Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими.
Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации.
Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему
Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Ознакомьтесь с вводными сведениями о кубитах и принципами их работы, включая информацию о различиях между кубитами и двоичными битами, а также о том, как кубиты формируют основу для квантовых вычислений.
Публикации
- Кубит. Большая российская энциклопедия
- Квантовые вычисления для всех
- Что такое квантовые вычисления?
- Квантовый компьютер: что это, как работает, возможности | РБК Тренды
- В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
Эти несовершенные кубиты
- Что такое квант
- В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
- Квантовые компьютеры | Наука и жизнь
- Сверхмощный квантовый компьютер
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
Для размещения 2 человек потребуется 2 варианта комбинаций. При размещении 10 человек за одним столом понадобится составить 3 628 800 комбинаций. Всего 10 человек и один стол создают более 3 млн комбинаций, а представьте количество комбинаций при больших значениях, 100 человек 1000 или 10 000 человек, такие вычисления уже не под силу классическим компьютерам. Суперкомпьютерам приходится анализировать каждую комбинацию одну за другой, что может занять много времени. На некоторые вычисления могут уйти миллиарды лет. И тут на помощь приходит квантовые компьютеры, способные значительно сократить время сложных вычислений. Неделя работы суперкомпьютера соответствует 1 секунде существующих квантовых компьютеров.
Принципы работы квантового компьютера Работа квантовых компьютеров основана на двух принципах квантовой механики: спутанность и принцип суперпозиции. Классические компьютеры работают в двоичной системе 1 или 0 бит , комбинации и последовательности 1 и 0 несут определенные данный. Процессор может передавать либо 1 либо 0. Принцип суперпозиции позволяет элементам процессора находится одновременно в 2 состояниях и 1 и 0. Как монетка подброшенная вверх, пока не упала одновременно может быть и орлом и решкой. Бит который может находится в состоянии 1 и 0 одновременно называется кубитом.
Чем больше кубитов тем больше одновременных вычислений можно проводить. Сейчас ведутся разработки по созданию компьютера на основе фотонов света с характеристиками в 1 000 000 кубит. Все эти свойства квантового компьютера позволяют одновременно анализировать миллионы различных вариантов и комбинаций. В примере со столами квантовый компьютер за секунды найдет оптимальный вариант рассадки. На примере эволюции жизни на земле. Квантовый компьютер способен за короткое время найти жизнеспособные комбинации сложных органических молекул, как природа, которой на решение этих задач потребовалось миллиарды лет.
Теперь поиск таких комбинаций стал доступен искусственным путем через квантовые вычисления, с появлением более мощных квантовых компьютеров мы сможем смоделировать возможное существование и взаимодействие всех веществ и элементов. Источник: IBM Quantum Области применения квантовых вычислений Как и обычных компьютеров, сфера применения КК крайне широка, от части мы еще не знаем весь потенциал квантовых вычислений, которые затронут практически все сферы деятельности человека. Аэрокосмическая отрасль. КК необходим для сложных расчетов траекторий полетов, нагрузок с огромным количеством переменных. Будут найдены не только способы расшифровки всех возможных кодирований, но и новые способы квантового шифрования, что приведет к новым возможностям в кибербезопасности. Искусственный интеллект.
Это не так много по современным достижениям. Но еще несколько лет назад характерные времена были наносекунды, то есть за 13 лет произошел прогресс примерно в миллион раз. Кубиты, которые мы здесь мерили, соответствуют среднему уровню на настоящий момент. Фактически мы просто научились мерить эти кубиты, и теперь мы планируем начать их производить здесь, в России. У нас будет инструмент для того, чтобы можно было делать с ними измерения. Мерить время когерентности, производить квантовые манипуляции, то есть делать квантовые преобразования, которые соответствуют логическим операциям.
И как скоро можно ждать первых функционирующих операций? Дело в том, что такие логические гейты, то есть схемы, реализующие простейшие логические алгоритмы на сверхпроводящих схемах, уже продемонстрированы как минимум в трех крупных университетах: это Йель, Университет Санта-Барбары в Калифорнии и группа моего бывшего аспиранта, ныне профессора Андреаса Вальрафа Andreas Wallraff в Цюрихе. Я не говорю еще о том, что, например, компания D-wave уже создала 100-битный квантовый компьютер на принципе квантовой релаксации это когда система релаксирует состояние с минимальной энергией. Подобные компьютеры позволяют вычислять состояния определенного класса систем и решать задачи, скажем, нахождения объекта среди многих других одинаковых объектов. Поэтому у нас есть идеи делать что-то такое, что позволит привнести совершенно новый элемент, может быть, позволит в чем-то обойти основную группу команд, которые работают с кубитами. Я просто скажу, почему это имеет отношение к кубитам.
В первом спины ориентированы одинаково, а в сверхпроводнике они объединены в пары в куперовских парах спины электронов противоположно направлены. Поэтому на первый взгляд при прохождении через ферромагнетик пары должны распадаться, но если слой ферромагного материала достаточно тонкий, этого не происходит. При этом, однако, при правильном подборе материала происходит сдвиг фаз волновых функций на значение числа пи отсюда и название. На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях.
Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками. Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе. Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно. Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд. То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями.
А чем эти кубиты отличаются от того, который есть у вас? Если не вдаваться в подробности, то это тоже кольца, но в них встроены не только джозефсоновские переходы, но и более сложные элементы.
На практике это означает, что такие задачи не могут быть решены ни сейчас, ни в каком-либо обозримом будущем при поступательном развитии технологий вычислений. Поэтому для расчёта химических реакций применяются приближённые методы. Сначала они были относительно простыми и не очень точными, но со временем их точность повышалась, а сложность росла. Их изучением и развитием занимается вычислительная квантовая химия. Сейчас каждый год собираются огромные конференции, на которых тысячи учёных делятся последними достижениями в этой области.
И хотя компьютеры могут уже очень многое — вплоть до предсказания эффективности действия инновационного лекарства — последнее слово, как и 100 лет назад, остаётся за экспериментами. Все вычисления будут делать квантовые симуляторы, и будут делать их точнее и быстрее, чем мы». Чего же так боятся квантовые химики? Идея квантовых симуляторов восходит к статье знаменитого физика Ричарда Фейнмана, опубликованной в 1982 году. В ней нобелевский лауреат высказал относительно простую мысль. Если у нас будут квантовые компьютеры, то есть компьютеры, которые совершают вычисления по квантовым законам, то было бы вполне естественно в первую очередь использовать их для вычислений, связанных с квантовыми системами, — в частности, для вычислений в квантовой химии. И действительно, как показали дальнейшие исследования, это возможно.
И более того, такие вычисления смогут в полной мере задействовать уникальные возможности квантовых компьютеров, то есть они будут выполняться значительно быстрее, чем на компьютерах обычных. Это позволит решать задачи точного расчёта химических реакций за разумное время и заменить дорогостоящие прямые эксперименты на более дешёвые вычисления. Более того, одна из проблем квантовых компьютеров — разрушающее действие окружающей среды, не позволяющее подолгу сохранять квантовую суперпозицию, — в квантовых симуляторах может быть использовано для пользы дела. Ведь реальные квантовые системы тоже находятся в окружении других тел, которые точно так же разрушают квантовые эффекты в них. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Применение квантовых симуляторов Сейчас уже созданы первые, самые простые квантовые симуляторы. Так, в 2010 году группа экспериментаторов из Квинслендского университета в Австралии и Гарвардского университета в США сообщила, что им удалось рассчитать свойства самой простой молекулы — молекулы водорода — с достаточной для химиков точностью при помощи квантового симулятора, кубиты которого были основаны на «частицах» света — фотонах.
Поэтому у нас есть идеи делать что-то такое, что позволит привнести совершенно новый элемент, может быть, позволит в чем-то обойти основную группу команд, которые работают с кубитами. Я просто скажу, почему это имеет отношение к кубитам. В первом спины ориентированы одинаково, а в сверхпроводнике они объединены в пары в куперовских парах спины электронов противоположно направлены. Поэтому на первый взгляд при прохождении через ферромагнетик пары должны распадаться, но если слой ферромагного материала достаточно тонкий, этого не происходит. При этом, однако, при правильном подборе материала происходит сдвиг фаз волновых функций на значение числа пи отсюда и название. На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях.
Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками. Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе. Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно. Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд. То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями. А чем эти кубиты отличаются от того, который есть у вас? Если не вдаваться в подробности, то это тоже кольца, но в них встроены не только джозефсоновские переходы, но и более сложные элементы.
Обычно СКВИДы используются в качестве сверхчувствительных магнитометров для измерения очень слабых магнитных полей. В СКВИДе волны куперовских пар электронов, пройдя через два джозефсоновских перехода, проявляют интерференцию, похожую на оптическую картину прохождения световых волн через две щели. Амплитуда интерференционного тока зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет в случае трансмона изменять его квантовые уровни энергии. Так что же можно сделать на основе кубитов такого, чего еще никто не делал? Есть такая интересная задача, как создание квантовых метаматериалов. Она находится на стыке задач лаборатории, созданной в МИСиС, и лаборатории квантового центра, которая занимается кубитами. Мы с уже упомянутым Валерием Рязановым на самом деле присутствуем и там, и там, это два проекта, которые двигаются параллельно. Вот у них сближение как раз в том, что сверхпроводящие метаматериалы, которые изучаются в МИСиС, могут быть превращены в квантовые, если в качестве элементов использовать кубит.
Свойства материалов при взаимодействии с таким излучением определяются только их внутренней структурой. Сейчас метаматериалы, особенно микроволновые, крайне популярны.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Как мы уже писали в предыдущих статьях серии 1 , 2 , любое классическое взаимодействие с квантовой системой приводит к коллапсу как ее квантового состояния, так и его проекции на одно из классических базисных состояний. Наглядный пример — коллапс трёхмерной сферы Блоха, описывающей квантовое состояние одного кубита, в одно из значений бита классического 0 или 1. В общем случае такой процесс деградации квантового состояния называется декогеренцией — постепенной потерей системой квантовых свойств за счёт взаимодействия с окружающей средой. При этом само взаимодействие может быть совершенно разным — через электрическое и магнитное поле, вибрации, температуру. Список возможных путей, через которые макроскопический мир влияет на квантовые объекты, огромен! Ведь даже высокоэнергетичные частицы, прилетающие из глубин космоса, могут разрушать квантовые состояния кубитов здесь на Земле!
Благодаря десятилетиям научных исследований физики научились удерживать заданное квантовое состояния кубитов в течение достаточно долгого времени, чтобы с ними можно было производить необходимые операции. Это время, называемое временем когерентности кубита, варьируется в зависимости от его конкретной физической реализации от десятков микросекунд до нескольких секунд. Такое время когерентности позволяет произвести с кубитом несколько сотен квантовых операций до тех пор, пока его квантовое состояние не разрушится слишком сильно. После этого кубит снова нужно возвращать в начальное состояние инициализировать для выполнения последующих операций. По аналогии с классическими компьютерными схемами, квантовые операции часто называют квантовыми гейтами или квантовыми вентилями, и каждая из таких операций тоже требует определенного времени от десятков наносекунд до сотен микросекунд , что тоже ограничивает быстродействие квантового процессора.
За счет взаимодействия друг с другом несовершенства кубитов начинают перемножаться, делая непредсказуемым результат выполнения квантовых операций. Такая же проблема накопления ошибок возникает и при последовательном выполнении множества квантово-вычислительных операций, необходимых для большинства значимых квантовых алгоритмов. Эти несовершенные кубиты Резонно спросить, в чем же причина изначального несовершенства самих кубитов? Ответить на этот вопрос в общем случае «сферического кубита в вакууме» довольно сложно, поэтому сосредоточимся на двух реальных, физических реализациях квантовых битов: ионах в ловушках и сверхпроводящих структурах. Именно эти две технологии показали самый быстрый прогресс за последнее десятилетие и на текущий момент считаются лидерами в области «железа» для квантового компьютера англ.
