В этой статье я разберу по косточкам все тайны квантовых компьютеров: что такое суперпозиция (бесполезна) и запутанность (интересный эффект), могут ли они заменить обычные компьютеры (нет) и могут ли они взломать RSA (нет). При этом я не буду упоминать волновую функцию и столь раздражающих Bob и Alice, которых вы могли встречать в других статьях про квантовые машины.
Первое и самое главное, что нужно знать - квантовые компьютеры не имеют ничего общего с обычными. Квантовые компьютеры по своей природе - аналоговые, там нет бинарных операций. Вероятно, вы уже слышали про Кубиты, что у них есть состояние 0, 1 и 0-1 одновременно, и благодаря этому вычисления выполняются очень быстро: это заблуждение. Кубит - это магнит (обычно атом или электрон), подвешенный в пространстве, который может вращаться по всем трем осям. Собственно, вращение магнита в пространстве - это и есть операции квантового компьютера. Почему это может ускорить вычисления? Было очень сложно найти ответ, но самые стойкие читатели увидят его в конце статьи. Начнем разоблачения.
Суперпозиция
Прежде чем говорить про волшебное состояние 0-1 (суперпозиция), сначала разберемся, как положение магнита в 3D вообще становится нулем и единицей. При создании квантового компьютера принимается решение, что если полюс магнита N (на картинках ниже - синий) смотрит вверх - то это значение ноль, если вниз - единица. Когда запускается квантовая программа, все кубиты с помощью внешнего магнитного поля выстраиваются в ноль (вверх). После завершения квантовой программы (серии вращений кубитов) надо получить конечное значение кубитов (выполнить Измерение), но как это сделать? Кубиты крайне маленькие и нестабильные, на них негативно влияет тепловое излучение (поэтому их сильно охлаждают) и космические лучи. На кубит нельзя просто посмотреть и сказать, где у него сейчас полюс N. Измерение выполняется опосредованно, например, можно к кубиту снизу и сверху поднести магниты с полюсом N.
Если полюс кубита N был направлен вверх, то кубит упадет вниз, и как раз это падение можно зарегистрировать. После этого состояние кубита измерено (Ноль) и он физически больше непригоден для дальнейшего использования в квантовой программе. Это лишь иллюстративный пример, в каждом квантовом компьютере измерение выполняется своими методами и очень сложно найти описание - как именно, но суть остается та же.
Теперь самое интересное, вспоминаем, что наш магнит может вращаться в любом направлении, давайте положим его на бок? Именно с этого начинаются все квантовые алгоритмы.
Браво, мы перевели кубит в состояние суперпозиции, знаменитое "0-1 одновременно". При попытке измерить такой кубит он будет падать вверх или вниз с вероятностью примерно 50% (зависит от точности построения квантового компьютера). Как вы видите, состояние кубита более чем конкретное, мы его только что просто повернули на 90o. Заявления о том, что он в нуле и единице одновременно (или мечется между ними) выглядят странно, ведь при измерении всегда сработает только один сенсор. Поворот еще на 90o выводит кубит из волшебного состояния.
Еще один важный момент: если кубит из вертикального положения повернуть не на 90o, а только на пару градусов, то при измерении он с очень высокой вероятностью будет падать на "Сенсор 0", а в редких случаях на "Сенсор 1". Это доказано опытами, я проверял это сам (IBM дает бесплатный доступ), одиночный атом ведет себя сложнее, чем обычный магнит.
Любое отклонение от вертикали приводит к вероятности измерить единицу вместо нуля. Соответственно, исходную инициализацию кубитов и все вращения кубитов надо делать очень точно, защищать кубиты от внешнего воздействия надо очень надежно, иначе вы будете получать ошибку вычислений. Современные квантовые компьютеры имеют крайне низкую точность, это их большая проблема.
Теперь рассмотрим очень популярное, но ложное утверждение, что суперпозиция ускоряет вычисления. Все квантовые алгоритмы начинаются с перевода группы кубитов (регистра) в состояние суперпозиции (укладывания магнитов на бок), начиная с этого момента официальная наука заявляет нам, что каждый кубит хранит в себе 0-1 одновременно, два кубита хранят 0-3 одновременно, восемь кубитов 0-255 одновременно и т.д. Любое математическое действие над этой группой кубитов будет выполнено сразу для всех чисел, хранимых кубитами.
Пример: у нас есть две группы по 32 кубита (два регистра памяти), мы хотим посчитать сумму чисел из этих двух регистров. Выполнив сложение один раз мы получаем абсолютно все возможные комбинации сумм чисел, которые только можно разместить в двух регистрах по 32 бита, т.е. было выполнено около 18 квинтиллионов операций сложения за одну физическую операцию. Звучит очень круто, но есть подвох.
После завершения квантового алгоритма нам надо как-то вытащить результат вычисления, да вот беда - квантовый компьютер ни за что не отдаст нам все 18 квинтиллионов результатов за один раз. После измерения он вернет только один из них, причем рандомно. Процесс измерения разрушает кубиты, и чтобы получить еще один результат, нам придется выполнить операцию заново. Чтобы вытащить из квантовой машины все 18 квинтиллионов результатов придется запустить его как минимум 18 квинтиллионов раз. Звучит как фуфло.
Что там со взломом паролей? Аналогично, чтобы хэш-сумму перевести в пароль нужно запустить квантовую программу очень-очень много раз (как и на классическом компьютере). Таким образом, суперпозиция (даже если она реальна) сама по себе не имеет никакого эффекта на производительность квантовой машины.
Запутанность
Квантовая запутанность - второй кит, на котором держится квантовый компьютер, и это действительно любопытный эффект, который современная наука пока не может объяснить. Но мы пойдем издалека. Давайте взглянем на типичный кусок исходного кода для традиционного компьютера:
if (n > 50) then n = 50Эту строчку проблематично выполнить на квантовом компьютере, т.к. после операции (n>50) кубиты переменной n будут тут же физически разрушены (ведь их надо было измерить для операции сравнения), а эта переменная нужна нам дальше по коду. Условные переходы (как и циклы) недоступны для квантовых компьютеров, как они тогда вообще выживают? Одна операция IF все же может быть выполнена, без проведения измерения: контролируемое NOT (CNOT), это аналог классической операции XOR. В этой операции участвуют два кубита, контролирующий и контролируемый:
если полюс N контролирующего кубита направлен вниз (значение 1), то контролируемый кубит вращается на 180 градусов
если полюс N контролирующего кубита направлен вверх (значение 0), то контролируемый кубит не изменяется
Данная операция позволяет выполнять банальное сложение целых чисел для двух регистров кубитов. Чтобы выполнить эту операцию два кубита кратковременно подносят поближе друг к другу, после чего выполняют серию отдельных вращений. Измерения не требуются, т.е. с кубитами можно работать дальше. После этой операции кубиты запутаны. Как это проявляется? Начнем с банального:
После того, как мы запутали кубиты, они становятся зависимыми друг от друга. Если кубит Q1 был измерен как Единица, то кубит Q2 будет измерен как Ноль. Но этот случай очевиден и не интересен, давайте перед CNOT уложим кубиты на бок:
Если контролирующий кубит лежит на боку, то контролируемый будет либо повернут на 180 градусов с вероятностью 50%, либо останется в прежнем состоянии. Точное итоговое положение кубитов в 3D пространстве после такой операции не известно (они якобы сразу во многих состояниях), ведь на кубиты нельзя посмотреть непосредственно. Но если запутанные кубиты измерить, то Q1 будет рандомно падать на сенсор 0 или 1, а Q2 будет всегда падать на противоположный сенсор.
Почему так происходит никто не знает. По логике, оба кубита лежат на боку, после операции CNOT они оба должны рандомно падать на оба сенсора, без какой-либо зависимости. По факту же прослеживается четкая связь при измерении (с некоторой погрешностью, система все-таки аналоговая). На этот счет есть две теории:
Официальная наука говорит, что кубиты обмениваются информацией между собой (неизвестно как, но мгновенно, больше скорости света). Когда первый кубит измеряют (бьют об сенсор), он сообщает второму кубиту куда именно упал, а тот его запоминает и при измерении ударится о противоположный сенсор. Эта теория выглядит весьма странно, но здесь надо понимать, что официальная наука цепко держится за принцип суперпозиции, что кубиты находятся в состоянии 0-1 одновременно: при измерении первого кубита второй не может больше оставаться в 0-1, ему надо срочно определиться с ориентацией.
