Квантовые вычисления для чайников

Квантовые компьютеры могут однажды быстро найти решения проблем, которые обычный компьютер никогда не сможет решить, но число квантовых программистов исчезающе мало по сравнению с числом обычных программистов в мире. Теперь новое руководство для начинающих призвано помочь потенциальным квантовым программистам реализовать квантовые алгоритмы в облаке на общедоступных квантовых компьютерах IBM.

В то время как классические компьютеры включают или выключают транзисторы, чтобы символизировать данные как единицы или нули, квантовые компьютеры используют квантовые биты, или «кубиты», которые из-за специфической природы квантовой физики могут существовать в состоянии, называемом суперпозицией, где они одновременно равны 1 и 0. 0 одновременно. По сути, это позволяет каждому кубиту выполнять два вычисления одновременно. Чем больше кубитов квантово-механически связаны или запутаны (см. наш пояснитель) внутри квантового компьютера, тем больше его вычислительная мощность может расти в геометрической прогрессии.

В настоящее время квантовые компьютеры представляют собой шумные квантовые платформы среднего масштаба (NISQ) , что означает, что их число кубитов не превышает нескольких сотен, и они также подвержены ошибкам. Тем не менее ожидается, что квантовые процессоры будут расти с точки зрения количества кубитов и качества с целью достижения квантового преимущества, которое позволит им находить ответы на проблемы, которые никогда не могли решить классические компьютеры.

Хотя область квантового программирования зародилась в 1990-х годах, на сегодняшний день она привлекла лишь небольшое сообщество. «Программирование квантовых компьютеров может показаться сложной задачей, требующей многолетнего обучения квантовой механике и смежным дисциплинам», — говорит старший автор руководства Андрей Лохов , физик-теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. «Кроме того, в этой области преобладают физические и алгебраические обозначения, которые иногда создают ненужные входные барьеры для обычных компьютерных и математически подготовленных ученых».

Теперь, со своим новым руководителем, Лохов и его коллеги надеются помочь проложить путь «грядущей революции квантовых вычислений», говорит он. «Мы считаем, что наше руководство заполняет пробел в области квантовых вычислений, знакомя неопытных ученых-компьютерщиков, физиков и инженеров с квантовыми алгоритмами и их реализациями на реальных квантовых компьютерах».

В новом руководстве объясняются основы квантовых вычислений и квантового программирования, включая квантовые алгоритмы.

«Очень похоже на то, как классические алгоритмы описывают последовательность инструкций, которые необходимо выполнить на классическом компьютере, квантовый алгоритм представляет собой пошаговую процедуру, где каждый из шагов необходимо выполнить на квантовом компьютере», — Лохов. говорит. «Однако термин «квантовый алгоритм» обычно зарезервирован для алгоритмов, которые по своей сути содержат квантовые операции, такие как квантовая суперпозиция или квантовая запутанность, которые оказываются мощными в вычислительном отношении».

«Мы считаем, что наше руководство заполняет пробел в области квантовых вычислений, знакомя неопытных ученых-компьютерщиков, физиков и инженеров с квантовыми алгоритмами и их реализациями на реальных квантовых компьютерах». — Андрей Лохов

Для реализации таких квантовых операций на квантовых компьютерах квантовые программы представляются в виде схем, описывающих последовательность элементарных операций, называемых гейтами, которые применяются к набору кубитов. Одно из основных различий между квантовым и классическим программированием заключается в центральном принципе квантовой механики: когда дело доходит до измерения результатов квантовой программы, процесс по своей сути является вероятностным или подвержен случайным изменениям.

«Наше руководство призвано объяснить основные принципы квантового программирования, которые сильно отличаются от классического программирования, с помощью простой алгебры, которая делает необязательным понимание основополагающих увлекательных квантово-механических принципов», — говорит Лохов. «Мы получили положительные отзывы от многих ученых — начинающих в этой области, — которые смогли быстро ознакомиться с основами квантового программирования с помощью нашего руководства».

Новое руководство содержит минимальные знания, необходимые для того, чтобы сразу приступить к реализации и запуску квантовых алгоритмов. К ним относятся 20 стандартных квантовых алгоритмов, в том числе алгоритм Шора для факторизации целых чисел и алгоритм Гровера для поиска в базе данных .

«Кроме того, наш обзор охватывает наиболее успешные гибридные квантово-классические алгоритмы , такие как алгоритм квантовой приближенной оптимизации, а также классические инструменты, полезные для сертификации производительности квантовых алгоритмов, такие как квантовая томография», — говорит Лохов. «Следовательно, в руководстве рассматривается комбинация квантовых, классических и гибридных алгоритмов, которые лежат в основе области квантовых вычислений».

Затем руководство знакомит квантовых программистов с реализацией этих алгоритмов в облаке на общедоступных квантовых компьютерах IBM, таких как 5-кубитный IBMQX4. В руководстве обсуждаются результаты реализации и объясняются различия между симулятором и реальным аппаратным обеспечением.

Лохов отмечает, что в настоящее время для того, чтобы показать, что новый квантовый алгоритм работает эффективно, необходимо привести математическое доказательство. Напротив, в классических вычислениях многие эффективные алгоритмы были обнаружены эвристическим путем, то есть методом проб и ошибок или с помощью слабо определенных правил, а теоретические гарантии появились намного позже. Есть надежда, что новые квантовые алгоритмы могут быть обнаружены аналогичным образом, чем больше будет квантовых программистов.

«Мы считаем, что наше руководство может быть полезно для ознакомления большего количества ученых с квантовыми вычислениями и для приглашения их к экспериментам с грядущими квантовыми компьютерами с большим количеством кубитов», — говорит Лохов.