สวัสดีควอนตัม: ก้าวแรกสู่การคำนวณควอนตัม

สวัสดีควอนตัม: ก้าวแรกสู่การคำนวณควอนตัม

เครดิตฟรี

หากคุณต้องการเริ่มเล่นกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม คุณมาถูกที่แล้ว ในบทความนี้ เราจะให้คุณเริ่มต้นด้วยพื้นฐานของการคำนวณควอนตัม นอกจากนี้เราจะแสดงให้คุณเห็นวิธีการที่จะเริ่มต้นการทดสอบตัวเองด้วยประสบการณ์ของไอบีเอ็มควอนตัม

สล็อต

หากคุณต้องการเริ่มต้นด้วยการทำสิ่งต่าง ๆ แทนที่จะอ่านสิ่งต่าง ๆ ให้ลองดูเกมHello Quantumที่มีพื้นฐานมาจากบทช่วยสอนนี้ คุณจะได้รับเกมสำหรับอุปกรณ์ iOSของคุณหรืออุปกรณ์ Android นอกจากนี้ยังมีส่วนต่างๆ ของหนังสือเรียน Qiskitที่คุณสามารถไขและเรียนรู้เกี่ยวกับปริศนาในเบราว์เซอร์ของคุณ
แต่สำหรับคนที่อยากอ่านบล็อกโพสต์ มาเริ่มกันเลย!
พื้นฐานที่สุด
ก่อนที่เราจะพูดถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมคอมพิวเตอร์ทั่วไปคืออะไร?
พูดง่ายๆ ก็คือ มันคืออุปกรณ์ที่จัดเก็บและประมวลผลข้อมูลโดยใช้บิต ข้อมูลเหล่านี้เป็นข้อมูลง่ายๆ ที่ใช้ค่าใดค่าหนึ่งจากสองค่าที่เป็นไปได้ เราสามารถเรียกค่าเหล่านี้TrueและFalseหรือYesและNoหรือOnและOffแต่เรามักจะเรียกพวกเขาและ01
ควอนตัมคอมพิวเตอร์แทนใช้qubits เหล่านี้เป็นวัตถุควอนตัมที่สามารถสร้างให้เราได้เล็กน้อย ในขณะที่พวกมันยังคงเป็นควอนตัม เราสามารถเล่นกับพวกมันในแบบที่ไม่สามารถทำได้ด้วยบิตเพียงอย่างเดียว ซึ่งจะทำให้ง่ายต่อการติดตาม ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้คอมพิวเตอร์ทั่วไปพยายามจำลองสถานการณ์ได้ยาก แต่ถ้าเรารู้ว่าเรากำลังทำอะไรอยู่ เราก็สามารถใช้ประโยชน์จากมันเพื่อแก้ปัญหาที่แม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ก็จัดการไม่ได้ภายในช่วงชีวิตของเรา
ถามคำถาม qubits
กระบวนการรับบิตจาก qubit นั้นเหมือนกับการถามคำถาม เราสามารถถามคำถามที่เป็นไปได้ชุดใดก็ได้ ซึ่งแต่ละคำถามสามารถตอบด้วยคำถามง่ายๆ0หรือ1.
ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาของการศึกษา qubits คำถามสองข้อที่เป็นไปได้ได้กลายเป็นคำถามที่เราโปรดปราน ดังนั้น ถึงแม้ว่าเราจะมีตัวเลือกมากมายมหาศาล เราก็มักจะเลือกเพียงตัวเลือกใดตัวเลือกหนึ่ง
วิธีที่เราตั้งคำถามขึ้นอยู่กับวิธีที่เราอธิบายควิบิต ในบทความนี้และในเกมHello Quantumเราอธิบายในรูปแบบภาพใช้วงกลมสีคู่หนึ่ง.
หนึ่งในคำถามของเราคือถามเกี่ยวกับวงกลมด้านล่างในภาพด้านบน เป็นสีดำหรือเป็นสีขาว? อีกคำถามคือถามแบบเดียวกับข้างบน
การถามคำถามเกี่ยวกับ qubits เคยเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เท่านั้นที่ทำได้ ตอนนี้ใครๆ ก็ไปได้ โดยใช้ IBM Quantum Experience
IBM Quantum Experience แสดงถึงโปรแกรมควอนตัมโดยใช้ชุดของเส้น ซึ่งแต่ละเส้นแสดงถึงชีวิตของ qubit เฉพาะ
เหตุการณ์ในชีวิตของ qubit นั้นแสดงด้วยสัญลักษณ์ที่อยู่บนเส้น หากต้องการถามคำถาม คุณเพียงแค่ต้องมีสัญลักษณ์ที่ถูกต้อง
นี่คือสิ่งที่คุณต้องถามเกี่ยวกับวงกลมล่างของ qubit
เนื่องจากเรากำลังถามว่าวงกลมด้านล่างเป็นสีดำหรือสีขาว ค่าบิตที่เราได้รับเป็นคำตอบจะสะท้อนถึงความเป็นไปได้เหล่านี้ เราได้ผลลัพธ์0ว่าวงกลมด้านล่างเป็นสีดำและ1ถ้าเป็นสีขาว หากไม่เป็นเช่นนั้น qubit จะอยู่ในความสับสนเล็กน้อย สามารถตอบคำถามด้วย a 0หรือ1เท่านั้น ดังนั้นจึงไม่มีคำตอบอื่นให้ ดังนั้น ในกรณีของวงกลมเค้าร่าง มันจะสุ่มตัดสินใจว่าจะให้ a 0หรือ1.
คุณอาจสังเกตเห็นบางอย่างในภาพด้านบน เมื่อวงกลมบนแน่ใจว่าคำตอบที่จะให้ วงล่างจะไม่แน่นอนอย่างสมบูรณ์ และในทางกลับกัน.
เนื่องจาก qubit สามารถระบุคำตอบได้ทีละคำถามเท่านั้น นี่เป็นเพราะความไม่แน่นอนพื้นฐานที่มีอยู่ในระบบควอนตัม qubit ไม่รู้จริง ๆ ว่ามันจะตอบคำถามบางข้ออย่างไรและตัดสินใจเฉพาะในขณะที่ถูกถาม
จนถึงตอนนี้เราเพิ่งพูดถึงหนึ่ง qubit ทีนี้มาเล่นกันสองคนพร้อมกัน เราจะแสดง qubit ที่สองในลักษณะเดียวกันกับตัวแรก: เป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีวงกลมสองวง
ต้องขอบคุณการสุ่มที่มีอยู่อย่างต่อเนื่อง คำอธิบายนี้จึงไม่เพียงพอ ตัวอย่างเช่น นี่คือสิ่งที่เราทำกับ qubit สองสามตัวก่อนที่จะวัดได้
แม้ว่าวงกลมด้านล่างทั้งสองจะสุ่มคำตอบ แต่คำตอบเหล่านั้นก็เห็นด้วยอย่างแน่นอน นี่คือจุดที่ความมั่นใจของเราหายไป!
นี่เป็นเรื่องแปลกที่จะเกิดขึ้น qubits ไม่รู้จริง ๆ ว่าพวกเขาจะตอบคำถามเหล่านี้อย่างไรจนกว่าเราจะถามพวกเขา แต่อย่างใด พวกเขาสมคบคิดที่จะเห็นด้วยเสมอ
การบัญชีสำหรับเอฟเฟกต์เช่นนี้จะต้องมีรายละเอียดเพิ่มเติมในการแสดงภาพสถานะ qubit ของเรา เราจำเป็นต้องติดตามว่าคำตอบที่ได้รับจากทั้งสอง qubits เห็นด้วยหรือไม่เห็นด้วย และเราจำเป็นต้องทำเช่นนั้นสำหรับคำถามที่เป็นไปได้ทั้งหมด ไม่ว่าคำตอบจะดูสุ่มหรือไม่ก็ตาม
เริ่มต้นด้วยการเพิ่มวงกลมอีกวงหนึ่ง ซึ่งอยู่ระหว่างวงกลมด้านล่างสำหรับสอง qubits เมื่อเราใส่สีดำนี้ แสดงว่าวงกลมด้านล่างเห็นด้วยอย่างแน่นอน
เราจะต้องเพิ่มในแวดวงอื่นเพื่อแสดงสิ่งนี้ ลองนึกภาพว่าเป็นตารางแล้วใส่วงกลมพิเศษตรงที่แถวบนสุดมาบรรจบกัน เราจะเป็นตัวแทนของความขัดแย้งบางอย่างโดยระบายสีวงกลมนี้เป็นสีขาว
นอกจากนี้เรายังสามารถถามหนึ่ง qubit เกี่ยวกับวงกลมบนและอีกอันเกี่ยวกับวงกลมด้านล่าง หากคุณลองใช้การวัดเหล่านี้ร่วมกัน คุณจะพบว่าค่าเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเห็นด้วยหรือไม่เห็นด้วยเท่าๆ กัน
ข้อมูลนี้จะต้องถูกเพิ่มเข้าไปในรูปภาพของเราด้วย จำเป็นต้องใช้วงกลมอีกสองสามวงเพื่อเติมในช่องว่าง เพื่อแสดงความจริงที่ว่าข้อตกลง (หรือความขัดแย้ง) เป็นเรื่องสุ่ม เราจะใช้โครงร่างวงกลม
ตอนนี้ เรามีรูปภาพที่ให้คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับคำตอบที่เราคาดหวัง ไม่ว่าคำถามใดก็ตามที่เราเลือกถาม
ให้คำตอบ qubits
qubits ทั้งหมดเริ่มต้นชีวิตของพวกเขาในทางเดียวกัน: 0เมื่อถามเกี่ยวกับวงกลมด้านล่างของพวกเขาพวกเขาจะให้คำตอบ นี้เรียกว่า|0〉รัฐ
เมื่อคุณดูที่|0〉คุณอาจจะสงสัยเกี่ยวกับและ| 〉แต่ไม่ต้องกังวลกับมันมากนัก โดยพื้นฐานแล้วจะมีป้ายกำกับ เตือนเราว่านี่ไม่ใช่ตัวเลข 0 หรือค่าบิต0แต่เป็นคำอธิบายของ qubit แทน เราสามารถตั้งค่าสถานะสิ่งนี้ได้เท่าเทียมกันโดยระบายสี 0 สีเขียวหรือวาดบนมงกุฎของเจ้าหญิง อย่าลังเลที่จะใช้อนุสัญญาเหล่านั้นหากคุณต้องการ
ถ้าคิวบิตของเราคงอยู่|0〉ตลอดไป คอมพิวเตอร์ควอนตัมของเราจะค่อนข้างน่าเบื่อ ดังนั้นเราจึงต้องทำสิ่งต่าง ๆ กับพวกเขา สิ่งที่ง่ายที่สุดที่จะทำคือพลิกวงกลมด้านล่างจากสีดำเป็นสีขาวหรือย้อนกลับอีกครั้ง เช่นเดียวกับการพลิกสวิตช์ไฟ นี้จะทำกับXประตู

สล็อตออนไลน์

การทำเช่นนี้กับ qubit จะพลิกวงกลมด้านล่าง ดังนั้นถ้ามันจะตอบ0ตอนนี้ก็จะตอบ1และในทางกลับกัน ซึ่งหมายความว่าได้วงกลมด้านล่างที่เป็นสีขาว |1〉นี้เรียกว่ารัฐ
หากเราทำXก่อนHหรือZหลัง เราสามารถทำให้วงกลมบนเป็นสีขาวแทนได้ นี่คือสถานะที่เราเรียก|-〉ว่า
การจัดการง่ายๆ เหล่านี้ไม่ได้ช่วยอะไรเรามากนัก ถ้าเราต้องการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างเต็มศักยภาพ เราจำเป็นต้องใช้เกทที่ทำงานกับควอนตัมทั้งสองพร้อมกัน
ทำให้คิวบิตคุยกันs
ดังที่เราได้เห็นแล้วว่า qubits มีความแน่นอนในคำตอบสำหรับคำถามเท่านั้น เมื่อเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัม เป้าหมายของเราคือการจัดการความแน่นอนนั้นให้ดีที่สุด เราต้องนำทางมันในการเดินทางจากอินพุตไปยังเอาต์พุต
จนถึงตอนนี้ เรายังไม่มีเครื่องมือมากมายที่จะช่วยเราได้ อันที่จริงHประตูเป็นบานเดียวที่เคลื่อนความแน่นอนไปรอบๆ เลย มันแทบจะไม่พอที่จะสำรวจตารางทั้งหมดที่คุณจะเห็นโดยการเล่นในระดับที่ 1 และ 2 ของสวัสดีควอนตัม
เพื่อให้สิ่งต่าง ๆ เคลื่อนไหวได้อย่างแท้จริง เราจำเป็นต้องมีประตูแบบใหม่ เราต้องการเกทที่ทำหน้าที่มากกว่าหนึ่ง qubit ในคราวเดียว เราจำเป็นต้องมีประตูควบคุม
การดำเนินการควบคุมที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคือการควบคุม-Z หรือที่เรียกว่าcz. นี้เป็นหนึ่งที่เราแนะนำในระดับที่ 3 ของสวัสดีควอนตัม ในขณะที่เขียนสิ่งนี้ยังไม่มีให้บริการบน IBM Quantum Experience เป็นเกทดั้งเดิม แต่ถ้าเป็นก็จะประมาณนี้
CZมีไม่กี่วิธีวิธีที่เป็นไปเราสามารถอธิบายผลกระทบของการที่มี เรื่องราวเหล่านี้แต่ละเรื่องดูเหมือนจะพูดอะไรบางอย่างที่แตกต่างกันมาก แต่อย่างใดพวกเขาทั้งหมดเป็นความจริงเท่าเทียมกัน
หนึ่งคือการบอกว่าอันCZแรกดูที่วงกลมด้านล่างของ qubit ซ้าย วงกลมนี้จะเป็นสีขาวหรือสีดำ ขึ้นอยู่กับว่าวงกลมนี้จะCZทำ a Zกับ qubit ที่ถูกต้องหรือไม่ทำอะไรเลย ดังนั้น qubit ด้านซ้ายจึงทำหน้าที่เหมือนสวิตช์อย่างมีประสิทธิภาพ โดยตัดสินใจว่า qubit ที่ถูกต้องจะได้ Z หรือไม่
ในตัวอย่างแรก วงกลมที่ด้านบนสุดถูกเปลี่ยนจากโครงร่างเป็นสีขาว ในวินาที เปลี่ยนจากโครงร่างเป็นสีดำ ตรรกะเบื้องหลังนี้คืออะไร?
เป็นไปได้ที่จะไขปริศนาทั้งหมดของ Hello Quantum โดยไม่เข้าใจเอฟเฟกต์นี้ แต่ถ้าคุณอยากเป็นโปรแกรมเมอร์ควอนตัม คุณคงอยากรู้ว่าเกิดอะไรขึ้น ดังนั้นเราจะให้โอกาสคุณค้นหาด้วยตัวคุณเอง!
เหตุผลเดียวที่เอฟเฟกต์นี้ดูไม่สมเหตุสมผลนักก็คือตารางไม่ใหญ่พอ วงกลมทั้งแปดไม่ได้อธิบายคู่ของ qubits อย่างสมบูรณ์ สำหรับคำอธิบายที่สมบูรณ์ เราต้องเพิ่มคำถามที่เป็นไปได้อีกข้อ ในประสบการณ์ควอนตัม คำถามนี้สามารถทำได้โดยใช้เกตต่อไปนี้
ในที่นี้ วงกลมใหม่อยู่ตรงกลาง และได้รับการระบายสีให้แตกต่างออกไปเล็กน้อยเพื่อเน้น
เพื่ออธิบายผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ของวงกลมตรงกลาง และข้อตกลงที่เป็นไปได้ทั้งหมด และไม่เห็นด้วยกับกันและกันและคำถามอื่นๆ เราต้องการตารางที่มีวงกลม 15 วง

