Начальная

Windows Commander

Far
WinNavigator
Frigate
Norton Commander
WinNC
Dos Navigator
Servant Salamander
Turbo Browser

Winamp, Skins, Plugins
Необходимые Утилиты
Текстовые редакторы
Юмор

File managers and best utilites

Физики придумали эмулятор многокубитового квантового компьютера. Эмулятор квантового компьютера


Первый браузерный симулятор квантового компьютера

Компания Google запустила очень познавательную симуляцию квантового компьютера, которая работает в браузере Chrome или Firefox.

Google давно интересуется возможностями квантовых компьютеров и даже сотрудничает в этой области с компанией D-Wave. Хотя, нужно отметить, что D-Wave производит не совсем классические квантовые компьютеры, которые показаны в этой симуляции. Поэтому её не признают представители мейнстрима квантовой физики.

Google объясняет принципы работы классических квантовых компьютеров, которые оперируют с кубитами вместо битов. Кубит — единица информации, которая может равняться 0 или 1 (классическое значение кубита), или любому комплексному числу между 0 и 1. Промежуточное состояние кубита называется суперпозицией и в реальности представляет собой сочетание вероятностей нахождения кубита в состоянии 0 или 1. Это очень интересное явление. Оно становится ещё интереснее, когда вероятности сочетаний в том или ином состоянии начинают взаимодействовать между собой. Если N кубитов находится в суперпозиции, то создаётся комбинация из 2^N возможных состояний. Обычный компьютер хранит в памяти только одно значение функции, а квантовый компьютер — одновременно все возможные состояния системы. Это уникальное свойство уже привело к созданию многих интересных алгоритмов для квантовых компьютеров.

Симуляция под названием Quantum Computing Playground использует возможности WebGL и аппаратного ускорения GPU, чтобы эмулировать до 22 кубитов на обычном ПК. В браузере запускаются несколько известных алгоритмов для квантовых компьютеров и показан результат выполнения программы. Можно запустить её на исполнение в прямом или обратном порядке (после обратимой компиляции). Визуализация состояния кубитов осуществляется в виде 2D или 3D диаграммы, где высота столбцов соответствует значению и фазе суперпозиции каждого кубита.

Поделись новостью с друзьями:

xakep.ru

Квантовая онлайн-песочница от Google / Хабр

(возможно вы уже видели эту картинку, хотя странно, что на хабре так мало материалов по квантовой информатике) Спасибо гениальным инженерам Google, теперь мы все дружно можем превратить наши настольные ПК в квантовые компьютеры. Ну, хорошо, не совсем так: подразумевается лишь моделирование работы квантового компьютера на его младшем собрате путем запуска веб-приложения для Chrome. Quantum Computing Playground позволяет прогонять известные квантовые алгоритмы (такие как алгоритм Гровера, Шора) и писать собственных квантовые программы.

За исключением непосредственного приобретения квантового компьютера — что, несмотря на заявления D-Wave, вряд ли когда-нибудь удастся — решение от Google является наиболее удачным шагом в сторону популяризации квантового зверя. Если хочется лично встать на первую ступеньку вычислений будущего, это тот самый шанс. У вас есть дети? Вы обязаны посадить их в эту песочницу как минимум на шесть часов, чтобы они научились всем тонкостям квантовых вычислений.Quantum Computing Playground

Площадка является веб-приложением Chrome (Chrome Experiment), использующая WebGL, чтобы имитировать до 22 кубитов на GPU. Присутствует небольшая среда разработки, чтобы писать, компилировать и исполнять код. Также имеются уже готовые примеры алгоритмов (Гровер, Шор), удобный отладчик и инструмент для 3D визуализации квантовых состояний, так что можно своими глазами увидеть, что происходит внутри вашего маленького квантового компьютера. Программы написаны на языке, называемом QScript, который очень похож на любой другой скриптовый язык.

QScript

К сожалению, если у пользователя нет никакого опыта программирования, ему, вероятно, будет довольно трудно в полной мере воспользоваться песочницей — здесь нет туториала, а комментарии в примерах на самом то деле не особо детальные. На странице помощи есть несколько подсказок о внутренней работе симулятора и намеков на то, что же такое QScript, но все равно требуется довольно прочный фундамент в квантовой теории, чтобы все досконально понять.

D-Wave

Любопытно для Google, Площадка применяет модель квантовых гейтов (Quantum Gates), а не адиабатических квантовых вычислений, используемых в D-Wave, в которой Google заказала квантовый компьютер в прошлом году. Споров о D-Wave всегда было предостаточно. Действительно ли их машины выполняют реальные квантовые вычисления, особенно, когда они стоят в 6000 раз дороже классического ПК? Если на Площадке используют обычные квантовые гейты, значит ли это, что Google знает, что D-Wave в действительности не имеет ничего общего с квантовой механикой?

Стоит заметить, что так называемая «модель квантовых гейтов» является обычным аппаратом линейной алгебры, тянущего за собой линейные пространства и линейные операторы (они же «гейты»), так что нет ничего страшного в том, чтобы этот аппарат реализовывать программно.

