Saspiestās gaismas un kvantu pulksteņa ātrumi

Pasaulē ātrākais dators ir Tianhe-2 superdators Nacionālajā superdatoru centrā Guandžou, Ķīnā. Tas sastāv no 16 000 datoru mezglu, katrā no kuriem ir divi Intel Ivy Bridge Xeon procesori un trīs Xeon Phi kopprocesori. Tie kopā padara to spējīgu veikt 33,86 kvadriljonus peldošā komata aprēķinus sekundē, kas ir vairāk nekā jebkura cita skaitļošanas iekārta uz planētas.

Skaidrs, ka aprēķinu veikšanai pieejamie resursi ir izšķirošais faktors tā veiktspējā, un aprēķinu skaits sekundē ir labs ceļvedis datora jaudai.

Bet kvantu datora jaudas kvantitatīva noteikšana ir daudz grūtāka. Šīs skaitļošanas ierīces var veikt aprēķinus, kas pārsniedz parastās apstrādes iekārtas. Un tomēr resursi, kas viņiem nepieciešami, lai veiktu šo triku, ir slikti saprotami.

Noteikti spēlējamo kvantu bitu skaitam ir izšķiroša nozīme, taču arī aprēķinos ietverto sapīšanās apjomu. Un tas noved pie mīklas: dažiem kvantu skaitļošanas veidiem ir nepieciešams augsts sapīšanās līmenis, savukārt citiem gandrīz nav vajadzīgs, lai veiktu līdzīgas darbības. Tātad, kāds ir resurss, kas piešķir kvantu aprēķiniem to īpašo spēku?

Šodien mēs saņemam sava veida atbildi, pateicoties Nanas Liu darbam Oksfordas Universitātē Apvienotajā Karalistē un dažiem draugiem, kuri ir atraduši veidu, kā novērtēt kvantu datoru veiktspēju, izmantojot vienu parametru, kas darbojas kā sava veida kvants. pulksteņa ātrums. Tas ļauj pirmo reizi salīdzināt dažāda veida kvantu aprēķinus vienlīdzīgos konkurences apstākļos.

Vispirms nedaudz fona. Kvantu skaitļošanas pamatideja ir tāda, ka kvantu objekts var pastāvēt stāvokļu superpozīcijā un tādējādi vienlaikus kā 0 un 1. Lai veiktu aprēķinu, šo informāciju var apvienot ar citu kvantu objektu pārvadāto informāciju. Bet vienas aprēķina vietā kvantu aprēķins ļauj veikt divus vai vairākus aprēķinus vienlaikus, pa vienam katram no superpozīcijā esošajiem skaitļiem.

Tas ir kvantu datoru iespējamā paātrinājuma izcelsme. Un, lai gan viens kvantu bits var apstrādāt divus skaitļus, divi kvantu biti var apstrādāt četrus skaitļus, trīs kubuti ar astoņiem skaitļiem, četri kubiti 16 skaitļus utt. Tātad kvantu aprēķini tiek eksponenciāli mērogoti ar kubitu skaitu.

Bet šeit ir vēl viens faktors: veids, kā kubiti tiek apvienoti un ar tiem tiek manipulēti. Viens veids, kā to izdarīt, ir sapīt kubitus. Sapīšanās ir ziņkārīgs process, kurā divi kvantu objekti kļūst tik cieši saistīti, ka tiem ir viena un tā pati eksistence. Tātad mērījums, kas veikts vienam, uzreiz ietekmē otru neatkarīgi no tā, cik tālu tas ir.

Tas ļauj aprēķinus, piemēram, faktoringu, veikt ar ātrumu, kas ļautu Tianhe-2 izskatīties kā kabatas kalkulators. (Vismaz teorētiski. Fiziķi vēl nav pārvarējuši ievērojamās tehniskās problēmas, veidojot jaudīgus kvantu datorus.)

Bet dažos kvantu aprēķinu veidos šķiet, ka ir nepieciešama ļoti maza sapīšanās, ja tāda vispār ir. Ievērojams piemērs tiek saukts par deterministisko kvantu aprēķinu ar vienu kubitu. Tas var atrisināt noteiktus aprēķinu veidus ātrāk nekā jebkurš parasts dators. Bet neviens nezina, cik daudz vairāk vai mazāk spēcīga ir šī aprēķina garša, salīdzinot, teiksim, ar kvantu faktoringu, jo nekad nav bijis iespējas tos salīdzināt. Līdz šim brīdim.

