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量子计算

量子计算

(礼貌:iStock / Matejmo)
03 Dec 2018
从2018年12月发行 物理世界,它在标题“游戏中”之下。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app

为量子计算机创建游戏提供了一种探索和测试其功能的参与方式,写入 詹姆斯沃顿

量子计算

购买计算机通常涉及在规格列表中​​盯着长而努力。当您尝试将处理器速度加速RAM或硬盘驱动器尺寸的硬盘容量时,您可能会发现自己想象您可以使用该机器的内容,以及每个设备如何服务于这些需求。

这是我们目前面临着量子计算机的问题。新的原型设备每隔几个月宣布。每次,它是批准标题的量级位数或Qubits的数量,但讨论了贵族的工作程度,以及它们可能有用的程度,并不容易量化。通常,它意味着在规格列表中​​恢复并致力于长期凝视。

但这不是了解量子设备的唯一方法 - 我们也可以尝试一下。我们可以运行将其功能推向限制的程序,并为我们提供可关联的方法来了解其性能。然后我们不会有一个数字列表;我们会有经验。

要决定运行什么样的程序,让我们回顾数字计算的早期。 1961年,马萨诸塞州理工学院(麻省理工学院)的科学家获得了新的电脑型号: PDP-1。在它甚至安装之前,人们已经试图弄清楚如何使用它,以及他们将与之有关。特别是三个研究人员 - 史蒂夫罗素,Martin Graetz和Wayne Wiitanen - 决定他们想创建一个可以做三件事的程序:将设备推到其限制,每次运行时都会不同,并以游戏的形式操作。

他们制作的游戏被称为 太空!,这是第一台计算机游戏,不仅仅是普通棋盘游戏的昂贵版本。玩家每人开始有一个宇宙飞船,他们都困扰着他们的当地明星。他们的第一个挑战是为了与明星的重力相抗。然后,一旦他们达到了稳定的轨道接近的东西,他们的工作就是追捕并摧毁他们的失败。

游戏不仅仅是给PDP-1给玩家的体验 - 它也让他们深入了解轨道力学。他们很快了解到,重力不是一种力量,你可以轻松地离开,但是你必须与之合作的人。开发一个获胜的策略意味着解决你想要的轨道和如何实现的轨道。这是我们看到的概念的第一个例子:自如来:以来:为人们提供有机会和了解在日常经历之外的物理学的机会的游戏。

Spacewar! game
Spacewar! controller

这些方面的 太空! 正是我们现在需要的量子计算机。我们需要作为程序的示例的程序,并且允许新用户通过尝试代码来学习。我们需要计划充分利用设备的能力,并展示其优势和劣势。我们需要方案,使用户能够直接体验其他含有物理的物理区域;了解它是如何工作的;并弄清楚如何利用它。

我们需要方案,使用户能够直接体验含有否则的物理区域;了解它是如何工作的;并弄清楚如何利用它

量子 Battleships.

这种哲学是让我开始制作在量子计算机上运行的游戏的东西的一部分。经过几个初步实验,我的第一个适当的比赛被称为 与局部没有盖茨的战列舰。与更传统的战舰版本一样,我的播放在网格上,每个点代表船舶可能隐藏的地方(图1)。网格量身定制以适合用于玩游戏的设备。在我创建它时,这意味着可以使用的一个和唯一的设备:五个Qubit原型量子处理器 IBM.。所以我的战舰游戏的网格有五个点,每个Qubit一个。要获取我的船舶在这个真实的设备上运行,我需要做的就是使用IBM的开源 Qiskit. 包写我量子计划。

图1A

Figure 1

游戏需要两个玩家,每个球员必须选择其中三个Qubits中的三个船只发挥船只的作用。对于所选的每个qubit船,我们将使用qubit状态0表示完好无损的船舶,1表示被销毁的船舶。然后,另一个玩家必须通过将每个0转换为1.在标准计算方面,该操作被称为不门。它是支撑所有数字计算的最简单的逻辑门。但是,在我们的游戏中,它只是扮演一个替代成功的角色。

