Как работает квантовый компьютер?

Question

[AndreyDmitriev]

Товарищи, а есть ли где-нибудь более-менее подробное описание архитектуры и принципа работы квантового компьютера, его криоустановки, но не для маркетологов, типа "даёшь больше кубитов", а для нормальных инженеров. Я как физик по образованию, прослушавший курс квантовой механики, примерно представляю как оно работает, в лаборатории физтеха занимался низкотемпературными экспериментами, но вот смотрю на вот эту систему и моих знаний честно говоря, недостаточно, чтобы объяснить назначение этих частей:

Comments

[Deita]

Спросил у нейронки:

Квантовый компьютер работает принципиально иначе, чем классический компьютер. В классическом компьютере данные хранятся в виде битов, которые могут принимать только два значения: 0 или 1. Квантовый компьютер использует кубиты, которые могут находиться в квантовой суперпозиции, то есть одновременно принимать оба значения.

Это свойство суперпозиции позволяет квантовому компьютеру выполнять вычисления, которые невозможно выполнить на классическом компьютере. Например, квантовый компьютер может одновременно проверять все возможные решения задачи, что позволяет ему решать задачи намного быстрее, чем классический компьютер.

Основными компонентами квантового компьютера являются:

Кубиты - квантовые объекты, которые могут хранить информацию. Кубиты могут быть реализованы в различных физических системах, например, в атомах, фотонах или ионах.
Квантовые вентили - устройства, которые позволяют управлять состоянием кубитов. Квантовые вентили могут выполнять различные операции над кубитами, например, изменять их состояние или их взаимосвязь друг с другом.
Квантовая память - устройство, которое позволяет сохранять информацию в квантовом состоянии. Квантовая память необходима для хранения данных между вычислениями.

Работа квантового компьютера состоит из следующих этапов:

Подготовка кубитов к вычислению. На этом этапе кубиты инициализируются в известное состояние.
Выполнение квантовых операций. На этом этапе кубиты подвергаются воздействию квантовых вентилей, которые выполняют над ними необходимые операции.
Измерение состояния кубитов. На этом этапе состояние кубитов измеряется, чтобы получить результат вычисления.

Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом для решения различных задач, таких как:

• Оптимизация
  
• Машинное обучение
  
• Распознавание образов
  
• Химические расчеты
  
• Криптография
  

Однако квантовые компьютеры все еще находятся на ранней стадии развития. Для их создания необходимо преодолеть ряд технических проблем, таких как стабильность кубитов, точность квантовых операций и масштабируемость квантовых систем.

Вот несколько примеров того, как квантовые компьютеры могут быть использованы в будущем:

Квантовые компьютеры могут использоваться для разработки новых лекарств и материалов.
Квантовые компьютеры могут использоваться для создания новых методов шифрования, которые будут недоступны для взлома.
Квантовые компьютеры могут использоваться для моделирования сложных физических систем, таких как климат или экономика.
Развитие квантовых компьютеров может привести к революционным изменениям в различных областях науки и техники.

Основные компоненты квантового компьютера можно разделить на три группы:

1. Квантовая плоскость данных (QPU) - это собственно квантовый процессор, который выполняет вычисления. QPU состоит из кубитов - квантовых объектов, которые могут хранить информацию. Кубиты могут быть реализованы в различных физических системах, например, в атомах, фотонах или ионах.
   
2. Плоскость управления и измерения (CMU) - это группа устройств, которые позволяют управлять состоянием кубитов и измерять их состояние. CMU включает в себя генераторы квантовых операций, детекторы квантовых состояний и другие устройства.
   
3. Плоскость процессора управления и процессора хостинга (MPU) - это группа устройств, которые обеспечивают управление QPU и взаимодействие с внешним миром. MPU включает в себя процессор управления, процессор хостинга и другие устройства.
   

[Василий Банников]

Deita, нейронка тут о принципах работы говорит, а тут вопрос скорее о том, почему он выглядит именно так, как выглядит. Для чего все эти трубки, почему оптика каким-то экраном закрыта, итд

[Deita]

Василий Банников, чтобы ответить на этот вопрос, можно взглянуть на первые компьютеры, у которых в основе их расчетов заложены 0 и 1. Там примерно такой же вид был. Досточки, палочки, подпорочки... Ну оно всё начинается с примитивизма, ответить детально где находится блок QPU, CMU, MPU чисто с образовательной точки зрения можно, или как они выглядят.

