چه چیزی توضیحات کوانتومی را بسیار سخت می کند؟

برای درک اینکه رایانه های کوانتومی چه کاری می توانند انجام دهند - و چه چیزی نمی توانند - از توضیحات بیش از حد ساده خودداری کنند.

ویدئو: رایانه های کوانتومی نسل بعدی ابر رایانه ها نیستند - آنها کاملاً چیز دیگری هستند. قبل از اینکه حتی بتوانیم در مورد کاربردهای بالقوه آنها صحبت کنیم ، باید فیزیک اساسی را که تئوری محاسبات کوانتومی را هدایت می کند ، درک کنیم.

مجله Emily Buder/Quanta ؛Adrian Vasquez de Velasco ، Chris Fitzgerald و DVDP برای مجله Quanta

معرفی

احتمالاً شنیده اید رایانه های کوانتومی ، ماشین های جادویی هستند که به زودی با تلاش همه پاسخ های ممکن در جهان های موازی مختلف ، سرطان و گرم شدن کره زمین را درمان می کنند. به مدت 15 سال ، در وبلاگ من و جاهای دیگر ، من در برابر این دیدگاه کارتونی حرکت کردم و سعی کردم آنچه را که من می بینم به عنوان حقیقت ظریف اما با طعنه آمیز تر و حتی جذاب تر توضیح دهم. من به عنوان یک سرویس عمومی و تقریباً وظیفه اخلاقی خود به عنوان یک محقق محاسبات کوانتومی نزدیک می شوم. افسوس ، این کار احساس می کند سیسفین: اعتیاد به مواد مخدره در مورد رایانه های کوانتومی فقط در طول سال ها افزایش یافته است ، زیرا شرکت ها و دولت ها میلیارد ها دلار سرمایه گذاری کرده اند ، و با پیشرفت این فناوری به دستگاه های 50 Quitbit قابل برنامه ریزی که (در برخی از معیارهای خاص) می توانند ارائه دهندبزرگترین ابر رایانه های جهان برای پول خود اجرا می شوند. و دقیقاً مانند Cryptocurrency ، یادگیری ماشین و سایر زمینه های مرسوم ، با پول ، هکسترها آمده اند.

در لحظه های بازتاب ، من آن را دریافت می کنم. واقعیت این است که حتی اگر همه مشوق های بد و حرص و آز را حذف کرده باشید ، محاسبات کوانتومی هنوز هم به طور خلاصه و صادقانه بدون ریاضی توضیح می دهد. همانطور که ریچارد فاینمن ، پیشگام محاسبات کوانتومی یک بار در مورد کار کوانتومی الکترودینامیک که جایزه نوبل را به دست آورد ، گفت ، اگر توصیف آن در چند جمله امکان پذیر بود ، ارزش نوبل را نداشت.

نه این که مردم را از تلاش متوقف کرده است. از زمانی که پیتر شور در سال 1994 فهمید که یک رایانه کوانتومی می تواند بیشتر رمزگذاری را که از معاملات در اینترنت محافظت می کند ، بشکند ، هیجان در مورد این فناوری بیش از کنجکاوی فکری هدایت شده است. در واقع ، تحولات در این زمینه به طور معمول به عنوان داستانهای تجاری یا فناوری تحت پوشش قرار می گیرد و نه به عنوان علمی.

این خوب خواهد بود اگر یک خبرنگار تجارت یا فناوری به طور صادقانه می توانست به خوانندگان بگوید ، "ببین ، این همه چیزهای کوانتومی عمیق در زیر کاپوت وجود دارد ، اما تمام آنچه شما باید درک کنید خط پایین است: فیزیکدانان در آستانه ساخت رایانه های سریعتر هستند که این کار را انجام می دهندهمه چیز را متحول کنید. "

مشکل این است که رایانه های کوانتومی همه چیز را متحول نمی کنند.

بله ، آنها ممکن است روزی چند مشکل خاص را در عرض چند دقیقه حل کنند که (فکر می کنیم) بیش از سن جهان در رایانه های کلاسیک طول می کشد. اما بسیاری از مشکلات مهم دیگر وجود دارد که بیشتر متخصصان فکر می کنند رایانه های کوانتومی در صورتی که به هیچ وجه کمک کنند. همچنین ، در حالی که گوگل و دیگران اخیراً ادعاهای معتبری را مبنی بر دستیابی به سرعت کوانتومی متناقض به دست آورده اند ، این فقط برای معیارهای خاص و باطنی (مواردی که من به آنها کمک کردم). یک رایانه کوانتومی که به اندازه کافی بزرگ و قابل اعتماد است تا از رایانه های کلاسیک در برنامه های کاربردی مانند شکستن کدهای رمزنگاری و شبیه سازی شیمی بهتر عمل کند ، هنوز هم مسیری طولانی است.

