Квантовый компьютер

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно к вычислительной технике, основанной на принципах квантовой механики.
Уровень техники
10
Из существующего уровня техники известно техническое решение «Встраиваемый в классический компьютер электронный блок и используемый в нем способ, основанный на квантовой процедуре счета» [см. патент RU №2632129 С1, кл. G06N 99/00, 02.10.2017]. В этом патенте, согласно формуле изобретения, описано устройство для квантовых вычислений, включающее блок, содержащий по меньшей мере 10 нанотриггеров, выполняющих роль кубитов - битов квантового счета, созданных на основе нанолентграфена и управляемых элементом, который представляет собой действующую по принципу самоорганизации квантовую точку с двумя существенно различными по магнитным свойствам состояниями, созданную на основе вещества, для молекул которого характерна внутримолекулярная перегруппировка, при этом из нанотриггеров сформированы обладающие свойством обратимости логические блоки или вентили по три нанотриггера в каждом блоке или вентиле для выполнения логических операций, лежащих в основе квантовых вычислений.
Недостаток данного технического решения состоит в относительно низкой вероятности правильного решения, поставленной задачи из-за того, что оно не предполагает использование каких-либо механизмов для контроля правильности решения поставленных задач. Надо отметить, что квантовые вычисления позволяют получить правильный ответ лишь с определенной вероятностью, вследствие чего всегда являются приближенными.
Известно также устройство - квантовый компьютер, содержащий более 100 электронно-вычислительных компьютеров, выполненных с возможностью использования кубитной логики в программах и объединенных единой сетью в суперкомпьютер, выполненный с возможностью распараллеливания операций. В этом квантовом компьютере могут быть использованы цифровые электронно-вычислительные компьютеры [см. патент RU №119479 U1, кл. G06F 1/00, 20.08.2012].
Недостаток данного технического решения состоит в относительно низком быстродействии, поскольку такая сеть электронно-вычислительных компьютеров на самом деле квантовым компьютером не является, а представляет собой рабочую модель (лабораторный образец) без физического использования эффектов квантовой механики.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является квантовый компьютер, содержащий управляющий компьютер, генератор воздействующих на кубиты импульсов, квантовый регистр состояния, квантовый процессор, устройство для измерения состояния кубитов, при этом выход управляющего компьютера соединен с входом генератора воздействующих на кубиты импульсов, первый выход генератора воздействующих на кубиты импульсов соединен с входом квантового регистра состояния, второй выход генератора воздействующих на кубиты импульсов соединен с первым входом квантового процессора, третий выход генератора воздействующих на кубиты импульсов соединен с первым входом устройства для измерения состояния кубитов, в свою очередь выход квантового регистра состояния соединен со вторым входом квантового процессора, выход которого соединен со вторым входом устройства для измерения состояния кубитов [см. Сергей Пахомов. «Квантовый компьютер», URL: https://compress.ru/article.aspx?id=17653#begin (дата обращения: 17.03.2021 г.)].
Недостатком данного технического решения являются относительно узкие функциональные возможности устройства, поскольку в нем не предусмотрены какие-либо механизмы для контроля правильности решения поставленных задач и возможного исправления возникающих ошибок, в то время как квантовые вычисления позволяют получить правильный ответ лишь с определенной вероятностью, вследствие чего всегда являются приближенными.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании квантового компьютера, который будет способен решать поставленные задачи с высокой точностью.
Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности работы квантового компьютера, при этом под показателем эффективности понимается вероятность правильного решения поставленной задачи, которая может достигать единицы.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в квантовый компьютер, содержащий генератор воздействующих на кубиты импульсов, квантовый регистр состояния, квантовый процессор, устройство для измерения состояния кубитов, при этом первый вход квантового компьютера соединен с входом генератора воздействующих на кубиты импульсов, первый, второй и третий выходы которого соединены с первыми входами соответственно квантового регистра состояния, квантового процессора и устройства для измерения состояния кубитов, а выход квантового регистра состояния соединен со вторым входом квантового процессора, выход которого соединен со вторым входом устройства для измерения состояния кубитов, согласно полезной модели, дополнительно введены блок ввода информации, блок внутренней памяти, блок проверки правильности решения задачи и блок вывода данных, при этом первый вход блока ввода информации является вторым входом квантового компьютера, второй вход блока ввода информации соединен с первым выходом блока проверки правильности решения задачи, а выход блока ввода информации соединен со вторым входом квантового регистра состояния и первым входом блока проверки правильности решения задачи, выход устройства для измерения состояния кубитов через блок внутренней памяти соединен со вторым входом блока проверки правильности решения задачи, второй выход блока проверки правильности решения задачи соединен с входом блока вывода данных и является выходом квантового компьютера.
