Quantum computing fundamentals

Mga layunin sa pagkatuto

Sa pagtatapos ng modyul na ito, dapat mong magawa ang:

• Makilala ang pagkakaiba ng quantum computing mula sa classical computing
• Makilala ang pagkakaiba ng mga qubit mula sa mga bit
• Ipaliwanag ang mga pangunahing konsepto ng quantum computing
• Kilalanin ang pagkakaiba ng quantum gates, quantum circuits, at quantum computers

Ano ang quantum computing—at ano ang hindi ito

Maaari bang gawin ang quantum computation sa mga classical computer? Isa lang ba ang quantum computing sa isa pang anyo ng AI? Winawakasan ni Katie Pizzolato, Vice President, IBM Quantum® Platform sa IBM Quantum, ang ilang mga mito tungkol sa quantum computing sa loob ng 60 segundo.

Isang bagong paraan ng pagtingin sa mga problema

May ilang konsepto na natatangi sa quantum computing na makakatulong sa iyo na maunawaan ang potensyal nitong aplikasyon sa iyong organisasyon o industriya. Lahat ng computing system ay umaasa sa pangunahing kakayahang mag-imbak at manipulahin ng impormasyon. Ang mga conventional computer ay nag-iimbak ng impormasyon sa mga bit (zeros at ones) at ang mga quantum computer ay gumagamit ng qubits (binibigkas na CUE–bits). Sinasamantala ng mga quantum computer ang mga batas ng quantum mechanics na makikita sa kalikasan. Kumakatawan sila sa isang pundamental na pagbabago mula sa conventional na pagpoproseso ng impormasyon.

Narito ang isang metapora upang matulungan kang maunawaan kung bakit napakaiba ng quantum computing mula sa conventional computing. Pag-isipan ang sining at teknik ng photography bago at pagkatapos ng pagdating ng color film.

Halimbawa, pag-isipan ang black-and-white na litrato ng isang taniman ng tulips at ang color na litrato ng mga pulang tulips at isang dilaw na tulip sa isang taniman.

Ang pisikal na penomenon ng kulay ay mayroon na habang limitado pa sa grayscale ang photography. Ngunit ang tanong na "Maaari mo bang palitan ang pula at dilaw?" ay magiging ganap na walang kahulugan, gayundin ang anumang pagtatangkang gawin ito.

Nang maimbento ang color film, nagkaroon ng pagsabog ng mga artistiko at teknikal na opsyon para sa mga photographer, ngayon na kaya nilang manipulahin ang pisika ng kulay.

Mayroon na ngayon ang mga quantum computer dahil natuklasan natin kamakailan kung paano kontrolin ang matagal nang naroon sa mundo: ang mga quantum na penomenon ng superposition, entanglement, at interference. Ang mga bagong sangkap na ito sa computing ay nagpapalawak ng posibleng maidisenyo sa mga algorithm. Nag-aalok sa atin ang mga quantum computer ng mga bagong paraan ng pagtingin sa mga problema, na maaaring magbunyag ng mga solusyon na hindi makikita ng mga classical computer.

Tulad ng kung paano pinalitan ng "black-and-white photography" ang pre-color film photography pagkatapos ng pagdating ng color film, kailangan na rin ng pre-quantum computing ng bagong pangalan. Ang pinakakaraniwang termino para sa pre-quantum computing ay classical computing. Ang mga salitang "classical" at "quantum" ay nagsimulang magbago ng salitang "computing" dahil ganito na binabago ng mga siyentipiko ang salitang "physics," tulad ng "classical physics" at "quantum physics."

Kung paano naiiba ang quantum computing sa classical

Ang mga computer ngayon ay nagsasagawa ng mga kalkulasyon at nagpoproseso ng impormasyon gamit ang classical na modelo ng computation, na nagmula sa gawa ni Alan Turing at John von Neumann. Sa modelong ito, lahat ng impormasyon ay maaaring bawasan sa mga bit, na maaaring kumuha ng mga halaga ng alinman sa 0 o 1, at lahat ng pagpoproseso ay maaaring isagawa sa pamamagitan ng mga simpleng logic gate (AND, OR, NOT, NAND) na kumikilos sa isa o dalawang bit sa isang pagkakataon. Sa anumang punto sa computation, ang estado ng isang classical computer ay ganap na tinutukoy ng mga estado ng lahat ng mga bit nito, kaya ang isang computer na may n bits ay maaaring mayroon sa isa sa $2^n$ posibleng estado, mula sa 00...0 (ang pagkakasunud-sunod ng n na zeros) hanggang sa 11...1 (ang pagkakasunud-sunod ng n na ones).

