Тенденции в квантовите изчисления


Тенденции в квантовите изчисления

Квантовите изчисления са областта на изследване, фокусирана върху разработването на компютърни технологии, базирани на принципите на квантовата теория.

Десетки милиарди публични и частни капитали се инвестират в квантовите технологии. Държавите по света осъзнаха, че квантовите технологии могат да бъдат основен разрушител на съществуващия бизнес, те заедно са инвестирали 24 милиарда долара в квантови изследвания и приложения през 2021 г.

quantum_research_and_applications.jpeg

Сравнение на класическите и квантовите изчисления

Какво е квантово изчисление

Класически компютри разчита на своето крайно ниво на принципи, изразени от булева алгебра. Данните трябва да се обработват в изключително двоично състояние по всяко време или това, което наричаме битове. Докато времето, което всеки транзистор или кондензатор трябва да бъде в 0 или 1 преди превключване на състояния, сега се измерва в милиардни от секундата, все още има ограничение за това колко бързо тези устройства могат да бъдат накарани да превключват състоянието.

Докато напредваме към по-малки и по-бързи вериги, ние започваме да достигаме физическите граници на материалите и прага за прилагане на класическите закони на физиката. Отвъд това, квантовият свят поема, в квантовия компютър, редица елементарни частици като електрони или фотони могат да бъдат използвани или с техните зареждане или поляризация действащ като представяне на 0 и/или 1. Всяка от тези частици е известна като квантов бит, или кубит, естеството и поведението на тези частици формират основата на квантовите изчисления. Класическите компютри използват транзистори като физически градивни елементи на логиката, докато квантовите компютри могат да използват уловени йони, свръхпроводящи контури, квантови точки или свободни места в диамант.

Физически срещу логически кубити

Когато обсъждаме квантовите компютри с корекция на грешки, говорим за физически и логически кубити. Физическите кубити са физическите кубити в квантовите компютри, докато логическите кубити са групи от физически кубити, които използваме като единичен кубит в нашето изчисление, за да се борим с шума и да подобрим корекцията на грешки.

За да илюстрираме това, нека разгледаме пример за квантов компютър със 100 кубита. Да кажем, че този компютър е податлив на шум, за да коригираме това, можем да използваме множество кубити, за да образуваме един по-стабилен кубит. Може да решим, че ни трябват 10 физически кубита, за да образуваме един приемлив логически кубит. В този случай бихме казали, че нашият квантов компютър има 100 физически кубита, които използваме като 10 логически кубита.

Разграничаването между физически и логически кубити е важно. Има много оценки за това колко кубити ще са ни необходими, за да извършим определени изчисления, но някои от тези оценки говорят за логически кубити, а други говорят за физически кубити. Например: За да разбием RSA криптографията, ще ни трябват хиляди логически кубити, но милиони физически кубити.

Друго нещо, което трябва да имате предвид, в класическия компютър изчислителната мощност нараства линейно с броя на транзисторите и тактовата честота, докато в квантов компютър изчислителната мощност нараства експоненциално с добавянето на всеки логически кубит.

Квантова суперпозиция и заплитане

Двата най-важни аспекта на квантовата физика са принципите на суперпозиция и заплитане.

Суперпозиция: Мислете за кубита като електрон в магнитно поле. Спинът на електрона може да бъде или в съответствие с полето, което е известно като състояние на завъртане нагоре, или противоположно на полето, което е известно като състояние на спин надолу. Според квантовия закон частицата влиза в суперпозиция от състояния, в която се държи така, сякаш се намира в двете състояния едновременно. Всеки използван кубит може да приеме суперпозиция както от 0, така и от 1. Когато 2-битов регистър в обикновен компютър може да съхранява само една от четирите двоични конфигурации (00, 01, 10 или 11) във всеки даден момент, 2-кубит регистър в квантов компютър може да съхранява и четирите числа едновременно, тъй като всеки кубит представлява две стойности. Ако се добавят повече кубити, увеличеният капацитет се разширява експоненциално.

Преплитачиt: Частиците, които са взаимодействали в даден момент, запазват вид връзка и могат да бъдат заплетени една с друга по двойки, в процес, известен като корелация. Познаването на състоянието на въртене на една заплетена частица – нагоре или надолу – позволява да се знае, че въртенето на нейната половинка е в обратна посока. Квантовото заплитане позволява на кубити, които са разделени от невероятни разстояния, да взаимодействат помежду си мигновено (без ограничение до скоростта на светлината). Без значение колко голямо е разстоянието между корелираните частици, те ще останат заплетени, докато са изолирани. Взети заедно, квантовата суперпозиция и заплитането създават изключително подобрена изчислителна мощност.

Quantum_Computers_Categories.jpeg

Квантовите компютри попадат в четири категории:

  1. Квантов емулатор/симулатор
  2. Квантов отпалител
  3. Шумен квант с междинна скала (NISQ)
  4. Универсален квантов компютър – който може да бъде криптографски релевантен квантов компютър (CRQC)

Квантов емулатор/симулатор

Това са класически компютри, които можете да закупите днес, които симулират квантови алгоритми. Те улесняват тестването и отстраняването на грешки в квантов алгоритъм, който някой ден може да бъде в състояние да работи на универсален квантов компютър (UQC). Тъй като не използват квантов хардуер, те не са по-бързи от стандартните компютри.

Квантов отпалител

Квантов компютър със специално предназначение, предназначен да изпълнява само проблеми с комбинаторна оптимизация, а не проблеми с изчисления с общо предназначение или криптографски проблеми. Въпреки че имат повече физически кубити от всяка друга текуща система, те не са организирани като базирани на порт логически кубити. В момента това е комерсиална технология в търсене на бъдещ жизнеспособен пазар.

Шумни средномащабни квантови компютри (NISQ).

Мислете за тези като прототипи на универсален квантов компютър – с няколко порядъка по-малко битове. Понастоящем те имат 50-100 кубита, ограничени дълбочини на портата и кратко време на кохерентност. Тъй като има няколко порядъка на Qubits, компютрите NISQ не могат да извършват никакви полезни изчисления, но те са необходима фаза в обучението, особено за управление на цялостното системно и софтуерно обучение успоредно с хардуерната разработка. Мислете за тях като за тренировъчните колела за бъдещи универсални квантови компютри.

Универсални квантови компютри / криптографски релевантни квантови компютри (CRQC)

Това е крайната цел. Ако можете да създадете универсален квантов компютър с толерантност на грешки (т.е. милиони коригирани с грешки физически кубити, които водят до хиляди логически кубити), бихте могли да изпълнявате квантови алгоритми в криптографията, търсенето и оптимизацията, симулациите на квантови системи и решаващите линейни уравнения.

Постквантови / квантово устойчиви кодове

Новите криптографски системи ще бъдат защитени както срещу квантовите, така и срещу конвенционалните компютри и могат да взаимодействат със съществуващите комуникационни протоколи и мрежи. Симетричните ключови алгоритми на пакета за търговски алгоритъм за национална сигурност (CNSA) бяха избрани да бъдат защитени за използване на национални системи за сигурност, дори ако е разработен CRQC. Криптографските схеми, които търговската индустрия смята, че са квантово безопасни, включват криптография, базирана на решетка, хеш дървета, многовариантни уравнения и свръхсингулярни изогенни елиптични криви.

Трудности с квантовите компютри

От какво са направени квантовите компютри

Интерференция – По време на фазата на изчисление на квантово изчисление, най-малкото смущение в квантовата система (да речем, бездомен фотон или вълна от ЕМ лъчение) причинява колапс на квантовото изчисление, процес, известен като декохерентност. Квантовият компютър трябва да бъде напълно изолиран от всички външни смущения по време на фазата на изчисление.

Поправка на грешка – Като се има предвид естеството на квантовите изчисления, корекцията на грешки е изключително критична – дори една грешка в изчислението може да доведе до колапс на валидността на цялото изчисление.

Спазване на изхода – Тясно свързано с горните две, извличането на изходни данни след квантово изчисление е пълно, рискува да повреди данните.