В свою очередь, блок проверки правильности решения задачи может содержать схему перемножения простых чисел, схему сравнения и схему коммутации, при этом первый вход схемы сравнения, вход схемы перемножения простых чисел, первый выход схемы сравнения, выход схемы коммутации и второй выход схемы сравнения могут являться соответственно первым и вторым входами, первым, вторым и третьим выходами блока проверки правильности решения задачи, вход схемы перемножения простых чисел может быть соединен с первым входом схемы коммутации, второй вход которой может быть соединен со вторым выходом схемы сравнения, а выход схемы перемножения простых чисел может быть соединен со вторым входом схемы сравнения.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - структурная схема квантового компьютера и внешнего управляющего генератора;
на фиг. 2 - структурная схема варианта реализации блока проверки правильности решения задачи.
Осуществление полезной модели
Теоретические предпосылки. Как известно, квантовые компьютеры нецелесообразно применять в качестве универсального вычислительного устройства, предназначенного для решения задач любых классов. Универсальные квантовые компьютеры строятся путем квантовой реализации отдельных (как правило, логических) блоков обычной ЭВМ, вследствие чего в них не удается достичь так называемого квантового превосходства, заключающегося в сокращении времени выполнения вычислений (по сравнению с обычной ЭВМ).
Однако квантового превосходства удается достичь при решении ограниченного круга задач, основанных на использовании ограниченного числа так называемых квантовых алгоритмов [«Как работают квантовые компьютеры. Собираем паззл». URL: https://habr.com/ru/post/480480/, дата обращения 20.06.2021]. Среди таких квантовых алгоритмов наиболее часто используются следующие:
Алгоритм Шора (нацелен на решение задачи разложения чисел на простые множители (задача факторизации, дискретного логарифма).
Алгоритм Гровера (предназначен для решения задачи перебора, то есть нахождения решения уравнения F(X)=1, где F - есть булева функция от n переменных).
Алгоритм Дойча - Иожи (заключается в определении, является ли функция нескольких двоичных переменных F(x1, х2, … xn) постоянной (принимает либо значение 0, либо 1 при любых аргументах) или сбалансированной (для половины области определения принимает значение 0, для другой половины 1). При этом считается априорно известным, что функция либо является константой, либо сбалансирована.
Если рассматривать возможное использование по крайней мере двух первых из вышеупомянутых квантовых алгоритмов для решения соответствующих задач в квантовых компьютерах, то можно отметить следующие особенности:
1. Все квантовые алгоритмы при их реализации позволяют получать правильное решение соответствующих задач лишь с определенной вероятностью.
2. Одна из особенностей самих задач, для решения которых могут быть использованы квантовые компьютеры, заключается в том, что правильность получаемого результата их решения можно легко проверить. Так, например, в случае задачи факторизации - можно перемножить полученные простые натуральные числа и сличить результат такого перемножения с исходным натуральным числом, которое надо было разложить на простые сомножители, в соответствии с основной теоремой арифметики. Основная теорема арифметики формулируется следующим образом: любое целое число, большее 1, может быть разложено на простые множители [«Основная теорема арифметики: формулировка, доказательство». URL: https://zaochnik.com/spravochnik/matematika/delimost/osnovnaja-teorema-arifmetiki/, дата обращения 20.06.2021].
Отсюда и вытекают необходимость и возможность повышения эффективности работы квантового компьютера, причем в качестве показателя эффективности может рассматриваться вероятность правильного решения задачи.
Описание структурных схем. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого квантового компьютера и соединенного с ним управляющего компьютера, которая содержит: генератор 1 воздействующих на кубиты импульсов, квантовый регистр 2 состояния, квантовый процессор 3, устройство 4 для измерения состояния кубитов, при этом первый вход квантового компьютера соединен с входом генератора 1 воздействующих на кубиты импульсов, первый, второй и третий выходы которого соединены с первыми входами соответственно квантового регистра 2 состояния, квантового процессора 3 и устройства 4 для измерения состояния кубитов, а выход квантового регистра 2 состояния соединен со вторым входом квантового процессора 3, выход которого соединен со вторым входом устройства 4 для измерения состояния кубитов.
