Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. Они могут работать, как обычные кубиты, так и как кудиты, представляющие собой расширенную версию кубитов.
Что такое квантовое превосходство
- В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
- Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
- Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
- В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный - CNews
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
В качестве примера можно привести человека. В случае обычного компьютера он может находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс. В квантовом же мире с некоторой вероятностью человек может находиться в Москве, Владивостоке, на Шри-Ланке или в Дубае. Такими свойствами, расширяющими возможности, могут обладать ионы, фотоны, атомы цезия, лития или рубидия.
Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «Ловим атом, каждый в специальную ловушку. Выстраиваем эти атомы в определённом порядке это может быть такая двумерная решетка И при помощи возбуждения заставляем их взаимодействовать. Так наш квантовый компьютер будет инициализировать состояния, выполнять операции.
Дальше мы производим считывание. То есть мы считываем состояние атомов. Если он был возбуждён или если он не был возбужден.
И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос».
Перспективы квантовых вычислений заключаются в способности этой технологии следующего поколения решать определенные задачи намного быстрее, чем их могут решить классические компьютеры. Исследователи стремятся объединить длительное время когерентности со способностью нескольких кубитов связываться друг с другом, известной как запутанность. Таким образом, квантовые компьютеры могли бы найти ответы на проблемы, на решение которых у классического компьютера ушли бы многие годы. Рассмотрим задачу, в которой исследователи хотят найти самую низкую энергетическую конфигурацию белка, состоящего из многих аминокислот. Эти аминокислоты могут складываться триллионами способов, на расчет которых не способен ни один классический компьютер. С помощью квантовых вычислений можно использовать запутанные кубиты для создания суперпозиции всех конфигураций складывания, что дает возможность одновременно проверять все возможные ответы и более эффективно решать проблему. Результаты работы были опубликованы в Nature.
Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях вакуум, охлаждение до сверхнизких температур , разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц.
Нетривиальная задача, не правда ли? Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты.
В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем например QCL, Quantum computing language , но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений. Ганновер, Германия Применение квантовых компьютеров В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый из многих квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители.
Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное в несколько сотен цифр число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача. Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации. Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды. Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно.
Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера. Возможности квантового взлома систем шифрования в том числе в военной сфере сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра.
Свой вклад в создание квантового компьютера вносит и Россия. Квантовый компьютер в России: перспективы Один из самых мощных квантовых компьютеров в мире 51 кубит создала в 2017 году научная группа Михаила Лукина, профессора Гарвардского университета и сооснователя Российского квантового центра. Ученые работают с «холодными атомами» — частицами, охлажденными почти до абсолютного нуля. Пока эти эксперименты проводятся в лабораториях Гарварда, но уже в 2018 году Газпромбанк инвестировал 1,5 миллиона долларов в Российский квантовый центр для разработки проекта по квантовому машинному обучению.
Разработки ведутся по трем основным направлениям: использование искусственного интеллекта в описании сложных квантовых систем; применение аналоговых устройств на квантовых принципах для обучения нейронных сетей; разработка программного обеспечения для квантовых вычислений. Духова и МГТУ им. Баумана продолжают исследования для разработки российского квантового «железа».
Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов.
Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами — мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу — и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ искусственный интеллект?
Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ. Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема — как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто — мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет — ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии. И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность.
ЧТО ТАКОЕ КУБИТ
К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры: путь от фантастики до реальности и их влияние на науку и бизнес
Эти примеры показывают, что квантовые компьютеры уже способны решать некоторые практические задачи, хотя они еще далеки от полной реализации своего потенциала. В будущем ожидается, что квантовые компьютеры будут иметь больше возможностей и применений в разных сферах жизни. Технические характеристики реально существующих квантовых компьютеров Квантовые компьютеры могут быть реализованы на разных физических платформах, которые используют разные типы кубитов. Кубиты могут быть связаны друг с другом через квантовую запутанность, что позволяет проводить сложные вычисления. Существует несколько основных параметров, которые характеризуют квантовые компьютеры: Число кубитов — определяет размер квантового состояния и количество информации, которое может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере. Чем больше кубитов, тем больше возможностей для решения сложных задач. Коэрентное время — определяет время, в течение которого кубит сохраняет свое квантовое состояние без потери информации из-за воздействия внешних факторов. Чем дольше коэрентное время, тем надежнее работает квантовый компьютер. Скорость операций — определяет время, необходимое для выполнения одной элементарной операции над одним или несколькими кубитами. Чем выше скорость операций, тем быстрее работает квантовый компьютер. Точность операций — определяет вероятность ошибки при выполнении одной элементарной операции над одним или несколькими кубитами.
Чем ниже точность операций, тем больше шума и искажений вносится в вычисления. Масштабируемость — определяет возможность увеличения числа кубитов и связей между ними без потери производительности и надежности. Чем выше масштабируемость, тем больше потенциал для развития квантового компьютера. В настоящее время существует несколько основных типов кубитов, которые используются для создания квантовых компьютеров: Сверхпроводящие кубиты — основаны на электрических цепях из сверхпроводящих материалов, которые имеют два дискретных энергетических уровня. Сверхпроводящие кубиты имеют высокую скорость операций и масштабируемость, но низкое коэрентное время и точность операций. Ионные кубиты — основаны на заряженных атомах ионах , которые поддерживаются в ловушке электрическим или магнитным полем. Ионные кубиты имеют высокое коэрентное время и точность операций, но низкую скорость операций и масштабируемость. Фотонные кубиты — основаны на световых частицах фотонах , которые могут быть кодированы поляризацией или частотой. Фотонные кубиты имеют высокое коэрентное время и скорость операций, но низкую точность операций и масштабируемость. Фотонные кубиты используются в квантовых компьютерах Xanadu и PsiQuantum.
Спиновые кубиты — основаны на спине электрона или ядра атома, который может быть ориентирован вверх или вниз. Спиновые кубиты имеют среднее коэрентное время и точность операций, но высокую масштабируемость. Спиновые кубиты используются в квантовых компьютерах Intel и QuTech. Рассмотрение ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений Индустрия квантовых вычислений является одной из самых динамичных и конкурентных в сфере высоких технологий. В этой области участвуют как традиционные ИТ-гиганты, так и стартапы, а также академические и правительственные организации. Вот некоторые из ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений: IBM — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих кубитов. Компания имеет самый большой парк квантовых компьютеров, доступных через облачный сервис IBM Quantum Experience. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Qiskit и среда IBM Quantum Composer. Google — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих кубитов. Компания заявила о достижении квантового превосходства в 2019 году с помощью своего 53-кубитного компьютера Sycamore.
Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Cirq и среда Google Quantum Playground. Intel — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих и спиновых кубитов. Компания имеет собственную лабораторию Intel Labs , где проводит исследования и разработки в области квантовых технологий. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Q и среда Intel Quantum Simulator. IonQ — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе ионных кубитов.
Возможность реализации вычислителя с регистром такого объёма в ближайшие пять лет представляется крайне маловероятной. Однако не исключено, что первые попытки лабораторной реализации подобных алгоритмов или их элементов начнут появляться к концу десятилетия. Рост числа кубитов по годам Другим возможным подходом к борьбе с шумами является не коррекция, а подавление ошибок [14]. Наиболее распространёнными являются подходы с так называемой экстраполяцией к нулевому шуму и с применением в схеме дополнительных параметризованных гейтов, призванных статистически подавлять влияние специфических шумов. Преимуществом подхода является то, что он не требует увеличения числа физических кубитов в алгоритме. Метод экстраполяции к нулевому шуму является наиболее простым методом подавления ошибки, и он отлично подходит для применения в вариационных квантовых алгоритмах. Данный тип алгоритмов — самый реальный кандидат на практическое использование в NISQ-устройствах. Вариационный алгоритм сочетает использование квантового вычислителя для ускоренного расчёта некоторой целевой функции с использованием классического оптимизатора. Можно сказать, что прямая реализация принципа, высказанного Ричардом Фейнманом: для расчёта состояний квантово-механической системы используется квантовый вычислитель. В зависимости от того, какая квантовая схема используется, оптимизируемая целевая функция может решать задачи квантовой химии, оптимизации или даже криптоанализа [15, 16]. Интереснее всего то, что неизвестны точные асимптотики эффективности квантовых вариационных алгоритмов. В отдельных случаях они способны демонстрировать результаты, превосходящие и классический оптимизатор, и даже квантовый алгоритм Гровера. В совокупности со сравнительно низкими требованиями по числу кубитов вариационные алгоритмы можно оценить как потенциально одну из самых близких к практическому внедрению технологию из области квантовых вычислений. Сверхпроводники Долгое время квантовые компьютеры на основе сверхпроводящих кубитов удерживали рекорд по доступному объёму вычислительного регистра. Именно на машине такой архитектуры было продемонстрировано практическое квантовое превосходство [1]. В основе физической реализации данного типа кубитов лежит квантование уровней энергии электрического колебательного контура в условиях сверхпроводимости. Такой подход обеспечивает достаточно высокую степень точности исполнения операций, однако поддержание вычислителя в сверхпроводящем состоянии требует создания криогенных температур в значительном объёме. Это, в свою очередь, ведёт к существенной чувствительности вычислителей данного типа к внешнему воздействию, а также создаёт дополнительные препятствия для масштабирования. Тем не менее, достижением 2022 года является представленный компанией IBM вычислитель Osprey с 433 сверхпроводящими кубитами [17]. Если представленный годом ранее Eagle, обладающий 127 кубитами, теоретически позволял промоделировать отдельные элементы атаки S-AES с простейшей коррекцией ошибок, например, с девятикубитным кодом Шора, то в регистре Osprey можно проводить эксперименты со значительно более сложными и совершенными кодами коррекции. В контексте этого вызывает интерес исследование методов подавления ошибки на уровне логических кубитов. Точная оценка перспектив этих подходов требует более подробных экспериментальных данных, однако, можно утверждать, что IBM пока достаточно успешно поддерживают тренд роста числа кубитов сверхпроводниковых вычислителей. Озвученным прогнозом специалистов IBM стало получение компьютера с 4000 кубитов к 2025 году. И, несмотря на всю кажущуюся амбициозность данного заявления, фундаментальных ограничений, которые могли бы препятствовать достижению заявленных параметров, нет. Если специалисты IBM справятся с подавлением шумов и поддержанием когерентности для регистра с таким количеством кубитов — они смогут выполнить обещание. Холодные атомы Вычислители на основе холодных атомов не требуют криогенного охлаждения кубитов. Теоретически, за счёт возможности наращивания числа оптических ловушек, удерживающих атомы, и большей устойчивости к шумам, вычислители данного типа обладают несколько большим потенциалом масштабирования, по сравнению с квантовыми компьютерами на основе сверхпроводящих цепей. В то же время возникающие при работе с атомными кубитами ошибки в значительной мере поддаются контролю за счёт методов подавления. Это было продемонстрировано в 2021 году с представлением программируемого атомного симулятора на 256 кубитов [18]. По количеству кубитов для архитектуры на основе холодных атомов рекорд прошлого года — 256 кубитов на программируемом симуляторе, остаётся актуален. Однако произошел прорыв в технологии реализации двухкубитных гейтов. Поскольку атомы электрически нейтральны, они не взаимодействуют на расстоянии. Реализация двухкубитного гейта для них требует возбуждения одного из атомов в состояние с очень высокой энергией, называемое ридберговским. В таком состоянии радиус, на котором атомы могут взаимодействовать, существенно увеличивается и наблюдается эффект ридберговской блокады: если один атом уже находится в ридберговском состоянии, это приводит к смещению электронных уровней соседнего атома, что не позволяет возбудить его в ридберговское состояние при помощи характерного лазерного импульса. На основе этого эффекта может быть построен запутывающий гейт [19]. Новый подход использует ультракороткие лазерные импульсы для одновременного возбуждения атомов в ридберговские состояния за пределами режима ридберговской блокады [20]. Это даёт возможность преодолеть характерное временное ограничение и перейти от микросекундного временного масштаба к наносекундному. И, хотя рекордная точность операции пока не продемонстрирована, такой подход за счёт скорости взаимодействия атомов ведёт к значительному снижению вероятности возникновения ошибки при применении двухкубитного гейта. Новый тип запутывающих гейтов не предоставляет технологию для реализации квантовых операций с гигагерцовой частотой. Однако он позволяет преодолеть характерный временной барьер, так что вычислитель, построенный на гейтах такого типа, теоретически сможет по порядку величины приблизиться к быстродействию классических компьютеров. В совокупности со сравнительно долгим временем жизни атомного кубита данная технология в перспективе существенно повышает потенциал масштабируемости вычислителей на основе холодных атомов. Оптические кубиты Электрическая нейтральность атомов обеспечивает им меньшую чувствительность к шумам окружающей среды, но, в то же время, создаёт сложности для обеспечения взаимодействия атомов между собой. Это заставляет использовать более сложные схемы реализации двухкубитных гейтов, такие как гейты на основе ридберговской блокады. Ещё дальше в этом направлении заходят кубиты на основе фотонов. Фотоны практически не взаимодействуют ни с окружением, ни