jumboslot

ด้วยสิ่งเหล่านี้ คุณสามารถไขปริศนาของCZ. และคุณยังสามารถตรวจสอบวิธีการX, ZและHประตูส่งผลกระทบต่อวงการใหม่ ๆ Sเหล่านี้เช่นเดียวกับการพยายามออกประตูใหม่เช่น เพียงแค่ลองใช้การวัดแบบใหม่บน Quantum Experience แล้วใช้ผลลัพธ์ของคุณเพื่อทำความเข้าใจตารางที่ใหญ่ขึ้น เพื่อหาวิธีการตั้งค่าประสบการณ์ควอนตัมนี้ดูบทความที่นี่
Beyond Clifford
ประตูทั้งหมดที่เราได้พูดคุยกันจนถึงตอนนี้คือประตูที่เราเรียกว่าประตูคลิฟฟอร์ด แต่ละคนสามารถตีความได้ในแง่ของการสลับวงกลมหรือสลับไปมาระหว่างขาวดำ
มีหลายสิ่งหลายอย่างที่เราสามารถทำได้กับประตูคลิฟฟอร์ด สิ่งเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการเคลื่อนย้ายข้อมูลในคอมพิวเตอร์ควอนตัม นอกจากนี้ยังสามารถแก้ไขข้อผิดพลาดได้อย่างดีเยี่ยม เนื่องจากสามารถใช้เพื่อค้นหาจุดบกพร่อง แจ้งให้เราทราบว่าจุดใดจุดหนึ่ง และมาแก้ไขให้ถูกต้อง
อย่างไรก็ตาม สำหรับการคำนวณควอนตัมแบบเต็ม เราต้องการอะไรมากกว่านี้ เราต้องก้าวไปไกลกว่าวงกลมที่มีแต่สีดำ สีขาว หรือโครงร่าง เราจำเป็นต้องหาตัวที่ ‘ส่วนใหญ่เป็นสีดำ’ หรือ ‘ค่อนข้างสุ่มมาก แต่ค่อนข้างลำเอียงไปทางสีขาว’ เราต้องกระจายความแน่นอน แทนที่จะเก็บเกาะเล็กๆ จากนั้นหลังจากหมุนไปรอบๆ ตารางแล้ว เราก็สามารถรวมมันใหม่ได้ด้วยวิธีที่แปลกใหม่และไม่คาดฝัน
ที่จะทำสิ่งเหล่านี้เราต้องตั้งชื่อ unimaginatively ประตูไม่ใช่ Clifford
มีไม่มีของเหล่านี้ในรุ่น app ของสวัสดีควอนตัม แต่มีหนึ่งในเกมน้องสาวในตำรา Qiskit
นอกจากนี้ IBM Quantum Experience ยังมีเกทที่ไม่ใช่คลิฟฟอร์ดทั้งหมด วิธีที่ง่ายที่สุดในการลองคือ T และ Tdg คุณจะต้องใช้ตารางขนาด 15 qubit ทั้งหมดเพื่อหาค่าเหล่านี้ แต่มีทั้งหมดที่คุณต้องทำ
เกินสอง qubits
เกม Hello Quantum ช่วยให้คุณสร้างสัญชาตญาณและความรู้ด้วยสอง qubits เมื่อคุณมีแล้ว คุณสามารถเริ่มจัดการกับตัวเลขที่มากขึ้นได้
ในการอธิบายสาม qubits อย่างสมบูรณ์ เราจะต้องติดตามอีกครั้งว่าแต่ละ qubit จะตอบคำถามสามข้อได้อย่างไร และเราจำเป็นต้องติดตามว่าคำตอบของคำถามใน qubit หนึ่งเห็นด้วยหรือไม่เห็นด้วยกับคำถามอื่นอย่างไร และสิ่งนี้เกี่ยวข้องอย่างไรกับสิ่งที่บุคคลที่สามกำลังทำอยู่? สิ่งนี้ต้องการวงกลมจำนวนมาก ลูกบาศก์ที่เต็มไปด้วย 63 นั้นแน่นอน
