Концепция за квантови изчисления. компилация

1. Резюме

Какво е квантовите изчисления?

Изчисленията донася малка промяна в изчислителната парадигма, която позволява да се приложи масивен паралелизъм при изчисляване на значителни изчислителни печалби, жертвани в детерминизма на класическите алгоритми.

За целта квантовият компютър се нуждае от частиците, които ще образуват кубитите, които го съставят, могат да бъдат едновременно в две състояния, което изисква почти пълна изолация и среда, която контролира и избягва всяко възможно взаимодействие на кубитите с други частици или радиация, което затруднява изграждането на реални квантови компютри, които могат да станат стабилни и това е причината, все още да не е приложен квантов компютър с достатъчен капацитет, а само прототипиране, което напредва малко по малко.

2. Въведение

Това е различна изчислителна парадигма от класическата. Той се основава на използването на кубити вместо битове и поражда нови логически порти, които правят възможни нови алгоритми.

2.1 Битове и кубити. Припокриваща се информация

В класическите компютри минималният обем на съхранена информация е битът. Атомната клетка памет може да съхранява едно от две възможни дискретни състояния, 0 или 1. Приложението на квантовата механика към концепцията за бита е това, което позволява раждането на квантовия бит или кубит (квантов бит): клетка на паметта които могат да бъдат в едно от двете състояния (0 или 1) или в определена суперпозиция на двете.

Това означава, че с регистър от N кубита могат да бъдат представени до 2 ^ N различни стойности. И извършването на операция върху регистър на кубит ще го прави върху всички стойности, които са насложени в регистъра. Това масово приложение на паралелни изчисления е това, което можем да наречем под тълкуването на Еверет „опериране на безкрайните паралелни вселени“, тоест върху различните реалности (или стойности), които регистърът на кубитите може да съдържа по това време. Например, ако имате 10-кубитен регистър, тогава същият регистър може да съхранява до 1024 стойности наведнъж, тоест суперпозицията на всички възможни стойности, които десетте класически бита биха могли да приемат. Работейки с този регистър,Тази операция ще бъде приложена към всички възможни стойности на регистъра, така че в този случай 1024 операции ще бъдат извършени за цената на една единствена. Ясно е, че силата на системата ще нараства експоненциално спрямо броя на кубитите, които могат да бъдат групирани в регистър.

3. Произход на квантовите изчисления

Идеята за квантовите изчисления възниква през 1981 г., когато Пол Бениоф излага теорията си, за да се възползва от квантовите закони в изчислителната среда. Вместо да работи на нивото на електрическите напрежения, човек работи на ниво колко. При цифровите изчисления битът може да приеме само две стойности: 0 или 1. При квантовите изчисления, от друга страна, се намесват законите на квантовата механика и частицата може да бъде в кохерентна суперпозиция: тя може да бъде 0,1 и може да бъде 0 и 1 едновременно (две ортогонални състояния на субатомна частица). Това позволява да се извършват няколко операции едновременно, в зависимост от броя на кубитите.

4. Характеристики

Докато при изчисленията, които използваме днес, всеки бит може да се появи в алтернативни и директни състояния едновременно, при квантовите изчисления всеки бит става множество състояния в един и същи момент. Благодарение на това можем експоненциално да намалим времето, използвано от текущите алгоритми. Има архитектура, много подобна на тази, която имаме в момента, която беше много успешна в теоретичната област и чиято реализация зависи от бъдещото внедряване на квантов компютър.

Квантовите учени постигнаха огромен теоретичен напредък, демонстрирайки, че драстичното намаляване на изчислителните ресурси, необходими за изпълнение на алгоритми, е възможно, някои от които изискват голяма част от изчислителната мощност в най-модерните компютри, които съществуват днес. Някои от теоретично много успешните примери са разработени по-горе търсене на основни фактори или търсене на несортирани бази данни. Теоретичната основа на квантовите изчисления се основава на взаимодействията на атомния свят, както и на бъдещите реализации на квантовите компютри. В допълнение, той е един от методите с най-голямо бъдеще, тъй като предлага набор от огромни презентации и дори може да дублира най-модерните устройства за съхранение.

5. Квантово заплитане и телепортиране

Изненадваща концепция на квантовата механика е тази, известна като квантово заплитане или заплитане, при която две частици с неизвестно състояние са свързани така, че независимо от разстоянието, на което се намират, когато вълновата функция на една от частиците се срине, състоянието на свързващия му колега ще бъде определено в по-голяма или по-малка степен, дори когато тази друга частица е в независима система. Този ефект ще бъде приложен към кубита, като прави стойността, че някои от тях зависят от стойността, която наблюдаваме в други, което ни позволява да извършим това „филтриране“ на стойности, за които говорим, тъй като спазването на определена стойност в регистър напълно ще обуслови стойностите, които можем да наблюдаваме. в друг запис, който е свързан в първия.

Квантовата телепортация използва този принцип и ни позволява да извлечем информацията, която съдържа кубит с неизвестно състояние, където и да е далеч от първоначалния кубит, като по този начин транспортира цялата информация, която споменатия кубит съдържа в друг кубит. Ще използваме преплитането на два кубита като канал за предаване: ще управляваме кубита, който искаме да транспортираме с един от преплетените кубити, причинявайки срив на информацията и на двамата и получаване на два класически бита заедно с преплитания кубит, който не се срива. Тези два класически бита вече могат да се управляват заедно с преплетения кубит, което ни позволява да възстановим информацията, съдържаща кубита за транспортиране. Това ни позволява да изпращаме информацията, съдържаща неизвестен кубит на състояние, на друго място,без да губи информацията и без риск, че по време на изпращането кубитът взаимодейства с разрушената система информацията, която съдържа.