между собой. За счёт этого они, с одной стороны, практически не подвержены влиянию шума, но, с другой, реализация запутывающего гейта для фотонных кубитов в ряде случаев связана с фундаментальными ограничениями. По этой причине до недавнего времени оптические квантовые вычислители оценивались как наиболее перспективные на временном горизонте от 10 лет. Но в 2021-2022 годах стали доступны новые технические возможности, позволяющие обойти характерные для оптической архитектуры фундаментальные ограничения. Существуют несколько способов кодирования кубита в состоянии фотона. Наиболее простые — поляризационный кубит и двухрельсовая кодировка. Поляризационный кубит подразумевает сопоставление состояний 1 и 0 ортогональным поляризациям, например, вертикальной и горизонтальной. Двухрельсовая кодировка предлагает кодировать один кубит в паре оптических мод, сопоставленных состояниям 0 и 1, в одной из которых находится фотон. В обоих случаях из-за слабого взаимодействия фотонов реализация двухкубитного гейта требует использования нелинейной среды. Причём величина нелинейности должна на много порядков превосходить достижимые значения. Ввиду технической невозможности прямой реализации был найден альтернативный подход, названный протоколом KLM Knill, Laflamme, Milburn [21]. Он позволяет реализовывать двухкубитный запутывающий гейт с использованием только линейных элементов, однако получаемая схема имеет ограниченную вероятность успешного срабатывания. Такой подход уже является приемлемым для экспериментальных задач, и позволяет реализовывать квантовые вариационные алгоритмы с малым числом кубитов. Однако конечная вероятность успешного срабатывания гейта ведёт к экспоненциально малой вероятности срабатывания всей схемы при её масштабировании, что недопустимо.
Рост числа публикаций по теме квантовых вычислений [4. Тезис демонстрации квантового превосходства в значительной мере подвергается критике. Задача, на которой он был продемонстрирован, в реальности бесполезна, а временные рамки обещаний практически значимого квантового вычислителя постоянно сдвигаются [5 ; 6; 7]. В этом, безусловно, есть доля истины. Но настолько ли далека перспектива распространения квантовых вычислителей, чтобы можно было обходить их вниманием? Цель данной статьи — сформировать у читателя понимание возможных сценариев развития квантовых компьютеров, их потенциального места среди других существующих технологий, а также текущего прогресса в борьбе с практическими ограничениями, препятствующими широкому распространению продуктов и сервисов на основе квантовых вычислений уже сегодня. Парадигма квантовых вычислений Прежде всего определим, какое место квантовые вычислители могут в перспективе занять в устоявшейся индустрии информационных технологий. Как известно, классические компьютеры оперируют битами — единицами информации, которые позволяют различить два состояния системы: 0 и 1. В основе логики квантового компьютера лежит схожее понятие — кубит. Кубит — объём информации, описывающий квантовую систему с двумя состояниями. В отличие от бита, кубит может принимать промежуточные значения, сочетающие вклад состояний 1 и 0 в разных пропорциях. Если кубита два, то возможных вкладов в состояние становится четыре: 00, 01, 10, 11. И так далее в геометрической прогрессии. Если число кубитов приближается к нескольким сотням, то памяти всех классических компьютеров не хватит, чтобы сохранить полный объём информации о состоянии такого регистра. На практике это в совокупности с особенностями обработки и считывания квантовой информации приводит к тому, что отдельные задачи на квантовом вычислителе начинают решаться качественно быстрее, чем на классическом. Например квантовый алгоритм Шора позволяет разложить число на простые множители с экспоненциальным ускорением [8], а алгоритм Гровера — осуществить поиск по неструктурированной базе данных с квадратичным ускорением [9]. Из первого следует потенциальное разрушение криптографической стойкости шифров с открытым ключом на основе RSA, а из второго — квадратичное ускорение решения любой NP-задачи и соответствующее снижение стойкости симметричных шифров. То есть для обеспечения того же уровня секретности понадобится вдвое более длинный ключ. Математически доказано, что квантовый компьютер способен эффективно моделировать классический [10]. То есть всё, на что способен классический компьютер, квантовый компьютер способен исполнить по крайней мере не хуже. Однако на практике квантовый компьютер сегодня — весьма сложная лабораторная установка, отдельные элементы которой зачастую требуют криогенного охлаждения. Главным ограничением квантового компьютера является ограничение по объёму обрабатываемых данных. В лучшем случае сегодня это несколько сотен кубитов, что никак нельзя сравнить с доступными классическим вычислителям гигабайтами оперативной памяти. Поэтому реальный сценарий использования квантового вычислителя — гибридный. Вся инфраструктура остаётся классической, и только при необходимости произведения отдельных специфичных расчётов классическая программа удалённо подключается к квантовому вычислителю, передаёт ему данные и считывает результат. Единственная технология, которая остаётся за рамками такой картины — квантовые коммуникации. Квантовая криптография, которая как раз способна обеспечить концептуальную защиту от атаки квантовым вычислителем, требует создания новой инфраструктуры для передачи квантовой информации. Это может быть оптическое волокно или атмосферный лазерный канал. Не исключается использование на оптическом канале дронов и спутников. Также, помимо непосредственно программируемых квантовых компьютеров, возможно использование проблемно-специфичных квантовых устройств. С их помощью, например, на линиях квантовых коммуникаций может осуществляться коррекция ошибки без считывания квантового состояния. Данный тип устройств не предъявляет больших требований по числу кубитов или объёму исполняемой программы и теоретически может быть реализован на имеющейся сегодня технологической базе. Из всего перечисленного выше формируется образ перспективной информационной инфраструктуры. Квантовые вычислители не повлияют существенным образом на облик имеющихся сегодня сервисов, оставив все конечные пользовательские интерфейсы привычно классическими. Может повыситься скорость обработки данных в отдельных задачах за счёт доступа пользовательских устройств к облачным квантово-вычислительным сервисам. Также появится квантовая информационная инфраструктура, в первую очередь для квантовой криптографии. Это будут стационарные, либо мобильные, но маловероятно, что карманные устройства для квантового распределения ключей. Вполне возможно, что более простые и компактные по сравнению с полноценными компьютерами квантовые вычислительные системы будут использоваться на конечных пользовательских узлах для обработки квантовой информации. Квантовые алгоритмы и возможности квантовых вычислителей Ступень развития, на которой сегодня находятся квантовые вычислители, получила название NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum — квантовые устройства среднего масштаба без коррекции ошибок. Название отражает две главные проблемы, сдерживающие развитие квантовых компьютеров — сложность создания регистра большого объёма и большая подверженность влиянию внешних шумов. Две этих проблемы неразрывно связаны. То, что под влиянием шума квантовые состояния со временем теряют заложенную в них информацию, влияет на нашу способность контролировать одновременно большое число кубитов. Экспериментальные реализации квантовых вычислителей только чуть более года назад перешагнули рубеж в 100 кубитов в регистре [11]. Теоретически, этого уже достаточно, для экспериментальной реализации некоторых алгоритмов криптоанализа. Атака полноценного AES-128 может быть выполнена при 384 доступных кубитах [13]. Однако глубина данного алгоритма такова, что к концу его исполнения полезная информация в вычислительном регистре будет почти полностью уничтожена шумами. Справиться с такими нежелательными эффектами призвана технология коррекции ошибок. Вероятность того, что несколько кубитов одновременно потеряют информацию о своём состоянии под действием шумов — ниже, чем для одного. Для коррекции ошибок вводится понятие логического кубита, состояние которого кодируется несколькими физическими кубитами. Если часть физических кубитов, кодирующих один логический, оказалась зашумлена, их состояния могут быть восстановлены с опорой на информацию, сохранённую в остальных кубитах. Таким образом, для повреждения состояния логического кубита необходимо, чтобы к моменту выполнения коррекции большая доля физических кубитов была значительно зашумлена. Такой подход в теории позволяет бороться с шумами, но кратно увеличивает требования к объёму регистра квантовых вычислителей. Объём регистра, необходимого для выполнения атаки Гровреа на AES с применением коррекции ошибок составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч кубитов. Объём регистра, необходимого для атаки шифра RSA алгоритмом Шора преодолевает порог в сто тысяч кубитов. Возможность реализации вычислителя с регистром такого объёма в ближайшие пять лет представляется крайне маловероятной. Однако не исключено, что первые попытки лабораторной реализации подобных алгоритмов или их элементов начнут появляться к концу десятилетия. Рост числа кубитов по годам Другим возможным подходом к борьбе с шумами является не коррекция, а подавление ошибок [14]. Наиболее распространёнными являются подходы с так называемой экстраполяцией к нулевому шуму и с применением в схеме дополнительных параметризованных гейтов, призванных статистически подавлять влияние специфических шумов.