Дочитав до этого момента, вы ознакомились с полной юмора и красок статьей с extremetech.com.

Итак, QScript и его компилятор / VM. Гугл предоставляет следующие возможности:

— компиляция во внутренний код прямо из браузера — возможность пошагового выполнения скомпилированных команд — встроенные процедуры — локальные переменные (в пределах процедур) — синтаксис выражений совместим с JavaScript — доступ к математическим функциям JavaScript — «for-endfor» цикл, «if-else-endif» конструкции (поразительно) — полная поддержка отладки со стеком вызовов и отслеживанием переменных

Дабы не загромождать статью, ниже приведены лишь основные квантовые гейты, реализованные в этой песочнице:

  • Оператор Адамара (Hadamart Gate) создает суперпозицию состояний 0 и 1 для данного кубита. По смыслу является обратным к самому себе: применяя его два раза восстанавливает исходное состояние кубита.
  • Сигма X (Sigma X, он же известный Паули X поворот) — квантовый эквивалент битового отрицания. Поскольку кубиты представляют из себя комплексные числа, довольно сложно придумать для них концепцию обычного отрицания. Sigma Y и Sigma Z — тоже «инвертируют» кубиты, но немного альтернативным способом.
  • QFT применяет Квантовое Преобразование Фурье к части квантового регистра. Первый аргумент определяет первый кубит для преобразования, в то время как второй — ширину преобразования (количество кубитов, к которым преобразование будет применяться).
  • CNOT реализует ту же трансформацию, что и Sigma X, но его выполнение обусловлено значением первого аргумента — управляющего кубита. Квантовое отрицание выполняется только для тех состояний, где управляющий кубит имеет значение 1. Состояния, где управляющий кубит имеет значение 0, остаются неизменными.
  • Тоффоли-гейт (Toffoli Gate) работает таким же образом, как и CNOT, принимая управляющие кубиты в качестве двух аргументов и один целевой кубит. Отрицание осуществляется только на тех состояниях, где оба контрольных кубита имеют значение 1.
  • Фазовый поворот (Phase Gate) вращает амплитуду тех состояний (состояние — комплексное число!), где целевой кубит имеет значение 1. Угол поворота задается вторым аргументом.
  • Измерение (Measurement) — не принимает никаких аргументов, а лишь использует генератор случайных чисел (спасибо JavaScript), выбирает состояние из квантового вектора, который представляет собой случайную величину физического измерения квантового регистра. Операция не разрушает квантовый вектор, и поэтому измерения могут выполняться снова и снова без необходимости повторять все предыдущие квантовые вычисления заново.
Концептуально

Вообще говоря, непонятно с какой целью они этим занялись. С одной стороны, среда явно ориентирована на новичков, стремящихся наконец «увидеть» и «потрогать» квантовую механику, с которой они по тем или иным причинам столкнулись. Но тогда возникают вопрос: откуда гигантское нежелание писать мануалы? Непонятно также и то, зачем моделировать алгоритм Шора, не объяснив людям чем отличается от подбрасывания двугранной монетки.

С другой стороны, очевидно, что в такой системе работать довольно неудобно, вряд ли в песочнице кто-то станет реализовывать хоть сколько-нибудь прикладные программы. Есть графический интерфейс, да. Но он заканчивается на банальном отображении точек в пространстве {состояние, время, амплитуда} — не более. Существует довольно широкий спектр средств, позволяющих симулировать работу квантовомеханической системы, но хотелось бы знать, интересно ли это хабру?

habr.com

Виртуальный квантовый компьютерА

Виртуальный квантовый компьютер

А.Л. Восков 

Московский государственный университет, РоссияАннотация

В работе рассматриваются перспективы преподавания квантовых вычислений и ставится вопрос о создании учебно-методической и технической базы. Кратко изложены основы квантовых вычислений, рассмотрена структура и реализованный вариант эмулятора квантового компьютера для обучения.Введение

В последнее десятилетие наблюдается устойчивый рост интереса к квантовым вычислениям и квантовым компьютерам; имеются первые удачные попытки аппаратной реализации квантовых алгоритмов [1,2]. Квантовые компьютеры позволяют добиться беспрецендентного роста эффективности вычислений в таких областях, как поиск в базах данных, разложение простых чисел на множители, моделирование сложных молекул, фурье- и вейвлет- преобразования, а также развить принципиально новые подходы в криптографии и связи.

Для разработки квантовых алгоритмов необходимы принципиально новые подходы, не имеющие аналогов в «классической» информатике. Поэтому становятся актуальными задачи обучения основам квантовых вычислений и создание для этих целей технической и учебно-методической базы. В связи с малодоступностью квантовых компьютеров необходима разработка простого и наглядного его эмулятора.

