Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. аж 1,8 миллисекунды.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. 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. Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами.
Квантовые вычисления для всех
На сегодняшний день исследователи используют различные технологии для создания кубитов, такие как сверхпроводники, ультрахолодные атомы и ионы, оптические системы и другие. Однако, пока нет конкретного ответа на вопрос, какая технология является наиболее перспективной. Кроме того, важно найти способ масштабирования квантовых систем, чтобы они могли функционировать в реальных условиях. Несмотря на текущие сложности, квантовые компьютеры имеют большой потенциал.
Авторам первой удалось сконструировать 60-кубитный атомный массив, точность выполнения запутывающего гейта в котором достаточно низкая, чтобы потенциально можно было получить устойчивые к ошибкам вычисления при использовании поверхностных кодов. Вторая же предлагает реализацию атомной архитектуры, позволяющую эффективно детектировать возникающие ошибки.
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.
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. 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?
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».
Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит.
Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
| Миллион задач в секунду: как работают квантовые компьютеры | Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. |
| Квантовый компьютер - что это такое и каков принцип его работы? | Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. |
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
| Что такое квантовые вычисления? | Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. |
| Квантовые вычисления для всех | Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. |
| Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем | С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. |
Квантовые вычисления для всех
| Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему | Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. |
| В России представлен 16-кубитный квантовый компьютер | За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). |
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Именно на машине такой архитектуры было продемонстрировано практическое квантовое превосходство [1]. В основе физической реализации данного типа кубитов лежит квантование уровней энергии электрического колебательного контура в условиях сверхпроводимости. Такой подход обеспечивает достаточно высокую степень точности исполнения операций, однако поддержание вычислителя в сверхпроводящем состоянии требует создания криогенных температур в значительном объёме. Это, в свою очередь, ведёт к существенной чувствительности вычислителей данного типа к внешнему воздействию, а также создаёт дополнительные препятствия для масштабирования. Тем не менее, достижением 2022 года является представленный компанией IBM вычислитель Osprey с 433 сверхпроводящими кубитами [17].
Если представленный годом ранее Eagle, обладающий 127 кубитами, теоретически позволял промоделировать отдельные элементы атаки S-AES с простейшей коррекцией ошибок, например, с девятикубитным кодом Шора, то в регистре Osprey можно проводить эксперименты со значительно более сложными и совершенными кодами коррекции. В контексте этого вызывает интерес исследование методов подавления ошибки на уровне логических кубитов. Точная оценка перспектив этих подходов требует более подробных экспериментальных данных, однако, можно утверждать, что IBM пока достаточно успешно поддерживают тренд роста числа кубитов сверхпроводниковых вычислителей. Озвученным прогнозом специалистов IBM стало получение компьютера с 4000 кубитов к 2025 году.
И, несмотря на всю кажущуюся амбициозность данного заявления, фундаментальных ограничений, которые могли бы препятствовать достижению заявленных параметров, нет. Если специалисты IBM справятся с подавлением шумов и поддержанием когерентности для регистра с таким количеством кубитов — они смогут выполнить обещание. Холодные атомы Вычислители на основе холодных атомов не требуют криогенного охлаждения кубитов. Теоретически, за счёт возможности наращивания числа оптических ловушек, удерживающих атомы, и большей устойчивости к шумам, вычислители данного типа обладают несколько большим потенциалом масштабирования, по сравнению с квантовыми компьютерами на основе сверхпроводящих цепей.
В то же время возникающие при работе с атомными кубитами ошибки в значительной мере поддаются контролю за счёт методов подавления. Это было продемонстрировано в 2021 году с представлением программируемого атомного симулятора на 256 кубитов [18]. По количеству кубитов для архитектуры на основе холодных атомов рекорд прошлого года — 256 кубитов на программируемом симуляторе, остаётся актуален. Однако произошел прорыв в технологии реализации двухкубитных гейтов.
Поскольку атомы электрически нейтральны, они не взаимодействуют на расстоянии. Реализация двухкубитного гейта для них требует возбуждения одного из атомов в состояние с очень высокой энергией, называемое ридберговским. В таком состоянии радиус, на котором атомы могут взаимодействовать, существенно увеличивается и наблюдается эффект ридберговской блокады: если один атом уже находится в ридберговском состоянии, это приводит к смещению электронных уровней соседнего атома, что не позволяет возбудить его в ридберговское состояние при помощи характерного лазерного импульса. На основе этого эффекта может быть построен запутывающий гейт [19].
Новый подход использует ультракороткие лазерные импульсы для одновременного возбуждения атомов в ридберговские состояния за пределами режима ридберговской блокады [20]. Это даёт возможность преодолеть характерное временное ограничение и перейти от микросекундного временного масштаба к наносекундному. И, хотя рекордная точность операции пока не продемонстрирована, такой подход за счёт скорости взаимодействия атомов ведёт к значительному снижению вероятности возникновения ошибки при применении двухкубитного гейта. Новый тип запутывающих гейтов не предоставляет технологию для реализации квантовых операций с гигагерцовой частотой.
Однако он позволяет преодолеть характерный временной барьер, так что вычислитель, построенный на гейтах такого типа, теоретически сможет по порядку величины приблизиться к быстродействию классических компьютеров. В совокупности со сравнительно долгим временем жизни атомного кубита данная технология в перспективе существенно повышает потенциал масштабируемости вычислителей на основе холодных атомов. Оптические кубиты Электрическая нейтральность атомов обеспечивает им меньшую чувствительность к шумам окружающей среды, но, в то же время, создаёт сложности для обеспечения взаимодействия атомов между собой. Это заставляет использовать более сложные схемы реализации двухкубитных гейтов, такие как гейты на основе ридберговской блокады.
Ещё дальше в этом направлении заходят кубиты на основе фотонов. Фотоны практически не взаимодействуют ни с окружением, ни между собой. За счёт этого они, с одной стороны, практически не подвержены влиянию шума, но, с другой, реализация запутывающего гейта для фотонных кубитов в ряде случаев связана с фундаментальными ограничениями. По этой причине до недавнего времени оптические квантовые вычислители оценивались как наиболее перспективные на временном горизонте от 10 лет.
Но в 2021-2022 годах стали доступны новые технические возможности, позволяющие обойти характерные для оптической архитектуры фундаментальные ограничения. Существуют несколько способов кодирования кубита в состоянии фотона. Наиболее простые — поляризационный кубит и двухрельсовая кодировка. Поляризационный кубит подразумевает сопоставление состояний 1 и 0 ортогональным поляризациям, например, вертикальной и горизонтальной.
Двухрельсовая кодировка предлагает кодировать один кубит в паре оптических мод, сопоставленных состояниям 0 и 1, в одной из которых находится фотон. В обоих случаях из-за слабого взаимодействия фотонов реализация двухкубитного гейта требует использования нелинейной среды. Причём величина нелинейности должна на много порядков превосходить достижимые значения. Ввиду технической невозможности прямой реализации был найден альтернативный подход, названный протоколом KLM Knill, Laflamme, Milburn [21].
Он позволяет реализовывать двухкубитный запутывающий гейт с использованием только линейных элементов, однако получаемая схема имеет ограниченную вероятность успешного срабатывания. Такой подход уже является приемлемым для экспериментальных задач, и позволяет реализовывать квантовые вариационные алгоритмы с малым числом кубитов. Однако конечная вероятность успешного срабатывания гейта ведёт к экспоненциально малой вероятности срабатывания всей схемы при её масштабировании, что недопустимо. Преодоление этого ограничения потребовало выработки ещё одного альтернативного подхода.
Из характеристик квантового состояния светового пучка могут быть выделены отдельные параметры, связанные соотношением неопределённостей Гейзенберга. Связь данных параметров позволяет кодировать в них состояние кубита. В некотором смысле это подобно тому, как оно кодируется в поляризации. Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела.
Оказывается, что кубиты на сжатых состояниях можно телепортировать с использованием базовых оптических элементов. А корректируя протокол телепортации, можно менять телепортируемое состояние [22]. В обычных условиях такое изменение является нежелательным, но при работе со сжатыми состояниями скорректированную телепортацию можно использовать для реализации гейта. Телепортируя многокубитные состояния, можно реализовать многокубитные гейты детерменированным образом.
Необходимо только владеть технологией приготовления запутанных состояний высокой размерности, необходимых для осуществления телепортации. Но опять же, для сжатых состояний генерация запутанности возможна при помощи базовых оптических элементов. Экспериментально была продемонстрирована генерация запутанных кластерных состояний на данной архитектуре объёмом до 1000000 кубитов. Строго говоря, сжатые состояния не являются кубитами.
Кубит является лишь подмножеством пространства сжатых состояний.
Большие изменения ждут сферу логистики: будут найдены оптимальные пути для наиболее эффективной доставки товаров. Квантовые компьютеры также позволят найти новые способы моделирования финансовых данных и выделить ключевые глобальные факторы риска, что обезопасит инвестиции. В сфере искусственного интеллекта и машинного обучения можно будет обрабатывать очень большие объемы данных например, связанные с поиском изображений или видео. Ранее IBM создала квантовый компьютер мощностью 5 кубитов. Практически одновременно с IBM о планах выпустить коммерческий 50-кубитовый квантовый компьютер заявила компания Google. Причем сроки названы примерно те же — ближайшие 5 лет. Над созданием квантового компьютера поисковик начал работать еще в 2014 году.
Успехи конкурентов подстегивают еще одного крупного игрока — компанию Microsoft. В ноябре прошлого года она объявила о решении удвоить свои усилия в области создания квантового компьютера. В отличие от IBM и Google, компания Билла Гейтса делает ставку на интригующую, но пока недоказанную концепцию топологического квантового вычисления. Одновременно компания разрабатывает программное обеспечение для будущих супермашин. Всего, по данным аналитической компании CB Insights, над задачей создания квантового компьютера бьются не менее 18 корпораций. Среди них — авиастроительные компании Airbus и Lockheed Martin, китайский интернет-ритейлер Alibaba, британская телекоммуникационная компания British Telecommunications, компании Hewlett Packard, Toshiba, Intel, Mitsubishi, Nokia. Эксперты Массачусетского технологического института MIT ожидают , что полноценные квантовые компьютеры, обрабатывающие информацию в разы быстрее современных суперкомпьютеров, появятся на рынке в течение ближайших пяти лет. Подведем итоги Как видите, квантовые технологии — это крайне перспективная область, которая может открыть нам множество тайн природы и помочь решить задачи, над которыми бьется не одно поколение людей.
Никакой магии, просто вероятность. Мы можем направить на нашу монетку магнит, чтобы замедлить её вращение, инвертировать её в другую сторону или вообще заморозить, чтобы орёл был строго вверх. В классических битах мы могли в любое время записать в него 0 или 1, а в кубитах мы можем записать в него вероятность быть 0 или 1 в конечном счёте. Мы имеем право сколько угодно шалить с вероятностями внутри кубита, но когда мы читаем его значение — он всегда схлопывается в 0 или 1 с заданной вероятностью, превращаясь по сути в обычный бит. Это легально, однако обычный бит справится с этим лучше и быстрее, а всё квантовое веселье таится именно между состояниями 1 и 0. Всё это не очень полезно пока у нас только один кубит, но когда мы возьмем их несколько, мы сможем завязать их вероятности друг на друга так, чтобы система выдавала нам один из результатов с большей суммарной вероятностью, чем все другие. Самые смекалистые уже догадались что мы тут хотим: хитро завязать все вероятности, чтобы этот «самый вероятный» результат и был нашим правильным ответом. Но об этом мы еще поговорим в разделе про сам квантовый компьютер, терпения.
Как только мы «читаем» кубит, он всегда схлопывается в 0 или 1 как та монетка, которая в итоге выпадает только орлом или решкой. Кубит после этого уничтожается, потому чтение логичнее делать в самом конце. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Даже если мы специально изменим один кубит — второй изменится на ту же величину, только наоборот. Нарастающее стрёмное ощущение, что всё вокруг волна — даже небо, даже кубит. Появляющиеся сомнения в объективности наблюдаемой реальности и своей роли в этом мире. Чтобы собрать классический цифровой компьютер в домашних условиях, мы берём ленту, кладём на неё некую последовательность битов, двигаем эту ленту туда-сюда и выполняем записанные отдельно на листочке операции над ними. Так получается алгоритм.
Машина Тьюринга. Такой вот фигней, только на более высоком уровне, занимаются все программисты. В квантовом компьютере у нас такая же лента, только теперь мы кладём на неё кубиты. Список операций тоже остался, но сами операции чуть изменились. Решительно очевидно, что мы имеем полное право писать и читать наши кубиты как обычные биты. Но смысла в этом ноль. Как колоть орехи микроскопом — никто не запретит, но это достаточно медленно и бессмысленно. Обычный компьютер справится с этим лучше.
Сила же квантового компьютера именно в том, что мы берём несколько кубитов, которые как вы помните можно представлять как крутящиеся монетки, и взаимодействуем именно с вероятностями их выпадения в 0 орел или 1 решка , а не самими результатами 0 и 1. Вот это уже куда более интересно. В наших алгоритмах мы больше не мыслим концепциями «прочитай здесь, если 1, переложи туда», а начинаем как бы настраивать взаимодействие наших монеток кубитов пока они еще крутятся, чтобы в итоге получить интересующий нас результат. Как вы понимаете, никто не гарантирует какой стороной упадёт первый кубит, а значит и нельзя ничего гарантировать про второй, и так далее. Получается как будто дерево расчёта вариантов исхода алгоритма. Это и даёт нам вот ту самую экспоненциальную скорость вычислений в квантовом компьютере. В конце же наше дерево вычислений всё равно приведёт к одному результату с наибольшей вероятностью, а к другим с наименьшей. Это и будет ответ алгоритма.
Если хотите более подробного разбора дерева по шагам, рекомендую вот эту годную статью. Мы не перебираем все варианты одновременно, как объясняют во многих статьях для новичков. Мы скорее настраиваем вероятности наших кубитов по ходу программы так, чтобы правильный результат засветился на выходе с большей вероятностью, чем неправильный. Условно говоря, мы подкручиваем наши монетки и говорим как им вращаться друг относительно друга, чтобы в итоге они выпали на стол в комбинацию, например, «орел-решка-орел» 010. Это и будет правильный ответ алгоритма. Тогда в 1 случае из 10 квантовый компьютер будет вполне легально нам врать, выдавая неправильный ответ. Тогда мы просто запускаем алгоритм много-много раз как настоящие боги инженерии! Побеждают, как обычно, китайцы.
Белые же европейцы в это время воюют за запрет термина «превосходство» потому что оно оскорбительно и нетолерантно. Лет через пять меня точно отменят за этот пост. На практике же момент «квантового превосходства» не означает ничего, кроме того, что можно будет открыть шампанское и выпить за технологический прогресс. Сейчас объясню. Все эксперименты по квантовому превосходству по прежнему проводятся на специально подобранных задачках, которые квантовый компьютер должен щёлкать на раз, а классический пыхтеть тысячелетиями. Читеры вставляют палки в колёса, короче, и всё равно не могут догнать. Разве что иногда. Именно поэтому квантовое превосходство интересно журналистам и историкам, но точно не инженерам.
Я как инженер жду не формального победителя первого забега, а того, кто покажет мне первый стабильный квантовый компьютер. Сейчас с этим всё плохо. С текущим количеством шумов они попросту бесполезны для практических задач. Компьютер, который считает быстро, но постоянно врёт — разве это годится? Превосходство у них, блин. Случайно подняться на гору легко — куда сложнее подниматься на неё каждый день.
В случае обычного компьютера он может находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс.
В квантовом же мире с некоторой вероятностью человек может находиться в Москве, Владивостоке, на Шри-Ланке или в Дубае. Такими свойствами, расширяющими возможности, могут обладать ионы, фотоны, атомы цезия, лития или рубидия. Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «Ловим атом, каждый в специальную ловушку. Выстраиваем эти атомы в определённом порядке это может быть такая двумерная решетка И при помощи возбуждения заставляем их взаимодействовать. Так наш квантовый компьютер будет инициализировать состояния, выполнять операции. Дальше мы производим считывание. То есть мы считываем состояние атомов.
Если он был возбуждён или если он не был возбужден. И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос». Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. 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). Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами.
Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения
Для создания кубитов квантовые компьютеры используют различные технологии, включая сверхпроводящие схемы, ионные ловушки и фотонику. Одна из самых популярных технологий создания кубитов — сверхпроводящие схемы. Сверхпроводящие схемы состоят из крошечных витков сверхпроводящего провода, охлажденных почти до нуля. Схемы становятся сверхпроводящими при чрезвычайно низких температурах, что подразумевает, что они имеют нулевое электрическое сопротивление. Это свойство позволяет электронам перемещаться по цепям без потери энергии.
Для выполнения операций с кубитами квантовые компьютеры используют серию квантовых вентилей, похожих на логические вентили, используемые в классических вычислениях. Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. Поддержание когерентности кубитов является критической и трудной задачей при построении квантового компьютера. Когерентность — это свойство, которое позволяет кубитам сохранять свои свойства суперпозиции и запутанности с течением времени.
Любые помехи, такие как шум окружающей среды или нежелательные взаимодействия с другими кубитами, могут привести к потере когерентности кубитов и сделать вычисления ненадежными. Чтобы преодолеть эту проблему, квантовые компьютеры используют коды исправления ошибок, которые могут обнаруживать и исправлять ошибки в вычислениях. Насколько публикация полезна? Нажмите на звезду, чтобы оценить!
IBM, например, использует несколько слоев сверхпроводящих цепей, которые находятся в контролируемой среде и постепенно охлаждаются до температур, которые ниже, чем глубокий космос — около абсолютного нуля. Поскольку кубиты обитают в квантовой реальности, у них есть удивительные квантовые свойства. Суперпозиция, запутанность и интерференция Если бит представить как монету с орлом 0 или решкой 1 , кубиты будут представлены вращающейся монетой: в некотором смысле, они одновременно и орлы, и решки, причем каждое состояние имеет определенную вероятность. Ученые используют калиброванные микроволновые импульсы, чтобы помещать кубиты в суперпозицию; точно так же другие частоты и длительность этих импульсов может переворачивать кубит так, чтобы он находился немного в другом состоянии но все еще в суперпозиции. 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.
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. Электронный спин похож на вращение волчка; у него есть направление, угол и импульс.
Спин каждого электрона либо вверх, либо вниз. Но как квантово-механическое свойство спин также может существовать в сочетании движения вверх и вниз. Чтобы повлиять на спин электронов, ученые применяют микроволны похожие на те, что используются в вашей микроволновой печи и магниты. Магниты и микроволны вместе позволяют ученым управлять кубитом. С 1990-х годов ученые смогли все лучше и лучше контролировать спин электрона. Это позволило им получить доступ к квантовым состояниям и манипулировать квантовой информацией больше, чем когда-либо прежде. Независимо от того, используют ли они спин электронов или другой подход, все кубиты сталкиваются с серьезными проблемами, прежде чем мы сможем их масштабировать.
Двумя наиболее важными из них являются время согласования и исправление ошибок. Когда вы запускаете компьютер, вам нужно иметь возможность создавать и хранить часть информации, оставить ее в покое, а затем вернуться позже, чтобы получить ее. Однако, если система, хранящая информацию, изменяется сама по себе, она бесполезна для вычислений. К сожалению, кубиты чувствительны к окружающей среде и не сохраняют свое состояние очень долго. Прямо сейчас квантовые системы подвержены множеству "шумов", которые вызывают у них низкое время когерентности время, в течение которого они могут поддерживать свое состояние или приводить к ошибкам.
Уж больно неоднозначен сам выбранный принцип действия. Суперкомпьютеры — это очень мощный вариант привычных нам вычислительных устройств. За несколько минут они выполняют то, на что одному человеку потребуется не одна тысяча лет, но этого уже не хватает. Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «Мы хотим добиться решения самых сложных прикладных задач, которые важны для каждого из нас с вами, которые непосильны для классических суперкомпьютеров. Уже сегодня на масштабе города решить все оптимизационные задачи, например, связанные с оптимизацией пробок, трафика до оптимального расписания общественного транспорта. Мы банально будем меньше тратить времени на какие-то вещи, быстрее добираться до работы». Что же предлагают создатели компьютеров будущего? В привычном для нас процессоре информация представлена в виде последовательности нулей и единиц, так называемых битов. Физически это контакты транзисторов. Так называемом кубите. Это значит, что он может быть немножечко 0, но в основном единицей.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
В сфере искусственного интеллекта и машинного обучения можно будет обрабатывать очень большие объемы данных например, связанные с поиском изображений или видео. Ранее IBM создала квантовый компьютер мощностью 5 кубитов. Практически одновременно с IBM о планах выпустить коммерческий 50-кубитовый квантовый компьютер заявила компания Google. Причем сроки названы примерно те же — ближайшие 5 лет. Над созданием квантового компьютера поисковик начал работать еще в 2014 году. Успехи конкурентов подстегивают еще одного крупного игрока — компанию Microsoft. В ноябре прошлого года она объявила о решении удвоить свои усилия в области создания квантового компьютера. В отличие от IBM и Google, компания Билла Гейтса делает ставку на интригующую, но пока недоказанную концепцию топологического квантового вычисления. Одновременно компания разрабатывает программное обеспечение для будущих супермашин.
Всего, по данным аналитической компании CB Insights, над задачей создания квантового компьютера бьются не менее 18 корпораций. Среди них — авиастроительные компании Airbus и Lockheed Martin, китайский интернет-ритейлер Alibaba, британская телекоммуникационная компания British Telecommunications, компании Hewlett Packard, Toshiba, Intel, Mitsubishi, Nokia. Эксперты Массачусетского технологического института MIT ожидают , что полноценные квантовые компьютеры, обрабатывающие информацию в разы быстрее современных суперкомпьютеров, появятся на рынке в течение ближайших пяти лет. Подведем итоги Как видите, квантовые технологии — это крайне перспективная область, которая может открыть нам множество тайн природы и помочь решить задачи, над которыми бьется не одно поколение людей. Вопрос о возможности создания универсального квантового компьютера сложный, ведь впереди очень много физических и инженерных проблем. Квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными.
Они могут решать задачи, с которыми классические компьютеры не справляются. Некоторые компании уже создали системы с сотнями кубитов, но пока не удалось достичь состояния квантового превосходства из-за технических проблем. Однако исследователи продолжают работать над улучшением стабильности кубитов и разработкой новых методов, которые позволят создать полноценные квантовые компьютеры в будущем.
Все права защищены. Условия использования информации.
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. Мы надеемся достаточно быстро пройти необходимый этап фундаментальных исследований, чтобы открыть возможность для дальнейших прикладных разработок в области квантовых вычислений, что приведет и к появлению первых российских компаний в этой области. Я считаю, что это, в некотором роде, естественный процесс». Несколько другие проблемы преследуют область сверхпроводящих кубитов. Как Naked Science уже рассказывал в предыдущей статье , этот тип кубитов основан на искусственно-созданных объектах на чипах — сверхпроводящих цепочках. Такие сверхпроводящие схемы изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах похожим на традиционную микроэлектронику методом — с помощью фото- и электронной литографии и последующего напыления тонких металлических пленок обыкновенно, алюминия или ниобия. Размеры элементов в сверхпроводящих схемах разнятся от сотен микрометров до десятков нанометров, что создает целый спектр проблем, связанных с их изготовлением.
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
Переместиться на микроуровень в поисках новых возможностей ученых заставили физические основы, на которых базируется традиционная вычислительная техника. Схема ее работы основана на транзисторах, в каждом современном компьютере их миллионы или даже миллиарды. Каждый из них может в определенный момент времени находиться в «открытом» или «закрытом» состоянии — как электрический переключатель. Эти два состояния и представляют собой те самые нули и единицы, с помощью которых человек общается с компьютером и наоборот. По мере развития технологий производители размещают на процессорах компьютеров все большее и большее количество транзисторов. Это увеличивает скорость работы и вычислительные возможности техники. Но всему есть физический предел, и мы вплотную к нему приблизились. Если раньше вычислительная мощность производимых процессоров удваивалась примерно каждые два года, то сегодня этот темп падает на глазах. В то же время потребности человечества в вычислениях постоянно растут, опережая развитие электроники.
Но вернемся к Ричарду Фейнману и его теории. Основное отличие квантового компьютера от обычного заключается в представлении информации в его процессоре. Единица информации в обычном компьютере — бит, представляющий собой ноль или единицу. Третьего не дано. Единица хранения информации для квантового компьютера — квантовый бит, или, сокращенно, кубит. Это квантовый объект — вещь, которую гораздо проще описать, чем представить. Что такое кубиты для квантовых компьютеров Итак, если бит — это одна из двух условных точек 1 или 0 , то кубит можно представить себе в виде сферы с полюсами в этих же точках — 1 и 0. Кубит также может принимать значение 1 или 0.
