Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. это элементарная единица информации в квантовых вычислениях.
Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен
Даже малейшие возмущения могут привести к ошибкам в квантовых вычислениях, искажению данных. И хотя физически кубит может быть реализован разными способами кубиты создают с использованием специально выращенных сверхпроводниковых структур, ультрахолодных атомов и ультрахолодных ионов, с помощью оптических систем и так далее , единого ответа о наиболее перспективной реализации у исследователей пока нет — сегодня эксперименты по созданию квантовых вычислителей ведутся на основе разных технологий. И этот список регулярно обновляется. Если обобщить на совсем базовом уровне: «столкновение» квантовой системы с реальным миром разрушает всю «квантовость», и способ поддержки этого состояния в достаточном масштабе пока не придуман. Тем более не придуман способ реализации такого квантового вычислителя, к примеру, в условиях обычной квартиры. Несмотря на текущие сложности, квантовые информационные системы имеют большой потенциал — по крайней мере в науке уже есть немало вычислительных задач, с которыми классические компьютеры справиться не могут.
Для сравнения: чтобы взломать алгоритмы RSA, нужна примерно тысяча логических кубитов. Тут нужно сделать небольшое отступление и сказать, что сегодня в квантовых вычислениях есть еще один подряд сложностей — пока не придумана квантовая память. Поэтому в ближайшие 10 лет квантовые вычисления будут работать в связке с классическими компьютерами.
Стратегическая долгосрочная задача — создание универсального квантового компьютера. Для этого нужно более 10 000 логических кубитов, надежное управление многокубитными гейтами, квантовая память. Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому ученые делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют. Моделирование сильно ограничено размерами молекулярных систем и параметрами точности. Из-за этого создание нового лекарства занимает лет десять. А квантовый компьютер, который способен смоделировать квантовую механическую систему, радикально ускорит процесс. Или фолдинг белка сейчас пытаются сделать рентгеновскими лучами, хитрыми магнитными резонансами.
А если будет квантовый компьютер, он сможет смоделировать эту систему, и мы упростим себе жизнь в создании лекарств. Еще ускорится разработка новых материалов для космических полетов, двигателей, сверхпроводящих систем. Сделать лучше не получается, потому что мы пока плохо моделируем. За одно интервью невозможно даже перечислить все те применения квантовых компьютеров, которые можно придумать. Даже если он просто сможет ускорить считанное количество процессов важных операций типа преобразования Фурье — это уже будет серьезным прогрессом. А это только один шаг к созданию универсального квантового компьютера. Поэтому такой хайп. Их уже применяют для оптимизации финансовых портфелей, маршрутов, оптимизации ИИ-алгоритмов.
Что может остановить прогресс? Допустим, если время жизни системы 0,001 секунда, то можно не успеть вычислить что-то важное. Надо думать, как удерживать качество вычислений и масштабировать их. Возьмем компанию IonQ — в нее проинвестировали уважаемые инвестиционные фонды со всего мира, она даже стала публичной. Они делают системы на ионах, и проблема в том, что там есть ионные ловушки, но есть предел количества ионов, который можно уловить. И надо придумать механизм связывания ловушек между собой. С этим пока большие проблемы — это сильно мешает масштабировать систему. У других платформ есть похожие серьезные проблемы.
Еще есть проблемы с оборудованием — иногда под квантовые компьютеры нужно изобретать новые устройства. Например, специальную оптику, лазеры, вакуумное оборудование, криогенные камеры.
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. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной.
А уже в планах 1018. Руслан Юнусов: Конечно, суперкомпьютеры успешно работают в самых разных сферах жизни, но есть много задач, перед которыми даже они пасуют.
