كيفية تحويل الكمبيوتر الكمومي إلى مولد رقم عشوائي مثالي

من الصعب العثور على صدفة نقية يمكن التحقق منها. جملتان جديدتان توضحان كيفية جعل مصانع الأرقام العشوائية من أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

قل "التفوق الكمي" في أي اجتماع لعلماء الكمبيوتر ، وربما تشاهدهم وهم يلفون أعينهم. تشير هذه العبارة إلى فكرة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية سوف تعبر الخط قريباً ، والتي بعدها ستكون قادرة على أداء مهام صعبة للغاية لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بسهولة نسبية. وحتى وقت قريب ، تم اعتبار هذه المهام ذات فائدة قليلة للتطبيقات الحقيقية - ومن ثم تدحرج العينين.

ولكن بعد أن قيل إن معالج Google قريب من هذا الهدف ، فقد يكون للتفوق الكمي الوشيك استخدام هام: توليد العشوائية البحتة.

تعد العشوائية مهمة لكل شيء يحدث تقريبًا في البنية التحتية للحوسبة والاتصالات. على وجه الخصوص ، يتم استخدامه لتشفير البيانات التي تحمي كل شيء من المحادثات العادية إلى المعاملات المالية وأسرار الدولة.

من الصعب للغاية العثور على العشوائية الحقيقية المؤكدة - تخيلها كخاصية موجودة في سلسلة من الأرقام وتجعل من المستحيل التنبؤ بالرقم التالي في تسلسل.

لكن هذا الموقف قد يتغير عندما تثبت أجهزة الكمبيوتر الكمومية تفوقها. هذه المهام الأولى ، والتي كان عليها من البداية أن تثبت تفوق التكنولوجيا ، يمكن أن تعطي صدفة حقيقية معتمدة. قال جون مارتينيس ، الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا ، الذي يدير مشروع الحوسبة الكمومية في Google: "نحن سعداء بالترحيب بهذا". "نأمل أن يكون هذا أول استخدام لجهاز كمبيوتر الكم".

العشوائية والانتروبيا

تسير نظرية العشوائية والكم جنبا إلى جنب مثل الرعد والبرق. في كلتا الحالتين ، السابق هو نتيجة حتمية لهذا الأخير. في العالم الكوانتي ، يُقال إن الأنظمة تكون في مجموعة من عدة دول - ما يسمى "تراكب". عندما تقيس النظام ، فإنه "ينهار" في واحدة من هذه الحالات. وبينما تسمح لك نظرية الكم بحساب احتمالات ما ستكتشفه في القياس ، فإن النتيجة الدقيقة ستكون دائمًا عشوائية بشكل أساسي.

لقد درس الفيزيائيون هذه العلاقة من أجل إنشاء مولدات الأرقام العشوائية. انهم جميعا يعتمدون على قياسات نوع من التراكب الكمومي. وعلى الرغم من أن معظم هذه الأساليب لتوليد أرقام عشوائية يحتاجها الناس ، إلا أن هذه الأنظمة كافية ، إلا أنه قد يكون من الصعب العمل معهم. بالإضافة إلى ذلك ، من الصعب للغاية إثبات الشك الحقيقي للعشوائية لمولدات الأرقام العشوائية هذه. أخيرًا ، تتطلب بعض أكثر الطرق فعالية لتوليد العشوائية المؤكدة تصميمات متطورة من أجهزة متعددة مفصولة بمسافات شاسعة.


Google AI Lab يقدم معالج Bristlecone الكم 72 - Qubit في عام 2018

يستخدم أحد الاقتراحات الحديثة لاستخراج العشوائية من جهاز واحد فقط - جهاز كمبيوتر كمي - ما يسمى. مهمة أخذ العينات ، والتي ستكون واحدة من الاختبارات الأولى للتفوق الكم. لفهم ذلك ، تخيل أنك حصلت على صندوق من البلاط. على كل بلاطة هناك عدة وحدات والعديد من الأصفار - 000 ، 010 ، 101 ، وهلم جرا.

إذا كان هناك ثلاثة أجزاء فقط ، فهناك ثمانية خيارات ممكنة. ومع ذلك ، قد يكون هناك عدة نسخ من كل بلاطة في المربع. يمكن أن يكون هناك 50 بلاطة تم تسميتها 010 و 25 بلاطة تم تسميتها 001. يحدد توزيع البلاطات احتمال سحب بلاطة عن طريق الخطأ. في حالتنا ، يمكنك سحب التجانب 010 باحتمال أعلى مرتين من التجانب 001.

تتضمن مهمة أخذ العينات خوارزمية كمبيوتر مكافئة لسحب البلاط بشكل عشوائي من المربع مع توزيع محدد للبلاط. كلما زاد الاحتمال المحدد لأي تجانب في التوزيع ، زاد احتمال أن تسحب الخوارزمية ذلك التجانب.

بالطبع ، لا تسحب الخوارزمية مربعات حقيقية من صندوق حقيقي. إنها تنتج عشوائياً رقمًا ثنائيًا يبلغ طوله 50 بتًا ، بعد تلقي توزيع يحدد الاحتمال المرغوب لكل سطر من الأسطر المحتملة التي يبلغ طولها 50 بت.

بالنسبة للكمبيوتر الكلاسيكي ، يزداد تعقيد هذه المهمة بشكل كبير مع زيادة عدد البتات في السلسلة. ولكن بالنسبة للكمبيوتر الكمومي ، من المتوقع أن تظل المهمة كما هي تقريبًا لكل من 5 بتات و 50 بت.

يبدأ الكمبيوتر الكمومي بالقول إن كل البتات الكمومية - البتات - موجودة في حالة معينة. لنفترض أنها جميعًا تبدأ بـ 0. كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أن تعمل مع البتات الكلاسيكية باستخدام ما يسمى. تقوم البوابات المنطقية والحواسيب الكمومية بمعالجة الببتات باستخدام بوابات الكم الخاصة بها.

ومع ذلك ، يمكن للبوابات الكمومية وضع وحدات البت في حالات غريبة. على سبيل المثال ، يمكن لأحد البوابات وضع رطل يبدأ بقيمة 0 في تراكب 0 و 1. إذا قمت بعد ذلك بقياس حالة الربت ، فإنه ينهار بشكل عشوائي إلى 0 أو 1 مع احتمال متساوٍ.

حتى أكثر غرابة ، البوابات الكمومية التي يمكن أن تعمل مع اثنين أو أكثر من البتات في نفس الوقت يمكن أن يسبب تشابك البتات مع بعضها البعض. في هذه الحالة ، تتشابك حالات البتات بحيث يمكن الآن وصف كل هذه البتات باستخدام حالة كم واحدة فقط.

إذا أحضرت مجموعة من البوابات الكمومية إلى مكان واحد ، ثم جعلتها تعمل مع مجموعة من البتات في تسلسل معين ، فستكون هذه دارة كمومية. في حالتنا ، لاشتقاق سلسلة عشوائية من 50 بت ، يمكنك بناء دارة كمومية تضع 50 بت في تراكب الحالات التي تصف التوزيع الذي تحتاجه.

عند قياس البتات ، ينهار التراكب بالكامل بشكل عشوائي في سلسلة واحدة مكونة من 50 بت. يتم تحديد احتمال أن ينهار في خط معين بواسطة التوزيع المحدد بواسطة كفاف الكم. قياس البتات مشابه لكيفية وصول رجل معصوب العينين إلى كيس ويسحب بطريق الخطأ خط واحد مع التوزيع.


سكوت آرونسون ، أخصائي علوم الكمبيوتر ، جامعة تكساس في أوستن

وكيف يرتبط كل هذا بأرقام عشوائية؟ من المهم أن تحتوي السلسلة 50 بت التي اختارها الكمبيوتر الكمومي على الكثير من الإنتروبيا ، وقياس للاضطراب أو عدم القدرة على التنبؤ ، وبالتالي العشوائية. وقال سكوت آرونسون ، أخصائي تكنولوجيا المعلومات في جامعة تكساس في أوستن الذي توصل إلى بروتوكول جديد: "وهذا ، في الواقع ، يمكن أن يكون له عواقب وخيمة للغاية". "ليس لأنه الاستخدام الأكثر أهمية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية - أعتقد أنه بعيد عن ذلك - ولكن لأنه يبدو أنه الاستخدام الأول لأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يمكن وضعها موضع التطبيق".

بروتوكول Aaronson لتوليد أرقام عشوائية بسيط جدا. يقوم الكمبيوتر الكلاسيكي أولاً بجمع بضع وحدات بت عشوائي من مصدر موثوق به ، ثم يستخدم "بذرة العشوائية" لإنشاء وصف لمحيط الكم. تحدد البتات العشوائية نوع البوابات الكمومية والتسلسل الذي يجب أن تعمل فيه على البتات. يرسل الكمبيوتر الكلاسيكي وصفًا إلى كمبيوتر الكم الذي ينفذ الدائرة الكمومية ، ويقيس البتات ، ويعيد سلسلة 50 بت. وبالتالي ، اتضح أنه تم اختيارهم عشوائيًا من التوزيع المحدد بواسطة المحيط.

ثم كرر هذه العملية عدة مرات - على سبيل المثال ، 10 مرات لكل دائرة الكم. يستخدم الكمبيوتر الكلاسيكي اختبارات إحصائية لضمان احتواء خطوط الإخراج على قدر لا بأس به من الإنتروبيا. أظهر آرونسون (جزئيًا في عمل منشور مكتوب بالتعاون مع Lijie Chen وجزئيًا في عمل لم يتم نشره بعد) أنه وفقًا لبعض الافتراضات المعقولة أن هذه المهام معقدة من الناحية الحسابية ، لا يمكن لأي كمبيوتر كلاسيكي توليد مثل هذه الإنتروبيا في وقت مماثل للوقت الذي يخلق فيه الكمبيوتر الكمومي مثل هذا الاختيار العشوائي من التوزيع. بعد الاختبارات ، يجمع الكمبيوتر الكلاسيكي جميع السلاسل ذات 50 بت ويغذيها إلى الخوارزمية الكلاسيكية المعروفة. "إنها تنتج سلسلة طويلة ، شبه عشوائية تماما" ، وقال آرونسون.

فخ الكم

إن بروتوكول Aaronson هو الأنسب لأجهزة الكمبيوتر الكمومية مع عدد من البتات من 50 إلى 100. عندما يتجاوز عدد البايتات هذه الحدود ، فإن التعقيد الحسابي لا يسمح باستخدام هذا البروتوكول حتى بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية. في هذه الحالة ، يدخل مخطط آخر لتكوين أرقام عشوائية يمكن التحقق منها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يستخدم تقنية رياضية موجودة مع وظيفة معقدة خالية من مخالب الاسم. وقال أومش وزيراني ، متخصص تكنولوجيا المعلومات في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، "لقد بدا هذا أسوأ من الواقع" ، حيث طور استراتيجية جديدة ساعدها زفيكا براكرسكي وبول كريستيانو وأورميلا ماهاديف وتوماس فيديك .

أعرض صندوقنا. بدلاً من الدخول إليها وسحب سلسلة ، نرمي سلسلة من البتات n ، نسميها x ، ثم نزيل سلسلة أخرى من البتات n. يطابق المربع بطريقة ما خط الإدخال وخط الإخراج. لكن لديها خاصية خاصة: لكل x هناك خط إدخال آخر y ، والذي ينتج بالضبط نفس خط الإخراج.

بمعنى آخر ، يوجد خطان إدخال فريدان - x و y - يعرض المربع له نفس خط الإخراج z. هذا الثلاثي ، س ، ص و ض ، يسمى المخلب. مربع في لغة علوم الكمبيوتر - وظيفة. هذه الوظيفة سهلة الحساب ، أي بالنسبة إلى x و y من السهل حساب z. ولكن إذا كنت تأخذ x و z فقط ، فإن العثور على y - والمخلب بالكامل - أمر مستحيل حتى بالنسبة للكمبيوتر الكمومي.


أورميلا ماهاديف وأومش فازيراني وتوماس فيديك

الطريقة الوحيدة للحصول على المخلب كله هي العثور على بعض المعلومات الإضافية ، ما يسمى فخ.

يريد Vazirani وزملاؤه استخدام هذه الوظائف ليس فقط لإجبار أجهزة الكمبيوتر الكمومية على إنشاء أرقام عشوائية ، ولكن أيضًا للتحقق من أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعمل فعليًا وفقًا لقوانين الكم - وهو أمر ضروري لبناء الثقة في التسلسل العشوائي.

يبدأ البروتوكول بجهاز كمبيوتر كمي يضع n qbits في تراكب لجميع سلاسل n-bit. ثم يرسل الكمبيوتر الكلاسيكي وصفًا للكفاف الكمي ، ويحدد الوظيفة الواجب تطبيقها على التراكب - وظيفة الملاءمة بدون مخالب. ينفذ الكمبيوتر الكمومي دائرة دون معرفة أي شيء عن المصيدة.

في هذه المرحلة ، يدخل الكمبيوتر الكمومي في حالة تكون فيها مجموعة واحدة من وحدات البايت الخاصة به في تراكب لجميع سلاسل n-bit ، والآخر يحتوي على نتيجة لتطبيق الوظيفة على هذا التراكب. تتشابك مجموعتان من qubits مع بعضهما البعض.

كمبيوتر الكم الذي يقيس مجموعة ثانية من البتات ينهار بشكل عشوائي تراكبًا في نتيجة معينة z. تنهار المجموعة الأولى من البتات في تراكب مماثل من سلسلتين n-bit ، x و y ، حيث يمكن لأي منهما أن يكون بمثابة مدخل لوظيفة تصدر z.

يتلقى الكمبيوتر الكلاسيكي قيمة إخراج z ، ثم يقوم بأحد الأمرين. في معظم الحالات ، يطلب من الكمبيوتر الكمي قياس البتات المتبقية. هذا ينهار التراكب في x أو في y ، مع فرصة بنسبة 50 ٪. هذا يعادل الحصول عشوائيًا على 0 أو 1.

في بعض الأحيان ، من أجل اختبار جهاز كمبيوتر الكم لمعرفة الكم ، يسأل جهاز كمبيوتر كلاسيكي لقياس خاص. تم تصميم القياس ونتيجته بحيث يمكن لجهاز كمبيوتر كلاسيكي بمساعدة مصيدة لا يستطيع الوصول إليها إلا أن يضمن أن الجهاز الذي يستجيب لطلباته يعد حقًا كمياً. أظهر Vazirani وزملاؤه أنه إذا أعطى الجهاز الإجابة الصحيحة لبعد معين دون استخدام انهيار qubits ، فسيكون ذلك بمثابة إيجاد مخلب بدون مصيدة. وهذا مستحيل. لذلك ، يجب أن ينهار الجهاز في واحد على الأقل (إعطاء 0 أو 1 بشكل عشوائي). وقال فازيراني: "يخلق البروتوكول اختبارًا مؤقتًا داخل جهاز كمبيوتر الكم لا نثق به".

يعطي هذا الاختبار الذي تم اختباره حقًا عشوائيًا واحدًا من المعلومات لكل مسح ؛ يمكن استخدام سلسلة من هذه الاستعلامات لإنشاء سلاسل عشوائية طويلة.

قد يعمل هذا المخطط بشكل أسرع من بروتوكول Aaronson ، لكن به عيب واضح. وقال أرونسون: "إذا كان عدد الأصوات يبلغ 50 أو 70 ، فلن يكون ذلك عمليًا".

لا يزال Aaronson ينتظر ظهور نظام من Google. وقال: "ما إذا كانت جودة ما يُظهرون لنا كافية لتحقيق التفوق الكمي حقًا ، فهي مسألة كبيرة".

إذا نجحت الشركة ، فإن العشوائية الكمومية المضمونة هي بالفعل على عتبة بابنا. وقال مارتينيس: "نعتقد أنه سيكون سوقًا مفيدًا واعدًا ، وهذا ما نود أن نقدمه للناس".