Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются.
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. 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). аж 1,8 миллисекунды. Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Но пока до реального взлома всё же невероятно далеко — чтобы взломать код биткоина, нужны десятки миллионов кубитов.
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
Другим важным свойством является запутанность. Когда кубиты запутаны, они становятся связанными так, что их состояния коррелируют, независимо от расстояния между ними. Это свойство позволяет квантовым компьютерам выполнять операции, которые были бы невозможны с классическими компьютерами. 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.
Мы расскажем вам о том, как интересен мир вокруг и поможем разобраться в самых сложных вещах. Если вам интересны космос, физика, робототехника, современная медицина и биология, то вам сюда. Подписывайтесь на «Чердак» и исследуйте мир вместе с нами!
Определение материалов с определенными характеристиками, понимание фотосинтеза и открытие новых лекарств — все это требует огромных объемов вычислений. Теоретически квантовые вычисления могут решить эти проблемы быстрее и эффективнее. Квантовые вычисления также могут открыть возможности, о которых мы даже не задумывались. Это как микроволновая печь против обычной духовки — разные технологии с разными целями. Но мы еще не достигли цели.
На данный момент одна компания заявила, что ее квантовый компьютер может выполнять определенные вычисления быстрее, чем самые быстрые классические суперкомпьютеры. До ученых, регулярно использующих квантовые компьютеры для ответа на научные вопросы, еще далеко. Чтобы использовать квантовые компьютеры в больших масштабах, нам необходимо улучшить технологию, лежащую в их основе — кубиты. 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.
Причем перекрываются в разной пропорции, то есть количество состояний кубита бесконечно, и его можно записать как сумму состояний ноль и один с разными коэффициентами которые, вообще говоря, комплексные числа таким образом, что сумма квадратов модулей коэффициентов равняется единичке. Какова физическая реализация кубита у вас? Наши кубиты реализованы в виде напыленного на полупроводниковую подложку тонкого металлического у нас алюминиевого плоского кольца. По сути, они представляют собой разрыв в кольце, расстояние между берегами которого составляет несколько нанометров. Берега разделены прослойкой диэлектрика, в нашем случае просто оксидом алюминия. Главное свойство этих переходов заключается в том, что из-за явления туннелирования через эти разрывы протекает сверхпроводящий ток.
Это явление было предсказано 50 лет назад Брайаном Джозефсоном. Десятки милликельвин. Как достигаются такие низкие температуры? Это довольно стандартная технология. Для охлаждения объекта до нескольких кельвин подходит обычный жидкий гелий. Именно он позволяет получать еще более низкие температуры при атмосферном давлении. Речь идет о температурах порядка десятых долей кельвина. Наконец, чтобы опуститься еще ниже, требуется специальная смесь изотопов гелия-3 и гелия-4.
В общем, такие низкие температуры можно получать, просто включив прибор в розетку. Там же есть еще один, работающий на гелии-4. Что в вашем кубите играет роль нулей и единиц, то есть двух основных состояний? В нашем кольце кубит, напомним, реализован как кольцо на полупроводниковой подложке при приложении определенного магнитного поля существуют два равновероятностных состояния. Они равновероятностные потому, что имеют одинаковую энергию то есть ни одно из состояний не является более выгодным энергетически для всей системы, чем другое. Эти состояния соответствуют незатухающему сверхпроводящему току, текущему по кольцу по часовой и против часовой стрелки соответственно. Это и есть ноль и единица. Физики говорят, что в кубите возникает суперпозиция этих двух состояний.
Суть явления туннелирования заключается в следующем: квантовые частицы, в отличие от классических, могут с некоторой вероятностью проходить сквозь потенциальные барьеры. То есть, например, заряженная частица может пролетать сквозь барьер из изолятора, как в случае с кубитом. Туннелирование ответственно за эффекты в полупроводниковой электронике, радиоактивность, некоторые типы ядерного распада и многое другое. В чем заключается достижение вашей лаборатории?