Сколько бы степеней быстродействия вы ни прибавляли. Вот вроде бы элементарная задача - разложение числа на простые множители. Скажем, 10 делится на 2 и 5. Но если начнете увеличивать число на несколько знаков, то сложность вычисления вырастет многократно. Например, над числом из сотен цифр мощный суперкомпьютер будет возиться несколько миллиардов лет, а возможно, вообще не справится. Квантовому хватит нескольких минут. Задача коммивояжера не под силу даже суперкомпьютеру А можно пример задачи из реальной жизни? Руслан Юнусов: Например, коммивояжеру, чтобы объехать сто клиентов, требуется выбрать лучший маршрут.
Вроде бы можно довериться Яндекс. Но он находит хорошее решение, а не самое лучшее. Причем с каждой новой точкой задача сразу усложняется в 10, 100, 1000 и так далее раз. Это специфический класс оптимизационных задач, которые решаются перебором огромного количества вариантов. И здесь квантовому компьютеру нет равных - в сравнении с ним даже самый мощный суперкомпьютер больше напоминает примитивный калькулятор. То есть квантовые компьютеры не вытеснят обычные, а займут свою нишу? Руслан Юнусов: Именно так. Назову области применения, которые очевидны уже сегодня.
Считается, что квантовый компьютер, манипулируя отдельными атомами, лучше справится с созданием новых материалов и новых лекарств. Он сможет взломать системы современного шифрования, но в то же время квантовая криптография защитит информацию на фундаментальном уровне. Ждут появления полноценного квантового компьютера финансисты и климатологи. Первым он крайне необходим для моделирования рынков и финансовых операций, вторым - для составления более точных сценариев климата и прогнозирования погоды. Даже самый мощный суперкомпьютер, по сравнению с квантовым, больше напоминает примитивный калькулятор Но я назвал только то, что мы знаем уже сейчас. Вы удивитесь, но на самом деле мы даже не представляем, на что по большому счету способен квантовый компьютер, в какие сферы он может проникнуть. Так происходит с большинством прорывных технологий. Руслан Юнусов: Да, аналогичная ситуация была когда-то с обычными компьютерами.
Их авторы создавали устройства под вполне конкретные задачи. Они были уверены, что жителям Земли, чтобы решить свои проблемы, достаточно примерно тысячи таких машин. Однако новые задачи стали расти как грибы после дождя. Если бы в 50-е годы создателям компьютеров сказали, что через 70 лет основные мощности компьютерного времени будут потрачены на игры или на майнинг криптовалют, они посмеялись бы над подобной ересью. Не сомневаюсь, что такая же история повторится и с квантовыми компьютерами. Эта техника будет совершенствоваться, начнет проникать в самые разные сферы жизни, кардинально их меняя. А когда это произойдет, когда квантовый компьютер станет достаточно мощным, те страны, у которых его не будет, окажутся неконкурентоспособными.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
С этим мнением не согласны в Google. Американская IBM готовится вывести на рынок квантовые компьютеры с вычислительной мощностью 50 кубитов. Произойдет это, как утверждают в компании, уже в ближайшие несколько лет. С помощью квантовых компьютеров, получивших предварительное название IBM Q, можно будет, в частности, «распутать» сложные молекулярные и химические взаимодействия, что приведет к открытию новых лекарств и материалов, считают в IBM. 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.
Это классический бит некая логическая единица, которая может принимать два значения, скажем: ноль и единичка. Так работает обычный компьютер. Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. 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.
Все эти девайсы объединяет одно — кремниевый процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Принцип работы таких транзисторов достаточно прост — в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг — если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо — будет 01110. И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций.
Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много — мы теряем на эти вычисления время. Принцип работы квантовых компьютеров Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения: Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Понятнее явно не стало. Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Что это нам дает?
Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов.
Telegram-канал создателя Трешбокса про технологии Разработчики квантовых систем, среди которых числятся такие компании как Google и IBM, для повышения производительности квантовых систем идут самым простым путём — они увеличивают число кубитов, единицы вычисления в квантовых компьютерах. Российские учёные предложили иной подход — многоуровневые кубиты или, как их называют иначе, кудиты. Такое решение напоминает память 3D NAND — чем сложнее структура, тем больше кубитов можно разместить в одной ячейке. В разработанной в России технологии в качестве единицы квантовых вычислений выступают ионы. Они могут работать, как обычные кубиты, так и как кудиты, представляющие собой расширенную версию кубитов.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность. В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия). 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.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Ведь, как и большинство кубитов, спиновые кубиты на основе полупроводников могут быть реализованы разными способами. Базовая технология позволяет обнаруживать отдельные электроны в изолированных ямах и управлять их спинами, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии. По его словам, Intel изучает множество параметров, таких как разные размеры квантовых точек, разная геометрия, разная длина кубитов. Intel также встраивает в свой чип средства тестирования для определения производительности. Intel объявила о сотрудничестве с лабораторией физических наук LPS университета Мэриленда, Qubit Collaboratory LQC в Колледж-Парке, национальным исследовательским центром квантовых информационных наук QIS , Sandia National Laboratories, университетом Рочестера и университетом Висконсин-Мэдисон для продвижения исследований в области квантовых вычислений. Компания планирует предоставить доступ для разработчиков и исследователей к своему набору инструментов Intel Quantum Software Development Kit SDK версии 1.
Это своего рода дезагрегированный подход. На данный момент мы сосредоточены как на программном, так и на аппаратном обеспечении, и в дальнейшем мы объединим их. Предстоит проделать огромный объем работы, чтобы охарактеризовать эти устройства, а затем написать много научных работ», — добавил Кларк. LPS Qubit Collaboratory LQC является одним из исследовательских центров министерства обороны в области квантовых информационных наук QIS , учреждённых в рамках Закона о национальной квантовой инициативе 2018 г. Intel заявляет, что сотрудничество с LQC поможет демократизировать кремниевые спиновые кубиты, позволив исследователям получить практический опыт работы с их масштабируемыми массивами.
По словам Кларка, Intel предоставит квантовые устройства, в то время как исследовательские организации будут нести ответственность за приобретение и настройку необходимой инфраструктуры, такой как системы криоконтроля. Представители научных учреждений, участвующие в программе, единодушны в том, что участие Intel является важной вехой в демократизации исследования спиновых кубитов и их перспектив для квантовой обработки информации и ведёт к объединению промышленности, научных кругов, национальных лабораторий и правительства. По мнению учёных, устройство представляет собой гибкую платформу, позволяющую напрямую сравнивать различные кодировки кубитов и разрабатывать новые режимы работы, что позволяет внедрять новые квантовые операции и алгоритмы в многокубитном режиме и ускорять скорость обучения в квантовых системах на основе кремния. Исследователи также высоко оценивают надёжность Tunnel Falls, а возможность работать с промышленными устройствами Intel открывает, по их мнению, перспективы для технического прогресса и обучения. Intel планомерно работает над повышением производительности Tunnel Falls и интеграции его в свой полный квантовый стек с помощью комплекта Intel Quantum SDK.
Кроме того, Intel уже разрабатывает свой квантовый чип следующего поколения на базе Tunnel Falls, ожидается, что он будет выпущен в 2024 году. В будущем Intel планирует сотрудничать с дополнительными исследовательскими институтами по всему миру для создания квантовой экосистемы. Есть неплохие кандидаты на роль кубитов, но каждый из них несёт багаж недостатков. Учёные из Нидерландов попытались создать гибридные кубиты, сочетая лучшие и нивелируя худшие их свойства, и преуспели в этом. Перспективный гибридный кубит лёгок в производстве, прост в управлении и стабилен.
Правда, пока только в лаборатории и на бумаге. Учёный держит квантовый чип пинцетом, перед установкой на плату. Источник изображения: QuTech Исследователи уже не раз горели желанием сочетать сверхпроводящие и спиновые явления. Кубиты на основе сверхпроводников, которые используют стабильные состояния электромагнитных полей или моды, хорошо изучены и используются на практике в составе квантовых компьютеров IBM, Google и других. Такие кубиты хорошо взаимодействуют на больших расстояниях и легко управляются, хотя они относительно большие и имеют предел по скорости выполнения операций.
