Квантовые компьютеры своими руками

roboforum.ru

Технический форум по робототехнике.

• Список форумов‹Общие вопросы‹Свободное общение
• Изменить размер шрифта
• Версия для печати

• Магазин
• Правила
• Wiki
• FAQ
• Регистрация
• Вход

Квантовый комп своими руками

Квантовый комп своими руками

Кирилл Дмитриенко » 23 янв 2014, 21:41

Не пинайте сразу)) понимаю, что утопия .

Но, может таки есть чудо-варианты создать за недорого сабж.?

Хотя бы на несколько кубитов))

Re: Квантовый комп своими руками

Nesenin » 23 янв 2014, 21:48

Re: Квантовый комп своими руками

Кирилл Дмитриенко » 23 янв 2014, 21:57

Re: Квантовый комп своими руками

Nesenin » 23 янв 2014, 22:08

Re: Квантовый комп своими руками

setar » 23 янв 2014, 22:17

варианты есть.
но математически сложно рассчитывать.
я плохо владею деталями, объясню как понял сам.
метод был случайно обнаружен в одной из лабораторий СССР при попытках создать испытательный стенд для радиолокационных установок более компактный чем натурные испытания на летающих объектах.
суть в том что кусок металла непосредственно перед облучением (или синхронно?) радаром облучали вторым радаром, тем самым модулируя отраженный сигнал.
Модулирующим сигналом удалось получить весьма различающийся отраженный сигнал для испытуемого радара.
Если вдуматься в суть процесса становится понятно что это по сути квантовый компьютер.

Добавлено спустя 1 минуту 35 секунд:

Re: Квантовый комп своими руками

Nesenin » 23 янв 2014, 22:38

Re: Квантовый комп своими руками

Кирилл Дмитриенко » 23 янв 2014, 22:52

Спасибо! Попробую копать в этом направлении.

Интересный эффект облучения металла.

Re: Квантовый комп своими руками

noonv » 24 янв 2014, 08:33

Re: Квантовый комп своими руками

setar » 24 янв 2014, 10:12

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 7

Источник

Простейший проект квантового компьютера: подробно разбираем, почему его так сложно создать

Классический кубик Рубика имеет 43 252 003 274 489 856 000 различных состояний. Вы можете задаться вопросом, как люди могут взять запутанный кубик и вернуть его в исходное состояние, когда на каждой стороне остается только один цвет. Некоторые люди могут сделать это даже с завязанными глазами, покрутив кубик несколько секунд перед этим. Однако это перестает казаться фантастикой, потому что есть базовый набор правил, которые всегда позволяют восстановить кубик в его первоначальное состояние за 20 ходов или даже меньше.

Управление квантовым компьютером во многом похоже на решение кубика Рубика с завязанными глазами: начальное состояние хорошо известно, и существует ограниченный набор базовых элементов (кубитов), которыми можно управлять с помощью простого набора правил — по сути это вращение вектора, представляющего квантовое состояние системы. Но наблюдение за системой во время этих манипуляций ведет к суровому наказанию: если вы посмотрите слишком рано, вычисление не удастся. Это потому, что нам разрешено просматривать только конечное состояние машины.

Мощь квантового компьютера заключается в том, что система может быть помещена в комбинацию очень большого числа состояний. Иногда этот факт используется для доказательства того, что невозможно построить или управлять квантовым компьютером: суть этой аргументации в том, что число параметров, необходимых для описания его состояний, будет просто слишком большим.

Да, это будет довольно сложная инженерная задача — управлять квантовым компьютером и следить за тем, чтобы на его состояние не влияли различные источники ошибок. Однако трудность заключается не в его сложных квантовых состояниях, а в том, чтобы убедиться, что основной набор управляющих сигналов делает то, что он должен делать, и что кубиты ведут себя так, как вы ожидаете от них.

Если инженеры смогут понять, как это сделать, квантовые компьютеры могут однажды начать решать задачи, недоступные классическим компьютерам. Квантовые компьютеры могут взламывать шифрование, которое считается непобедимым. И они могут способствовать открытию новых лекарств, совершенствованию систем машинного обучения, решению чрезвычайно сложных логистических задач и так далее.