现在让我们添加一些量子。 Qubits可以,着名的,不仅仅是0或1以外的国家。它们也可以是无限数量的叠加之一,其中一些朝向0的加权,还有更多朝向1.但是如果我们实际衡量状态其中一个叠加Qubits,我们强迫它随机选择两个二进制选项。叠加的加权决定了每个结果的概率。

由于量子计算机可以访问叠加状态,因此它们可以执行标准逻辑门的部分版本。例如,我们可以让他们完成一半。将其应用于0状态的qubit将其移动到0到1之间的叠加中。如果我们多次运行此操作,每次都会测量Qubit以提取输出,我们会发现0和1与等于可能性。在游戏中的结果是一半被摧毁的船。

相反,如果我们在进行测量之前,我们在这两个没有盖茨中做了两个,那么截然不同。上半场 - 不是将采取Qubit状态0并将其停放在0到1之间的叠加中。然后第二个将采取这种叠加并继续旅行。结果将是州1的Qubit,以及一艘isdestroyed的船舶。

这就是Quantum叠加和单态旋转如何在游戏中表现出来:不是仅为启动而保留的哲学难题或奥术概念,而是作为部分损坏的船只而不是完全有效的武器。我们采取了Quantum编程的异国情调元素,并在游戏中给出了他们的平凡职位。凭借他们的神秘主义剥夺,开始思考你想做的事情变得更容易。

这是主要目标 与局部没有盖茨的战列舰。喜欢 太空!,它旨在为其他人提供编程的例子。这是一个人来看看并宣布“我能做到这一点”的游戏。因为你可以。事实上,你可以做得更好。

量子很棒

每次运行 与局部没有盖茨的战列舰 仅使用设备上的五个Qubits中的三个。对于这些贵族,我们只应用一种类型的量子操作。显然,我们没有将设备推向其限制。因此,寻找更好的量子继承人 太空!,我们必须在别处寻找。

量子 Computer的所有功能都来自其探索其Qubits的完整“状态空间”的能力。对于单个Qubit,这意味着能够实现状态0,1和所有可能的叠加。对于两个Qubits,可用空间变得更加复杂。该系统有四个基本状态 - 00,01,10和11 - 并且随着这些,我们可以创造更多种类的叠加状态。随着更多额度增加,系统变得越来越复杂。为了 n qubits, there are 2n 我们投入叠加的基本国家:可能性的指数增长。

绝大多数可能的许多Qubit州将表现出一定程度的纠缠 - 量子力学的签名方面之一。 entanglement允许非本地存储的信息跨越额度,导致Albert爱因斯坦称为“距离幽灵动作”的影响。以受控方式创造和操纵纠缠是众所周知的困难,而在过去的几十年里,为几个QGBits创造和学习特定的纠缠态很容易净你博士学位。但建造量子电脑更加令人生畏。对于任意大量的Qubits,我们需要制作可以可靠地创建任何纠缠态的设备。

测试设备是否使等级是通过创建和运行随机量子程序来进行一种方法。随机Quantum程序确实是它在TIN上所说的内容:它需要所有的运算计算机可以随机地将它们抛出到程序中。这通常在一堆QUBITS上运行,即在0状态下开始关闭:没有叠加,没有纠缠。在运行时,创建了叠加,并开始纠缠才能积聚。如果您已经足够长,您将最终为您的Qubits提供一个完全随机的例子,无论多么复杂或纠缠在一起。然后,您只需要衡量您的Qubits,请执行一些统计数据,并证明您在您运行的程序给出了您所期望的状态。这是谷歌希望运行的测试的一部分,这将作为原则上的验证,Quantum Computers可以做普通的情况实际上是不可能的。

让我们把它变成一个游戏。假设我们有一个对手创建一个小的随机量子程序,涉及随机选择的Qubits对以随机方式缠绕。然后,该程序运行,我们分析结果。我们的目标是弄清楚我们的对手所做的事情,并为将撤消它的程序添加额外的线条。在其基本概念中,这场比赛有点像 俄罗斯方块。你,球员,必须反对混乱的力量。你采取任何随机性,游戏在你身上投掷并尝试尽可能地撤消它的效果。如果你很好,你将能够长期保持订单。如果你是无能的,你将本质上成为自己的额外的随机性来源,游戏将很快变得无法播放。

这个游戏的球员的无能力,以及对手创造的随机量子程序将需要量子计算机几乎不断地创建和操纵复杂的纠缠态。它将提供对设备的真实测试,甚至可以用作证明量子计算力量的实验的一部分。我们将为游戏提供反映这一点的名称: 量子awesomeness..

在近期,我们的播放经验 量子很棒 将被另一个人统治,不那么欢迎效果。 Qubits不可避免地与他们的环境互动,我们表现的操作永远不会完美。由于这些错误在长量子计划上构建,因此我们从设备获得的结果将强烈偏离我们想要和期望的结果。最终,每个qubit的输出只是一个硬币翻转,与任何其他qubit或运行的程序无关。由于移开,任何复杂的叠加态将长期。

然而,有一线希望这个问题,这就是那个播放 量子很棒 可以让我们感受到设备的噪音。一旦我们看到在游戏令人沮丧的运动之前可以玩多少轮(想起玩耍 俄罗斯方块 由于每个游戏都越来越多地,堵塞或更长的错误控制,以及复合问题的闪烁屏幕,我们将获得我们的量子计划可能成为多长时间的感觉,同时仍然产生良好的结果。

量子很棒 还给了我们另一种比较不同设备的方法。在量子计算机中,通过与Qubits对的操作创建纠缠。但并非所有Qubit对都可以直接互动。每个设备将具有连接图,该连接图列出了可以执行特定双疑称操作的所有对的对。更好的连接设备是,更灵活且适应性更加灵活,它将在创建量子计划中,并且可以更快地创建复杂的叠加状态。

之内 量子很棒,连接图成为播放游戏的板。连接设备越好,对手和玩家可以随意使用的越多。使量子处理器更有用的非常有用的属性也将制定其版本 量子很棒 更有吸引力的比赛。

Figure 2

图2显示了一个 量子很棒 用于IBM的公开可用的16 QUBBit设备,具有类似阶梯式连接图形。在每个图像中,彩色圆圈表示Qubits。圆圈内的数字给出了衡量每种Qubit的纠结,这是根据测量结果计算的。对手纠缠着随机选择的Qubits对。使用每对中两个Qubits的数字应该是相等的,玩家的工作是解决哪对被纠缠在一起。

在一个没有噪音的假设完美的量子电脑中,这项工作并不困难。这可以在图2中的拼图中看到a (前两排),由16 QUBBit设备的无差错仿真产生。每对的两个Qubits都有完全相等的数字,使其容易拾取。这里的解决方案是对A,C,E,G,P,R,T和V.

在真实设备上运行游戏时,事情会变得困难。一个运行的结果如图2所示(底部两排)。噪声的存在意味着我们的缠结度量并不完全准确,因此每对中两个Qubits的数字可能不同。这可能导致含糊不清的含量努力解决。例如,如果63到右下方应该与邻近59配对?或者用58?虽然59的价值更接近63,但是当我们看看这些数字的邻居时,我们可以看到它实际上是对v这是正确的。这里的解决方案是对C,G,H,I,L,M,R和V.

第一个量子黑客

的发展 太空! 刺激了新兴黑客文化的发展(在原来的,积极意义上)。游戏的代码是自由分享的,这意味着其他人能够从中学习并适应它。添加了新功能,制作了变体,它是(并且仍然是)移植到各种不同的系统。

Quancentum编程的新生领域已经开始以这种相同的富有成效的方向头部。如果要为真实量子设备编写作业,则您的选择将使用IBM的Qiskit, 里德尼的森林 或者 Projectq. 从苏黎世。所有都是鼓励贡献的开源项目。它们运行的​​软件也是如此。无论是游戏,还是导致发表论文的科学研究,很多源代码都在线,记录好,准备新人学习或适应和使用自己。

直到几年前,实验量子计算是你只能在其中一个合适的实验室工作。即使在同一领域工作的理论家也很少访问它。现在,由于IBM和RIGETTI在线上网的设备,使用真正的Quantum硬件是所有可访问的东西。您可以在坐在睡衣时进行实验。您可以尝试一个新的想法,而无需编写拨款申请或试图说服风险资本家,它将获得它们的金钱。

你甚至可以制作游戏。

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