Asas pengkomputeran kuantum

Objektif pembelajaran

Menjelang akhir modul ini, kamu sepatutnya boleh:

• Membezakan pengkomputeran kuantum daripada pengkomputeran klasikal
• Membezakan qubit daripada bit
• Menerangkan konsep teras pengkomputeran kuantum
• Mengenali perbezaan antara gate kuantum, Circuit kuantum, dan komputer kuantum

Apa itu pengkomputeran kuantum — dan apa yang bukan

Bolehkah pengiraan kuantum dilakukan pada komputer klasikal? Adakah pengkomputeran kuantum hanyalah satu bentuk AI lain? Katie Pizzolato, Naib Presiden, IBM Quantum® Platform di IBM Quantum, menepis beberapa mitos pengkomputeran kuantum dalam 60 saat.

Cara baru untuk melihat masalah

Terdapat beberapa konsep yang berbeza dalam pengkomputeran kuantum yang akan membantu kamu memahami aplikasinya yang berpotensi kepada organisasi atau industri kamu. Semua sistem pengkomputeran bergantung pada kemampuan asas untuk menyimpan dan memanipulasi maklumat. Komputer konvensional menyimpan maklumat dalam bit (sifar dan satu) dan komputer kuantum menggunakan qubit (sebutan CUE-bits). Komputer kuantum mengambil keuntungan daripada undang-undang mekanik kuantum yang terdapat di alam semula jadi. Ia mewakili perubahan asas daripada pemprosesan maklumat konvensional.

Berikut adalah metafora untuk membantu kamu memahami mengapa pengkomputeran kuantum sangat berbeza daripada pengkomputeran konvensional. Pertimbangkan seni dan teknik fotografi sebelum dan selepas terciptanya filem berwarna.

Sebagai contoh, pertimbangkan foto hitam putih padang bunga tulip ini dan foto berwarna bunga tulip merah dan kuning dalam sebuah padang.

Fenomena fizikal warna wujud semasa fotografi terhad kepada skala kelabu. Namun bertanya soalan, "Bolehkah kamu menukar merah dan kuning?" akan sama sekali tidak bermakna, begitu juga sebarang percubaan untuk melakukannya.

Setelah filem berwarna dicipta, terjadi ledakan pilihan artistik dan teknikal yang tersedia untuk jurugambar, kini mereka boleh memanipulasi fizik warna.

Komputer kuantum wujud kini kerana kami baru-baru ini mengetahui cara mengawal apa yang ada di dunia ini sepanjang masa: fenomena kuantum superposisi, keterikatan, dan interferens. Bahan-bahan baru dalam pengkomputeran ini mengembangkan apa yang mungkin untuk direka bentuk ke dalam algoritma. Komputer kuantum menawarkan kita cara baru untuk melihat masalah, yang boleh mendedahkan penyelesaian yang tidak kelihatan oleh komputer klasikal.

Sama seperti fotografi pra-filem berwarna dinamakan semula sebagai "fotografi hitam putih" selepas penciptaan filem berwarna, pengkomputeran pra-kuantum perlu mendapat nama baru. Istilah yang paling umum untuk pengkomputeran pra-kuantum adalah pengkomputeran klasikal. Kata-kata "klasikal" dan "kuantum" mula mengubah kata "pengkomputeran" kerana inilah cara saintis sudah mengubah kata "fizik," seperti dalam "fizik klasikal" dan "fizik kuantum."

Bagaimana pengkomputeran kuantum berbeza daripada klasikal

Komputer hari ini melakukan pengiraan dan memproses maklumat menggunakan model pengiraan klasikal, yang bermula dari kerja Alan Turing dan John von Neumann. Dalam model ini, semua maklumat boleh dikurangkan kepada bit, yang boleh mengambil nilai 0 atau 1, dan semua pemprosesan boleh dilakukan melalui gate logik mudah (AND, OR, NOT, NAND) yang bertindak pada satu atau dua bit pada satu masa. Pada bila-bila titik dalam pengiraan, keadaan komputer klasikal ditentukan sepenuhnya oleh keadaan semua bitnya, jadi komputer dengan n bit boleh wujud dalam salah satu daripada $2^n$ keadaan yang mungkin, mulai dari 00...0 (jujukan n sifar) hingga 11...1 (jujukan n satu).