В настоящее время существуют библиотеки квантовых вычислений и эмуляторов квантовых компьютеров [3], однако не существует учебного эмулятора, обладающего следующими свойствами:

  • Простое и компактное ядро, эффективно использующее ресурсы ЭВМ, допускающее возможность лёгкого и быстрого расширения
  • Реализация низкоуровневого языка для управления квантовыми вычислениями
  • Наличие удобных средств разработки и отладки
  • Возможность использования существующих библиотек квантовых вычислений
  • Возможность интеграции с уже существующими языками и средами программирования без внесения изменений в ядро эмулятора
Для создания и эффективного использования эмулятора квантового компьютера необходимо краткое и доступное описание принципов его работы, абстрагирующееся от его физической природы, что и сделано в данной работе.

Приводится описание структуры эмулятора, удобное для практической реализации и использования в учебных целях, алгоритмы и вариант реализации эмулятора.Кубиты и квантовые регистры

Основным элементом квантового компьютера является кубит (или квантовый бит). В отличие от классического бита, он способен находиться не только в состоянии 0 или 1, но и одновременно в двух из них (т.е. в суперпозиции 0 и 1). Поэтому он описывается с помощью вектора состояния из двух комплексных чисел a и b:

, где (1)

С помощью скобок Дирака |0> и |1> обозначаются значения вектора состояния, соответствующие нахождению кубита в базисных состояниях 0 и 1. При считывании (измерении) кубита он переходит либо в |0>, либо в |1> (т.е. в одно из базисных состояний) с вероятностями и соответственно. Записывать можно также лишь базисное состояние.

Из N кубитов можно составить квантовый регистр, для описания которого нужен вектор из комплексных чисел : , где (2)

При этом квадраты модулей этих чисел являются вероятностями получить соответствующие значения регистра при его считывании (измерении). В связи с этим для эмуляции квантового компьютера из N кубит требуется на хранение в памяти машины по меньшей мере вещественных чисел, поэтому на персональном компьютере с 1Гб ОЗУ верхнее значение N — около 25. Затраты на вычисления растут экспоненциально. Эмуляция систем из сотен кубит на классической ЭВМ невозможна.

Эмуляторы являются незаменимыми при обучении программированию квантовых компьютеров, т.к. позволяют «видеть» вектор состояния, напрямую в эксперименте не измеряемый. Квантовые вентили

Для манипулирования вектором состояния нужны квантовые вентили — аналоги классических логических элементов. Однокубитовые вентили описываются с помощью матриц 2x2 в базисе . В качестве примера рассмотрим вентиль Адамара (H) [2,4] и результат его применения к состоянию кубита

; (3)

Для того, чтобы работать с квантовым регистром как единым целым, а не просто совокупностью кубитов, необходимы также двухкубитовые вентили. Они описываются с помощью матриц 4x4 в базисе

Более подробно с существующими квантовыми вентилями и схемами можно ознакомиться в работах [1-5].

Для практической реализации квантовых вентилей в эмуляторе необходим переход из одно- и двухкубитных базисов в N-кубитный базис квантового регистра с помощью тензорного произведения матриц:

(4)

Алгоритм перехода в N-кубитный базис

Шаг 1. Получить тензорное произведение матрицы вентиля на n кубит с единичной матрицей на N-n кубит (где N — число кубит в квантовом регистре)

Шаг 2. Получить тензорное произведение соответствующих базисов

Шаг 3. Поменять местами сначала строки, а потом и столбцы матрицы для того, чтобы отсортировать её базис.

В результате последовательного выполнения этих шагов получается матрица размером , описывающая действие квантового вентиля в базисе из N кубит на заданные 1 или 2 кубита. Рассмотрим работу этого алгоритма на примере вентиля Адамара и двухкубитного регистра. Пусть вентиль применяется к старшему кубиту регистра.

; (5) (6)

При этом матрицы для квантовых вентилей в N-кубитном базисе нет необходимости хранить в явном виде, они могут быть заданы в виде алгоритмов, что существенно снижает расход оперативной памяти и повышает производительность эмулятора [5].Алгоритм чтение данных из квантового регистра

Считывание информации из квантового регистра происходит совершенно иначе, чем из памяти классической ЭВМ. Так, после выполнения операции чтения (т.е. процедуры измерения) для всего регистра в состоянии он всегда оказывается в одном из базисных состояний с вероятностью . Возможно также чтение (измерение) отдельного кубита из регистра.

Шаг 1.Найти вероятность того, что кубит установлен в 1 по формуле, где j — значения, в которых соответствующий бит установлен в 1.

Шаг 2. Сгенерировать случайное число x от 0 до 1; если , то считано 1, а иначе — 0

Шаг 3. Установить в ноль для тех , в которых кубит не соответствует измеренному, а для остальных умножить на . В случае, если p=0 или p=1, такая нормировка не требуется.Результаты чтения (измерения) отдельного кубита

Начальное состояние Конечное

состояние

Результат измерения p
0 2/3
1 1/3

Запись данных в квантовый регистр

В квантовый регистр нельзя напрямую записывать его вектор состояния. Возможна лишь запись либо базисного состояния целого регистра, либо то же самое, но для отдельного кубита. Структура эмулятора квантового компьютера

Для удобства разработки, модификации, портируемости эмулятора, связи с языками программирования и средами разработки он имеет многослойную архитектуру:

  • Ядро эмулятора
  • Квантовые вентили
  • Библиотека базовых квантовых алгоритмов
  • Интерфейсы для языков программирования и сред разработки
  • Учебная интегрированная среда разработки
Ядро эмулятора осуществляет эмуляцию одного квантового регистра с помощью его вектора состояния, реализацию произвольных одно- и двухкубитовых вентилей, предоставляет функции для чтения и записи как для регистра, так и для его отдельных кубитов. В отладочных целях имеется доступ непосредственно к вектору состояния.