Ожидания действительно высоки, и технологические компании и правительства делают ставку на квантовые компьютеры на суммы в миллиарды долларов. Но это все еще риск, потому что те же квантово-механические эффекты, которые обещают такую ​​большую вычислительную мощность, также делают эти машины очень чувствительными и трудными в управлении.

Неужели так будет всегда? Основное различие между классическим суперкомпьютером и квантовым компьютером состоит в том, что последний использует определенные квантово-механические эффекты для манипулирования данными абсолютно не интуитивным способом. Разумеется, в рамках данной статьи мы не будем погружаться в дебри математики, мы лишь рассмотрим основные инженерные проблемы и стратегии их решения.

В то время как обычные классические компьютеры манипулируют битами (двоичными цифрами), каждый из которых должен иметь значение 0 или 1, квантовые компьютеры работают с квантовыми битами или кубитами. В отличие от классических битов, кубиты могут использовать квантово-механический эффект, называемый суперпозицией, позволяющий кубиту находиться в состоянии, в котором он имеет определенное количество нулей и определенное количество единиц. Коэффициенты, которые описывают, сколько единиц и нулей имеет кубит, являются комплексными числами, что означает, что они имеют как действительные, так и мнимые части.

В компьютере с несколькими кубитами вы можете создавать их совершенно особым образом — так, что состояние одного кубита не может быть описано независимо от состояния других. Это явление называется запутанностью. Состояния, которые возможны для нескольких запутанных кубитов, являются более сложными, чем состояния для одного кубита.

Два классических бита могут иметь значения только 00, 01, 10 или 11, а вот два запутанных кубита могут быть помещены в суперпозицию этих четырех основных состояний. То есть запутанная пара кубитов может иметь определенное количество 00, определенное количество 01, определенное количество 10 и определенное количество 11. Три запутанных кубита могут находиться в суперпозиции уже восьми основных состояний. Иными словами, n кубитов могут находиться в суперпозиции 2 n состояний. Когда вы выполняете операции с этими n запутанными кубитами, все по сути происходит так, как если бы вы работали с 2 n битами информации одновременно.

Операции, которые вы проделываете с кубитом, похожи на вращения кубика Рубика. Однако глобальная разница тут в том, что квантовые вращения никогда не бывают идеальными. Из-за определенных ограничений в качестве управляющих сигналов и чувствительности кубитов операция, предназначенная, образно, для поворота кубита на 90 градусов, может закончиться поворотом, скажем, на 90.1 градус или на 89.9 градусов. Такие ошибки могут показаться небольшими, но они быстро складываются, что приводит к совершенно неправильным результатам.

Другой источник ошибок — декогеренция: сами по себе кубиты будут постепенно терять информацию, которую они содержат, а также терять свою запутанность. Это происходит из-за того, что кубиты в некоторой степени взаимодействуют с окружающей средой, даже с учетом того, что они находятся в субстрате, который был разработан для их изоляции.

Вы можете компенсировать эффекты неточности управления и декогеренции, используя так называемое квантовое исправление ошибок, но это требует больших затрат с точки зрения количества требуемых физических кубитов и объема вычислений, которые необходимо выполнить с ними.

Как только эти технические проблемы будут преодолены, квантовые компьютеры станут полезными для определенных специальных видов вычислений. После выполнения квантового алгоритма машина будет измерять свое конечное состояние. Теоретически это измерение даст с большой долей вероятности правильное решение математической задачи, которую классический компьютер не смог бы решить за разумный период времени.

Так как же начать разработку квантового компьютера? В инженерном деле рекомендуется разбивать основные функции машины на группы, схожие по своей природе или требуемой производительности. Эти функциональные группы затем можно легко сопоставить с аппаратным обеспечением. Исследователи из IBM, Google, Intel и других компаний решили разделить функции, необходимые для квантового компьютера, на пять основных групп, концептуально представленных пятью уровнями управления.

Схема квантового компьютера. Где там мой паяльник?

Итак, давайте рассмотрим этот пятислойный торт. «Вишенка» — это прикладной слой, который не является частью самого квантового компьютера, но тем не менее является ключевой частью всей системы. Он представляет собой все, что необходимо для создания соответствующих квантовых алгоритмов: среду программирования, операционную систему для квантового компьютера, пользовательский интерфейс и так далее.