Спиновые кубиты на атомах или элементарных частицах малы и могут массово выпускаться даже на полупроводниковых заводах из 80-х годов прошлого века. Но такие кубиты ограничены по дальности взаимодействия и управления. Как взять одни свойства перспективных кубитов и отбросить другие? Эту задачу попытались решить учёные из QuTech — исследовательской организации, созданной Делфтским технологическим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований TNO. В свежей работе, опубликованной в Nature Physics, учёные рассказали о создании и успешных испытаниях гибридной спиново-сверхпровдящей платформы.
Можно сказать, что учёные улучшили так называемый «спиновый кубит Андреева», который строится на основе ряда квантовых эффектов, названных именем советского физика Александра Фёдоровича Андреева. В джозефсоновских контактах, где сверхпроводящий ток течёт без напряжения, существуют микроскопические электронные состояния — андреевские уровни, каждый из которых может рассматриваться как микроскопический источник эффекта Джозефсона.
Это открывает новые возможности для обработки информации: компьютер из нескольких тысяч кубитов может производить вычисления со скоростью, недоступной современным суперкомпьютерам. В роли кубитов могут выступать атомы или электроны — цифровые данные записываются на их спине. Такие кубиты неустойчивы к воздействиям окружающей среды, способной нарушить их корректную работу, а процедура считывания и записи информации на них крайне сложна. В начале 2000-х годов ученые создали «искусственные атомы», которые ведут себя в соответствии с законами квантовой физики, но проще в использовании.
За каждым из этих явлений стоит много инженерных сложностей. Например, если измерить кубит, его состояние изменится и его нельзя клонировать. Или шумы, электромагнитные волны, частицы плохо влияют на систему, поэтому большинство платформ охлаждают всю систему до низких температур, чтобы минимизировать влияние шумов и пыли. Но и работать в криогенике намного сложнее. Все это усложняет создание квантовых компьютеров, поэтому сейчас максимально есть около 130 кубитов. Например, IBM выпустил 128-кубитную систему. За каждым этапом разработки квантового компьютера стоит много инженерных сложностей Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чем разница? Чтобы достичь нужного уровня, — делают логические кубиты, то есть из большого количества физических кубитов делают один логический кубит, программируют на него протоколы коррекции ошибок, алгоритм и получается, что это один кубит с высоким показателем точности. Поэтому, если вернуться к физическим кубитам, на которых и должен делаться квантовый компьютер, — индустрия находится на раннем этапе, примерно на уровне десяти логических кубитов. В ближайшие годы ожидаем, что будет достижим уровень в сто логических кубитов. Это уже позволит делать интересные вещи — оптимизация маршрутов, клинические тесты, синтетическое создание клинических данных, проксимация квантовых симуляций, оптимизация финансовых портфелей. Для сравнения: чтобы взломать алгоритмы RSA, нужна примерно тысяча логических кубитов. Тут нужно сделать небольшое отступление и сказать, что сегодня в квантовых вычислениях есть еще один подряд сложностей — пока не придумана квантовая память. Поэтому в ближайшие 10 лет квантовые вычисления будут работать в связке с классическими компьютерами. Стратегическая долгосрочная задача — создание универсального квантового компьютера. Для этого нужно более 10 000 логических кубитов, надежное управление многокубитными гейтами, квантовая память. Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому ученые делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют. Моделирование сильно ограничено размерами молекулярных систем и параметрами точности. Из-за этого создание нового лекарства занимает лет десять. А квантовый компьютер, который способен смоделировать квантовую механическую систему, радикально ускорит процесс. Или фолдинг белка сейчас пытаются сделать рентгеновскими лучами, хитрыми магнитными резонансами. А если будет квантовый компьютер, он сможет смоделировать эту систему, и мы упростим себе жизнь в создании лекарств. Еще ускорится разработка новых материалов для космических полетов, двигателей, сверхпроводящих систем. Сделать лучше не получается, потому что мы пока плохо моделируем. За одно интервью невозможно даже перечислить все те применения квантовых компьютеров, которые можно придумать. Даже если он просто сможет ускорить считанное количество процессов важных операций типа преобразования Фурье — это уже будет серьезным прогрессом. А это только один шаг к созданию универсального квантового компьютера.
Именно данную архитектуру используют специалисты Atom Computing в новом вычислителе. Обратной стороной атомной архитектуры является сложность взаимодействия кубитов. Подобно тому, как любая классическая программа может быть представлена с использованием простейших логических элементов: И, ИЛИ, НЕ, квантовая программа составляется из набора элементарных квантовых гейтов, реализованных в вычислителе аппаратно. Однако для того, чтобы называться универсальным программируемым квантовым компьютером, вычислитель в этом наборе обязательно должен иметь многокубитный запутывающий гейт. Реализация этого гейта представляет для квантовых вычислителей главную инженерную задачу. Двухкубитные гейты для атомов устроены гораздо сложнее однокубитных, выполняются существенно дольше, и именно их точность, так называемая величина фиделити, определяет эффективность квантового компьютера. Нетрудно в этом убедиться, ознакомившись со свежим выпуском Nature. Статьи «High-fidelity parallel entangling gates on a neutral atom quantum computer» и «High-fidelity gates and mid-circuit erasure conversion in an atomic qubit» заявляют о достижениях в этом направлении. 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.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации. Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света. 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. В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255.
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
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. 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.
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.
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. Как отметили исследователи, располагая в каждом куквинте по два кубита и используя пятый уровень в качестве вспомогательного, можно значительно сократить число двухчастичных гейтов в его разложении по сравнению с расположениями на кубитах и таким образом повысить качество выполнения квантовых алгоритмов. Для демонстрации процессов был выбран именно этот алгоритм, так как для его выполнения необходимо неоднократно реализовать многокубитные гейты.
Мы сравнили три способа декомпозиции многокубитных вентилей в рамках выполнения данного алгоритма на 2-10 кубитах, когда в качестве носителей информации используются кубиты, кутриты и куквинты, и продемонстрировали, как сокращается число двухчастичных гейтов», — пояснила эксперт научного проекта НИТУ МИСиС, научный сотрудник РКЦ Анастасия Николаева. Например, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88. Полученные учеными результаты применимы к квантовым процессорам , основанным на различных физических платформах, таких как ионы, нейтральные атомы, сверхпроводящие цепи и другие. Статья опубликована в научном журнале Entropy. Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты — альтернативу популярным трансмонам. Особенность флаксониумов состоит в более продолжительном жизненном цикле и большей точности операций, что дает возможность выполнять более длинные алгоритмы. Как известно, одна из основных проблем разработки универсального квантового вычислителя заключается в кубитах, а именно — из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров : электронов, фотонов, ионов, сверхпроводников или других кандидатов в «квантовые транзисторы». За последние десять лет сверхпроводниковые кубиты получили огромный толчок в развитии. При этом самыми коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами по состоянию на 2022 год являются трансмоны, которые активно исследуются и используются в квантовых разработках Google , IBM и других мировых лабораторий, рассказали в НИТУ МИСИС.
