对可靠计算的有效性了解多少?


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在TCS中对以下问题的调查情况如何?(如果问题陈述含糊,我深表歉意!)

给定计算 MC 模型(车床,元胞自动机,Kolmogorov-Uspenskii机器等)和可能影响MC计算的噪声模型,是否有办法从这种噪声引起的误差中恢复?一个有效的方法是什么?例如,假设某种类型的噪声会影响图灵机M,是否可以设计出一种图灵机M'来模拟M而又不会花费大量成本并且可靠(这意味着M'可以忍受这种噪声)?

看起来某些计算模型在此方面比其他模型更好:例如Cellular Automata。如果将噪声替换为对手模型,结果如何?

对不起,标签!我没有足够的声誉来放置合适的标签(可靠计算,容错计算等)。


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我认为您实质上是在问容错计算领域中的工作。
伊藤刚(Tsuyoshi Ito)

Answers:


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尽管可以将某些技术应用于所有模型的容错,但是计算模型对容错的抵抗力取决于模型。例如,Peter Gacs已经对元胞自动机的容错进行了大量研究,他证明(通过大量工作)可以构建容错元胞自动机。

冯·诺依曼(Von Neumann)证明,通过使用冗余,您可以仅使用对数开销从不可靠的组件中构建出可靠的计算机。

对于量子计算,可以使量子电路具有多对数开销的容错能力(开销,在其中找到c的正确值仍然是未知的)。量子计算的另一个未解决问题是,是否可以以物理上合理的方式使绝热量子计算具有容错性(物理上合理,这意味着该方法可能会导致可伸缩的绝热量子计算机;例如,您不允许使用计算的大小变大,则温度降到0)。logcnc


谢谢彼得!我认为Gacs设法建立了一个具有容错能力的一维极其复杂的案例(请参阅cs.bu.edu/faculty/gacs/papers/long-ca-ms.pdf)。至于冯·诺依曼(Von Neumann),零件数量或每个零件中的导线的对数开销是多少?
user2471 2011年

对于冯·诺依曼,您应该可以选择任何一种方式。我相信他实际上是在谈论组件的数量。对于一维Gacs结果,它表现出容错的某些方面,但是我不会称其为真正的容错。
彼得·索尔

为什么不称Gacs一维示例容错?
user2471 2011年

我可能会误会。Gacs的一维示例可以记住一位。这可能是容错存储器,但不是容错计算。另外,如果我没记错的话,这1位在Gacs的示例中并没有真正保留在同一位置,而是由越来越多的单元编码的。
彼得·索尔

我可能是错的,但是Gacs不会在编码数据上花费一些时间(不需要每次都进行解码/编码)吗?ref cs.bu.edu/faculty/gacs/papers/long-ca-ms.pdf第5.2节各种维度的信息存储和计算
user2471 2011年


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提出的问题是:“是否有一种有效的方法来恢复由(量子)噪声引起的误差?” 和彼得·肖尔的回答令人钦佩的覆盖来回答这个问题,即通过设计容错量子计算机的一个有效途径。

在工程实践中,很常见的一种替代有效方法。我们推断“如果噪声足够大,无法进行量子计算,那么可以使用P中的经典资源来模拟系统动力学。”

换句话说,通常我们可以通过指数地降低模拟经典系统和量子系统的计算复杂度,从而认识到噪声正在为我们提供重要服务,从而从噪声中“有效地恢复”。

关于以噪声为中心的动力学仿真方法的文献很大,并且还在不断增长。Plenio和Virmani的最新参考文献中的定理既有物理动机又有严格要求,其中包括对更广泛文献的许多参考。基于噪声的基于Clifford的量子计算机的容错阈值上限(arXiv:0810.4340v1)。

古典动力学家使用的语言截然不同,噪声机制就是温控器的技术名称; 弗伦克尔和史密斯理解分子模拟:从算法到应用程序》(1996年)提供了基本的数学介绍。

当我们将经典恒温器和量子恒温器转换为几何动力学语言时,我们发现(毫不奇怪)利用噪声来提高仿真效率的经典方法和量子方法本质上是相同的。他们各自的文献很少相互参考,这在很大程度上是由符号障碍所造成的历史事故。

较不严格但更普遍地讲,以上结果阐明了启发式规则在量子信息理论中的起源,该规则被化学家,物理学家和生物学家广泛接受,即与热浴动态接触的任何经典或量子系统都可能证明可以用P中的计算资源实现所有实际用途(FAPP)。

这种启发式的例外,无论是经典的还是量子的,都代表着重要的开放性问题。他们的人数逐年急剧减少;对结构预测的两年期关键评估(CASP)为这一改进提供了一种客观的度量。

目前尚不完全了解这种噪声驱动的,数十年来“超越摩尔”的仿真能力的基本极限。不用说,从长远来看,我们对这些限制的稳步提高的理解将使我们更接近于构建量子计算机,而在短期内,这种知识将极大地帮助我们有效地模拟量子计算机的系统。无论哪种方式,这都是好消息。



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量子计算模型显式地处理噪声和使计算能够抵抗通过该向量引入的​​错误的方法。奇怪的是,量子计算可以向前和向后进行(通过QM Hadamard变换和哈密顿量的时间独立性)-“非计算”是一种用于阻止此类错误浪潮的技术。

在“真实”计算机(企业服务器)上,有少量但可行的机会会导致错误地读取一些RAM。错误检测和纠正代码的理论可以在机器字级别应用,以检测和修复此类1位错误(无需太多开销)。实际上,许多具有关键操作的企业服务器在每个RAM字上都邀请一个奇偶校验位。

虽然远没有证明,但在我看来,可以使标准纠错编码方案适用于几乎所有理论自动机(怀疑是细胞自动机),而多项式(实际上是线性的)减速。


肯定存在无法进行任意纠错的计算模型(即无法证明容错定理的情况)。这不是我们不再研究模拟计算机的原因了吗?
Artem Kaznatcheev

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模拟计算机具有完全的容错能力,但据我所知,只能通过模拟数字计算机来进行(或者您是否认为计算机中有实际位,而没有电子和电压?)。
Peter Shor

让我在先前的评论中添加警告。我确信有可能在无法实现容错的情况下建立一个受限的模拟计算模型,因此Artem确实对不能将容错应用于所有计算模型有很好的认识。
彼得·索尔

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在经典和量子级别上,没有计算机设计能够容忍所有类型的噪声,不精确性和不稳定性。此外,技术的历史提供了很多例子,其中自然对噪声机制的提供被低估了。由Wikipedia主持的56个项目“等离子不稳定性列表”是一页页面总结了为什么1950年代至1990年代的核聚变路线图未能实现。随着经典和量子计算架构在未来几十年中的融合,关注已知噪声,不精确度和不稳定机制的列表将变得非常有趣。
约翰·西德尔斯

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