Теория скрытых переменных: она говорит, что при взаимодействии кубиты сразу договариваются, кто на какой сенсор упадет, происходит это за счет изменения физического параметра кубита, который науке пока не известен. Эта теория выглядит более логичной, здесь уже не требуются сверхсветовые взаимодействия. Но данная теория отрицает наличие принципа суперпозиции, который является Святым Граалем для современной науки, поэтому всерьез эту теорию не прорабатывают.
На мой взгляд само явление Запутанности является главным доказательством, что Суперпозиции не существует, но я не физик-теоретик, поэтому оставим эту тему. В конце концов когда-то официальная наука высмеивала теорию движения литосферных плит, но в конце концов ребята во всем разобрались.
Пара заключительных моментов про запутанность:
Запутать можно сразу много кубитов, и это обычное дело для квантовых компьютеров, для этого надо прогнать CNOT поочередно для нескольких кубитов.
После операции CNOT контролирующий кубит на самом деле тоже меняет свою ориентацию в 3D пространстве. Его полюс N не двигается вверх-вниз, но сам кубит вращается вокруг оси Z, это явление называется Phase Kickback и оно имеет огромное значение для квантовых алгоритмов, именно оно дает ускорение вычислений. Об этом мы поговорим ниже.
Если после запутывания один из кубитов с помощью внешнего магнитного поля перевести в состояние Ноль (повторить первичную инициализацию), то это никак не повлияет на второй кубит, состояние запутанности будет разорвано. Т.е. обмен информацией на сверхсветовой скорости нельзя обеспечить за счет эффекта запутывания.
Запутанные частицы иногда сравнивают с носками: я надеваю один на правую ногу, второй автоматически становится левым. Это некорректное сравнение, запутанные частицы больше похожи на две монетки, стоящие на боку. Если одна из них упадет на Орла, то вторая точно упадет на Решко, даже если прошло несколько часов.
Чего не могут квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры довольно медленные, типичная рабочая частота 100 МГц, но это поправимо. Они также довольно маленькие, 66 кубитов считается мега круто (можно разместить в памяти пару int), но это тоже поправимо. На физическом уровне квантовые компьютеры не поддерживают (и возможно, никогда не поддержат):
условные переходы и циклы (об этом я писал ранее);
умножение и деление;
возведение в степень и тригонометрию.
Все взаимодействие между кубитами сводится к операции CNOT, на которой далеко не уедешь. Но если они такие ограниченные, то почему вокруг них столько шума? При решении задачи в лоб никакого превосходства над классическими компьютерами не будет, но есть очень узкий перечень алгоритмов, где квантовый компьютер может себя проявить. Напомню, каждая квантовая операция - это вращение одного или двух кубитов, для ее выполнения достаточно одного кратковременного импульса. С другой стороны для моделирования вращения магнита на классическом компьютере нужно вычислить много синусов и косинусов. Примерно на этой особенности и строятся эффективные квантовые алгоритмы.
Алгоритм Шора
Алгоритмом Шора давно пугают интернеты, т.к. он теоретически может довольно быстро взломать RSA. Сама задача взлома сводится к поиску двух простых чисел, из которых состоит открытый ключ RSA, т.е. надо найти два делителя для очень большого числа (порядка 512 бит для RSA-512). Простой перебор на классическом или квантовом компьютере займет очень много времени, и как мы видели выше, принцип суперпозиции тут не спасает.
На самом деле есть два Алгоритма Шора, классический и с квантовым дополнением, начнем с первого. Математики определили, что задачу простого перебора можно заменить на следующее уравнение:
a - число 2 или 3 (на самом деле любое число, но 2 или 3 точно подойдут, какое именно из них - заранее нельзя сказать);
N - число, для которого ищем делители (условно - открытый ключ RSA);
mod - операция, которая возвращает остаток от целочисленного деления;
x - вспомогательное число, найдя его (простым перебором), мы быстро найдем делители числа N. Искомое x должно быть больше нуля, четным и минимальным из всех возможных.
Математики определили, что количество шагов по перебору числа x будет существенно меньше, чем простой перебор чисел a и b по формуле a*b=N. Я проверил как это работает, загнал формулы в Excel и нашел делители для числа 15: достаточно перебрать всего два числа x, проигнорировав 0 и все нечетные:
Этот эффект должен быть более выраженным для больших чисел, но есть подвох. Опытный глаз конечно же заметил операцию возведения в степень, а также поиск остатка от деления. Шагов перебора может и стало меньше, но каждый шаг сам по себе стал очень сложным, и их сложность будет расти экспоненциально для больших чисел N. Также вы уже наверняка задаетесь вопросом, причем тут квантовые компьютеры, если и в Excel все получилось?
Квантовый алгоритм Шора
Квантовый алгоритм Шора также начинается с вычисления формулы axmod(N), но тут возникает очень много проблем:
возведение в степень, умножение и деление (в том числе целочисленное с остатком) не поддерживаются на аппаратном уровне;
количество кубитов сильно ограничено и держать в памяти результат ax проблематично;
циклы не поддерживаются, значит перебор x надо делать без их участия.
Ребята не стали отчаиваться и придумали набор костылей. Число x на вход квантовой программы подается как рандомное. Если быть точнее, то набор кубитов (регистр) для хранения числа x переводится в суперпозицию (кубиты укладываются на бок). Начиная с этого момента официально заявляется, что axmod(N) будет выполнена сразу для всех возможных чисел x за одну операцию. Как мы видели выше, толку от этого мало, т.к. измерить мы сможем только один результат из всех, причем рандомный.
Далее, сама формула axmod(N) заменяется на очень странный код (показана симуляция квантового компьютера):
X = Register('X', 8)
F = Register('F', 4)
X.H()
F[3].X()
for i in range(8):
for j in range(2**i):
Fredkin(X[i], F[0], F[1])
Fredkin(X[i], F[1], F[2])
Fredkin(X[i], F[2], F[3])функция Register инициализирует указанное число кубитов (8 и 4), на выходе регистр кубитов, в которых можно хранить числа, по умолчанию сохраняется 0х0 (все полюса N направлены вверх);
метод H - Hadamard gate, укладывает кубиты на бок (переводит в суперпозицию);
метод X поворачивает кубит на 180o (аналог бинарного NOT);
функция Fredkin стандартная для квантовых вычислений, она меняет местами значения двух кубитов, если первый параметр (контролирующий) установлен в единицу. Функция сводится к 8 операциям CNOT и 9 одиночным вращениям кубитов;
входной регистр кубитов X хранит число x;
регистр F будет хранить результат вычисления axmod(N).
Полный исходный код доступен в моем репозитории.
Вы наверное очень удивлены, как это вообще может работать? Это костыль, который позволяет выполнять формулу axmod(N) для a=2 и N=15. Число x может быть любым. Есть отдельные методики, которые позволяют подобрать перечень вращений кубитов для любых чисел a и N. Как это работает, я не стал разбираться, поскольку документация на квантовые алгоритмы традиционно крайне низкого качества, но мои собственные опыты подтвердили, что вычисления выполняются корректно.
Соответственно, если мы хотим взломать какой-то ключ RSA-512, то сначала для этого конкретного ключа мы должны составить схему, которая будет включать в себя очень много вращений. Но сколько раз мы должны запустить такую схему? Вы обратили внимание на два вложенных цикла в исходном коде выше? Для числа N=15 схема запускается 255 раз, для N=21 - 511 раз, для пока недостижимого квантовым компьютерам N=35 будет 2047 запусков. Количество операций резко возрастает, в чем же профит квантового компьютера?
Quantum Phase Estimation
Поздравляю всех самых терпеливых читателей, пройдя долгий путь непонимания мы добрались до самой сути квантовых компьютеров. Когда мы вычисляем формулу F=axmod(N) на обычном компьютере, мы ждем появления значения F=1, чтобы объявить о взломе ключа RSA. Но когда мы работаем на квантовой машине, нам на самом деле не важно, что по итогу хранится в регистре F, решение задачи будет хранится во входном регистре X.
В классическом компьютере в операторе XOR (аналог CNOT) значение контролирующей переменной не меняется, но напомню, что когда в квантовой машине мы выполняем операцию CNOT, она меняет оба кубита:
полюс N контролируемого кубита двигается вверх-вниз, в зависимости от состояния контролирующего;
полюс N контролирующего кубита не двигается вверх-вниз, но сам кубит вращается по оси Z.
Отклонения кубита по оси Z называется фазой. За время выполнения квантовой программы все кубиты накапливают некоторое изменение фазы. Математики доказали, что, измерив итоговую фазу всех кубитов во входном регистре, можно с очень высокой вероятностью найти делители числа N (взломать RSA), даже если в F получилась не единица. Для RSA-512 нужно всего порядка 2000 запусков алгоритма на квантовом компьютере. Но есть подвох. Даже два.
Первая проблема заключается в том, что надо как-то суметь измерить фазу. Для этого используется алгоритм QFE (Quantum Phase Estimation), который требует дополнительных вращений кубитов на очень маленькие углы поворота. Для N=15 нужно вращать кубиты на 1.4o, для N=35 повороты будут уже 0.175o. Для RSA-512 нужно повернуть кубит на ничтожные 180/21022 градуса, сделав это 1022 раза. Кубиты - это аналоговая система, если ошибиться с углом поворота - на выходе мы получим ошибку. Современные квантовые компьютеры не могут справиться с числом N=35, им уже на этом этапе не хватает точности поворотов. Но это еще не так страшно, совсем ничтожными поворотами можно просто пренебречь, почти не потеряв точность всего алгоритма.
Вторая проблема заключается в вычислении axmod(N). Да, для RSA-512 надо вычислить ее всего лишь 2000 раз, но посмотрите еще раз на два вложенных цикла: одно такое вычисление - это более 21022 последовательных вращений кубитов. Это более чем фуфло. Квантовые компьютеры не способны взломать RSA, даже если они вырастут до миллиона кубитов. Есть большое количество научных статей, которые рассказывают нам, как им удалось оптимизировать эту часть и выполнить ее в сотни раз быстрее, но они всегда скромно умалчивают, сколько именно операций требуется, когда N = 2512.
Симуляторы квантовых компьютеров
Симуляторы квантовых компьютеров работают существенно медленнее своих реальных собратьев. Происходит это потому, что симуляторы делают свою работу гораздо честнее. Когда в симуляторе вы создаете регистр из 8 кубитов, то в памяти сохраняются все возможные значения для этих кубитов (создается массив на 256 ячеек). Если вы создадите два регистра по 8 бит и выполните операцию A+B, то симулятор посчитает и сохранит в памяти все возможные комбинации сложений (создаст массив на 65536 ячеек). Это будет существенно дольше, чем единичная операция, но после этого симулятор может вернуть вам все эти значения, не уничтожая данные при каждом "измерении".
Чтобы получить все варианты сложения на настоящем квантовом компьютере, вы будете запускать его как минимум 65536 раз (результат возвращается рандомно, могут быть повторы), и в целом, это займет даже больше времени, чем на симуляторе.
Но если кубиты - это просто магниты в 3D пространстве, можно ли создать симулятор, который вращает их в виртуальной реальности? Я попытался и создал библиотеку FastQubit. Большая часть операций действительно успешно работает (даже состояния Белла), и такой симулятор обладает существенным превосходством над обычным квантовым компьютером:
кубитов может быть много и они совершенно стабильны, никаких ошибок;
на кубиты можно посмотреть в любой момент времени, определить точное положение в 3D, при этом не разрушая их.
Но есть подвох. Phase Kickback в моей библиотеке работает не верно:
Q[0].H()
Q[1].X()
Q[0].P_pi(8)
Q[1].P_pi(8)
CNOT(Q[0], Q[1])
Q[1].P_pi(-8)
CNOT(Q[0], Q[1])Вот эта цепочка операций должна по итогу сдвинуть фазу кубита Q[0] на 45o, но в моем случае сдвиг выполнялся на 90o. Дело в том, что точное положение кубитов в 3D после первой операции CNOT науке не известно, тут обычно приплетают суперпозицию, что кубиты сразу много где. Я воспользовался документацией на квантовые операции, и сделал повороты ровно так, как они там описаны. Но нет, на самом деле никто не знает, какие повороты выполняются на самом деле.
Если вы заставите этот короткий код работать верно, то можете смело претендовать на Нобелевскую премию. Но не пытайтесь костылить: вы конечно можете добавить хак, который доворачивает фазу на нужный угол при определенных условиях, но это перестанет работать, когда в квантовую программу добавят запутанность сразу между несколькими кубитами.
Итоги
Документация на квантовые компьютеры максимально пафосная, даже элементарные вещи оборачиваются сложными формулами. Я потратил недели, чтобы разобраться, что на самом деле в них скрыто. Статьи в новостях и блогах наоборот крайне поверхностные, философские, и очень часто содержат ложную информацию. Никто и никогда не публикует цифру, сколько операций нужно выполнить, чтобы взломать RSA-512 (причем, он не самый стойкий), вместо этого вам покажут несколько формул вычисления сложности алгоритма, сделав это максимально непонятно.
Я не призываю немедленно прекратить финансирование всех программ по квантовым компьютерам, это фундаментальные исследования, которые могут принести неожиданные полезные результаты в других областях. Но необходимо прекратить публиковать страшилки про пост-квантовую эру.
Комментарии (86)
bfDeveloper
28.10.2022 00:11+8Как-то слегка нелепо даже упоминать, не то что продвигать, теорию скрытых параметров, когда в этом году за практическое её низвержение дали нобелевку. Как минимум в том, что там честный рандом в связанных частицах, сомневаться уже давно не приходится. Алогритм в посте разобран интересно, но не надо так смеяться над теоретиками.
Megakazbek
28.10.2022 00:41Не совсем понятно, почему это заблуждение настолько часто повторяется. Неравенство Белла даёт некоторые ограничения на то, какими именно могут быть скрытые переменные, но не запрещает их. Есть, например, теория волны-пилота со скрытыми переменными, которая этим исследованиям не противоречит (и самому Беллу эта теория вполне нравилась, если уж на то пошло).
Zashibis Автор
28.10.2022 10:38Нобелевку дали за исследования запутанности, при этом теория скрытых переменных теми ребятами опровергнута не была.
bfDeveloper
28.10.2022 15:35+5Я действительно не специалист, но разве доказательство теоремы Белла не опровергает наличие скрытых параметров? Ок, остаются версии типа возможности путешествия во времени, но мы серьёзно будем их рассматривать?
MetromDouble
28.10.2022 20:36+1Теорема Белла не допускает локальных скрытых переменных.
Глобальные скрытые переменные, которые могут разрушить статистическую независимость измерений, она не опровергает - это супердетерминизм.
Подробнее в видео от Сабины Хоссенфельдер
Shkaff
29.10.2022 17:41+1Нелокальные скрытые переменные это не то же, что супердетерминизм. Супердетерминизм не подразумевает нелокальности как раз. Есть другие интерпретации, типа пилот-волны, которые используют нелокальные скрытые переменные.
Megakazbek
29.10.2022 01:39+1Никто не заставляет серьёзно рассматривать какие-то теории, но не стоит как минимум делать неверное утверждение о том, что кому-то удалось опровергнуть возможность существования скрытых параметров в принципе. Не удалось.
Nilomar
28.10.2022 19:43+1со скрытыми параметрами давно же разобрались https://habr.com/ru/post/540620/
это конечно если ключевые аксиомы верны(законы физики везде одинаковы итд)
ruomserg
28.10.2022 07:29+12Ну это же замечательная статья! Автор честно попытался построить симулятор квантового компьютера пользуясь теорией скрытых переменных ("… возможность посмотреть на магнит в любой момент" — это и есть теория скрытых переменных!). И у него почти все заработало, кроме phase kickback. То есть, удалось получить противоречие между теорией, и реальным результатом. В наглядной и понятной форме! Так держать!
Zashibis Автор
28.10.2022 10:39+2Спасибо, я старался. Собственно мой исходный посыл был именно в этом - сделать симулятор на скрытых переменных, пришлось разбираться очень детально в алгоритмах для этого.
ruomserg
28.10.2022 13:11+4Несколько лет назад была статья — к сожалению, тогда было не до того, и я не запомнил деталей. Смысл был в том, что довольно сильно критиковалась Копенгагенская интерпретация квантовой теории («заткнись и считай»), как порождающая слишком большое количество вычислительных артефактов, которые возникают как бы нитокуда, и связаны друг с другом только тем, что вычисленные вероятности совпадают с фактическими экспериментами. Это очень похоже на теорию эпициклов в движении планет — которая, фактически, предлагает разложить движение небесного тела в базисе sin и cos, которые (по счастливому совпадению!) являются ортогональными, и поэтому могут неограниченно близко представить любую мыслимую траекторию движения. Однако, ньютоновская гравитация заменяет эти сложные построения простыми и логичными фрмулами — отчего становится всем гораздо легче. Во-первых, исчезают предсказания явлений, которые заведомо не происходят (и с которыми приходится бороться вводя произвольные ограничивающие правила и/или константы), а во-вторых, расчет «правильных» явлений происходит сильно более экономным способом.
Вот есть мнение, что в случае с квантовой теорией, мы успешно двигаемся не туда, куда надо — потому что слишком много проблем и артефактов возникает. Поскольку теория скрытых переменных фактически исключена — в той статье предлагалось рассматривать, как я понял, квантовые эффекты — как принцип экономии при расчете следующего состояния системы. То есть, природа не занимается постоянным обсчетом частиц, которые прямо сейчас не собираются ни с чем взаимодействовать. Вместо этого, по принципу «ленивых вычислений» — записывается некоторая информация (х.з. как — в форме распределения вероятности, я так понимаю), которая позволит рассчитать параметры взаимодействия когда (если!) это будет нужно. Там еще делался глубокомысленный вывод, что в таком случае вселенной достаточно обращать внимание только на события, происходящие на поверхности конуса причинности, а не на весь его объем — но это уже сильно выходит за границы моего понимания.
Общий принцип, в моем бытовом понимании сводится примерно к поведению NPE персонажей в комнате без окон, из которой вышел игрок. Вместо того, чтобы обсчитывать их поведение (и держать кучу переменных для каждого) — достаточно запомнить сколько их какого вида было, и где каждый стоял в момент выхода игрока. Если через время «t» игрок заглянет в комнату — можно сгенерировать персонажей заново в случайных местах, до которых они смогли бы дойти с исходных мест за время «t». И у игрока не будет доказательств, чтобы опровергнуть предложенную ему картину мира. Вот примерно так и электроны в опыте с двумя щелями: «Мы не собираемся вычислять, через первую щель он прошел, или через вторую — мы записали последнее взаимоействие, и сделаем расчет тогда, когда оно долетит до фотопленки. А то вы его может быть послали в направлении альфы-центавра: вам прикольно, а нам его на протяжении нескольких лет на планковском масштабе пространства-времени непрерывно пересчитывать!». Очень помогает в этом плане и то, что элементарные частицы базово неотличимы друг от друга. В случае с NPC в игре — нужно про каждого что-то помнить. А в случае с электронами — можно их сгенерировать вам в момент наблюдения, и опять-же подите-опровергните, что они (пока никто не смотрел) вот так не смогли организоваться…
Ivan22
28.10.2022 16:28+1"Веришь ли ты в судьбу, Нео"
ruomserg
28.10.2022 16:47Скорее, распространение принципа наименьшего действия на вселенную в целом - она должна рассчитывать свою траекторию в пространстве-времени наиболее экономным из возможных способов. "Матрица" - слишком сложный способ реализации этого процесса.
Vse_Horosho11
28.10.2022 07:43+7Друзья! А не мог бы кто-нибудь подсказать какое нужно иметь образование, чтобы все это понимать хотя бы в самых общих чертах, на каком-то любительском уровне?
Иногда бывает так грустно, смотреть как кто-то что-то умное обсуждает, и наверное интересное, но эти люди из какого-то другого мира, не из твоего, и непонятно ничего. Только и остается вздохнуть и мимо пройти.
flx0
28.10.2022 10:12+4У Пенроуза есть прекрасная книга Путь к реальности. Если вы ее прочитаете, сможете с уверенностью говорить, что понимаете основы современной теоретической физики.
Другой вопрос, что прочитать ее одну - не получится, к каждой главе придется брать все больше и больше дополнительных материалов, и займет это несколько лет тяжелой работы. Но как гайд по тому что нужно изучать и в какой последовательности - ей нет равных.
BeLord
28.10.2022 14:13+3Это к вопросу, зачем инженерам 3 года физику преподавали и 5 лет математику, хотя формально их специализация разработчик электронной аппаратуры, вот за этим, чтобы в первом приближении понимать о чем тут разговор идет.
omxela
28.10.2022 22:45какое нужно иметь образование, чтобы все это понимать
Школьное + чего-то подчитать по теории вероятностей и теории информации, если в школьных кружках этого не было. По мне так Вы немного путаете две вещи. Образование - это некие знания, и всё. Понимание - это сознание того, как эти знания конкретно работают. Вообще-то, сходу трудно понять любую нетривиальную вещь, с которой раньше не имел дело. Это относится не только к точным наукам, а к любой чаловеческой деятельности и её результатам. Музыке, книгам, живописи, например. Нужна некоторая насмотренность, наслушанность, начитанность. Короче, время и усилия. Есть такое убеждение, что для понимания работы квантового компьютера нужно быть чуть ли не квантовым физиком. И большинство "популярных" статей на эту тему начинается с протяжённых отсылок к истории возникновения квантовой механики, её становления как науки, её развития до наших дней и так далее. Ну, если вы хотите вбить человека по шляпку и собственную эрудицию показать - почему бы и нет. Но, вообще говоря, квантовый компьютер - это некая модель обработки информации. Постулаты этой модели можно ввести без всякого упоминания проблем физической реализации этих принципов. Поэтому автору статьи - большая благодарность за такую попытку. С чем-то я не совсем согласен, но это мелочи. Читал с удовольствием.
RigidStyle
29.10.2022 10:22Что бы понимать "это все" не нужно никакого образования, как это не парадоксально. Тут проблема понимания в том, как наш мозг так "понимает" мир. По факту мы просто "натягиваем сову на глобус" в нашей голове, ища соответствия.
Пример такого соответствия в статье. Автор рассказывает непонятную дичь, которую наш мозг просто не способен осознать и вообразить через вполне для него понятные магнитики. Понимает ли он магнитики на самом деле мы не знаем, но ему кажется, что понимает, так как у него в голове вполне конкретная картинка без каких либо противоречий вырисовывается, когда он думает про магнитики и представляет их себе. Возможно он в детстве игрался с магнитиками или еще чего, это не важно. Но в общем он может это как будто "потрогать" мысленно. Да, мы животные и без таких физических воплощений чего то изобразить в голове невозможно. Так же, как и изобразить то, что за пределами вселенной, например.
Еще один пример, это черные дыры. Черные дыры искажают пространство время, и это изображается как плоскость с условными линиями, на которой воронка, словно воронка на поверхности воды, и эта воронка засасывает эти линии в точку внизу. Мы это можем представить, так как мы это видели не раз, сливая воду с ванны. Но на самом деле эта воронка трехмерная. Пространство время искажается не вниз или в бок, в внутрь себя в точку. То-есть с любой стороны воронка, и со всех сторон воронка. Вообразить это невозможно. Даже если мы будем пытаться представить, все равно у нас в голове будет все та же трехмерная воронка, которая просто всегда повернута к нам дыркой. То-есть в голове будет условная плоскость (поверхность) и мы будем смотреть на нее перпендикулярно этой поверхности. Или будем представлять ее сбоку, как бы видя воронку в 3д. Но в реальности же там нет ни плоскости, ни поверхности, ни боков никаких. Для нас это невозможно изобразить, так как в нашем мире физические линейные размеры жестко завязаны на объем пространства внутри этих линейных размеров. А в "воронке" условной объем пространства и линейные размеры непостоянны. Линейный размер условной сферы уменьшается, а объем при этом увеличивается. Это чушь для нашего мозга, и от этого ему больно это представлять. Вот и приходиться "пихать в сову глобус" мысленно у себя в голове.
Так вот с квантовой темой и вообще вот этим всем то же самое. Если хотите это понять, то представьте это в своей голове. Но представить это невозможно. Ну как можно представить суперпозицию, например? Поэтому придется выдумать свой глобус и пихать его в сову. Один выдумал кота, который не жив не мертв. Его мозгу хватило такого образа для понимания. Другие видят это как чушь и все равно не понимают, как это возможно. Им кажется, что они тупые. Но на самом деле проблема может быть просто в том, что они не видели в жизни мертвых котов и не могут новое знание натянуть на свои мыслеобразы.
То-есть, что бы понять, вам нужно создать в голове мыслеобраз. Тот, который вы понимание. Аналогию придумать короче и натянуть на свой опыт и понимая о мире. А потом, когда вы будете разбираться в теме более детально, корректировать мыслеобраз в соответствии с новыми знаниями, создавая все больше и больше деталей в вашей "картинке" в голове.
И даже если вы слышите про условные магнитики или котов, вам все равно нужно будет каждый раз переводить это на свой язык образов. Вообще так работает понимание чего угодно в мире. То-есть я тут не про "это все" рассказываю. А о том, как вообще начать понимать что угодно. То-есть я об особенностях работы мозга и мышления сейчас.
RigidStyle
28.10.2022 08:12+2Хороший пост.
Единственное, что хочется сказать автору, что вы не поняли суперпозицию. Вообще это тема достаточно сложна для осознания. И примеры с магнитиками не срабатывают в объяснении. Даже с котом не очень получается, ведь человек не может понять, как это, ведь кот же жив или мертв в коробке, просто мы этого не видим.