По словам ученых, главная задача кубита — целостно хранить и обрабатывать информацию. Случайный шум и даже просто наблюдение способны привести к потере или изменению данных. Для устойчивой работы сверхпроводниковых кубитов часто необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды — близкая к нулю Кельвин, что в сотни раз холоднее температуры открытого космоса. В ходе испытаний для защиты кубитов от шума исследователи добавили в цепь супериндуктор — сверхпроводниковый элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току, который представляет собой цепочку из 40 джозефсоновских контактов — структур из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Основной плюс флаксониумов заключается в том, что с ними можно работать на низкой частоте — порядка 600МГц. Известно, что чем меньше частота, тем больше время жизни кубитов, а значит больше операций с ними можно выполнить. В ходе испытаний оказалось, что диэлектрические потери флаксониевых кубитов позволяют держать состояние суперпозиции дольше, чем у трансмонов», — рассказал Илья Беседин, один из авторов исследования, инженер научного проекта лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС. В качестве элемента, преобразующего входные состояния кубитов на выходные, ученые использовали высокоточные двухкубитные вентили fSim и CZ. А для того, чтобы привести кубиты в резонанс друг с другом применялась параметрическая модуляция потока одного из кубитов системы.
В целом, по мнению ученых, полученные результаты открывают многообещающий подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям с низкочастотными кубитами, которые благодаря своим улучшенным когерентным свойствам могут стать конкурентоспособной альтернативой широко используемым сверхпроводниковым процессорам на кубитах-трансмонах. В дальнейшем планируется продолжать исследования с вычислениями на базе кубитов-флаксониумов, а именно: оптимизировать систему управления кубитами, улучшить показатели считывания и приступить к разработке многокубитных систем на их основе. Статья об исследовании, которое приближает создание квантового компьютера к реальности, опубликована в npj Quantum Information — Nature. Команда исследователей под руководством члена научного совета РКЦ профессора Алексея Устинова провела эксперимент по измерению состояния сверхпроводящего кубита. Ученым удалось наблюдать периодически изменяющийся сигнал кубита, а также измерить его резонансную частоту. Сверхпроводящие кубиты представляют собой колечки сверхпроводника диаметром несколько микрон.
Он ожидал, что частицы станут проходить через них, а на экране появится две полоски. Внезапно учёный обнаружил, что на экране появилось целое множество полосок. Увидев это, Юнг предположил: одна частица света проходит через две щели одновременно. Примерно такую картину интерференции волн наблюдал Томас Юнг. Свойство частиц находиться одновременно во всех состояниях и называется суперпозицией. Оно активно используется в квантовых вычислениях, которые основаны на кубитах с частицами. Чем полезна суперпозиция в квантовых процессорах Особенность суперпозиции квантовых частиц принимать все доступные значения в один момент времени позволяет значительно ускорить работу процессоров. Теперь им не нужно раз за разом перебирать последовательности нулей и единиц, чтобы найти верное решение поставленной задачи. Эти последовательности уже существуют здесь и сейчас. Именно поэтому квантовые компьютеры работают быстрее обычных. Выше мы писали о Google Sycamore — она справилась со сложнейшими вычислениями за 200 секунд. На выполнение той же задачи у суперкомпьютера IBM ушло бы 10 000 лет. Суперкомпьютер Google. Как кубит может принимать все значения разом Вы можете спросить: как так вышло, что в предыдущем параграфе кубит принимает значения 0 и 1 одновременно, а в этом — одновременно все возможные состояния, которые могут находиться и на промежутке от 0 до 1? Это справедливое замечание. Дело в том, что у частиц есть ещё одно примечательное свойство: они находятся в состоянии суперпозиции до тех пор, пока не окажутся под наблюдением, но как только кто-то начинает наблюдать их, они принимают полярное значение в множестве возможных — либо 0, либо 1. Всё зависит от того, к какому полярному значению частица находится ближе до того момента, как к ней обратились. Что такое квантовая запутанность Квантовая запутанность quantum entanglement — это фундаментальное явление в квантовой механике, когда два или более кубита или другие квантовые системы становятся так плотно связанными, что состояние одного кубита немедленно влияет на состояние другого, независимо от расстояния между ними.
Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен
Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. 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). Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Эта машина способна проводить очень сложные и длительные вычисления за счет встроенной в кубиты системы коррекции ошибок. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды. В то время как кубиты имеют четыре значения, в нейронных сетях их несравненно больше, а образуемые ими структуры намного разнообразнее, чем entanglement. В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры.
