Tartışma | Kuantum Hesaplamaya Karşı Nedenler
Kuantum hesaplama bugün çok popüler. Haber medyası neredeyse her gün ilgili haberleri yayınlar. Aslında, insanlar onlarca yıldır kuantum hesaplama üzerinde çalışıyorlar, ancak herhangi bir pratik sonuç elde edemediler, çoğu yorumcu bu gerçeği unutmuş veya gizlemiştir. IBM, kuantum bilgisayarların "malzemeler ve ilaç geliştirme, karmaşık sistemlerin optimizasyonu ve yapay zeka dahil olmak üzere birçok disiplinde atılımlar yapabileceğine" dikkat çekti. Microsoft, kuantum bilgisayarların "ekonomik, endüstriyel, akademik ve sosyal alanlarımızı kalıcı olarak değiştireceğini" garanti eder. Gazeteciler, kuantum bilgisayarların yakında interneti koruyan şifreleme teknolojisini kırabileceklerine defalarca işaret ettiler. Bu, çeşitli fizik alanlarındaki birçok araştırmacıyı, araştırma çalışmalarının kuantum hesaplama ile ilgili olduğunu kanıtlamaları gerektiğini hissettiriyor.
Aynı zamanda, devlet araştırma kurumları, akademik departmanlar (çoğu devlet kurumları tarafından finanse edilmektedir) ve kurumsal laboratuvarlar da her yıl milyarlarca dolara mal olan kuantum bilgisayarları geliştirmek için çok çalışıyorlar. Wall Street'in Morgan Stanley Yatırım Şirketi ve diğer finans devleri, kuantum hesaplamanın mümkün olan en kısa sürede olgunlaşmasını bekliyor ve bu teknolojinin onlara nasıl yardımcı olabileceğini anlamaya can atıyor.
Bir bakıma bu, kendi başına ayakta kalabilecek gibi görünen bir silahlanma yarışına dönüştü ve birçok kuruluş sırf geride kalmamak için bu yarışa katılıyor. Google, IBM ve Microsoft gibi şirketlerin dünyanın en iyi teknik yeteneklerinden bazıları, kuantum bilişimin gelecekteki vizyonunu gerçekleştirmek için modern laboratuvarlarda çok sayıda kaynak kullanıyor.
Bunun ışığında, doğal olarak sorularımız var: ne zaman pratik bir kuantum bilgisayar yapabiliriz? En iyimser tahmin, bunun 5 ila 10 yıl daha alacağı yönünde. Daha fazla insan, bunun 20 ila 30 yıl alacağına inanarak tahminlerinde daha temkinli davranıyor. (Aslında, bazı insanlar son 20 yılda benzer tahminlerde bulundular.) Ve benim görüşüm çok küçük, bence kuantum bilgisayarlar "öngörülebilir gelecekte gerçekleştirilmeyecek." Kuantum teorisi ve yoğun madde fiziği üzerine onlarca yıllık araştırmalardan sonra, çok karamsar sonuçlara vardım. Çünkü kuantum hesaplamanın çalışması için üstesinden gelinmesi gereken teknik zorlukları iyi biliyorum.
Kuantum hesaplama kavramı yaklaşık 40 yıl önce doğdu. 1980 yılında, kuantum hesaplama ilk olarak şu anda Almanya Bonn'daki Max Planck Matematik Enstitüsü'nde çalışan bir Rus matematikçi olan Yuri Manin tarafından önerildi, ancak o zamanlar hala belirsiz bir kavramdı. . Ertesi yıl, California Institute of Technology'de fizikçi olan Richard Feynman'ın resmi olarak bu konsepti önermesiyle gerçekten ünlendi.
Feynman, sansür altındaki kuantum sisteminin bir bilgisayar tarafından simüle edilemeyecek kadar karmaşık olduğunu fark ettiğinde, "bilgisayarın kendisi kuantum modunda çalışmalıdır" görüşünü ileri sürdü. "Doğa klasik müzik değildir. Simüle etmek istiyorsanız. Doğal olarak, kuantum mekaniğiyle başlamak en iyisidir. Bu harika bir problem çünkü o kadar basit görünmüyor. Birkaç yıl sonra, Oxford Üniversitesi'nden David Deutsch (David Deutsch) bir fizikçi resmi olarak önerdi Evrensel kuantum bilgisayar kavramı, evrensel bir Turing makinesine karşılık gelir.
Bu konsept o zamanlar fazla ilgi görmedi. 1994 yılına kadar matematikçi Peter Sho (o zamanlar Bell Labs'ta ve şimdi de Massachusetts Institute of Technology'de) çok büyük sayılarla başa çıkabilen ideal bir kuantum bilgisayar için uygun bir algoritma önerdi. Çarpanlara ayırma hızı, geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlıdır. Bu olağanüstü teorik sonuç, insanların kuantum hesaplamaya olan yoğun ilgisini uyandırdı. O zamandan beri, teori ile ilgili binlerce araştırma makalesi (çoğunlukla teorik araştırma) yayınlandı ve büyüme oranı gittikçe hızlanıyor (bu makaledeki "gökyüzüne uçmak" tablosuna bakın).
Kuantum hesaplamanın temel kavramı, bilgileri depolamak ve işlemek için geleneksel bilgisayarlardan tamamen farklı bir yöntem kullanan klasik fiziğe dayanır. Sonuç olarak, geleneksel bir bilgisayarın çalışmasının, çok sayıda minik transistörün, açma-kapama anahtarına benzer bir çalışma prensibi ile manipüle edilmesiyle gerçekleştirildiği düşünülebilir.Açma-kapama anahtarı, bilgisayar saat döngüsünün durumunu değiştirebilir.
Herhangi bir saat döngüsündeki geleneksel bir bilgisayarın başlangıç durumu, fiziksel olarak tek bir transistörün durumuna karşılık gelen uzun bir ikili sayı dizisi olarak kabul edilebilir. N transistör varsa, bilgisayarın 2N durumu olabilir. Böyle bir makinede gerçekleştirilen hesaplamalar, esas olarak transistörlerin anahtar durumlarının önceden belirlenmiş bir prosedüre göre değiştirilmesinden oluşur.
Kuantum hesaplamada, geleneksel iki durumlu devre elemanlarının (transistörler) yerini kübit veya kübit adı verilen kuantum elemanları alır. Geleneksel bitler gibi, kübitlerin de iki temel durumu vardır. Birçok fiziksel nesne makul kübit olarak kullanılabilir.Bunlardan en basit olanı elektronların iç açısal momentumudur, yani özel kuantum özelliklerine sahip spin, yani herhangi bir koordinat ekseninde sadece iki olası çıkıntı vardır: + 1 / 2 veya -1/2 (Planck sabiti ile ifade edilir). Hangi koordinat eksenini seçerseniz seçin, elektron spininin iki temel kuantum durumunu ve olarak ifade edebilirsiniz.
Bu garip bir şey. Kübitler için, yukarıdaki iki durum tek olası durum değildir. Çünkü bir elektronun spin durumu bir kuantum mekanik dalga fonksiyonu ile temsil edilir. Bu fonksiyon, her ikisi de gerçek bir parça ve hayali bir parça içeren iki karmaşık sayı içerir - ve (kuantum genliği olarak adlandırılır). İki karmaşık sayı ve 'nin her biri belirli bir büyüklüğe sahiptir.Kantum mekaniğinin kurallarına göre, ikisinin karelerinin toplamı 1'e eşit olmalıdır.
Bunun nedeni, ikisinin karesinin, ölçüm sırasında elektron kuantum spininin temel durumu ve olasılığına karşılık gelmesidir. Bu, olası iki sonuçtur, bu nedenle iki ilgili olasılığın toplamı 1 olmalıdır. Örneğin, durumunda bir elektron bulma olasılığı 0,6 (% 60) ise, durumunda olma olasılığı 0,4 (% 40) olmalıdır - diğer tüm sonuçlar anlamsızdır.
Karşılaştırıldığında, geleneksel bir bit yalnızca iki temel durumdan biri olabilir ve bir kübit durumu, ve kuantum genliklerinin sayısal değerleri ile tanımlanan bir dizi sürekli durumdan herhangi biri olabilir. . Bu özellik için öylesine gizemli ve ürkütücü bir açıklama vardır: Bir kübit aynı anda ve olmak üzere iki durumda var olabilir.
Evet, kuantum mekaniği genellikle mantıksızdır, ancak bu kavram bu kadar kafa karıştırıcı bir dille ifade edilmemelidir. Bunun yerine, x-y düzleminde yatan ve x eksenine 45 derece eğimli bir vektör ile temsil edilebilir. Birisi bu vektörün hem x eksenini hem de y eksenini gösterdiğini söyleyebilir. Bu ifade bir anlamda doğrudur, ancak gerçekten kullanışlı bir açıklama değildir. Benim görüşüme göre, kübitlerin her iki durumda da ve exist var olduğunu söylemek faydasızdır. Ancak muhabirlerin bu şekilde açıklama yapması yaygındır.
