Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. аж 1,8 миллисекунды. В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах.
Квантовые компьютеры
| Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления | Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. |
| Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами | Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. |
| Мир квантов: как люди могут воспользоваться их открытием — 05.10.2023 — Статьи на РЕН ТВ | Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. |
| В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный | Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. |
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
Еще можно вспомнить популярного кота Шредингера: мы никогда не знаем, жив кот или нет, пока не заглянем в коробку. Выходит, что кот находится в суперпозиции, как и кубиты. Что такое кубит? Схема очень упрощенная, но именно так и получают кубиты. Сложность удержания системы растет вместе с числом кубитов. Зачем он нужен нам? Попытки уменьшать размеры транзисторов и дальше сталкиваются с физическими ограничениями. Да и скорость передачи данных в них быстрее скорости света не сделать. Ужимать скоро будет некуда, значит пора искать другие пути решения.
Наглядный пример — коллапс трёхмерной сферы Блоха, описывающей квантовое состояние одного кубита, в одно из значений бита классического 0 или 1.
В общем случае такой процесс деградации квантового состояния называется декогеренцией — постепенной потерей системой квантовых свойств за счёт взаимодействия с окружающей средой. При этом само взаимодействие может быть совершенно разным — через электрическое и магнитное поле, вибрации, температуру. Список возможных путей, через которые макроскопический мир влияет на квантовые объекты, огромен! Ведь даже высокоэнергетичные частицы, прилетающие из глубин космоса, могут разрушать квантовые состояния кубитов здесь на Земле! Благодаря десятилетиям научных исследований физики научились удерживать заданное квантовое состояния кубитов в течение достаточно долгого времени, чтобы с ними можно было производить необходимые операции. Это время, называемое временем когерентности кубита, варьируется в зависимости от его конкретной физической реализации от десятков микросекунд до нескольких секунд. Такое время когерентности позволяет произвести с кубитом несколько сотен квантовых операций до тех пор, пока его квантовое состояние не разрушится слишком сильно. После этого кубит снова нужно возвращать в начальное состояние инициализировать для выполнения последующих операций. По аналогии с классическими компьютерными схемами, квантовые операции часто называют квантовыми гейтами или квантовыми вентилями, и каждая из таких операций тоже требует определенного времени от десятков наносекунд до сотен микросекунд , что тоже ограничивает быстродействие квантового процессора.
За счет взаимодействия друг с другом несовершенства кубитов начинают перемножаться, делая непредсказуемым результат выполнения квантовых операций. Такая же проблема накопления ошибок возникает и при последовательном выполнении множества квантово-вычислительных операций, необходимых для большинства значимых квантовых алгоритмов. Эти несовершенные кубиты Резонно спросить, в чем же причина изначального несовершенства самих кубитов? Ответить на этот вопрос в общем случае «сферического кубита в вакууме» довольно сложно, поэтому сосредоточимся на двух реальных, физических реализациях квантовых битов: ионах в ловушках и сверхпроводящих структурах. Именно эти две технологии показали самый быстрый прогресс за последнее десятилетие и на текущий момент считаются лидерами в области «железа» для квантового компьютера англ. С ионами в ловушках все довольно просто — сами по себе все ионы идентичны и, в отрыве от внешней среды, могут сохранять свое квантовое состояние неограниченно долго. Однако полностью изолировать их от влияния среды довольно сложно, особенно учитывая тот факт, что они удерживаются в ловушке с помощью электромагнитного поля. Поэтому основной источник проблем для этого типа кубитов — несовершенство самой электромагнитной ловушки, внешние электромагнитные шумы, а также лазерное излучение, используемое для контроля квантового состояния ионов. Понятное дело, что чем больше ионов помещается в ловушку, тем больше должны быть ее физические размеры, что ведет и к увеличению дефектов в таких системах, и к сложности манипуляций с ней например, из-за физических ограничений оптических элементов, используемых в экспериментальных установках.
Изображения 1, 2, 3, 6 и 12 ионов магния, загруженных в новую планарную ионную ловушку NIST. Красным цветом обозначены области максимальной флуоресценции центры ионов. Чем больше ионов загружается в ловушку, тем они сильнее сближаются, и 12-ионная цепочка превращается в зигзагообразное образование. Основная проблема — масштабируемость таких систем. Ионы — заряженные частички, захваченные в электромагнитные ловушки, взаимодействующие между собой благодаря кулоновскому отталкиванию. Для создания ловушек традиционно используются большие трёхмерные электроды, на которые подается большое напряжение. Проблема в том, что мы не можем создавать такие бесконечно длинные ловушки для большого количества ионов из-за различных технических ограничений и побочных явлений. Поэтому на текущий момент можно максимально поймать в ловушку около сотни ионов и работать с 30-40 из них. Но дальнейшее масштабирование квантовых процессоров на ионах путем банального удлинения таких цепочек ионов просто недостижимо.
Можно организовывать цепочки в отдельные модули, а можно создавать более сложную организацию ионов на чипе. Оказывается, можно поместить отдельные электроды на поверхность чипа, создав таким образом для каждого иона свою ловушку, с возможностью индивидуального контроля, а не одну ловушку на все ионы, как сейчас. Такой подход позволяет решить большинство традиционных проблем, но качество двумерных ловушек на чипах и, прежде всего, их поверхности пока оставляет желать лучшего. Технологии их изготовления пока что не настолько отлажены и совершенны. И, если в традиционных ловушках явно чувствуется, что мы уперлись в какой-то предел, то в двумерных сейчас наблюдается явное многообразие подходов, дизайнов, реализаций. Я уверен, что существующие на этом пути технологические проблемы, будут в скором времени решены профессиональными инженерами, открывая путь к созданию полномасштабного квантового компьютера». Но сейчас, благодаря поддержке Росатома, а также заинтересованности индустрии, развитие области ускоряется.
Но еще несколько лет назад характерные времена были наносекунды, то есть за 13 лет произошел прогресс примерно в миллион раз. Кубиты, которые мы здесь мерили, соответствуют среднему уровню на настоящий момент. Фактически мы просто научились мерить эти кубиты, и теперь мы планируем начать их производить здесь, в России. У нас будет инструмент для того, чтобы можно было делать с ними измерения. Мерить время когерентности, производить квантовые манипуляции, то есть делать квантовые преобразования, которые соответствуют логическим операциям. И как скоро можно ждать первых функционирующих операций? Дело в том, что такие логические гейты, то есть схемы, реализующие простейшие логические алгоритмы на сверхпроводящих схемах, уже продемонстрированы как минимум в трех крупных университетах: это Йель, Университет Санта-Барбары в Калифорнии и группа моего бывшего аспиранта, ныне профессора Андреаса Вальрафа Andreas Wallraff в Цюрихе. Я не говорю еще о том, что, например, компания D-wave уже создала 100-битный квантовый компьютер на принципе квантовой релаксации это когда система релаксирует состояние с минимальной энергией. Подобные компьютеры позволяют вычислять состояния определенного класса систем и решать задачи, скажем, нахождения объекта среди многих других одинаковых объектов. Поэтому у нас есть идеи делать что-то такое, что позволит привнести совершенно новый элемент, может быть, позволит в чем-то обойти основную группу команд, которые работают с кубитами. Я просто скажу, почему это имеет отношение к кубитам. В первом спины ориентированы одинаково, а в сверхпроводнике они объединены в пары в куперовских парах спины электронов противоположно направлены. Поэтому на первый взгляд при прохождении через ферромагнетик пары должны распадаться, но если слой ферромагного материала достаточно тонкий, этого не происходит. При этом, однако, при правильном подборе материала происходит сдвиг фаз волновых функций на значение числа пи отсюда и название. На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях. Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками. Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе. Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно. Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд. То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями. А чем эти кубиты отличаются от того, который есть у вас? Если не вдаваться в подробности, то это тоже кольца, но в них встроены не только джозефсоновские переходы, но и более сложные элементы. Обычно СКВИДы используются в качестве сверхчувствительных магнитометров для измерения очень слабых магнитных полей.
Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки или частицы , квантовая система рушится — неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты. Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц где находятся их вторые «половинки» мы знаем. Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» — узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты — просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится — мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке. Возникает вопрос — раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли — как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным. Домашний квантовый компьютер Ну и последний вопрос — раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые — почему мы ими не пользуемся? 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.
