Введение
Квантовый компьютер - это устройство, предназначенное для реализации принципа Deutsch-Church-Turing, а именно, для эффективного моделирования конечно реализуемой физической системы в рамках квантовой механики. В этом контексте квантовое превосходство достигалось бы тогда, когда квантовый процессор превосходил бы классические компьютеры, реализующие поставленную задачу. В связи рассмотрим несколько предложений по достижению квантового превосходства для различных квантовых алгоритмов и квантового моделирования.
Ключевое слово "квант" вышло за пределы, которые изначально были ограничены и в настоящее время постоянно распространяются через междисциплинарную научную литературу. Действительно, он является источником вдохновения для расширения уже существующих моделей с их квантовыми аналогами. Помимо привлекательных интеллектуальных упражнений, такая гибридизация часто мотивируется реальным улучшением условий и повышением эффективности разрабатываемых протоколов. Из всех возможных направлений, в том числе квантового машинного обучения и квантового искусственного интеллекта, исследования в области квантовой биомиметики посвящены разработке рамок квантовых алгоритмов, основанных на имитации биологических процессов, относящихся к макроскопической классической сложности и сведенных по конструкции к микроскопической квантовой сфере.
Не всегда существует четкая аналогия между физическими моделями, лежащими в основе протоколов, и моделями, используемыми для описания реальных биологических систем, но моя эффективная динамика лишь частично направлена на имитацию основных аспектов имитируемого процесса. С широкой перспективы в истории искусств и науки близкое подражание является естественным первым слоем и желанием в эстетическом процессе. В этом смысле простое моделирование является действенной и плодотворной инженерной площадкой, где аналогии изобилуют и служат связующим звеном между несвязанными полями. Главная цель в квантовом моделировании и квантовых вычислениях состоит в том, чтобы выйти за его пределы, преодолев более высокий творческий вызов, в поисках второго уровня основного искусства.
В конкретном сценарии искусственной жизни простые модели организмов способны проходить наиболее распространенные этапы жизни в контролируемой виртуальной среде. При распространении этого понятия на квантовую область важную роль играют особенности квантовой физики, такие как ее ограничение линейной динамикой, теория не клонирования или экспоненциально растущая размерность пространств Гильберта. Разработанный и внедренный протокол квантовой искусственной жизни выходит за рамки простого квантования существующих классических моделей.
Результаты
Начну с краткого описания модели квантовой искусственной жизни, важнейшими элементами которой являются квантовые единицы или индивиды. Каждый из них выражается в виде двух кубитов, которые называются генотипом и фенотипом. Генотип содержит информацию, описывающую тип живой единицы, информацию, передаваемую из поколения в поколение. Состояние фенотипа определяется двумя факторами: генетической информацией и взаимодействием человека с окружающей средой. Это состояние, вместе с кодируемой информацией, ухудшается в течение жизни человека.
Механизм саморепликации основан на двух частичных квантовых событиях клонирования, операции, которая смешивает генотип или фенотип с пустым состоянием и копирует определенное ожидаемое значение исходного кубита в обоих конечных кубитах. В этом комплексе экспериментов саморепликация заключается в дублировании значения ожидания z в генотипе, в пустом состоянии, которое будет трансформировано в генотип человека в следующем поколении. Процесс завершается повторным копированием нового генотипа z в другое незаполненное состояние, которое будет преобразовано в фенотип нового индивидуума.
Следующим подпротоколом в алгоритме является взаимодействие между индивидуумами и окружающей средой, которое имитирует старение живых существ до асимптотического состояния, представляющего их смерть. Эта эволюция закодирована в диссипативной динамике, которая заключается в паре ванны с каждым из кубиков фенотипа, с = |0〉〈1| в качестве оператора Lindblad. Протокол также учитывает мутации, которые происходят путем случайных вращений отдельных кубитов в кубитах генотипа или ошибок в процессе саморепликации. Конечным ингредиентом является взаимодействие между индивидами, которые условно обмениваются фенотипами в зависимости от генотипов. Такое поведение достигается за счет четырехквартальной унитарной операции, в которой генотипы и фенотипы играют роль контрольных и целевых кубитов, соответственно. Сочетание этих компонентов приводит к минимальному, но последовательному квантовому сценарию Дарвина.
Квантовый против классического
Естественным методом оценки структуры квантовой искусственной жизни является четкое описание сходств и различий между квантовой моделью и классическим аналоговым подходом. С одной стороны, все показатели, основанные на измерениях на базе 〈z〉, могут быть воспроизведены классическими распределениями вероятностей. Это означает, что можно создать классическую модель взаимодействия индивидуумов с идентичными ингредиентами, в которой результаты одиночного кубита для каждой из живых единиц будут равны результатам, достигнутым в квантовом варианте.
С другой стороны, ненулевые квантовые корреляции, в частности,〈x ⊗ ⊗ x〉, и их обобщение на большее количество пар кубитов, могут быть достигнуты только в квантовом случае. Они вводят новую особенность по сравнению с классической версией модели, так как их можно интерпретировать как временные корреляции между квантовыми живыми единицами. Пусть это будет проиллюстрировано следующим примером. Предположим, что у нас есть две пары квантовых единиц жизни, все они имеют одинаковое значение 〈z〉 в кубите генотипа, но с разными значениями для фенотипа, в упрощенной системе без мутаций и межличностных взаимодействий. При отсутствии причинно-следственной связи значение 〈x ⊗ x ⊗ x x ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ x〉 в четырех кубитах обоих индивидуумов давало бы значение 2. Однако, если эти особи связаны операцией саморепликации, измерение дает значение , где соответствует 〈x〉 в генотипе предшественника. Другими словами, ненулевая квантовая корреляция между субпространствами первого и второго индивидов позволяет различать две разные операции с точки зрения временной шкалы.
Экспериментальные ошибки
Что касается ошибок в экспериментальном протоколе, то даже если достигнутые результаты являются удовлетворительными, они не соответствуют точностям полного квантового состояния. В этом смысле прогнозирование количества измеряемых событий осуществляется простым умножением распределения вероятностей на количество событий.
Что касается возникновения сложности, то путь к масштабируемости нашего квантового алгоритма неразрывно связан с включением в описание квантовых живых единиц большего количества степеней свободы. Они могут быть введены путем простого увеличения количества кубитов и включения их в обновленный генотип и фенотип. Часть динамики можно было бы адаптировать, повторяя процессы частичного клонирования и распространяя диссипацию на новых кубитов фенотипа. Другая часть динамики будет касаться свойств, привносимых новыми степенями свободы.
Данная экспериментальная реализация предложенного квантового алгоритма представляет собой консолидацию теоретической основы квантовой искусственной жизни. Совершенствование масштабируемых квантовых компьютеров в скором времени позволит проводить более точные квантовые эмуляции с возрастающей сложностью в сторону квантового превосходства, даже с учетом пространственных переменных для индивидуумов и механизма отслеживания живых единиц смерти.
Эти разработки должны привести к автономному характеру совокупности индивидуумов, т.е. эволюция будет являться неотъемлемым свойством системы, а желаемое поведение будет проявляться без соблюдения указаний ранее разработанного квантового алгоритма. В этом контексте система будет преобразована в интеллектуальный источник квантовой сложности, эволюционный план которого для большого числа людей не может быть классически предсказан и, следовательно, способен давать неожиданные результаты при увеличении масштаба.
В целом представленная здесь информация предполагает валидацию квантовой искусственной жизни в лаборатории и, в частности, в облачных квантовых компьютерах, как в IBM. Еще одним интересным шагом могла бы стать разработка автономных квантовых устройств по теоретическим и экспериментальным результатам в квантовых сотовых автоматах. Наши квантовые индивидуумы движимы усилиями по адаптации в духе квантовой дарвиновской эволюции, которая эффективно передает квантовую информацию через поколения больших многоквитовых запутанных состояний. Представленные результаты и видение, как в теории, так и в экспериментах, должны поднять эту инновационную исследовательскую линию в качестве одного из ведущих баннеров в области квантовых технологий в будущем.