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
| Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему | 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: как они работают — и как изменят наш мир | Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. |
| В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений | — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. |
| Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание | аж 1,8 миллисекунды. |
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
| Что такое квантовый компьютер и как он работает | Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. |
| Что такое кубит? | Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. |
| Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования | 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. |
| Что такое квантовый компьютер | Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. |
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
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. Можно использовать эту фразу как кредо по жизни. The Алгоритм Время программировать программы! На уроках информатики в 8 классе сегодня каждому школьнику рассказывают, что любой компьютер на самом деле состоит из кучки простейших операций над одним или двумя битами, называемых логическими вентилями или логическими гейтами, если вы дитя улиц и учились по английскому учебнику, как я. Хитро соединив проводами пару-тройку вентилей можно получить сумматор или простейшую память — всё это базовые элементы любого процессора. Потом они соберут из этих операций жирные высокоуровневые языки программирования. Начнется бум кремния, крах доткомов, курсы «профессия Data Scientist за неделю» и вот уже даже бездомные пишут на React за еду. Короче, в квантовых компьютерах всё то же самое! Только уровень развития тут пока плавает где-то до изобретения ассемблера. Представляете сколько всего еще впереди?
Я обещал вам квантовый Hello, World — держите. Как и любой Hello World, он абсолютно бесполезен. Он лишь подбрасывает две монетки, связывает одну с другой и говорит орлами они упали или решками. Разберём всё подробно по шагам. Итак, нам нужна схема из 2 кубитов и 2 обычных битов. Импортируем все нужные тулзы и начинаем рисовать. Дальше накидываем гейты. Потому что можем. Я хочу перевести первый кубит в суперпозицию гейтом H, то есть «подбросить» эту монетку. Физически обоснованный!
Но мы не хотим читать 0 или 1, мы хотим программировать на вероятностях. Потому вторым гейтом я наложу условие CNOT. Если наш кубит выпадает в 1 — он автоматически перевернёт и соседний кубит. То есть сделает из 0 в 1. Если нет — ничего не изменится. Оба наших кубита остаются по нулям. Нам надо лишь как-то её запустить. На игровой квантовый компьютер мы пока не заработали, потому будем тестово гонять в симуляторе прямо на макбуке. Но жить вроде можно. Дальше дело за малым — прочитать результат и сделать с ним что-то полезное в реальном мире.
Вариантов 01 и 10 у нас быть не может, иначе всю эту квантовую лавочку можно просто закрывать. Для визуализации еще можно вывести получившиеся сферы Блоха для обоих кубитов. Если сделать это много раз, будет видно как стрелочки вдвоем прыгают вверх-вниз.
А все потому, что в основе японского чуда — не обычные процессоры, а квантовые. Ведь большинство квантовых компьютеров могут работать только при температурах, близких к абсолютному нулю, когда все замедляется и "шум" окружающей среды минимален", — рассказал руководитель группы экспериментальных квантовых вычислений компании — производителя квантовых компьютеров Джери Чоу. Но дело не только в размерах.
В классических ЭВМ информация зашифрована в битах, то есть в нулях и единицах, а в квантовых — в кубитах. Один кубит — это атом или фотон — мельчайшая частица вещества или энергии. Причем она одновременно может быть как нулем, так и единицей. Как говорят ученые, такая запутанность позволяет квантовым компьютерам, что называется, "думать" в миллиарды раз быстрее. Они позволяют получить не только количественные результаты за счет ускорения процессов, но и качественные, обеспечивая лучшую адаптацию в средах и ситуациях. Это означает, что квантовые роботы более креативны", — говорит директор кафедры квантовой динамики Института квантовой оптики Общества Макса Планка Герхард Ремпе.
Однако многие видят в них угрозу, ведь они будут в состоянии не только делать за человека механическую работу, но и легко заменят представителей творческих специальностей. Но не все так плохо: всемогущие кванты могут стать и нашими защитниками. Что такое квантовый ключ и как он защитит от мошенников С телефонными мошенниками хоть раз сталкивался каждый. Их главная задача — узнать секретную информацию. Если не напрямую от нас, то путем взлома смартфона или компьютера.
По сравнению с ними кубиты могут кодировать сразу и логическую единицу, и ноль, что открывает совершенно новые возможности хранения и обработки цифровой информации. Физическим объектом в роли кубитов могут выступать атомы или электроны. Цифровые данные записываются на т. Однако проблема заключалась в том, что такие структуры крайне неустойчивы. Они легко разрушаются под воздействием внешних воздействий, а устройства для хранения таких систем сложны в разработке. Относительно недавно ученые обнаружили, что в качестве кубитов можно использовать искусственно созданные атомы, в частности, т.
Это позволит решать задачи точного расчёта химических реакций за разумное время и заменить дорогостоящие прямые эксперименты на более дешёвые вычисления. Более того, одна из проблем квантовых компьютеров — разрушающее действие окружающей среды, не позволяющее подолгу сохранять квантовую суперпозицию, — в квантовых симуляторах может быть использовано для пользы дела. Ведь реальные квантовые системы тоже находятся в окружении других тел, которые точно так же разрушают квантовые эффекты в них. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Применение квантовых симуляторов Сейчас уже созданы первые, самые простые квантовые симуляторы. Так, в 2010 году группа экспериментаторов из Квинслендского университета в Австралии и Гарвардского университета в США сообщила, что им удалось рассчитать свойства самой простой молекулы — молекулы водорода — с достаточной для химиков точностью при помощи квантового симулятора, кубиты которого были основаны на «частицах» света — фотонах. Молекула водорода пока остаётся основным объектом, который исследуют на квантовых симуляторах, но сами симуляторы при этом с каждым годом улучшаются. Работа ведётся в нескольких направлениях. Во-первых, учёные пробуют разные реализации квантовых симуляторов. В качестве кубитов могут быть использованы охлаждённые до сверхнизких температур атомы, отдельные электроны или ядра некоторых атомов, сверхпроводящие кольца или, как в работе 2010 года, фотоны. Каждая из этих реализаций имеет свои особенности. Например, системы на охлаждённых атомах требуют больших и относительно дорогих установок, хотя и удобны с точки зрения управления состоянием кубитов. Системы на основе ядер, управляемых при помощи эффекта ядерного магнитного резонанса, относительно просты, но, наоборот, не обладают достаточной гибкостью управления. Этой проблемы лишены системы, основанные на электронах, пойманных в так называемые квантовые ямы в полупроводниках. Именно они являются сейчас одним из наиболее перспективных направлений с точки зрения технологичности и дешевизны производства. В некоторых приложениях более удобны системы на основе сверхпроводящих колец, которые, однако, имеют относительно большой размер, и поэтому вряд ли удастся создать их с большим количеством кубитов. Другое направление, в котором развиваются современные исследования квантовых симуляторов, — разработка более эффективных алгоритмов, в том числе алгоритмов, способных исправлять или как минимум подавлять неизбежные в подобных системах ошибки. Ну и, конечно, улучшаются методы работы с кубитами: увеличивается время их работы, возрастает гибкость настройки квантовой системы и количество контролируемых параметров. Всё это уже в скором времени приведёт к тому, что квантовые симуляторы начнут применять к реальным сложным ситуациям, к химическим веществам и реакциям, которые в данный момент неподвластны даже самым точным нашим расчётам.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
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. После всех вычислений и преобразований результирующая волновая функция вероятности при прочтении кубита превращается в ноль или единицу, и уже не отличается от бита. Применение квантовых вычислений Как видно из предыдущего объяснения, применять квантовый компьютер для обычных вычислений нет никакого смысла.
Впечатляет, конечно. Особенно, когда вы показывали, что вычисления в обычном режиме, на современных суперкомпьютерах занимали бы чуть ли не столетия, а на квантовых результат достигается за часы или дни, — это, конечно, впечатляет», — оценил разработку Владимир Путин. Проект разработки квантового компьютера был запущен в 2019 году, над ним работали учёные из Российского квантового центра и физического института им. Лебедева РАН при координации Росатома.
Работа на нем связана с двумя важными параметрами — общей памятью и скоростью выполнения операций. Для представления информации такие машины используют биты. Бит — единица информации, которая принимает определенное значение, 1 или 0. Определенное — ключевое слово. Мы точно знаем, в каком значении находится бит. Представьте переключатель света — он либо включен, либо выключен. Мы можем это увидеть по горящей лампочке. Так же и с битами. Внутри компьютера это устроено так: на материнской плате находится миллион транзисторов — полупроводников, которые нужны для управления электрическим током; каждый из транзисторов либо закрыт позиция 0 , либо открыт позиция 1 и пропускает ток, при этом электроны пробегают по транзистору со скоростью, близкой к скорости света; пока транзистор включается и выключается, компьютер может производить вычисления — любая информация представляется в виде чисел, благодаря переключению с позиции 0 на 1 и наоборот. Квантовый компьютер подчиняется другим законам. И тут важны два понятия: Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, в котором используются явления квантовой механики для обработки данных. Вероятность Классическая механика основана на детерминизме: транзистор либо включен, либо нет, кран или закрыт, или открыт. В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен? Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками. В ходе эксперимента Шредингера возникает суперпозиция Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы. Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы. То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание. Суперпозиция Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью.
Если этому шару задать вопрос, то ответом может быть единица или ноль. Но выпадут они с разной вероятностью. Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции. Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности. Две взаимосвязанные квантовые частицы синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними миллионы световых лет. Зацепленность дает возможность собирать кубиты в «наборы». Если в наборе из двух бит можно хранить одну определенную последовательность из двух значений нулей или единиц , то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательностей из двух этих значений. А это намного больший объем информации. Как устроен квантовый компьютер: принцип работы После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение. Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера. Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу. Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе. Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко. 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.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. 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). Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей.
Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения
Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Чтобы сделать кубиты, отдельные электроны помещают в линейный массив из шести «квантовых точек», отстоящих друг от друга на 90 нанометров. Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются.
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
То есть электрон или любой другой квантовый объект частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей и т. Это не означает, что он делится на дольки, как апельсин. Тогда можно было бы надежно изолировать какую-нибудь часть электрона и измерить ее заряд или массу. Но опыт показывает, что после измерения электрон всегда оказывается "целым и невредимым" в одной единственной точке, несмотря на то, что до этого он успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называют суперпозицией квантовых состояний и описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Э. Модуль значения волновой функции в любой точке, возведенный в квадрат, определяет вероятность найти частицу в этой точке в данный момент. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается коллапсирует в ту точку, где частица была обнаружена, а затем опять начинает расплываться. Свойство квантовых частиц быть одновременно во многих состояниях, называемое квантовым параллелизмом , успешно используется в квантовых вычислениях. Квантовый бит Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или, сокращенно, кубит q-бит. Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1 или, как принято в квантовой механике, и. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т.
Квантовый регистр Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т. К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2L-1 и обозначать. Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных значений квантового регистра в отличие от классического , поскольку существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у большинства возможных значений квантового регистра за исключением базовых просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень всего богатства состояний квантового компьютера. Представьте, что на регистр осуществляется внешнее воздействие, например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены лазерные лучи. Если это классический регистр, импульс, который можно рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных.
Если же это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать до переменных. Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен обрабатывать информацию в раз быстрее по сравнению со своим классическим аналогом. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата , поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти. Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт. И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить.
Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом IBM , объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности. Существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул. Российский исследователь М. Фейгельман, работающий в Институте теоретической физики им.
Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводни ковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце - по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника.
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? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу — и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ искусственный интеллект? Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ. Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема — как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто — мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет — ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии. И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность. Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом говоря научным языком — если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной.
Однако глубина данного алгоритма такова, что к концу его исполнения полезная информация в вычислительном регистре будет почти полностью уничтожена шумами. Справиться с такими нежелательными эффектами призвана технология коррекции ошибок. Вероятность того, что несколько кубитов одновременно потеряют информацию о своём состоянии под действием шумов — ниже, чем для одного. Для коррекции ошибок вводится понятие логического кубита, состояние которого кодируется несколькими физическими кубитами. Если часть физических кубитов, кодирующих один логический, оказалась зашумлена, их состояния могут быть восстановлены с опорой на информацию, сохранённую в остальных кубитах. Таким образом, для повреждения состояния логического кубита необходимо, чтобы к моменту выполнения коррекции большая доля физических кубитов была значительно зашумлена. Такой подход в теории позволяет бороться с шумами, но кратно увеличивает требования к объёму регистра квантовых вычислителей. Объём регистра, необходимого для выполнения атаки Гровреа на AES с применением коррекции ошибок составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч кубитов. Объём регистра, необходимого для атаки шифра RSA алгоритмом Шора преодолевает порог в сто тысяч кубитов. Возможность реализации вычислителя с регистром такого объёма в ближайшие пять лет представляется крайне маловероятной. Однако не исключено, что первые попытки лабораторной реализации подобных алгоритмов или их элементов начнут появляться к концу десятилетия. Рост числа кубитов по годам Другим возможным подходом к борьбе с шумами является не коррекция, а подавление ошибок [14]. Наиболее распространёнными являются подходы с так называемой экстраполяцией к нулевому шуму и с применением в схеме дополнительных параметризованных гейтов, призванных статистически подавлять влияние специфических шумов. Преимуществом подхода является то, что он не требует увеличения числа физических кубитов в алгоритме. Метод экстраполяции к нулевому шуму является наиболее простым методом подавления ошибки, и он отлично подходит для применения в вариационных квантовых алгоритмах. Данный тип алгоритмов — самый реальный кандидат на практическое использование в NISQ-устройствах. Вариационный алгоритм сочетает использование квантового вычислителя для ускоренного расчёта некоторой целевой функции с использованием классического оптимизатора. Можно сказать, что прямая реализация принципа, высказанного Ричардом Фейнманом: для расчёта состояний квантово-механической системы используется квантовый вычислитель. В зависимости от того, какая квантовая схема используется, оптимизируемая целевая функция может решать задачи квантовой химии, оптимизации или даже криптоанализа [15, 16]. Интереснее всего то, что неизвестны точные асимптотики эффективности квантовых вариационных алгоритмов. В отдельных случаях они способны демонстрировать результаты, превосходящие и классический оптимизатор, и даже квантовый алгоритм Гровера. В совокупности со сравнительно низкими требованиями по числу кубитов вариационные алгоритмы можно оценить как потенциально одну из самых близких к практическому внедрению технологию из области квантовых вычислений. Сверхпроводники Долгое время квантовые компьютеры на основе сверхпроводящих кубитов удерживали рекорд по доступному объёму вычислительного регистра. Именно на машине такой архитектуры было продемонстрировано практическое квантовое превосходство [1]. В основе физической реализации данного типа кубитов лежит квантование уровней энергии электрического колебательного контура в условиях сверхпроводимости. Такой подход обеспечивает достаточно высокую степень точности исполнения операций, однако поддержание вычислителя в сверхпроводящем состоянии требует создания криогенных температур в значительном объёме. Это, в свою очередь, ведёт к существенной чувствительности вычислителей данного типа к внешнему воздействию, а также создаёт дополнительные препятствия для масштабирования. Тем не менее, достижением 2022 года является представленный компанией IBM вычислитель Osprey с 433 сверхпроводящими кубитами [17]. Если представленный годом ранее Eagle, обладающий 127 кубитами, теоретически позволял промоделировать отдельные элементы атаки S-AES с простейшей коррекцией ошибок, например, с девятикубитным кодом Шора, то в регистре Osprey можно проводить эксперименты со значительно более сложными и совершенными кодами коррекции. В контексте этого вызывает интерес исследование методов подавления ошибки на уровне логических кубитов. Точная оценка перспектив этих подходов требует более подробных экспериментальных данных, однако, можно утверждать, что IBM пока достаточно успешно поддерживают тренд роста числа кубитов сверхпроводниковых вычислителей. Озвученным прогнозом специалистов IBM стало получение компьютера с 4000 кубитов к 2025 году. И, несмотря на всю кажущуюся амбициозность данного заявления, фундаментальных ограничений, которые могли бы препятствовать достижению заявленных параметров, нет. Если специалисты IBM справятся с подавлением шумов и поддержанием когерентности для регистра с таким количеством кубитов — они смогут выполнить обещание. Холодные атомы Вычислители на основе холодных атомов не требуют криогенного охлаждения кубитов. Теоретически, за счёт возможности наращивания числа оптических ловушек, удерживающих атомы, и большей устойчивости к шумам, вычислители данного типа обладают несколько большим потенциалом масштабирования, по сравнению с квантовыми компьютерами на основе сверхпроводящих цепей. В то же время возникающие при работе с атомными кубитами ошибки в значительной мере поддаются контролю за счёт методов подавления. Это было продемонстрировано в 2021 году с представлением программируемого атомного симулятора на 256 кубитов [18]. По количеству кубитов для архитектуры на основе холодных атомов рекорд прошлого года — 256 кубитов на программируемом симуляторе, остаётся актуален. Однако произошел прорыв в технологии реализации двухкубитных гейтов. Поскольку атомы электрически нейтральны, они не взаимодействуют на расстоянии. Реализация двухкубитного гейта для них требует возбуждения одного из атомов в состояние с очень высокой энергией, называемое ридберговским. В таком состоянии радиус, на котором атомы могут взаимодействовать, существенно увеличивается и наблюдается эффект ридберговской блокады: если один атом уже находится в ридберговском состоянии, это приводит к смещению электронных уровней соседнего атома, что не позволяет возбудить его в ридберговское состояние при помощи характерного лазерного импульса. На основе этого эффекта может быть построен запутывающий гейт [19]. Новый подход использует ультракороткие лазерные импульсы для одновременного возбуждения атомов в ридберговские состояния за пределами режима ридберговской блокады [20]. Это даёт возможность преодолеть характерное временное ограничение и перейти от микросекундного временного масштаба к наносекундному. И, хотя рекордная точность операции пока не продемонстрирована, такой подход за счёт скорости взаимодействия атомов ведёт к значительному снижению вероятности возникновения ошибки при применении двухкубитного гейта. Новый тип запутывающих гейтов не предоставляет технологию для реализации квантовых операций с гигагерцовой частотой. Однако он позволяет преодолеть характерный временной барьер, так что вычислитель, построенный на гейтах такого типа, теоретически сможет по порядку величины приблизиться к быстродействию классических компьютеров. В совокупности со сравнительно долгим временем жизни атомного кубита данная технология в перспективе существенно повышает потенциал масштабируемости вычислителей на основе холодных атомов. Оптические кубиты Электрическая нейтральность атомов обеспечивает им меньшую чувствительность к шумам окружающей среды, но, в то же время, создаёт сложности для обеспечения взаимодействия атомов между собой. Это заставляет использовать более сложные схемы реализации двухкубитных гейтов, такие как гейты на основе ридберговской блокады. Ещё дальше в этом направлении заходят кубиты на основе фотонов. Фотоны практически не взаимодействуют ни с окружением, ни между собой. За счёт этого они, с одной стороны, практически не подвержены влиянию шума, но, с другой, реализация запутывающего гейта для фотонных кубитов в ряде случаев связана с фундаментальными ограничениями. 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.
Соответственно, некорректно называть их самыми мощными. Для сравнения разных типов КК между собой был предложен квантовый объем. Если говорить упрощенно, он отражает реальную вычислительную «мощность» квантового компьютера. Где сейчас и как ускориться В России сейчас активно разрабатываются все основные типы квантовых компьютеров: на ионах, атомах, оптических интегральных схемах и на сверхпроводниках. Самый мощный КК в стране построен на ионах и насчитывает 16 кубитов. Заместитель руководителя группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ Илья Семериков, который разрабатывает этот КК, рассказывает: «Нам еще только предстоит измерить экспериментально квантовый объем нашего ионного компьютера, но, судя по достоверностям двухкубитных операций и связности, я бы ожидал увидеть 25 или, может быть, 26. Увеличение квантового объема — наша основная задача на сегодня». Такие результаты соответствуют уровню лидеров квантовой гонки начала-середины 2020 г. Текущий рекорд по квантовому объему по состоянию на июль 2023 г. Он составляет 219, или 524 288. Это означает, что компьютер может выполнять сложные квантовые алгоритмы с высокой точностью. РКЦ в конце 2021 г. К недостаткам модели относилось меньшее время когерентности, но на сегодня эта проблема решена, сказал Семериков. Текущая точность квантового компьютера РКЦ находится на уровне ведущих компаний 2018-2019 гг. По словам Семерикова, сейчас команда активно работает над ее повышением. МФТИ создал рабочий квантовый чип, выполненный на сверхпроводниках, на 8 кубитах. Сейчас тестируется на 12 кубитах. Оборудование для этого было закуплено еще в 2016 г. Но сохраняются сложности с масштабированием и улучшением этого типа КК. Разработчики российских КК сходятся во мнении, что для ускорения разработки квантового компьютера, кроме отдельных проблем, необходимо решать вопрос с кадрами и популяризировать квантовые технологии среди молодежи и в научной среде. Помимо государственного и частного финансирования лабораторий, создающих квантовые компьютеры, уже сейчас нужно готовить компетентные кадры и учебные материалы для разработки квантового «железа» и ПО, рассказал Якимов.
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. 504 — это рекорд для Китая по количеству кубитов в сверхпроводящем квантовом чипе. По данным QuantumCTek, чип Xiaohong используется для проверки килокубитной системы, уже разработанной компанией независимо. На первой линейке (кубите) "q[0]" мы видим оператор синий кружок с плюсом внутри. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха.