คำว่า "ควอนตัมอำนาจสูงสุด" - เพื่อความเข้าใจของฉัน - หมายความว่าเราสามารถสร้างและเรียกใช้อัลกอริทึมเพื่อแก้ปัญหาในคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ไม่สามารถแก้ไขได้ในเวลาจริงบนคอมพิวเตอร์ไบนารี อย่างไรก็ตามนั่นเป็นคำจำกัดความที่ค่อนข้างคลุมเครือ - อะไรจะนับเป็น "เวลาจริง" ในบริบทนี้ ต้องเป็นอัลกอริทึมเดียวกันหรือเป็นปัญหาเดียวกันหรือไม่ การไม่สามารถจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีขนาดบางขนาดย่อมไม่สามารถวัดได้ดีที่สุด
คำตอบ:
คำquantum supremacy นี้ไม่ได้แปลว่าจะสามารถวิ่งalgorithmsบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานบนคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมได้ หมายความว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำสิ่งที่คอมพิวเตอร์คลาสสิคจะพบว่าเป็นการยากที่จะจำลอง
คุณอาจถาม (และถูกต้องเพื่อ) algorithmสิ่งที่ฉันอาจจะหมายถึงการพูดคุยเกี่ยวกับสิ่งที่ทำโดยคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งไม่ได้เป็น สิ่งที่ฉันหมายถึงคือเราสามารถให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมดำเนินการได้
ไม่จำเป็นต้องมีพฤติกรรมที่เข้าใจเป็นอย่างดี - โดยเฉพาะมีบางสิ่งที่เราสามารถพิสูจน์ได้เกี่ยวกับกระบวนการนั้น
โดยเฉพาะอย่างยิ่งกระบวนการนั้นไม่ได้ 'แก้ปัญหา' ปัญหาใด ๆ ที่น่าสนใจในทางปฏิบัติ - คำตอบของการคำนวณไม่จำเป็นต้องตอบคำถามที่คุณสนใจ
เมื่อฉันพูดว่ากระบวนการไม่จำเป็นต้องมีพฤติกรรมที่เข้าใจดีนี่ไม่ได้หมายความว่าเราไม่รู้ว่าคอมพิวเตอร์กำลังทำอะไร: เราจะมีคำอธิบายที่ดีเกี่ยวกับการทำงานที่ทำ แต่เราไม่จำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างฉับพลันเกี่ยวกับผลกระทบสะสมต่อสถานะของระบบการดำเนินการเหล่านั้น (ข้อเสนอการคำนวณควอนตัมได้รับการเสนอครั้งแรกเพราะระบบกลไกควอนตัมเป็นการยากที่จะจำลองซึ่งหมายความว่ามันอาจจะสามารถจำลองระบบอื่นซึ่งเป็นการยากที่จะจำลอง)
คุณอาจจะขอให้สิ่งที่เป็นจุดของการมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำอะไรบางอย่างซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะจำลองถ้าเหตุผลเดียวที่เป็นเพียงว่ามันเป็นเรื่องยากที่จะจำลอง เหตุผลของเรื่องนี้คือมันแสดงให้เห็นถึงการพิสูจน์หลักการ สมมติว่าคุณสามารถสร้างระบบควอนตัมที่มี 35 qubits กับ 40 qubits กับ 45 qubits, 50 qubits และอื่น ๆ - แต่ละสร้างขึ้นตามหลักการวิศวกรรมเดียวกันแต่ละคนจำลองในทางปฏิบัติและแต่ละพฤติกรรมวิธีการจำลอง คาดการณ์(ขึ้นกับความคลาดเคลื่อนที่ดี) แต่ในกรณีที่การจำลองแต่ละครั้งนั้นใช้ทรัพยากรมากเกินกว่าที่ผ่านมา จากนั้นเมื่อคุณมีระบบที่ 55 หรือ 60 qubits ที่คุณไม่สามารถจำลองด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกคุณสามารถยืนยันว่าคุณมีสถาปัตยกรรมที่สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เชื่อถือได้ (ขึ้นอยู่กับขนาดที่คุณสามารถจำลองได้) และที่สามารถ ใช้ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่พอที่ไม่รู้จักเทคนิคการจำลองสามารถทำนายพฤติกรรมของพวกเขา (และอาจไม่มีเทคนิคดังกล่าวเป็นไปได้)
ขั้นตอนนี้ไม่จำเป็นต้องมีประโยชน์เพื่อสิ่งใดก็ตาม แต่เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นที่จะสามารถแก้ไขปัญหาที่น่าสนใจในคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้เร็วกว่าที่คุณสามารถทำได้ในคอมพิวเตอร์คลาสสิค ความจริงที่ว่าคุณไม่สามารถแก้ไขปัญหา 'น่าสนใจ' ในขั้นตอนนี้เป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมบางครั้งผู้คนไม่พอใจกับคำว่า 'อำนาจสูงสุด' (มีเหตุผลอื่นที่เกี่ยวข้องกับความหมายทางการเมืองซึ่งเป็นเหตุผลในความคิดของฉัน แต่เป็นหัวข้อที่นี่) เรียกว่า "การขึ้นครองตำแหน่งควอนตัม" ถ้าคุณต้องการ - หมายความว่ามันเป็นจุดที่เทคโนโลยีควอนตัมกลายเป็นสิ่งสำคัญอย่างแน่นอนใน พลังงานในขณะที่ยังไม่ได้รับอันตรายจากการเปลี่ยนโทรศัพท์มือถือในกระเป๋าของคุณคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะหรือแม้แต่ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์อุตสาหกรรม - แต่มันเป็นจุดสนใจในการพัฒนาโค้งของเทคโนโลยีการคำนวณเชิงควอนตัม
แต่บรรทัดล่างคือว่าใช่ "วอนตัมอำนาจสูงสุด" เป็นอย่างแม่นยำเกี่ยวกับ "ไม่สามารถที่จะคอมพิวเตอร์ควอนตัมจำลองที่มีขนาดบาง" หรืออย่างน้อยก็ไม่สามารถที่จะจำลองกระบวนการที่เฉพาะเจาะจงบางอย่างที่คุณสามารถมีพวกเขาดำเนินการและมาตรฐานนี้ ไม่เพียง แต่ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีควอนตัม แต่ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีคลาสสิคที่ดีที่สุดและเทคนิคคลาสสิคที่ดีที่สุด มันเป็นขอบเขตที่พร่ามัวซึ่งหากเราจริงจังกับสิ่งต่าง ๆ เราจะมั่นใจได้ว่าเราผ่านพ้นไปหนึ่งหรือสองปีหลังจากข้อเท็จจริง แต่มันเป็นขอบเขตสำคัญในการข้าม
ควอนตัมอำนาจสูงสุดระยะที่แนะนำโดย Preskill ในปี 2012 ( 1203.5813 ) สามารถกำหนดโดยประโยคต่อไปนี้:
ดังนั้นเราจึงหวังที่จะเร่งการโจมตีของยุคควอนตัมอำนาจสูงสุดเมื่อเราจะสามารถทำงานกับระบบควอนตัมที่ควบคุมได้เหนือกว่าสิ่งที่สามารถทำได้ด้วยคอมพิวเตอร์ดิจิตอลทั่วไป
หรือตามที่วิกิพีเดีย rephrases มันควอนตัมอำนาจสูงสุดคือความสามารถที่มีศักยภาพของอุปกรณ์ควอนตัมคอมพิวเตอร์ในการแก้ปัญหาที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกในทางปฏิบัติไม่สามารถ
ควรสังเกตว่านี่ไม่ใช่คำจำกัดความที่แม่นยำในความหมายทางคณิตศาสตร์ สิ่งที่คุณสามารถสร้างได้อย่างแม่นยำคือความซับซ้อนของปัญหาที่กำหนดด้วยขนาดของอินพุต (เช่นจำนวนของ qubits ที่จะจำลองถ้ามีการจัดการกับปัญหาการจำลอง) แล้วถ้ามันกลับกลายเป็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมช่วยให้การแก้ปัญหาเดียวกันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น (และขับเคลื่อนคุณสามารถที่จะพิสูจน์ได้) จากนั้นมีห้องพักสำหรับอุปกรณ์ควอนตัมเพื่อแสดงให้เห็น (หรือมากกว่าแสดงหลักฐานต่อ) อำนาจสูงสุดของควอนตัม ( หรือความได้เปรียบเชิงควอนตัมหรืออย่างไรก็ตามคุณต้องการโทรหาดูตัวอย่างการอภิปรายในความคิดเห็นที่นี่ )
ดังนั้นตามที่กล่าวมาข้างต้นเมื่อใครจะอ้างว่าได้มาถึงระบอบการปกครองสูงสุดของควอนตัม ? ในตอนท้ายของวันไม่มีเลขอาถรรพ์เดียวที่นำคุณมาจาก "ระบอบการปกครองแบบคลาสสิก" ถึง "ควอนตัมอำนาจสูงสุด" และนี่เป็นการเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องที่มากขึ้นซึ่งหนึ่งรวบรวมหลักฐานมากขึ้น ข้อความที่ว่ากลศาสตร์ควอนตัมสามารถทำได้ดีกว่าฟิสิกส์คลาสสิก (และในกระบวนการให้หลักฐานกับวิทยานิพนธ์คริสตจักรทัวริงขยาย)
ในอีกด้านหนึ่งมีระบอบการปกครองที่เห็นได้ชัดว่าตกอยู่ใน "ระบอบการปกครองสูงสุดควอนตัม" นี่คือเมื่อคุณจัดการเพื่อแก้ปัญหาด้วยอุปกรณ์ควอนตัมที่คุณไม่สามารถแก้ปัญหาด้วยอุปกรณ์แบบดั้งเดิม ตัวอย่างเช่นหากคุณจัดการแยกแยะจำนวนมากที่ต้องใช้อายุของเอกภพในการคำนวณด้วยอุปกรณ์คลาสสิกใด ๆ (และสมมติว่ามีใครบางคนจัดการเพื่อพิสูจน์ว่าแฟคตอริ่งเป็นคลาสสิกยากซึ่งอยู่ไกลจากที่กำหนด) ยากที่จะปฏิเสธว่ากลศาสตร์ควอนตัมจริง ๆ แล้วอนุญาตให้แก้ปัญหาบางอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์แบบดั้งเดิม
แต่ข้างต้นไม่ได้เป็นวิธีที่ดีที่จะคิดว่าควอนตัมอำนาจสูงสุดส่วนใหญ่เพราะหนึ่งในประเด็นหลักของควอนตัมอำนาจสูงสุดเป็นขั้นตอนกลางก่อนที่จะสามารถแก้ปัญหาการปฏิบัติกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม อันที่จริงแล้วในการแสวงหาควอนตัมที่ยิ่งใหญ่เราได้ผ่อนคลายความต้องการในการแก้ปัญหาที่มีประโยชน์และพยายามที่จะโจมตีหลักการที่ว่าอย่างน้อยสำหรับงานบางอย่างกลศาสตร์ควอนตัมก็ให้ประโยชน์อย่างแน่นอน
เมื่อคุณทำสิ่งนี้และขออุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดที่สามารถแสดงควอนตัมได้อย่างยอดเยี่ยมสิ่งต่าง ๆ เริ่มมีความยุ่งยาก คุณต้องการที่จะหาเกณฑ์ข้างต้นซึ่งอุปกรณ์ควอนตัมที่ดีขึ้นกว่าคนที่คลาสสิก แต่จำนวนนี้เพื่อเปรียบเทียบสองชนิดที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงของอุปกรณ์การทำงานที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงของขั้นตอนวิธี ไม่มีวิธีง่าย ๆ ในการทำเช่นนี้ ตัวอย่างเช่นคุณพิจารณาว่ามันมีราคาแพงในการสร้างอุปกรณ์ที่แตกต่างกันสองเครื่องหรือไม่? แล้วการเปรียบเทียบอุปกรณ์คลาสสิกเอนกประสงค์กับควอนตัมวัตถุประสงค์พิเศษหนึ่งตัวล่ะ นั่นยุติธรรมไหม สิ่งที่เกี่ยวกับการตรวจสอบ
เกี่ยวกับเกณฑ์ที่แน่นอนที่แยก "คลาสสิก" ออกจากระบอบ "ควอนตัมอำนาจสูงสุด" เราอาจได้ดูการอภิปรายเกี่ยวกับจำนวนโฟตอนที่จำเป็นในการเรียกร้องควอนตัมมากที่สุดในการทดลองเก็บตัวอย่างโบซอน หมายเลขรายงานเริ่มต้นประมาณ 20 และ 30 ( Aaronson 2010 , Preskill 2012 , Bentivegna et al. 2015และอื่น ๆ ) จากนั้นก็ลดลงต่ำสุดที่เจ็ด ( Latmiral et al. 2016 ) และเพิ่มขึ้นอีกครั้งสูงถึง 50 ( Neville et al. 2017และคุณอาจได้ดูการอภิปรายสั้น ๆ ของผลลัพธ์นี้ที่นี่ )
มีอีกหลายตัวอย่างที่คล้ายกันซึ่งฉันไม่ได้พูดถึงที่นี่ ตัวอย่างเช่นมีการสนทนาทั้งหมดรอบประโยชน์ควอนตัมผ่านวงจร IQP หรือจำนวนของ qubits ที่จำเป็นก่อนที่หนึ่งไม่สามารถจำลองคลาสสิกอุปกรณ์ ( Neill et al. 2017 , Pednault et al. 2017และบางส่วน อื่น ๆการอภิปรายเกี่ยวกับผลลัพธ์เหล่านี้) . อีกรีวิวที่ดีที่ฉันไม่ได้รวมไว้ข้างต้นคือLund และคณะ 2017กระดาษ
(1) ฉันใช้ที่นี่ในการปรับปรุงเกณฑ์ตามที่กำหนดใน Calude และ Calude ( 1712.01356 )