5.1 Примери за приложения на квантовите изчисления

Две интересни приложения за квантови изчисления са представени по-долу.

Алгоритъм на Shor за определяне на число:

В момента факторирането на цели числа в прости числа е едно от най-големите изчислителни предизвикателства в съществуването. Най-известните алгоритми за факторизация не решават проблема в приемливо време, те имат ефективност на (O (e ^ (a * log⁡ (a)))), с n размера на числата на числото и последния практически резултат получени предполагаеми 18 месеца изчисление (за 50 години "изчислително време"), за да изчислим 200 цифри.

Това се използва в областта на криптирането, за да се създадат ключове, които включват познаване на факторите на голям брой, които трябва да бъдат декриптирани.

В този случай квантовите изчисления ни обещават страхотни резултати, осигурявайки квантовия алгоритъм на Шор, който трансформира проблема с намирането на основните коефициенти на число в проблема за намиране на периода на определена функция и след това се възползва от предимствата на квантовите изчисления за оценка на функцията във всичките й точки наведнъж, намиране на периода на функцията почти сигурно и постигане на спестяване на време за изчисление до достигане на ефективност от (0 (log (〖n)〗 ^ 3)).

Лесно може да се види как печалбата в този случай между класическия алгоритъм и квантовия алгоритъм има абизматична разлика.

Алгоритъм на Grover за намиране на разхвърлян набор:

Можем да намерим друг пример за предимствата на квантовите алгоритми в алгоритъма на Гроувър за търсене на елемент над неразреден набор.

Класически, ефективността на търсене в неуредичен набор от размер n е, разбира се, O (n). Алгоритъмът на Гроувър успява да подобри този път до O (√n).

Въпреки че печалбата може да не изглежда толкова впечатляваща, както в предишния случай, приложенията са много по-важни, тъй като това може да се използва за ускоряване на всеки алгоритъм, който частично или изцяло се основава на изчерпателно търсене по набора от възможни решения.

Shor vs Alg. класически

Учените

Хиперкомпютри (отвъд Тюринг).

Пол Бениоф, Ричард Файнман, Дейвид Дойч, Лов Гроув, Сийт Лойд, Мичио Каку и др.

6. Предимства на квантовите изчисления

В обобщение, предимствата на квантовите изчисления са масовото приложение на паралелни приложения и способността да се предлагат нови решения на проблеми, които не са разбираеми от квантовите изчисления поради високата му изчислителна цена.

Въпреки това, въпреки изброените предимства, квантовият компютър ще бъде ефективен само за даден набор от задачи. Това означава, че ще има определени функции, при които няма да е предимство да се използва квантова технология пред съвременните класически изчисления.

6.1 Проблеми на квантовите изчисления

Една от основните пречки за квантовите изчисления е проблемът с квантовата кохерентност, който причинява загуба на унитарния характер на стъпките на квантовия алгоритъм.

Друг основен проблем е мащабируемостта, особено предвид значителното нарастване на кубитите, необходими за всяко изчисление, което включва коригиране на грешки. За никоя от предлаганите в момента системи не е тривиален дизайн, способен да обработва достатъчно голям брой кубити, за да реши изчислително интересни проблеми днес.

7. Хардуер за квантови изчисления

Проблемът, че хардуерът би бил идеален за квантовите изчисления, все още не е решен, серия от условия, които трябва да бъдат изпълнени, известни като списъка на Di Vinzenzo, са определени и в момента има няколко кандидата.

Условия за изпълнение

Системата трябва да може да бъде инициализирана, тоест доведе до известно и контролирано начално състояние.

Ha de ser posibles manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas.

El sistema ha de mantener su coherencia cuantica a lo largo del experimento.

Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.

El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.

7.1 Transmisión de datos y procesadores

Científicos de los laboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron, en noviembre de 2005, en la revista Nature, resultados sobre la transmisión cuantica, usando la luz como vehículo, a distancias de 100 kilómetros. Los resultados dan niveles de éxito en las transmisiones del 70 %, lo que representa un nivel de calidad que permite utilizar protocolos de transmisión con auto corrección.

Actualmente se trabaja en el diseño de repetidores que permitirían transmitir información a distancias mayores a las ya alcanzadas.

En 2004, científicos del instituto de Física aplicada de la universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan la información cuantica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuantica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores que son el corazón de las computadoras actuales. Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de cien mil puertas de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano

8. Tipos de computación

– Computación clásica- ley de Moore.– Computación molecular (nano tecnología).-Más allá de las leyes física clásica. 2020 fin- almacenamiento 3D algunos años más.-Computación cuantica: algoritmos

9. Conclusión

Fin de la computación clásicaDificultades de la computación cuanticaÁmbito de investigación.Posibles problemas para criptografía.

10. Referencias

Baila Martínez, S. (2005). Computación Cuantica. http://www.sargue.netAlejo Plana, M.A. (2001). El ordenador cuántico. http://www.um.es/docencia/campoyl/cuantico.PDFSalas Peralta,P.J.(2006). Corrección de errores en ordenadores cuánticos. Revista española de física (Enero- Marzo, 2006).http://www.babab.com/no12/ordenadores.htmhttps://www.youtube.com/watch¿v=sXyCHdEbmcMhttp://www.microsiervos.com/archivos/ordenadores/ordenador-cuantico-apagado.htmlhttp://www.microsiervos.com/archivos/ordenadores/computacion-cuantica.htmlhttp://www.sociedadelainformacion.com/física/ordenadorescuanticos.htmhttp://www.amazings.com/ciencia/noticias/041102ª.html