Алгоритмы, составленные с использованием этого слоя, могут быть полностью квантовыми, но они могут также включать комбинацию классической и квантовой частей. Прикладной слой не должен зависеть от типа оборудования, используемого в уровнях под ним.

Непосредственно под прикладным слоем находится слой классической обработки, который имеет три основные функции. Во-первых, он оптимизирует запускаемый квантовый алгоритм и компилирует его в микроинструкции. Это аналогично тому, что происходит в классическом процессоре, который обрабатывает множество микроинструкций для каждой инструкции машинного кода, которую он должен выполнить.

Этот слой также обрабатывает измерения квантового состояния, возвращаемые аппаратным обеспечением в нижележащих слоях, которые могут быть превращены в классический алгоритм для получения конечных результатов. Слой классической обработки также заботится о калибровке и настройке, необходимых для корректной работы нижележащих слоев.

Под классическим слоем находятся слои цифровой, аналоговой и квантовой обработки, которые вместе составляют блок квантовой обработки данных (quantum processing unit, QPU). Между тремя слоями QPU существует тесная связь, и конструкция одного будет сильно зависеть от двух других. Теперь более подробно рассмотрим каждый из этих слоев, двигаясь сверху вниз.

Слой цифровой обработки преобразует микроинструкции в импульсы, виды сигналов, необходимые для манипулирования кубитами, позволяя им действовать как квантовые логические элементы. Точнее, этот слой предоставляет цифровые определения того, какими должны быть эти аналоговые импульсы. Сами аналоговые импульсы генерируются в слое аналоговой обработки QPU. Цифровой слой также передает результаты измерений квантовой задачи в слой классической обработки над ним, так что квантовое решение можно комбинировать с результатами, вычисленными классически.

Прямо сейчас с этими задачами теоретически могут справиться мощные суперкомпьютеры. Но когда в квантовые компьютеры будет добавлена коррекция ошибок, уровень цифровой обработки данных станет намного сложнее — иными словами, его уже не получится эмулировать на классических процессорах.

В завершающей части статьи мы поговорим про два оставшихся слоя, а также про проблемы коррекции ошибок и декогеренции, и затронем сложности создания квантовых компьютеров с сотнями кубитов.

Источник

Простейший проект квантового компьютера: продолжаем разбираться, почему его так сложно создать

Продолжаем говорить о модели простейшего квантового компьютера. Для понимания происходящего ниже рекомендуем ознакомиться с первой частью материала.

Уровень аналоговой обработки создает различные виды сигналов, посылаемых на кубиты, находящиеся уровнем ниже. В основном это определенные уровни напряжения, а также скачки и всплески микроволновых импульсов, которые модулируются по фазе и амплитуде для выполнения необходимых операций с кубитами. Эти операции выполняются с кубитами, соединенными вместе, чтобы сформировать квантовые логические элементы, которые используются для выполнения общего вычисления в соответствии с конкретным квантовым алгоритмом.

Хотя сгенерировать такой сигнал технически несложно, здесь есть значительные препятствия, когда речь идет об управлении сразу большим числом сигналов, которые понадобятся для практического использования реального квантового компьютера. Во-первых, сигналы, отправляемые на разные кубиты, должны быть синхронизированы в пикосекундных временных масштабах. Сложно описать малость этого промежутка времени. Например, самолет, летящий со скоростью в 800 км/ч, за это время сдвинется лишь на миллионную долю миллиметра. Во-вторых, вам нужен какой-то способ передать эти разные сигналы разным кубитам, чтобы заставить их делать разные вещи. Это очень серьезная проблема.

В современных маломасштабных системах, где всего несколько десятков кубитов, каждый кубит настроен на свою собственную частоту — представьте себе, что это радиоприемник, настроенный на определенный канал. Вы можете передать данные кубиту, послав их на определенной частоте. Это действительно работает, но эта стратегия не масштабируется.

Причина в том, что сигналы, посылаемые кубиту, должны иметь разумную полосу пропускания — скажем, 10 мегагерц. А если компьютер содержит миллион кубитов, то для такой сигнальной системы потребуется полоса пропускания в 10 терагерц, что просто невозможно в современных реалиях. Также невозможно построить миллион отдельных «линий связи», чтобы посылать данные каждому кубиту на одинаковой частоте.

