Основы квантовых вычислений
Сами основы квантовых вычислений и то, как они разработаны. Он также предоставит точную информацию о принципах квантовой теории, которые помогут работать с квантовыми вычислениями. Цель состоит в том, чтобы помочь вам понять эту новую возрастную технологию и ее преимущества.
Рекомендуемый уровень
промежуточный
Что такое квантовые вычисления «0» o «1», только одно из четырех возможных состояний может существовать в любое время в пространстве. Однако в квантовом состоянии суперпозиции все четыре возможных состояния могут сосуществовать во времени и пространстве одновременно
Мало того, что эти чрезвычайно интересные принципы, они необходимы для обеспечения вычислительной мощности для расчета сложных проблем. Одним из примеров является целочисленная факторизация с использованием алгоритма Шора; он состоит из двух частей, первая часть изменяет проблему от нахождения фактора простого числа до нахождения периода функции. Вторая часть алгоритма отвечает за нахождение периода с использованием квантового преобразования Фурье. Проблема может быть оценена в пять шагов, чтобы вывести простой коэффициент заданного целого числа.
1. Выбирается случайное положительное целое число m <n и вычисляется gcd (m, n) в полиномиальное время с использованием евклидова алгоритма. Если gcd (m, n) ≠ 1, то был найден существенный первичный множитель n и задача решена. Если gcd (m, n) = 1, переходите к шагу 2.
2. Квантовый компьютер используется для вывода неизвестного периода P последовательности.
$$ \ text {x mod n, } x ^ {2} text {mod n, } x ^ {3} text {mod n, } x ^ {4} text {mod n, …} $ $
3. Если P окажется нечетным целым числом, шаг 1 повторяется. Если P четное, переходите к шагу 4.
4. Поскольку период P четный, $$ (m ^ {P / 2} -1) (m ^ {P / 2} -1) = m ^ {P} -1 = \ text {0 mod n} $$
Если m P / 2 + 1 = 0 mod n, то шаг 1 повторяется. Если m P / 2 + 1 ≠ 0, переходите к шагу 5.
5. Наконец, d = gcd (m P / 2 - 1, n) вычисляется с использованием евклидова алгоритма. Так как m P / 2 + 1 ≠ 0 mod n доказано на шаге 4, можно показать, что d является значительным простым множителем n.
Ниже приведен пример того, как n = 91 (= 7 * 13) можно факторизовать с использованием алгоритма Шора
1. Случайное положительное целое число m = 3 выбрано так, что gcd (91, 3) = 1
2. Период P задается формулой
$$ f (a) = 3 ^ {a} text {mod} 91 $$
Алгоритм Шора используется для нахождения периода на квантовом компьютере для нахождения периода P = 6.
3. Поскольку период P четный, переходим к шагу 4.
4. Так как уравнение не равно 0 mod 91, переходим к шагу 5.
$$ 3 ^ {P / 2} + 1 = 3 ^ {3} + 1 = 28 ≠ 0 \ text {mod} 91 $$
5. См. Ниже
$$ d = gcd (3 ^ {P / 2} - 1, 91) = gcd (3 ^ {3} - 1, 91) = gcd (26, 91) = 13 $$
Благодаря тщательным вычислениям и использованию квантового компьютера был найден существенный простой коэффициент d = 13 из n = 91.
Практичность квантовых компьютеров
Компания D-Wave Systems продает крупнейший квантовый компьютер, который когда-либо был построен. Такие компании, как Google и NASA, заплатили за машину чуть более 10 миллионов долларов. Хотя у этих компаний есть средства для приобретения такого устройства, его приложения не так бесконечны, как можно было бы подумать. Google использует машину D-Wave Two для создания аналогичного квантового компьютера, который может решать только такие задачи оптимизации, как искусственный интеллект и более быстрый веб-поиск для пользователей. В то время как НАСА использует систему для улучшения планирования миссий, распознавания образов и управления воздушным движением.
На данный момент Google и NASA используют только D-Wave Two для создания собственного квантового компьютерного оборудования. Было опубликовано исследование, в котором говорится, что эти квантовые компьютеры фактически не выполняют никакой механики квантовой физики; их сравнивают с такими же, как у классических компьютеров, и квантовый процессор иногда обнаруживается в 10 раз быстрее, но чаще, чем это было в 100 раз медленнее классического компьютера.
Из этих оценок квантовые вычислительные машины по-прежнему долго не считаются истинными квантовыми компьютерами. Физика и механика за ней прошли долгий путь с момента ее открытия, но ей также предстоит пройти долгий путь.
Эта технология - это то, что в один прекрасный день можно считать пригодным для всех, но сейчас компьютеры разрабатываются только для конкретных задач. D-Wave знает, что они далеко не видят развитую машину, которая сможет компьютеризировать и обрабатывать многочисленные задачи, но они нацелены на аудиторию в таких ведущих компаниях, как Google и NASA. Что касается сегодняшнего дня в области технологий, они не применимы ко всем, и классический компьютер, безусловно, может сделать почти все, что может сделать квантовый компьютер.
Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточную информацию в понимании приложений, концепций и конструкций того, как квантовые вычисления используются крупными компаниями и очень в зачаточном состоянии. Если у вас есть вопросы или замечания, не забудьте оставить комментарий!