اما چگونه یک رایانه قابل برنامه ریزی فقط برای برخی از مشکلات می تواند سریعتر باشد؟آیا ما می دانیم کدام یک؟و یک کامپیوتر کوانتومی "بزرگ و قابل اعتماد" حتی در این زمینه چه معنی دارد؟برای پاسخ به این سؤالات ، ما باید وارد موارد عمیق شویم.

بیایید با مکانیک کوانتومی شروع کنیم.(چه چیزی می تواند عمیق تر باشد؟) مفهوم ابرقهرمان به سختی در کلمات روزمره ارائه می شود. بنابراین ، جای تعجب نیست که بسیاری از نویسندگان از یک راه آسان انتخاب می کنند: آنها می گویند که ابرند به معنای "هم به یکباره" است ، به طوری که یک بیت کوانتومی یا quit ، فقط کمی است که می تواند "هم در همان زمان باشد"، "در حالی که یک بیت کلاسیک فقط یک یا دیگری می تواند باشد. آنها در ادامه می گویند که یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از Qubits به سرعت خود می رسد تا تمام راه حل های ممکن را در Supposition امتحان کند - یعنی در همان زمان یا به طور موازی.

این همان چیزی است که من به عنوان اشتباه اساسی در مورد محبوبیت محاسبات کوانتومی فکر کرده ام ، چیزی که منجر به بقیه می شود. از اینجا این فقط یک کار کوتاه برای رایانه های کوانتومی است که به سرعت با تلاش همه پاسخ های احتمالی ، چیزی مانند مشکل فروشنده مسافرتی را حل می کنند - چیزی که تقریباً همه متخصصان معتقدند که آنها قادر به انجام آن نخواهند بود.

نکته این است که ، برای اینکه یک کامپیوتر مفید باشد ، در بعضی مواقع باید به آن نگاه کنید و یک خروجی را بخوانید. اما اگر به یکپارچگی مساوی از همه پاسخ های ممکن نگاه کنید ، قوانین مکانیک کوانتومی می گویند که فقط یک پاسخ تصادفی خواهید دید و می خوانید. و اگر این تنها چیزی است که شما می خواستید ، می توانستید خودتان یکی را انتخاب کنید.

آنچه که واقعاً به معنای "ترکیب خطی پیچیده" است. در اینجا ، منظور ما "پیچیده" نیست نه به معنای "پیچیده" بلکه به معنای واقعی به علاوه یک عدد خیالی است ، در حالی که "ترکیب خطی" به این معنی است که ما چند حالت مختلف را به هم اضافه می کنیم. بنابراین یک quit کمی است که یک عدد پیچیده به نام دامنه متصل به این احتمال که 0 باشد ، و دامنه دیگری به این احتمال که 1 باشد متصل است. از صفر ، احتمال دیدن آن نتیجه بزرگتر است. به طور دقیق تر ، احتمال برابر با مربع فاصله است.

اما دامنه ها احتمالات نیستند. آنها از قوانین مختلف پیروی می کنند. به عنوان مثال ، اگر برخی از مشارکتها در دامنه مثبت باشد و برخی دیگر منفی باشند ، پس مشارکت می تواند به طور مخرب تداخل داشته و یکدیگر را لغو کند ، به طوری که دامنه صفر است و نتیجه مربوطه هرگز مشاهده نمی شود. به همین ترتیب ، آنها می توانند به صورت سازنده دخالت کنند و احتمال نتیجه مشخص را افزایش دهند. هدف در ابداع یک الگوریتم برای یک رایانه کوانتومی ، رقص الگویی از تداخل سازنده و مخرب است به گونه ای که برای هر پاسخ اشتباه ، سهم در دامنه آن یکدیگر را لغو می کند ، در حالی که برای پاسخ صحیح ، سهم را تقویت می کند. اگر ، و فقط اگر ، می توانید آن را ترتیب دهید ، هنگام نگاه ، پاسخ صحیح را با احتمال زیاد مشاهده خواهید کرد. بخش دشوار این است که بدون دانستن جواب از قبل ، این کار را انجام دهید و سریعتر از آنکه بتوانید این کار را با یک رایانه کلاسیک انجام دهید.

بیست و هفت سال پیش ، SHOR نشان داد که چگونه می توان همه این کارها را برای مشکل فاکتورسازی اعداد صحیح انجام داد ، که کدهای رمزنگاری گسترده ای را که در بخش عمده تجارت آنلاین استفاده می شود ، می شکند. اکنون می دانیم که چگونه این کار را برای برخی از مشکلات دیگر نیز انجام دهیم ، اما فقط با بهره برداری از ساختارهای ریاضی ویژه در این مشکلات. این فقط تلاش همه پاسخهای ممکن به یکباره نیست.