Кубит qubit — это квантовый бит Звучит крутейше, но для начала вспомним что такое бит. Прямая бочка пошла... Не, в смысле кумплюктерный бит. Когда таких выключателей на стене много, мы даже можем закодировать в них какую-то информацию, чтобы сосед её увидел. Набор букв АААА, переданных по сети как 01000001 01000001 01000001 01000001, сообщит собеседнику, что вы орёте над его мемом. Любое устройство, на котором вы сейчас читаете эти строки, состоит из таких вот единичек и ноликов. Вся информация кодируется в битах, биты молотит ваш процессор, биты хранятся на диске, образуя байты, мегабайты, гигабайты — вы это знаете лучше меня. Физически нам действительно неважно что у них внутри. В первых компьютерах они были механическими реле, в современных — всего лишь импульсы по 5 вольт, суть осталась та же. Мы можем хранить в бите нужное нам значение 1 или 0, перезаписывать его при необходимости, а так же прочитать в любой момент чтобы использовать дальше для вычислений. Цепочка таких битов и инструкций что с ними делать даёт нам Машину Тьюринга. Так появились компьютеры. В них мы тоже принимаем за 0 или 1 какое-то их свойство, которое можем писать и читать, и так же можем делать их из разных материалов — просто теперь вместо механических реле мы используем частицы. В чём же разница? Кубит можно еще и подбросить как монетку! Перевести в суперпозицию, из которой он будет выпадать 0 орлом или 1 решкой с чёткой и нужной нам вероятностью. Это открывает нам третье весёлое состояние, ради которого мы тут и собрались вообще. Любое чтение кубита уничтожит нашу суперпозицию. Циферблатики со стрелочками — это стандартная форма записи, привыкайте. До чтения же у нас есть четкая вероятность того и другого исхода. Мы не можем предсказать результат, но вероятности вот они, пожалуйста. Мы можем спокойно нарисовать вероятности нашего кубита на картинке. Они не изменятся без нашего вмешательства. Думаю, после моего хейта в сторону Кота, вы понимаете почему мне не нравится это слово. Оно отвратительно бесполезно! Щас еще параллельные миры плодить будем, ну уж нет. Главная фишка такого кубита-монетки именно в том, что мы МОЖЕМ влиять на вращение этой монетки пока она в воздухе, влияя тем самым на вероятность выпадения орла или решки в конце. Правда графики выше получаются не очень красиво, потому мы придумали рисовать такие вот циферблатики, где мы двигаем стрелочку как хотим, а в конце она схлопнется вверх или вниз. Никакой магии, просто вероятность. Мы можем направить на нашу монетку магнит, чтобы замедлить её вращение, инвертировать её в другую сторону или вообще заморозить, чтобы орёл был строго вверх. В классических битах мы могли в любое время записать в него 0 или 1, а в кубитах мы можем записать в него вероятность быть 0 или 1 в конечном счёте. Мы имеем право сколько угодно шалить с вероятностями внутри кубита, но когда мы читаем его значение — он всегда схлопывается в 0 или 1 с заданной вероятностью, превращаясь по сути в обычный бит. Это легально, однако обычный бит справится с этим лучше и быстрее, а всё квантовое веселье таится именно между состояниями 1 и 0. Всё это не очень полезно пока у нас только один кубит, но когда мы возьмем их несколько, мы сможем завязать их вероятности друг на друга так, чтобы система выдавала нам один из результатов с большей суммарной вероятностью, чем все другие. Самые смекалистые уже догадались что мы тут хотим: хитро завязать все вероятности, чтобы этот «самый вероятный» результат и был нашим правильным ответом. Но об этом мы еще поговорим в разделе про сам квантовый компьютер, терпения. Как только мы «читаем» кубит, он всегда схлопывается в 0 или 1 как та монетка, которая в итоге выпадает только орлом или решкой. Кубит после этого уничтожается, потому чтение логичнее делать в самом конце. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Даже если мы специально изменим один кубит — второй изменится на ту же величину, только наоборот. Нарастающее стрёмное ощущение, что всё вокруг волна — даже небо, даже кубит. Появляющиеся сомнения в объективности наблюдаемой реальности и своей роли в этом мире. Чтобы собрать классический цифровой компьютер в домашних условиях, мы берём ленту, кладём на неё некую последовательность битов, двигаем эту ленту туда-сюда и выполняем записанные отдельно на листочке операции над ними. Так получается алгоритм. Машина Тьюринга. Такой вот фигней, только на более высоком уровне, занимаются все программисты. В квантовом компьютере у нас такая же лента, только теперь мы кладём на неё кубиты. Список операций тоже остался, но сами операции чуть изменились. Решительно очевидно, что мы имеем полное право писать и читать наши кубиты как обычные биты. Но смысла в этом ноль. Как колоть орехи микроскопом — никто не запретит, но это достаточно медленно и бессмысленно. Обычный компьютер справится с этим лучше. Сила же квантового компьютера именно в том, что мы берём несколько кубитов, которые как вы помните можно представлять как крутящиеся монетки, и взаимодействуем именно с вероятностями их выпадения в 0 орел или 1 решка , а не самими результатами 0 и 1. Вот это уже куда более интересно.
Квантовые компьютеры: путь от фантастики до реальности и их влияние на науку и бизнес
Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Недавно нам выпала возможность послушать как звучат кубиты в ролике о работе квантового компьютера IBM. «В области производства квантовых компьютеров всё идёт в соответствии с графиком, 20 кубитов нам обещает Росатом показать в конце этого года. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
Из школьного курса информатики мы помним, что современные компьютеры работают в двоичной системе. Единицей информации в них служат биты, которые могут принимать два значения: 0 и 1. Логические операции с битами и творят всю компьютерную магию: вы слушаете песню, смотрите видео или генерируете картинки с котами в нейросети. Физически бит выглядит как крохотный транзистор, который устроен на редкость примитивно: он умеет лишь включаться и выключаться, как лампочка в новогодней гирлянде.
Но делает это настолько быстро и в такой тесной взаимосвязи с другими «лампочками», что это позволяет компьютеру выполнять сложнейшие вычисления практически со скоростью света. Читайте также: Революция транзисторов: от механических машин до суперкомпьютеров будущего Такая система прекрасно себя зарекомендовала — на транзисторах работают практически все современные устройства: от умных часов до смартфонов, от домашних ПК до суперкомпьютеров. Однако и она не лишена недостатков — существуют задачи, которые с виду кажутся простыми, но на их решении «сыпятся» даже самые мощные машины.
Классический пример. Представьте, что вы работаете разъездным торговцем: зарабатываете на жизнь тем, что ходите по домам и продаёте мультиварки. Вам нужно придумать кратчайший маршрут, который позволит заехать в несколько крупных городов хотя бы по одному разу и вернуться домой.
Перед вами — знаменитая задача коммивояжёра, и она гораздо хитрее, чем кажется на первый взгляд. Если городов в условии будет больше 66, обычному компьютеру понадобится несколько миллиардов лет, чтобы решить её простым перебором. И тут на помощь приходят квантовые компьютеры, которые могут решать такие задачи в миллионы раз быстрее обычных.
Дело в том, что вместо привычных битов у квантовых компьютеров — кубиты. Физически это уже не транзисторы, а квантовые частицы — обычно фотоны или протоны. В отличие от бита, кубиты могут не только равняться 0 или 1, но и принимать любые значения между ними.
Благодаря этому квантовый процессор может выполнять несоизмеримо больше операций за один такт. Как работает квантовый компьютер Как мы отметили ранее, квантовый компьютер использует два классических понятия из квантовой механики: принцип суперпозиции и спутанность. Суперпозиция — это способность квантовой частицы находиться сразу в нескольких состояниях одновременно.
У суперпозиции есть интересное свойство: она тут же «схлопывается» при появлении наблюдателя. Представьте, что вы подбросили монету и смотрите, как она вращается. Вы не можете точно сказать, что она сейчас вам показывает — орла или решку, всё вращается, ничего не понятно, остановите это кто-нибудь.
Но стоит вам только «прихлопнуть» монетку на ладони, всё становится ясно.
Международная гонка кубитов Доцент CAS Лян Футянь Liang Futian сказал, что ключевые показатели чипа Xiaohong, как ожидается, достигнут уровня производительности чипов основных международных облачных платформ квантовых вычислений, таких как IBM. IBM заявила о выпуске чипа на тысячу кубитов в декабре 2023 г. Журнал Nature назвал его первым в мире. В январе 2024 г. Ранее D-Wave заявляла также о важных результатах исследований, демонстрирующих успешное устранение квантовых ошибок QEM в прототипе Advantage2.
Проблема квантовых систем в том, что они страдают от вычислительных ошибок из-за шума в окружающей среде.
Обращаются с запросом много научных групп, но, к сожалению, большинству мы вынуждены отказывать, потому что стоим перед выбором: либо предоставить им компьютер, либо модернизировать его. И чаще выбираем модернизацию. Хотя бы примерно. Чтобы посчитать молекулу гидрида лития, запускается около 200 цепочек расчетов. Там довольно сложные алгоритм и постобработка. Каждую цепочку нужно запускать от 1 тыс. Кроме того, мы бы хотели провести научные исследования, чтобы масштабировать квантовые компьютеры.
Для этого нужен третий компьютер, а лучше и четвертый. Мы сейчас работаем с трехмерными ловушками. А для того, чтобы делать компьютеры с числом кубитов больше 50, нужно обязательно работать с планарными, то есть плоскими ловушками на чипах. Это отдельное направление. У нас уже изготовлены первые ловушки в сотрудничестве с Московским институтом электронной техники. Это пока не полноценный компьютер, нам нужно тестировать ловушки, смотреть, как захватываются ионы, делать новые модели. Фактически это еще одна система. Вот уже четыре системы, которые нужно иметь, чтобы проводить полноценные исследования в области квантовых вычислений.
Вопрос, хватит ли времени. Когда мы только начинали, я ожидал, что к этому времени у нас будет четыре-пять установок. Но мы ждем поставок. Часть уже в России, чего-то не хватает. Тем не менее, надеюсь, к середине следующего года мы запустим вторую установку, может, даже третью. А дальше жизнь покажет. Мировая практика — Что сейчас происходит в области разработок квантовых компьютеров?
Интерференция — следствие суперпозиции и один из самых загадочных принципов квантовой механики, который упрощенно подразумевает, что частица скажем, фотон может пересекать свою же траекторию и мешать собственному движению.
Так как каждое состояние кубита описывается амплитудой вероятностей, эти состояния формируют интерференционную картину. Если хотите разобраться в терминах, почитайте про опыт с двумя щелями Томаса Юнга. Интерференция может быть конструктивной и деструктивной — создатели квантовых компьютеров используют эти эффекты, чтобы влиять на вероятность определенного состояния для ускорения вычислений. Декогеренция — что-то вроде неконтролируемого коллапса волновой функции. Если в систему кубитов попадет любой шум из окружающей среды электрические и другие помехи, не заметные глазу , суперпозиция нарушится, информация может потеряться что критическим образом повлияет на точность решения задач. Ограничение декогеренции — ключевая задача при создании квантового компьютера. Как устроены квантовые компьютеры? Вопреки ожиданиям, современные квантовые компьютеры не очень большие — размером примерно с холодильник но есть еще коробка с электроникой размером с комод.
А вот детально они устроены гораздо сложнее привычных компьютеров. Обычно они состоят из: Квантовой системы. Технологии могут отличаются, но в основном роль кубитов играют либо ионы с разными уровнями энергии, либо сверхпроводящие цепи с разными колебательными состояниями, либо топологические кубиты например, майорановские частицы. Некоего кластера, в котором находятся кубиты и в котором они будут как можно дольше стабильны. Кластеры обычно охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю, или стабилизируют с помощью химических компонентов. Цель — защитить кубиты от любых внешних помех. Устройства для передачи сигналов кубитам, чтобы манипулировать их состоянием. Часто это делают с помощью микроволновых импульсов или лазерного света с определенной длиной волны.
Обычного компьютера, который в рамках программы будет передавать кубитам инструкции алгоритм для решения конкретных задач. Сам принцип работы квантового компьютера еще сложнее, для его объяснения нужно вводить множество терминов типа туннелирования, эффекта Джозефсона, куперовских пар и так далее, при этом всегда будет вероятность неверного объяснения принципов в конце концов, мы не ученые. Поэтому, чтобы не усложнять материал, просто покажем несколько изображений разных квантовых компьютеров: Left Right Кто делает квантовые компьютеры?
Что такое квантовые вычисления?
Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался.
ЧТО ТАКОЕ КУБИТ
Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается.