دانلود کتاب Quantum Computing for Computer Architects

ترجمه فارسی توضیحات (ترجمه ماشینی)

محاسبات کوانتومی برای معماران کامپیوتر

محاسبات کوانتومی ممکن است موضوعی برای داستان های علمی تخیلی به نظر برسد، اما رایانه های کوانتومی کوچک چندین سال است که وجود دارند و ماشین های بزرگتر روی میز طراحی قرار دارند. این تلاش‌ها توسط یک ویژگی وسوسه‌انگیز تقویت شده‌اند: در حالی که رایانه‌های معمولی از یک نمایش دودویی استفاده می‌کنند که به توان محاسباتی اجازه می‌دهد در بهترین حالت به صورت خطی با منابع مقیاس شود، محاسبات کوانتومی از پدیده‌های کوانتومی استفاده می‌کنند که می‌توانند برای اجازه دادن به توان محاسباتی که در تعداد بیت‌های کوانتومی نمایی است، تعامل داشته باشند. در سیستم دستگاه های کوانتومی بر توانایی کنترل و دستکاری داده های باینری ذخیره شده در اطلاعات فاز توابع موج کوانتومی که حالت های الکترونیکی اتم های منفرد یا حالت های قطبش فوتون ها را توصیف می کنند، تکیه دارند. در حالی که فناوری‌های کوانتومی موجود در مراحل اولیه خود هستند، خواهیم دید که هنوز زود نیست که مقیاس‌پذیری و قابلیت اطمینان را در نظر بگیریم. در واقع، چنین ملاحظاتی یک حلقه حیاتی در زنجیره توسعه فناوری های دستگاه های قابل دوام است که قادر به تنظیم کنترل قابل اعتماد ده ها میلیون بیت کوانتومی در یک سیستم در مقیاس بزرگ است. هدف این سخنرانی ارائه انتزاعات معماری مشترک برای فناوری‌های بالقوه و بررسی چالش‌های سطح سیستم در دستیابی به محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر و تحمل‌پذیر خطا است. فرض اصلی این سخنرانی در مورد مسائل معماری محاسبات کوانتومی (QC) است. ما بر این واقعیت تأکید می کنیم که اصل اساسی محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ، قابلیت اطمینان از طریق تعادل سیستم است: نیاز به محافظت و کنترل اطلاعات کوانتومی به اندازه کافی برای اجرای کامل الگوریتم. برای architectQCsystems، باید بداند که برای طراحی و مدل‌سازی یک معماری کوانتومی متعادل و مقاوم به خطا، دقیقاً همانطور که مفهوم تعادل طراحی معماری مرسوم را به پیش می‌برد، چه چیزی لازم است. به عنوان مثال، عمق فایل ثبت در رایانه‌های کلاسیک با تعداد واحدهای عملکردی، پهنای باند حافظه با نرخ از دست دادن حافظه پنهان، یا پهنای باند اتصال با توان محاسباتی هر عنصر یک چندپردازنده مطابقت دارد. ما مقدمه ای مهندسی محور برای محاسبات کوانتومی ارائه می دهیم و یک مطالعه موردی معماری بر اساس داده های تجربی و پیش بینی آینده فناوری تله یونی ارائه می دهیم. ما مفهوم تعادل را در طراحی یک کامپیوتر کوانتومی به کار می بریم، و یک مدل معماری ایجاد می کنیم که هر دو را متعادل می کند. منابع کوانتومی و کلاسیک از نظر توازی قابل بهره برداری در کاربردهای کوانتومی. از این چارچوب، ما همچنین بسیاری از مسائل باز باقی مانده در طراحی سیستم ها برای انجام محاسبات کوانتومی را مورد بحث قرار می دهیم.

Quantum Computing for Computer Architects

Quantum computationmay seem to be a topic for science fiction, but small quantum computers have existed for several years and larger machines are on the drawing table. These efforts have been fueled by a tantalizing property: while conventional computers employ a binary representation that allows computational power to scale linearly with resources at best, quantum computations employ quantum phenomena that can interact to allow computational power that is exponential in the number of quantum bits in the system. Quantum devices rely on the ability to control and manipulate binary data stored in the phase information of quantum wave functions that describe the electronic states of individual atoms or the polarization states of photons. While existing quantum technologies are in their infancy, we shall see that it is not too early to consider scalability and reliability. In fact, such considerations are a critical link in the development chain of viable device technologies capable of orchestrating reliable control of tens of millions quantum bits in a large-scale system. The goal of this lecture is to provide architectural abstractions common to potential technologies and explore the systemslevel challenges in achieving scalable, fault-tolerant quantum computation. The central premise of the lecture is directed at quantum computation (QC) architectural issues. We stress the fact that the basic tenet of large-scale quantum computing is reliability through system balance: the need to protect and control the quantum information just long enough for the algorithm to complete execution. To architectQCsystems, onemust understand what it takes to design and model a balanced, fault-tolerant quantum architecture just as the concept of balance drives conventional architectural design. For example, the register file depth in classical computers is matched to the number of functional units, the memory bandwidth to the cache miss rate, or the interconnect bandwidth matched to the compute power of each element of a multiprocessor. We provide an engineering-oriented introduction to quantum computation and provide an architectural case study based upon experimental data and future projection for ion-trap technology.We apply the concept of balance to the design of a quantum computer, creating an architecture model that balances both quantum and classical resources in terms of exploitable parallelism in quantum applications. From this framework, we also discuss the many open issues remaining in designing systems to perform quantum computation.