Квантовые вентили. Для облегчения работы с ядром эмулятора имеются функции, реализующие конкретные, одно- и двухкубитовые вентили.

В настоящее время реализованы все функции ядра эмулятора и основные квантовые вентили. Библиотека написана на языке Си и допускает как статическую, так и динамическую компоновку с программами пользователя.

Библиотека базовых квантовых алгоритмов включает реализацию наиболее часто используемых рутинных квантовых алгоритмов, например квантового фурье-преобразования (QFT). Она использует ядро эмулятора и реализацию конкретных одно- и двухкубитовых вентилей. Имеется возможность динамической компоновки (DLL).

Интерфейсы для языков программирования дают возможность использования ядра эмулятора с уже существующими языками, средами разработки и библиотеками без его доработки и перекомпиляции.

Учебная интегрированная среда разработки создается на основе уже существующих программных продуктов. Она должна обеспечивать быструю и эффективную разработку и отладку квантовых алгоритмов. В качестве базового языка программирования возможно использование как языка высокого (Си, Паскаль, Модула-2, Оберон и т.п.), так и низкого уровня (Ассемблер для x86).

В случае языка высокого уровня эмулятор будет выглядеть для программиста как набор API для квантовых вычислений, управляющие конструкции «несущего» языка остаются без изменений.

При применении языка низкого уровня введение квантовых вычислений целесообразно в виде специализированных команд, дополняющие возможности x86 (они могут быть реализованы как макрорасширения уже существующих ассемблеров). При этом в качестве прототипа может быть взят язык QASM для описания квантовых схем [6]. Результаты

Кратко изложены основы квантовых вычислений в форме, не требующей знания квантовой механики и в объёме, достаточном для реализации ядра эмулятора квантового компьютера.

Предложены и обоснованы структура эмулятора квантового компьютера и основные функции ее элементов.

Реализованы базовые функции ядра эмулятора квантового компьютера и наиболее употребительные квантовые вентили.Литература

1. Валиев К.А., Кокин А.А. «Квантовые компьютеры: надежды и реальность». Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 352 стр.

2. Нильсен М., Чанг И. «Квантовые вычисления и квантовая информация»: Пер. с англ. - М.: Мир, 2006 г. - 824 с., ил.

3. http://www.quantiki.org/

4. Ekert A., Patrick Hayden P., Inamori H. “Basic concepts in quantum computation” arXiv:quant-ph/0011013v1 (2000)

5. Китаев А., Шень А., Вялый М. «Классические и квантовые вычисления». – М.: МЦНМО, ЧеРо, 1999. – 192 с.

6. http://www.media.mit.edu/quanta/qasm2circ/

asyan.org

Физики придумали эмулятор многокубитового квантового компьютера

Слева направо: Гренвиль Отт, Бриан Лакур и Майкл Старкли (студент второго), на фоне их прототипа устройства, эмулирующего квантовый компьютер

Фотография: Applied Research Laboratories, The University of Texas at Austin

Физик Бриан Лакур (Brian La Cour) и инженер-электронщик Гренвиль Отт (Granville Ott) предложили проект создания классического компьютера, способного эмулировать небольшой квантовый компьютер и выполнять доступные последнему вычисления. Соответствующая статья опубликована в New Journal of Physics.

Чтобы решить подобную задачу, нужно эмулировать базовый элемент квантового компьютера – логические квантовые вентили. Они преобразуют входящие состояния кубитов на выходные (исходящие) по определенному закону, и в отличие от многих классических логических вентилей всегда являются обратимыми. Сам кубит можно представить вектором в двумерном пространстве, поэтому действие вентиля можно описать унитарной матрицей, на которую умножается соответствующий вектор состояния входящего кубита. Вентиль с числом кубитов n описывается матрицей 2n × 2n. Иными словами, сложность такой матрицы по мере роста числа кубитов чрезвычайно быстро увеличивается.

Авторы предлагают эмулировать такой квантовый вентиль посредством квадратурной фазовой модуляции электромагнитных волн, при которой фаза несущего сигнала изменяется в соответствии с передаваемыми сигналами данными. Модулирование фаз волн будет осуществляться в соответствии с унитарной матрицей, то есть математические операции в таком вентиле будут идентичны операциям в квантовом логическом вентиле. При квадратурной модуляции у фазы передающей волны может быть четыре различные значения с шагом 90 градусов:

Для создания такой системы авторы предлагают использовать аналоговые электронные компоненты, интегрированные на одной микросхеме. Чтобы эмулировать произвольно заданное квантовое состояние, они эмулируют унитарные квантовые логические вентили используя компоненты обычной аналоговой электроники для приема и передачи модулированных волн. Три основные кандидата в такие компоненты, предлагаемые авторами – четырехквадрантный аналоговый умножитель, операционный усилитель и аналоговые фильтры. 

