Kuantum bilişimini anlama

  • Makale

Kuantum bilişimi, gezegenimizin çevre, tarım, sağlık, enerji, iklim, malzeme bilimi ve daha fazlası gibi alanlardaki en büyük güçlüklerinden bazılarını çözme sözünü tutar. Bu sorunların bazıları için, sistemin boyutu büyüdükçe klasik bilgi işlem giderek daha fazla zorlanıyor. Ölçeklendirilecek şekilde tasarlanan kuantum sistemlerinin büyük olasılıkla günümüzün en güçlü süper bilgisayarlarını aşan özellikleri olacaktır. Kuantum araştırmacıları, bilim insanları, mühendisler ve iş liderlerinden oluşan küresel topluluk, kuantum ekosistemini ilerletmek için işbirliği yaptıklarından, kuantum etkisinin tüm sektörlerde hızlanmasını bekliyoruz.

İpucu

Kuantum bilişimi yolculuğunuzu hızlandırmak istiyorsanız Azure Quantum web sitesinin benzersiz bir özelliği olan Azure Quantum ile kod bölümüne göz atın. Burada yerleşik Q# örnekleri veya kendi Q# programlarınızı çalıştırabilir, istemlerinizden yeni Q# kod oluşturabilir, kodunuzu tek tıklamayla Web için VS Code'da açıp çalıştırabilir ve Copilot'a kuantum bilişimi hakkında herhangi bir soru sorabilirsiniz.

Kuantum bilgisayarları neden kullanılır?

Kuantum bilgisayar fikri, klasik bir bilgisayarda kuantum sistemlerinin benzetiminin zorluğundan ortaya çıktı. 1980'lerde Richard Feynman ve Yuri Manin bağımsız olarak kuantum olgularına dayalı donanımın kuantum sistemlerinin simülasyonu için geleneksel bilgisayarlardan daha verimli olabileceğini önermiş.

Kuantum mekaniğinin benzetimini yapmanın neden zor olduğunu anlamanın birçok yolu vardır. En basiti, maddenin kuantum düzeyinde çok sayıda olası yapılandırmada (durum olarak bilinir) olduğunu görmektir.

Kuantum bilişimi katlanarak büyür

40$ olası konumun bulunduğu $bir elektron sistemini düşünün. Bu nedenle sistem 2^{40}$ yapılandırmadan $birinde olabilir (çünkü her konumda bir elektron olabilir veya olmayabilir). Elektronların kuantum durumunu geleneksel bir bilgisayar belleğinde depolamak için 130$ GB'den $fazla bellek gerekir! Parçacıkların 41$ konumdan herhangi birinde $yer almalarına izin verirsek, 2^{41}$ değerinde iki kat fazla yapılandırma $olur ve bu da kuantum durumunu depolamak için 260$ GB'tan $fazla bellek gerektirir.

Konum sayısını artırmaya ilişkin bu oyun süresiz olarak oynanamaz. Durumu geleneksel olarak depolamak istiyorsak dünyanın en güçlü makinelerinin bellek kapasitelerini hızla aşmış olacağız. Birkaç yüz elektrona ulaşıldığında, sistemi depolamak için gereken bellek evrendeki parçacık sayısını aşar. Bu nedenle, geleneksel bilgisayarlarımızla kuantum dinamiklerini benzetmek mümkün değildir.

Zorluğu fırsata dönüştürme

Bu üstel büyümenin gözlemi güçlü bir soru sormamıza neden oldu: Bu zorluğu bir fırsata dönüştürebilir miyiz? Özellikle, kuantum dinamiğini benzetmek zorsa, temel işlemler olarak kuantum etkilerine sahip donanımlar oluşturmak istediğimizde ne olur? Tam olarak aynı fizik yasalarından yararlanan bir makine kullanarak etkileşim kuran parçacıklardan oluşan kuantum sistemlerinin simülasyonunu yapabilir miyiz? Bu makineyi kuantum parçacıklarında bulunmayan ancak bizim için kritik olan diğer görevleri araştırmak için kullanabilir miyiz? Bu sorular Quantum Computing'in doğuşunu sağladı.

1985'te David Deutsch, kuantum bilgisayarın herhangi bir fiziksel sistemin davranışını verimli bir şekilde simüle edebildiğini gösterdi. Bu keşif, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlarda çıkarılamaz olan sorunları çözmek için kullanılabileceğinin ilk göstergesiydi.