Ang kapangyarihan ng quantum na modelo ng computation, sa kabilang banda, ay nasa mas mayamang repertoire ng mga estado nito. Ang isang quantum computer ay mayroon ding mga bit, ngunit sa halip na 0 at 1, ang mga quantum bit nito, o qubits, ay maaaring kumatawan sa isang 0, isang 1, o kumbinasyon ng pareho, na isang katangian na kilala bilang superposition. Ito sa sarili nito ay walang espesyal na bagay, dahil ang isang computer na ang mga bit ay maaaring nasa pagitan ng 0 at 1 ay analog computer lamang, kaunti lang na mas makapangyarihan kaysa sa isang ordinaryong digital computer. Gayunpaman, ang isang quantum computer ay sinasamantala ang isang espesyal na uri ng superposition na nagpapahintulot ng exponentially na maraming lohikal na estado nang sabay-sabay. Ito ay isang makapangyarihang gawa, at walang classical computer ang makakamit nito. Ang malaking mayorya ng mga quantum superposition na ito, at ang mga pinaka-kapaki-pakinabang para sa quantum computation, ay entangled—sila ay mga estado ng buong computer na hindi tumutugma sa anumang pagtatalaga ng digital o analog na mga estado ng mga indibidwal na qubit.

Maaaring isipin ng isa na ang kahirapan sa pag-unawa ng quantum computing ay nasa mahirap na matematika, ngunit sa matematika, ang mga quantum na konsepto ay kaunti lamang na mas kumplikado kaysa sa algebra sa high school. Mahirap ang quantum physics dahil nangangailangan ito ng pag-internalize ng mga ideyang simple ngunit counterintuitive.

Para makakuha ng mas magandang pag-unawa sa paguusap tungkol sa mga pangunahing konsepto ng quantum computing, manood ng video na ito mula kay Talia Gershon, Director of Hybrid Cloud Infrastructure sa IBM Research®. Ipinaliliwanag ni Gershon ang quantum computing sa limang antas—sa isang bata, tinedyer, estudyante sa kolehiyo, graduate na estudyante, at propesyonal para sa WIRED magazine. Manood hanggang sa 06:17-minutong marka; gayunpaman, maaari mong panoorin ang buong video.

Suriin ang iyong pag-unawa

Basahin ang tanong sa ibaba, pag-isipan ang iyong sagot, pagkatapos ay i-click ang tatsulok upang ihayag ang solusyon.

Tama o mali: Ang mga taong may advanced na degree sa matematika at pisika lamang ang makakaunawa ng mga konsepto ng quantum computing.

Mali. Dahil kaunti lamang na mas kumplikado kaysa sa algebra sa high school, ang mga quantum na konsepto ay mas naa-access kaysa sa iniisip ng isa. Ang kanilang kahirapan ay nasa kanilang counterintuitive na katangian.

Mga prinsipyo ng quantum information

Mga Qubit

Sa sumusunod na video, ikinukumpara ni Darío Gil, Director of Research sa IBM, ang pangunahing yunit ng classical na impormasyon (bit) sa pangunahing yunit ng quantum na impormasyon (qubit). Ginagabayan ka niya na mailarawan ang tatlong pangunahing prinsipyo ng quantum computing: superposition, entanglement, at interference. Sa mga katangiang ito, maaaring bumuo ng mga quantum algorithm na makakalutas ng mga problemang pang-negosyo na maaaring nasa labas ng kakayahan kahit ng pinakamalaking supercomputer sa mundo.