Кроме того, квантовый компьютер содержит блок 5 ввода информации, блок 6 внутренней памяти, блок 7 проверки правильности решения задачи и блок 8 вывода данных, при этом первый вход блока 5 ввода информации является вторым входом квантового компьютера, второй вход блока 5 ввода информации соединен с первым выходом блока 7 проверки правильности решения задачи, а выход блока 5 ввода информации соединен со вторым входом квантового регистра 2 состояния и первым входом блока 7 проверки правильности решения задачи, выход устройства 4 для измерения состояния кубитов через блок 6 внутренней памяти соединен со вторым входом блока 7 проверки правильности решения задачи, второй выход блока 7 проверки правильности решения задачи соединен с входом блока 8 вывода данных и является выходом квантового компьютера.
Предлагаемый квантовый компьютер имеет следующие внешние соединения с внешним управляющим компьютером: вход управляющего компьютера соединен с выходом квантового компьютера, а первый и второй выходы управляющего компьютера соединены соответственно с первым и вторым входами квантового компьютера.
На фиг. 2 представлена структурная схема одного из возможных вариантов исполнения блока 7 проверки правильности решения задачи - для случая решения задачи факторизации (разложения натурального числа на простые сомножители, например, с использованием вышеупомянутого алгоритма Шора). В случае квантового компьютера, предназначенного для решения такой задачи, блок 7 проверки правильности решения задачи содержит схему 9 перемножения простых чисел, схему 10 сравнения и схему 11 коммутации, при этом первый вход схемы 10 сравнения, вход схемы 9 перемножения простых чисел, первый выход схемы 10 сравнения, выход схемы 11 коммутации и второй выход схемы 10 сравнения являются соответственно первым и вторым входами, первым, вторым и третьим выходами блока 7 проверки правильности решения задачи, вход схемы 9 перемножения простых чисел соединен с первым входом схемы 11 коммутации, второй вход которой соединен со вторым выходом схемы 10 сравнения, а выход схемы 9 перемножения простых чисел соединен со вторым входом схемы 10 сравнения.
Предлагаемый квантовый компьютер работает следующим образом. Квантово-механическое ядро квантового компьютера составляют квантовый регистр 2 состояния, квантовый процессор 3 и устройство 4 для измерения состояния кубитов, тактирование работы которых осуществляется при помощи генератора 1 воздействующих на кубиты импульсов, подающего тактовый сигнал на первые входы соответственно квантового регистра 2 состояния, квантового процессора 3 и устройства 4 для измерения состояния кубитов. Управление работой генератора 1 воздействующих на кубиты импульсов осуществляется при помощи внешнего управляющего компьютера, что и описано в [Сергей Пахомов. «Квантовый компьютер», URL: https://compress.ru/article.aspx?id=17653#begin (дата обращения 23.03.2021 г.)]. Предлагаемые изменения касаются внешних (по отношению к этому ядру) блоков, которые в совокупности с ним образуют единый квантовый компьютер.
Как показано на фиг. 1, внешний управляющий генератор управляет работой предлагаемого квантового компьютера не только через генератор 1 воздействующих на кубиты импульсов, отправляя сигнал управления через первый вход квантового компьютера на вход генератора 1 воздействующих на кубиты импульсов. Помимо этого, внешний управляющий генератор подает необходимые для расчета данные, которые поступают на второй вход квантового компьютера и далее - на первый вход блока 5 ввода данных.
Получив и сохранив эти данные, блок 5 ввода информации передает их на второй вход квантового регистра 2, вследствие чего начинается решение поставленной задачи в вышеупомянутом квантово-механическом ядре системы, включающем регистр 2 состояния, квантовый процессор 3 и устройство 4 для измерения состояния кубитов. После измерения состояния кубитов в устройстве 4 для измерения состояния кубитов оказывается сформированным решение поставленной задачи в виде некоторого кода.
Из устройства 4 для измерения состояния кубитов код решения поставленной задачи подается в блок 6 внутренней памяти, где запоминается и передается на второй вход блока 7 проверки правильности решения задачи, на первый вход которого с выхода блока 5 ввода информации подаются заданные исходные данные.
В блоке 7 проверки правильности решения задачи производится проверка соответствия кода полученного решения условиям поставленной задачи и заданным исходным данным. Если результат такой проверки оказывается положительным, то результат решения задачи в виде соответствующего кода со второго выхода блока 7 проверки правильности решения задачи поступает на вход блока 8 вывода данных, а на выход квантового компьютера (и соответственно на вход внешнего управляющего компьютера) с третьего выхода блока 7 проверки правильности решения задачи поступает сигнал о том, что задача была решена правильно. Если же результат такой проверки окажется отрицательным, то код результата решения задачи со второго выхода блока 7 проверки правильности решения задачи на вход блока 8 вывода данных не подается и сигнал с третьего выхода блока 7 проверки правильности решения задачи на выход квантового компьютера не поступает. Вместо этого с первого выхода блока 7 проверки правильности решения задачи подается сигнал на второй вход блока 5 ввода информации, который несет информацию о том, что полученный результат решения поставленной задачи оказался неверным и расчет необходимо повторить еще раз.
Такие повторные расчеты будут производиться до тех пор, пока поставленная задача с заданными исходными данными не будет решена правильно.
Если в качестве поставленной задачи выбирается задача факторизации (разложения натурального числа не простые сомножители), код решения поставленной задачи, поступающий с выхода устройства 4 для измерения состояния кубитов, запоминаемый в блоке 6 внутренней памяти и передаваемый из него на второй вход блока 7 проверки правильности решения задачи, будет представлять собой набор простых чисел, перемножение которых должно привести к получению заданных исходных данных в виде исходного натурального числа. Такая задача (задача факторизации) представляет собой пример задачи, для которой квантовые компьютеры демонстрируют так называемое квантовое превосходство. Однако, как известно, вероятность правильного решения поставленных задач квантовыми компьютерами не равна единице и всегда могут возникать ошибки. В данном случае такая ошибка может быть обнаружена путем перемножения набора простых чисел, поступающего в виде кода на второй вход блока 7 проверки правильности решения задачи и сравнения полученного результата с исходным натуральным числом, которое подавалось на второй вход квантового регистра 2 состояния с выхода блока 5 ввода данных.
рез
исх
рез
исх
рез
исх
исх
Блок 7 проверки правильности решения задачи для такого возможного варианта реализации работает следующим образом (см. фиг. 2). В схеме 9 перемножения простых чисел осуществляется перемножение набора простых чисел, поступающих на ее вход со второго входа блока 7 проверки правильности решения задачи, в результате чего получается результирующее натуральное число N, которое подается на второй вход схемы 10 сравнения. На первый вход схемы 10 сравнения с первого входа блока 7 проверки правильности решения задачи из блока 5 ввода информации подается исходное натуральное число N. В схеме 10 сравнения эти два натуральных числа сравниваются, и если они оказываются равными (N=N), исходная задача факторизации считается решенной правильно, со второго выхода схемы 10 сравнения сигнал правильности (условно - сигнал ДА) поступает через третий выход блока 7 проверки правильности решения задачи на вход управляющего компьютера 1, свидетельствующий о правильности решения задачи и о том, что расчеты можно прекратить. Кроме того, тот же сигнал правильности (условно - сигнал ДА) подается на второй вход схемы 11 коммутации, вследствие чего схема 11 коммутации пропускает набор простых чисел со второго входа блока 7 проверки правильности решения задачи на второй выход этого блока и далее - на вход блока 8 вывода данных. Если же вышеупомянутые натуральные числа оказываются неравными и условие N=N не выполняется, с первого выхода схемы 10 сравнения сигнал неправильности (условно - сигнал НЕТ) через первый вход блока 7 проверки правильности решения задачи подается на второй вход блока 5 ввода данных, вследствие чего предлагаемый квантовый компьютер повторно осуществляет определение набора простых чисел для факторизации исходного натурального числа N.
Таким образом, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы квантового компьютера, при этом под показателем эффективности понимается вероятность правильного решения поставленной задачи, которая может достигать единицы. Для достижения такого результата в предлагаемом квантовом компьютере осуществляется проверка правильности решения поставленной задачи и в случае, если окажется, что задача решена неправильно, она решается повторно до тех пор, пока не будет получен правильный результат.