Lui un co ir atklājuši pilnīgi jaunu veidu, kā veikt kvantu aprēķinus, kas ļauj pirmo reizi salīdzināt dažādas aprēķinu garšas. Viņu pieeja balstās uz fenomenu, ko sauc par kvantu izspiešanu. Tas ir veids, kā manipulēt ar sapinušies fotoniem, lai samazinātu ar tiem saistīto fona vakuuma troksni.

Šis triks ir balstīts uz Heizenberga nenoteiktības principu, ka ir iespējams precīzi izmērīt fotona pozīciju vai tā impulsu, bet ne abus vienlaikus. Tas pats attiecas uz citām kvantu īpašībām, piemēram, enerģiju un laiku vai leņķi un leņķisko impulsu — vienmēr pastāv kompromiss, zinot vienu vai otru.

Šis princips ļauj fiziķiem samazināt troksni, kas saistīts ar sapinušies fotoniem, kad tie tiek atklāti, padarot tos mazāk izmērāmus citās vietās - procesu, kas pazīstams kā kvantu saspiešana. Tas ir ļoti svarīgi, jo trokšņa daudzuma samazināšana ļauj mērījumus padarīt daudz precīzākus. Un izspiešanas apjoms ir precīzi nosakāms, tāpēc ir viegli redzēt, cik daudz no šīs kvantu īpašības tiek izmantots.

Tas Liu un co radīja ideju. Tā kā daudzos kvantu skaitļošanas veidos ir izmantoti fotoni, tie parastos fotonus aizstāja ar izspiestām versijām. Pēc tam katrā aprēķinā iesaistīto kvantitāti varētu precīzi noteikt pēc saspiešanas apjoma, kas nepieciešams to veikšanai. Liu un co mērīja to qumodes, tāpēc arī papīra nosaukums.

Rezultāti rada interesantu lasīšanu. Liu un kolēģi saka, ka deterministiskajai kvantu aprēķināšanai ar vienu kubitu nav nepieciešama nulles saspiešana, un tāpēc tā atrodas kvantu pulksteņa ātrumu hierarhijas apakšā.

Turpretim kvantu faktoringam nepieciešamā saspiešanas apjoms ir atkarīgs no faktoringa skaitļa lieluma. Patiešām, saspiešanas apjoms palielinās eksponenciāli, jo skaits kļūst lielāks.

Tas ļauj pirmo reizi salīdzināt šos divus kvantu skaitļošanas veidus. Tas ievieš jaunu perspektīvu, kurā domāt par kvantu algoritmu hierarhijām, teiksim Liu un citi.

Tam vajadzētu noderēt nākotnē. Un ir interesants secinājums, kas saistīts ar kvantu skaitļošanu, ko tagad veic tādas organizācijas kā Google un NASA, pateicoties skaitļošanas ierīcei, ko pārdod uzņēmums D-Wave Systems.

Šī iekārta aprēķināšanai izmanto kvantu rūdīšanu, taču tā ir ļoti pretrunīga. D-Wave uzstāj, ka dažu veidu aprēķinos iekārta ir eksponenciāli ātrāka nekā parastie datori. Taču daudzi fiziķi ir dziļi skeptiski, sakot, ka tai trūkst būtiskā kvantitātes, kas nepieciešams, lai veiktu apgalvotos skaitļošanas varoņdarbus.

Varbūt jaunā kvantu izspiešanas pieeja var palīdzēt. Ja tas nodrošina godīgu veidu, kā salīdzināt D-Wave mašīnas veiktspēju ar citiem kvantu skaitļošanas veidiem, šīs debates varētu tikt pārtrauktas. Un tam vajadzētu ļaut droši pateikt, vai šī tehnika kādreiz novedīs pie mašīnas, kas ir jaudīgāka par Tianhe-2.

Atsauce: arxiv.org/abs/1510.04758 : Vienas Kumodes spēks

paslēpties