Superposition

Ang superposition ay isang weighted na kabuuan o pagkakaiba ng dalawa o higit pang mga estado. Ang halo ng mga estadong ito ay madalas na mahirap mailarawan ng mga tao (tulad ng isang binaliktad na barya na nasa halo ng parehong heads at tails nang sabay-sabay). Ngunit may mas madaling mga kaso na maisip—halimbawa, kapag isang chord ng ilang musikal na nota ay tumutugtog sa isang gitara. Ang pagyanig ng hangin ay hindi lamang tumutugma sa isa sa mga nota, kundi sa lahat. Ang hangin ay umalog sa kumbinasyon ng mga frequency na tumutugma sa lahat ng nota sa chord. Ang "weighted na kabuuan o pagkakaiba" ay nangangahulugang ang ilang bahagi ng superposition ay mas o hindi gaanong prominenteng kinakatawan, tulad ng kapag ang isang violin ay tumutugtog nang mas malakas kaysa sa ibang mga instrumento sa isang string quartet. Ang ordinaryong, o classical, na mga superposition ay karaniwang nagaganap sa mga macroscopic na penomenon na kinabibilangan ng mga alon. Kaya ang superposition ay maaaring isang pamilyar na konsepto.

Ang kakaiba at natatangi sa quantum world ay ang, sa pagsukat ng isang sistema sa superposition ng mga estado, ang sistema ay bumabagsak sa isa lamang sa mga purong estado. Ang musikal na katulad nito ay ang pagtutugog ng isang chord ng ilang nota, pagpapalayo ng chord na iyon sa pamamagitan ng hangin patungo sa iyong tainga, ngunit marinig (masukat) lamang ang isa sa mga nota na tumutugtog. Wala itong katulad sa macroscopic world.

Paano ginagawang naiiba ng superposition ang mga quantum computer mula sa mga classical computer?

Ang isang sistema ng n qubits, ay maaaring masukat na nasa isa sa $2^n$ posibleng estado. Totoo rin ito para sa mga classical computer bits, o tunay na para sa anumang koleksyon ng n na binary na kinalabasan. Upang mailarawan ito, pag-isipan ang lahat ng posibleng resulta ng pagbabalikwas ng n na mga nakikilalang barya, bawat isa ay may dalawang posibleng panig na tatawagin nating "heads" (H) at "tails" (T), ayon sa pagkakasunod.

Kung i-flip natin ang isang barya, may dalawang posibleng estado: H o T.

Kung i-flip natin ang dalawang barya, may apat na posibleng estado: HH, HT, TH, at TT.

Para sa tatlong barya, makikita natin ang walong estado: HHH, HHT, HTH, HTT, THH, THT, TTH, TTT.

Nagpapatuloy ang trend na ito. Sa bawat pagdaragdag ng isa pang barya, ang bilang ng posibleng kinalabasan ay dinidoble. Kaya ang bilang ng mga kinalabasan para sa isang sistema ng n na mga binary variable ay $2^n$.

Kung totoo ito para sa parehong classical at quantum computer, ano ang nagpapaging espesyal sa mga quantum computer? Ang sagot ay superposition. Parehong ang classical at quantum na mga computer ay maaaring ma-access ang isang espasyo ng $2^n$ posibleng estado. Ngunit ang isang classical computer ay maaari lamang nasa isa sa mga estadong iyon sa isang pagkakataon, samantalang ang isang quantum computer ay maaaring nasa superposition ng lahat ng mga estadong ito, nang sabay-sabay.

Upang maging mas tiyak tungkol dito, ipagpalagay na naghahanap ka ng pinakamababang gastos na C na nauugnay sa ilang prosesong pang-industriya. Ang prosesong ito ay nakasalalay sa maraming mga input variable, na ididiin natin bilang $x_i$. Sa ngayon ay ipapalagay natin na binary ang mga variable na ito, kahit maaari tayong magpangkalahatan. Sa isang classical computer, kailangan mong kalkulahin ang gastos na $C(x_i)$ para sa bawat posibleng pagpili ng $x_i$. Ibig sabihin, kailangan mong ilagay ang 0000...00, 000...01, 000...10, at iba pa, na sumasaklaw sa lahat ng posibleng input. Ang isang quantum computer ay maaaring nasa superposition ng lahat ng mga estadong ito, upang ang mga operasyon ay maisagawa sa lahat ng posibleng input na estado nang sabay-sabay.