С ионами в ловушках все довольно просто — сами по себе все ионы идентичны и, в отрыве от внешней среды, могут сохранять свое квантовое состояние неограниченно долго. Однако полностью изолировать их от влияния среды довольно сложно, особенно учитывая тот факт, что они удерживаются в ловушке с помощью электромагнитного поля. Поэтому основной источник проблем для этого типа кубитов — несовершенство самой электромагнитной ловушки, внешние электромагнитные шумы, а также лазерное излучение, используемое для контроля квантового состояния ионов. Понятное дело, что чем больше ионов помещается в ловушку, тем больше должны быть ее физические размеры, что ведет и к увеличению дефектов в таких системах, и к сложности манипуляций с ней например, из-за физических ограничений оптических элементов, используемых в экспериментальных установках. Изображения 1, 2, 3, 6 и 12 ионов магния, загруженных в новую планарную ионную ловушку NIST.
Красным цветом обозначены области максимальной флуоресценции центры ионов. Чем больше ионов загружается в ловушку, тем они сильнее сближаются, и 12-ионная цепочка превращается в зигзагообразное образование. Основная проблема — масштабируемость таких систем. Ионы — заряженные частички, захваченные в электромагнитные ловушки, взаимодействующие между собой благодаря кулоновскому отталкиванию. Для создания ловушек традиционно используются большие трёхмерные электроды, на которые подается большое напряжение.
Проблема в том, что мы не можем создавать такие бесконечно длинные ловушки для большого количества ионов из-за различных технических ограничений и побочных явлений. Поэтому на текущий момент можно максимально поймать в ловушку около сотни ионов и работать с 30-40 из них. Но дальнейшее масштабирование квантовых процессоров на ионах путем банального удлинения таких цепочек ионов просто недостижимо. Можно организовывать цепочки в отдельные модули, а можно создавать более сложную организацию ионов на чипе. Оказывается, можно поместить отдельные электроды на поверхность чипа, создав таким образом для каждого иона свою ловушку, с возможностью индивидуального контроля, а не одну ловушку на все ионы, как сейчас.
Такой подход позволяет решить большинство традиционных проблем, но качество двумерных ловушек на чипах и, прежде всего, их поверхности пока оставляет желать лучшего. Технологии их изготовления пока что не настолько отлажены и совершенны. И, если в традиционных ловушках явно чувствуется, что мы уперлись в какой-то предел, то в двумерных сейчас наблюдается явное многообразие подходов, дизайнов, реализаций. Я уверен, что существующие на этом пути технологические проблемы, будут в скором времени решены профессиональными инженерами, открывая путь к созданию полномасштабного квантового компьютера».
Существует, однако, одна область, в которой приход квантовых вычислений может совершить мини-революцию. Эта область — химия. До этого химия была по большей части эмпирической наукой, которая основывалась не на строгих теоретических моделях, а на многочисленных опытных данных. Существовали определённые правила, по которым можно было пытаться предсказывать исход новых химических реакций, но эти правила были далеки от совершенства и в лучшем случае давали только грубое приближение, а зачастую предсказывали совершенно неверный результат. Единственным способом проверить, будет ли та или иная потенциально полезная реакция работать, было непосредственное проведение эксперимента.
И если в неорганической химии в силу её большей простоты это ещё как-то работало, то в химии органических веществ большинство открытий совершалось или случайно, или в результате долгой кропотливой работы по перебору большого количества реагентов. В 1920-е годы учёные создали квантовую физику — инструмент, который в принципе позволяет рассчитывать результаты химических реакций на бумаге. Проблема, однако, заключается в том, что точный расчёт даже в простейших случаях требует совершенно немыслимых временных затрат. И даже развитие компьютерных технологий не позволило в полной мере решить эту проблему. Задачу квантового расчёта того, как двигаются молекулы, — а именно это требуется для химических реакций — относят к классу экспоненциально сложных. На практике это означает, что такие задачи не могут быть решены ни сейчас, ни в каком-либо обозримом будущем при поступательном развитии технологий вычислений. Поэтому для расчёта химических реакций применяются приближённые методы. Сначала они были относительно простыми и не очень точными, но со временем их точность повышалась, а сложность росла. Их изучением и развитием занимается вычислительная квантовая химия.
Сейчас каждый год собираются огромные конференции, на которых тысячи учёных делятся последними достижениями в этой области. И хотя компьютеры могут уже очень многое — вплоть до предсказания эффективности действия инновационного лекарства — последнее слово, как и 100 лет назад, остаётся за экспериментами. Все вычисления будут делать квантовые симуляторы, и будут делать их точнее и быстрее, чем мы». Чего же так боятся квантовые химики? Идея квантовых симуляторов восходит к статье знаменитого физика Ричарда Фейнмана, опубликованной в 1982 году.
Кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, работают как настоящие атомы: они могут излучать и поглощать свет, пребывать в нейтральном и возбужденном состоянии. Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано производство микросхем. В мае 2015 года российские ученые впервые создали шесть кубитов, каждый из которых состоит из четырех джозефсоновских контактов. Сами контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика оксида алюминия толщиной около двух нанометров.
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». Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы.
Международная гонка кубитов
- Принципы работы квантового компьютера
- Квантовый компьютер - что это такое и каков принцип его работы?
- Что это вообще такое — квантовый компьютер
- Что такое квантовый компьютер? Разбор
- Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
- Что такое кубит?
Кульбит кубита. Новейший сверхкомпьютер может победить рак или погубить мир
Туризм и Приключения 8 подписчиков Подписаться Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Эта работа открывает перспективу создания принципиально новых приборов и устройств на основе сверхпроводниковых элементов. Мы расскажем вам о том, как интересен мир вокруг и поможем разобраться в самых сложных вещах.
Во время демонстрации на этом компьютере был запущен алгоритм моделирования молекулы. Впечатляет, конечно. Особенно, когда вы показывали, что вычисления в обычном режиме, на современных суперкомпьютерах занимали бы чуть ли не столетия, а на квантовых результат достигается за часы или дни, — это, конечно, впечатляет», — оценил разработку Владимир Путин. Проект разработки квантового компьютера был запущен в 2019 году, над ним работали учёные из Российского квантового центра и физического института им.
Это очень большие классические компьютеры, часто с тысячами классических ядер.
Однако суперкомпьютеры не очень хороши для решения некоторых типов задач, которые на первый взгляд кажутся простыми. Вот почему нам нужны квантовые компьютеры. Представьте, что вы хотите усадить 10 человек за 1 стол, где есть только один оптимальный план рассадки из всех возможных комбинаций. Сколько различных комбинаций вам нужно изучить, чтобы найти оптимальную? Для размещения 2 человек потребуется 2 варианта комбинаций. При размещении 10 человек за одним столом понадобится составить 3 628 800 комбинаций. Всего 10 человек и один стол создают более 3 млн комбинаций, а представьте количество комбинаций при больших значениях, 100 человек 1000 или 10 000 человек, такие вычисления уже не под силу классическим компьютерам.
Суперкомпьютерам приходится анализировать каждую комбинацию одну за другой, что может занять много времени. На некоторые вычисления могут уйти миллиарды лет. И тут на помощь приходит квантовые компьютеры, способные значительно сократить время сложных вычислений. Неделя работы суперкомпьютера соответствует 1 секунде существующих квантовых компьютеров. Принципы работы квантового компьютера Работа квантовых компьютеров основана на двух принципах квантовой механики: спутанность и принцип суперпозиции. Классические компьютеры работают в двоичной системе 1 или 0 бит , комбинации и последовательности 1 и 0 несут определенные данный. Процессор может передавать либо 1 либо 0.
Принцип суперпозиции позволяет элементам процессора находится одновременно в 2 состояниях и 1 и 0. Как монетка подброшенная вверх, пока не упала одновременно может быть и орлом и решкой. Бит который может находится в состоянии 1 и 0 одновременно называется кубитом. Чем больше кубитов тем больше одновременных вычислений можно проводить. Сейчас ведутся разработки по созданию компьютера на основе фотонов света с характеристиками в 1 000 000 кубит. Все эти свойства квантового компьютера позволяют одновременно анализировать миллионы различных вариантов и комбинаций. В примере со столами квантовый компьютер за секунды найдет оптимальный вариант рассадки.
На примере эволюции жизни на земле. Квантовый компьютер способен за короткое время найти жизнеспособные комбинации сложных органических молекул, как природа, которой на решение этих задач потребовалось миллиарды лет. Теперь поиск таких комбинаций стал доступен искусственным путем через квантовые вычисления, с появлением более мощных квантовых компьютеров мы сможем смоделировать возможное существование и взаимодействие всех веществ и элементов.
Это время ограничено, и этот предел определяется тем, как кубиты взаимодействуют с окружающей средой. Дефекты в системе кубитов могут значительно сократить время когерентности. По этой причине команда исследователей решила поймать электрон на сверхчистой твердой поверхности неона в вакууме.
Неон является одним из шести инертных элементов, то есть он не вступает в реакцию с другими элементами. Используя сверхпроводящий резонатор размером с микросхему — как миниатюрную микроволновую печь — команда смогла манипулировать захваченными электронами, позволяя им считывать и сохранять информацию с кубита, что делает его полезным для использования в будущих квантовых компьютерах. В предыдущих исследованиях в качестве среды для удержания электронов использовался жидкий гелий. Этот материал было легко очистить от дефектов, но колебания свободной жидкости могли легко нарушить состояние электрона и, следовательно, поставить под угрозу работу кубита. Твердый неон предлагает материал с небольшим количеством дефектов, который не вибрирует, как жидкий гелий.
Кульбит кубита. Новейший сверхкомпьютер может победить рак или погубить мир
Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
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. 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.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка…. В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось. Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики! Квантовый компьютер внутри Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество. И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.
И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки. Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной! Принцип работы квантового компьютера Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера: Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами. Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно! Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то! Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный?
Квантовый компьютер способен за короткое время найти жизнеспособные комбинации сложных органических молекул, как природа, которой на решение этих задач потребовалось миллиарды лет. Теперь поиск таких комбинаций стал доступен искусственным путем через квантовые вычисления, с появлением более мощных квантовых компьютеров мы сможем смоделировать возможное существование и взаимодействие всех веществ и элементов. Источник: IBM Quantum Области применения квантовых вычислений Как и обычных компьютеров, сфера применения КК крайне широка, от части мы еще не знаем весь потенциал квантовых вычислений, которые затронут практически все сферы деятельности человека. Аэрокосмическая отрасль. КК необходим для сложных расчетов траекторий полетов, нагрузок с огромным количеством переменных.
Будут найдены не только способы расшифровки всех возможных кодирований, но и новые способы квантового шифрования, что приведет к новым возможностям в кибербезопасности. Искусственный интеллект. С появление КК, искусственный интеллект шагнет далеко вперед. Теперь он сможет анализировать миллионы вариантов развития событий. Транспортная компания, осуществляющая доставку в десятки и сотни городов, сможет узнать оптимальный маршрут, чтобы сэкономить на расходах на топливо.
Станет возможно путем сложных расчетов сбалансировать риски инвестиционных портфелей и предсказывать возможную волатильность. Снижение выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия новых материалов. Нефтедобывающие компании моделируют месторождения и способы эффективной добычи. Способность квантовых компьютеров точно моделировать молекулярные реакции, вплоть до субатомного уровня, имеет огромное значение для всего, от открытия лекарств до создания нового поколения легких и долговечных аккумуляторных батарей. Большинство химиков, которые занимались традиционными лабораторными исследованиями, понимают, что часы, месяцы и даже годы могут быть потрачены на то, чтобы попытаться понять, как химические процессы происходят внутри колбы, и научиться контролировать их.
Квантовые вычисления обещают ускорить все это. Некоторые задачи невозможно эффективно выполнить даже на самых мощных современных суперкомпьютерах. КК помогут открыть и синтезировать новые вещества. Которые заменят малоэффективные или вредные вещества используемые сейчас. Это может изменить все начиная от состава пластиковых пакетов до скорости зарядки электромобилей.
С появлением сложных вычислений, появилась возможность моделировать взаимодействие сложных белковых молекул. Одна из главных проблем в поиске лекарств, это поиск веществ нейтрализующих вредоносные белки в нашем организме, так называемых ингибиторов. Для поиска нужных веществ, необходимо смоделировать вредоносный белок и смоделировать взаимодействие его с другими молекулами разных веществ. Для выявления полезных комбинаций необходимо создать сотни миллионов комбинаций взаимодействия. Сложные молекулы белков усложняют поиск лекарств.
Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом говоря научным языком — если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной. Как это выглядит на пальцах? Допустим, у нас есть две коробки, в которых лежит по бумажке. Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки или частицы , квантовая система рушится — неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты. Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц где находятся их вторые «половинки» мы знаем. Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» — узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты — просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится — мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке.
Возникает вопрос — раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли — как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным. Домашний квантовый компьютер Ну и последний вопрос — раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые — почему мы ими не пользуемся?
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
Поверьте, это число тоже плевое дело для нашего суперкомпьютера. А теперь 100 человек и 2 автобуса, сколько вариантов? Считаем: 2 в 100 степени — это примерно 1. Теперь нашему суперкомпьютеру на перебор всех вариантов понадобится примерно 4.
А это уже очень и очень много. Такой расчет займет больше времени чем суммарная жизнь сотен вселенных. Суммарная жизнь нашей вселенной: 14 миллиардов лет или 14 на 10 в 9 степени.
Даже если мы объединим все компьютеры в мире ради решения, казалось бы, такой простой задачки как рассадка 100 человек по 2 автобусам — мы получим решение, практически никогда! И что же? Выхода нет?
Есть, ведь квантовые компьютеры будут способны решить эту задачку за секунды! И уж поверьте — использоваться они будут совсем не для рассадки 100 человек по 2 автобусам! Глава 2.
Биты и Кубиты Давайте разберемся, в чем же принципиальная разница. Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов и они могут пропускать или не пропускать ток, то есть быть в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации. Кстати, рекомендую посмотреть наше видео о том как работают процессоры.
Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может быть либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0. Вот все состояния: Для решения процессору надо пройти через абсолютно все варианты один за одним и выбрать те, которые подходят под заданные условия.
В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые и они принципиально отличаются от обычных транзисторов. Они так и называются Quantum Bits, или Кубиты. Что же такое кубиты?
Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находиться одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка…. В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.
Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики! Квантовый компьютер внутри Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами.
Они могут принимать только одно значение: 0 или 1. По сравнению с ними кубиты могут кодировать сразу и логическую единицу, и ноль, что открывает совершенно новые возможности хранения и обработки цифровой информации. Физическим объектом в роли кубитов могут выступать атомы или электроны. Цифровые данные записываются на т.
Однако проблема заключалась в том, что такие структуры крайне неустойчивы. Они легко разрушаются под воздействием внешних воздействий, а устройства для хранения таких систем сложны в разработке.
И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице. Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию Как делают кубиты и в чём сложность Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью. Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система. Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный. С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора. Квантовый процессор на девяти кубитах от Google Зачем нужны квантовые компьютеры Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30—40 знаков или больше на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет.
Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.
Этот материал было легко очистить от дефектов, но колебания свободной жидкости могли легко нарушить состояние электрона и, следовательно, поставить под угрозу работу кубита. Твердый неон предлагает материал с небольшим количеством дефектов, который не вибрирует, как жидкий гелий. После создания своей платформы команда выполняла операции с кубитами в реальном времени, используя микроволновые фотоны на захваченном электроне, и охарактеризовала его квантовые свойства. Эти тесты продемонстрировали, что твердый неон обеспечивает надежную среду для электрона с очень низким электрическим шумом, который может его побеспокоить. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. По словам ученых, простота платформы кубитов также должна обеспечивать простое и недорогое производство. 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.
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
Кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака). Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы.
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Чтобы сделать кубиты, отдельные электроны помещают в линейный массив из шести «квантовых точек», отстоящих друг от друга на 90 нанометров. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия). В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах.