Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Что такое квантовый компьютер и как он работает
На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях. Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками. Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе. Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно. Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд. То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями. А чем эти кубиты отличаются от того, который есть у вас?
Если не вдаваться в подробности, то это тоже кольца, но в них встроены не только джозефсоновские переходы, но и более сложные элементы. Обычно СКВИДы используются в качестве сверхчувствительных магнитометров для измерения очень слабых магнитных полей. В СКВИДе волны куперовских пар электронов, пройдя через два джозефсоновских перехода, проявляют интерференцию, похожую на оптическую картину прохождения световых волн через две щели. Амплитуда интерференционного тока зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет в случае трансмона изменять его квантовые уровни энергии. Так что же можно сделать на основе кубитов такого, чего еще никто не делал? Есть такая интересная задача, как создание квантовых метаматериалов. Она находится на стыке задач лаборатории, созданной в МИСиС, и лаборатории квантового центра, которая занимается кубитами. Мы с уже упомянутым Валерием Рязановым на самом деле присутствуем и там, и там, это два проекта, которые двигаются параллельно. Вот у них сближение как раз в том, что сверхпроводящие метаматериалы, которые изучаются в МИСиС, могут быть превращены в квантовые, если в качестве элементов использовать кубит.
Свойства материалов при взаимодействии с таким излучением определяются только их внутренней структурой. Сейчас метаматериалы, особенно микроволновые, крайне популярны. Например, с помощью них создаются « плащи-невидимки », скрывающие объекты от того же излучения. Все эти вещи делались с классическими резонаторами, которые имеют, во-первых, потери, что в сверхпроводниках отсутствует, а во-вторых, совершенно не квантовые. В данном случае мы можем руками сделать фактически метаматериал, состоящий из метаатомов, которые ведут себя как настоящие двухуровневые системы и в состоянии ноль и один. Эти материалы могут оказаться гораздо интереснее обычных метаматериалов, ведь сила взаимодействия кубитов с электромагнитным полем сильнее в разы. Вся наука, которая создана для атомной физики и квантовой оптики, здесь применяется только лишь частично, потому что при очень сильном взаимодействии возникает совершенно другая, новая физика.
Именно достоверность лимитирует сложность алгоритма. Точнее сказать пока не могу: не проверяли. Модернизировав адресацию и считывание, мы повысили число кубитов, с которыми можно работать. Мы занимаемся и улучшением достоверности. На сегодня она лимитирована двумя факторами. Это значит, что у нас есть только одна частота, и на ней вся мощность. Чем меньше шумов в лазере, тем выше достоверность. Задача нетривиальная, в мире не так много людей умеют это делать. Это одни из самых точных и чистых спектральных лазеров в мире. Он изготовлен, идет измерение характеристик и калибровка. После того как мы поставим новый, немного изменим систему привязки к нему лазера. Хотим использовать схему injection locking. Смысл такой: берем свет, прошедший через резонатор, и заводим его в лазерный диод, и этот лазерный диод начинает генерировать точно такое же излучение, какое прошло через резонатор. Излучение, пройдя через резонатор, становится очень чистым. В итоге мы глубоко улучшаем лазерную систему, которая используется для взаимодействия с ионами. Нам надо, чтобы они двигались всегда одинаково, а сейчас они двигаются в течение большого промежутка времени — дня например, немного по-разному. С высокой достоверностью — В целом удается повысить достоверность? Мы далеко продвинулись, но последние проценты всегда самые сложные. Мы также увеличиваем время когерентности нашей системы, модернизируя систему компенсации магнитного поля вблизи иона. Добиваемся, чтобы магнитное поле было одинаковым и стабильным. Раньше мы для этого использовали катушки и прецизионные источники тока, сейчас переходим на постоянные магниты. Это тоже должно расширить спектр задач, которые мы сможем решать на нашем компьютере.
Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то! Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам. Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно: 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров! Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго. У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ. Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз! Квантовые компьютеры сегодня Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов! На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика.
Он работал на так называемом явлении « ядерного магнитного резонанса ». Компьютер использовался в Оксфордском университете, в исследовательском центре IBM и Калифорнийским университетом в Беркли вместе с сотрудниками из Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института. В 2018 году IBM предложила сторонним компаниям использовать ее 20-кубитный квантовый компьютер через облако. Google представила 53-кубитный компьютер Sycamore и заявила о достижении квантового превосходства. Квантовое превосходство подразумевает способность квантовых вычислительных устройств решать те проблемы, которые не могут решить классические компьютеры. По заявлению компании, Sycamore потребовалось около 200 секунд, чтобы выполнить выборку одного экземпляра схемы миллион раз. Самому мощному суперкомпьютеру Summit для той же задачи понадобилось бы около 10 тыс. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Это позволил предположить теоретический анализ. В России квантовые технологии также привлекают внимание исследователей. Так, в 2010 году для проведения исследовательских работ в этой области был организован Российский квантовый центр. В 2019 году была разработана сначала единая дорожная карта, а после — дорожная карта на каждое отдельное направление: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», говорит, что создание квантовых процессоров стало одной из основных задач дорожной карты, утвержденной в июле 2020 года. По его словам, работа ведется в нескольких плоскостях: развитии фундаментальной науки и первых прикладных внедрениях квантовых продуктов. Россия стала одним из 17 технологически развитых государств с официально утвержденной квантовой стратегией. Индустрия 4. На реализацию дорожной карты предусмотрено финансирование в размере 23,7 млрд рублей. Как работает квантовый компьютер Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение.
Что такое квантовые вычисления?
Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0. Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии. или двухкубитовые квантовые вентили осуществляют логические операции над кубитами.
ЧТО ТАКОЕ КУБИТ
Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. Особенно на фоне последних новостей из IBM об открытии квантового вычислительного центра IBM Quantum Computing Center в Нью-Йорке на базе пяти 20-кубитных и одной 53-кубитной системы. «Пять тысяч кубитов» звучат гораздо ярче, чем сообщение о недавнем эпохальном. это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается.
Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
Делается это обычно с помощью жидкого азота, ионных ловушек или магнитного поля, а потому такая система охлаждения выглядит весьма увесисто. А ещё — довольно сложны в производстве. Но учёные уверены, что это преодолимо: достаточно вспомнить, сколько места занимал один из первых компьютеров Mark I. И ничего — сейчас его далёкие потомки красуются в большинстве комнат и офисов мира. Читайте также: Глупый мотылёк догорал на свечке: как американцы собрали первый компьютер и придумали баги Первый квантовый компьютер Путь к созданию первой в мире квантовой машины был долгим. Всё началось ещё в 1950-х, когда знаменитый физик Ричард Фейнман впервые предложил использовать квантовые эффекты для вычислений. Отчасти за эту работу он в 1965 году удостоился Нобелевки.
А ещё Фейнман известен цитатой о том, что по-настоящему квантовую механику не понимает никто. И здесь опять отметился Фейнман — в 1982 году он публикует знаковую статью «Физическое моделирование с помощью компьютеров», в которой, по сути, впервые описывает принципы работы квантового компьютера. Примерно в те же годы математик Юрий Манин предложил идею квантовых вычислений, а американский физик Пол Бениофф — квантово-механический вариант машины Тьюринга. Первую рабочую модель квантового компьютера представили учёные из MIT в 1997 году. Двухкубитная система работала на принципах ядерно-магнитного резонанса того же самого, что используется в аппаратах МРТ. Модель умела решать довольно сложные задачи по алгоритму Дойча — Йожи.
Дальше свои версии ЯМР-компьютеров стали по цепочке появляться во многих мировых институтах и лабораториях — к сожалению, их фотографии отыскать в Сети довольно сложно — учёные неохотно публикуют изображения своих детищ, вероятно, из соображений секретности. Зато ими охотно делились корпорации в своих пресс-релизах. Вот, например, фото первого в мире 16-кубитного процессора от компании D-Wave, одного из ведущих вендоров в этой отрасли. Первый 16-кубитный процессор от D-Wave Systems Фото: IXBT Конечно, такая мощность далеко не предел — например, та же D-Wave Systems в 2022 году объявила , что собирается разработать квантовый компьютер аж на 7000 кубит. Но пока это остаётся на уровне фантазий — а самый мощный на сегодняшний день квантовый компьютер работает на 1225 кубитах и принадлежит американскому стартапу Atom Computing. А что сейчас?
Квантовые компьютеры уже вышли из области теоретических моделей, построены и давно работают. На момент написания статьи такие машины есть у многих компаний и научно-исследовательских институтов. Какие задачи могут решать квантовые компьютеры Сразу скажем: квантовые компьютеры пока ещё слишком сырые, чтобы массово решать конкретные прикладные задачи. Всё, о чём пойдёт речь дальше, относится либо к отдельным кейсам, либо к отдалённым прогнозам.
Сначала они получили электронную структуру примеси брома с помощью электронного парамагнитного резонанса — расщепления энергетических уровней во внешнем магнитном поле — и оценили по этим данным время когерентности спинового состояния.
Оно составило порядка 5 наносекунд при температурах ниже —258 градусов Цельсия 15 кельвинов. Затем применили сканирующий туннельный микроскоп — устройство, определяющее рельеф поверхности с точностью до атома. На иглу микроскопа подавалось напряжение, и электроны с поверхности туннелировали на иглу, создавая ток. По изменению значения тока физики получали пространственную локализацию электронов и их энергию. Эти измерения подтвердили, что состояния электронов брома локализуются вблизи долин, а их энергия меняется.
Именно связь долин и примеси обеспечивала длительное время когерентности. Физики предполагают, что его можно увеличить, если взять однослойный кристалл дихалькогенида. Аналогичные экспериментальным данным исследователи получили с помощью компьютерного моделирования. Таким образом, ученые показали возможность использования реальных атомов в качестве кубитов и теоретически объяснили длительное время когерентности, построив электронную структуру материала. Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом аля-кубит.
Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние. Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное. И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси.
Духова , Института физики металлов им. Михеева Екатеринбург , Института физики ионных пучков и исследования материалов Германия и Университета Аалто Финляндия. Российские ученые повысили производительность квантовых процессоров с помощью кудитов Ученые НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили подход к реализации квантовых алгоритмов с использованием дополнительных уровней квантовой системы, который позволил на порядок повысить итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов. Российские ученые знают, как сделать квантовый процессор мощнее По словам ученых, основной способ повышения производительности квантовых процессоров — увеличение числа их кубитов — наименьшей единицы информации в квантовом компьютере. Однако ионы или атомы, которые часто выступают в роли кубитов, имеют больше двух уровней и могут работать не только как кубиты, но и как кудиты, которые являются расширенной версией кубита и могут находиться в трех кутриты , четырех кукварты , пяти куквинты и более состояниях.
Дополнительные состояния позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях, что, в свою очередь, дает возможность реализовывать все более сложные и комплексные квантовые алгоритмы. Таким образом возрастает мощность квантового процессора , и операции могут производиться значительно быстрее, пояснили исследователи. По состоянию на апрель 2023 года, большая часть исследований, посвященных квантовым операциям, сосредоточена на кубитах — все операции, которые применяются к квантовой системе, представляются в виде одно- и двухкубитных квантовых вентилей, преобразующих входные состояния кубитов в выходные по определенному закону. Для работы с кудитами важно найти новые подходы с математической точки зрения. Ученые Университета МИСиС и Российского квантового центра рассмотрели один из способов использования куквинтов — 5-уровневых кудитов — и представили модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли.
В качестве примера рассмотрен квантовый алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. Известно, что, используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор. Такое рассмотрение помогает одновременно и сократить число физических носителей информации, и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей, или как их еще называют — гейтов — сложных логических операций с кубитами. Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить число двухчастичных гейтов, то есть задействующих две физические системы», — рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров. Заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров В качестве раскладываемого многокубитного гейта ученые выбрали часто встречающийся в квантовых алгоритмах многокубитный гейт Тоффоли — обобщенную на n кубитов версию универсального контролируемого обратимого вентиля.
Его применение инвертирует состояние n-го кубита, если все остальные n-1 кубитов находятся в состоянии 1.
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. Существуют разные языки программирования для квантовых систем например QCL, Quantum computing language , но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений. Ганновер, Германия Применение квантовых компьютеров В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый из многих квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители. Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное в несколько сотен цифр число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача.
Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации. Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды. Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно. Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера. Возможности квантового взлома систем шифрования в том числе в военной сфере сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра. Свой вклад в создание квантового компьютера вносит и Россия.
Внутренности квантового компьютера выглядят как роскошная золотая люстра. И да, многие комплектующие сделаны из настоящего золота. Это дорогущий холодильник, который используется для охлаждения квантовых чипов, чтобы компьютер мог создавать суперпозиции и запутывать кубиты, не теряя при этом никакой информации. Квантовый компьютер создаёт эти кубиты из любого материала, который обладает квантово-механическими свойствами, доступными для управления. Проекты квантовых вычислений создают кубиты различными способами, такими как зацикливание сверхпроводящего проводника, вращение электронов и захват ионов или импульсов фотонов. Эти кубиты существуют только при температурах близких к абсолютному нулю, создаваемых в холодильной установке. Язык программирования квантовых вычислений Квантовые алгоритмы предоставляют возможность анализировать данные и создавать модели на основе данных. Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования. Исследователи и технологические компании разработали несколько квантовых языков. Q : язык программирования, включенный в Microsoft Quantum Development Kit. Комплект разработчика включает в себя квантовый симулятор и библиотеки алгоритмов. Cirq: квантовый язык, разработанный Google , который использует библиотеку python для написания схем и запуска этих схем в квантовых компьютерах и симуляторах. Forest: среда разработки, созданная Rigetti Computing, которая используется для написания и запуска квантовых программ. Использование квантовых вычислений Настоящие квантовые компьютеры стали доступны только в последние несколько лет, и только несколько крупных технологических компаний имеют квантовый компьютер. Эти технологические лидеры работают с производителями, фирмами, оказывающими финансовые услуги, и биотехнологическими компаниями, чтобы решить множество проблем. Доступность квантовых компьютерных услуг и прогресс в области вычислительной мощности дают исследователям и ученым новые инструменты для поиска решений проблем, которые раньше было невозможно решить. Квантовые вычисления сократили количество времени и ресурсов, необходимых для анализа невероятных объемов данных, моделирования этих данных, разработки решений и создания новых технологий, которые решают проблемы.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Ознакомьтесь с вводными сведениями о кубитах и принципами их работы, включая информацию о различиях между кубитами и двоичными битами, а также о том, как кубиты формируют основу для квантовых вычислений.