Kung mukhang napakaganda upang maging totoo, may komplikasyon: alalahanin na sa pagsukat ng quantum system, isa lamang ang maaring makuha nating resulta, hindi lahat ng resulta mula sa buong espasyo. Kaya ang gawain ay magsulat ng mga algorithm na nagdudulot ng pinakamainam na solusyon (tulad ng pinakamababang gastos at pinakamabilis na tugon) na maging ang isa na masusukat sa huli. Sa ibang salita, ang mga quantum computer ay hindi nagbabalik ng lahat ng posibleng solusyon; sinisiyasat nila ang isang espasyo ng maraming solusyon nang sabay-sabay at (kung gumagana ang algorithm) ibinabalik nila ang pinakamainam na solusyon nang may mataas na posibilidad. Para sa mga problema na may napakalaking espasyo ng solusyon o napakamahal na mga hakbang sa komputasyon, ang pagkakaibang ito ay maaaring maging game-changing.

Classical vs. quantum probability?

Kung aling quantum state ang masusukat sa katapusan ng isang kalkulasyon, ay probabilistic. Ang mga weight na inilarawan sa itaas ay tumutugma sa mga probabilidad ng pagsukat ng iba't ibang estado. Isang teknikal na tala: habang ang mga probabilidad ay dapat na positibo (o zero), ang mga weight sa isang superposition ay maaaring positibo, negatibo, o kahit complex na mga numero. Ang probabilidad ay ang absolute value ng isang weight, squared: $P_i = |w_i|^2$. Mahalaga na tandaan na ang salitang probabilidad ay minsan ginagamit upang mangahulugan ng iba't ibang bagay sa classical at quantum na mga konteksto. Halimbawa, kung nagbalikwas ka na ng isang hanay ng n na mga barya, ngunit hindi pa tinitingnan ang kinalabasan, para sa iyong kaalaman ang bawat barya ay maaaring heads o tails. Maaari mong tawaging probabilistic na halo ng $2^n$ na estado ito. Ngunit ang hanay ng mga barya ay nasa isa lamang sa mga posibleng estado—hindi lang natin alam kung alin. Hindi ito ang kaso para sa mga quantum computer. Ang mga quantum computer ay maaaring humawak ng data na tumutugma sa mga superposition ng $2^n$ na natatanging lohikal na estado, nang sabay-sabay. Para sa kadahilanang ito, ang quantum superposition ay mas makapangyarihan kaysa sa classical probabilism. Ang mga quantum computer na may kakayahang humawak ng kanilang data sa superposition ay maaaring makalutas ng ilang mga problema nang exponentially na mas mabilis kaysa sa anumang kilalang classical algorithm.

Para matuto pa, panoorin ang IBM Research video na ito sa YouTube tungkol sa classical at quantum randomness.

Entanglement

Isipin ang dalawang magkaibigan na may dalawang napakanipin, sheer na mga scarf na halos transparent. Ang isang scarf ay pula, at ang isa pa ay asul. Kapag inilatag ng mga magkaibigan ang mga scarf sa ibabaw ng isa't isa, magkasama silang mukhang lila. Kung hawak ng mga magkaibigan ang dalawang scarf na iniunat sa pagitan nila, ang estado ng dalawang magkaibigan na humahawak ng isang bagay na lila ay tiyak, kahit na, kung nahiwalay, hindi alam kung aling magkaibigan ang hahawak ng asul na scarf at kung aling magkaibigan ang hahawak ng pulang scarf. Ang quantum entanglement ay ganito. Ang estado ng buong sistema ay may mga katangian na kilala (tulad ng pinagsanib na kulay ng dalawang scarf), ngunit ang mga indibidwal na piraso ay walang malinaw na tinukoy na mga katangian (tulad ng bawat magkaibigan, wala sa kanila ang humahawak ng isang scarf na may malinaw na tinukoy na kulay). Ang metaporang ito ay hindi perpekto dahil ang bawat magkaibigan ay maaaring magpasya nang maaga na humawak ng isang scarf nang mas mahigpit kaysa sa iba o palayain ang isa o ang isa pang scarf habang lumalayo ang dalawang magkaibigan. Sa isang quantum system, ang mga katangian ng mga bahagi ay tunay na hindi tinukoy hanggang sa may mga pagsukat.

