Erhalten Sie Zugang zu diesem und mehr als 300000 Büchern ab EUR 5,99 monatlich.
- Herausgeber: Питер
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Russisch
От создателя IBM Q. Квантовые вычисления заставляют нас изменить отношение к компьютерам. Кубиты способны решать задачи, которые еще совсем недавно казались неразрешимыми. Вы узнаете о принципиальных различиях между квантовыми и классическими вычислениями, вспомните матанализ, чтобы разобраться с такими понятиями, как суперпозиция, запутанность и интерференция, от алгоритмов и схем перейдете к физическим и техническим идеям, лежащим в основе создания железа для квантовых вычислений. Загляните в будущее и узнайте, как развитие технологий повлияет на нашу жизнь!
Sie lesen das E-Book in den Legimi-Apps auf:
Seitenzahl: 562
Veröffentlichungsjahr: 2024
Das E-Book (TTS) können Sie hören im Abo „Legimi Premium” in Legimi-Apps auf:
Ähnliche
Научный редактор М. Коробко
Переводчик А. Логунов
Роберт С. Сатор
Танец с кубитами. Как на самом деле работают квантовые вычисления. — СПб.: Питер, 2022.
ISBN 978-5-4461-1681-2
© ООО Издательство "Питер", 2022
Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Оглавление
Об авторе
Роберт С. Сатор уже более 30 лет является техническим руководителем и исполнительным директором в ИТ-индустрии. Более двух десятилетий из них он провел в подразделении IBM Research в Нью-Йорке, где руководил работой в области символических математических вычислений, оптимизации, искусственного интеллекта, блокчейна и квантовых вычислений. Является соавтором нескольких научных работ и книги Axiom: The Scientific Computation System («Аксиома: научно-вычислительная система»), написанной совместно с покойным Ричардом Д. Дженксом.
По образованию Сатор — математик-теоретик, имеет степень PhD Принстонского университета и степень бакалавра Гарвардского колледжа. Он начал программировать, когда ему было 15 лет, и в своей работе использовал большинство из появившихся за это время языков программирования.
Благодарности
Спасибо моей жене Джудит Хантер и детям Кэти и Уильяму за их любовь и чувство юмора, которые поддерживали меня во время написания этой книги.
Благодарю Джона Келли, Арвинда Кришна, Дарио Гила, Джея Гамбетту, Джейми Томаса, Тому Розамилья и Кена Кевериана за их руководство программой IBM Q и личную поддержку.
Огромная признательность перечисленным ниже людям за наши беседы, за их проницательность и вдохновляющие идеи относительно широты и многообразия науки, технологии, применения и экосистемы квантовых вычислений. Вот они: Эйб Асфау, Алексис Харрисон, Али Джавади, Аманда Карл, Эндрю Кросс, Энтони Аннунциата, Антонио Корколес-Гонсалес, Антонио Меццакапо, Апарна Прабхакар, Билл Майнор, Брайан Экклс, Кармен Ресио Валькарсе, Крис Лиракис, Крис Найанг, Кристин Уайанг, Кристин Оу, Кристофер Шнабель, Дениз Раффнер, Дуг Макклюр, Эдвин Педно, Елена Индурайн, Эрик Уинстон, Фредерик Флётер, Ханхи Пайк, Хизер Хиггинс, Хайке Риль, Ингольф Виттманн, Исмаэль Фару, Джеймс Вуттен, Жанетт Гарсия, Дженн Глик, Джерри Чоу Брюэр, Джон Ганнелс, Джулс Мерфи, Кэти Пиццолато, Лев Бишоп, Лиз Дерст, Люк Амент, Майка Такита, Марко Пистойя, Марк Риттер, Маркус Бринк, Маттиас Стеффен, Мелисса Турески, Майкл Гордон, Майкл Осборн, Майк Хьюстон, Пэт Гуманн, Пол Кассебаум, Пол Нэйшн, Раджив Малик, Роберт Лоредо, Роберт Виснифф, Сара Шелдон, Скотт Краудер, Стефан Вернер, Стивен Томаско, Сьюзи Киршнер, Талия Гершон, Ванесса Джонсон, Винита Дурани, Венди Аллан, Венди Корнелл и Заира Назария.
Спасибо также многим авторам, на работы которых я ссылаюсь на протяжении всей книги, и команде издательства Packt, включая Эндрю Уолдрона, Тома Джейкоба и Яна Хоу.
Любые ошибки или недоразумения, которые есть в книге, только на моей совести.
О научных редакторах
Джонатан Ромеро — ученый и предприниматель в области квантовых вычислений. Будучи уроженцем Барранкилье, Колумбия, он получил степень PhD по химической физике в Гарвардском университете, а также степень бакалавра и магистра химии в Национальном университете Колумбии. Его исследования были сосредоточены на разработке алгоритмов квантовой симуляции и искусственного интеллекта для использования на квантовых устройствах ближайшего будущего. Джонатан — один из соучредителей и научных исследователей компании Zapata Computing, занимающейся в том числе и разработкой квантовых алгоритмов и программного обеспечения для коммерческих приложений. Автор нескольких публикаций в области вычислительной химии и квантовых вычислений.
Михаил Коробко — физик, занимается теорией и экспериментами по применению методов квантовой оптики, оптомеханики и квантовых измерений для улучшения чувствительности гравитационно-волновых детекторов. С 2012 года состоит в международной коллаборации ученых гравитационно-волнового детектора LIGO. Михаил закончил физический факультет МГУ им. Ломоносова, в настоящий момент является аспирантом института лазерной физики в университете Гамбурга. Свободное время он проводит с семьей, пишет научно-популярные статьи о квантовой физике и публикует посты в «Твиттере» (@hbar_universe).
Посвящается Джудит, Кэти и Уильяму, перед которыми я в неоплатном долгу
Предисловие
Все, что мы называем реальным, состоит из вещей, которые нельзя считать реальными.
Нильс Бор
Когда большинство людей думают о компьютерах, они представляют себе ноутбук или, возможно, даже более крупные машины вроде тех серверов, которые питают Всемирную паутину, интернет, облако. Но если вы внимательно посмотрите по сторонам, то поймете, что это далеко не все. К примеру, современные автомобили оснащены компьютерами в количестве примерно от 20 до 100 штук на машину — именно они управляют системами, которые позволяют вам двигаться, тормозить, регулировать температуру в салоне, слушать музыку и делать многое другое.
Смартфон — это компьютер, который многие люди активно используют каждый день. Современный телефон имеет 64-битный процессор, что бы это ни значило. А объем памяти, используемой для запуска всех этих приложений, может составлять 3 Гбайт, то есть 3 гигабайта. Что такое «гига» и что такое «байт»?
Все эти компьютеры называются классическими, а история их создания восходит к 1940-м годам. Если мы захотим выразиться более научно, то скажем, что эти компьютеры имеют архитектуру фон Неймана, названную так в честь математика и физика Джона фон Неймана.
Конечно, сейчас уже не 1940-е годы, но более 70 лет спустя мы по-прежнему пользуемся современными версиями этих машин во многих областях нашей жизни. С годами их «мыслящие» компоненты, процессоры, становились все быстрее и быстрее. Увеличивался объем памяти, что позволило нам запускать большее количество более объемных приложений, которые могут делать все более сложные вещи. Развитие графических процессоров поднимает качество игр на небывалую прежде высоту. За последние несколько десятилетий объем памяти взлетел до небес, и теперь в нашем распоряжении огромное количество приложений, игр, фотографий и видео на устройствах, которые мы носим с собой. Когда речь заходит об этих классических компьютерах и о том, как они развивались, мы видим, что работает правило «чем больше, тем лучше».
То же самое можно сказать о компьютерных серверах, которые управляют бизнесом и интернетом по всему миру. Храните ли вы свои фотографии в облаке? Где именно? Сколько фотографий вы можете там хранить и сколько это стоит? Как быстро ваши фотографии и любые другие данные могут перемещаться в это загадочное место и обратно?
Вся эта компьютерная мощь — потрясающа. Похоже, что каждое новое поколение компьютеров будет становиться все быстрее и сможет делать для нас все больше. Словно бы нет предела тому, насколько мощными способны стать эти маленькие и большие машины, чтобы развлекать нас, позволять нам общаться с друзьями и семьей и решать важные задачи.
Только вот… это неправда.