Решение, вероятно, будет включать сочетание частотного и пространственного мультиплексирования (то есть уплотнение канала). Кубиты будут изготавливаться группами, причем каждый кубит в группе настраивается на свою частоту. Квантовый компьютер будет содержать много таких групп, и все они будут подключены к аналоговой сети связи, которая позволит генерировать сигнал, на который «отзовется» только определенная группа кубитов. Правильно настроив частоту сигнала и сетевые подключения, вы сможете манипулировать целевым кубитом или набором кубитов, не затрагивая другие.

Такой подход должен работать, но такое мультиплексирование с аналоговой связью имеет свою цену: а именно неточности в управлении. Остается определить, как можно преодолеть такие неточности.

В современных квантовых системах слои цифровой и аналоговой обработки работают в основном при комнатной температуре. Только следующий за ними слой квантовой обработки, который и содержит кубиты, имеет температуру вблизи абсолютного нуля. Но по мере увеличения числа кубитов в будущих системах электронику, составляющую все эти три слоя, несомненно, придется интегрировать в один общий криогенный чип.

Некоторые компании в настоящее время строят то, что можно назвать предварительными прототипами, основанными главным образом на сверхпроводящих кубитах. Эти машины содержат максимум несколько десятков кубитов и способны выполнять от десятков до сотен когерентных квантовых операций. К компаниям, придерживающимся такого подхода, относятся технологические гиганты Google, IBM и Intel.

Увеличив число линий управления, инженеры могут расширить существующие квантовые архитектуры до нескольких сотен кубитов, но это максимум. А то короткое время, в течение которого эти кубиты остаются когерентными (то есть запутанными) — на сегодня это примерно 50 микросекунд — будет ограничивать количество квантовых операций, которые могут быть выполнены до того, как расчеты утонут в ошибках.

Учитывая эти ограничения, основное применение, которое можно ожидать для систем с несколькими сотнями кубитов — это своеобразные ускорители для обычных суперкомпьютеров. Конкретные задачи, с которыми квантовый компьютер работает быстрее, будут отправлены с суперкомпьютера на квантовый компьютер, а результаты затем будут возвращены на суперкомпьютер для дальнейшей обработки.

Квантовый компьютер в некотором смысле будет действовать как видеокарта в вашем ПК, выполняя определенные расчеты, такие как обучение нейросетей или рендер видео, намного быстрее, чем обычный процессор.

Квантовый компьютер от IBM, работает с 50 кубитами.

На следующем этапе развития квантовых компьютеров построение прикладного уровня будет довольно простым. Уровень цифровой обработки также будет относительно простым. Но построить все три слоя, которые составляют QPU (quantum processing unit, блок квантовой обработки данных), будет непросто.

Современные технологии изготовления не позволяют получить полностью однородные кубиты. Так что разные кубиты имеют немного разные свойства. Эта неоднородность, в свою очередь, требует адаптации аналогового уровня QPU к конкретным кубитам, которые он контролирует. Необходимость настройки усложняет процесс построения QPU. Гораздо большая однородность при изготовлении кубитов избавит от необходимости настраивать то, что происходит в аналоговом слое, и позволит мультиплексировать управляющие и измерительные сигналы.

Мультиплексирование потребуется для числа кубитов больше нескольких сотен — крупные компании будут способны создавать такие квантовые компьютеры через 5-10 лет, если получится настроить коррекцию ошибок. Основная идея такой коррекции достаточно проста: вместо хранения данных в одном физическом кубите, большое число физических кубитов объединяются в один логический кубит, в котором несколько физических кубитов становятся коррекционными.

Такая квантовая коррекция ошибок может решить фундаментальную проблему декогеренции, но для этого потребуется от 100 до 10000 физических кубитов на один логический кубит. И это не единственное препятствие. Реализация исправления ошибок потребует наличия петли обратной связи с высокой пропускной способностью и низкой задержкой, охватывающей все три уровня QPU.

Остается выяснить, какой из множества типов кубитов, с которыми сейчас экспериментируют — сверхпроводящие схемы, спиновые кубиты, фотонные системы, ионные ловушки, азото-замещенные вакансии и т.д. — окажется наиболее подходящим для создания логических кубитов, необходимых для исправления ошибок. Независимо от того, что окажется лучше, уже ясно, что успех потребует упаковывания и контроля сотен тысяч и даже миллионов физических кубитов, если не больше.

Что подводит нас к главному вопросу: действительно ли это можно сделать? Миллионы кубитов должны контролироваться непрерывными аналоговыми сигналами. Это сложно, но ни в коем случае не невозможно. Исследователи подсчитали, что если бы однородность кубитов можно было улучшить на несколько порядков, то управляющие сигналы, используемые для исправления ошибок, можно было бы мультиплексировать, и конструкция аналогового слоя стала бы простой, а цифровой слой управлял бы схемой мультиплексирования. Такие будущие QPU не потребуют миллионов цифровых соединений, а лишь нескольких сотен или тысяч, которые могут быть построены с использованием современных методов проектирования и изготовления интегральных схем.

Чип D-Wave, имеющий 128 кубитов. Не является основой для полноценного квантового компьютера, так как может выполнять только ограниченный набор вычислений.

Более сложная задача вполне может оказаться на стороне измерений: чипу нужно будет выполнять многие тысячи измерений в секунду. Эти измерения должны быть спроектированы таким образом, чтобы они не влияли на квантовую информацию (которая остается неизвестной до конца расчета), в то же время выявляя и исправляя любые ошибки, возникающие во время вычислений. Измерение состояния миллионов кубитов тысячи раз в секунду потребует кардинальных изменений в философии измерений.

Современный способ измерения кубитов требует демодуляции (детектирования) и оцифровки аналогового сигнала. При частоте измерений в килогерцы с миллионами кубитов в машине общая цифровая пропускная способность будет петабайт в секунду. Это слишком большой объем данных для обработки с использованием современных методов, которые подразумевают связь между электроникой, находящейся при комнатной температуре, и кубитами, которые работают при температуре около абсолютного нуля.

Очевидно, что аналоговый и цифровой уровни QPU должны быть интегрированы со слоем квантовой обработки на одном чипе, с некоторыми реализованными там умными схемами для предварительной обработки и мультиплексирования измерений. К счастью, для обработки, выполняемой для исправления ошибок, не все измерения кубитов должны быть переданы на цифровой уровень. Это необходимо сделать только в том случае, если локальная схема обнаруживает ошибку, которая резко снижает требуемую цифровую полосу пропускания.

То, что происходит в квантовом слое, фундаментально определяет, насколько хорошо будет работать компьютер. Несовершенство кубитов означает, что вам понадобится большее их количество для исправления ошибок, и по мере того, как эти несовершенства становятся все хуже, требования к вашему квантовому компьютеру резко вырастают за пределы текущей реальности. Но верно и обратное: улучшение качества кубитов может дорого обойтись инженерам, но это очень быстро окупит себя.

На нынешнем этапе предпрототипирования квантовых вычислений управление отдельными кубитами по-прежнему неизбежно: требуется получить максимальную отдачу от тех немногих кубитов, которые у нас сейчас есть. Однако вскоре, по мере увеличения числа доступных кубитов, исследователям придется разрабатывать системы для мультиплексирования управляющих сигналов и измерения кубитов.

Криопроцессор Intel — по сути прототип объединения обычного и квантового компьютера.

Следующим значительным шагом станет введение элементарных форм исправления ошибок. Первоначально будет два параллельных пути развития, один с исправлением ошибок, а другой — без, но квантовые компьютеры с коррекцией ошибок в конечном итоге будут доминировать. Просто не существует другого пути к созданию квантовой машины, которая сможет выполнять реальные задачи.

Чтобы подготовиться к этому, проектировщикам чипов, инженерам-технологам по изготовлению микросхем, специалистам по криогенному контролю, экспертам в области обработки массовых данных, разработчикам квантовых алгоритмов и другим людям необходимо будет тесно сотрудничать, что тоже непросто.

Такое сложное сотрудничество выиграло бы от международной дорожной карты квантовой инженерии. Таким образом, различные необходимые задачи могут быть возложены на различные группы задействованных специалистов, а издатели «дорожной карты» будут управлять коммуникацией между группами. Объединив усилия университетов, научно-исследовательских институтов и коммерческих компаний, человечество сможет преуспеть в создании практических квантовых компьютеров, получив таким образом огромные вычислительные мощности для будущих расчетов.

Источник