результату експерименту. По суті, ви вбили кота, коли ви відкрили коробку :(. Давайте перемотатися назад і подумайте, що саме тут сталося

Кубіти використовують стан суперпозиції для досягнення квантового паралелізму. Ще один приклад, який допоможе зрозуміти концепцію, - це експеримент підкидання монети. Припустимо, ви кинете монету, можливий результат - це голова або хвіст (0 і 1), коли Ви кидаєте монету, однакова ймовірність того, що остаточний стан може бути або головою, або хвостом, що призводить до суперпозиції. Коли монета нарешті приземлиться у вашій руці в цей момент, ми витісняємо монету із стану суперпозиції один (або голова, або хвіст). Коли ви отримуєте голову в цьому світі, виникає паралельний світ, у якому результат монети був хвостиком. Квантовий комп'ютер може використовувати цю концепцію паралельного світу для обчислення всіх можливих станів результату за один єдиний обчислення. Це, як ми використовуйте квантовий паралелізм для вирішення завдань. Це якщо класичний комп'ютер може використовувати один біт для представлення одного стану. . . . . . (0 або 1) під час кубіт може представляти 2 стани (і 0, і 1). Як квантовий комп'ютерний масштаб з кількістю кубітів є досить захоплюючим. Якщо є 3 класичні біти, які використовуються для позначення "ні", вони можуть представляти лише один стан, наприклад (000,001,010,111) тощо, але час, але 3 кубіт може представляти 8 всі можливі стани одночасно з використанням суперпозиції (qqq, в якій кожен q може бути або 0, або 1), тому що для класичних комп'ютерів 8 обчислень займає кубіт лише 1 обчислення. Коли кількість кубітів збільшує дані, які квантовий комп'ютер збільшується в експоненціальній формі 2 ^ n де n - кількість кубітів. Тому кожен кубіт збільшує здатність квантового комп'ютера для обробки даних подвоюватися, ми зараз спостерігаємо збільшення на 10–12 кубіт щороку, що означає швидкість величини 1024 -4096 ніж квантовий комп'ютер, який був випущений за рік до цього, який є гігантським порівняно з піковим збільшенням швидкості, передбаченим законом Мура для процесорів.

Квантове заплутування: "сила любові швидша за світло"

Ще одне явище, яке ми використовуємо у квантових комп'ютерах - це заплутаність. Якщо ми беремо 2 електрони і заплутуємо їх, то вони пов'язані між собою, якщо ми спробуємо внести зміни в один, це миттєво вплине на інший електрон. Припустимо, ми беремо 2 електрони і заплутуємося потім, використовуючи ворота з вузлами, і ставимо їх у стан суперпозиції і переносимо їх до кінців Всесвіту. Тепер обидва електрона мають однакову ймовірність опинитися за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки. Коли ми вимірюємо електрон і знаходимо його спін, ця дія миттєво змінює спін іншого заплутаного електрона в протилежний бік. Це миттєва дія швидше, ніж швидкість світла, але Ейнштейн передбачив, що ніщо не може подорожувати швидше, ніж світло. називав цю моторошну дію на відстані.

(моторошно)

Тож ви можете подумати: "Ця квантова обчислювальна технологія здається такою футуристичною, що я не зможу користуватися квантовим комп'ютером у будь-який час у цьому десятилітті" ні, ви не помиляєтеся, можете використовувати квантовий комп'ютер прямо зараз. комп'ютер, щоб повозитися з 5 кубітами на даний момент

Реальне застосування квантових комп'ютерів полягає в моделюванні білка та розшифровці шифрування. Ключовим фактором шифрування є те, що прості коефіцієнти дуже великої кількості практично нерозв’язні, ви можете генерувати число з простих факторів шляхом їх множення, але ви не можете генерувати прості фактори спроби вирішити це було шляхом жорстокого форсування всіх можливих комбінацій одна за одною, яка може зайняти більше часу, ніж вік Всесвіту. Але прихід квантових комп'ютерів змінить гру, квантові комп'ютери можуть пройти всі рішення одразу з використанням квантового паралелізму, що робить усі сучасні шифрування марними. Але не варто хвилюватися після приходу квантових комп'ютерів, там буде криптографія, яка називається постквантовою криптографією, яка практично не піддається навіть квантовим комп'ютерам.

Щодня з'являються нові програми квантових комп'ютерів, передбачуючи IBM, передбачити, що квантові комп'ютери перейдуть в мейнстрім протягом 5 років, і, здається, немає кращого часу, щоб увійти в квантові обчислення, ніж зараз. Досвід IBM Q