Хотя некоторые улучшения определенно будут, мы уже не увидим ничего похожего на удвоение мощности процессора каждые два года, как это происходило с середины 1960-х годов. Это удвоение получило название закона Мура, который формулировался примерно так: «Каждые два года процессоры будут становиться вдвое быстрее, вдвое меньше и потреблять вдвое меньше энергии».
Пропорции наподобие «вдвое» и «наполовину» являются приблизительными, но физики и инженеры действительно добивались необычайного прогресса в течение многих лет. Вот почему вы можете носить на запястье компьютер более мощный, чем система, которая 40 лет назад занимала целую комнату.
Ключевой проблемой здесь становится размер процессоров. Мы не можем бесконечно уменьшать транзисторы и микросхемы, иначе приблизимся к атомному уровню. Электроника будет настолько перегружена, что, когда мы попытаемся поручить задачу какой-то части процессора, это неизбежно затронет и соседний компонент.
Есть еще один более глубокий и фундаментальный вопрос. Мы знаем, что архитектура современного компьютера была создана более 70 лет назад и с тех пор постоянно улучшалась. Но означает ли это, что компьютеры способны справиться с любыми поставленными перед ними задачами? Перестанет ли быть актуальным правило «чем больше, тем лучше», если мы будем придерживаться той же самой компьютерной технологии? Есть ли что-то неправильное или ограничивающее в нашем способе вычислений, что затормозит прогресс, в котором мы нуждаемся или к которому стремимся?
В зависимости от того, какую задачу вы рассматриваете, разумно думать, что ответ на последний вопрос находится где-то между «вероятно» и «да».
Это грустно. Но все поменяется, если мы сможем придумать один или несколько новых типов компьютеров, которые имеют шанс преодолеть ограничения.
Об этом и пойдет речь в книге. Идея применения квантовых вычислений зародилась в начале 1980-х годов. Речь идет об использовании принципов квантовой механики, которые могут обеспечить совершенно новый вид компьютерной архитектуры. Квантовая механика, в свою очередь, восходит примерно к 1900 году, в частности к 1920-м годам, когда физики начали замечать, что результаты экспериментов не совпадают с теоретическими прогнозами.
Однако эта книга не о квантовой механике. С 2016 года десятки тысяч людей стали использовать квантово-вычислительные аппаратные средства через облако, которое мы называем квантовыми облачными сервисами. Люди начали программировать эти новые компьютеры, хотя это совсем не похоже на то, что вы делаете на классическом компьютере.
Почему квантовые вычисления заинтересовали такое количество людей? Уверен, отчасти это объясняется любопытством. Нельзя исключать и научно-фантастический аспект: слово «квант» встречается в научно-фантастических фильмах настолько часто, что зрители невольно задаются вопросом, есть ли в этой идее хоть какой-то смысл.
Но как только мы отвлечемся от всей этой новизны и загадочности, неплохо было бы спросить: «Ну хорошо, в чем же тогда их настоящая прелесть?» и «Когда и как это изменит мою жизнь?». Здесь мы будем говорить о таких вариантах использования квантовых вычислений, которые, по ожиданиям экспертов, вероятнее всего, найдут свое применение в течение следующих нескольких лет и десятилетий.
Пришло время узнать о квантовых вычислениях. Пора перестать мыслить классически и начать мыслить квантово, хотя я почти уверен, что это не совсем верное слово!
Для кого я написал эту книгу
Эта книга для всех, кто питает здоровый интерес к математике и хочет начать изучать физику, компьютерные науки и инженерию квантовых вычислений. Я сделаю краткий обзор необходимых математических основ, после чего мы погрузимся в работу с кубитами и квантовыми алгоритмами.
Хотя математики в книге много, она не выстроена вокруг классической схемы «определение — теорема — доказательство». Гораздо больше я заинтересован в том, чтобы дать вам глубокое представление о связях между идеями, чем в формальной разработке всех результатов.
Еще одна моя цель — подготовить вас к чтению еще более сложных учебных пособий и статей на эту тему, чтобы при необходимости вы смогли вернуться сюда и понять какую-то стержневую тему. Вам не нужно быть физиком, чтобы прочитать эту книгу, и вам не нужно заранее понимать квантовую механику.
В нескольких местах книги я привожу примеры исходного кода на Python. Считайте, что они дополнительные и необязательные, но если вы знаете Python, это знание вам пригодится.
Многие примеры взяты из квантово-вычислительной системы IBM Q, поскольку я был членом исполнительной команды IBM Q в то время, когда писал эту книгу.
О чем пойдет речь в книге
Прежде чем мы попробуем разобраться в том, как работают квантовые вычисления, придется обратиться к классике. И это нужно не только для сравнения. Я полагаю, что будущее — за гибридами классических и квантовых компьютеров.
Лучший способ усвоить что-то — начать с базовых принципов, а затем двигаться по восходящей. Это позволит вам самостоятельно рассуждать об осваиваемой теме, не полагаясь на механическое запоминание или ошибочные аналогии.
Глава 1. Почему именно квантовые вычисления
В первой главе мы зададим базовый вопрос этой книги: почему именно квантовые вычисления? Почему это так важно? Каким образом изменится наша жизнь? Где именно мы надеемся применить квантовые вычисления и увидеть значительное улучшение? Что мы вообще подразумеваем под «значительным улучшением»?
Часть I. Основные принципы
Первая часть книги охватывает математику, необходимую для понимания концепции квантовых вычислений. Хотя в конечном счете мы будем оперировать в пространствах очень большой размерности и использовать комплексные числа, вы можете получить более глубокое понимание того, что происходит в традиционных двух- и трехмерных пространствах.
Глава 2. Не старье, а классика
Классические компьютеры распространены повсеместно, но далеко не все знают, как они устроены и работают. Для дальнейшего их сравнения с квантовыми компьютерами мы обратимся к основам, а также разберемся в причинах, по которым классические компьютеры не всегда способны выполнять некоторые виды вычислений. Я ввожу простое понятие бита, то есть 0 или 1, но показываю, что работа с многочисленными битами в конечном счете дает нам все программное обеспечение, которое мы сегодня используем.
Глава 3. Больше чисел, чем вы можете себе представить
Числа, которые люди используют каждый день, называются вещественными (или действительными). Сюда входят целые, рациональные и иррациональные числа. Однако существуют и другие типы чисел и структур, обладающих многими из тех же алгебраических свойств. Мы обратимся к ним, чтобы разобраться в «вычислительной» части того, что делает квантовый компьютер.
Глава 4. Плоскости, окружности и сферы. О боже!
От алгебры мы переходим к геометрии и связываем их вместе. Что такое окружность на самом деле и что общего она имеет со сферой, когда мы перемещаемся из двух размерностей в три? То, что вы считали плоскостью, становится основой для понимания комплексных чисел, которые являются ключом к определению квантовых битов, обычно именуемых кубитами.
Глава 5. Размерности
Заложив алгебраический и геометрический фундамент, мы выходим за рамки привычного двух- и трехмерного мира. Векторные пространства обобщаются на многочисленные измерения и крайне важны для понимания экспоненциальной степени, которая может использоваться в квантовых компьютерах. Что можно сделать, работая в многочисленных размерностях, и как вы должны думать о таких операциях? Это дополнительное свободное пространство вступит в игру, мы будем говорить о том, как квантовые вычисления способны усилить искусственный интеллект.
Глава 6. Что имеется в виду под вероятностью
«Бог не играет в кости со Вселенной», — сказал Альберт Эйнштейн.
Это не религиозное утверждение, а скорее выражение неуверенности Эйнштейна в том, что случайность и вероятность играют свою роль в мироустройстве. Скажем так, он не совсем правильно это понял. Квантовая механика, глубокая и часто таинственная часть физики, на которой основаны квантовые вычисления, очень сильно связана с вероятностью. Поэтому мы рассмотрим основы теории вероятности, чтобы помочь вам понять квантовые процессы и поведение.
Часть II. Квантовые вычисления
Следующая часть посвящена тому, как на самом деле работают квантовые вычисления. Мы рассматриваем квантовые биты — кубиты — по отдельности и вместе, а затем создаем схемы, реализующие алгоритмы. Мы будем говорить преимущественно об идеальном случае, когда у нас есть идеальные отказоустойчивые кубиты. Но когда речь зайдет о создании квантовых компьютеров, нам придется иметь дело с физическими реалиями: присутствием шума и необходимостью уменьшения погрешности.
Глава 7. Один кубит
На этом этапе мы наконец можем говорить о кубитах в нетривиальной манере. Мы рассматриваем как векторное представление квантовых кубитных состояний, так и представление на сфере Блоха. Мы даем определение суперпозиции, которая расширяет привычное понятие кубита как «нуля и единицы одновременно».
Глава 8. Два кубита, три
С двумя кубитами нам нужно больше математики, и, чтобы объяснить запутанность, мы вводим понятие тензорного произведения. Запутанность, которую Эйнштейн называл «мистическим дальнодействием», устанавливает тесную корреляцию между двумя кубитами, в результате чего они больше не действуют независимо. С суперпозицией запутанность порождает очень крупные пространства, в которых могут работать квантовые вычисления.
Глава 9. Подключение схем
Имея множество кубитов, как вы манипулируете ими для решения задач или выполнения вычислений? Вы строите для них схемы из вентилей, которые соответствуют обратимым операциям. Подумайте пока о классическом термине «печатная плата». Я использую квантовый аналог схем для реализации алгоритмов, то есть рецептов, используемых компьютерами для выполнения задач.
Глава 10. От схем к алгоритмам
После обсуждения и понимания нескольких простых алгоритмов мы перейдем к более сложным, при сочетании которых можно получить алгоритм быстрой целочисленной факторизации, разработанный Питером Шором в 1994 году. Математики в этой главе станет гораздо больше, но благодаря предыдущим обсуждениям у нас будет все необходимое.
Глава 11. Обретение физической формы
Когда вы строите физический кубит, он ведет себя не совсем так, как диктует математика. Существуют ошибки, которые могут быть вызваны шумом в окружающей квантовой системе. Я не имею в виду, что кто-то кричит или включает громкую музыку, я имею в виду колебания температуры, излучение, вибрацию и т.д. Мы рассмотрим несколько факторов, которые вы должны учитывать, когда строите квантовый компьютер, введем квантовый объем в качестве общесистемной метрики производительности вашей системы и завершим главу рассмотрением самого известного квантового кота.
Глава 12. Вопросы о будущем
Если я скажу, что «через десять лет, я думаю, квантовые вычисления будут в состоянии делать то-то и то-то…», то мне придется описать три или четыре крупных научных прорыва, которые должны произойти до этого. Мы поговорим о разных областях, в которых возможны инновации в квантово-вычислительной науке и технике, и разберемся, почему выбор пал именно на них. Я поделюсь с вами несколькими принципами, которые помогут отличать хайп от реальности.
Справочная информация
1 Barad K. Meeting the Universe Halfway. Quantum Physics and the Entanglement of Matter and Meaning (Встреча со Вселенной на полпути. Квантовая физика и сплетение материи и смысла). 2nd ed. Duke University Press Books, 2007.
Условные обозначения, используемые в книге
Когда я хочу выделить что-то важное, то, что необходимо запомнить, я использую этот вид шрифтового выделения:
Это очень важно.
В этой книге нет упражнений, но есть вопросы. На некоторые из них даны ответы в тексте, а другие призваны стать для вас своего рода мысленным экспериментом. Попытайтесь разобраться в них по ходу дела. Они пронумерованы внутри разделов.
Вопрос 0.0.1
Почему вы задаете так много вопросов?
Примеры кода и результаты оформлены так, чтобы дать вам представление о том, как использовать современный язык программирования Python 3 для экспериментов с базовыми идеями в квантовых вычислениях.
def obligatoryFunction():
print("Здравствуй, квантовый мир!")
obligatoryFunction()
Здравствуй, квантовый мир!
Цифры в скобках (например, [1]) — это ссылки на дополнительные материалы для чтения. Они перечислены в конце каждой главы, в которой появляется число, заключенное в квадратные скобки.
Дополнительные сведения
Вот место, где вы можете увидеть ссылку, для того чтобы узнать больше о какой-то теме [1].
От издательства
Автор не учился в советской или российской школе, поэтому иногда использует другие, непривычные нам математические определения. Мы приняли решение оставить их в авторском виде.
Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу [email protected] (издательство «Питер», компьютерная редакция).
Мы будем рады узнать ваше мнение!
На веб-сайте издательства www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.