Очевидно, что по мере роста числа эмулированных кубитов сложность используемой унитарной матрицы и ширина пропускной способности предлагаемого устройства должна расти экспоненциально. Поэтому авторы ставят вопрос о том, каковы теоретические пределы возможностей классического эмулятора квантового компьютера.

Самая современная полупроводниковая технология (14 нм) позволяет собрать на одной микросхеме порядка миллиарда транзисторов. Согласно расчетам авторов, на базе такого числа (при разумной длительности используемых модулированных сигналов) можно эмулировать примерно 30 кубитов. В силу экспоненциального роста требований, даже серьезное наращивание числа транзисторов на схеме даст лишь умеренное наращивание числа эмулируемых кубитов. По оптимистичным расчетам авторов, закон Мура позволит увеличить их число на микросхеме в 1 000 раз за следующие 20-30 лет. И все равно такое увеличение на три порядка даст нарастить число кубитов лишь на треть, до 40 штук. Конечно, теоретически можно увеличить длительность отдельного сигнала модулированных волн, однако и здесь сложности растут экспоненциально. Увеличив длительность сигнала с 10 минут до 10 часов, можно нарастить количество кубитов лишь с 40 до 50, а задействование сигнала длительностью в 13,77 миллиардов лет доведет их число до 60, однако работа с таким эмулируемым квантовым компьютером станет весьма неудобной.

Как отмечают авторы, для некоторых сложных видов теоретически прорабатываемых квантовых вычислений потребуются тысячи кубитов в одном компьютере, чего их эмулятор определенно не сможет достичь ни при каком техническом уровне полупроводниковой индустрии. Тем не менее, такое устройство все же представляет существенный практический интерес.

Во-первых, как бы оно не уступало пока еще не созданным многокубитным истинным квантовым компьютерам (КК), по сравнению с классическими в целом ряде задач, где сильны КК, даже эмулятор будет намного быстрее, чем современные классические компьютеры. В частности, ученые предполагают, что сопроцессор, эмулирующий всего 10 кубитов, по производительности в целом ряде задач сможет сравниться с современными процессорами линейки Intel Core. На 20-30 кубитах эмулятор должен значительно превзойти последний.

Предлагаемая разработчиками схема эмулятора способна использовать массово производимые компоненты вроде четырехквадрантный умножителей, принципиально сходных с теми, что вы можете видеть на фото

Фотография: Kyle W.

Во-вторых, от современных квантовых компьютеров эмулятор резко отличается своей способностью непрерывно работать при комнатной температуре без нужды в дорогих лабораторных системах, основанных на джозефсоновских кубитах, задействующих сверхпроводимость и нуждающихся в охлаждении жидким гелием. Их при необходимости сможет серийно производить существующая полупроводниковая индустрия, в то время как создание даже единичных истинных универсальных КК с 30 кубитами на сегодня выглядит далекой перспективой даже для лабораторий.

nplus1.ru

Сервис Google Quantum Computing Playground позволит каждому попробовать свои силы в программировании квантового компьютера

В настоящее время только у очень малого числа научных учреждений и лабораторий имеется доступ даже к не очень сложным квантовым компьютерами. Компания Lockheed Martin владеет квантовым компьютером компании D-Wave, такой же компьютер был приобретен не так давно совместно с НАСА компанией Google, а остальные экспериментальные квантовые вычислительные системы можно перечесть буквально по пальцам. Такая ограниченная доступность квантовых систем вызывает обеспокоенность у некоторых ученых, в частности у ученых из университета Бристоля в Великобритании. Они справедливо считают, что в момент, когда произойдет столь ожидаемая квантовая "революция", возникнет острый дефицит квалифицированных специалистов и другие проблемы, связанные с этим.

"Квантовый компьютер может выполнить некоторые типы расчетов гораздо быстрее обычных компьютеров. Но, как и обычный компьютер, его также необходимо программировать. Несмотря на разработку квантовых алгоритмов и специализированного языка программирования, сейчас в мире имеется лишь малая горстка квалифицированных специалистов, способных на это" - рассказывает Джереми О'Брайен (Jeremy O'Brien), исследователь из университета Бристоля, занимающийся областью квантовых вычислений.

Для решения вышеупомянутой проблемы исследователи из университета Бристоля собираются подключить к Интернету несложную квантовую вычислительную систему, чип Qcloud, разработанный ими для реализации технологий облачных квантовых вычислений. Благодаря этому в скором времени любой желающий с помощью веб-браузера сможет подключиться к этому квантовому компьютеру и поэкспериментировать с базовыми алгоритмами квантовых вычислений.Квантовый чип Qcloud, разработанный в университете Бристоля, является классической квантовой вычислительной системой, всего с двумя квантовыми битами, кубитами, в которой вычисления производятся на счет двух запутанных фотонов, движущихся по системе специальных световодов. Программирование этого компьютера заключается в программировании по времени уровня запутанности фотонов, что позволяет произвести определенные вычисления.

Будущие "квантовые" программисты смогут воспользоваться онлайн-тренажером, реализующим все функции чипа Qcloud. В этой обучающей программе они освоят базовые принципы и основные алгоритмы, использующие в своей работе принципы квантовой механики для решения различных задач. После усвоения вышеописанного материала пользователи смогут попытаться сконфигурироваь квантовый чип, используя эмулятор, и добиться определенного результата. По мере приобретения достаточного количества опыта, пользователи смогут подать запрос в университет Бристоля на предоставление доступа к реальному квантовому чипу, который в случае получения такого разрешения произведет вычисления согласно разработанной пользователем программы и передаст через Интернет результаты проделанных вычислений.

"Используя нашу систему, вы сможете сидеть в автобусе и с помощью мобильного телефона проводить эксперимент в области квантовой оптики, который до вас, вероятно, еще никогда не проводился" - рассказывает Питер Шэдболт (Peter Shadbolt), член исследовательской команды из Бристоля. Онлайн-тренажер, о котором шла речь немного выше, уже работает, а доступ к реальному квантовому чипу можно будет запросить не ранее, чем 20 сентября этого года.

Пока еще не ясно, каким образом и зачем обычный человек сможет использовать алгоритмы квантовых вычислений и возможности квантового чипа Qcloud. Да и возможности этого чипа, имеющего всего два квантовых бита, и так крайне ограничены. "Этот чип не может вычислить ничего, с чем бы не мог справиться обычный достаточно мощный компьютер" - рассказывает О'Брайен, - "Наша группа сейчас занимается разработкой более сложных квантовых вычислительных систем, в составе которых насчитывается 6 и 8 кубитов. Но мы рады, что и более старой нашей технологии найдется крайне полезное применение, мы надеемся, что это поможет вырастить квалифицированных специалистов, которые будут в состоянии совладать и со сложными системами".

cosmos.mirtesen.ru

Виртуальный квантовый компьютер аннотация - Документ

Виртуальный квантовый компьютер

А.Л. Восков 

Московский государственный университет, Россия

Аннотация

В работе рассматриваются перспективы преподавания квантовых вычислений и ставится вопрос о создании учебно-методической и технической базы. Кратко изложены основы квантовых вычислений, рассмотрена структура и реализованный вариант эмулятора квантового компьютера для обучения.

Введение

В последнее десятилетие наблюдается устойчивый рост интереса к квантовым вычислениям и квантовым компьютерам; имеются первые удачные попытки аппаратной реализации квантовых алгоритмов [1,2]. Квантовые компьютеры позволяют добиться беспрецендентного роста эффективности вычислений в таких областях, как поиск в базах данных, разложение простых чисел на множители, моделирование сложных молекул, фурье- и вейвлет- преобразования, а также развить принципиально новые подходы в криптографии и связи.

Для разработки квантовых алгоритмов необходимы принципиально новые подходы, не имеющие аналогов в «классической» информатике. Поэтому становятся актуальными задачи обучения основам квантовых вычислений и создание для этих целей технической и учебно-методической базы. В связи с малодоступностью квантовых компьютеров необходима разработка простого и наглядного его эмулятора.

В настоящее время существуют библиотеки квантовых вычислений и эмуляторов квантовых компьютеров [3], однако не существует учебного эмулятора, обладающего следующими свойствами:

  • Простое и компактное ядро, эффективно использующее ресурсы ЭВМ, допускающее возможность лёгкого и быстрого расширения

  • Реализация низкоуровневого языка для управления квантовыми вычислениями

  • Наличие удобных средств разработки и отладки

  • Возможность использования существующих библиотек квантовых вычислений

  • Возможность интеграции с уже существующими языками и средами программирования без внесения изменений в ядро эмулятора

Для создания и эффективного использования эмулятора квантового компьютера необходимо краткое и доступное описание принципов его работы, абстрагирующееся от его физической природы, что и сделано в данной работе.

Приводится описание структуры эмулятора, удобное для практической реализации и использования в учебных целях, алгоритмы и вариант реализации эмулятора.

Кубиты и квантовые регистры

Основным элементом квантового компьютера является кубит (или квантовый бит). В отличие от классического бита, он способен находиться не только в состоянии 0 или 1, но и одновременно в двух из них (т.е. в суперпозиции 0 и 1). Поэтому он описывается с помощью вектора состояния из двух комплексных чисел a и b:

, где (1)

С помощью скобок Дирака |0> и |1> обозначаются значения вектора состояния, соответствующие нахождению кубита в базисных состояниях 0 и 1. При считывании (измерении) кубита он переходит либо в |0>, либо в |1> (т.е. в одно из базисных состояний) с вероятностями и соответственно. Записывать можно также лишь базисное состояние.

Из N кубитов можно составить квантовый регистр, для описания которого нужен вектор из комплексных чисел : , где (2)

При этом квадраты модулей этих чисел являются вероятностями получить соответствующие значения регистра при его считывании (измерении). В связи с этим для эмуляции квантового компьютера из N кубит требуется на хранение в памяти машины по меньшей мере вещественных чисел, поэтому на персональном компьютере с 1Гб ОЗУ верхнее значение N — около 25. Затраты на вычисления растут экспоненциально. Эмуляция систем из сотен кубит на классической ЭВМ невозможна.

Эмуляторы являются незаменимыми при обучении программированию квантовых компьютеров, т.к. позволяют «видеть» вектор состояния, напрямую в эксперименте не измеряемый.

Квантовые вентили

Для манипулирования вектором состояния нужны квантовые вентили — аналоги классических логических элементов. Однокубитовые вентили описываются с помощью матриц 2x2 в базисе . В качестве примера рассмотрим вентиль Адамара (H) [2,4] и результат его применения к состоянию кубита

; (3)

Для того, чтобы работать с квантовым регистром как единым целым, а не просто совокупностью кубитов, необходимы также двухкубитовые вентили. Они описываются с помощью матриц 4x4 в базисе

Более подробно с существующими квантовыми вентилями и схемами можно ознакомиться в работах [1-5].

Для практической реализации квантовых вентилей в эмуляторе необходим переход из одно- и двухкубитных базисов в N-кубитный базис квантового регистра с помощью тензорного произведения матриц:

(4)

Алгоритм перехода в N-кубитный базис

Шаг 1. Получить тензорное произведение матрицы вентиля на n кубит с единичной матрицей на N-n кубит (где N — число кубит в квантовом регистре)

Шаг 2. Получить тензорное произведение соответствующих базисов

Шаг 3. Поменять местами сначала строки, а потом и столбцы матрицы для того, чтобы отсортировать её базис.

В результате последовательного выполнения этих шагов получается матрица размером , описывающая действие квантового вентиля в базисе из N кубит на заданные 1 или 2 кубита. Рассмотрим работу этого алгоритма на примере вентиля Адамара и двухкубитного регистра.

Пусть вентиль применяется к старшему кубиту регистра.

; (5)

(6)

При этом матрицы для квантовых вентилей в N-кубитном базисе нет необходимости хранить в явном виде, они могут быть заданы в виде алгоритмов, что существенно снижает расход оперативной памяти и повышает производительность эмулятора [5].

Алгоритм чтение данных из квантового регистра

Считывание информации из квантового регистра происходит совершенно иначе, чем из памяти классической ЭВМ. Так, после выполнения операции чтения (т.е. процедуры измерения) для всего регистра в состоянии он всегда оказывается в одном из базисных состояний с вероятностью . Возможно также чтение (измерение) отдельного кубита из регистра.

Шаг 1.Найти вероятность того, что кубит установлен в 1 по формуле, где j — значения, в которых соответствующий бит установлен в 1.

Шаг 2. Сгенерировать случайное число x от 0 до 1; если , то считано 1, а иначе — 0

Шаг 3. Установить в ноль для тех , в которых кубит не соответствует измеренному, а для остальных умножить на . В случае, если p=0 или p=1, такая нормировка не требуется.

Результаты чтения (измерения) отдельного кубита

Начальное состояние

Конечное

состояние

Результат измерения

p

0

2/3

1

1/3

Запись данных в квантовый регистр

В квантовый регистр нельзя напрямую записывать его вектор состояния. Возможна лишь запись либо базисного состояния целого регистра, либо то же самое, но для отдельного кубита.

Структура эмулятора квантового компьютера

Для удобства разработки, модификации, портируемости эмулятора, связи с языками программирования и средами разработки он имеет многослойную архитектуру:

  • Ядро эмулятора

  • Квантовые вентили

  • Библиотека базовых квантовых алгоритмов

  • Интерфейсы для языков программирования и сред разработки

  • Учебная интегрированная среда разработки

Ядро эмулятора осуществляет эмуляцию одного квантового регистра с помощью его вектора состояния, реализацию произвольных одно- и двухкубитовых вентилей, предоставляет функции для чтения и записи как для регистра, так и для его отдельных кубитов. В отладочных целях имеется доступ непосредственно к вектору состояния.

Квантовые вентили. Для облегчения работы с ядром эмулятора имеются функции, реализующие конкретные, одно- и двухкубитовые вентили.

В настоящее время реализованы все функции ядра эмулятора и основные квантовые вентили. Библиотека написана на языке Си и допускает как статическую, так и динамическую компоновку с программами пользователя.

Библиотека базовых квантовых алгоритмов включает реализацию наиболее часто используемых рутинных квантовых алгоритмов, например квантового фурье-преобразования (QFT). Она использует ядро эмулятора и реализацию конкретных одно- и двухкубитовых вентилей. Имеется возможность динамической компоновки (DLL).

Интерфейсы для языков программирования дают возможность использования ядра эмулятора с уже существующими языками, средами разработки и библиотеками без его доработки и перекомпиляции.

Учебная интегрированная среда разработки создается на основе уже существующих программных продуктов. Она должна обеспечивать быструю и эффективную разработку и отладку квантовых алгоритмов. В качестве базового языка программирования возможно использование как языка высокого (Си, Паскаль, Модула-2, Оберон и т.п.), так и низкого уровня (Ассемблер для x86).

В случае языка высокого уровня эмулятор будет выглядеть для программиста как набор API для квантовых вычислений, управляющие конструкции «несущего» языка остаются без изменений.

При применении языка низкого уровня введение квантовых вычислений целесообразно в виде специализированных команд, дополняющие возможности x86 (они могут быть реализованы как макрорасширения уже существующих ассемблеров). При этом в качестве прототипа может быть взят язык QASM для описания квантовых схем [6].

Результаты

Кратко изложены основы квантовых вычислений в форме, не требующей знания квантовой механики и в объёме, достаточном для реализации ядра эмулятора квантового компьютера.

Предложены и обоснованы структура эмулятора квантового компьютера и основные функции ее элементов.

Реализованы базовые функции ядра эмулятора квантового компьютера и наиболее употребительные квантовые вентили.

Литература

1. Валиев К.А., Кокин А.А. «Квантовые компьютеры: надежды и реальность». Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 352 стр.

2. Нильсен М., Чанг И. «Квантовые вычисления и квантовая информация»: Пер. с англ. - М.: Мир, 2006 г. - 824 с., ил.

3. /

4. Ekert A., Patrick Hayden P., Inamori H. “Basic concepts in quantum computation” arXiv:quant-ph/0011013v1 (2000)

5. Китаев А., Шень А., Вялый М. «Классические и квантовые вычисления». – М.: МЦНМО, ЧеРо, 1999. – 192 с.

6. http://www.media.mit.edu/quanta/qasm2circ/

textarchive.ru

Atos выпустила новый эмулятор квантового компьютера

Atos объявила о выпуске новой версии квантовой самообучающейся вычислительной машины Atos Quantum Learning Machine (Atos QLM). Новинка отличается увеличенной скоростью работы и масштабируемостью, в два раза большей мощностью, а также способностью моделировать физические кубиты. Atos Quantum Learning Machine – первая серийно выпускаемая квантовая система, которая способна моделировать до 41 квантового бита (кубита).

Первая версия Atos Quantum Learning Machine, представленная рынку год назад, уже пользуется популярностью среди университетов, исследовательских лабораторий и коммерческих компаний. Она установлена в Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США, во Франции (в CEA и Реймсском университете), в Нидерландах и в Германии. Недавно система была приобретена Университетом прикладных наук Верхней Австралии.

На мероприятии Atos Technology Days Тьерри Бретон (Thierry Breton), генеральный директор и председатель совета директоров группы компаний Atos, представил новую версию Atos QLM, в которой реализованы новые функциональные возможности, разработанные учеными научно-исследовательской лаборатории Atos.

Преимущества новой версии Atos QLM. Вдвое увеличившаяся мощность благодаря возможности моделирования до 41 кубита. Данная версия QLM построена на новой компьютерной платформе, обеспечивающей более высокую скорость работы по сравнению с предыдущей версией. Платформа поддерживает больший объем памяти и включает в себя ускорители, увеличивающие мощность системы.

Интеграция «квантового шума». Новая версия имеет расширенные аппаратные возможности, позволяющие реализовать виртуальное моделирование «квантового шума». Таким образом, у исследователей появляется возможность максимально приблизить моделирование кубитов к реальности. По мнению Научного совета Atos Quantum эта особенность новой версии эмулятора является серьезным прорывом в области квантовых вычислений.

Квантовая самообучающаяся вычислительная машина Atos Quantum Learning Machine разработана в лаборатории Atos, созданной в рамках первой крупной европейской квантовой программы. С ее появлением у ученых во всем мире появится возможность разрабатывать и проверять собственные алгоритмы для будущих квантовых ускорителей и реальных квантовых процессорных модулей QPU (Quantum Processor Unit).

Тьерри Бретон (Thierry Breton), генеральный директор и председатель совета директоров группы компаний Atos, сказал: «Запустив в ноябре 2016 года программу Atos Quantum, компания стала инициатором работы с квантовыми вычислениями в Европе. Нам оказывает поддержку всемирно известный научный совет, в который входят лауреаты Нобелевской и Филдсовской премии и лучшие международные эксперты. По сравнению с той небольшой «волной», которую создает цифровая трансформация, квантовые вычисления создадут настоящее «цифровое цунами». Я рад представить в рамках мероприятия Atos Technology Days 2018 новую версию системы Atos QLM. Она поможет ученым подготовиться к «цифровому цунами». Новая разработка обеспечивает моделирование 41 кубита. Это первая в мире система, поддерживающая моделирование «цифрового шума», что делает моделирование еще более реалистичным. Инновации Atos в сочетании с проектом по разработке квантового ускорителя в ближайшие пять лет позволят нашей компании и ее заказчикам занять наилучшее положение и воспользоваться всеми преимуществами цифровой революции».

Atos уже установила новый эмулятор квантового компьютера в австрийский университет FH Oberösterreich (г. Хагенберг). Quantum Learning Machine позволит проводить анализ и разработку новых алгоритмов для оптимизации процессов шифрования информации.

www.cnews.ru


 

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..