مشکل این است که اگر می خواهید صادقانه در مورد محاسبات کوانتومی صحبت کنید ، پس به واژگان مفهومی علوم نظری رایانه نیز نیاز دارید. من اغلب از من سؤال می شود که چند بار سریعتر یک کامپیوتر کوانتومی نسبت به رایانه های امروزی خواهد بود. یک میلیون بار؟یک میلیارد؟

این سؤال نقطه رایانه های کوانتومی را از دست می دهد ، یعنی دستیابی به "رفتار مقیاس پذیری بهتر" یا زمان اجرای به عنوان تابعی از n ، تعداد بیت داده های ورودی. این می تواند به معنای مشکلی باشد که در آن بهترین الگوریتم کلاسیک به تعدادی از مراحل نیاز دارد که به صورت نمایی با n رشد می کند و با استفاده از تعدادی از مراحل که فقط به عنوان n 2 رشد می کند ، حل آن است. در چنین مواردی ، برای N کوچک ، حل مشکل با یک کامپیوتر کوانتومی در واقع کندتر و گران تر از حل آن به صورت کلاسیک خواهد بود. فقط به عنوان N رشد می کند که سرعت کوانتومی ابتدا ظاهر می شود و سپس در نهایت تسلط می یابد.

اما چگونه می توانیم بدانیم که هیچ میانبر کلاسیک وجود ندارد - یک الگوریتم معمولی که می تواند رفتار مقیاس پذیر مشابه با الگوریتم کوانتومی داشته باشد؟اگرچه به طور معمول در حسابهای محبوب نادیده گرفته می شود ، این سؤال برای تحقیقات الگوریتم های کوانتومی بسیار مهم است ، جایی که اغلب این مشکل اثبات نمی شود که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به سرعت کاری انجام دهد ، اما با اطمینان با استدلال که یک کامپیوتر کلاسیک نمی تواند. افسوس ، به نظر می رسد که اثبات این مسئله سخت است ، همانطور که توسط مشکل معروف P در مقابل NP نشان داده شده است (که تقریباً می پرسد ، آیا هر مشکلی با راه حل های قابل بررسی سریع نیز می تواند به سرعت حل شود). این فقط یک مسئله دانشگاهی نیست ، موضوع مورد نظر من: طی چند دهه گذشته ، سرعت کوانتومی حدس زده می شود که الگوریتم های کلاسیک با عملکرد مشابه پیدا شدند.

توجه داشته باشید که ، پس از توضیح همه اینها ، من هنوز یک کلمه در مورد دشواری عملی ساخت رایانه های کوانتومی نگفته ام. مشکل ، در یک کلام ، دکوراسیون است ، این به معنای تعامل ناخواسته بین یک کامپیوتر کوانتومی و محیط آن است - میدان های الکتریکی در نزدیکی ، اشیاء گرم و موارد دیگر که می توانند اطلاعات مربوط به Qubits را ضبط کنند. این می تواند منجر به "اندازه گیری" زودرس "Qubits" شود ، که آنها را به بیت های کلاسیک که قطعاً 0 یا قطعاً هستند ، فرو می ریزد. تنها راه حل شناخته شده برای این مشکل تصحیح خطای کوانتومی است: یک طرح ، که در اواسط دهه 1990 پیشنهاد شده است ،این که هوشمندانه هر یک از محاسبات کوانتومی را در وضعیت جمعی ده ها یا حتی هزاران نفر از فیزیکی رمزگذاری می کند. اما محققان فقط در حال حاضر شروع به انجام چنین تصحیح خطا در دنیای واقعی می کنند و در واقع استفاده از آن بسیار طولانی تر خواهد شد. هنگامی که در مورد آخرین آزمایش با 50 یا 60 فیزیکی فیزیکی می خوانید ، مهم است که درک کنید که Qubits اصلاح خطا نیست. تا زمانی که آنها نباشند ، ما انتظار نداریم که بتوانیم فراتر از چند صد کبوتر مقیاس بندی کنیم.

هنگامی که کسی این مفاهیم را درک کند ، من می گویم که آنها آماده هستند تا خواندن - یا احتمالاً حتی نوشتن - مقاله ای را در مورد آخرین پیشروی ادعا شده در محاسبات کوانتومی آغاز کنند. آنها می دانند که در مبارزات مداوم برای متمایز کردن واقعیت از اعتیاد به مواد مخدره ، چه سؤالاتی را باید بپرسید. درک این مطالب واقعاً امکان پذیر است - از این گذشته ، این علم موشک نیست. این فقط محاسبات کوانتومی است!