“Квантовые компьютеры” и “Квантовые сисадмины”

1.

“Квантовые компьютеры”
и
“Квантовые сисадмины”

2.

История 70-е
1970 — Стивен Визнер разработал сопряжённое кодирование[1].
1973 — Александр Холево опубликовал работу, в которой показал, что n кубит не могут нести больше информации, чем
такое же число классических битов (этот результат известен как теорема Холево[en] или ограничение Холево). В этом
же году Чарльз Х. Беннет показал возможность обратимости квантовых вычислений.
1975 — Р. П. Поплавский публикует «Термодинамические модели информационных процессов»(на русском), где
показывает вычислительную невозможность симуляции квантовых систем на классических компьютерах вследствие
принципа суперпозиции.
1976 — Польский физик и математик Роман Станислав Ингарден публикует работу под названием «Квантовая теория
информации» в Reports on Mathematical Physics vol. 10, 43-72, 1976 (получена в 1975 году). Это одна из первых попыток
создать квантовую теорию информации, так как Шеноном было показано, что классическая теория информации не может
быть просто обобщена на квантовый случай. Но, тем не менее, такую теорию возможно построить так, чтобы она
являлась некоторым обобщением шеноновской теории с учётом формализма квантовой механики и открытых систем и
квантовых наблюдаемых.

3.

Первые идеи 80-е
● 1980
Юрий Манин предложил идею квантовых
вычислений.
● 1981
Ричард Фейнман предложил базовую
модель квантового компьютера, который был бы
способен осуществить моделирование эволюции
квантовой системы.

4.

История 90-е
1991
Артур Экерт в Оксфордском университете описал безопасную систему связи на основе эффекта квантовой запутанности.
Дэн Симон в Монреальском университете, изобрел метод вычисления с оракулом, в котором квантовый компьютер
экспоненциально быстрее, чем обычный компьютер. Этот алгоритм впервые затронул основные идеи, которые позже
будут воплощены в квантовом алгоритме факторизации Питера Шора.
Питер Шор, в Лаборатории Белла, открыл важнейший квантовый алгоритм, ныне носящий его имя. Этот алгоритм
позволяет квантовым компьютерам быстро производить факторизацию больших целых чисел. Этот алгоритм
одновременно решил две важные задачи — проблему факторизации целых чисел и задачу дискретного
логарифмирования. Таким образом Алгоритм Шора теоретически позволяет взламывать используемые сейчас
криптосистемы. Это открытие вызвало огромный интерес к квантовым компьютерам.
Первая экспериментальная демонстрация выполнения квантового алгоритма: Двух-кубитный квантовый компьютер
работающий на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР-компьютер) использовался для выполнения квантового
Алгоритма Дойча — Йожи.
Первый работающий трех кубитный ЯМР-компьютер.
Первое выполнение Алгоритма Гровера на ЯМР-компьютере.
1993
1994
1998

5.

История 2000-е
2000
Первый работающий пяти кубитный ЯМР-компьютер был продемонстрирован в Мюнхенском техническом
университете.
Первое выполнение нахождения порядка (что является важной частью алгоритма Шора) продемонстрировано
в исследовательском центре компании IBM и в Стэнфордском университете.
Первый работающий семи кубитный ЯМР-компьютер был продемонстрирован в Лос-Аламосской
национальной лаборатории
2001
Первое полное выполнение алгоритма Шора продемонстрировано в исследовательском центре компании IBM
и в Стэнфордском университете. Число 15 было факторизованно квантовым компьютером, используя массив
из 1018 идентичных молекул, каждая из которых содержала семь активных ядерных спинов.

6.

История 2010-е
2015
2016
Google, используя массив из 9 сверхпроводящих кубитов, разработанных группой Martinis и Калифорнийским
университетом в Санта-Барбаре, смоделировали молекулу водорода.[10]
Microsoft представила язык квантового программирования интегрированный в Visual Studio. Программы могут
выполняться либо на симуляторе 32-кубитного компьютера локально, либо на симуляторе 32-кубитного компьютера
в облаке Microsoft Azure.[11]
Ученые создали микрочип, который генерирует два запутанных кубита, с 10 различными состояниями, для 100
измерений в общем.[12]
В Intel разработана 17-кубитная микросхема.[13]
2017
Оптически адресуемые ядерные спины в твердом теле с временем когерентности сохраняющимся на протяжении 6
часов.[6]
Квантовая информация была закодирована простыми электрическими импульсами.[7]
Написан код для обнаружения квантовых ошибок с использованием квадратной решетки из четырех
сверхпроводящих кубитов.[8]
Разработан двухкубитный логический вентиль из кремния.[9]
2018
В Intel разработана 49-кубитная микросхема.[14]
В MIT открыли новую форму света, состоящую из двух или трех квантово связанных фотонов (на основе
поляритонов), которая в перспективе может быть использована в квантовых компьютерах.[15][16]

7.

Модели вычислений:
● Вместо битов - кубиты
● Вместо
детерминированного
состояния суперпозиция
● Вместо результата вероятность
● Вместо блоков - гейты
● n-кубит, 2^n состояний.

8.

С виду всё просто … (на самом деле нет)
Квантовые
переходы
вполне
решаются и
классическими
методами … и
это используют.

9.

Модель квантового компьютера
В базовой модели квантового
компьютера используется
“классический” управляющий
компьютер.

10.

Подходы к теме КК в исследованиях.
1. Физические реализации
2. Поиск алгоритмов
3. Квантовое программирование (моделирование)

11.

Физические реализации
Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются
либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определённой точке) либо
направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние
потенциалы или лазерным импульсом.
Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, СКВИДы и др.). В качестве логических
кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определённой пространственной
области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
Ионы в вакуумных ловушках Пауля[en] (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических
кубитов используются основное/возбуждённое состояния внешнего электрона в ионе. Управление:
классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы +
колебательные моды ионного ансамбля. Эту схему предложили в 1994 году Петер Цоллер и Хуан
Игнасио Сирак[13][24].
Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для
управления атомными ансамблями или как элементы управления классическими вычислительными
сетями.

12.

Поиск эффективных алгоритмов
● Мало алгоритмов
Алгоритм Шора
Алгоритм Гровера
Алгоритм Дойча — Йожи
Алгоритм Залки — Визнера
Квантовый отжиг
И из значимого всё …

13.

Программирование
QCL
Quipper (Haskell)
Q#
qGCL
cQPL
В основном функциональное программирование.
Решения на виртуальных моделях КК.

14.

Сферы применения.
Моделирование физических систем
ЯМР
GRID
Blockchain (?)
AI (?)
Где не справляются классические системы, могут помочь квантовые.

15.

Проблемы внедрения КК.
● Сложность многокубитовой реализации
● Неявные преимущества перед классическими в
массовом сегменте и на широком классе задач
● Взаимодействие с классическими системами

16.

Настоящее
Google.
● 72 кубита
● Сверхпроводящие

17.

Настоящее
IBM
● 51-кубитный
● Полностью “Запутанный”
● Исследования “чистых”
квантовых компьютеров

18.

Настоящее
Intel “Tangle Lake”
● 49 Кубит
● Сверхпроводящие
чипы

19.

Настоящее
D-Wave
● 2000-кубитный D-Wave 2000Q (!)
● ~15M $
Покупатели:
Google/NASA/USRA, Lockheed
Martin/USC
Впаривают военным за бешенные деньги.

20.

Сисадмины в квантовую эпоху.
Что изменится в ближайшей перспективе?
- ничего
Что изменится в отдаленной перспективе?
-Всё.
Сисадмин - пользователь. Абсолютное большинство пользователей не
понимает как оно работает и в классике.

21.

Классический “Сисадмин”
Делает всё, что попросят
Результат всегда предсказуем (в пределе)
Слабо вступает во взаимодействия с другими сисадминами.
На некоторых задачах очень требователен к ресурсам

22.

Квантовый сисадмин
Сисадмин как суперпозиция множества специализаций … и ни одна из них.
Состояния:
|Сетевой админ> + |Админ БД> + |Спец КБ>+ … + |AnyKey> = (Sysadmin)
● При сильном воздействии - может принимать все значения (одинаково
маловероятные)
● При слабом - сваливается в какое-то состояние, но остальное по
“нулям”

23.

Как жить?*
Квантоваться и запутываться ...
DBA
Запутанные
“Квантовые
сисадмины”
SecOF
NetAdm
...
Проект
AnyKey
“Классический сисадмин”
*умереть
Результат

24.

Выводы
● Правильно “Запутанные” сисадмины способны давать результат не
хуже, чем набор “классических”.
● Классический вполне может подготавливать, руководить, и принимать
результаты работы.
Классический Сисадмин скорее “жив”, чем “мертв”!*
*- но это не точно.

25.

Что почитать?
Душкин Р. В. Д86 Квантовые вычисления и функциональное программирование. — 2014 — 318 с., ил.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0
%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80
Квантовые вычисления за и против / Под ред. Садовничего В. А. http://books.prometey.org/download/15288.html

26.

Спасибо.
*Не пытайтесь приписать мне понимание излагаемой мною темы.