Eigenschaften von Quantencomputern

Die Leistung eines Quantencomputers wird in Qubits gemessen, der grundlegenden Maßeinheit in einem Quantencomputer. Quelle

Ich mache nach jeder Lesung eines solchen Satzes eine Gesichtspalme. Es brachte nicht gut, das Sehvermögen begann sich zu setzen; Sie müssen sich bald mit Meklon in Verbindung setzen.

Ich denke, es ist Zeit, die Grundparameter eines Quantencomputers etwas zu systematisieren. Es gibt mehrere davon:

1. Anzahl der Qubits
2. Kohärenzretentionszeit (Dekohärenzzeit)
3. Fehlerrate
4. Prozessorarchitektur
5. Preis, Verfügbarkeit, Bedingungen, Abschreibungszeit, Programmierwerkzeuge usw.

Anzahl der Qubits

Hier ist alles klar, je mehr desto besser. In der Tat müssen Sie für Qubits bezahlen, und im Idealfall müssen Sie genau so viele Qubits kaufen, wie Sie benötigen, um die Aufgabe zu erledigen. Für einen Entwickler exklusiver Spielautomaten reicht ein Qubit pro Maschine aus (um einen Zufall zu erzeugen). Für die "Brute Force" RSA-2048 - mindestens 2048 Qubits.

Die gebräuchlichsten Quantenalgorithmen sind nach Grover und Shore benannt. Mit Grover können Sie Hashes „hacken“. Um Bitcoin zum Absturz zu bringen, benötigen Sie Computer mit mindestens 256 Qubits an Bord (Sie können mit der Komplexität von Bitcoin schamanisieren, aber lassen Sie uns auf diese runde Zahl eingehen). Mit Shore können Sie Zahlen faktorisieren. Um eine Anzahl von n Binärziffern der Länge zu faktorisieren, werden mindestens n Qubits benötigt.

Aktuelles Maximum: 50 Qubits ( bereits 72? ). Tatsächlich sind 50 Qubits die Grenze. Die Grenze der Simulation eines Quantencomputers. Theoretisch können wir mit klassischen Taschenrechnern beliebig viele Qubits simulieren. In der Praxis müssen zum Hinzufügen eines Qubits zu einer Simulation die klassischen Taschenrechner verdoppelt werden. Fügen Sie Gerüchte über die Verdoppelung von Qubits pro Jahr hinzu und stellen Sie sich die Frage: Wie können Algorithmen für 256 \ 512 \ 1024 \ 2048 Qubits debuggt werden? Es gibt keinen Simulator. Sie können einen Quantenprozessor nicht mit einem Haltepunkt versehen.

Kohärenzretentionszeit (Dekohärenzzeit)

Kohärenz und Kohärenz sind nicht dasselbe. Ich ziehe es vor, Kohärenz mit Gedächtnisregeneration zu vergleichen. Es gibt Milliarden von Zellen in der RAM-Leiste, jede hat eine Ladung, null oder eins. Diese Ladung hat eine sehr interessante Eigenschaft - sie fließt nach unten. Anfänglich wird eine "einzelne" Zelle zu einer Zelle bei 0,99, dann bei 0,98 und so weiter. Dementsprechend akkumulieren 0,01, 0,02, 0,03 bei Null ... Es ist notwendig, diese Ladung zu aktualisieren, "regenerieren". Alles, was weniger als die Hälfte ist, wird auf Null zurückgesetzt, alles andere erreicht Eins.

Quantenprozessoren können nicht regeneriert werden. Dementsprechend gibt es für alle Berechnungen einen Zyklus bis zum ersten "durchgesickerten" Qubit. Die Zeit vor dem ersten „Leck“ wird als Dekohärenzzeit bezeichnet. Kohärenz ist ein Zustand, in dem Qubits noch nicht „durchgesickert“ sind. Hier sehen Sie etwas mehr Erklärungen für Erwachsene.

Dekohärenz hängt mit der Anzahl der Qubits zusammen: Je mehr Qubits vorhanden sind, desto schwieriger ist es, die Kohärenz aufrechtzuerhalten. Andererseits können bei Vorhandensein einer großen Anzahl von Qubits einige von ihnen verwendet werden, um mit Dekohärenz verbundene Fehler zu korrigieren. Daraus folgt, dass die Anzahl der Qubits allein nichts löst. Sie können die Anzahl der Qubits verdoppeln und 90% davon für die Korrektur der Dekohärenz ausgeben.

Ungefähr hier entsteht das Konzept des logischen Qubits. Grob gesagt, wenn Sie einen Prozessor für 100 Qubits haben, von denen jedoch 40 darauf abzielen, die Dekohärenz zu beheben, haben Sie immer noch 60 logische Qubits. Diejenigen, auf denen Sie Ihren Algorithmus ausführen. Das Konzept der logischen Qubits ist jetzt eher theoretisch, ich habe persönlich nichts über praktische Implementierungen gehört.

Fehler und deren Korrektur

Eine weitere Geißel der Quantenprozessoren. Wenn Sie das Qubit invertieren, endet die Operation mit einer Wahrscheinlichkeit von 2% fehlerhaft. Wenn Sie 2 Qubits verwechseln, erreicht die Fehlerwahrscheinlichkeit 8%. Nehmen Sie eine 256-Bit-Zahl, zwischenspeichern Sie sie auf SHA-256, zählen Sie die Anzahl der Operationen und berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass ALLE diese Operationen korrekt ausgeführt werden.

Mathematiker bieten eine Lösung: Fehlerkorrektur. Es gibt Algorithmen. Das Implementieren einer Verschränkung von 2 logischen Qubits erfordert 100.000 physische Qubits. Bitco-Kapets werden bald kommen.

Prozessorarchitektur

Genau genommen gibt es keine Quantencomputer. Es gibt nur Quantenprozessoren. Warum brauche ich RAM, wenn die Arbeitszeit auf Millisekunden begrenzt ist? Ich programmiere in Q #, aber es ist eine Hochsprache. Weisen Sie sich 15 Qubits zu und machen Sie mit ihnen, was Sie wollen. Gesucht, verwechselt das erste Qubit mit dem zehnten. Gewünscht - verwirrt die ersten sechs.

Auf einem echten Prozessor gibt es keine solche Freiheit. Ich habe darum gebeten, das erste Qubit mit 15 zu verwechseln - der Compiler generiert 26 zusätzliche Operationen. Mit etwas Glück. Wenn Sie kein Glück haben, werden hundert generiert. Tatsache ist, dass ein Qubit nur mit seinen Nachbarn verwechselt werden kann. Mehr als 6 Nachbarn pro Qubit habe ich nicht gesehen. Grundsätzlich gibt es Compiler, die Quantenprogramme optimieren, aber bisher sind sie eher theoretisch.

Jeder Prozessor hat seinen eigenen Befehlssatz, und die Beziehungen zwischen Qubits sind unterschiedlich. In einer idealen Welt haben wir beliebige Rx, Ry, Rz und ihre Kombinationen sowie eine freie Verschränkung von zehn Attributen plus Swap: Schauen Sie sich die Operatoren in Quirk an . Im wirklichen Leben haben wir mehrere Paare von Qubits, und die Verschränkung von CNOT (q [0], q [1]) kostet eine Operation, und CNOT (q [1], q [0]) - bereits bei 7. Und die Kohärenz schmilzt ...

Preis, Verfügbarkeit, Konditionen, Abschreibungszeit, Programmierwerkzeuge ...

Die Preise werden nicht ausgeschrieben, die Zugänglichkeit für den Durchschnittsbürger ist nahe Null, die Abschreibungszeit wurde in der Praxis nicht berechnet, Programmierwerkzeuge entstehen erst. Dokumentation auf arxiv.org.

Welche Informationen benötigen Experten, wenn sie einen neuen Quantencomputer veröffentlichen?

Neben der obigen Liste gefallen mir die Optionen von PerlPower und Alter2 :

Das wäre jeder Artikel über einen neuen Quantencomputer, der mit zwei Merkmalen begann - der Anzahl gleichzeitig verwirrter Qubits und der Retentionszeit von Qubits.

Oder noch besser - seit der Laufzeit des einfachsten Benchmarks zum Beispiel einfache Faktoren der Zahl 91 zu finden.