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
Уметь вводить кубит в суперпозицию. Понять, как сделать так, чтобы кубит одновременно был нулем и единицей. В каждой из платформ введение в суперпозицию — отдельная задача и это позволяют делать разные физические принципы. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Сохранять это когерентное состояние как можно дольше. Производить измерения над нашим квантовым компьютером. За каждым из этих явлений стоит много инженерных сложностей. Например, если измерить кубит, его состояние изменится и его нельзя клонировать. Или шумы, электромагнитные волны, частицы плохо влияют на систему, поэтому большинство платформ охлаждают всю систему до низких температур, чтобы минимизировать влияние шумов и пыли.
Но и работать в криогенике намного сложнее. Все это усложняет создание квантовых компьютеров, поэтому сейчас максимально есть около 130 кубитов. Например, IBM выпустил 128-кубитную систему. За каждым этапом разработки квантового компьютера стоит много инженерных сложностей Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чем разница? Чтобы достичь нужного уровня, — делают логические кубиты, то есть из большого количества физических кубитов делают один логический кубит, программируют на него протоколы коррекции ошибок, алгоритм и получается, что это один кубит с высоким показателем точности. Поэтому, если вернуться к физическим кубитам, на которых и должен делаться квантовый компьютер, — индустрия находится на раннем этапе, примерно на уровне десяти логических кубитов. В ближайшие годы ожидаем, что будет достижим уровень в сто логических кубитов.
Это уже позволит делать интересные вещи — оптимизация маршрутов, клинические тесты, синтетическое создание клинических данных, проксимация квантовых симуляций, оптимизация финансовых портфелей. Для сравнения: чтобы взломать алгоритмы RSA, нужна примерно тысяча логических кубитов. Тут нужно сделать небольшое отступление и сказать, что сегодня в квантовых вычислениях есть еще один подряд сложностей — пока не придумана квантовая память. Поэтому в ближайшие 10 лет квантовые вычисления будут работать в связке с классическими компьютерами. Стратегическая долгосрочная задача — создание универсального квантового компьютера. Для этого нужно более 10 000 логических кубитов, надежное управление многокубитными гейтами, квантовая память. Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому ученые делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют.
Моделирование сильно ограничено размерами молекулярных систем и параметрами точности. Из-за этого создание нового лекарства занимает лет десять. А квантовый компьютер, который способен смоделировать квантовую механическую систему, радикально ускорит процесс. Или фолдинг белка сейчас пытаются сделать рентгеновскими лучами, хитрыми магнитными резонансами.
Думаю, более 10, а то и 20 лет. На данном этапе удалось сделать лишь относительно слабые простейшие квантовые вычислители для узкоспециальных математических задач. На пути к полноценным квантовым вычислителям предстоит решить ещё очень много физических задач. Да и математических, наверное, тоже. А теперь давайте познакомимся с простейшим и интереснейшим объектом квантового компьютера — кубитом. Кубит Кубит — это то же самое, что и бит в обычном компьютере.
Ящичек, который содержит минимальную частицу, которой кодируется любая осмысленная информация. Кубит, также, как и бит, может принимать значения 0 или 1, но, в отличие от бита, эти конкретные значения он принимает лишь при выводе результата вычислений. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. При математическом описании работы квантового компьютера оперируют именно векторами. Если математически описывать физику процессов, происходящих в квантовом компьютере с кубитами при логических операциях с ними, то это будут умножения векторов, описывающих вероятностное состояния кубитов, на матрицы, описывающие эти самые логические операции.
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.
В квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке: Кубит может принимать все значения, которые видны на цветной сфере Все решения уже известны Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц. Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы. Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице. Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию Как делают кубиты и в чём сложность Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью. Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система. Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
На первой линейке (кубите) "q[0]" мы видим оператор синий кружок с плюсом внутри. Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры.