Mengapa lebih sulit untuk membangun komputer kuantum daripada komputer klasik?


31

Apakah karena kita tidak tahu persis bagaimana cara membuat komputer kuantum (dan bagaimana mereka harus bekerja), atau apakah kita tahu cara membuatnya dalam teori, tetapi tidak memiliki alat untuk benar-benar menjalankannya dalam praktik? Apakah campuran dari dua di atas? Ada alasan lain?


Mengapa membangun GPU lebih sulit daripada membangun CPU? Perbedaan yang sama. Komputer Quantum bukan komputer yang berdiri sendiri. Ini adalah co-prosesor untuk komputer host, seperti apa GPU Anda di dalam PC Anda saat ini. Dua video yang dimulai di youtu.be/PN7mPYcWFKg sangat wawasan untuk pemula seperti kita.
Mark Jeronimus

2
@ MarkJeronimus bukan perbedaan yang sama. GPU pada dasarnya adalah banyak CPU yang sangat sederhana yang berjalan secara paralel. Memang ada batasan ketat tentang bagaimana akses memori dapat dilakukan dll, tetapi itu hanya membuatnya lebih sulit untuk diprogram , bukan untuk membangun.
leftaroundabout

3
Komputer klasik tidak rusak jika Anda melihatnya.
Tandai

@leftaroundabout Ini bukan perbedaan yang sama sekarang , tapi saya berpendapat itu dengan akselerator 3D pertama (dan sampai batas tertentu, bahkan rendering perangkat lunak 3D). Sebagian besar masalah hanya mengeksplorasi teknologi baru, harus membangun semua alat dan pendekatan baru. Begitu seseorang menemukan cara yang baik untuk membuat akselerator 3D, itu menjadi lebih "biasa" (meskipun perlu diingat bahwa sebagian besar pembuat akselerator 3D sekarang gulung tikar). Memang, "komputer kuantum" adalah tantangan yang lebih besar (membutuhkan lebih banyak alat dan pendekatan yang sama sekali baru), tetapi itu tidak berbeda secara mendasar
Luaan

1
Keduanya sangat berbeda sehingga tidak bisa dibandingkan. Ini lebih sulit untuk dibangun karena heck yang jauh lebih baru dan heck yang jauh lebih rumit. Keduanya disebut 'komputer' tidak berarti mereka sebanding.
Mast

Jawaban:


34

Kita tahu persis, secara teori, bagaimana membangun komputer kuantum. Tapi itu secara intrinsik lebih sulit daripada membangun komputer klasik.

Di komputer klasik, Anda tidak harus menggunakan satu partikel untuk menyandikan bit. Sebagai gantinya, Anda mungkin mengatakan bahwa apapun yang kurang dari satu miliar elektron adalah 0 dan lebih dari itu adalah 1, dan bertujuan untuk, katakanlah, dua miliar elektron untuk menyandikan 1 secara normal. Itu membuat Anda secara inheren toleran terhadap kesalahan: Sekalipun ada ratusan juta elektron lebih atau kurang dari yang diharapkan, Anda masih akan mendapatkan klasifikasi yang benar sebagai digital 0 atau 1.

Di komputer kuantum, trik ini tidak mungkin dilakukan karena teorema non-kloning: Anda tidak dapat dengan mudah menggunakan lebih dari satu partikel untuk mengkodekan qubit (bit kuantum). Sebagai gantinya, Anda harus membuat semua gerbang Anda beroperasi dengan sangat baik sehingga mereka tidak hanya akurat pada tingkat partikel tunggal, tetapi bahkan ke sebagian kecil dari seberapa banyak mereka bertindak pada satu partikel (ke apa yang disebut ambang koreksi kesalahan kuantum). Ini jauh lebih menantang daripada membuat gerbang akurat hanya dalam ratusan juta elektron.

Sementara itu kami memiliki alat untuk, hanya nyaris, membuat komputer kuantum dengan tingkat akurasi yang diperlukan. Tetapi belum ada yang berhasil membuat makna besar yang dapat secara akurat beroperasi pada mungkin ratusan ribu qubit fisik yang diperlukan untuk menerapkan seratus atau lebih qubit logis untuk kemudian dapat disangkal di ranah tempat komputer kuantum berdetak. komputer klasik pada masalah tertentu (supremasi kuantum).


Ya ... ada D-Wave . Sistem 2000Q memiliki 2000 qubit dan jelas mengungguli sistem klasik pada algoritma dengan implementasi kuantum yang efisien. Mereka telah mengembangkan kemampuan dengan cukup cepat - saya harapkan sistem 4000 qubit generasi terbaru dari mereka dalam waktu 12 bulan.
J ...