İki kübitli bir sistemde (), ( ), ( ) ve () olarak yazılabilen 22 veya 4 temel durum vardır. Elbette bu iki kübit, 4 karmaşık sayı içeren bir kuantum mekanik dalga fonksiyonu ile de temsil edilebilir. Normal koşullar altında, N kübit içeren bir sistemin durumu, bu karmaşık sayıların karelerinin toplamının 1 olması şartıyla, 2N karmaşık sayı ile temsil edilir.
Herhangi bir anda bir N-bit geleneksel bilgisayarın durumu, 2N durumlarından biri olmalıdır.Bir N-kübit kuantum bilgisayarın durumu, bir dizi sürekli parametre olan her 2N genlik değeri ile temsil edilir (herhangi bir değer alınabilir) , Sadece 0 veya 1 değil). Bu, insanların kuantum bilgisayarların güçlü yeteneklere sahip olduğuna dair inancının kaynağıdır, ancak aynı zamanda kuantum bilgisayarların aşırı derecede savunmasız ve güvenlik riskleri olmasının da nedeni budur.
Peki bu makine bilgiyi nasıl işliyor? Bu parametreleri hassas ve kontrol edilebilir bir şekilde değiştirebilen "kuantum kapıları" olarak adlandırılan belirli dönüşüm türlerinin uygulanmasıyla elde edilir.
Uzman tahminlerine göre, eğer pratik bir kuantum bilgisayar, bir dizüstü bilgisayar gibi belirli yerleşik sorunları çözecekse, 10 ila 100.000 kübite ihtiyacı vardır. Bu nedenle, bu pratik kuantum bilgisayarın durumunu herhangi bir anda temsil etmek için kullanılan sürekli parametrelerin sayısı en az 21.000, yani yaklaşık 10.300 olmalıdır. Bu çok büyük bir sekans. Nekadar büyük? Gözlemlenebilir evrendeki atom altı parçacıkların sayısından çok daha büyüktür.
Bir kez daha: pratik bir kuantum bilgisayarın "gözlemlenebilir evrendeki atom altı parçacıkların sayısından çok bir dizi sürekli parametre ile uğraşması gerekir."
Geleceğin bu olası teknolojisine bu şekilde bakıldığında, sıradan mühendisler bile ilgisini kaybedecek. Ancak tartışmaya devam edelim. Gerçek dünyadaki herhangi bir bilgisayar için hataların etkisi dikkate alınmalıdır. Geleneksel bilgisayarlarda, bir veya daha fazla transistörün açılıp kapatılması gerekirse, hatalar meydana gelir ve bunun tersi de geçerlidir. Gereksiz hatalar meydana gelirse, bunlarla başa çıkmak için nispeten basit hata düzeltme yöntemleri kullanılabilir, bu da donanıma yerleşik bazı fazlalıkların kullanılmasını gerektirir.
Ve pratik bir kuantum bilgisayarın 10.300 sürekli parametreyi nasıl işlediğini, ilgili hataların nasıl her zaman kontrol edilebilir hale getirileceğini asla hayal edemezsiniz. Bununla birlikte, kuantum hesaplama teorisyenleri, halkı bunun mümkün olduğuna başarıyla ikna ettiler. Sözde eşik teoreminin bunun uygulanabilir olduğunu kanıtlayabileceğini iddia ediyorlar. Her bir kuantum geçidindeki her bir kübitin hatası belirli bir değerden daha az olduğunda, sonsuz uzunlukta kuantum hesaplamalarının şu anda gereken kübit sayısını büyük ölçüde artırma pahasına gerçekleştirmenin mümkün olduğuna işaret ettiler. Bu ek kübitlerle, hataları işlemek için mantıksal kübit oluşturmak için birden fazla fiziksel kübit kullanılabileceğine inanıyorlar.
Her mantıksal kübit için kaç fiziksel kübite ihtiyaç olduğunu kimse bilmiyor, ancak tahmin genellikle 1000 ila 100.000 arasındadır. Sonuç olarak, pratik bir kuantum bilgisayarı 1 milyon veya daha fazla kübit gerektirir ve bu varsayımsal kuantum bilgisayarın durumunu tanımlamak için kullanılan sürekli parametrelerin sayısı daha da saçmadır (1000 kübit için gereken parametre sayısı zaten Astronomik).
Bu inanılmaz derecede büyük sayıları dikkate almadan bile, birden fazla fiziksel kübiti pratik hesaplamalar için gerekli olan daha az mantıksal kübitle birleştirmenin net bir yolu yoktur. Bu gerçek düşündürücüdür, ne de olsa araştırma alanının her zaman temel amacı olmuştur.
21. yüzyılın başında, gelişmiş araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin talebi üzerine (ABD İstihbarat Teşkilatı'nın şu anda ABD İstihbarat İleri Araştırma Projeleri Ajansı'na dahil edilmiş olan bir finansman kurumu olan ARDA), kuantum bilgisi alanında olağanüstü uzmanlardan oluşan bir ekip bir kuantum hesaplama yol haritası geliştirdi . Yol haritasında belirlenen hedef, "50 fiziksel kübit hesaplaması elde etmek" ve "kuantum algoritmalarıyla ilgili basit bir örnek yürütmek için hataya dayanıklı kuantum hesaplama için gereken tüm işlemler boyunca birden çok mantıksal kübit çalıştırmaktır ..." . Şimdi 2019'dur ve yukarıdaki hedeflere henüz ulaşılmamıştır.
Kuantum hesaplamayla ilgili büyük miktardaki akademik literatür, açıkçası sadece deneyler için gerçek donanımın nasıl kullanılacağını incelemede kalır. Bildirilen birkaç deneyin uygulanması da son derece zordur ve saygı ve takdiri hak etmektedir.
Bu ilke kanıtı deneyinin amacı, temel kuantum işlemlerinin olasılığını göstermek ve önerilen kuantum algoritmasının belirli ilkelerini kanıtlamaktır. Bu hedefe ulaşmak için kullanılan kübit sayısı 10'dan az, genellikle 3 ila 5'tir. Açıktır ki, sayıyı 25 = 32'den 250'ye çıkarmakla eşdeğer olan 5 kübitten 50 kübite çıkmanın deneysel zorluğunun üstesinden gelmek zordur (ileri Ar-Ge faaliyetleri uzman grubu tarafından belirlenen 2012 hedefi). 842624.
Buna karşılık, kuantum hesaplama teorisinin milyonlarca kübitle başa çıkmada önemli bir zorluğu yok gibi görünüyor. Örneğin, hata oranı çalışmasında birçok gürültü modeli ele alınmıştır. "Yerel" gürültünün neden olduğu hatalar, büyük ölçüde paralel işleme (aynı anda farklı kübit çiftlerine binlerce kuantum kapısının uygulanması ve aynı anda binlerce ölçümün tamamlanması) dahil olmak üzere dikkatli tasarım ve çok akıllı yöntemlerle düzeltilebilir. Ve diğer beceriler, bu onaylandı (belirli varsayımlar altında).
15 yıl önce, gelişmiş Ar-Ge faaliyetlerinin uzman grubu şunları söyledi: Belirli varsayımlar altında, aşağıdaki sonuç çıkarılabilir: eğer her kuantum kapısı işlemi doğru bir kritik değer elde edebilirse, kuantum hata düzeltmesi, kuantum bilgisayarların bulanık hesaplamalar yapmasına izin verecektir. "Buradaki anahtar kelime" belirli varsayımlar altında "dır. Seçkin uzmanlardan oluşan grubun bu varsayımın karşılanıp karşılanamayacağını belirtmemiş olması üzücü.
Cevap verebileceklerini sanmıyorum. Gerçek dünyada, sürekli büyüklükler (voltaj değerleri veya kuantum mekanik dalga fonksiyonlarını tanımlayan parametreler) ne doğru bir şekilde ölçülemez veya işlenemez. Başka bir deyişle, herhangi bir sürekli değişken, sıfır dahil tam bir değer olamaz. Bir matematikçi için bu çok saçma olabilir, ancak herhangi bir mühendis bunun gerçek dünyada şüphesiz bir gerçek olduğunu bilir.
Tabii ki, bir sınıftaki öğrenci sayısı veya "açık" durumdaki transistörlerin sayısı gibi ayrı miktarlar doğru bir şekilde bilinebilir, ancak sürekli değişen miktarlar bilinemez. Aynı zamanda, geleneksel dijital bilgisayarlar ile varsayımsal kuantum bilgisayarlar arasındaki büyük farkın da nedeni budur.
Aslında, kübitin belirli bir durumda hazırlanması, kuantum geçidinin hesaplanması ve teorisyenlerin önerdiği ölçümün güvenilirliği gibi tüm varsayımlar tam olarak karşılanamaz. Aslında, bu varsayımlara ancak sınırlı bir kesinlik ile yaklaşılabilir. Bu nedenle, asıl soru şudur: Hangi doğruluk gereklidir? Örneğin, 2'nin karekökü (ilgili birçok kuantum işleminde yer alan irrasyonel bir sayı) hangi doğruluk koşullarında deneysel yöntemlerle hesaplanabilir? Yaklaşık değer 1,41 mi yoksa 1,41421356237 mi olmalı? Veya daha kesin değerlere mi ihtiyacınız var? Bu ve benzeri anahtar sorulara net cevaplar yok.
Şimdi insanlar kuantum bilgisayarlar yapmak için çeşitli stratejiler üzerinde çalışıyorlar. Birçoğu, en umut verici yöntemin, birbirine bağlı Josephson bağlantılarını çok düşük bir sıcaklığa (yaklaşık 10 millikelvin) soğutan bir kuantum sistemi kullanmak olduğunu düşünüyor.Bu yöntem ilk olarak Kanada'daki D-Wave Systems tarafından benimsenmiştir. Şimdi IBM, Google, Microsoft ve diğer şirketler bu yöntemi kullanıyor.
Nihai hedef, Shure algoritmasını kullanarak büyük sayıları çarpanlara ayırabilen ve Grover algoritmasını (Love Grover tarafından 1996'da Bell Labs'ta geliştirilmiştir) kullanan, geleneksel bilgisayarlardan daha üstün, genel amaçlı bir kuantum bilgisayar yaratmaktır. Veritabanı aramaları yapın ve özel kuantum bilgisayar uygulamalarını çalıştırın.
Donanımla ilgili daha fazla araştırma yapılıyor Son zamanlarda 49 kübitlik bir yonga (Intel), 50 kübitlik bir yonga (IBM) ve 72 kübitlik bir yonga (Google) geliştirildi. Araştırma faaliyetlerinin nihai sonuçları şu anda belirsiz çünkü bu şirketler araştırma çalışmasının ilgili ayrıntılarını açıklamadılar.
Bu tür deneysel araştırmaların büyük fayda sağladığını ve insanların karmaşık kuantum sistemlerini daha iyi anlamalarını sağlayabileceğini düşünmeme rağmen, bu çalışmaların pratik kuantum bilgisayarlar üretip üretemeyeceğinden hala şüpheliyim. Böyle bir bilgisayar, hayal edilemeyecek sayıda parametrelere sahip fiziksel bir sistemi mikroskobik düzeyde son derece yüksek bir hassasiyetle işleyebilmelidir ve her parametre sürekli değerler alabilir. Sistemin kuantum durumunu tanımlayan 10.300'den fazla sürekli değişken parametreyi kontrol etmeyi öğrenebilir miyiz?
Cevabım basit - hayır, asla işe yaramayacak.
Görünüşün aksine, insanların kuantum hesaplamaya duydukları coşkunun azalmak üzere olduğuna inanıyorum. Bunun nedeni, teknoloji veya bilim alanında herhangi bir ideal büyük baloncuğun ancak en fazla birkaç on yıl boyunca var olabilmesidir. Bir süre sonra yerine getirilmeyen çok fazla söz olacak ve bir atılımın gerçekleşmek üzere olduğu ancak önemli bir ilerlemenin tekrar tekrar açıklanmayacağı gerçeği bu konuyu takip edenleri rahatsız edecek. Ayrıca bu süreden sonra bu alandaki tüm kadrolu öğretim kadrosu kadroları da doldurulmuştur. Destekçiler yaşlanıyor, coşkuları azalıyor ve genç nesil başarılı olmak için yeni ve daha kolay şeyleri takip edecek.
Yukarıda bahsetmediğim konular ve diğer konular, insanların kuantum hesaplamanın olasılıklarını ciddi şekilde sorgulamasına neden olacak. Yalnızca birkaç kübit ve son derece zor temel deneylerin uygulanması ile yararlı hesaplamalar için binlerce ila milyonlarca kübite işlemesi gereken çok olgun kuantum hesaplama teorisi arasında büyük bir boşluk var. Kısa vadede bu boşluk giderilemez.
Kuantum hesaplama on yıllar önce ilk kez popüler hale geldiğinde, IBM fizikçisi Rolf Landauer (Rolf Landauer) bir uyarıda bulundu ve bence ilgili araştırmacılar yine de onun uyarısına kulak vermeli. Kuantum hesaplamanın destekçilerini yayınlarına bir sorumluluk reddi beyanı eklemeye çağırdı: "Bu çözüm, diğer tüm kuantum hesaplama çözümleri gibi, spekülasyon teknolojisinin geliştirilmesine dayanıyor ve mevcut biçimi henüz tüm olası gürültü kaynaklarını entegre etmedi. Güvenilmezlik ve üretim hatası dikkate alındığında, gelecekte doğru olmayabilir. "
Ne düşünüyorsunuz, lütfen paylaşmak için bir mesaj bırakın.
Kaynak: Yuezhi.com