Kuasa model pengiraan kuantum, sementara itu, terletak pada repertoar keadaan yang jauh lebih kaya. Komputer kuantum juga mempunyai bit, tetapi bukannya 0 dan 1, bit kuantumnya, atau qubit, boleh mewakili 0, 1, atau gabungan kedua-duanya, yang merupakan sifat yang dikenali sebagai superposisi. Ini sahaja bukan sesuatu yang istimewa, kerana komputer yang bitnya boleh berada di antara 0 dan 1 hanyalah komputer analog, hampir tidak lebih berkuasa daripada komputer digital biasa. Namun, komputer kuantum mengambil keuntungan daripada jenis superposisi khas yang membolehkan banyak keadaan logik secara eksponen pada satu masa. Ini adalah prestasi yang hebat, dan tiada komputer klasikal yang boleh mencapainya. Sebahagian besar superposisi kuantum ini, dan yang paling berguna untuk pengiraan kuantum, adalah terikat — ia adalah keadaan keseluruhan komputer yang tidak sepadan dengan mana-mana penugasan keadaan digital atau analog qubit individu.

Seseorang mungkin menyangka bahawa kesukaran dalam memahami pengkomputeran kuantum terletak pada matematik yang susah, tetapi secara matematik, konsep kuantum hanya sedikit lebih kompleks daripada algebra sekolah menengah. Fizik kuantum itu sukar kerana ia memerlukan menyerap idea-idea yang mudah tetapi berlawanan dengan intuisi.

Untuk mendapatkan pemahaman perbualan yang lebih baik tentang konsep teras pengkomputeran kuantum, tonton video ini daripada Talia Gershon, Pengarah Infrastruktur Hybrid Cloud di IBM Research®. Gershon menerangkan pengkomputeran kuantum pada lima peringkat — kepada kanak-kanak, remaja, pelajar universiti, pelajar siswazah, dan profesional untuk majalah WIRED. Sila tonton sehingga tanda minit ke-06:17; namun, jangan ragu untuk menonton keseluruhan video.

Uji pemahaman kamu

Baca soalan di bawah, fikirkan jawapan kamu, kemudian klik segitiga untuk mendedahkan penyelesaian.

Benar atau salah: Hanya orang dengan ijazah lanjutan dalam matematik dan fizik yang boleh memahami konsep pengkomputeran kuantum.

Salah. Hanya sedikit lebih kompleks daripada algebra sekolah menengah, konsep kuantum lebih mudah diakses daripada yang disangkakan. Kesulitannya terletak pada sifatnya yang berlawanan dengan intuisi.

Prinsip maklumat kuantum

Qubit

Dalam video berikut, Pengarah Penyelidikan di IBM, Darío Gil, membandingkan unit utama maklumat klasikal (bit) dengan unit utama maklumat kuantum (qubit). Dia membimbing kamu untuk memvisualisasikan tiga prinsip teras pengkomputeran kuantum: superposisi, keterikatan, dan interferens. Dengan sifat-sifat ini, algoritma kuantum boleh dibangunkan yang boleh menyelesaikan masalah perniagaan yang mungkin di luar jangkauan superkomputer terbesar di dunia.

Superposisi

Superposisi adalah jumlah atau perbezaan berwajaran dua atau lebih keadaan. Campuran keadaan ini sering sukar untuk orang bayangkan (seperti duit syiling yang dilempar berada dalam campuran kedua-dua kepala dan ekor sekaligus). Tetapi ada kes yang lebih mudah untuk dibayangkan — misalnya, apabila akord beberapa nota muzik dimainkan pada gitar. Getaran udara tidak sepadan dengan hanya satu nota, tetapi dengan semua. Udara bergetar dengan gabungan frekuensi yang sepadan dengan semua nota dalam akord. "Jumlah atau perbezaan berwajaran" bermaksud bahawa beberapa bahagian superposisi lebih atau kurang menonjol diwakili, seperti apabila biola dimainkan lebih kuat daripada instrumen lain dalam kuartet gesek. Superposisi biasa, atau klasikal, sering berlaku dalam fenomena makroskopik yang melibatkan gelombang. Jadi superposisi sebenarnya mungkin merupakan konsep yang biasa.

Yang pelik dan khusus untuk dunia kuantum adalah bahawa, apabila mengukur sistem dalam superposisi keadaan, sistem runtuh menjadi hanya satu keadaan tulen. Analogi muzik adalah memainkan akord beberapa nota, membiarkan akord itu merambat melalui udara ke telinga kamu, tetapi hanya mendengar (mengukur) satu daripada beberapa nota yang dimainkan. Tiada yang seperti ini wujud di dunia makroskopik.

Bagaimana superposisi menjadikan komputer kuantum berbeza daripada komputer klasikal?

Sistem n qubit boleh diukur berada dalam salah satu daripada $2^n$ keadaan yang mungkin. Ini juga benar untuk bit komputer klasikal, atau malah untuk mana-mana koleksi n hasil binari. Untuk menggambarkan ini, pertimbangkan semua kemungkinan hasil membalikkan n syiling yang boleh dibezakan, masing-masing dengan dua kemungkinan sisi yang akan kita sebut "kepala" (H) dan "ekor" (T).

