Исследование сингулярности
Квантовые вычисления для новичков
Вводные понятия
В этой статье мы дадим базовое введение в наш бесплатный учебный материал по квантовым вычислениям. Это вводный курс для абсолютного новичка. Если вы не являетесь специалистом в области компьютерного программирования или математики, этот курс для вас! Он вводит всю базовую математику, необходимую для квантовых вычислений, а также базовые навыки программирования, которые вам нужны. Лучше всего то, что все в интерактивных онлайн-блокнотах Jupyter. Так что не нужно ничего скачивать или изучать терминал. Если вы уже чувствуете себя комфортно с Python, тогда многое из этого будет проще простого! Вы можете больше сосредоточиться на концепциях квантовой физики, таких как векторы состояний, квантовые вентили, представленные в виде матриц, и диаграммы квантовых цепей. Чтобы перейти к материалу, перейдите по ссылке на эту страницу Github.
Основными инструментами, которые мы используем, являются Python в интерактивных онлайн-блокнотах Jupyter, NumPy, Qiskit и PennyLane. Все они бесплатны и уже настроены для использования в ноутбуках. В десяти лекциях есть примеры и многочисленные упражнения. Это предварительный тест для выявления интереса к предмету и стимулирования сотрудничества между теми, кто интересуется квантовыми вычислениями.
Если вы не так много разбираетесь в квантовых вычислениях, давайте поговорим об этом немного.
Линейная алгебра для квантовых вычислений
Это материал для курса линейной алгебры и математических предпосылок для квантовых вычислений. Он содержит записные книжки Jupyter, которые можно загрузить или открыть в Binder как интерактивную записную книжку в Интернете.
Почему линейная алгебра?
Линейная алгебра, язык матриц и векторов, является фундаментальным языком квантовых вычислений и квантовой информации. Подход к квантовым вычислениям через линейную алгебру - это подход, использованный в наиболее цитируемом учебнике по этой теме: Квантовые вычисления и квантовая информация Nielsen & Chuang. Этот подход также является наиболее доступным с математической точки зрения для новичка. Если у вас очень мало знаний в области математики, физики и компьютерного программирования, этот подход для вас!
Что такое квантовые вычисления, а что нет
Квантовые вычисления - это способ обработки информации, принципиально отличный от способа обработки данных вашим ноутбуком или смартфоном. «Классический» способ обработки информации - это биты, двоичные значения нулей и единиц. Квантовые вычисления используют преимущества трех различных свойств квантовой физики для обработки информации.
Суперпозиция
Суперпозиция - это модное слово, используемое для описания того, как кубиты, классическая версия битов, могут существовать в комбинации как нуля, так и единицы. Кубиты также могут быть измерены в различных базах, что позволяет выполнять такие вещи, как адаптивное измерение состояний и квантовые вычисления на основе измерений. Поскольку кубиты могут находиться в состоянии, которое представляет собой смесь нуля и единицы, это дает им вычислительные свойства, которых нет у классических битов.
Запутанность
Запутанность - это слово, используемое для описания того, как кубиты могут иметь состояния, которые коррелируют с другими состояниями кубитов. Кубиты взаимодействуют друг с другом и становятся запутанными, что означает, что их состояния теперь статистически коррелированы, и информация об одном иногда может раскрывать информацию о другом. Несколько кубитов могут быть запутаны, и один раз может возникнуть сложное поведение. Одна из областей исследований, к которой ученые проявили большой интерес, - это многосторонняя запутанность. Это сложная форма запутанности, которая демонстрирует весьма неклассическое поведение. Это может быть использовано в протоколах квантовой телепортации и квантовой криптографии. Это также источник известного эксперимента, названного в честь Эйнштейна, Подольского и Розена, а также знаменитых экспериментов Джона Белла, показывающих, что теории локальных скрытых переменных вряд ли будут правдой.
Вмешательство
Помехи, как и помехи, которые мы видим в волнах света, звука и воды, проявляются квантовыми компьютерами. Квантовые компьютеры могут иметь конструктивную (аддитивную) интерференцию или они могут иметь деструктивную интерференцию, когда волны не синхронизируются и подавляются. Это интересное и странное поведение часто является предметом споров при обсуждении дуальности волна-частица и знаменитой проблемы измерения в квантовой физике. Интерференция может использоваться для улучшения «хорошей информации» и устранения «плохой информации» в вычислениях. Это позволяет нам разумно настраивать вычисления и использовать помехи в качестве метода обработки информации для решения проблем.
Квантовые компьютеры как ASIC
ASIC или специализированные интегральные схемы - это специализированные компьютерные микросхемы, созданные для очень специфических видов вычислительных задач. Хорошим примером этого является графический процессор, или Graphics Processing Unit, или TPU (Tensor Processing Unit) от Google, которые в последние годы значительно улучшили машинное обучение. Другими примерами могут быть нейроморфные вычислительные чипы, разработанные Intel. Все они были разработаны для решения определенных видов проблем, таких как улучшение задач машинного обучения. О квантовых компьютерах можно думать очень похоже. Существует классический компьютерный интерфейс, который делегирует определенные вычислительные задачи квантовому оборудованию. Затем квантовое оборудование обрабатывает эту вычислительную задачу, а затем классический компьютер получает выходные данные. Квантовые компьютеры могут решить множество проблем. Фактически, любую вычислительную задачу, которую может решить классический компьютер, может решить и квантовый компьютер. Однако классические компьютеры по-прежнему более эффективны в некоторых вещах, поэтому они никуда не денутся. Есть много алгоритмов и задач, которые можно решить экспоненциально быстрее на квантовом компьютере по сравнению со всеми известными классическими методами.
Выяснение происхождения этого вычислительного преимущества - одна из центральных задач исследования квантовых вычислений. Существует Зоопарк квантовых алгоритмов, в котором перечислены многие известные алгоритмы, которые дают ускорение по сравнению с классическими методами. Особое внимание в The Singularity уделяется исследованию этих различных приложений и алгоритмов и их реализации на различных языках квантовых вычислений. Некоторые приложения включают использование алгоритма Шора для взлома криптографии с открытым ключом RSA и других алгоритмов, которые нарушают криптографию на основе эллиптических кривых. Если вы заинтересованы в открытии внутреннего устройства квантовых алгоритмов и пытаетесь понять, откуда взялось это квантовое превосходство или преимущество, ознакомьтесь с этими лекциями.