1994'te Peter Shor, bilinen en iyi klasik algoritmadan üstel olarak daha hızlı çalışan tamsayıları çarpanlara ayırmaya yönelik bir kuantum algoritması keşfetti. Çarpanların çözülmesi, e-ticaretin güvenliğini temel alan RSA ve Eliptik Eğri Şifrelemesi de dahil olmak üzere günümüzde ortak anahtar şifreleme sistemlerimizin birçoğunun bozulmasına olanak sağlar. Bu keşif, kuantum bilişimine büyük bir ilgi uyandırdı ve diğer birçok sorun için kuantum algoritmalarının geliştirilmesine yol açtı.

O zamandan bu yana, kimya, fizik ve malzeme bilimindeki fiziksel sistemlerin simülasyonu, sıralanmamış bir veritabanında arama yapma, doğrusal denklem sistemlerini çözme ve makine öğrenmesi gibi birçok zor klasik görev için hızlı ve verimli kuantum bilgisayar algoritmaları geliştirilmiştir.

Kubit nedir?

Bitler klasik bilgi işlemdeki bilgilerin temel nesnesi olduğu gibi , kubitler de (kuantum bitleri) kuantum bilişimindeki bilgilerin temel nesnesidir.

Kubit, kuantum bilişimindeki temel bilgi birimidir. Kubitler kuantum bilişiminde bitlerin klasik bilgi işlemde oynadığı gibi benzer bir rol oynar, ancak çok farklı davranırlar. Klasik bitler ikilidir ve yalnızca 0$ veya $1$ konumunu $tutabilir, ancak kubitler tüm olası durumların süper konumunu tutabilir. Bu, kubitin $0$, $1$ veya ikisinin herhangi bir kuantum süper pozisyonunda olabileceği anlamına gelir. 0$ ve $1'in $$sonsuz olası süper pozisyonları vardır ve bunların her biri geçerli bir kubit durumudur.

Kuantum bilişiminde, bilgiler 0$ ve $1$ durumlarının $süper pozisyonunda kodlanır. Örneğin, 8 bit ile $256$ farklı değeri kodlayabiliriz$, ancak kodlamak için bunlardan birini seçmeniz$ gerekir. 8 kubit ile $256$ değeri aynı anda kodlayabiliriz$.$ Bu davranış, kubitin tüm olası durumların süper pozisyonunda olmasıdır.

Daha fazla bilgi için bkz . Kuantum bilişiminde kubit.

Kuantum bilgisayar oluşturma

Kuantum bilgisayar, kuantum mekanik olaylarından yararlanan bir bilgisayardır. Kuantum bilgisayarlar, bilgileri depolamak ve hesaplamak için maddenin kuantum durumlarını kullanır. Alıntı yapabilir &; program" klasik bilgisayarlardan daha hızlı veya daha iyi şeyler yapmak için kuantum girişimi.

Kuantum bilgisayar oluştururken kubitlerin nasıl oluşturulacağını ve bunların nasıl depolanacağını düşünmemiz gerekir. Ayrıca bunları nasıl yönlendirebileceğimizi ve hesaplamalarımızın sonuçlarını nasıl okuyacağımızı da düşünmemiz gerekir.

En çok kullanılan kubit teknolojileri, kapana kısılmış iyon kubitleri, süper iletken kubitler ve topolojik kubitlerdir. Bazı kubit depolama yöntemleri için kubitleri barındıran birim, tutarlılıklarını en üst düzeye çıkarmak ve girişimi azaltmak için mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta tutulur. Diğer kubit barındırma türlerinde, titreşimleri en aza indirmeye ve kubitleri kararlı hale getirmeye yardımcı olmak için bir vakum haznesi kullanılır. Sinyaller mikrodalga, lazer ve voltaj gibi çeşitli yöntemler kullanılarak kubitlere gönderilebilir.

Kuantum bilgisayar için beş ölçüt

İyi bir kuantum bilgisayar şu beş özelliğe sahip olmalıdır:

  1. Ölçeklenebilir: Birçok kubite sahip olabilir.
  2. Başlatılabilir: Kubitleri belirli bir duruma (genellikle $0$ durumuna) ayarlayabilir.
  3. Esnek: Kubitleri uzun süre süper pozisyon durumunda tutabilir.
  4. Evrensel: Kuantum bilgisayarın mümkün olan her işlemi gerçekleştirmesi gerekmez, yalnızca evrensel küme adı verilen bir işlem kümesi gerekir. Bir dizi evrensel kuantum işlemi, diğer tüm işlemlerin bir dizi halinde ayrıştırılabilmesidir.
  5. Güvenilir: Kubitleri doğru bir şekilde ölçebilir.