Jika kita membalikkan satu syiling, terdapat dua keadaan yang mungkin: H atau T.

Jika kita membalikkan dua syiling, terdapat empat keadaan yang mungkin: HH, HT, TH, dan TT.

Untuk tiga syiling, kita dapati lapan keadaan: HHH, HHT, HTH, HTT, THH, THT, TTH, TTT.

Corak ini berterusan seperti ini. Setiap kali kita menambah syiling lain, bilangan kemungkinan hasil dua kali ganda. Jadi bilangan hasil untuk sistem n pemboleh ubah binari tersebut ialah $2^n$.

Jika ini benar untuk kedua-dua komputer klasikal dan kuantum, maka apa yang menjadikan komputer kuantum begitu istimewa? Jawapannya adalah superposisi. Kedua-dua komputer klasikal dan kuantum boleh mengakses ruang $2^n$ keadaan yang mungkin. Tetapi komputer klasikal hanya boleh berada dalam satu daripada keadaan tersebut pada satu masa, manakala komputer kuantum boleh berada dalam superposisi semua keadaan ini, pada satu masa.

Untuk lebih konkret tentangnya, misalkan kamu sedang mencari kos minimum C yang berkaitan dengan beberapa proses perindustrian. Proses ini bergantung pada banyak pemboleh ubah input, yang akan kita nyatakan sebagai $x_i$. Buat masa ini kita akan mengandaikan pemboleh ubah ini adalah binari, walaupun kita boleh menggeneralisasikan. Pada komputer klasikal, kamu perlu mengira kos $C(x_i)$ untuk setiap kemungkinan pilihan $x_i$. Iaitu, kamu perlu memasukkan 0000...00, 000...01, 000...10, dan seterusnya, merangkumi semua input yang mungkin. Komputer kuantum boleh berada dalam superposisi semua keadaan ini, sedemikian rupa sehingga operasi boleh dilakukan pada semua keadaan input yang mungkin sekaligus.

Jika itu kedengarannya terlalu bagus untuk menjadi kenyataan, terdapat komplikasi: ingat bahawa apabila mengukur sistem kuantum, kita hanya boleh mendapatkan satu hasil, bukan semua hasil dari keseluruhan ruang. Jadi tugasnya menjadi untuk menulis algoritma yang menyebabkan penyelesaian optimum (seperti kos terendah dan respons terpantas) menjadi yang akhirnya diukur. Dengan kata lain, komputer kuantum tidak mengembalikan semua penyelesaian yang mungkin; mereka menyelidiki ruang banyak penyelesaian secara serentak dan (jika algoritma berfungsi) mereka mengembalikan penyelesaian optimum dengan kebarangkalian tinggi. Untuk masalah dengan ruang penyelesaian yang sangat besar atau langkah yang sangat mahal dari segi pengiraan, perbezaan ini boleh mengubah permainan.

Kebarangkalian klasikal vs. kuantum?

Keadaan kuantum yang diukur di akhir pengiraan adalah probabilistik. Berat yang diterangkan di atas sepadan dengan kebarangkalian mengukur keadaan yang berbeza. Nota teknikal: walaupun kebarangkalian mestilah positif (atau sifar), berat dalam superposisi boleh positif, negatif, atau bahkan nombor kompleks. Kebarangkalian adalah nilai mutlak berat, dikuasakan dua: $P_i = |w_i|^2$. Adalah penting untuk diperhatikan bahawa perkataan kebarangkalian kadangkala digunakan untuk bermaksud perkara yang berbeza dalam konteks klasikal dan kuantum. Misalnya, jika kamu telah membalikkan satu set n syiling, tetapi tidak melihat hasilnya, setakat yang kamu tahu setiap syiling mungkin kepala atau ekor. Kamu mungkin menyebutnya sebagai campuran probabilistik $2^n$ keadaan. Tetapi set syiling sebenarnya hanya dalam satu daripada keadaan yang mungkin — kita hanya tidak tahu yang mana. Ini tidak berlaku untuk komputer kuantum. Komputer kuantum boleh memegang data yang sepadan dengan superposisi $2^n$ keadaan logik yang berbeza, sekaligus. Atas sebab ini, superposisi kuantum lebih berkuasa daripada probabilisme klasikal. Komputer kuantum yang mampu memegang data mereka dalam superposisi boleh menyelesaikan beberapa masalah secara eksponen lebih cepat daripada mana-mana algoritma klasikal yang diketahui.

Untuk mengetahui lebih lanjut, tonton video IBM Research di YouTube tentang kerawakan klasikal dan kuantum ini.

Keterikatan

Bayangkan dua kawan dengan dua selendang tipis yang hampir telus. Satu selendang berwarna merah, dan satu lagi berwarna biru. Apabila kawan-kawan meletakkan selendang di atas antara satu sama lain, bersama-sama mereka kelihatan ungu. Jika kawan-kawan memegang kedua-dua selendang ini direntangkan di antara mereka, keadaan dua kawan yang memegang sesuatu yang ungu adalah pasti, walaupun, jika dipisahkan, tidak diketahui kawan mana yang akan memegang selendang biru dan yang mana akan memegang selendang merah. Keterikatan kuantum adalah seperti ini. Keadaan keseluruhan sistem mempunyai sifat yang diketahui (seperti warna gabungan kedua-dua selendang), tetapi bahagian individu tidak mempunyai sifat yang ditakrifkan dengan baik (seperti setiap kawan, yang tidak ada satupun yang memegang selendang dengan warna yang jelas). Metafora ini tidak sempurna kerana setiap kawan boleh memutuskan terlebih dahulu untuk memegang satu selendang lebih erat daripada yang lain atau untuk melepaskan satu selendang atau yang lain apabila dua kawan bergerak terpisah. Dalam sistem kuantum, sifat-sifat bahagian benar-benar tidak ditakrifkan sehingga pengukuran dibuat.

Interferens

Interferens adalah sifat sistem kuantum di mana keadaan dengan fasa yang bertentangan boleh menguatkan atau membatalkan antara satu sama lain. Satu cara untuk membayangkan interferens adalah dengan memikirkan bagaimana kanta terpolar dalam cermin mata hitam berfungsi. Jika kamu meletakkan dua kanta terpolar di atas antara satu sama lain dan mula memutar salah satunya, kamu akan melihat interferens konstruktif dan destruktif apabila lebih atau kurang cahaya disekat.

Untuk lebih memahami bagaimana interferens berfungsi, tonton video ini dari 7:40 hingga 8:24.

Uji pemahaman kamu

Baca soalan di bawah, fikirkan jawapan kamu, kemudian klik segitiga untuk mendedahkan penyelesaian.

Fizik kuantum mengandungi beberapa idea yang berlawanan dengan intuisi, seperti: (a) Sistem fizikal dalam keadaan yang pasti masih boleh berkelakuan secara rawak. (b) Dua sistem yang terlalu jauh untuk mempengaruhi antara satu sama lain entah bagaimana sangat berkorelasi. (c) Adalah mungkin untuk mempunyai keadaan dalam sistem kuantum yang tidak dapat diterangkan sebagai hasil darab komponen bebas qubit yang membentuk keadaan itu. (d) Semua di atas

Jawapan yang betul adalah "Semua di atas." Idea pertama berkaitan dengan sifat probabilistik qubit. Dua idea berikutnya timbul dalam sistem yang terikat.

Circuit kuantum

Nilai perniagaan Circuit kuantum

Circuit kuantum mewakili satu set arahan yang membolehkan kita memanipulasi qubit untuk memanfaatkan superposisi, keterikatan, dan interferens bagi menyelesaikan masalah yang kompleks. Tonton video di bawah untuk melihat bagaimana Circuit klasikal dan kuantum dibandingkan dan bagaimana Circuit kuantum boleh membawa nilai kepada perniagaan kamu.

Uji pemahaman kamu

Baca soalan di bawah, fikirkan jawapan kamu, kemudian klik segitiga untuk mendedahkan penyelesaian.

Benar atau salah: Circuit kuantum bukanlah peranti fizikal.

Benar. Circuit kuantum adalah perwakilan abstrak satu set arahan yang membentuk algoritma kuantum. Kita boleh menggunakan alat visual seperti IBM Composer atau bahasa pengaturcaraan seperti Qiskit untuk membina Circuit kuantum.

Mengaturcara Circuit kuantum

Apa yang kamu perlukan untuk mengaturcara komputer kuantum? Jawapannya adalah Qiskit! Ketahui cara menyebut perkataan ini dan lebih banyak lagi dalam video di bawah.

Pengambilan utama

Kamu boleh mengingati pengambilan utama ini:

• Masih terdapat masalah pengiraan yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasikal.
• Komputer kuantum mengembangkan apa yang mungkin untuk direka bentuk ke dalam algoritma.
• Qubit adalah unit kuantum asas maklumat.
• Superposisi kuantum boleh mempunyai keadaan secara eksponen lebih banyak daripada superposisi klasikal.
• Superposisi kuantum lebih berkuasa daripada probabilisme klasikal tetapi lebih lemah daripada paralelisme eksponen.
• Dalam keadaan terikat, keseluruhan sistem berada dalam keadaan yang pasti walaupun bahagian-bahagiannya tidak.