Caractéristiques des ordinateurs quantiques

La puissance d'un ordinateur quantique est mesurée en qubits, l'unité de mesure de base dans un ordinateur quantique. Source

Je fais une grimace après chaque lecture d'une telle phrase. Cela ne s'est pas amélioré, la vue a commencé à s'asseoir; vous devrez contacter Meklon prochainement.

Je pense qu'il est temps de systématiser quelque peu les paramètres de base d'un ordinateur quantique. Il y en a plusieurs:

1. Nombre de qubits
2. Temps de rétention de cohérence (temps de décohérence)
3. Taux d'erreur
4. Architecture du processeur
5. Prix, disponibilité, conditions, durée d'amortissement, outils de programmation, etc.

Nombre de qubits

Tout est évident ici, plus c'est mieux. En fait, vous devez payer pour des qubits, et idéalement, vous devez acheter exactement autant de qubits que nécessaire pour terminer la tâche. Pour un développeur de machines de jeu exclusives, un qubit par machine suffit (pour générer un hasard). Pour la «force brute» RSA-2048 - au moins 2048 qubits.

Les algorithmes quantiques les plus courants portent le nom de Grover et Shore. Grover vous permet de «pirater» les hachages. Pour planter Bitcoin, vous avez besoin d'ordinateurs avec au moins 256 qubits à bord (vous pouvez chamaniser avec la complexité de Bitcoin, mais insistons sur ce chiffre rond). Shore vous permet de factoriser les nombres. Pour factoriser un nombre de longueur n chiffres binaires, au moins n qubits sont nécessaires.

Maximum actuel: 50 qubits ( déjà 72? ). Et en fait, 50 qubits est la limite. La limite de simulation d'un ordinateur quantique. En théorie, nous pouvons simuler n'importe quel nombre de qubits sur des calculatrices classiques. En pratique, ajouter un qubit à une simulation nécessite de doubler les calculatrices classiques. Ajoutez des rumeurs sur le doublement des qubits chaque année et posez-vous la question: comment déboguer les algorithmes pour les 256 \ 512 \ 1024 \ 2048 qubits? Il n'y a pas de simulateur, vous ne pouvez pas mettre un point d'arrêt sur un processeur quantique.

Temps de rétention de cohérence (temps de décohérence)

La cohérence et la cohérence ne sont pas la même chose. Je préfère comparer la cohérence avec la régénération de la mémoire. Il y a des milliards de cellules sur la barre de RAM; chacune a une charge, zéro ou une. Cette charge a une propriété très intéressante - elle coule. Initialement, une cellule «unique» devient une cellule à 0,99, puis à 0,98, et ainsi de suite. En conséquence, 0,01, 0,02, 0,03 s'accumulent à zéro ... Il faut mettre à jour cette charge, "régénérer". Tout ce qui est inférieur à la moitié est remis à zéro, tout le reste atteint un.

Les processeurs quantiques ne peuvent pas être régénérés. Par conséquent, pour tous les calculs, il y a un cycle, jusqu'au premier qubit "divulgué". Le temps qui précède la première «fuite» est appelé temps de décohérence. La cohérence est un état où les qubits n'ont pas encore «fui». Ici, vous pouvez voir un peu plus d'explications pour adultes.

La décohérence est liée au nombre de qubits: plus il y a de qubits, plus il est difficile de maintenir la cohérence. En revanche, en présence d'un grand nombre de qubits, certains d'entre eux peuvent être utilisés pour corriger des erreurs liées à la décohérence. Il s'ensuit que le nombre de qubits à lui seul ne résout rien. Vous pouvez doubler le nombre de qubits et dépenser 90% d'entre eux pour corriger la décohérence.

Ici se pose approximativement le concept de qubit logique. En gros, si vous avez un processeur pour 100 qubits, mais que 40 d'entre eux visent à corriger la décohérence, vous avez toujours 60 qubits logiques. Ceux sur lesquels vous exécutez votre algorithme. Le concept de qubits logiques est maintenant plutôt théorique, je n'ai pas entendu parler personnellement des implémentations pratiques.

Erreurs et leur correction

Un autre fléau des processeurs quantiques. Si vous inversez le qubit, avec une probabilité de 2%, l'opération se terminera par erreur. Si vous confondez 2 qubits, la probabilité d'erreur atteint 8%. Prenez un nombre de 256 bits, mettez-le en cache sur SHA-256, comptez le nombre d'opérations, calculez la probabilité que TOUTES ces opérations soient effectuées correctement.

Les mathématiciens proposent une solution: la correction d'erreurs. Il existe des algorithmes. L'implémentation d'un enchevêtrement de 2 qubits logiques nécessite 100 000 qubits physiques. Les bitco-kapets arriveront bientôt.

Architecture du processeur

À strictement parler, il n'y a pas d'ordinateurs quantiques. Il n'y a que des processeurs quantiques. Pourquoi ai-je besoin de RAM alors que le temps de travail est limité à quelques millisecondes? Je programme en Q #, mais c'est un langage de haut niveau. Vous avez alloué 15 qubits et faites ce que vous voulez avec eux. Recherché, confond le premier qubit avec le dixième. Souhaité - a confondu les six premiers.

Il n'y a pas une telle liberté sur un vrai processeur. J'ai demandé de confondre le premier qubit avec 15 - le compilateur générera 26 opérations supplémentaires. Avec un peu de chance. Si vous n'êtes pas chanceux, il en générera une centaine. Le fait est qu'un qubit ne peut être confondu qu'avec ses voisins. Plus de 6 voisins par qubit, je n'en ai pas vu. En principe, il existe des compilateurs qui optimisent les programmes quantiques, mais jusqu'à présent, ils sont plutôt théoriques.

Chaque processeur possède son propre ensemble d'instructions et les relations entre les qubits sont différentes. Dans un monde idéal, nous avons Rx, Ry, Rz arbitraires et leurs combinaisons, plus un enchevêtrement gratuit de dix attributs, plus Swap: regardez les opérateurs dans Quirk . Dans la vraie vie, nous avons plusieurs paires de qubits, et l'intrication de CNOT (q [0], q [1]) coûte une opération, et CNOT (q [1], q [0]) - déjà à 7. Et la cohérence fond ...

Prix, disponibilité, conditions, durée d'amortissement, outils de programmation ...

Les prix ne sont pas annoncés, l'accessibilité au citoyen moyen est proche de zéro, le temps d'amortissement n'a pas été calculé dans la pratique, les outils de programmation ne font qu'émerger. Documentation sur arxiv.org.

Alors, quel type d'informations les experts ont-ils besoin lorsqu'ils publient un nouvel ordinateur quantique?

Outre la liste ci-dessus, j'aime les options de PerlPower et Alter2 :

Ce serait chaque article sur un nouvel ordinateur quantique commencé avec deux caractéristiques - le nombre de qubits simultanément confus et le temps de rétention des qubits.

Ou encore mieux - depuis l'exécution du benchmark le plus simple, par exemple, trouver des facteurs simples du nombre 91.