Класическото кубче на Рубик има 43 252 003 274 489 856 000 различни състояния. Може би се питате как така хората могат да вземат едно разбъркано кубче на Рубик и да го подредят по такъв начин, че всяка страна да е с един и същи цвят. Някои хора могат да направят това дори и със затворени очи, след като разгледат кубчето за няколко секунди. Това съвсем не е фантастика, понеже има около 20 базови правила, които дават възможност за бързо подреждане на кубчето за не повече от 20 хода.

Управлението на квантовия компютър в много отношения прилича на подреждането на кубчето на Рубик със затворени очи: началното състояние е добре известно, а базовите елементи (кубитите) са ограничен брой и се управляват с помощта на несложен комплект правила. Това би могло да се опише като вектор, който представя квантовото състояние на системата. Но наблюдаването на системата по време на тази манипулации се наказва строго: ако погледнете твърде рано, изчислението няма да се получи. Ето защо, съвсем като примера с кубчето на Рубик, може да се види само крайното състояние на машината.

Мощта на квантовия компютър е в това, че системата може да приема огромен брой комбинации. Понякога този факт се изтъква като доказателство за това, че е невъзможно да се изгради и управлява квантов компютър – идеята на този аргумент е, че броят параметри за описване на неговото състояние е твърде голям.

Да, това ще бъде сложна инженерна задача – да се управлява квантовия компютър и да се следи на неговото състояние да не влияят различните източници на грешки. Но тук възниква друг въпрос – трудността не е в големия брой сложни квантови състояния, а в това, как да се убедим, че комплектът управляващи сигнали прави именно това, което трябва и че кубитите се държат както се очаква.

Ако специалистите успеят да разберат как да направят това, то квантовите компютри ще започнат да решават задачи, недостъпни са класическите компютри. Квантовите компютри могат да разбият всяко криптиране, което днес се счита за непобедимо. Те могат неимоверно да ускорят откриването на нови лекарства, да усъвършенстват системите за машинно обучение, да решат и най-сложните логистични задачи и още много други.

Очакванията са наистина много големи и технологичните компании и правителствата дават милиарди долари за създаването и усъвършенстването на нови квантови компютри. Но тези инвестиции все още са твърде рискови, понеже тези мощни изчислителни машини са твърде чувствителни към погрешностите и трудно се управляват.

Нима винаги ще бъде така? Основната разлика между класическия суперкомпютър и квантовия компютър е в това, че вторият използва квантово-механични ефекти за манипулиране на данните, което обаче се осъществява по абсолютно неинтуитивен начин. Нека да разгледаме основните инженерни проблеми на квантовите компютри и стратегиите за тяхното решаване.

Докато обикновените класически компютри използват битове (двоични числа), всеки от който може да има значение 0 или 1, квантовите компютри работят с квантови битове (кубити). За разлика от класическите битове, кубитите използват квантовия ефект суперпозиция, при който кубитът се намира в състояние, в което има определен брой нули и определено количество единици. Коефициентите, които описват колко точно единици и нули има даден кубит са комплексни числа, които имат реално и имагинерни части.

С квантов компютър само с няколко кубита, състоянието на един от тези кубити не може да бъде описано независимо от състоянието на другите кубити. Това явление се нарича квантово заплитане. Състоянията в които се намират няколко кубита са много по-сложни от състоянието на единичния кубит и многократно по-сложни от състоянията на няколко класически бита.

Два класически бита могат да имат състояния 00, 01, 10 или 11, но два заплетни кубита могат да бъдат в суперпозиция спрямо тези четири основни състояния. Тоест заплетената двойка кубити може да имат определен брой 00, определен брой 01, определен брой 10 и 11. Три заплетени кубита вече могат да са в суперпозиция спрямо осем основни състояния. С други думи, n на брой кубити могат да са в суперпозиция на 2n състояния. Когато се извършват операции с n заплетени кубита, всичко се осъществява сякаш едновременно работите с 2n бита информация.

Операциите, които се извършват с кубитите, приличат на въртенето на страните на кубчето на Рубик. Но глобалната разлика между тези действия, е че квантовите завъртания никога не са идеални. Заради някои ограниченият в качеството на управляващите сигнали и чувствителността на кубитите, операцията, с която образно казано, трябва да се направи завъртане на 90 градуса, приключва с 90,1 или 89,9 градуса. Тези грешки не изглеждат големи, но бързо се натрупват, което води до съвсем неправилни резултати.

Друг източник на грешки е декохеренцията: кубитите от само себе си постепенно губят информацията, която съдържат и губят своята заплетеност. Това става защото кубитите в известна степен взаимодействат с външната среда, въпреки че се намират в много добре изолиран субстрат.

Правят се опити за компенсиране ефектите на неточност на управлението и декохеренцията чрез квантово коригиране на грешките. Това изисква повече физически кубити, част от които се използват за корекция на грешките и засега това е едно перспективно решение.

След като тези технически проблеми бъдат преодолени, квантовите компютри ще станат полезни за определени специални видове изчисления. Предлага се след завършването на квантовия алгоритъм машината да измерва своето крайно състояние. Теоретично, това измерване значително увеличава вероятността за правилно решение на поставената задача, която класическият компютър не може да реши за разумен период от време.

Откъде в такъв случай да започнем разработването на квантов компютър? В информатиката се препоръчва основните функции на изчислителната машина да се разделят на групи, сходни по природа и/или производителност. Тези функционални групи след това се съпоставят със съответния хардуер. Специалистите на IBM, Google, Intel и други компании разделиха основните функции на квантовите компютри на пет основни групи, концептуално представени като пет нива на управление.

Нека да разгледаме тази торта от пет пласта. „Вишната на тортата“ е Приложният слой, който всъщност не е част от самия квантов компютър, но е ключова част на цялата система. Той предоставя всичко необходимо необходимо за създаването на съответните квантови алгоритми: средата за програмиране, операционната система на квантовия компютър, потребителския интерфейс и т.н.

Алгоритмите, съставени с използването на този слой, могат да бъдат изцяло квантови, но могат да включват комбинации от класически и квантови части. Приложният слой не трябва да зависи от типа оборудване и от хардуера, използван в нивата под него.

Непосредствено под приложния слой се намира слоят за класическа обработка, който има три основни функции. Първо, той оптимизира стартирания квантов алгоритъм и го разделя на на микроинструкции. Това е аналогично на процесите в класическия процесор, който извършва поредици от микроинструкции за всяка една процесорна команда, който той трябва да изпълни. Слоят за класическа обработка се грижи и за калибрирането и настройката, необходими за работата на по-долните слоеве.

Под класическия слой се намират слоевете за цифрова, аналогова и квантова обработка на данните, които съвместно образуват блока за квантова обработка на данните (quantum processing unit, QPU). Между тези три слоя има тясна връзка и конструкцията на единия от тях силно зависи от другите два.

Нека разгледаме малко по-подробно всеки един от тези три слоя като се движим отгоре надолу.

Слоят за цифрова обработка преобразува микроинструкциите в импулси – в сигнали за манипулиране на кубитите и им дава възможност да работят като квантови логически елементи. По-точно, този слой е цифровото определение за това, какви точно трябва да бъдат тези аналогови импулси. Самите аналогови импулси се генерират в слоя за аналогова обработка (QPU). Също така, цифровият слой прехвърля резултатите от измерванията на квантовата задача към слоя за класическа обработка над него и по този начин квантовото решение може да се комбинира с резултатите, изчислени по класическия начин.

Квантовите задачи, които се решават към днешен ден, теоретично могат да бъдат решени с помощта на съвременните суперкомпютри. Но когато в квантовите компютри бъде добавена квантовата корекция на грешките, нивото на обработка на данните ще стане толкова високо, че няма да може да се емулира от нито един суперкомпютър с класически процесори.

 


Край на първа част. В следващата част ще разгледаме по-подробно квантовата корекция на грешките, декохеренцията и сложността в създаването на квантови компютри със стотици кубити.


Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iOS и Huawei!

Абонирай се
Извести ме за
guest

0 Коментара
Отзиви
Всички коментари