Но кроме них он может находиться в состоянии суперпозиции, то есть иметь любое из возможных значений, лежащих на поверхности сферы. И все это — одновременно. Но что именно расположено на поверхности сферы? Может быть, кубит имеет переменное плавающее значение? В некотором смысле это так, но трудность в том, что невозможно узнать это значение для конкретного момента времени, как это делается для обычных переменных. Если выразиться максимально простым языком, кубит похож на магический шар. Если этому шару задать вопрос, то ответом может быть единица или ноль. Но выпадут они с разной вероятностью.
Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции. Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности.
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. Мы надеемся достаточно быстро пройти необходимый этап фундаментальных исследований, чтобы открыть возможность для дальнейших прикладных разработок в области квантовых вычислений, что приведет и к появлению первых российских компаний в этой области. Я считаю, что это, в некотором роде, естественный процесс».
Несколько другие проблемы преследуют область сверхпроводящих кубитов. Как Naked Science уже рассказывал в предыдущей статье , этот тип кубитов основан на искусственно-созданных объектах на чипах — сверхпроводящих цепочках. Такие сверхпроводящие схемы изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах похожим на традиционную микроэлектронику методом — с помощью фото- и электронной литографии и последующего напыления тонких металлических пленок обыкновенно, алюминия или ниобия. Размеры элементов в сверхпроводящих схемах разнятся от сотен микрометров до десятков нанометров, что создает целый спектр проблем, связанных с их изготовлением. С одной стороны, сложность заключается в получении специальных наноразмерных перекрытий джозефсоновских переходов , туннелируя через которые, электронные пары в сверхпроводнике и создают квантовое состояние. В массиве кубитов геометрические размеры таких переходов должны быть максимально идентичны для совместной работы системы в противном случае связать отдельные кубиты друг с другом будет проблематично. Еще более глубокая проблема кроется в несовершенстве нанесенных металлических пленок, которые на наномасштабе состоят из отдельных гранул, далеко не идеально прилегающих друг к другу, что служит еще одним источником шумов. С другой стороны, при увеличении количества кубитов на чипе пропорционально возрастают и ее размеры, а также сложность микроволновых линий, используемых для управления кубитами. Это ведет как к большей вероятности возникновения дефектов из-за несовершенства техпроцессов изготовления элементов сверхпроводящих схем, так и к более фундаментальной проблеме связывания массива кубитов между собой.
В отличие от цепочки ионов, связь между которыми реализуется с помощью лазерных импульсов, связать произвольные сверхпроводящие кубиты не так-то просто. Эта задача решается с помощью линий связи или резонаторов для пары соседних кубитов англ. Казалось бы, возможность оперировать сложным квантовым состоянием из множества связанных кубитов лежит в основе быстродействия квантового компьютера и используется в квантовых алгоритмах. А на практике получается, что такое состояние неустойчиво или вовсе недостижимо уже для пары десятков кубитов. Что же делать в таком случае? Gambetta, Jerry M. А манипуляции с двумя связанными кубитами ученые уже научились проводить с очень и очень высокой точностью. Разумеется, квантовые алгоритмы, составленные из двухкубитных вентилей, получаются в разы длиннее своих многокубитных версий, однако фундаментальной проблемы в этом нет. Нужно просто иметь квантовые процессоры с достаточно длинным временем когерентности и достаточно быстрыми одно- и двухкубитными гейтами для выполнения сотен-тысяч элементарных квантовых операций за один вычислительный цикл.
Пример разложения 3-кубитного гейта на последовательность 2-кубитных операций.
Но качество операций лучше на ионной платформе». До конца этого года должны успеть 50 сделать. Посмотрим, может быть, получится и больше», — добавил Юнусов. Квантовые компьютеры в будущем будут использоваться для решения задач, с которыми не могут справиться привычные нам электронные вычислительные машины. Это, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические расчеты.
Перспективным и активно развивающимся также является направление квантового машинного обучения.
Чем больше кубитов, тем сложнее поддерживать их запутанное состояние без искажений данных. На сегодняшний день исследователи используют различные технологии для создания кубитов, такие как сверхпроводники, ультрахолодные атомы и ионы, оптические системы и другие. Однако, пока нет конкретного ответа на вопрос, какая технология является наиболее перспективной. Кроме того, важно найти способ масштабирования квантовых систем, чтобы они могли функционировать в реальных условиях.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Как сообщалось, кубит — единица информации в квантовом компьютере, он отличается от обычного бита тем, что может принимать любое значение между 0 и 1 в процессе вычислений. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается.