Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии.
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
| Что такое кубиты и как они помогают обойти санкции? | Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. |
| Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения | Quantum Crypto | аж 1,8 миллисекунды. |
| Что такое кубиты и как они помогают обойти санкции?🤔 | | В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах. |
| Что такое квантовый компьютер? Разбор / Хабр | При успешной реализации планов, квантовый компьютер на базе 12 сверхпроводящих кубитов станет крупнейшим достижением российских ученых в этом направлении. |
| Кубит — Википедия с видео // WIKI 2 | Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. |
Квантовые компьютеры
Цель данной статьи — сформировать у читателя понимание возможных сценариев развития квантовых компьютеров, их потенциального места среди других существующих технологий, а также текущего прогресса в борьбе с практическими ограничениями, препятствующими широкому распространению продуктов и сервисов на основе квантовых вычислений уже сегодня. Парадигма квантовых вычислений Прежде всего определим, какое место квантовые вычислители могут в перспективе занять в устоявшейся индустрии информационных технологий. Как известно, классические компьютеры оперируют битами — единицами информации, которые позволяют различить два состояния системы: 0 и 1. В основе логики квантового компьютера лежит схожее понятие — кубит. Кубит — объём информации, описывающий квантовую систему с двумя состояниями. В отличие от бита, кубит может принимать промежуточные значения, сочетающие вклад состояний 1 и 0 в разных пропорциях. Если кубита два, то возможных вкладов в состояние становится четыре: 00, 01, 10, 11.
И так далее в геометрической прогрессии. Если число кубитов приближается к нескольким сотням, то памяти всех классических компьютеров не хватит, чтобы сохранить полный объём информации о состоянии такого регистра. На практике это в совокупности с особенностями обработки и считывания квантовой информации приводит к тому, что отдельные задачи на квантовом вычислителе начинают решаться качественно быстрее, чем на классическом. Например квантовый алгоритм Шора позволяет разложить число на простые множители с экспоненциальным ускорением [8], а алгоритм Гровера — осуществить поиск по неструктурированной базе данных с квадратичным ускорением [9]. Из первого следует потенциальное разрушение криптографической стойкости шифров с открытым ключом на основе RSA, а из второго — квадратичное ускорение решения любой NP-задачи и соответствующее снижение стойкости симметричных шифров. То есть для обеспечения того же уровня секретности понадобится вдвое более длинный ключ.
Математически доказано, что квантовый компьютер способен эффективно моделировать классический [10]. То есть всё, на что способен классический компьютер, квантовый компьютер способен исполнить по крайней мере не хуже. Однако на практике квантовый компьютер сегодня — весьма сложная лабораторная установка, отдельные элементы которой зачастую требуют криогенного охлаждения. Главным ограничением квантового компьютера является ограничение по объёму обрабатываемых данных. В лучшем случае сегодня это несколько сотен кубитов, что никак нельзя сравнить с доступными классическим вычислителям гигабайтами оперативной памяти. Поэтому реальный сценарий использования квантового вычислителя — гибридный.
Вся инфраструктура остаётся классической, и только при необходимости произведения отдельных специфичных расчётов классическая программа удалённо подключается к квантовому вычислителю, передаёт ему данные и считывает результат. Единственная технология, которая остаётся за рамками такой картины — квантовые коммуникации. Квантовая криптография, которая как раз способна обеспечить концептуальную защиту от атаки квантовым вычислителем, требует создания новой инфраструктуры для передачи квантовой информации. Это может быть оптическое волокно или атмосферный лазерный канал. Не исключается использование на оптическом канале дронов и спутников. Также, помимо непосредственно программируемых квантовых компьютеров, возможно использование проблемно-специфичных квантовых устройств.
С их помощью, например, на линиях квантовых коммуникаций может осуществляться коррекция ошибки без считывания квантового состояния. Данный тип устройств не предъявляет больших требований по числу кубитов или объёму исполняемой программы и теоретически может быть реализован на имеющейся сегодня технологической базе. Из всего перечисленного выше формируется образ перспективной информационной инфраструктуры. Квантовые вычислители не повлияют существенным образом на облик имеющихся сегодня сервисов, оставив все конечные пользовательские интерфейсы привычно классическими. Может повыситься скорость обработки данных в отдельных задачах за счёт доступа пользовательских устройств к облачным квантово-вычислительным сервисам. Также появится квантовая информационная инфраструктура, в первую очередь для квантовой криптографии.
