Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. (1) Сформулировать, что такое кубит.
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
| Что такое квантовые вычисления? - Linux Mint Россия | С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. |
| ЧТО ТАКОЕ КУБИТ | Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света. |
| Что такое кубиты и как они помогают обойти санкции?🤔 | | Рассказываем, как появился первый квантовый компьютер, сколько кубитов в современных процессорах и какие задачи они могут решать. |
| Кульбит кубита. Новейший сверхкомпьютер может победить рак или погубить мир | Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. |
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго. У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ. Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз! Квантовые компьютеры сегодня Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!
На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров. Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет! Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2. Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно!
IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами! Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел. Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений. Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться?
Естественно, не для распихивания людей по автобусам.
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. Относительно недавно ученые обнаружили, что в качестве кубитов можно использовать искусственно созданные атомы, в частности, т.
Их сформулировал Чарльз Бэббидж в 1830-е годы и систематизировал Алан Тьюринг в 1930-е.
В ходе компьютерной революции менялись только количественные показатели: увеличивались скорость, объем оперативной и физической памяти, количество процессоров. Но квантовые вычисления — это нечто совершенно иное. Это первая компьютерная модель со времен Тьюринга, которая изменит принципиальные основы вычислительных алгоритмов, позволяя выполнять невероятно сложные для традиционных компьютеров задачи. Самые ожидаемые результаты квантовых вычислений — это возможность симулировать процессы химии и квантовой физики, а также разрушить большую часть систем шифрования, которые сейчас обеспечивают защиту данных в интернете. Демонстрация компанией Google способностей квантового компьютера стала критической вехой компьютерной революции. Квантовый компьютер: кубиты вместо битов В лаборатории Санта-Барбары Калифорния команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор». Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине , которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми.
Такая температура необходима, чтобы на мгновение точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты qubits, от quantum bits. Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно. Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить. Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера. Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность фотоны и электроны , подчиняются совершенно иным законам вероятности. Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет. Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире.
Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1. Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам. Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Что происходит, если у вас не один кубит, а тысяча, и все они взаимодействуют друг с другом в результате чего получается то самое состояние квантовой «запутанности»?
Кубиты экспоненциально быстрее битов в некоторых вычислительных задачах, таких как поиск по базам данных или разложении чисел на множители что, как мы выясним ниже, может взломать интернет-шифрование. Важно понимать, что кубиты могут содержать значительно больше информации, чем биты. Один бит содержит такое же количество информации, что и кубит — оба они могут содержать одно значение.
Однако четыре бита используются для хранения того же объёма информации, что два кубита. Восемь бит сохраняют информацию, которую можно сохранить в трёх кубитах, так как 3-кубитная система может хранить восемь состояний — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. И так далее. График ниже демонстрирует вычислительную мощность кубитов. По оси x отображается количество кубитов, используемых для хранения определённого количества информации. Значения по оси y голубой линии отображают количество битов, необходимых для хранения того же объёма информации, что и в количестве кубитов по оси x, или 2 в степени x. График построен с помощью Desmos. Представьте себе какие возможности предоставляют квантовые вычисления! Квантовые компьютеры также прекрасно подходят для разложения чисел на множители, что приводит нас к RSA шифрованию. Протокол безопасности, защищающий Medium и, наверняка, любой другой известный вам веб-сайт, известен как RSA шифрование.
Он основан на том факте, что потребуется очень-очень много времени при существующих вычислительных ресурсах, чтобы разложить число m длиной больше 30 знаков на произведение двух чисел p и q, которые являются большими простыми числами. Однако деление m на p или q в вычислительном отношении значительно проще, и, поскольку m, делённое на q возвращает p и наоборот, это обеспечивает систему быстрой проверки ключа. Квантовый алгоритм, известный как алгоритм Шора, показал экспоненциальное ускорение в разложении чисел, что однажды может взломать RSA шифрование. Но не стоит пока увлекаться шумихой. На данный момент наибольшее число, которое удалось разложить квантовому компьютеру — это 21 на 3 и 7. Для квантовых компьютеров ещё не разработано аппаратное обеспечение для разложения 30-значных или даже 10-значных чисел. Даже если когда-нибудь квантовые компьютеры взломают RSA шифрование, новый протокол безопасности BB84, основанный на квантовых свойствах, проверен на безопасность от квантовых компьютеров. Так заменят ли квантовые компьютеры классические? Не в обозримом будущем. Квантовые вычисления хоть и развиваются очень быстро, но находятся на ранней стадии, а исследования ведутся на полуконкурентной основе крупными корпорациями, такими как Google, Microsoft и IBM.
Что такое квантовые вычисления?
Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Эта машина способна проводить очень сложные и длительные вычисления за счет встроенной в кубиты системы коррекции ошибок. В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255.
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
Не поймаем — не узнаем. В чем же драматическая разница с так нелюбимым нами котом? В том, что внутри монетки всегда есть чёткие вероятности её падения орлом или решкой. Но если мы зададимся целью немного «подкрутить» фокус себе на пользу — мы можем сделать монетку из разных сплавов или как-то притягивать одну из сторон магнитом. Отныне всегда, когда слышите про суперпозицию, представляйте себе именно такую подброшенную монетку. Суперпозиция — не загадочный феномен «одновременности», а чёткое и простое отношение двух вероятностей Находясь в «суперпозиции», монетка не просто для нас «как бы одновременно орел и решка», она имеет две вполне стабильные и известные нам вероятности выпадения одного и другого.
Всё это уже намного удобнее использовать на практике, не правда ли? Вероятности мы умеем складывать, умножать, творить другие непотребства, в отличии от мертвых котов. Поэтому и дальше, когда мы будем говорить о квантовых битах, про которые все говорят, что они «одновременно 1 и 0», забейте на это и представляйте себе их как монетки. Каждый бит-монетка имеет строгую вероятностью быть прочитанным как 1 и строгую вероятность 0. Компьютер же может управлять этими вероятностями прямо в полёте пока не прочитает сам бит.
Прочитали бит — поймали монетку. Очень удобно. Если вы поняли монетки — вы уже наполовину поняли квантовый компьютер, поздравляю. Простите, я должен был использовать этот каламбур. Представим себе, что мы распилили нашу монетку вдоль.
Как печеньки Oreo. Получилось две монетки — одна только с орлом, вторая только с решкой. Пустая сторона разреза нас щас не интересует. Не подглядывая где какая, мы подбрасываем обе новых монетки в воздух переводим в суперпозицию, как мы теперь знаем. Монетки начинают вертеться в воздухе и не падают потому что они теоретические!
Тут квантовый физик скажет, что между монетками создана запутанность. Русская терминология лажает, потому лучше дополнительно запомнить английское слово — Entanglement. Оно встречается чаще. Всё это означает некую «зависимость», «спутанность» или просто «связь» состояний двух монеток. Как видите, никакой магии пока нет, законы физики мы не нарушали, на митинг не выходили.
Мы упаковываем одну из наших новых прикольных крутящихся монеток в коробку и отправляем её своему знакомому в другой город. А еще лучше на другую планету или в соседнюю галактику. Теперь мы оба имеем по монетке, но понятия не имеем орел нам достался или решка. Кажется, пришло время посмотреть. Звучит тупо, да?
Вот только Эйнштейн не был доволен такой фигнёй. Монетки находились далеко друг от друга, так? Но результат чтения одной моментально повлиял на значение второй, так? Значит мы только что нарушили теорию относительности и передали информацию быстрее скорости света. На этот раз без штрафа, но я выпишу вам предупреждение.
Но есть и хорошие новости: мы научились создавать системы из двух частиц, которые вот так моментально при чтении одной гарантируют нам значение другой. Мы называем такие половинки «запутанными» друг с другом. Такой вот физически нерушимый IF. Кубит Подойдём к настоящим квантовым вычислениям. Другие статьи в интернете сразу начинают с объяснения кубитов, но мне показалось, что зная три правила выше, нам будет намного проще разговаривать и действительно понять суть кубитов, а не «магию».
Теперь можно раскидать всё прямо на пальцах. 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.
Кубиты — это квантовые объекты, которые могут находиться в суперпозиции двух состояний, то есть кодировать одновременно и логическую единицу, и ноль. Это открывает новые возможности для обработки информации: компьютер из нескольких тысяч кубитов может производить вычисления со скоростью, недоступной современным суперкомпьютерам. В роли кубитов могут выступать атомы или электроны — цифровые данные записываются на их спине. Такие кубиты неустойчивы к воздействиям окружающей среды, способной нарушить их корректную работу, а процедура считывания и записи информации на них крайне сложна.
Но сам факт того, что в компьютерной гонке обычный и квантовый компьютер сравнялись, заставляет предположить, что очень скоро кое-кто вырвется вперед. Будь у Google процессор не на 53 кубита, а на 60, для проверки результатов компании IBM понадобилось бы уже 30 суперкомпьютеров Summit.
А на проверку 70 кубитов нужен суперкомпьютер величиной с огромный город. Есть ли какая-то научная ценность в бодании двух технологических гигантов? Является ли формальное «квантовое превосходство», пока что не применимое к жизни, важной вехой? И когда вообще ждать от этого всего практической пользы? Предположим, Google все-таки достиг квантового превосходства — что конкретно это доказывает и кто вообще в сомневался в том, что квантовое исчисление мощнее двоичного? Чем полезен квантовый компьютер? Давайте начнем с практической пользы. Протокол , который я разработал пару лет назад, использует для генерации случайных битов такой же процесс выборки, как и в эксперименте Google. Сам по себе он не впечатляет, но дело в том, что даже убежденному скептику можно продемонстрировать случайность битов, обеспеченную квантовой интерференцией.
Надежная случайность битов необходима для шифрования, например, в случае с криптовалютами с доказательством доли владения Proof-of-stake, или PoS — экологичными альтернативами биткоина. Google, кстати недавно купил права на этот протокол. Симуляция квантовых процессов природы. Еще одно практическое применение потребует больше кубитов и более высокое качество работы — как раз сейчас техногиганты спешат обогнать друг друга в конструировании такого устройства. Это небольшие квантовые компьютеры, которые смогут симулировать квантовые процессы химических веществ и материалов, помогая ученым в их исследованиях. Симуляция квантовой механики, превосходящая количество амплитуд в реальности за счет компьютера, равного по мощности самой природе, — о таком применении говорил Ричард Фейнман в начале 1980-х годов, когда создал концепцию квантового компьютера. Это всё еще самое важное применение этой технологии, которое поможет в разработке чего угодно: от аккумуляторов и солнечных батарей до удобрений и лекарств. Достижение невероятных мощностей. Еще одна веха будущего — квантовое исправление ошибок.
В теории эта технология позволит удерживать кубиты в правильном состоянии без помех в течение длительного периода времени. Исследователи полагают, что квантовое исправление ошибок в итоге позволит квантовым компьютерам вырасти от пары сотен кубитов до машин с миллионами или миллиардами кубитов, что сделает мечту Фейнмана реальностью. Но этого пока что никто не сделал — и неизвестно, когда это станет возможным. Google доказал, что квантовая механика работает В то же время эксперимент Google — это решающее доказательство жизнеспособности самой идеи.
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. Если вам интересны космос, физика, робототехника, современная медицина и биология, то вам сюда.
Квантовые компьютеры
При успешной реализации планов, квантовый компьютер на базе 12 сверхпроводящих кубитов станет крупнейшим достижением российских ученых в этом направлении. Последние новости о разработке собраны в этой статье. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур.
Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание
Физически биты представлены транзисторами, в которых присутствие электрона, проходящего через затвор, означает 1, а отсутствие — 0. Компьютерная микросхема заполнена несколькими триллионами миниатюрных транзисторов, обеспечивающих его функционирование микросхемы не могут стать меньше, так как информация представлена в виде электронов. Кубиты принципиально отличаются от битов тем, что не ограничиваются только 0 и 1. Они могут принимать любые значения между 0 и 1. Это явление называется суперпозицией и существует только в квантах — очень маленьких объектах. Кубитом может быть любой объект, проявляющий квантовое поведение, например фотон. Кубит, находящийся в суперпозиции, при измерении коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний 0 или 1.
Вероятность состояния 1 или 0 определяется суперпозицией кубита. Если кубит находится в равной суперпозиции, то он находится наполовину в состоянии 0, наполовину в состоянии 1. Для понимания суперпозиции нужно думать о состояниях как о волнах, а не как о двух взаимоисключающих классах. Представьте себе две разные песни, одну из которых назовём песня A, другую песня B. Поскольку при измерении кубит коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний, невозможно измерить истинное вероятностное состояние кубита. Впрочем, можно измерить его приблизительно.