ขยายสิ่งนี้เป็นสี่ qubits และคุณต้องมีไฮเปอร์คิวบ์ 255 แวดวง สำหรับ n qubits จะใช้เวลา4ⁿ-1 ปริมาณข้อมูลที่เราต้องการเพื่อติดตามการเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณด้วยจำนวน qubits!
ซึ่งหมายความว่าการแสดงภาพข้อมูลเช่นเดียวกับที่ใช้ใน Hello Quantum จะมีประโยชน์สำหรับ qubits จำนวนน้อยเท่านั้น ท้ายที่สุด หากเราสามารถจินตนาการถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ได้อย่างง่ายดาย นั่นหมายความว่าเราสามารถจำลองได้อย่างง่ายดาย และถ้าเราสามารถจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ง่ายๆ ก็ไม่จำเป็นต้องสร้างมันขึ้นมา
แต่มีความจำเป็นต้องสร้างพวกเขา ด้วยการแนะนำข้อมูลผ่านช่องว่างขนาดใหญ่ของความเป็นไปได้ เราสามารถค้นหาเส้นทางจากอินพุตไปยังเอาต์พุตที่เป็นไปไม่ได้บนคอมพิวเตอร์มาตรฐาน บางครั้งสิ่งเหล่านี้จะเร็วกว่ามาก โปรแกรมบางโปรแกรมที่จะนำซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขนาดเท่าดาวเคราะห์มาแก้ปัญหาในยุคของจักรวาลจะสามารถทำได้ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีขนาดเหมาะสมกว่ามากในเวลาที่เหมาะสมกว่ามาก
[NPC5]เราไม่รู้เลย เมื่อ IBM Q Experience ออนไลน์ครั้งแรกเมื่อสองปีที่แล้ว มีผู้คนสนใจเข้าถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมกี่คน เมื่อจำนวนผู้ใช้ที่ลงทะเบียนเพิ่มขึ้น ความประหลาดใจของเราก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน — ไม่เพียงเพราะความกระตือรือร้นอย่างท่วมท้นเท่านั้น แต่ยังเป็นเพราะชุมชน (ประกอบด้วยนักการศึกษา นักวิจัย นักเรียน นักพัฒนา และมือสมัครเล่น) ต้องการมีส่วนร่วมมากกว่าการใช้วงจรควอนตัมธรรมดา ผู้ใช้รันแบทช์ด้วยมือและพยายามทำการทดลองที่ซับซ้อน เราจะทำให้มันง่ายขึ้นสำหรับพวกเขาในการเรียกใช้หลายวงจร วิเคราะห์ผลลัพธ์ด้วยวิธีต่างๆ วัดสถานะควอนตัม และสุ่มตัวอย่างการแจกแจงที่ซับซ้อนได้อย่างไร