Пока что скажу, что суперпозиция существует. И существует запутанность. Если вспомнить волновой эксперимент, то там не только фотоны интерферировали, но даже огромные молекулы, что в принципе кажется абсурдным. Ну так как молекула в суперпозиции в квантовом мире, это как исчезнувший небоскреб посреди деревни в реальном. Но, тем не менее, это есть.
Тут стоит понять, как вообще все в мире устроено. Есть некоторые вещи, которые мы не видим и не понимаем, как они работают, но можем вычислить их влияние. Например, одной такой вещью является гравитация. Ее не измерить, не увидеть (нет гравитационных волн, которые можно считать). Но при этом можно ее определить по ее влиянию на другие объекты. Например, на яблоко, которое упало на голову. И таким образом и обнаружить и даже узнать силу и направление и другие параметры.
Так же и суперпозицией. Она - следствие. И квантовый компьютер лишь нечто, что эту суперпозицию наблюдает.
Более того, скажу что в суперпозиции находятся не только фотоны и молекулы, в суперпозиции находится весь мир. Планеты, небоскребы, автомобили и т.д. Причем и суперпозиция и запутанность существует и не противоречит друг другу. Там нужно разобраться, почему вообще суперпозиция возникает.
Я готовлю по этой теме теорию на сотню страниц, где будет объясняться откуда вообще в мире взялась такая штука, как суперпозиция и почему она - фундамент нашего мира (не боги горшки обжигают, как говориться, и не они же и теории придумывают).
alexdesyatnik
28.10.2022 08:38+1нет гравитационных волн, которые можно считать
Это оффтопик, конечно, но за что тогда дали нобелевку по физике в 2017?
bs0c
28.10.2022 09:38Как я понимаю имелось ввиду что не нашли сами частицы которые передают гравитационное взаимодействие (гравитоны) и возможно никогда не найдут, но их влияние на мир мы видим - гравитационные волны.
RigidStyle
28.10.2022 15:00-1Да. Но разговор не совсем о волнах. Если посмотреть на эксперимент, то там поймали не именно волны гравитационные. А колебания пространства-времени, вызываемые массивными небесными телами, которые взаимно вращаются. Но колебания эти - не волна как электромагнитная волна, которая испускается с одинаковой амплитудой и частотой объектом, а волна как всплеск на воде возникающий в результате движения объекта по воде. Ну типо миксер засуньте в воду, и получите волну. Вот есть подозрение, что такую же волну поймали в опыте.
Причем если начать копать и вникать в опыт, то еще не факт что вообще эта волна гравитационная. Возможно это волна искажения пространства времени под действием гравитации. Но искажение происходит не за счет того, что сама гравитация волновая, а за счет того, что просто объект, который гравитацию создает, движется таким образом, что искажение пространства времени кажется, что идет волной. Ну примерно как искажение поверхности воды под действием вращения в ней миксера. То-есть, возможно, в опыте "поймали" искажение пространства времени. А не гравитационную волну.
Просто смотрите в чем прикол. Представьте направленный радиопередатчик, который быстро вращается. Частота волны, которую испускает передатчик, никоим образом не не связана с частотой вращения передатчика и частота волны может задаваться вообще отдельно от частоты вращения. Тогда почему частота гравитационных волн, которые поймали в опыте, соответствует частоте вращения двух массивных объектов относительно друг друга?Мое ИМХО, что этот опыт нужно еще много и много раз анализировать и обдумывать, и возможно окажется что он показывает совсем не то, что хотели найти (такое в науке очень часто случается).
Shkaff
29.10.2022 23:58+1Если посмотреть на эксперимент, то там поймали не именно волны гравитационные.
Именно гравитационные волны и поймали.
То-есть, возможно, в опыте "поймали" искажение пространства времени. А не гравитационную волну.
Искажение пространства-времени это буквально определение гравитационной волны.
Частота волны, которую испускает передатчик, никоим образом не не
связана с частотой вращения передатчика и частота волны может задаваться
вообще отдельно от частоты вращения.Она связана с частотой колебания электромагнитной волны в антенне. Равно как частота грав волны связана с частотой колебания массы.
Смотрите, аналогия очень простая: гравитационное излучение практически аналогично по механизму возникновения электромагнитному. ЭМ волна излучает при движении электрических зарядов (в простом примере - диполь). Грав волна излучается при движении "зарядов пространства-времени" - масс. Там даже уравнения практически одинаковые.
michael_v89
30.10.2022 01:18Там даже уравнения практически одинаковые.
Кстати, еще в школе у меня была мысль, раз уравнения похожи, нельзя ли сделать гравитационный аналог катушки с током. И, соответственно, трансформатор, чтобы увеличивать или уменьшать гравитационное поле. Вы не в курсе, были ли какие-то опыты в этом направлении? В интернете по этой теме ничего не находится.
Shkaff
30.10.2022 10:52Мне кажется, аналогии тут работают только до определенного момента. Уменьшать и увеличивать гравитационное поле очень просто: надо добавлять или забирать энергию из системы (т.к. гравитация=кривизна пространства-времени, а кривизна вызвана наличием энергии). Но сделать трансформатор - это уже немного про другое)
michael_v89
30.10.2022 11:20Ну вот чисто теоретически, если взять большой шланг с водой, намотать на катушку высотой в сотню метров, внутрь поместить другую катушку диаметром поменьше, начать перекачивать воду в первом шланге и проверить, есть ли направленное движение молекул во втором. Во втором можно воздух сделать, он легче, будет проще заметить воздействие. Есть какие-то научные сведения, что это точно работать не будет, или пока нельзя точно сказать?
Shkaff
30.10.2022 12:04В целом, должно работать, хоть и несколько по иным причинам (не за счет индукции - такого в гравитации нет). При вращении тела возникает эффект увлечения систем отсчета. Ньютоновская гравитационная сила сама по себе не может приводить к движению. Но при движении тел кривизна пространства-времени может приобретать дополнительное искажение: например, при вращении тела это будет типа спирали в координатной системе. Как результат - на объекты действует дополнительная сила, не учитываемая в обычной классической гравитации.
Но надо учесть, что величина такого эффекта микроскопическая, ничего полезного из этого не извлечь. По крайней мере, если у вас нет под рукой черной дыры, тогда да, можно генерировать энергию из этого.
RigidStyle
30.10.2022 13:31-1Именно гравитационные волны и поймали.
Обоснуйте свой комментарий. Потому что в подобной манере можно утверждать что "земля именно плоская".
Искажение пространства-времени это буквально определение гравитационной волны.
Нет, не так. Что бы было понятно, например, есть поток фотонов. Но свет так же является электромагнитной волной. Но есть, например, поток молекул. Но этот поток при этом не является волной, хотя тоже взаимодействует с предметами вокруг себя. Искажение пространства времени в пределах черной дыры не "волновое". А воолнообразный вид искажения, который поймали, это не более, чем следствие движения тел.
Что бы наверняка поймать волну, нужно учитывать эффект Доплера (доплеровский сдвиг). И в таком случае можно поймать вообще любую волну от любого тела, которое движется. Когда объект летит от нас, длина волны увеличивается (частота уменьшается), когда к нам - длина уменьшается (частота увеличивается). Где в опыте это учитывается?Она связана с частотой колебания электромагнитной волны в антенне. Равно как частота грав волны связана с частотой колебания массы.
Верно. Тогда почему частота пойманных волн соответствует частоте вращения? Ведь масса от вращения не меняется. И частота колебания массы маловероятно равна частоте вращения.
ИМХО нужно перепроводить опыт. Взять массивное тело, которое вращается вокруг чего то. Попытаться вычленить его гравитационное воздействие. И после смотреть на колебания измерителя учитывая эффект доплера, сняв два состояния. Первое - когда объект летит от нас, второе - когда к нам. Ну и потом нехитрыми вычислениями выяснить собственную длину гравитационной волны, испускаемой объектом.
Что касается премии, то она заслуженная. Только нашли не то, что задекларировали. И премию дали не за то, не разобравшись что же все таки нашли.
"Грав волна излучается при движении "зарядов пространства-времени" - масс.".
А волна на поверхности воды возникает от движения чего то в этой самой воде. В принципе это логично. Но только все не так.
Потому что:
Волна на воде возникает в следствии движения объекта в воде. Но это не "объектные волны", это именно "водные волны". Так же как в воздухе, когда хлопнуть в ладоши, будут "воздушные волны" (которые еще называют звуковыми), а не "хлопковые волны".
Волна искажения пространства-времени возникает в следствии движения объекта с гравитацией. Но это, по аналогии с водой и воздухом, не "гравитационная волна", а "пространственно-временная волна".Shkaff
30.10.2022 13:37Нет.
Да. Это буквально определение, откройте учебник и почитайте.
Что бы было понятно. Есть излучение. Например, есть поток фотонов. Но свет так же является электромагнитной волной.
Точно так же с гравитационными волнами: это поток гравитонов, которые так же являются гравитационной волной (по крайней мере по современным представлениям).
Где в опыте это учитывается?
Эм, в вычислениях.
Тогда почему частота пойманных волн соответствует частоте вращения?
Равно как и частота радиоволн соответствует частоте колебания электрического диполя.
И премию дали не за то, не разобравшись что же все таки нашли.
Ну слава богу @RigidStyle все объяснил, то-то ученые дураки и не разбираются в своей науке.
Zashibis Автор
28.10.2022 10:41+7Очень философский комментарий без какой-либо конкретики, очень в духе статей о квантовом мире.
RigidStyle
28.10.2022 15:34+2Вообще наш мир очень даже философский без какой то конкретики. Вот например, почему одноименные заряды отталкиваются а разноименные притягиваются в вашем объяснении и вообще в мире? Почему не наоборот? Объясните это с конкретикой?
Это невозможно. Это можно увидеть, измерить, но сказать, почему так, а не наоборот - нельзя. Так все устроено просто потому что так все устроено. И когда мы заходим в квантовый мир, многие вещи там работают по принципу "потому что так". А любые попытки понять, почему так, являются исключительно философией.
bahanov
28.10.2022 09:46+2if (n > 50) then n = 50а эта переменная нужна нам дальше по коду
Не виду причин, почему ее нельзя использовать. Ведь вы ее заново инициализируете.
Может вы хотели написать
if (n > 50) then print(n)?В этом случае действительно она будет разрушена измерением и print выдаст непонятно что.
Zashibis Автор
28.10.2022 10:45Вы можете заново проинициализировать переменную заново, это так, но при этом вы направите кубиты строго вверх или вниз, а до измерения кубиты почти наверняка смотрели куда-то наискосок, и при переинициализации вы потеряете это положение. Для квантовых алгоритмов очень важно точное направление кубита в 3D. Пока не существует способа измерить точное положение кубита, для этого нужно ничтожно слабое воздействие на кубит, которое не изменит его состояние.
rezedent12
28.10.2022 11:34+5В конце концов когда-то официальная наука высмеивала теорию движения литосферных плит, но в конце концов ребята во всем разобрались.
Само словосочетание "официальная наука" является маркером дискурса "альтернативщиков", лжеучённых и шизотериков. Вопрос в наличии методологии с которой наука может работать. Чем "поверьте в наличие скрытых параметров" принципиально отличается от "поверьте в наличии суперпозиции"? Для этого и нужна философия, что бы определить кому деньги давать, а вернее какая логическая система лучше отражает действительность.
Эта теория выглядит более логичной, здесь уже не требуются сверхсветовые взаимодействия. Но данная теория отрицает наличие принципа суперпозиции, который является Святым Граалем для современной науки, поэтому всерьез эту теорию не прорабатывают.
Критикуешь - предлагай. Людям свойственно смеяться над утверждениями без доказательств (весомых с точки зрения конкретной парадигмы мировосприятия). Предложи методику поиска скрытых параметров. Если уж решил обойтись "без философии", то предложи технический подход, который позволил бы поставить новые эксперименты.
Люди неизбежно производят и потребляют идеи и смыслы. Вопрос лишь в том, сознательно или нет. Автор заявил что его статья "без философии", но по сути навалил утверждение того что кубит обязан, иметь конкретное истинное и познаваемое состояние в конкретный момент. То есть сам того не осознавая, автор использовал философские положения:
О конкретности причинности. То есть принцип согласно которому каждому конкретному состоянию системы всегда предшествует какое то конкретное одно состояние.
О количественности причинности. Автор наверняка не позволяет своим рассуждениям отклонится от закона сохранения массы-энергии.
Автор посчитал вероятность в 1% несущественной, списав на неточность измерений. Проведу небольшой экскурс в историю. Когда то пропуская поток электронов через слой золота, было замечено что часть электронов отражались обратно. С точки зрения теоретических представлений того времени, это было невозможно. Однако исследования этого явления позволили открыть атомное ядро. В истории науки был ещё показательный случай. Когда проводили эксперименты с жидким гелием, учёный увидев что гелий утекает, высказал претензию стеклодуву, на том закрыв вопрос. Спустя некоторое время уже другой учёный открыл эффект сверхтекучести. (Насчёт полной достоверности это легенды не уверен.)
Кубит и вероятности Автор этой статьи думает что может игнорировать столь необычное с точки зрения его же философской системы поведение. Почему? Потому что философствует не сознательно, не последовательно.
Я пожалуй как мамкин фалософ должен составить гипотезы и сформулировать вопросы:
Кубит представляет собой действительно по сути ориентированный магнит, но его внешняя оболочка из "виртуальных частиц" постоянно вращается по всем векторам, в разных слоях, однако при прохождении полюсов оболочки мимо истинных полюсов, происходит замедление, как например при сближении одинаковых полюсов магнитов. И таким образом статистически мы можем чаще поймать состояние оболочки из виртуальных частиц соответствующее истинному положению кубита.
Квантовая запутанность - это наличие общих виртуальных частиц в оболочках из виртуальных частиц. Если кварки - это частицы сила взаимодействия которых не уменьшается при увеличении расстояния. То вероятно может существовать частица или квазичастица, у которой увеличение расстояния между компонентами не требует затрат энергии, так же как например у фотона нет массы покоя, тем самым образуя мост дальнего действия. При этом половины дальнодействующего компонента в оболочке из виртуальных частиц имеют противоположную ориентацию. Это компонент является своеобразным третьим магнитом в системе влияющим на неравномерность скорости вращения оболочки из виртуальных частиц. Когда же происходит измерение, то связь рвётся, а её энергия воздействует как на истинную ориентацию кубита, так и на вращение оболочки. То есть изменение происходит именно в момент реализации связи. Но именно в момент измерения становится возможным узнать результат связи.
Истинное вращение и ориентация кубита могут находится в произвольном отличии от вращения оболочки из виртуальных частиц. Происходит взаимное влияние, вернее виртуальные частицы образуемые кубитом влияют на него самого. Однако при этом сохраняется момент импульса. При измерении, то есть "шумном", "разрушающим квантовое состояние" взаимодействии, происходит "сцепление" кубита с его оболочкой. Наличие шума (тепла) или других достаточно сильных взаимодействий, позволяет передать импульс через взаимодействие с чем либо ещё, или же просто сткунуть виртуальные частицы о сам кубит, тем самым произведя типа обмен моментом импульса между кубитом и его оболочкой.
Что мешает оболочке виртуальных частиц перейти в полное зацепление с кубитом? Полагаю в макропроцессах зацепление обычно близко к полному. Поэтому квантовые эффекты и не наблюдаются. Однако если кубит постоянно порождает новые виртуальные частицы для своей оболочки, то он должен давать им какой то импульс, свой, они же встраиваясь в оболочку добавляют импульс к ней. Изменение момента импульса оболочки уже в обратную сторону влияет на кубит. Таким образом мы получаем задачу магнитного вращения двух тел. А при квантовой запутанности, задачу магнитного вращения трёх тел.
Это были попытки осознанного развития идей автора. Сам же автор этого не сделал, скорее всего по причине отсутствия у него философской подготовки.
Zashibis Автор
28.10.2022 11:39Можно ссылочку на статью про оболочку из виртуальных частиц вокруг кубита?
rezedent12
28.10.2022 14:37Про виртуальные частицы вокруг кубита - это сформулированная сегодня идея. Сформулированная на основе: https://elementy.ru/LHC/HEP/experiments/partonic_densities и https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Казимира
18741878
28.10.2022 11:59Интересно. Не могу оценить, т.к. раньше об этом только слышал. Позже перечитаю еще разок.
А скажите, насколько полезны/бесполезны/честны/лживы такие, например, книги:
https://www.labirint.ru/books/758841/
https://www.labirint.ru/books/723759/
https://www.labirint.ru/books/851868/
Все они позиционируются как более-менее доступные для лохов вроде меня :)
Sergeant101
28.10.2022 14:53Квантовые компьютеры не аналоговые, а вероятностные.
Программируя его ты задаешь вероятность выпадения того или иного варианта.
Квантовые компьютеры не дают прироста на классических алгоритмах, они нужны для расчетов тензоров и матриц. Это старая идея о том что рассчитывать квантовые явления эффективно возможно только с использованием самих квантовых явлений.