Interference

Ang interference ay isang katangian ng mga quantum system kung saan ang mga estado na may magkalabang mga phase ay maaaring magpatibay o mag-cancel ng isa't isa. Isang paraan upang mailarawan ang interference ay isipin kung paano gumagana ang mga polarized lens sa mga salamin sa araw. Kung maglalagay ka ng dalawang polarized lens sa ibabaw ng isa't isa at magsimulang paikutin ang isa sa kanila, mapapansin mo ang parehong constructive at destructive interference habang mas marami o mas kaunting liwanag ang nahaharang.

Para sa higit pang intuisyon kung paano gumagana ang interference, panoorin ang video na ito mula 7:40 hanggang 8:24.

Suriin ang iyong pag-unawa

Basahin ang tanong sa ibaba, pag-isipan ang iyong sagot, pagkatapos ay i-click ang tatsulok upang ihayag ang solusyon.

Ang quantum physics ay naglalaman ng ilang counterintuitive na ideya, tulad ng: (a) Ang isang pisikal na sistema sa isang tiyak na estado ay maaari pa ring kumilos nang random. (b) Ang dalawang sistema na masyadong malayo upang makaapekto sa isa't isa ay kahit papaano ay mahalagang magkaugnay. (c) Posible na magkaroon ng estado sa isang quantum system na hindi maaaring ilarawan bilang produkto ng mga independyenteng bahagi ng mga qubit na bumubuo sa estado. (d) Lahat ng nabanggit

Ang tamang sagot ay "Lahat ng nabanggit." Ang unang ideya ay nauugnay sa probabilistic na kalikasan ng mga qubit. Ang ikalawa at ikatlong ideya ay nagmumula sa mga entangled na sistema.

Mga quantum circuit

Business value ng mga quantum circuit

Ang mga quantum circuit ay kumakatawan sa isang hanay ng mga instruksyon na nagpapahintulot sa atin na manipulahin ang mga qubit upang masamantala ang superposition, entanglement, at interference para sa paglutas ng mga kumplikadong problema. Panoorin ang video sa ibaba upang makita kung paano naghahambing ang mga classical at quantum circuit at kung paano maaaring magdala ng halaga ang mga quantum circuit sa iyong negosyo.

Suriin ang iyong pag-unawa

Basahin ang tanong sa ibaba, pag-isipan ang iyong sagot, pagkatapos ay i-click ang tatsulok upang ihayag ang solusyon.

Tama o mali: Ang mga quantum circuit ay hindi mga pisikal na device.

Tama. Ang isang quantum circuit ay isang abstract na representasyon ng isang hanay ng mga instruksyon na bumubuo ng isang quantum algorithm. Maaari tayong gumamit ng visual na tool tulad ng IBM Composer o isang programming language tulad ng Qiskit upang bumuo ng mga quantum circuit.

Pag-program ng isang quantum circuit

Ano ang kailangan mo upang i-program ang isang quantum computer? Ang sagot ay Qiskit! Alamin kung paano bibigkasin ang salitang ito at higit pa sa video sa ibaba.

Mga pangunahing aral

Maaari mong tandaan ang mga pangunahing araling ito:

• May mga problema pa rin sa komputasyon na hindi kayang lutasin ng mga classical computer.
• Pinapalawak ng mga quantum computer ang posibleng maidisenyo sa mga algorithm.
• Ang qubit ang pangunahing quantum na yunit ng impormasyon.
• Ang isang quantum superposition ay maaaring magkaroon ng exponentially na mas maraming estado kaysa sa isang classical superposition.
• Ang quantum superposition ay mas makapangyarihan kaysa sa classical probabilism ngunit mas mahina kaysa sa exponential parallelism.
• Sa isang entangled na estado, ang buong sistema ay nasa isang tiyak na estado kahit ang mga bahagi ay hindi.