Что более детально каждый юнит делает, тоже можно найти в интернете, просто надо гуглить не на русском языке, а на английском, информации море. Можно ещё использовать для поиска не Google а Bing, там в последнее время информация айтишникам более релевантная выдается чем в гугле, это многие замечают.

Тостер, просто не то место, где сидят люди шарящие в подобных девайсах, даже поверхностно. Это место фронтендеров, бекендеров. По крупицам, собирать фотографии компонентов можно, их значения, принципы работы, но врядли кроме меня ктото это будет делать.

Для начала, можно начать смотреть каналы, подобного рода https://youtu.be/c0D8X4eN_Cg?si=Ys37seGdubVgpwsk
Но, опять же, там где это развивается, принято общаться на английском языке, и нейтив по любому учить придётся, тем более если в этом придётся в будущем както участвовать. Если, ктото думает, что достаточно будет только одного русского языка, чтобы в этот стрим присоединиться, то он очень заблуждается.

В не тематики ресурса, хоть и есть одноименный тег, и не на том языке поставлен вопрос. К сожалению, но тема прикольная, напоминает какойто поджанр научной фантастики 18 века.

[#]

AndreyDmitriev, если ты реально

Я как физик по образованию, прослушавший курс квантовой механики

че ты хочешь от прогеров и админов?
.. задачи по жизни у нас по проще

[#]

AndreyDmitriev мне интересна тематика. но даже мнением не хочу делится. только кратко - не верю что взлетят. почему? а тут пусть твои мозги вскипят.. ))

[#]

AndreyDmitriev, как

физик по образованию, прослушавший курс квантовой механики

как относишься к квантовому дарвинизму?

[Василий Банников]

#, ну квантовые компы уже вроде кое-где для криптографии используют и задач машинного обучения/оптимизации.
Тот же Microsoft Azure предлагает что-то. Но вроде пока только на эмуляции. Большого количества настоящего железа пока нет.
https://learn.microsoft.com/en-us/azure/quantum/in...
https://devblogs.microsoft.com/qsharp/azure-quantu...

Кажется сейчас, что тут как с LLM и всякими нейронками - пока железа и методик мало, оно никому и не нужно. Потом будет больше железа, больше примеров использования - будет такой же хайп.

[#]

Василий Банников, кхм.. как на счет квантового дарвинизма? ;))
есть мнение? ))

[#]

Василий Банников, скептицизм типичен для людей моего возраста )) но и не против прогресса )).. просто по теме вопроса, есть много мыслей далеко выходящих за рамки данного ресурса ))
.. ну а так то - поживем увидим. я не против, хотя и не верю ))

[AndreyDmitriev]

> как относишься к квантовому дарвинизму?
#, У меня пока никакого, мне бы для начала с устройством холодильника разобраться, а потом можно и про квантовый дарвинизм порассуждать. Насколько я понимаю, КД — это про то, как законы квантовой механики отражаются в реальном мире, а тут есть много неоднозначностей, даже чисто с математической точки зрения. Но для начала я хочу существующую матчасть изучить.

[Deita]

AndreyDmitriev,

мне бы для начала с устройством холодильника разобраться

[AndreyDmitriev]

Deita, Я тот, что в квантовом компьютере используется имел ввиду, ессно. Про бытовой мне всё и так понятно.

[Василий Банников]

#, мнения нет от того что впервые слышу термин
(Сходил и загуглил)
Концептуально звучит штука довольно странно, а то что ей пытаются объяснить, на мой взгляд, и так хорошо объясняется теорвером

[#]

Василий Банников, )).. не так уж и странно, после опыта эзотерики ;))
... говорил же.. вне рамок ресурса ))

[#]

AndreyDmitriev, а она есть? существующая матчасть? )))
.. принцип огромного влияния наблюдателя на этих уровнях, ни кто пока не опроверг ))
... и снова - некоторые тезисы выйдут за рамки ИТ ресурса ))
.. тот же Фритьеф Капра это пережил )))

[#]

AndreyDmitriev, эмм... рекомендую работы Фритьефа Капры ))

[#]

Василий Банников, и Вам тоже рекомендую работы Фритьефа Капры ))

[#]

AndreyDmitriev, Василий Банников, как минимум наверняка понравится, раз столько интереса к теме )). а уж с чем соглашаться... каждый волен на свой выбор )))

[Deita]

#, объедините сообщение в одно, чтобы удобно читать было другим

[AndreyDmitriev]

Deita, О, за видео спасибо, там по крайней мере ближе к концу показано распределение температуры в башне, и кажется я начинаю понимать назначение завитушек. С английским у меня особых проблем нет, просто теплилась надежда, что здесь есть кто-нибудь, у кого эта штука просто в соседней комнате стоит. Я раздобыл более двух сотен книжек по квантовым компьютерам (не спрашивайте где), пролистал пока штук двадцать, но ни в одной нет прямых ответов на мои вопросы. По криотехнике тоже вопросы - по Физтеху я помню, что жидкий гелий - это 4 Кельвина, но нам надо ниже 20 милликельвинов, и как-то оно там достигается. Ладно, пойду на англоязычные форумы.

[#]

Deita,

объедините сообщение в одно, чтобы удобно читать было другим

вы правы, есть импульсивность. но каждый уже получил извещения. а кому интересно - тоже обратят внимание ))
.. постараюсь в будущем учесть ваш совет ))

Answer 1

[Дмитрий Про]

В своей статье https://habr.com/ru/articles/759352/ я привожу фото интерферометра Маха-Цендера - это тоже простой квантовый комп , управляемый фазовращательными стеклышками на пути (точнее 2-х возможных путей - они же |0> и |1>) поляризованного лазерного луча. Тыж прог... то есть инженер - поймёшь, как их можно собрать в массив при достаточной мощности лазера и если стёклышки не поплавятся.
И да - в курсе лекций по квантовым вычислениям, которые я прослушивал, его предлагается собрать самому на плите дсп, лазерной указки, двух полузеркал и скотча в качестве поляризационных фильтров - и решить на нём алгоритм Дойча (кстати Дойч - это не мифический зверь - а вполне успешный чувак из Кембриджа).
Так что многие вещи порой слишком простые, но пены у моря всегда много, как и передастов ...

Comments

[AndreyDmitriev]

> фото интерферометра Маха-Цендера
да, про него я в общих чертах знаю, в одной книжке читал. Походу я разобрался с этими колечками - по сути эти трубочки - суть сверхпроводящие коаксиалы, и они банально сжимаются при охлаждении до 15-25 милликельвинов. Я - то думал что эти "резонаторы", но нет. Вся башня разделена пластинами, так там там температура довольно сильно меняется сверху донизу, там ступенчатое охлаждение. Ну и вот на этих коаксиалах делают такие завитки чтоб они не лопнули. Они проходят через пластины через специальные коннекторы и идут прямо к чипу, он внизу. Некоторые производители просто "волны" делают на них, а не колечки. С сине-зелёной лапшой слева - вот пока не понял, она есть в данном "компе", а некоторые и без неё обходятся. Ну ничего, разберусь.

[Deita]

AndreyDmitriev, накопленных знаний уже хватает на то, что бы хоть немного доказать что это не обман, а действительная технология которая способна на вычисления?

[Дмитрий Про]

Deita, Да.
Ещё в прошлом веке, когда учился в школе, делал опыты с интерференцией.
А по реализации алгоритма Дойча на интетферометре и видео можно загуглить.
И вообще - квантовые вычисления - это просто один из случаев, когда можно задействовать то, что обнаружено в ходе экспериментов.
Некоторые пытаются "объяснить", подчас создавая религию и тому подобное (это в сущности человеческой природы - создавать мифы про бога грома, чтобы объяснить гром).
Только не забывайте, что многие из таких объяснялок не являются материалистами - хотя и работают учёными/преподавателями/профессорами - ничего личного - просто бизнес.

[AndreyDmitriev]

Deita, в какой-то мере я и хочу с этим для себя разобраться. Хотя в квантовом компьютере наверняка есть определённые "пробелы" в понимании происходящих и наблюдаемых явлений, но в этом нет ничего страшного. Вот смотрите — чисто для примера, в конце 1895 года Вильгельм Конрад Рентген открыл неведомые доселе лучи, заслуженно получив за это шесть лет спустя Нобелевскую премию. Но! Он, поэкспериментировав с ними вдоволь, так до конца и не понял, что же именно он открыл, и как оно работает в деталях, хотя бы потому, что электрон (который в формировании этих лучей играет мягко говоря немаловажную роль), был открыт Томсоном лишь пару лет спустя, в 1897 году. Но и тут картинка была неполной, так как с атомной структурой, а также с тем, что происходит при соударении электрона с атомом более-менее разобрались лишь в начале следущего века, в 1914 году Резерфорд, Мозли, Франк и Герц, за что двое последних получили Нобелевку в 1925 (а у Резерфорда она уже и так была). Но очевидные "пробелы" в знаниях не мешали использовать рентгеновские лучи как в медицине, так и для примерки обуви (были такие прикольные автоматы в американских обувных мазагинах аж до 50х годов, безо всякой радиационной защиты). Я это к тому, что здесь мы скорее всего имеем примерно тоже самое - есть наблюдаемые явления и есть примерные объяснения, которые вполне могут быть уточнены или изменены в будущем (от событий, которые я выше описал, нас отделяет всего-насего сотня лет). Но магии и религии тут нет, в этом я точно уверен.

[Дмитрий Про]

AndreyDmitriev, а есть ли электрон -это волна или частица? а есть ли вообще "элементарные" частицы?
просто этой модели нам пока хватает для прогнозирования

Answer 2

[Isafu-]

А кто будет давать такую информацию? Смысл от неё для обычного пользователя? Есть принципы физической реализации на Вики и множество статей на хабре, и в открытом доступе, но ни одна не расскажет для чего нужны все свистоперделки.
Проще говоря, данная сфера не настолько изучена, чтобы давать достаточно информации.
Тут описано, что можно использовать для построения...

Comments

[AndreyDmitriev]

В данном случае мне просто любопытно, как инженеру. Ну, к примеру, если я открою крышку компьютера, то без труда расскажу о каждом компоненте, как и подавляющее большинство на хабре. Если открою капот авто — то и тут магии нет (хотя может я сразу и не найду какой-нибудь клапан ЕГР), мне в общем понятно общее устройство вещей от холодильника до двигателя ракеты. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии в физтехе выглядит куда как более наворочено чем квантовый компьютер, но и её принципы работы я знаю. В данном случае я вижу относительно несложное устройство, однако нифига не понимаю как оно работает и нуль информации кроме того что "там унутре кубиты". А за ссылку спасибо, я не догадался в русскоязычном инете поискать.

[mayton2019]

Я согласен с автором. Нам преподносят много маркетинговой информации. Например в части взлома RSA. Но мне кажется что настоящая наука стоит не там а где-то в другом месте. И настоящей науке нет интереса ломать несимметричные шифры. Должны быть пласты задач которые машина фон-неймана решает не сильно эффективно а квантовый вычислитель - эффективнее за счет естественного параллелизма. И формальное описание... Как? Квантовый комп не имеет памяти и процессора в общем (классическом понимании этого слова). Тогда вопрос - что он имеет? Какой теоретический и математический аппарат есть чтоб описать его работу? Нужно ли знать вышку чтобы программировать КК? Или достаточно быть просто инженером разработки? Как симулировать работу КК на обычном железе? Поделитесь инфой кто знает.

[Sophiaour]

Пытался разобраться с квантовыми вычислениями и с квантовыми компьютерами.
1. Есть компьютеры на эффекте Джозефсона в сверхпроводящих элементах. Там запутывают магнитные поля. Интерес в том, что потребляют меньше электричества, но нужно подводить жидкий гелий.
2. Есть оптические компьютеры. Там явления связаны с поляризацией света.
В обоих случаях речь идёт о вероятностных вычислениях, для которых нужно писать свои алгоритмы. Вероятностная логика подвержена ошибкам, которые нужно учитывать и компенсировать. Оплачивается эта деятельность DARPA и до коммерческого применения далеко. Однако эта стиральная машина позволит долго перемалывать деньги налогоплательщиков, как поиск бозонов Хигса или Гравитонов от Черных дыр.