Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Хотя классические компьютеры были основой современных вычислений, ограниченная вычислительная мощность не позволяет им решать конкретные сложные задачи в современном мире. Квантовые вычисления работают на другом уровне, чем классические вычисления. Вместо того, чтобы использовать биты для представления информации, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут представлять как 0, так и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений одновременно, что делает их экспоненциально более мощными, чем классические компьютеры. Существуют определенные проблемы, которые классические компьютеры не могут решить из-за их ограниченной вычислительной мощности. Потенциал квантовых вычислений заключается в их способности применять законы квантовой механики для решения сложных задач, на решение которых классическим компьютерам могут потребоваться годы. 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.
Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать. Но, если добавить примесный атом в полупроводник, электронам этого атома станут доступны уровни у верхнего или нижнего края запрещенной зоны. Получается, такое укромное место, где можно долго удерживать электрон — отличная площадка для кубита.
Стоит отметить, что это возможно при температурах ниже 250 градусов Цельсия. Важно правильно выбрать полупроводник и примесь, чтобы локализовать электроны. Поэтому физики обратили внимание на дихалькогениды переходных металлов — слоистые двумерные полупроводники, состоящие из атома переходного металла здесь молибдена и халькогена здесь теллура. В кристаллах дихалькогенидов из-за симметрии атомы располагаются в форме шестиугольника самые выгодные энергетические состояния для электронов находятся в определенных областях пространства — долинах — вокруг атомов. Более того, электроны способны в них некоторое время сохранять проекцию спина — собственного магнитного момента. Однако такие времена слишком малы для когерентности кубита.
По этой причине исследователи заместили атомы теллура на атомы брома, «открыв» для электронов дополнительные уровни вблизи нижнего края запрещенной зоны. В этом случае возникало связанное состояние электронов и долин, и проекция спина на этих уровнях сохранялась в течение нескольких наносекунд, что достаточно для создания кубита. Для изучения столь тонких эффектов ученые использовали несколько высокоточных приборов. Сначала они получили электронную структуру примеси брома с помощью электронного парамагнитного резонанса — расщепления энергетических уровней во внешнем магнитном поле — и оценили по этим данным время когерентности спинового состояния. Оно составило порядка 5 наносекунд при температурах ниже —258 градусов Цельсия 15 кельвинов. Затем применили сканирующий туннельный микроскоп — устройство, определяющее рельеф поверхности с точностью до атома.
На иглу микроскопа подавалось напряжение, и электроны с поверхности туннелировали на иглу, создавая ток. По изменению значения тока физики получали пространственную локализацию электронов и их энергию. Эти измерения подтвердили, что состояния электронов брома локализуются вблизи долин, а их энергия меняется. Именно связь долин и примеси обеспечивала длительное время когерентности. Физики предполагают, что его можно увеличить, если взять однослойный кристалл дихалькогенида. Аналогичные экспериментальным данным исследователи получили с помощью компьютерного моделирования.
Таким образом, ученые показали возможность использования реальных атомов в качестве кубитов и теоретически объяснили длительное время когерентности, построив электронную структуру материала. Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом аля-кубит. Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние. Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное. И это следующий этап.
Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси. Духова , Института физики металлов им. Михеева Екатеринбург , Института физики ионных пучков и исследования материалов Германия и Университета Аалто Финляндия. Российские ученые повысили производительность квантовых процессоров с помощью кудитов Ученые НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили подход к реализации квантовых алгоритмов с использованием дополнительных уровней квантовой системы, который позволил на порядок повысить итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов. Российские ученые знают, как сделать квантовый процессор мощнее По словам ученых, основной способ повышения производительности квантовых процессоров — увеличение числа их кубитов — наименьшей единицы информации в квантовом компьютере.
Да и математических, наверное, тоже. А теперь давайте познакомимся с простейшим и интереснейшим объектом квантового компьютера — кубитом.
Кубит Кубит — это то же самое, что и бит в обычном компьютере. Ящичек, который содержит минимальную частицу, которой кодируется любая осмысленная информация. Кубит, также, как и бит, может принимать значения 0 или 1, но, в отличие от бита, эти конкретные значения он принимает лишь при выводе результата вычислений. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. При математическом описании работы квантового компьютера оперируют именно векторами. Если математически описывать физику процессов, происходящих в квантовом компьютере с кубитами при логических операциях с ними, то это будут умножения векторов, описывающих вероятностное состояния кубитов, на матрицы, описывающие эти самые логические операции. Если в обычном компьютере это простейшие логические операции «и», «или», «не», «исключающее или» и т.
Кроме вентильных матричных преобразований волновые функции кубитов можно складывать и вычитать, как можно складывать и вычитать обычные волны. В результате сложений волн вероятностей, как и на обычных волнах, возникает интерференция, которая позволяет влиять на состояние кубита, меняя вероятность получения в нём того или другого значения ноля или единицы.
Кубиты — это квантовая версия самой основной формы информации обычных компьютеров, битов. Что особенного в кубитах? В атомном масштабе физика становится очень странной. Электроны, атомы и другие квантовые частицы взаимодействуют друг с другом иначе, чем обычные объекты. В определенных материалах мы можем использовать это странное поведение. Некоторые из этих свойств — особенно суперпозиция и запутанность — могут быть чрезвычайно полезны в вычислительной технике.
Принцип суперпозиции заключается в том, что кубит может находиться в нескольких состояниях одновременно. С традиционными битами у вас есть только два варианта: 1 или 0. Эти двоичные числа описывают всю информацию на любом компьютере. Кубиты сложнее. Представьте себе кастрюлю с водой. Когда у вас есть вода в кастрюле с крышкой, вы не знаете, кипит она или нет. Обычно вода либо кипит, либо нет — точка зрения не меняет ее состояния. Но если бы горшок находился в квантовой сфере, вода представляющая квантовую частицу могла одновременно кипеть и не кипеть, или любая линейная суперпозиция этих двух состояний могла бы быть справедливой.
Если бы вы сняли крышку с этой квантовой кастрюли, вода сразу же перешла бы в то или иное состояние. Измерение переводит квантовую частицу или воду в определенное наблюдаемое состояние. Запутанность — это когда кубиты связаны друг с другом, не позволяя им действовать независимо. Это происходит, когда квантовая частица имеет состояние например, спин или электрический заряд , которое связано с состоянием другой квантовой частицы. Эта взаимосвязь сохраняется даже тогда, когда частицы физически находятся далеко друг от друга, даже далеко за пределами атомных расстояний. Эти свойства позволяют квантовым компьютерам обрабатывать больше информации, чем обычные биты, которые могут находиться только в одном состоянии и действуют независимо друг от друга. Но чтобы получить любое из этих замечательных свойств, вам нужно хорошо контролировать электроны материала или другие квантовые частицы. В некотором смысле это не так уж отличается от обычных компьютеров.
Независимо от того, движутся электроны через обычный транзистор или нет, значение бита будет или 1, или 0. Вместо того, чтобы просто включать или выключать электронный поток, кубиты требуют контроля над такими хитрыми вещами, как спин электрона. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. Получив к ним доступ, они могут использовать свет или магнитные поля для создания суперпозиции, сцепления и других свойств. Во многих материалах ученые делают это, манипулируя спином отдельных электронов.
Что такое квантовые вычисления?
Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза. В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
| Про квантовые компьютеры простыми словами | Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. |
| В России создан первый сверхпроводящий кубит | «В области производства квантовых компьютеров всё идёт в соответствии с графиком, 20 кубитов нам обещает Росатом показать в конце этого года. |
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
| Про квантовые компьютеры простыми словами | Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. |
| Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии | Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. |
Квантовые компьютеры
Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
| Квантовый компьютер: что это, как работает и на что способен / Skillbox Media | Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. |
| Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер | Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. |
| Про квантовые компьютеры простыми словами | Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. |
| Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения | Quantum Crypto | Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. |
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях вакуум, охлаждение до сверхнизких температур , разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц.
Нетривиальная задача, не правда ли? Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты.
В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем например QCL, Quantum computing language , но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений. Ганновер, Германия Применение квантовых компьютеров В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый из многих квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители.
Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное в несколько сотен цифр число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача. Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации. Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды. Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно.
Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера. Возможности квантового взлома систем шифрования в том числе в военной сфере сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра.
Свой вклад в создание квантового компьютера вносит и Россия. Квантовый компьютер в России: перспективы Один из самых мощных квантовых компьютеров в мире 51 кубит создала в 2017 году научная группа Михаила Лукина, профессора Гарвардского университета и сооснователя Российского квантового центра. Ученые работают с «холодными атомами» — частицами, охлажденными почти до абсолютного нуля. Пока эти эксперименты проводятся в лабораториях Гарварда, но уже в 2018 году Газпромбанк инвестировал 1,5 миллиона долларов в Российский квантовый центр для разработки проекта по квантовому машинному обучению.
Разработки ведутся по трем основным направлениям: использование искусственного интеллекта в описании сложных квантовых систем; применение аналоговых устройств на квантовых принципах для обучения нейронных сетей; разработка программного обеспечения для квантовых вычислений. Духова и МГТУ им.
Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной! Принцип работы квантового компьютера Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера: Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.
Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно! Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то!
Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.
Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно: 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров!
Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка.
Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго. У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.
Ну то есть как верный?
Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты. В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем например QCL, Quantum computing language , но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу.
С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений. Ганновер, Германия Применение квантовых компьютеров В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый из многих квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители. Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное в несколько сотен цифр число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача. Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации. Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды.
Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно. Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера. Возможности квантового взлома систем шифрования в том числе в военной сфере сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра.
Свой вклад в создание квантового компьютера вносит и Россия. Квантовый компьютер в России: перспективы Один из самых мощных квантовых компьютеров в мире 51 кубит создала в 2017 году научная группа Михаила Лукина, профессора Гарвардского университета и сооснователя Российского квантового центра. Ученые работают с «холодными атомами» — частицами, охлажденными почти до абсолютного нуля. Пока эти эксперименты проводятся в лабораториях Гарварда, но уже в 2018 году Газпромбанк инвестировал 1,5 миллиона долларов в Российский квантовый центр для разработки проекта по квантовому машинному обучению. Разработки ведутся по трем основным направлениям: использование искусственного интеллекта в описании сложных квантовых систем; применение аналоговых устройств на квантовых принципах для обучения нейронных сетей; разработка программного обеспечения для квантовых вычислений.
Духова и МГТУ им. Баумана продолжают исследования для разработки российского квантового «железа». 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.
Но квантовые вычисления — это нечто совершенно иное. Это первая компьютерная модель со времен Тьюринга, которая изменит принципиальные основы вычислительных алгоритмов, позволяя выполнять невероятно сложные для традиционных компьютеров задачи. Самые ожидаемые результаты квантовых вычислений — это возможность симулировать процессы химии и квантовой физики, а также разрушить большую часть систем шифрования, которые сейчас обеспечивают защиту данных в интернете. Демонстрация компанией Google способностей квантового компьютера стала критической вехой компьютерной революции. Квантовый компьютер: кубиты вместо битов В лаборатории Санта-Барбары Калифорния команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор».
Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине , которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми. Такая температура необходима, чтобы на мгновение точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты qubits, от quantum bits. Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно. Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить. Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера. Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность фотоны и электроны , подчиняются совершенно иным законам вероятности.
Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет. Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире. Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1. Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам. Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255.
Что происходит, если у вас не один кубит, а тысяча, и все они взаимодействуют друг с другом в результате чего получается то самое состояние квантовой «запутанности»? 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!