Это будут стационарные, либо мобильные, но маловероятно, что карманные устройства для квантового распределения ключей. Вполне возможно, что более простые и компактные по сравнению с полноценными компьютерами квантовые вычислительные системы будут использоваться на конечных пользовательских узлах для обработки квантовой информации. Квантовые алгоритмы и возможности квантовых вычислителей Ступень развития, на которой сегодня находятся квантовые вычислители, получила название NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum — квантовые устройства среднего масштаба без коррекции ошибок. Название отражает две главные проблемы, сдерживающие развитие квантовых компьютеров — сложность создания регистра большого объёма и большая подверженность влиянию внешних шумов. Две этих проблемы неразрывно связаны. То, что под влиянием шума квантовые состояния со временем теряют заложенную в них информацию, влияет на нашу способность контролировать одновременно большое число кубитов.
Экспериментальные реализации квантовых вычислителей только чуть более года назад перешагнули рубеж в 100 кубитов в регистре [11]. Теоретически, этого уже достаточно, для экспериментальной реализации некоторых алгоритмов криптоанализа. Атака полноценного AES-128 может быть выполнена при 384 доступных кубитах [13]. Однако глубина данного алгоритма такова, что к концу его исполнения полезная информация в вычислительном регистре будет почти полностью уничтожена шумами. Справиться с такими нежелательными эффектами призвана технология коррекции ошибок. Вероятность того, что несколько кубитов одновременно потеряют информацию о своём состоянии под действием шумов — ниже, чем для одного.
Для коррекции ошибок вводится понятие логического кубита, состояние которого кодируется несколькими физическими кубитами. Если часть физических кубитов, кодирующих один логический, оказалась зашумлена, их состояния могут быть восстановлены с опорой на информацию, сохранённую в остальных кубитах. Таким образом, для повреждения состояния логического кубита необходимо, чтобы к моменту выполнения коррекции большая доля физических кубитов была значительно зашумлена. Такой подход в теории позволяет бороться с шумами, но кратно увеличивает требования к объёму регистра квантовых вычислителей. Объём регистра, необходимого для выполнения атаки Гровреа на AES с применением коррекции ошибок составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч кубитов. Объём регистра, необходимого для атаки шифра RSA алгоритмом Шора преодолевает порог в сто тысяч кубитов.
Возможность реализации вычислителя с регистром такого объёма в ближайшие пять лет представляется крайне маловероятной. Однако не исключено, что первые попытки лабораторной реализации подобных алгоритмов или их элементов начнут появляться к концу десятилетия. Рост числа кубитов по годам Другим возможным подходом к борьбе с шумами является не коррекция, а подавление ошибок [14]. Наиболее распространёнными являются подходы с так называемой экстраполяцией к нулевому шуму и с применением в схеме дополнительных параметризованных гейтов, призванных статистически подавлять влияние специфических шумов. 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.
Специалисты Atomic Computing при описании своей работы тоже предоставляют ссылку на работу в Nature, где заявляют о рекордном времени когерентности кубита. В статье можно подробнее ознакомиться с деталями реализации кубитной архитектуры. Результаты действительно впечатляют — время декогеренции в 40 секунд существенно превосходит предыдущие показатели и потенциально позволяет производить очень объёмные вычисления. Конечно, при условии, что информация в кубитах не будет потеряна вследствие неточности применяемых к ним гейтов, особенно двухкубитных. И вот тут информации о характеристиках нового устройства достаточно мало. По какой-то причине авторы не выносят точных значений фиделити двухкубитного гейта в своей системе в первые строки пресс-релиза.
Нет этих данных и в упомянутой статье, а документ с общим описанием оригинальной технологии, на который ссылается пресс-релиз, содержит лишь концептуальное объяснение работы двухкубитного гейта для атомов на основе эффекта Ридберговской блокады — давно известного и широко используемого подхода, в оттачивании которого и состоит одна из главных задач на пути масштабирования атомных вычислителей. Вместо этого Atom Computing предоставляет в основном информацию о технологиях создания атомных регистров, точности сохранения в них информации и её дальнейшего считывания. Таким образом, преждевременно говорить, что мы подошли к окончанию эпохи NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum computers, шумных квантовых вычислителей среднего масштаба. Для полноценного осознания величины совершенного прорыва необходимо дождаться исчерпывающих данных о точности работы нового компьютера в реальных квантовых алгоритмах.
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»? Законы квантовой механики действуют непреклонно — придется просчитывать все возможные значения всех тысяч бит. Это 2 в тысячной степени — больше, чем количество атомов в наблюдаемой Вселенной! Если у вас 53 кубита, как в «Сикоморе» от Google, то получится 2 в степени 53, или около 9 квадриллионов значений. В чем суть эксперимента по квантовому превосходству? Цель эксперимента Google — с помощью 53 кубит «Сикомора» произвести вычисление, для симуляции которого обычному компьютеру действительно понадобилось бы 9 квадриллионов шагов. Кубиты в «Сикоморе» расположены в прямоугольной сетке, которая позволяет каждому кубиту взаимодействовать с соседними. От обычного компьютера снаружи холодильной камеры к «Сикомору» идет сигнал, сообщающий каждому кубиту, как ему себя вести, с каким из соседей взаимодействовать и когда. Иначе говоря, это программируемое устройство — именно поэтому оно и называется компьютером. В конце все кубиты измеряют, получая случайную строку из 53 битов. Какая последовательность взаимодействий используется для получения этой строки, неважно. В эксперименте Google они были случайными. Затем можно снова выполнить ту же самую последовательность, чтобы сэмплировать другую случайную 53-битную строку точно таким же образом — и так далее, так часто, как вам нужно. По оценке Google, чтобы повторить пробное вычисление, которое заняло у «Сикомора» 3 минуты 20 секунд, понадобилось бы 10 тысяч лет и 100 тысяч традиционных компьютеров, на которых запущены самые быстрые на сегодняшний день алгоритмы. Эта задача так сложна, что с помощью обычного компьютера оказалось невозможно даже проверить результаты вычисления!
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! 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!
Квантовые вычисления для всех
И тут важны два понятия: Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, в котором используются явления квантовой механики для обработки данных. Вероятность Классическая механика основана на детерминизме: транзистор либо включен, либо нет, кран или закрыт, или открыт. В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен? Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками. В ходе эксперимента Шредингера возникает суперпозиция Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы.
Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы. То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание. Суперпозиция Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью. Нахождение в любой из комбинаций называется суперпозицией. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0 И вот тут-то загвоздка — значение этой частицы зависит от многих факторов, в том числе и измерения.
Мы не знаем точно, в каком именно состоянии находится кубит, пока не решим его измерить. Запутано, правда? Благодаря кубитам со сложными задачами, на решение которых даже суперкомьютеру нужны недели, квантовый справится за считанные минуты. Какие задачи может решать квантовый компьютер Кубиты помогают быстро обрабатывать данные, поэтому их применение почти безгранично: Медицина Квантовые технологии уже применяют для ускоренной разработки, тестирования лекарств и диагностики некоторых заболеваний на ранней стадии. Например, FAR Biotech исследует биоактивные молекулы и белки и новые структурные классы, которые невозможно было бы обнаружить без мощных квантовых компьютеров. Свои исследования компания направляет на борьбу с онкозаболеваниями.
В теории в будущем квантовые вычисления откроют новые горизонты в генной инженерии, помогут создавать новые лекарства и моделировать ДНК. Прогнозирование От финансового сектора до прогноза погоды — кубиты просчитывают множество переменных в разы быстрее, чем обычные компьютеры.
Квантовый ключ представляет собой шифр, и передают его при помощи фотонов света — квантов. Если вы знаете шифр, а точнее, не вы, а ваш компьютер или телефон, они автоматически расшифровывают секретное сообщение. Это может быть что угодно: электронная подпись, информация из банка или страховой компании. При этом злоумышленники добраться до них никогда не смогут. Система тут же отреагирует на любую попытку взлома.
Но это не все, на что способны кванты. Два года назад в США сумели перевести в квантовое состояние зеркала антенны массой десять килограммов. Это назвали едва ли не величайшим событием десятилетия — огромные зеркала подобно квантам находились в лаборатории и за ее пределами. И стояли, и двигались, были и в прошлом, и в будущем. Возможно, если мы научимся вводить человека в состояние квантовой гибернации, это с успехом заменит анестезию при операции. А может быть, упростит межпланетные путешествия", — отметил директор лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории Массачусетского технологического института Дэвид Шумейкер. И выходить из него мы будем абсолютно здоровыми.
Путешествия во времени, кстати, тоже могут стать обыденностью, ведь для квантов его не существует. Теперь ясно, о какой квантовой революции шла речь.
На данный момент мы сосредоточены как на программном, так и на аппаратном обеспечении, и в дальнейшем мы объединим их. Предстоит проделать огромный объем работы, чтобы охарактеризовать эти устройства, а затем написать много научных работ», — добавил Кларк. LPS Qubit Collaboratory LQC является одним из исследовательских центров министерства обороны в области квантовых информационных наук QIS , учреждённых в рамках Закона о национальной квантовой инициативе 2018 г. Intel заявляет, что сотрудничество с LQC поможет демократизировать кремниевые спиновые кубиты, позволив исследователям получить практический опыт работы с их масштабируемыми массивами. По словам Кларка, Intel предоставит квантовые устройства, в то время как исследовательские организации будут нести ответственность за приобретение и настройку необходимой инфраструктуры, такой как системы криоконтроля. Представители научных учреждений, участвующие в программе, единодушны в том, что участие Intel является важной вехой в демократизации исследования спиновых кубитов и их перспектив для квантовой обработки информации и ведёт к объединению промышленности, научных кругов, национальных лабораторий и правительства. По мнению учёных, устройство представляет собой гибкую платформу, позволяющую напрямую сравнивать различные кодировки кубитов и разрабатывать новые режимы работы, что позволяет внедрять новые квантовые операции и алгоритмы в многокубитном режиме и ускорять скорость обучения в квантовых системах на основе кремния.
Исследователи также высоко оценивают надёжность Tunnel Falls, а возможность работать с промышленными устройствами Intel открывает, по их мнению, перспективы для технического прогресса и обучения. Intel планомерно работает над повышением производительности Tunnel Falls и интеграции его в свой полный квантовый стек с помощью комплекта Intel Quantum SDK. Кроме того, Intel уже разрабатывает свой квантовый чип следующего поколения на базе Tunnel Falls, ожидается, что он будет выпущен в 2024 году. В будущем Intel планирует сотрудничать с дополнительными исследовательскими институтами по всему миру для создания квантовой экосистемы. Есть неплохие кандидаты на роль кубитов, но каждый из них несёт багаж недостатков. Учёные из Нидерландов попытались создать гибридные кубиты, сочетая лучшие и нивелируя худшие их свойства, и преуспели в этом. Перспективный гибридный кубит лёгок в производстве, прост в управлении и стабилен. Правда, пока только в лаборатории и на бумаге. Учёный держит квантовый чип пинцетом, перед установкой на плату.
Источник изображения: QuTech Исследователи уже не раз горели желанием сочетать сверхпроводящие и спиновые явления. Кубиты на основе сверхпроводников, которые используют стабильные состояния электромагнитных полей или моды, хорошо изучены и используются на практике в составе квантовых компьютеров IBM, Google и других. Такие кубиты хорошо взаимодействуют на больших расстояниях и легко управляются, хотя они относительно большие и имеют предел по скорости выполнения операций. Спиновые кубиты на атомах или элементарных частицах малы и могут массово выпускаться даже на полупроводниковых заводах из 80-х годов прошлого века. Но такие кубиты ограничены по дальности взаимодействия и управления. Как взять одни свойства перспективных кубитов и отбросить другие? Эту задачу попытались решить учёные из QuTech — исследовательской организации, созданной Делфтским технологическим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований TNO. В свежей работе, опубликованной в Nature Physics, учёные рассказали о создании и успешных испытаниях гибридной спиново-сверхпровдящей платформы. Можно сказать, что учёные улучшили так называемый «спиновый кубит Андреева», который строится на основе ряда квантовых эффектов, названных именем советского физика Александра Фёдоровича Андреева.
В джозефсоновских контактах, где сверхпроводящий ток течёт без напряжения, существуют микроскопические электронные состояния — андреевские уровни, каждый из которых может рассматриваться как микроскопический источник эффекта Джозефсона. Они же являются родительскими состояниями майорановских мод. Джозефсоновские переходы или контакты способны также захватывать сверхпроводящие квазичастицы со своими спинами. Тем самым появляется связь между сверхтоками и спинами. Сверхпроводящим током можно изменять направление спина, а детектирование спина может регистрировать сверхпроводящие токи. Это говорит о том, что "спиновый кубит Андреева" может стать ключевым элементом для соединения квантовых процессоров, основанных на радикально различных технологиях кубитов: полупроводниковых спиновых кубитах и сверхпроводящих кубитах». Учёные всего мира ищут возможность продлить квантовые состояния кубитов до возможности запуска на них сложных алгоритмов. Речь идёт хотя бы о секундах, не говоря о более длительном времени.
В любом смартфоне таких "рубильников" несколько миллиардов. Принципиально важно, что в каждый момент времени каждый из миллиарда "рубильников" может быть только в одном положении. Это наименьшая единица информации - один бит. В квантовом компьютере все иначе. Квантовый бит кубит может быть одновременно и в состояниях "0" и "1", и во всех их комбинациях. Кубит - это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. Конечно, с точки зрения большинства людей, это звучит совершенно невероятно, но квантовая физика открывает такую возможность. Именно она позволяет квантовому компьютеру за счет параллельного выполнения сразу нескольких операций быстро решать задачи, которые не по силам мощному суперкомпьютеру. Самое главное, что квантовый выбирает из множества вариантов решения по-настоящему лучший, а не просто оптимальный. Основа традиционного компьютера - кремниевый транзистор, а на чем строится квантовый? Руслан Юнусов: Здесь пока ситуация неопределенная. Мир еще не выбрал лучшую технологию. Сейчас конкурируют 4 варианта кубитов: на одиночных атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. У каждой платформы есть свои плюсы и минусы. Возможно, какая-то одна в конце концов вытеснит остальных конкурентов. А может, останутся все, и каждая окажется наилучшей для определенного класса задач. Ваше превосходство О фантастических возможностях квантового компьютера говорят лет 40, но вот о кардинальных прорывах не слышно. Зато есть достаточно авторитетные скептики, которые утверждают, что он вообще никогда не будет создан. Что это игрушка, которой морочат голову и умело выбивают огромные деньги, удовлетворяя собственное любопытство. Руслан Юнусов: Да, такое мнение существует. Но скептики всегда были, есть и будут. Это нормально. Напомню, что сама идея квантового компьютера была сформулирована в 80-е годы, а первые кубиты появились только через 20 лет, на рубеже 2000-х годов. Прошло еще 20 лет, и сейчас лидеры делают вычислители с сотнями кубитов. Что касается глобальных достижений, то за последние годы произошло как минимум несколько. Так, группы в США и Китае смогли достичь так называемого квантового превосходства. Превосходства над чем? Руслан Юнусов: Над суперкомпьютерами. Им были предложены тесты, с которыми квантовые, имея всего несколько десятков кубитов, справились за несколько минут. Так вот суперкомпьютерам они оказались вообще не под силу. Безоговорочная победа? Значит, квантовые машины уже сейчас можно выпускать в "люди"? Руслан Юнусов: Увы, к этому мы еще не пришли.
Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание
| Как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен — Журнал «Код» | Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. |
| Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше | Начинаем погружаться в основу основ квантовой связи и квантовой информатики, так что сегодня узнаем, что такое кубит, для чего он нужен и в каких направления. |
| Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему | Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. |
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия). Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле. Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?».
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Но что такое квантовые компьютеры на самом деле? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они такие мощные? Небольшая затравочка — мы вам расскажем, как любой из вас может уже сегодня попробовать воспользоваться квантовым компьютером! Устраивайтесь поудобнее, наливайте чай, будет интересно. Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?
Начнем с очень простого классического примера. Представим, что у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Фугаку. Его производительность составляет 415 ПетаФлопс. Давайте дадим ему следующую задачку: надо распределить три человека в две машины такси. Сколько у нас есть вариантов?
Как быстро наш суперкомпьютер справится с этой задачей? Задачка-то элементарная. А теперь давайте возьмем 25 человек и рассадим их по двум шикарным лимузинам, получим 2 в 25 степени или 33 554 432 варианта. 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.
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?
Проблема банальна — невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум отсутствие других частиц , температура, максимально близкая к нулю по Кельвину для сверхпроводимости , и полное отсутствие электромагнитного излучения для отсутствия влияния на квантовую систему. Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день — это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов. Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам: Но все же такие устройства оказываются ощутимо в тысячи раз мощнее обычных ПК, что можно считать прорывом. Однако заменят пользовательские устройства они ох как не скоро — для начала нам нужно или научиться создавать условия для работы таких устройств дома, или же наоборот, «заставить» работать такие устройства в привычных нам условиях. Шаги во втором направлении уже были сделаны — в 2013 году был создан первый двухкубитный квантовый компьютер на алмазе с примесями, работающий при комнатной температуре.
Однако увы — это всего лишь опытный образец, да и 2 кубита — маловато для вычислений.
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». Если в наборе из двух бит можно хранить одну определенную последовательность из двух значений нулей или единиц , то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательностей из двух этих значений. А это намного больший объем информации.
Как устроены квантовые компьютеры? Вопреки ожиданиям, современные квантовые компьютеры не очень большие — размером примерно с холодильник но есть еще коробка с электроникой размером с комод. А вот детально они устроены гораздо сложнее привычных компьютеров. Обычно они состоят из: Квантовой системы. Технологии могут отличаются, но в основном роль кубитов играют либо ионы с разными уровнями энергии, либо сверхпроводящие цепи с разными колебательными состояниями, либо топологические кубиты например, майорановские частицы. Некоего кластера, в котором находятся кубиты и в котором они будут как можно дольше стабильны. Кластеры обычно охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю, или стабилизируют с помощью химических компонентов. Цель — защитить кубиты от любых внешних помех. Устройства для передачи сигналов кубитам, чтобы манипулировать их состоянием.
Часто это делают с помощью микроволновых импульсов или лазерного света с определенной длиной волны. Обычного компьютера, который в рамках программы будет передавать кубитам инструкции алгоритм для решения конкретных задач. Сам принцип работы квантового компьютера еще сложнее, для его объяснения нужно вводить множество терминов типа туннелирования, эффекта Джозефсона, куперовских пар и так далее, при этом всегда будет вероятность неверного объяснения принципов в конце концов, мы не ученые. Поэтому, чтобы не усложнять материал, просто покажем несколько изображений разных квантовых компьютеров: Left Right Кто делает квантовые компьютеры? Определенные амбиции есть у Alibaba, Taiwan Semiconductor и ряда других игроков. Последние, кстати, говорят, что обладают самым быстрым коммерческим квантовым компьютером в мире — модель Advantage предполагает 5000 кубитов, каждый из которых может соединяться с другими 15 разными способами. Несмотря на довольно большое число разработчиков мы упомянули компании преимущественно из США, но есть другие , у вас дома вряд ли когда-нибудь появится квантовый компьютер. Технология десятилетиями оставалась просто концепцией как раз потому, что кванты очень чувствительны к любым воздействиям, то есть могут коллапсировать даже от небольших помех — и это проблема. Вряд ли вы захотите жить в вакууме.
Но воспользоваться мощью таких компьютеров вы, скорее всего, сможете. Компании постепенно выходят на рынок облачных квантовых вычислений, то есть позволяют удаленно взаимодействовать со своими системами: писать для них программы и алгоритмы, вести расчеты.
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Особенно на фоне последних новостей из IBM об открытии квантового вычислительного центра IBM Quantum Computing Center в Нью-Йорке на базе пяти 20-кубитных и одной 53-кубитной системы. «Пять тысяч кубитов» звучат гораздо ярче, чем сообщение о недавнем эпохальном.
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле. Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
Впрочем, в ближайшее десятилетие ученые панируют это изменить. А облачные вычисления на процессорах будущего доступны простым пользователям уже 8 лет: IBM в 2016 году запустила облачную платформу IBM Q Experience с удалённым доступом к квантовому компьютеру. Самый мощный квантовый компьютер для коммерческого использования на сегодня содержит 5 000 кубитов. Это разработка немецкого исследовательского центра на базе канадской системы D-Wave, Advantage, так назвали машину.
Ее возможности можно протестировать — вычисления доступны через облако. Первые квантовые ЦОД Сейчас квантовые машины используют в основном в лабораториях — им нужны особые условия. Это не ПК и не ноутбук, который можно легко взять с собой в дорогу — компьютер на кубитах по размеру больше холодильника.
Суть в том, что чем больше кубитов, тем более неустойчивой становится система. Пока самый успешный концепт холодильника для квантовых компьютеров представила D-Wave. Несмотря на особые условия размещения, которые не просто обеспечить, в сети уже появились новости о строительстве первых квантовых дата-центров — IBM планирует построить первый ЦОД для суперкопьютеров в Германии.
С его помощью компания планирует облегчить доступ к передовым вычислениям исследовательским и государственным учреждениям. Но квантовые технологии не только научный прорыв, а еще и вызов для ученых — для защиты квантовых данных уже недостаточно обычных методов асимметричного шифрования, любые данные с суперкомпьютером можно взломать за несколько минут. Для безопасной и быстрой передачи данных уже сейчас прокладывают квантовые магистральные связи — в России такая линия соединяет Москву, Санкт-Петербург и Нижний Новгород, в ближайшие несколько лет продолжат подключать и другие города.
Сеть позволит шифровать данные алгоритмом квантового распределения ключей, который усиливает защиту информации за счет своей симметричности. Первый видеозвонок по квантовой сети прошел успешно. И тот, кто сумеет разработать супертехнологию, получит способ изменить мир вычислений.
Пока возможности квантового компьютера ограничены — разработки находятся на первой стадии развития. Но облачные решения определенно ускорят внедрение квантовых технологий. А если вы ищете надежный хостинг для любых задач и вычислений, попробуйте Рег.
Сейчас в Рег.
Биты и кубиты В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это реализовано так: В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе: если его включить, вода польётся, если выключить — остановится. В транзисторе вода — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке. Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления. Из-за того, что транзисторов очень много миллиарды , а работают они очень быстро близко к скорости света , транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления.
Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света. Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено. Ключевое слово здесь — «определённо».
Благодаря развитию Интернета такой обмен стал доступен сегодня большинству людей - надо только иметь компьютер с модемом или сетевой картой. Естественно, что, обмениваясь информацией по сети, вы бы хотели сохранить свои сообщения в тайне от посторонних. Однако полностью защитить протяженную линию связи от прослушивания невозможно. Значит, при посылке сообщений их необходимо зашифровать, а при получении - расшифровать. Но как вам и вашему собеседнику договориться о том, каким ключом вы будете пользоваться? Если послать ключ к шифру по той же линии, то подслушивающий злоумышленник легко его перехватит. Можно, конечно, передать ключ по какой-нибудь другой линии связи, например отправить его телеграммой. Но такой метод обычно неудобен и к тому же не всегда надежен: другую линию тоже могут прослушивать. Хорошо, если вы и ваш адресат заранее знали, что будете обмениваться шифровками, и потому заблаго-временно передали друг другу ключи. А как быть, например, если вы хотите послать конфиденциальное коммерческое предложение возможному деловому партнеру или купить по кредитной карточке понравившийся товар в новом Интернет-магазине? В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использую щие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый не требующий хранения в тайне и закрытый строго секретный. Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый - для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание. Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, - это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ он изначально хранится у вас , легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе. Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом. Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K так называемая задача факторизации - практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K. Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного 512-битного числа. Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 1025! Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях. И все было хорошо до тех самых пор... Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации и многие другие! Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов! Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов транзисторов, а затем и интегральных схем , а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств. В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам. По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана СН4. Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое по числу частиц количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной! И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д.
Компьютер разработала команда ученых из Российского квантового центра и физического института им. Лебедева РАН при координации госкорпорации «Росатом». Это часть реализации дорожной карты по квантовым вычислениям. Цифровой прорыв: как искусственный интеллект меняет медийную рекламу Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор. До конца 2024 года планируется увеличить число кубитов в отечественных вычислительных машинах до 50-100. Российские ученые решили сосредоточиться на использовании кубитов из ионов, которые обладают более длительным временем когерентности и, следовательно, обеспечивают больше возможностей для успешного выполнения квантовых алгоритмов с меньшим количеством ошибок.
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. Они могут работать, как обычные кубиты, так и как кудиты, представляющие собой расширенную версию кубитов. Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.