1
Apakah sirkuit yang direplikasi masih kloning? Apa yang menghentikan Anda dari memiliki sirkuit paralel dengan input yang disalin? Tidak bisakah Anda menggunakan pemungutan suara untuk meningkatkan ketahanan sistem seperti itu?
whn

2
@ sdn Itu tidak skala. Masalahnya adalah bahwa ketika Anda "lebih dalam" dengan gerbang, Anda membutuhkan lebih banyak sirkuit yang direplikasi untuk mendapatkan akurasi yang sama. Tetapi perlu diingat bahwa perhitungan pada komputer kuantum saat ini biasanya dijalankan berkali-kali. Secara keseluruhan, ada alasan mengapa kami sangat tertarik dengan masalah yang sulit untuk dipecahkan, tetapi mudah diverifikasi - Anda dapat menggunakan komputer kuantum untuk mencoba masalahnya, dan memverifikasi hasilnya dengan komputer klasik. Terus ulangi sampai mereka setuju :)
Luaan

11

Ada banyak alasan, baik dalam teori maupun implementasi, yang membuat komputer kuantum jauh lebih sulit untuk dibangun.

Mungkin yang paling sederhana adalah ini: walaupun mudah untuk membangun mesin yang menunjukkan perilaku klasik, demonstrasi perilaku kuantum membutuhkan mesin yang benar-benar dingin dan dikendalikan dengan tepat. Kondisi termodinamika rezim kuantum sulit diakses. Ketika kita akhirnya mencapai sistem kuantum, sulit untuk membuatnya terisolasi dari lingkungan yang berupaya mendekohnya dan membuatnya klasik kembali.

Skalabilitas adalah masalah besar. Semakin besar komputer kita, semakin sulit untuk menjaga kuantum. Fenomena yang menjanjikan untuk membuat komputer kuantum benar-benar kuat, seperti keterjeratan, membutuhkan qubit dapat berinteraksi satu sama lain secara terkendali. Arsitektur yang memungkinkan kontrol ini sulit untuk direkayasa, dan sulit untuk diukur. Tidak ada yang menyetujui desain!

Seperti yang ditunjukkan oleh @pyramids, strategi yang kami gunakan untuk memperbaiki kesalahan pada mesin klasik biasanya melibatkan informasi kloning, yang dilarang oleh teori informasi kuantum. Meskipun kami memiliki beberapa strategi untuk mengurangi kesalahan dengan cara kuantum yang cerdas, mereka mengharuskan agar qubit sudah cukup bebas noise dan kami memiliki banyak dari mereka. Jika kami tidak dapat meningkatkan teknik kami melewati beberapa ambang batas, kami tidak dapat menggunakan strategi ini - mereka membuat segalanya lebih buruk!


Juga penting: alasan kami menggunakan sistem digital adalah bahwa variasi kecil dalam input dan output elemen individual biasanya tidak menyebar, sehingga Anda dapat terus menambahkan lebih banyak "lapisan" komputasi tanpa secara signifikan mengurangi keandalan. Jenis isolasi ini tampaknya tidak mungkin untuk komputer kuantum, setidaknya untuk saat ini - dan tanpa kloning hanya menambah lebih banyak garam pada luka :)
Luaan


2

Satu poin penting adalah bahwa komputer kuantum mengandung komputer klasik. Jadi harus setidaknya sama sulitnya untuk membangun komputer kuantum seperti komputer klasik.

Untuk ilustrasi konkret, ada baiknya memikirkan set gerbang universal. Dalam perhitungan klasik, Anda dapat membuat rangkaian apa pun yang Anda inginkan melalui kombinasi hanya satu jenis gerbang. Seringkali orang berbicara tentang gerbang NAND, tetapi demi argumen ini, lebih mudah untuk berbicara tentang gerbang Toffoli (juga dikenal sebagai gerbang yang dikendalikan-dikendalikan-bukan). Setiap sirkuit klasik (reversibel) dapat ditulis dalam bentuk sejumlah besar Toffolis. Perhitungan kuantum sewenang-wenang dapat ditulis sebagai kombinasi dari dua jenis gerbang: Toffoli dan Hadamard.