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
Что такое квантовый компьютер Квантовый компьютер — это вычислительная машина, которая использует в работе законы квантовой механики: спутанность и принцип суперпозиции. Звучит непонятно, на деле тоже всё непросто, поэтому давайте по порядку. Из школьного курса информатики мы помним, что современные компьютеры работают в двоичной системе. Единицей информации в них служат биты, которые могут принимать два значения: 0 и 1. Логические операции с битами и творят всю компьютерную магию: вы слушаете песню, смотрите видео или генерируете картинки с котами в нейросети. Физически бит выглядит как крохотный транзистор, который устроен на редкость примитивно: он умеет лишь включаться и выключаться, как лампочка в новогодней гирлянде.
Но делает это настолько быстро и в такой тесной взаимосвязи с другими «лампочками», что это позволяет компьютеру выполнять сложнейшие вычисления практически со скоростью света. Читайте также: Революция транзисторов: от механических машин до суперкомпьютеров будущего Такая система прекрасно себя зарекомендовала — на транзисторах работают практически все современные устройства: от умных часов до смартфонов, от домашних ПК до суперкомпьютеров. Однако и она не лишена недостатков — существуют задачи, которые с виду кажутся простыми, но на их решении «сыпятся» даже самые мощные машины. Классический пример. Представьте, что вы работаете разъездным торговцем: зарабатываете на жизнь тем, что ходите по домам и продаёте мультиварки.
Вам нужно придумать кратчайший маршрут, который позволит заехать в несколько крупных городов хотя бы по одному разу и вернуться домой. Перед вами — знаменитая задача коммивояжёра, и она гораздо хитрее, чем кажется на первый взгляд. Если городов в условии будет больше 66, обычному компьютеру понадобится несколько миллиардов лет, чтобы решить её простым перебором. И тут на помощь приходят квантовые компьютеры, которые могут решать такие задачи в миллионы раз быстрее обычных. Дело в том, что вместо привычных битов у квантовых компьютеров — кубиты.
Физически это уже не транзисторы, а квантовые частицы — обычно фотоны или протоны. В отличие от бита, кубиты могут не только равняться 0 или 1, но и принимать любые значения между ними. Благодаря этому квантовый процессор может выполнять несоизмеримо больше операций за один такт. Как работает квантовый компьютер Как мы отметили ранее, квантовый компьютер использует два классических понятия из квантовой механики: принцип суперпозиции и спутанность. Суперпозиция — это способность квантовой частицы находиться сразу в нескольких состояниях одновременно.
У суперпозиции есть интересное свойство: она тут же «схлопывается» при появлении наблюдателя. Представьте, что вы подбросили монету и смотрите, как она вращается.
Когда кубит запутан, это означает, что состояние одного кубита влияет на состояние другого кубита, независимо от расстояния. Квантовый процессор — это ядро компьютера Создание кубитов — сложная задача. Требуется низкотемпературная среда для поддержания стабильного состояния кубита в течение любого отрезка времени. Сверхпроводящие материалы, необходимые для создания кубита, должны быть охлаждены почти до абсолютного нуля около минус 272 по Цельсию.
Кубиты также должны быть защищены от фонового шума, чтобы уменьшить ошибки в вычислениях. Внутренности квантового компьютера выглядят как роскошная золотая люстра. И да, многие комплектующие сделаны из настоящего золота. Это дорогущий холодильник, который используется для охлаждения квантовых чипов, чтобы компьютер мог создавать суперпозиции и запутывать кубиты, не теряя при этом никакой информации. Квантовый компьютер создаёт эти кубиты из любого материала, который обладает квантово-механическими свойствами, доступными для управления. Проекты квантовых вычислений создают кубиты различными способами, такими как зацикливание сверхпроводящего проводника, вращение электронов и захват ионов или импульсов фотонов.
Эти кубиты существуют только при температурах близких к абсолютному нулю, создаваемых в холодильной установке. Язык программирования квантовых вычислений Квантовые алгоритмы предоставляют возможность анализировать данные и создавать модели на основе данных. Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования. Исследователи и технологические компании разработали несколько квантовых языков. Q : язык программирования, включенный в Microsoft Quantum Development Kit. Комплект разработчика включает в себя квантовый симулятор и библиотеки алгоритмов.
Cirq: квантовый язык, разработанный Google , который использует библиотеку python для написания схем и запуска этих схем в квантовых компьютерах и симуляторах.
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! Так что для проверки работы квантового компьютера в самых сложных случаях Google полагался на аналогии с более простыми.
Почему IBM говорит, что Google ничего не достиг Компания IBM, которая сконструировала свой собственный 53-кубитный процессор, тут же опубликовала опровержение. Компания заявляет, что с помощью мощнейшего суперкомпьютера на планете она сможет повторить эти вычисления за 2,5 дня, а не за 10 тысяч лет. Для этого понадобится суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннесси, площадь которого занимает пару баскетбольных полей.
IBM утверждает, что может записать все 9 квадриллионов возможных состояний, используя не умещающиеся в моем воображении 250 петабайт физической памяти суперкомпьютера. Что характерно, IBM не считает, что такое моделирование будет легким: на момент написания этой статьи компания так и не провела его. Кто и что в итоге доказал?
Сегодня мощнейшие суперкомпьютеры планеты с героическим усилием всё еще могут продемонстрировать малую долю мощности квантовых компьютеров. 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.
Однако, если посмотреть на историю развития традиционной индустрии полупроводниковой электроники, то можно увидеть пример такого инженерного чуда, позволившего увеличить количество транзисторов на чипах с нескольких сотен в конце 1960-х годов до десятков миллионов в конце 1990-х. Технологический скачок, необходимый для такого масштабирования, по сложности и объему инвестиций можно сравнить разве что с выходом человека в космос или высадкой на Луну. Существенно отличается лишь количество участников. Многие из игроков этого высокотехнологичного рынка представили и регулярно обновляют «дорожные карты» по развитию своих квантовых платформ. Например, компания IonQ, создающая квантовые процессоры на ионах в ловушках, планирует создать полноценный квантовый компьютер с тысячью логических кубитов необходимых для запуска серьезных алгоритмов уже к 2028 году.
Лидеры направления сверхпроводящих кубитов, Google и IBM, дают чуть более размытые прогнозы, обещая создать квантовые процессоры с тысячью физических кубитов в ближайшие пару лет и, отработав на них алгоритмы коррекции ошибок, достигнуть отметки в тысячу логических кубитов до конца десятилетия. Похожие амбиции и у многих государственных программ, нацеленных на создание квантового компьютера. Лидером по объему инвестиций по праву можно считать Китай, вложивший в свою национальную квантовую программу более 10 миллиардов долларов еще в 2016-2017 годах. Сейчас эти вложения начинают приносить первые результаты, особенно заметные по прорывным статьям из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе University of Science and Technology of China, Hefei. Пытается догнать Китай и национальная квантовая инициатива в США с бюджетом чуть более миллиарда долларов, направленных на создание новых федеральных лабораторий. Сравнимые бюджеты выделили на развитие квантовых технологий и отдельные европейские страны, а сам Евросоюз еще в 2018 году запустил миллиардную программу Quantum Flagship, направленную на поддержку совместных проектов по квантовым технологиям по всей Европе.
Общий объем инвестиций в этот быстро растущий рынок оценивается в 25 миллиардов долларов, что сопоставимо с бюджетом американской лунной программы 1960-х годов. Особый путь А что в России? Несмотря на пионерские идеи Юрия Манина в 1980-х и неоценимый вклад отечественных ученых в области квантовых вычислений и квантовой информации, Россия на текущий момент несколько отстает от перечисленных выше лидеров рынка. Такое положение отчасти связано с поздним стартом, ведь первые прикладные проекты по квантовым технологиям в России были запущены лишь в 2010-х например, Российский Квантовый Центр , через 10-15 лет после создания первых квантовых процессоров. Первые одно- и двух-кубитные системы в России были созданы в 2015-2016 годах, а в этом году был представлен первый 5-кубитный квантовый процессор. Масштабирование до существующих мировых аналогов с десятками кубитов потребует еще несколько лет упорной работы российских лабораторий, при условии сравнимого с мировыми лидерами уровня инвестиций.
Точечные грантовые вложения в российские квантовые технологии осуществлялись как минимум на протяжении последних десяти лет, однако их небольшой, относительно мирового уровня, объем, и слабое взаимодействия между грантополучателями затрудняло быстрое развитие этой области в России. Свою роль здесь сыграло и отсутствие современной технологической базы для создания необходимых для квантовых процессоров микроэлектронных схем центров нанофабрикации , а также сложности с поставками высокотехнологичного измерительного оборудования из-за рубежа криогеники, микроволновых и оптических систем и нехватка специалистов в области квантовых технологий. Цель этой коллаборации — представить к 2024 году работающий прототип квантового процессора на 30-100 кубитах, причем параллельно будут развиваться сразу 4 платформы: на сверхпроводниках, на нейтральных атомах, на ионах и на фотонах. Кто окажется победителем в этой квантовой гонке, покажет время, но важно помнить, что соревнование идет не только между отдельными странами, компаниями и технологическими платформами. Главный вызов брошен самой природе в попытке заставить законы квантового мира работать для решения сложнейших вычислительных задач. Преодоление этого рубежа станет значимой вехой на пути научно-технологического прогресса и откроет новые горизонты для дальнейших исследований и прикладных разработок.
Кроме того, как показывает история с космической гонкой, такие состязания дают толчок к развитию множества сопряженных технологий, находящих самое разнообразное применение в повседневной жизни. К примеру, благодаря американской лунной программе было создано около 2 000 новых высокотехнологичных продуктов, включая беспроводные зарядные устройства, солнечные батареи и цифровые камеры, и многое другое. Без сомнений, в ближайшие 5-10 лет квантовая гонка даст не менее интересные плоды и преподнесет нам еще немало сюрпризов! Дефицит и конкуренция Ситуацию в России специально для Naked Science прокомментировал Михаил Насибулин, директор проекта «Развитие квантовых вычислений» Госкорпорации «Росатом»: Квантовые вычисления сегодня находятся на раннем уровне готовности технологии. В связи с этим есть технологическая неопределенность в вопросе выбора оптимальных решений для реализации многокубитных квантовых вычислителей, требующая дальнейших фундаментальных исследований физики квантовых систем и технологий их создания. Эволюция будущих решений будет определяться вектором развития наиболее перспективного квантового аппаратного обеспечения и научно-технологической конъюнктуры в России и в мире.
В соответствии с Соглашением о намерениях с Правительством России Госкорпорацией «Росатом» реализуется дорожная карта развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». План мероприятий дорожной карты которой сформирован с учетом лучших мировых практик и при участии научного и предпринимательского сообществ. Но конкурентным преимуществом создаваемой российской квантовой вычислительной архитектуры является наличие в ней квантовых процессоров, построенных на различных технологических платформах, в том числе четырех приоритетных на основе сверхпроводников, нейтральных атомов, ионов в ловушках и фотонных чипов и перспективных на основе магнонов, поляритонов и спинов. Эти платформы будут построены в рамках единой концепции и будут совместимы с пакетом средств для разработки квантовых приложений и решений проблем оптимизации. Выполнение предусмотренного дорожной картой «Квантовые вычисления» комплекса мероприятий, направленных на формирование необходимой материально-технической базы, обеспечит не только реализацию запланированных НИОКР, но и дальнейший переход к серийному автоматизированному производству российского оборудования и комплектующих, в том числе элементной базы квантовых процессоров, не уступающих мировым аналогам. Бурный рост популярности квантовых вычислений сопровождается глобальным дефицитом квалифицированных кадров в данной области.
Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему
Эти проблемы часто сложны, с многочисленными переменными и взаимодействиями, которые затрудняют их решение с использованием классических вычислительных методов. Квантовые компьютеры могут решать сложные задачи в области криптографии, поиска лекарств и финансового моделирования. Квантовые вычисления также обладают потенциалом произвести революцию в науке и технике. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для моделирования поведения молекул на квантовом уровне, что позволило бы ученым разрабатывать новые лекарства и материалы с беспрецедентной точностью. Кроме того, квантовые вычисления могут оптимизировать сложные системы, такие как транспортные сети или энергосистемы, что приводит к более эффективным и устойчивым решениям. Ожидается, что квантовые вычисления потенциально могут оказать значительное влияние на область искусственного интеллекта. Алгоритмы квантовых вычислений могли бы обучать модели машинного обучения гораздо быстрее, чем классические вычислительные методы, что позволило бы более быстрыми темпами развивать искусственный интеллект. Кроме того, квантовые вычисления могут быть использованы для оптимизации сложных нейронных сетей, что приведет к созданию более эффективных и мощных систем искусственного интеллекта. Как работают квантовые компьютеры? Чтобы понять принципы квантового компьютера, мы должны сначала понять, как работают классические компьютеры.
Классические компьютеры работают в двух состояниях: 1 или 0. По этой причине эти системы называются двоичными цифрами, БИТ. Один бит состоит из абсолютных состояний 1 и 0.
Ученые работают с «холодными атомами» — частицами, охлажденными почти до абсолютного нуля. Пока эти эксперименты проводятся в лабораториях Гарварда, но уже в 2018 году Газпромбанк инвестировал 1,5 миллиона долларов в Российский квантовый центр для разработки проекта по квантовому машинному обучению. Разработки ведутся по трем основным направлениям: использование искусственного интеллекта в описании сложных квантовых систем; применение аналоговых устройств на квантовых принципах для обучения нейронных сетей; разработка программного обеспечения для квантовых вычислений. Духова и МГТУ им. Баумана продолжают исследования для разработки российского квантового «железа». Планируемая мощность квантового компьютера российского производства пока составляет несколько кубитов. Это, безусловно, отставание в количестве, но не в качестве и значении разрабатываемых технологий. Прогноз развития квантовых компьютеров Теоретически самый мощный квантовый компьютер, который уже создан, — устройство D-Wave 2000Q, детище канадской компании D-Wave Systems. Цена новинки — каких-то 15 миллионов долларов. В нем установлен квантовый чип, содержащий 2000 кубитов. Проблема в том, что по сути это вовсе не квантовый суперкомпьютер, а так называемое устройство квантового отжига. Эта система работает на решение очень узкоспециализированной задачи, и до ее реального практического применения еще довольно далеко. Тем временем в марте 2018 года состоялась презентация 72-кубитного квантового компьютера. О его создании заявила компания Google. Он отличается большей производительностью при низком уровне ошибок — но все эти достоинства опять-таки пока реализованы лишь в теоретической плоскости. Но каковы же возможности такого использования квантовых компьютеров, кроме упомянутого взлома шифров? На сегодняшний день их очень и очень много. То, чего нельзя сделать при помощи самых мощных современных ЭВМ, квантовым системам будет вполне под силу. Если допустить, что уже в скором времени появится реально работающее квантовое «железо», преимущества его перед нынешними вычислительными системами сложно переоценить. Поиск в огромных базах данных, разработка новых лекарственных средств, расшифровка генома, оптимизация транспортных маршрутов, исследования космических пространств, метеорология, исследования в области ядерной энергетики требуют перебора невероятного количества вариантов решений. Подобные задачи — основные сферы применения квантовых компьютеров в будущем. Существует ли квантовый компьютер сейчас? Да, безусловно. Применяется ли он для решения конкретных практических задач? Пока нет. Но активность поисков в этой области внушает некоторый, хоть и очень осторожный, оптимизм. Вспомните: ведь еще совсем недавно самый обычный смартфон показался бы нам чудом технологий!
Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много — мы теряем на эти вычисления время. Принцип работы квантовых компьютеров Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения: Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Понятнее явно не стало. Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами — мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами?
В России представлен 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. К концу года могут представить 20-кубитный квантовый компьютер А до конца 2024 года в России может появиться и 100-кубитный квантовый компьютер Сегодня на Форуме будущих технологий в Москве учёные представили 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. Его показали Владимиру Путину. Во время демонстрации на этом компьютере был запущен алгоритм моделирования молекулы.
Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски
Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. 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. 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. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле.
Что такое квантовый компьютер и как он работает
Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию Как делают кубиты и в чём сложность Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью. Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система. Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира. Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный. С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора. Квантовый процессор на девяти кубитах от Google Зачем нужны квантовые компьютеры Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа.
Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30—40 знаков или больше на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд. Это означает, что тайн больше не будет, потому что любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно.
Это время ограничено, и этот предел определяется тем, как кубиты взаимодействуют с окружающей средой. Дефекты в системе кубитов могут значительно сократить время когерентности. По этой причине команда исследователей решила поймать электрон на сверхчистой твердой поверхности неона в вакууме. Неон является одним из шести инертных элементов, то есть он не вступает в реакцию с другими элементами. Используя сверхпроводящий резонатор размером с микросхему — как миниатюрную микроволновую печь — команда смогла манипулировать захваченными электронами, позволяя им считывать и сохранять информацию с кубита, что делает его полезным для использования в будущих квантовых компьютерах. В предыдущих исследованиях в качестве среды для удержания электронов использовался жидкий гелий.
Этот материал было легко очистить от дефектов, но колебания свободной жидкости могли легко нарушить состояние электрона и, следовательно, поставить под угрозу работу кубита. Твердый неон предлагает материал с небольшим количеством дефектов, который не вибрирует, как жидкий гелий.
Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много — мы теряем на эти вычисления время. Принцип работы квантовых компьютеров Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения: Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Понятнее явно не стало. Разберем это на примере.
Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999.
Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами — мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами?
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. В любом случае, 1000 кубитов — существенный шаг вперёд для индустрии. На уровне идеи 1000-кубитный регистр даёт невероятные возможности, начиная от моделирования квантовой химии, заканчивая эффективным финансовым прогнозированием и атакой 256-битных симметричных шифров. В связи с этим очень полезно ознакомиться с очерком «Что нам делать с 1000 кубитов? Также это позволяет лучше осознать, насколько стремительно развивается индустрия квантовых вычислений. И хотя безусловно, число кубитов является главным сдерживающим фактором развития квантовых алгоритмов, получив достаточное число кубитов, мы, как и прежде, возвращаемся к вопросу точности — сколько устойчивых к ошибкам логических кубитов мы можем получить?
И на этом этапе каждый инженер должен открыто и чётко характеризовать разработку, которую ему удалось создать. Этот вопрос ведёт нас к большим результатам, но требует большой работы и исследований.
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
При успешной реализации планов, квантовый компьютер на базе 12 сверхпроводящих кубитов станет крупнейшим достижением российских ученых в этом направлении. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака). Эта машина способна проводить очень сложные и длительные вычисления за счет встроенной в кубиты системы коррекции ошибок.
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Если же взять, к примеру, десять кубитов, то будет уже 1024 классических состояния. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними.
Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения
Напомним условия: крестьянину нужно перевести троицу на другой берег в лодке, которая кроме хозяина вмещает еще один объект. При этом человек не может оставить наедине ни волка с козой, ни козу с капустой по понятным причинам. Если решать задачу с помощью обычного компьютера, можно использовать 4-битную систему, в которой 0 или 1 будут означать берег — левый и правый соответственно. Например, запись вида 0000 означает, что все находятся на левом берегу, а 1000 — что крестьянин уплыл один, бросив имущество. Единственно верным первым шагом при решении, как мы знаем, будет перевозка козы — это комбинация 1001. Чтобы ПК понял, что именно этот шаг верный, он должен перебрать все варианты по очереди, последовательно пребывая в каждом из 16 состояний. Квантовые компьютеры используют для хранения информации кубиты, которые могут принимать значение 0 и 1 по отдельности, а также 0 и 1 одновременно. То есть они могут пребывать во всех 16 состояниях сразу — это называется суперпозицией в противовес двоичной позиции в обычных устройствах. Для примера мы использовали простую задачу, но представьте, если состояний не 16, а триллион, и вам нужно найти среди них одно.
Даже если обычный компьютер будет обрабатывать каждое состояние за 1 микросекунду это миллионная доля секунды , ему понадобится не меньше недели на решение задачи. Квантовый компьютер справится за 1 секунду, действуя по алгоритму Гровера. Еще раз: что такое квантовый компьютер? Квантовый компьютер — новый тип устройств, он использует в своей работе принципы квантовой механики. Это раздел науки, которая изучает поведение атомов и еще более мелких субатомных частиц: фотонов, электронов, нейтрино. Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, в «большом» мире. Единицей информации, как мы выяснили, в квантовом компьютере является квантовый бит, или кубит, одно из свойств которого — суперпозиция, то есть комбинация всех возможных состояний. Представьте, что нужно открыть N дверей.
Обычный компьютер будет открывать их по очереди, квантовый может открыть все сразу. Парадокс кошки Шредингера да, именно кошки — тоже пример суперпозиции, ведь она по условию и живая, и мертвая одновременно. Чтобы понять принцип было проще, компания Microsoft предлагает думать о монетке: если классические биты измеряются подбрасыванием и принимают значение либо орел 0 , либо решка 1 , кубиты могут зафиксировать все возможные варианты положений монеты, включая орла, решку и любые промежуточные состояния.
Из-за суперпозиции отдельный кубит может представлять гораздо больше информации, чем двоичный бит. Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно. Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ. Запутанность — еще более потрясающая штука. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии.
Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера. Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга действуют конструктивно , иногда гасят деструктивно. Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы. Как программируются квантовые компьютеры? Основная цель состоит в том, чтобы закодировать части задачи в сложное квантовое состояние, используя кубиты, и затем манипулировать этим состоянием, чтобы привести его к некоему решению, которое можно будет измерить после коллапса суперпозиций в детерминированные последовательности нулей 0 и единиц 1. Перечитайте еще раз.
Выстраиваем эти атомы в определённом порядке это может быть такая двумерная решетка И при помощи возбуждения заставляем их взаимодействовать. Так наш квантовый компьютер будет инициализировать состояния, выполнять операции. Дальше мы производим считывание. То есть мы считываем состояние атомов. Если он был возбуждён или если он не был возбужден. И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос». Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы. Подобные удачи, впрочем, уже случались.
Поэтому, если вернуться к физическим кубитам, на которых и должен делаться квантовый компьютер, — индустрия находится на раннем этапе, примерно на уровне десяти логических кубитов. В ближайшие годы ожидаем, что будет достижим уровень в сто логических кубитов. Это уже позволит делать интересные вещи — оптимизация маршрутов, клинические тесты, синтетическое создание клинических данных, проксимация квантовых симуляций, оптимизация финансовых портфелей. Для сравнения: чтобы взломать алгоритмы RSA, нужна примерно тысяча логических кубитов. Тут нужно сделать небольшое отступление и сказать, что сегодня в квантовых вычислениях есть еще один подряд сложностей — пока не придумана квантовая память. Поэтому в ближайшие 10 лет квантовые вычисления будут работать в связке с классическими компьютерами. Стратегическая долгосрочная задача — создание универсального квантового компьютера. Для этого нужно более 10 000 логических кубитов, надежное управление многокубитными гейтами, квантовая память. Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому ученые делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют. Моделирование сильно ограничено размерами молекулярных систем и параметрами точности. Из-за этого создание нового лекарства занимает лет десять. А квантовый компьютер, который способен смоделировать квантовую механическую систему, радикально ускорит процесс. Или фолдинг белка сейчас пытаются сделать рентгеновскими лучами, хитрыми магнитными резонансами. А если будет квантовый компьютер, он сможет смоделировать эту систему, и мы упростим себе жизнь в создании лекарств. Еще ускорится разработка новых материалов для космических полетов, двигателей, сверхпроводящих систем. Сделать лучше не получается, потому что мы пока плохо моделируем. За одно интервью невозможно даже перечислить все те применения квантовых компьютеров, которые можно придумать. Даже если он просто сможет ускорить считанное количество процессов важных операций типа преобразования Фурье — это уже будет серьезным прогрессом. А это только один шаг к созданию универсального квантового компьютера. Поэтому такой хайп. Их уже применяют для оптимизации финансовых портфелей, маршрутов, оптимизации ИИ-алгоритмов. Что может остановить прогресс? Допустим, если время жизни системы 0,001 секунда, то можно не успеть вычислить что-то важное. Надо думать, как удерживать качество вычислений и масштабировать их. Возьмем компанию IonQ — в нее проинвестировали уважаемые инвестиционные фонды со всего мира, она даже стала публичной. Они делают системы на ионах, и проблема в том, что там есть ионные ловушки, но есть предел количества ионов, который можно уловить. И надо придумать механизм связывания ловушек между собой. С этим пока большие проблемы — это сильно мешает масштабировать систему.
Квантовые вычисления для всех
Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. Кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака).