Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. 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. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Начинаем погружаться в основу основ квантовой связи и квантовой информатики, так что сегодня узнаем, что такое кубит, для чего он нужен и в каких направления.
Поделись позитивом в своих соцсетях
- Информация
- Все решения уже известны
- Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
- Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен
- Что это вообще такое — квантовый компьютер
Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
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. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Недавно нам выпала возможность послушать как звучат кубиты в ролике о работе квантового компьютера IBM.
Квантовые компьютеры
| Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание | Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. |
| Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления | Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. |
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
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.
Сравнимые бюджеты выделили на развитие квантовых технологий и отдельные европейские страны, а сам Евросоюз еще в 2018 году запустил миллиардную программу Quantum Flagship, направленную на поддержку совместных проектов по квантовым технологиям по всей Европе. Общий объем инвестиций в этот быстро растущий рынок оценивается в 25 миллиардов долларов, что сопоставимо с бюджетом американской лунной программы 1960-х годов. Особый путь А что в России? Несмотря на пионерские идеи Юрия Манина в 1980-х и неоценимый вклад отечественных ученых в области квантовых вычислений и квантовой информации, Россия на текущий момент несколько отстает от перечисленных выше лидеров рынка. Такое положение отчасти связано с поздним стартом, ведь первые прикладные проекты по квантовым технологиям в России были запущены лишь в 2010-х например, Российский Квантовый Центр , через 10-15 лет после создания первых квантовых процессоров. Первые одно- и двух-кубитные системы в России были созданы в 2015-2016 годах, а в этом году был представлен первый 5-кубитный квантовый процессор. Масштабирование до существующих мировых аналогов с десятками кубитов потребует еще несколько лет упорной работы российских лабораторий, при условии сравнимого с мировыми лидерами уровня инвестиций. Точечные грантовые вложения в российские квантовые технологии осуществлялись как минимум на протяжении последних десяти лет, однако их небольшой, относительно мирового уровня, объем, и слабое взаимодействия между грантополучателями затрудняло быстрое развитие этой области в России.
Свою роль здесь сыграло и отсутствие современной технологической базы для создания необходимых для квантовых процессоров микроэлектронных схем центров нанофабрикации , а также сложности с поставками высокотехнологичного измерительного оборудования из-за рубежа криогеники, микроволновых и оптических систем и нехватка специалистов в области квантовых технологий. Цель этой коллаборации — представить к 2024 году работающий прототип квантового процессора на 30-100 кубитах, причем параллельно будут развиваться сразу 4 платформы: на сверхпроводниках, на нейтральных атомах, на ионах и на фотонах. Кто окажется победителем в этой квантовой гонке, покажет время, но важно помнить, что соревнование идет не только между отдельными странами, компаниями и технологическими платформами. Главный вызов брошен самой природе в попытке заставить законы квантового мира работать для решения сложнейших вычислительных задач. Преодоление этого рубежа станет значимой вехой на пути научно-технологического прогресса и откроет новые горизонты для дальнейших исследований и прикладных разработок. Кроме того, как показывает история с космической гонкой, такие состязания дают толчок к развитию множества сопряженных технологий, находящих самое разнообразное применение в повседневной жизни. К примеру, благодаря американской лунной программе было создано около 2 000 новых высокотехнологичных продуктов, включая беспроводные зарядные устройства, солнечные батареи и цифровые камеры, и многое другое. Без сомнений, в ближайшие 5-10 лет квантовая гонка даст не менее интересные плоды и преподнесет нам еще немало сюрпризов!
Дефицит и конкуренция Ситуацию в России специально для Naked Science прокомментировал Михаил Насибулин, директор проекта «Развитие квантовых вычислений» Госкорпорации «Росатом»: Квантовые вычисления сегодня находятся на раннем уровне готовности технологии. В связи с этим есть технологическая неопределенность в вопросе выбора оптимальных решений для реализации многокубитных квантовых вычислителей, требующая дальнейших фундаментальных исследований физики квантовых систем и технологий их создания. Эволюция будущих решений будет определяться вектором развития наиболее перспективного квантового аппаратного обеспечения и научно-технологической конъюнктуры в России и в мире. В соответствии с Соглашением о намерениях с Правительством России Госкорпорацией «Росатом» реализуется дорожная карта развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». План мероприятий дорожной карты которой сформирован с учетом лучших мировых практик и при участии научного и предпринимательского сообществ. Но конкурентным преимуществом создаваемой российской квантовой вычислительной архитектуры является наличие в ней квантовых процессоров, построенных на различных технологических платформах, в том числе четырех приоритетных на основе сверхпроводников, нейтральных атомов, ионов в ловушках и фотонных чипов и перспективных на основе магнонов, поляритонов и спинов. Эти платформы будут построены в рамках единой концепции и будут совместимы с пакетом средств для разработки квантовых приложений и решений проблем оптимизации. Выполнение предусмотренного дорожной картой «Квантовые вычисления» комплекса мероприятий, направленных на формирование необходимой материально-технической базы, обеспечит не только реализацию запланированных НИОКР, но и дальнейший переход к серийному автоматизированному производству российского оборудования и комплектующих, в том числе элементной базы квантовых процессоров, не уступающих мировым аналогам.
Бурный рост популярности квантовых вычислений сопровождается глобальным дефицитом квалифицированных кадров в данной области. Требуется стремительное наращивание компетенций высочайшего класса по всему спектру применений — от ученых-физиков, непосредственно занятых над созданием и совершенствованием квантовых компьютеров, квантовых программистов, инженеров и технологов, до потенциальных потребителей и конечных пользователей технологии, для которых специализированные знания в эксплуатации и практическом применении таких систем также будут востребованы. Комплекс необходимых мероприятий, включая работу по развитию кадрового потенциала, мероприятия в сфере высшего профессионального и общего образования, разработка программ дополнительного образования, формирование и развитие профессиональных сообществ с целью усиления необходимых компетенций — предусмотрен в Дорожной карте «Квантовые вычисления». Работа в данном направлении ведется при активном участии и во взаимодействии с российскими ВУЗами и НИЦами, как уже обладающими компетенциями в области квантовой физики, квантовой механики, так и стремящимися развивать данные области. Дефицит кадров естественным путем сопровождается высочайшей конкуренцией за талантливых ученых, представляющих собой уникальный потенциал, способный обеспечить технологический переход на новый уровень. Необходимо создавать условия для работы людей в России, чтобы они не уезжали за рубеж, а реализовывали свои проекты в нашей стране. Также привлекаем ученых и экспертов из других стран — уже сегодня ряд российских ученых вернулись в Россию, получив здесь условия для реализации своих квантовых научных проектов. Что касается прогнозов по созданию и использованию квантового компьютера в России и в мире, то тут хотел бы заметить, что квантовые компьютеры, разрабатываемые в настоящее время в рамках реализации дорожной карты «Квантовые вычисления», являются экспериментальными и не предназначены для коммерческих продаж.
Реализация полнофункциональных прототипов всех флагманских продуктов квантовых вычислений, которые в дальнейшем лягут в основу будущих коммерческих решений, запланирована в России к 2025 году. Ввиду высокой сложности создаваемых в настоящее время систем и низкого уровня готовности технологии прогнозирование появления массового рынка квантовых компьютеров пока преждевременно. Для создания полноценного рынка целесообразно активное вовлечение в совместное развитие квантовых вычислений технологических, индустриальных и финансовых партнеров.
Атомы могут использоваться в качестве кубитов в квантовом компьютере Физики из МФТИ совместно с коллегами из Франции экспериментально показали, что атомы примесей в полупроводниках могут формировать долгоживущие устойчивые квантовые состояния. Значит, эти атомы можно использовать в качестве кубитов в квантовом компьютере. Работа опубликована в журнале Communication Physics. Об этом 24 июля 2023 года сообщили представители МФТИ.
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. Этот эффект возникает из-за принципа суперпозиции в квантовой механике. Благодаря суперпозиции кубит в процессе вычислений находится во всех состояниях сразу и поэтому помогает обработать гораздо больше информации, чем классический бит. В роли кубита могут выступать различные квантовые системы: сверхпроводящие искусственные атомы, квантовые точки, атомы в ловушках, реальные атомы в твердом теле и т. Однако слабым местом всех существующих кубитов является неустойчивость к шумам. Например, небольшое колебание температуры или магнитного поля могут нарушить квантовое состояние кубита, и он окажется непригоден к вычислениям. Эта проблема разрушения квантового состояния называется декогеренцией и является одной из главных фундаментальных причин, по которой квантовые компьютеры пока не имеют широкого применения.
Ученые ищут физические системы, в которых можно реализовать кубиты, более устойчивые к шумам. Например, если в некоторые полупроводники добавить примеси, электроны примесных атомов будут долго по квантовым меркам это несколько наносекунд сохранять направление спина — собственного магнитного момента. Благодаря длительному времени когеренции спина такие атомные системы можно использовать в качестве кубитов. Физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ исследуют подобные структуры и подбирают оптимальные материалы для них. В работе ученые центра заменили часть атомов теллура в дихалькогениде молибден теллур 2H-MoTe2 на атомы брома и с помощью электронного пармагнитного резонанса и туннельной сканирующей микроскопии исследовали структуру электронов примесного атома и оценили время когерентности системы. Если отдельный инородный атом, помещенный в монокристалл, приводит к локализации спинполяризованного состояния, то он может стать кубитом. В дихалькогенидах переходных металлов сильное спин-орбитальное взаимодействие как раз создает такие условия.
Вопрос только в том, как работать с такими кубитами, ведь это самый, что ни на есть атомарный масштаб, порядка 0,3 нм. Мы в наших исследованиях добавили примеси брома в полупроводник молибден теллур. Эта примесь имеет энергетическое положение внутри запрещенной зоны материала, то есть ее электроны локализованы. В работе мы показываем, что квантовые свойства этих примесей можно изучать, для этого применялась методика измерения электронного спинового резонанса и низкотемпературная сканирующая туннельная спектроскопия. Мы показали, что в данных атомах существуют унаследованные от материала локализованные спин-долинные состояния с наносекундными временами когерентности спинов. Электроны каждого атома, согласно квантовой механике, имеют определенную энергию — находятся на энергетическом уровне. В кристаллах электроны могут переходить от одного атома к другому, их энергетический спектр становится практически сплошным, без разделения на уровни.
Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать. Но, если добавить примесный атом в полупроводник, электронам этого атома станут доступны уровни у верхнего или нижнего края запрещенной зоны. Получается, такое укромное место, где можно долго удерживать электрон — отличная площадка для кубита. Стоит отметить, что это возможно при температурах ниже 250 градусов Цельсия. Важно правильно выбрать полупроводник и примесь, чтобы локализовать электроны. Поэтому физики обратили внимание на дихалькогениды переходных металлов — слоистые двумерные полупроводники, состоящие из атома переходного металла здесь молибдена и халькогена здесь теллура. В кристаллах дихалькогенидов из-за симметрии атомы располагаются в форме шестиугольника самые выгодные энергетические состояния для электронов находятся в определенных областях пространства — долинах — вокруг атомов.
По словам заведующего лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Алексея Фёдорова, куквинт хорош тем, что его состояние позволяет уменьшить количество физических носителей в виде кубитов и упростить декомпозицию многокубитных вентилей гейтов — сложных операций с кубитами. В итоге в квантовой системе можно сократить число двухчастичных гейтов, которые в работе используют две физические системы. В представленном на страницах Entropy примере специалисты показали, как можно реализовать модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли обобщенную на n-кубитов версию вентиля контролируемое НЕ. С помощью этого алгоритма можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, классический процессор. Оказалось, что при использовании кудитов, в частности куквинтов, для реализации 8-кубитного алгоритма Гровера требуется выполнить 88 двухчастичных гейтов против более 1000, когда работа строится на стандартных кубитах.
Что такое квантовые вычисления?
В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора.
Что такое квантовые вычисления?
Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Но пока до реального взлома всё же невероятно далеко — чтобы взломать код биткоина, нужны десятки миллионов кубитов. Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
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. Они же являются родительскими состояниями майорановских мод.
Джозефсоновские переходы или контакты способны также захватывать сверхпроводящие квазичастицы со своими спинами. Тем самым появляется связь между сверхтоками и спинами.
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. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга.
Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию. Биты и кубиты Фото: Журнал Яндекс Практикума Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке.
Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам. Квантовые вычисления в облаке Фото: Medium Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений. IBM уже представила программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q и симулятор квантовых вычислений. Платформа Orquestra от Zapata предлагает набор вычислительных методов для квантовых компьютеров Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы.
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. Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения.
Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный. С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора. Квантовый процессор на девяти кубитах от Google Зачем нужны квантовые компьютеры Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30—40 знаков или больше на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд. Это означает, что тайн больше не будет, потому что любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно.
Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере. Возможно, наступит интересный момент, когда обычное шифрование перестанет работать, а квантовое шифрование ещё не изобретут.
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.
Проблем много, но это путь развития — микроэлектроника уже прошла его. Это нормально: под каждый новый процесс промышленность адаптируется и придумываются новые проводящие металлы и другие открытия. Просто вся система пока на ранней стадии зрелости. Основная проблема при создании квантовых компьютеров — это создание кубитов в большом количестве и их связывание, время жизни всей системы — Как не специалистам, которые интересуются квантовыми компьютерами, понимать, действительно ли новое открытие — шаг вперед для этой отрасли или очередная новость ради кликов? На что обратить внимание? Например, количество кубитов — это показатель? Если совсем не понимаешь, — эти бенчмарки очень поверхностно раскроют суть прогресса, а иногда даже введут в заблуждение. Как, например, с количеством кубитов — на самом деле это хорошо, но не говорит о том, насколько система умеет вычислять и с какой точностью. Для меня важно количество связанных между собой логических кубитов, точность вычисления, время жизни системы и способность вычислять практические алгоритмы.
Поэтому кажется, что этим занимается очень ограниченное число организаций. Не значит ли это, что такие устройства будут работать только в пользу корпораций и государств? И можно писать свои квантовые схемы и считать алгоритмы. Каждый разработчик заинтересован в увеличении количества практических задач, которые можно делать на их квантовом компьютере, поэтому стоимость удешевляется.
Квантовые компьютеры: путь от фантастики до реальности и их влияние на науку и бизнес
И, если в традиционных ловушках явно чувствуется, что мы уперлись в какой-то предел, то в двумерных сейчас наблюдается явное многообразие подходов, дизайнов, реализаций. Я уверен, что существующие на этом пути технологические проблемы, будут в скором времени решены профессиональными инженерами, открывая путь к созданию полномасштабного квантового компьютера». Но сейчас, благодаря поддержке Росатома, а также заинтересованности индустрии, развитие области ускоряется. Мы надеемся достаточно быстро пройти необходимый этап фундаментальных исследований, чтобы открыть возможность для дальнейших прикладных разработок в области квантовых вычислений, что приведет и к появлению первых российских компаний в этой области. Я считаю, что это, в некотором роде, естественный процесс». Несколько другие проблемы преследуют область сверхпроводящих кубитов. Как Naked Science уже рассказывал в предыдущей статье , этот тип кубитов основан на искусственно-созданных объектах на чипах — сверхпроводящих цепочках. Такие сверхпроводящие схемы изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах похожим на традиционную микроэлектронику методом — с помощью фото- и электронной литографии и последующего напыления тонких металлических пленок обыкновенно, алюминия или ниобия. Размеры элементов в сверхпроводящих схемах разнятся от сотен микрометров до десятков нанометров, что создает целый спектр проблем, связанных с их изготовлением. С одной стороны, сложность заключается в получении специальных наноразмерных перекрытий джозефсоновских переходов , туннелируя через которые, электронные пары в сверхпроводнике и создают квантовое состояние.
В массиве кубитов геометрические размеры таких переходов должны быть максимально идентичны для совместной работы системы в противном случае связать отдельные кубиты друг с другом будет проблематично. Еще более глубокая проблема кроется в несовершенстве нанесенных металлических пленок, которые на наномасштабе состоят из отдельных гранул, далеко не идеально прилегающих друг к другу, что служит еще одним источником шумов. С другой стороны, при увеличении количества кубитов на чипе пропорционально возрастают и ее размеры, а также сложность микроволновых линий, используемых для управления кубитами. Это ведет как к большей вероятности возникновения дефектов из-за несовершенства техпроцессов изготовления элементов сверхпроводящих схем, так и к более фундаментальной проблеме связывания массива кубитов между собой. В отличие от цепочки ионов, связь между которыми реализуется с помощью лазерных импульсов, связать произвольные сверхпроводящие кубиты не так-то просто. Эта задача решается с помощью линий связи или резонаторов для пары соседних кубитов англ. Казалось бы, возможность оперировать сложным квантовым состоянием из множества связанных кубитов лежит в основе быстродействия квантового компьютера и используется в квантовых алгоритмах. А на практике получается, что такое состояние неустойчиво или вовсе недостижимо уже для пары десятков кубитов. Что же делать в таком случае?
Gambetta, Jerry M. А манипуляции с двумя связанными кубитами ученые уже научились проводить с очень и очень высокой точностью. Разумеется, квантовые алгоритмы, составленные из двухкубитных вентилей, получаются в разы длиннее своих многокубитных версий, однако фундаментальной проблемы в этом нет. Нужно просто иметь квантовые процессоры с достаточно длинным временем когерентности и достаточно быстрыми одно- и двухкубитными гейтами для выполнения сотен-тысяч элементарных квантовых операций за один вычислительный цикл. Пример разложения 3-кубитного гейта на последовательность 2-кубитных операций. Фраза «нужно просто иметь квантовые процессоры с нужными характеристиками» из конца прошлой главы звучит довольно неплохо и, в целом, это выполнимо. Но есть нюанс. Это значит, что в среднем на сотню правильно выполненных операций будет приходиться одна ошибочная. В полномасштабном квантовом компьютере, выполняющем сложный квантовый алгоритм, такие ошибки будут быстро накапливаться, приводя к выдаче неправильных результатов вычислений.
При этом существенно повысить точность двухкубитных квантовых гейтов в многокубитных квантовых процессорах пока не представляется возможным. К счастью, многие недостатки компьютерного «железа» можно зачастую решить программными методами. Например, физические ошибки, возникающие в классических компьютерах или линиях передачи данных, детектируются и исправляются с помощью действующих в реальном времени алгоритмов коррекции ошибок, разработанных еще в середине 20 века. Похожие алгоритмы были предложены пару десятилетий назад и для квантовых систем. Например, уже упомянутый выше Алексей Китаев в 1998 году предложил так называемый «поверхностный код» англ. Общая идея такого подхода коррекции ошибок довольно проста — соседние физические кубиты объединяются в логические блоки, каждый из которых в дальнейшем используется квантовым алгоритмом в качестве «логического кубита». При этом, если каждый логический блок содержит достаточно большое количество физических кубитов, то, даже несмотря на периодически возникающие в них физические ошибки, уровень ошибок логического кубита можно сделать сколь угодно низким.
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.
Бизнес и промышленность используют квантовые вычисления для изучения новых способов ведения бизнеса. Вот несколько проектов в области квантовых вычислений, которые могут принести пользу бизнесу и обществу: Аэрокосмическая отрасль использует квантовые вычисления для поиска лучшего способа управления воздушным движением. Финансовые и инвестиционные фирмы надеются использовать квантовые вычисления для анализа риска и доходности финансовых вложений, оптимизации портфельных стратегий и урегулирования финансовых переходов. Производители применяют квантовые вычисления для улучшения своих цепочек поставок, повышения эффективности своих производственных процессов и разработки новых продуктов.
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. 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.
IBM заявила о выпуске чипа на тысячу кубитов в декабре 2023 г. Журнал Nature назвал его первым в мире. В январе 2024 г. Ранее D-Wave заявляла также о важных результатах исследований, демонстрирующих успешное устранение квантовых ошибок QEM в прототипе Advantage2. Проблема квантовых систем в том, что они страдают от вычислительных ошибок из-за шума в окружающей среде. Российские достижения Российские разработчики тоже работают над квантовыми технологиями, но соревнуются пока внутри страны.