Ini memiliki konsekuensi langsung. Jelas, jika Anda meminta dua hal yang berbeda, salah satunya tidak ada dalam fisika klasik, itu pasti lebih sulit daripada hanya membuat satu hal yang memang ada dalam fisika klasik. Selain itu, menggunakan Hadamard berarti bahwa set keadaan yang mungkin harus Anda pertimbangkan tidak lagi ortogonal, sehingga Anda tidak bisa begitu saja melihat keadaan dan menentukan bagaimana untuk melanjutkan. Ini sangat relevan dengan Toffoli, karena menjadi lebih sulit untuk diterapkan sebagai hasilnya: sebelumnya, Anda dapat dengan aman mengukur input yang berbeda dan, tergantung pada nilainya, melakukan sesuatu terhadap output. Tetapi jika inputnya tidak ortogonal (atau bahkan jika itu, tetapi dalam basis yang tidak diketahui!) Anda tidak bisa mengambil risiko mengukurnya karena Anda akan menghancurkan negara bagian, khususnya,


"Karena komputer kuantum mengandung komputer klasik" adalah argumen yang dipertanyakan. Ini seperti mengatakan bahwa karena kelengkapan Turing, paling tidak sama sulitnya membangun kalkulator mekanik gaya-Zuse seperti membangun cluster berkinerja tinggi modern. Itu jelas tidak benar.
leftaroundabout

@ Leftaroundabout bukan itu yang saya katakan sama sekali. Di sana Anda membandingkan dua implementasi berbeda dari komputer yang mengimplementasikan masalah P-complete. Saya membandingkan hal umum yang mengimplementasikan perhitungan lengkap BQP dengan hal umum yang menerapkan perhitungan lengkap P. Bahkan jika Anda menemukan arsitektur terbaik mutlak untuk menerapkan perhitungan kuantum, itu menyediakan cara menerapkan klasik, yang harus sama atau lebih buruk daripada cara terbaik. Apa yang sebenarnya saya katakan adalah bahwa P terkandung dalam BQP, tetapi kami percaya bahwa ada lebih banyak dalam BQP.
DaftWullie

2

Pada tahun 1996, David DiVincenzo mendaftarkan lima kriteria utama untuk membangun komputer kuantum:

  1. Komputer kuantum harus dapat diukur,
  2. Harus dimungkinkan untuk menginisialisasi qubit,
  3. Qubit baik diperlukan, keadaan kuantum tidak bisa hilang,
  4. Kita perlu memiliki satu set universal gerbang kuantum,
  5. Kita harus bisa mengukur semua qubit.

Dua kriteria tambahan:

  1. Kemampuan untuk mempertukarkan qubit stasioner dan terbang,
  2. Kemampuan untuk mengirimkan qubit terbang antara lokasi yang jauh.

Penjelasan Panjang


0

Saya harus tidak setuju dengan gagasan bahwa teorema no-kloning membuat koreksi kesalahan dengan kode pengulangan sulit. Mengingat bahwa input Anda disediakan dalam basis komputasi (yaitu input Anda bukan superposisi sewenang-wenang, yang hampir selalu terjadi, terutama ketika Anda memecahkan masalah klasik misalnya algoritma Schor), Anda dapat mengkloningnya dengan gerbang Not-controlled, jalankan perhitungan Anda secara paralel pada semua salinan, dan kemudian perbaiki kesalahan. Satu-satunya trik adalah memastikan Anda tidak melakukan pengukuran selama koreksi kesalahan (kecuali kemungkinan sindrom), dan untuk melakukan ini yang harus Anda lakukan adalah terus menggunakan gerbang kuantum.

Koreksi kesalahan untuk komputer kuantum tidak jauh lebih sulit daripada komputer klasik. Linearitas mengambil sebagian besar kesulitan yang dirasakan.

Saya juga ingin menyebutkan bahwa ada skema yang jauh lebih efisien untuk koreksi kesalahan kuantum daripada kode pengulangan. Dan bahwa Anda memerlukan dua matriks pauli untuk menghasilkan sisanya, jadi Anda perlu dua jenis kode pengulangan jika Anda akan memilih rute kode pengulangan yang tidak efisien, tetapi secara konseptual sederhana (satu untuk bit-flips dan satu untuk flips fase) .

Koreksi kesalahan kuantum menunjukkan bahwa peningkatan linear dalam jumlah qubit fisik per qubit logis meningkatkan tingkat kesalahan secara eksponensial, seperti halnya dalam kasus klasik.

Namun, kami sama sekali tidak mendekati 100 qubit fisik. Inilah masalah sebenarnya. Kita harus dapat merekatkan lebih banyak qubit semi-akurat bersama sebelum semua ini mulai menjadi masalah.


5
NFNF

GdecHaide-G-encHaide

0

Kotak Hitam Tertinggi

Komputer kuantum adalah definisi kotak hitam utama. Anda memasukkan input dan Anda mendapatkan proses, yang menghasilkan output.

Setiap upaya untuk membuka kotak hitam, akan mengakibatkan proses tidak terjadi.

Insinyur mana pun akan memberi tahu Anda bahwa itu akan menghambat proses desain. Bahkan cacat desain terkecil akan membutuhkan berbulan-bulan percobaan dan kesalahan untuk melacak.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.
Judi bola <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>|