Суперпозиция — реальное явление: знаменитый эксперимент с двумя щелями демонстрирует, что определённые кванты, подобные электронам или фотонам, находятся в волновых состояниях и, проходя через две щели, вызывают появление интерференционной картины на экране. Источник На аппаратном уровне главная сложность в конструировании кубитов заключается в их вероятностной природе ведь они не детерминированы , что означает, что их состояние может очень легко изменяться под воздействием внешних сил. Кубиты трудно поддерживать по той же причине, по которой они так мощны — множество их возможных состояний трудно контролировать более нескольких секунд. Применение квантовых вентилей для осуществления операций зачастую может приводить к ошибкам вентиля из-за случайного неосторожного обращения с кубитом. Напомню, что кубитом может быть что угодно от фотона до электрона или определённых молекул , если они демонстрируют квантовое поведение. Многокубитные системы и запутанность Ваш компьютер далеко не продвинется с одним битом , ведь он может принимать только два значения, а компьютер работает с огромной многоразрядной системой.
Как и биты, кубиты можно собрать в многокубитную систему. В 2-кубитной системе в состоянии 10 первый кубит находится в состоянии 1 и второй в состоянии 0. Однако из-за суперпозиции 2-кубитные системы не ограничены только детерминированными значениями 0 или 1. Они могут находиться в суперпозиции.
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. Например, с помощью них создаются « плащи-невидимки », скрывающие объекты от того же излучения. Все эти вещи делались с классическими резонаторами, которые имеют, во-первых, потери, что в сверхпроводниках отсутствует, а во-вторых, совершенно не квантовые.
Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное. И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси. Духова , Института физики металлов им. Михеева Екатеринбург , Института физики ионных пучков и исследования материалов Германия и Университета Аалто Финляндия. Российские ученые повысили производительность квантовых процессоров с помощью кудитов Ученые НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили подход к реализации квантовых алгоритмов с использованием дополнительных уровней квантовой системы, который позволил на порядок повысить итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов.
Российские ученые знают, как сделать квантовый процессор мощнее По словам ученых, основной способ повышения производительности квантовых процессоров — увеличение числа их кубитов — наименьшей единицы информации в квантовом компьютере. Однако ионы или атомы, которые часто выступают в роли кубитов, имеют больше двух уровней и могут работать не только как кубиты, но и как кудиты, которые являются расширенной версией кубита и могут находиться в трех кутриты , четырех кукварты , пяти куквинты и более состояниях. Дополнительные состояния позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях, что, в свою очередь, дает возможность реализовывать все более сложные и комплексные квантовые алгоритмы. Таким образом возрастает мощность квантового процессора , и операции могут производиться значительно быстрее, пояснили исследователи. По состоянию на апрель 2023 года, большая часть исследований, посвященных квантовым операциям, сосредоточена на кубитах — все операции, которые применяются к квантовой системе, представляются в виде одно- и двухкубитных квантовых вентилей, преобразующих входные состояния кубитов в выходные по определенному закону. Для работы с кудитами важно найти новые подходы с математической точки зрения. Ученые Университета МИСиС и Российского квантового центра рассмотрели один из способов использования куквинтов — 5-уровневых кудитов — и представили модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли. В качестве примера рассмотрен квантовый алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. Известно, что, используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор.
Такое рассмотрение помогает одновременно и сократить число физических носителей информации, и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей, или как их еще называют — гейтов — сложных логических операций с кубитами. Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить число двухчастичных гейтов, то есть задействующих две физические системы», — рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров. Заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров В качестве раскладываемого многокубитного гейта ученые выбрали часто встречающийся в квантовых алгоритмах многокубитный гейт Тоффоли — обобщенную на n кубитов версию универсального контролируемого обратимого вентиля. Его применение инвертирует состояние n-го кубита, если все остальные n-1 кубитов находятся в состоянии 1. Как отметили исследователи, располагая в каждом куквинте по два кубита и используя пятый уровень в качестве вспомогательного, можно значительно сократить число двухчастичных гейтов в его разложении по сравнению с расположениями на кубитах и таким образом повысить качество выполнения квантовых алгоритмов. Для демонстрации процессов был выбран именно этот алгоритм, так как для его выполнения необходимо неоднократно реализовать многокубитные гейты. Мы сравнили три способа декомпозиции многокубитных вентилей в рамках выполнения данного алгоритма на 2-10 кубитах, когда в качестве носителей информации используются кубиты, кутриты и куквинты, и продемонстрировали, как сокращается число двухчастичных гейтов», — пояснила эксперт научного проекта НИТУ МИСиС, научный сотрудник РКЦ Анастасия Николаева. Например, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88. Полученные учеными результаты применимы к квантовым процессорам , основанным на различных физических платформах, таких как ионы, нейтральные атомы, сверхпроводящие цепи и другие.
Статья опубликована в научном журнале Entropy. Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты — альтернативу популярным трансмонам. Особенность флаксониумов состоит в более продолжительном жизненном цикле и большей точности операций, что дает возможность выполнять более длинные алгоритмы. Как известно, одна из основных проблем разработки универсального квантового вычислителя заключается в кубитах, а именно — из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров : электронов, фотонов, ионов, сверхпроводников или других кандидатов в «квантовые транзисторы». За последние десять лет сверхпроводниковые кубиты получили огромный толчок в развитии. При этом самыми коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами по состоянию на 2022 год являются трансмоны, которые активно исследуются и используются в квантовых разработках Google , IBM и других мировых лабораторий, рассказали в НИТУ МИСИС. По словам ученых, главная задача кубита — целостно хранить и обрабатывать информацию. Случайный шум и даже просто наблюдение способны привести к потере или изменению данных.
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. Если вам интересны космос, физика, робототехника, современная медицина и биология, то вам сюда.
В погоне за миллионом кубитов
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? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем!
Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам. Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно: 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров! Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений.
Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго. У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ. Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз! Квантовые компьютеры сегодня Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера?
А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!
Мы расскажем вам о том, как интересен мир вокруг и поможем разобраться в самых сложных вещах. Если вам интересны космос, физика, робототехника, современная медицина и биология, то вам сюда. Подписывайтесь на «Чердак» и исследуйте мир вместе с нами!
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. 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.
Каждый из них может в определенный момент времени находиться в «открытом» или «закрытом» состоянии — как электрический переключатель. Эти два состояния и представляют собой те самые нули и единицы, с помощью которых человек общается с компьютером и наоборот. По мере развития технологий производители размещают на процессорах компьютеров все большее и большее количество транзисторов. Это увеличивает скорость работы и вычислительные возможности техники. Но всему есть физический предел, и мы вплотную к нему приблизились. Если раньше вычислительная мощность производимых процессоров удваивалась примерно каждые два года, то сегодня этот темп падает на глазах. В то же время потребности человечества в вычислениях постоянно растут, опережая развитие электроники. Но вернемся к Ричарду Фейнману и его теории. Основное отличие квантового компьютера от обычного заключается в представлении информации в его процессоре. Единица информации в обычном компьютере — бит, представляющий собой ноль или единицу. Третьего не дано. Единица хранения информации для квантового компьютера — квантовый бит, или, сокращенно, кубит. Это квантовый объект — вещь, которую гораздо проще описать, чем представить. Что такое кубиты для квантовых компьютеров Итак, если бит — это одна из двух условных точек 1 или 0 , то кубит можно представить себе в виде сферы с полюсами в этих же точках — 1 и 0. Кубит также может принимать значение 1 или 0. Но кроме них он может находиться в состоянии суперпозиции, то есть иметь любое из возможных значений, лежащих на поверхности сферы. И все это — одновременно. Но что именно расположено на поверхности сферы? Может быть, кубит имеет переменное плавающее значение? В некотором смысле это так, но трудность в том, что невозможно узнать это значение для конкретного момента времени, как это делается для обычных переменных. Если выразиться максимально простым языком, кубит похож на магический шар. Если этому шару задать вопрос, то ответом может быть единица или ноль. Но выпадут они с разной вероятностью. Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции. Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности. Две взаимосвязанные квантовые частицы синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними миллионы световых лет. Зацепленность дает возможность собирать кубиты в «наборы».
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света.