Bu beş ölçüt genellikle kuantum hesaplaması için Di Vincenzo ölçütleri olarak bilinir.

Bu beş ölçüte uyan cihazlar oluşturmak, insanoğlunun karşılaştığı en zorlu mühendislik güçlüklerinden biridir. Microsoft, Azure Quantum aracılığıyla en son kuantum bilişimi çözümlerine erişmenizi sağlamak için dünyanın en iyi kuantum bilgisayarı üreticilerinden bazıları ile iş ortaklığı içindedir. Daha fazla bilgi için bkz. Azure Quantum sağlayıcılarının tam listesi.

Kuantum bilişimi ve Azure Quantum ne için kullanılabilir?

Kuantum bilgisayar, her şeyi daha hızlı yapabilen bir süper bilgisayar değildir. Aslında kuantum bilişim araştırmalarının hedeflerinden biri, kuantum bilgisayar tarafından hangi sorunların klasik bir bilgisayardan daha hızlı çözülebileceğini ve hızın ne kadar büyük olabileceğini incelemektir.

Kuantum bilgisayarlar, çok sayıda olası bileşimin hesaplanması gereken sorunlarda son derece başarılıdır. Bu tür sorunlar kuantum simülasyonu, şifreleme, kuantum makine öğrenmesi ve arama sorunları gibi birçok alanda bulunabilir.

Microsoft'un kuantum bilişimi araştırması hakkında en son bilgiler için Microsoft Research Quantum Computing sayfasına bakın.

Kaynak tahmini

Günümüzde kullanılabilen kuantum bilgisayarlar ilginç denemelere ve araştırmalara olanak sağlıyor ancak gerçek dünyadaki sorunları çözmek için gerekli hesaplamaları hızlandıramıyor. Sektör donanımda ilerleme beklese de kuantum yazılımı yenilikçileri ilerleme kaydetmek ve kuantum geleceğine hazırlanmak için isteklidir. Bugün, sonunda yarının hataya dayanıklı ölçeklendirilmiş kuantum bilgisayarlarında çalışacak algoritmalar oluşturmak göz korkutucu bir görevdir. Bu yenilikçiler hangi donanım kaynaklarının gerekli olduğu gibi sorularla karşı karşıya kalıyor. Kaç fiziksel ve mantıksal kubit gerekiyor ve ne tür? Çalışma süresi ne kadardır?

Bu soruları yanıtlamaya yardımcı olması için Azure Quantum Kaynak Tahmin Aracı'nı kullanabilirsiniz. Sonuç olarak algoritmalarınızı geliştirebilecek ve kullanılabilir olduğunda ölçeklendirilmiş kuantum bilgisayarlardan yararlanan çözümler oluşturabileceksiniz.

Başlamak için bkz. İlk kaynak tahmininizi çalıştırma.

arXiv:2211.07629 içindeki Azure Quantum Kaynak Tahmin Aracı'nı kullanarak pratik kuantum avantajına ölçeklendirme gereksinimlerini değerlendirme hakkında daha fazla bilgi edinin.

Kuantum simülasyonu

Kuantum mekaniği temel alınan &bölümdür; işletim sistemi&alıntısı; evrenimizin. Doğanın temel yapı taşları nasıl davranır açıklar. Kimyasal reaksiyonlar, biyolojik reaksiyonlar ve malzeme oluşumları gibi doğa davranışları genellikle çok gövdeli kuantum etkileşimlerini içerir. Kubitler (kuantum bitleri) söz konusu doğal durumları temsil etmek için kullanılabildiğinden, moleküller gibi kuantum mekanik sistemlerinin içsel olarak simülasyonunu yapmak için kuantum bilişimi umut vericidir. Modelleyebileceğimiz kuantum sistemlerine örnek olarak fotosentez, süper iletkenlik ve karmaşık moleküler oluşumlar verilebilir.

Azure Quantum Elements , bilimsel keşfi hızlandırmak için oluşturulmuş bir özelliktir. Azure High-Performance Bilgi İşlem (HPC) kümelerinde ölçeklendirme için iyileştirilmiş simülasyon iş akışları, yapay zeka ile hızlandırılmış bilgi işlem, yapay zeka kullanarak artırılmış akıl yürütme, mevcut kuantum donanımıyla denemeler yapmaya başlamak için kuantum araçlarıyla tümleştirme ve gelecekte Microsoft'un kuantum süper bilgisayarına erişim ile araştırma ve geliştirme üretkenliğinizi yeniden geliştirin. Daha fazla bilgi için bkz. Moleküler Dynamics için Azure'ın gücünün kilidini açma.

Kuantum hızlandırmaları

Kuantum bilişim araştırmasının hedeflerinden biri, kuantum bilgisayar tarafından hangi sorunların klasik bir bilgisayardan daha hızlı çözülebileceğini ve hızın ne kadar büyük olabileceğini incelemektir. Grover algoritması ve Shor algoritması, klasik muadillerine göre sırasıyla polinom ve üstel bir hızlanma sağlayan iyi bilinen iki örnektir.

Kuantum bilgisayarda çalışan Shor algoritması, güvenli veri aktarımı için e-ticarette yaygın olarak kullanılan Rivest–Shamir–Adleman (RSA) şeması gibi klasik şifreleme şemalarını bozabilir. Bu şema, klasik algoritmaları kullanarak asal sayıların faktörünü belirlemenin pratik zorluğunu temel alır. Kuantum şifrelemesi, karmaşıklık varsayımları yerine temel fizikten yararlanarak bilgi güvenliği sağlar.

Shor'un faktöring algoritması gibi gizli kaydırma sorunu da kuantum bilgisayarın bilinen en iyi klasik algoritmalara göre üstel bir avantaja sahip olduğu doğal bir sorun kaynağıdır. Bu, sonunda deconvolution problemlerinin çözülmesine yardımcı olabilir ve karmaşık veri kümelerindeki desenleri verimli bir şekilde bulmamızı sağlayabilir. Bir kuantum bilgisayarın, kuantum bilgisayarın Fourier dönüşümlerini son derece hızlı bir şekilde hesaplama yeteneğini temel alan yüksek hızda işlem convolution'larını ilke olarak hesaplayabildiği ortaya çıktı. Azure Quantum çalışma alanınızın örnek galerisinde Gizli Vardiyalar Jupyter not defteri örneğini bulacaksınız (Azure hesabı gereklidir).

Grover algoritması , yapılandırılmamış veri aramalarına yönelik çözümü hızlandırır ve aramayı klasik algoritmalardan daha az adımda çalıştırır. Aslında, belirli bir x değerinin $geçerli bir çözüm olup olmadığını denetlemenize olanak tanıyan herhangi bir sorun (&bir$ alıntı; Evet veya hiç sorun&yok quot;) arama sorunu açısından formüle edilebilir. Aşağıda bazı örnekler verilmiştir:

  • Boole doyumluluk sorunu: Boole değerleri $kümesi,$ verilen Boole formülünü karşılayan bir yorum mu (değişkenlere değer ataması) ?
  • Seyahat eden satıcı sorunu: x$, tüm şehirleri birbirine bağlayan mümkün olan en kısa döngünün açıklıyor mu$?
  • Veritabanı arama sorunu: Veritabanı tablosunda x$ kaydı $var mı?
  • Tamsayı faktörizasyonu sorunu: Sabit N$ sayısı x$ sayısına $$göre bölünebiliyor mu?

Grover algoritmasının daha ayrıntılı bir incelemesi için,'de Q#Grover algoritmasını uygulama öğreticisine bakın.

Kuantum bilişimi sorunları nasıl çözer?

Kuantum bilgisayarlar hesaplama yapmak için kuantum fiziğinin özelliklerinden yararlanan, denetlenebilir kuantum mekaniği cihazlarıdır. Bazı bilgi işlem görevlerinde, kuantum bilgi işlemi üstel hızlanmalar sunar. Bu hızlanmalar, kuantum mekaniğinin üç olgusuyla mümkün hale gelir: süper pozisyon, girişim ve dolanıklık.

Süperpozisyon

Oturma odanızda egzersiz yaptığınızı düşünün. Tamamen solunuza ve ardından tamamen sağınıza dönün. Şimdi aynı anda hem solunuza hem de sağınıza dönün. Bunu yapamazsınız (en azından kendinizi ikiye bölmeden). Elbette aynı anda bu iki durumda bulunamazsınız, yani aynı anda hem sola hem de sağa bakamazsınız.

Ancak bir kuantum parçacığıysanız, belirli bir sola bakma olasılığınız VE belirli bir sağa bakma olasılığınız vardır. Bunun nedeni süper konum (uyumluluk olarak da bilinir) olarak bilinen bir olaydır.

Klasik parçacıkların aksine, iki durum $A$ ve $B$ bir kuantum parçacığının geçerli kuantum durumlarıysa, durumların herhangi bir doğrusal birleşimi de geçerli bir kuantum durumudur: $\text{kubit durumu}=\alpha A + \beta B$. A$ ve $B$ kuantum durumlarının $bu doğrusal birleşimi süper pozisyon olarak adlandırılır. $\alpha$ Burada ve $\beta$ ^ + |\beta|^={{2}{2} 1$ gibi $|\alpha|sırasıyla A$ ve $B$ olasılık genlikleridir.$

Kuantum bilişiminin gücünü sağlayan süper pozisyon durumlarında yalnızca iyonlar, elektronlar veya süper iletken devreler gibi kuantum sistemleri bulunabilir. Elektron gibi bir kuantum parçacığının kendi "sola veya sağa bakan" özelliği vardır, yani yukarı veya aşağı olarak adlandırılan spin, bu nedenle bir elektronun kuantum durumu bir çekirdeğin &süper konumudur; kur'a &ve kur'a çevirme&; aşağı doğru&dön;.

Genel olarak ve bunu klasik ikili bilgi işlem için daha iyi değiştirilebilir hale getirmek için, bir kuantum sistemi iki kuantum durumunda olabilirse, bu durumlara 0 durumu ve 1 durumu denir.

Kubitler ve olasılık

Klasik bilgisayarlar bilgileri, 1 veya 0 durumlarından birine sahip olabilen ancak asla ikisine birden sahip olamayan bitlerde depolayıp işler. Kuantum bilişimindeki eşdeğeri kubittir. Kubit, 0 ve 1 olmak üzere iki kuantum durumunun süper pozisyonunda olabilecek herhangi bir kuantum sistemidir. Her olası kuantum durumunun ilişkili bir olasılık genliği vardır. Ancak kubit ölçtükten sonra, durumu ilişkili olasılığa bağlı olarak 0 durumuna veya 1 durumuna daraltılır, bu nedenle olası durumlardan biri belirli bir olasılıkla elde edilir.

Kubitin iki durumdan birine çökme olasılığı, kuantum girişimi ile belirlenir. Kuantum girişimi, ölçüm sırasında belirli bir sonucun olasılığını etkilemek için kubitin durumunu etkiler ve bu olasılık durumu, kuantum bilişiminin gücünün üstün olduğu yerdir.

Örneğin, klasik bir bilgisayardaki her bit, 1 veya 0 depolayabilir, böylece iki bit ile dört olası değer (00, 01, 10 ve 11) depolayabilirsiniz, ancak bunu tek seferde biri olacak şekilde yapabilirsiniz. Ancak süper konumda iki kubit olduğunda, her kubit 1 veya 0 ya da her ikisi de olabilir, yani aynı anda bu dört değeri temsil edebilirsiniz. Üç kubitle sekiz değeri temsil edebilir, dört kubitle 16 değeri temsil edebilir ve bu şekilde devam edebilirsiniz.

Daha fazla bilgi için bkz . Kuantum bilişiminde kubit.

Dolaşıklık

Kuantum mekaniğinin en ilginç olgularından biri, iki veya daha fazla kuantum sisteminin birbiriyle dolanık hale gelebilmesidir. Dolanıklık, kuantum sistemleri arasındaki kuantum bağıntısıdır. Kubitler dolanık hale geldiğinde, tek tek alt sistemlerin kuantum durumunun bağımsız olarak açıklanamayacağı genel bir sistem oluşturur. İki sistem, genel sistemin durumu alt sistemlerin durumunun bir bileşimi olarak yazılamadığında dolanık hale gelir; özellikle de küresel sistemin durumu alt sistemlerin durumlarının tensor ürünü olarak yazılamadığında iki sistem dolanık hale gelir. Ürün durumu bağıntı içermiyor.

Dolanık kuantum sistemleri, bu bağıntıyı büyük mesafeler üzerinden ayrılsa bile korur. Bu, bir alt sisteme uyguladığınız her işlemin veya işlemin diğer alt sistemle de bağıntılı olduğu anlamına gelir. Dolaşık kubitler arasında bir bağıntı olduğundan, bir kubitin durumunu ölçmek diğer kubitin durumu hakkında bilgi sağlar. Bu özellik, kuantum bilişiminde çok faydalıdır.

Not

İki kubitin ölçümleri arasındaki her bağıntı, bu iki kubitin dolanık olduğu anlamına gelmez. Kuantum bağıntılarının yanı sıra klasik bağıntılar da vardır. Klasik ve kuantum bağıntıları arasındaki fark hafiftir, ancak kuantum bilgisayarlar tarafından sağlanan hızlandırma için önemlidir. Daha fazla bilgi için bkz. Klasik bağıntıları anlama.

Daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız ile Q#kuantum dolanıklığı keşfetme öğreticisine bakın.

Sonraki Adımlar