В теории квантовый процессор должен являться "супер" суперскаляром, т.е. высчитывать состояние по матрице/тензору за "один такт".
Shkaff
28.10.2022 16:11+9Официальная наука говорит, что кубиты обмениваются информацией между собой (неизвестно как, но мгновенно, больше скорости света
Нет, это неправда. Официльная наука говорит, что кубиты НЕ обмениваются информацией между собой.
Но данная теория отрицает наличие принципа суперпозиции, который
является Святым Граалем для современной науки, поэтому всерьез эту
теорию не прорабатывают.Теория (локальных) скрытых переменных экспериментально опровергнута. За это дали нобелевку в этом году.
На мой взгляд само явление Запутанности является главным
доказательством, что Суперпозиции не существует, но я не физик-теоретик,
поэтому оставим эту тему.Это вы правильно сделали, что оставили эту тему, потому что это не так.
vics001
28.10.2022 17:56Я думал, раз статья про квантовые компьютеры без математики и философии, то точно будет экономика и политика... Но оказалось статья про квантовые компьютеры с точки зрения как я понял документацию и какие фичи дает тот IBM API.
На самом деле фишка квантовых компьютеров состоит в том, что они реально дают (или должны давать) провести 2^N (!) параллельных вычислений. То есть взять за 1 операцию и посчитать все степени 3 от 1..64 (для 6 кубитов). Единственная проблема, что квантовый компьютер не дает забрать одновременно все 2^N результатов. При помощи разных ухищрений (алгоритм Шора), он дает с некоторой вероятностью забрать нужный результат.
vics001
28.10.2022 18:03Я тоже долго не понимал, в чем смысл и как работает, но пару хороших видео все расставила на места:
https://www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4https://www.youtube.com/watch?v=XEgBdWQdvfk
Существующие квантовые алгоритмы используют универсальную идею по амплификации необходимого результата, т.е. за N операций достигается получение ответа с вероятностью 80-90%, хотя существуют и более эффективные алгоритмы.
Скорее всего квантовые компьютеры принципиально поменяют вычисления и решение сложных задач, но еще предстоит узнать их стоимость, потому что квантовый компьютер с 10-20 запутанными кубитами будет безумно дорогой. А вот 2048 кубита хватит всем :-)Shkaff
28.10.2022 19:59вот 2048 кубита хватит всем :-)
Важно добавить, что логических кубита. С учетом алгоритмов коррекции ошибок это будет много миллионов реальных физических кубитов.
XenRE
28.10.2022 23:39Не знаете, на сколько такое вообще реально? Миллионы управляемых кубитов, чтобы это не развалилось за наносекунду, и смогло хоть что-то вычислить?
На сколько я понимаю, современные КК принципиально работают с ошибками, и алгоритмы коррекции могут лишь уменьшить вероятность ошибки, но не свести ее к нулю, а значит — для достаточно сложной задачи вероятность ее успешного решения будет стремиться к нулю:
Пускай P — вероятность успешного выполнения одной элементарной операции, N — число операций в алгоритме. Тогда вероятность успешно исполнить весь алгоритм будет P^N.
Итого вместо экспоненциальной сложности получаем экспоненциально уменьшающуюся вероятность вичисления, и соответственно экспоненциально возрастающее число попыток — сменили шило на мыло.Zashibis Автор
29.10.2022 00:18-2Запутанные кубиты живут несколько секунд в современных лабораториях, потом это состояние разрушается. Этого точно недостаточно для взлома RSA-512, при тактовой частоте 100 МГц. Сейчас квантовые машины могут с трудом взломать гипотетический RSA-8
Shkaff
29.10.2022 12:28Сейчас квантовые машины не используют коррекцию ошибок, поэтому взломать они не могут вообще ничего) Но в будущем они смогут работать непрерывно, несмотря на декогеренцию.
Shkaff
29.10.2022 12:27Так в этом и суть алгоритмов коррекции ошибок: мы используем алгоритмы, которые избавляются от ошибок быстрее, чем те возникают. Алгоритмы эти сложные: например, один логический кубит использует порядка 100.000 физических кубитов в коррекции ошибок. Но в результате КК может работать непрерывно без ошибок вообще.
Есть теорема, которая это строго доказывает.
stantum
28.10.2022 20:21-1До прочтения вашей статьи, я не был знаком с принципом действия квантовых компьютеров, но испытывал к ним нечто вроде ревности и опасения. Теперь я спокоен: современные квантовые компьютеры - это по сути очень продвинутые арифмометры, которые полагаются на механическое движение. Кто бы мог подумать...
Zashibis Автор
28.10.2022 21:37-2Был рад помочь. Механика их работы пока не до конца понятна, но прям чудес в них тоже нет, которыми нас пугают.
ac-93
28.10.2022 21:38+2Наверное, это здорово, что автор попытался разобраться в новой теме. Однако то, что он/она не разобрались до конца и выложили статью с неверным пониманием - плохо и вредно. Надеюсь статью можно отредактировать и добавить дисклеймер что автор ошибся и верить сказанному не нужно.
Фундаментальная ошибка, как уже было сказано, в понимание запутанности. Когда 2 кубита запутанны можно менять волновую функцию второго, воздействуя на первый. Посмотрите на сверхплотное кодирование или алгоритмы телепортации, второй кубит МЕНЯЕТ состояние когда над первым делают операции, хотя они уже разнесены. Этот эффект не может быть объяснен скрытыми переменными, ибо кубиты уже далеко и не могут договариваться и второй не знает какие операции делают над первым чтобы эти скрытые переменные менять.Zashibis Автор
28.10.2022 21:42-1Даже по "официальной" теории состояние одного кубита меняется только в момент измерения второго в их паре: он из суперпозиции переходи в состояние определенности. Во всех остальных случаях они не аффектят друг друга.
ac-93
28.10.2022 23:13а вы знакомы с волновыми функциями и их преобразованиями? Или это уже математика и вы ее не касаетесь?
В квантовой телепортации обычно разбирается алгоритм на 4 кубита (A,B,C,D), сначала мы встречаемся и у нас есть A и B, мы их спутываем. Потом мы расстаемся и я получаю C, значение которого я раньше не знал и хочу передать его Вам. Для этого я могу воспользоваться своим кубитом A, через который повлияю на ваш кубит B, который находится на любом расстояние от меня.
https://habr.com/ru/company/microsoft/blog/351632/ вот тут "Отправляем бабушке квантовую почту" неплохое описание и доказательство того что во время операция над A меняется волновая функция B. В этом принцип.
lubug
29.10.2022 10:07чел... причём тут волновые функции и квантовая телепортация, которая по факту и существу не телепортация?
ac-93
29.10.2022 17:44+1автор не понимает что такое запутанные состояния и как они образуются и вводим других в заблуждение. Если автор не троль, а просто запутался, то разобравшись с простейщим алгоритмом который использует запутанные состояния он/она поймут свою ошибку и перестанут других обманывать.
Вы знаете способ проще?
FasT93
29.10.2022 10:57+2По "официальной" теории, пара запутанных кубитов является одним целым и описывается одним состоянием. Поэтому вообще нельзя говорить о состоянии отдельного кубита из этой пары.
trenkvaz
29.10.2022 12:24Я что-то не понял как работает алгоритм Шора.
В примере для числа 15 нашли х = 4А как делители 5 и 3 то нашли из него ?
Zashibis Автор
29.10.2022 12:30После того, как нашли x=4, надо выполнить еще несколько затратных операций, посмотрите вот по этой ссылке:
https://qiskit.org/textbook/ch-algorithms/shor.html
В самом низу после слов "Now we have r", данная r - это тот же x. Как это работает, я не знаю, но оно работает, в экселе правильно считалось.
Эту вторую часть считают уже не на квантовом компьютере, а на обычном.
Shkaff
29.10.2022 12:30Традиционно порекомендую лучшую статью в интернетах про квантовые компьютеры от Вастрика.
Zashibis Автор
29.10.2022 12:39-2Почитал, лучше чем многие другие, но в целом очень поверхностно.
Shkaff
29.10.2022 13:09+2Ну по крайней мере без фактических ошибок в физике дела, как у вас.
А за подробностями всегда можно пойти в специализированные статьи.
Zashibis Автор
29.10.2022 13:13Оу, с удовольствием исправлю фактические ошибки в статье, если вы на них укажете.
Shkaff
29.10.2022 13:44+8А, ну я написал уже выше пару. Но могу написать и другие:
Кубит - это магнит (обычно атом или электрон), подвешенный в пространстве, который может вращаться по всем трем осям.
Нет, не обязательно (и чаще всего не так). Сверхпроводящие кубиты в современных КК - состояния зарядов в электрической цепи. В фотонных КК - это фотоны. И т.д., сотни их.
Собственно, вращение магнита в пространстве - это и есть операции квантового компьютера.
Соответственно, тоже нет. Даже для электронов это не так.
Кубиты крайне маленькие и нестабильные, на них негативно влияет тепловое
излучение (поэтому их сильно охлаждают) и космические лучи.Не обязательно, зависит от технологии кубитов.
Теперь рассмотрим очень популярное, но ложное утверждение, что суперпозиция ускоряет вычисления.
Это не ложное утверждение.
наука заявляет нам, что каждый кубит хранит в себе 0-1 одновременно, два
кубита хранят 0-3 одновременно, восемь кубитов 0-255 одновременно и
т.д.Наука этого не заявляет. Лучше все утверждения про "современная наука говорит то-то" сопровождать ссылками на научные статьи. Тогда не будет проблем с пониманием, где ошибки у вас.
Чтобы выполнить эту операцию два кубита кратковременно подносят поближе друг к другу,
Не обязательно, есть миллион разных способов это сделать.
Квантовые компьютеры не способны взломать RSA, даже если они вырастут до миллиона кубитов.
Очень серьезное (и неверное) утверждение. Посмотрите статьи, где производят расчеты взлома RSA на NISQ.
Никто и никогда не публикует цифру, сколько операций нужно выполнить, чтобы взломать RSA-512
Неправда, таких публикаций тысячи. Например, вот только одна из.
Zashibis Автор
29.10.2022 13:56-3Что-то я не видел серьезных реализаций квантовых компьютерах на фотонах, поэтому не включал их в статью. В целом ложных утверждений нет, вы просто придираетесь.
В статье, на которую выдали ссылку, указано количество кубитов и время выполнения в часах, я так и не увидел точное количество операций.
Shkaff
29.10.2022 14:59+4Вы взялись объяснять квантовые компьютеры. Объяснили с кучей ошибок и напрямую ложный утверждений. К вам пришел специалист указать на ошибки. Оказывается, я придираюсь. Ну ок ¯\_(ツ)_/¯
Что-то я не видел серьезных реализаций квантовых компьютерах на фотонах
Плохо искали, это сейчас главный претендент на нормальный КК.
ac-93
29.10.2022 17:46+1у меня много знакомых которые будут долго спорить после такого утверждения про фотоны, ионы наше все :-)
Shkaff
29.10.2022 17:59Ну это в последние месяцы фотоны немного вперед вырвались в гонке ;) Я не утверждаю, что они непременно лучше ионов in the long run, там проблем полно тоже.
michael_v89
Нет, "0-1 одновременно" означает, что все операции с этим значением выполняются как будто там записано оба варианта сразу, и 0, и 1. Грубо говоря, прибавление 1 к нему предполагает соответствующий перенос в старший разряд за счет особенностей квантовых полей. Аналогично и с другими вычислениями. Преобразования, примененные к набору кубит, влияют на вероятность получить конкретный результат при измерении финального состояния, как будто преобразования применялись ко всем возможным начальным вариантам. Именно поэтому все хотят получить компьютер на N запутанных кубит, так как это не то же самое, что компьютер на N отдельных кубит.
Поэтому да, суперпозиция ускоряет вычисления.
Zashibis Автор
Можно конкретный пример, где именно суперпозиция ускорила решение задачи?
michael_v89
Квантовый алгоритм
Zashibis Автор
Алгоритм Шора работает не на квантовой суперпозиции, а на QFE
michael_v89
Запутанность как раз и дает несколько возможных значений, которые неизвестны до измерения, но к ним можно применять преобразования, которые влияют на результат.
tmaxx
Мне кажется вы спорите об одном и том же. Для квантового компьютера нужна и запутанность, и суперпозиция.
Если отставить только запутанность - получаются обычные логические вентили
Только суперпозицию - странная аналоговая схема из N независимых линий, без развилок и соединений с другими
FasT93
В любом квантовом алгоритме есть суперпозиция, без неë никуда. Алгоритм оценки фазы первое что делает с основным регистром - переводит в состояние равномерной суперпозиции
Megakazbek
Вот это состояние "все операции с этим значением выполняются как будто там записано оба варианта сразу, и 0, и 1" - это и есть всего лишь состояние 0 (или 1), повернутое на 90 градусов. Вообще, любое состояние кубита описывается одним трехмерным единичным вектором, а разница между состояниями только в том, куда он направлен.
michael_v89
"Повернутое на 90 градусов" не может давать квантовых эффектов. Иначе можно было бы имитировать квантовую систему теннисным шариком, повернутым в нужном направлении, и квантовые компьютеры были бы не нужны.
Запутанность всегда подразумевает как минимум 2 кубита. Из вашего предположения следует, что когда мы поворачиваем один, второй за тысячи километров от него тоже почему-то мгновенно поворачивается в другую сторону. Это означает существование сверхсветового взаимодействия, что выглядит маловероятным. А также существование еще какой-то другой запутанности помимо поворота на 90 градусов, которая обеспечивает противоположный результат у другого кубита. Собственно, понятие запутанности и ввели для обозначения связи 2 кубитов, а не неопределенности в измерениях одного.
Zashibis Автор
Нет, если вы повернете один из кубитов, второй не поворачивается, запутанность будет разрушена.
michael_v89
Да вы что) 2 запутанных кубита тем и отличаются от незапутанных, что после того как вы измерили первый и получили результат ("вверх" или "вниз"), у второго результат точно будет противоположный.
Zashibis Автор
Между Измерить и повернуть очень большая разница. Если вы два кубита запутали, то один измерится как 0, второй как 1. Если вы Запутали 2 кубита, разнесли их по лабораториям, во второй лабе повернули кубит на 180 градусов, то они оба будут измерены как 0. Если вы в первую лабу не сообщите о повороте по телефону, они и не узнают, что вы что-то поворачивали.
michael_v89
Насколько я знаю, инверсия одного кубита без измерения результата запутанность не разрушает. Хотя может это и не так, но не суть, на остальное это не влияет. Поворот на 90 градусов это не то же самое, что суперпозиция, так как он в принципе не может давать квантовых эффектов, таких как корреляция результатов измерений 2 запутанных кубитов. Если они оба просто повернуты, то в половине случаев результаты будут противоположны, в половине одинаковы.
Zashibis Автор
Просто поворот кубита на 180 не разрушит запутанность: они оба будут измерены как 0 или как 1, будет зависимость. Просто повотот двух кубитов из начального положения на 90 градусов переводит их в суперпозицию, но запутанность при этом не возникает. Для запутанности кубиты надо физически поднести друг к другу, тогда между ними уже возникает связь. Для запутанности даже не обязательно переводить кубиты в суперпозицию, достаточно подержать их рядом.
tmaxx
Да, но если сначала запутать 2 кубита (например с помощью CNOT), а потом оба развернуть на 90 градусов (H), то запутанность сохранится. Разворот одного на 90 - немного особый случай но и здесь она в принципе сохраняется.
Одиночный кубит, конечно не проблема заменить чем-нибудь с одной комплексной степенью свободы. Но для трёх кубитов нужны уже не 3 комплексных числа, а 8. 1000 кубитов не смоделируешь никакими классическими магнитами - Вселенная маловата будет
michael_v89
Подход "суперпозиция это просто поворот" не объясняет, почему при повороте на 10 градусов иногда (в 1/18 случаев, если я правильно посчитал) начинают появляться противоположные результаты. Если бы это было так, то поворот на 10 градусов всегда давал бы тот же результат, что и на 0, так как возможных состояний всего 2, и пространственно они не особо отличаются. А фактически получается как будто иногда какая-то сила вдруг разворачивает спин на 170 градусов.
Такую информацию я нигде не встречал. Для получения запутанных состояний есть конкретные приемы, в результате которых возникает пара фотонов или пара электронов с неизвестной характеристикой. Запутывание неизвестного фотона с известным возможно, но они должны провзаимодействовать, а не просто находиться рядом. Квантовые вентили это и есть такое взаимодействие.
Megakazbek
Я про то, что нет такого признака, что вот это состояние - это суперпозиция, а вот это - нет. Любая суперпозиция каких-то состояний в одном базисе является не-суперпозицией в другом и наоборот. Например, если взять кубит, основанный на спине частицы, и находящийся в суперпозиции |0> и |1>, то существует способ физически повернуть измерительный аппарат на 90 градусов таким образом, что в результате измерений вы придёте к выводу, что кубит находится в 100%-но определённом состоянии, не являющимся какой-либо суперпозицией.