Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
— Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза.
Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. Они могут работать, как обычные кубиты, так и как кудиты, представляющие собой расширенную версию кубитов. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Начнем с понятия кубита и его отличий от бита классических компьютеров. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами. Но пока до реального взлома всё же невероятно далеко — чтобы взломать код биткоина, нужны десятки миллионов кубитов.
Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание
Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Начнем с понятия кубита и его отличий от бита классических компьютеров. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит.
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Потенциально эти свойства позволяют реализовывать параллельные вычисления и эффективнее классических систем работать с большими объемами информации. Но режим квантового превосходства пока не был достигнут никем — такое устройство могло бы обогнать классические компьютеры в решении большинства задач. Для достижения превосходства требуется машина с 50—60 кубитами и, что важно, достаточно малой декогеренцией, то есть в состоянии, при котором ничто извне не будет мешать кубитам находиться в квантовой запутанности между собой. Здесь, в частности, и возникает сложность в реализации полноценного квантового компьютера. Дело в том, что сами по себе кубиты очень чувствительны к окружающей среде и воздействию шумов.
Если же таких атомов много, то с ними можно за раз произвести столько однотипных вычислений, сколько требуется. За счёт этой особенности квантовые компьютеры должны намного эффективнее обычных справляться с задачами, в которых требуется перебор большого количества значений. Примером такой задачи является, например, взлом неизвестного кода. Это сделало бы крайне уязвимыми все существующие защиты от несанкционированного доступа.
Например, злоумышленник, обладающий квантовым компьютером, с лёгкостью смог бы получить доступ к любой банковской карте или счёту. Именно поэтому многие банки сейчас активно исследуют возможности квантовой криптографии, которая должна прийти на смену обычной криптографии и за счёт законов квантовой физики гарантирует, что в случае попытки взлома вы как минимум тут же о ней узнаете и сможете оперативно предотвратить возможный ущерб. Но, к сожалению, на данный момент существует не так много задач, для решения которых квантовые компьютеры могли бы действительно быть более эффективными, чем компьютеры обычные. Чтобы задействовать квантовые эффекты в полной мере, нужны специальные алгоритмы, а в подавляющем большинстве случаев такие алгоритмы или невозможны в принципе, или настолько сложны, что пока не разработаны. Поэтому, даже если квантовый компьютер удастся создать в ближайшем будущем, он будет или узконаправленным, как знаменитый D-Wave, или будет работать ненамного быстрее обычного компьютера. Существует, однако, одна область, в которой приход квантовых вычислений может совершить мини-революцию. Эта область — химия. До этого химия была по большей части эмпирической наукой, которая основывалась не на строгих теоретических моделях, а на многочисленных опытных данных. Существовали определённые правила, по которым можно было пытаться предсказывать исход новых химических реакций, но эти правила были далеки от совершенства и в лучшем случае давали только грубое приближение, а зачастую предсказывали совершенно неверный результат.
Единственным способом проверить, будет ли та или иная потенциально полезная реакция работать, было непосредственное проведение эксперимента. И если в неорганической химии в силу её большей простоты это ещё как-то работало, то в химии органических веществ большинство открытий совершалось или случайно, или в результате долгой кропотливой работы по перебору большого количества реагентов. В 1920-е годы учёные создали квантовую физику — инструмент, который в принципе позволяет рассчитывать результаты химических реакций на бумаге. Проблема, однако, заключается в том, что точный расчёт даже в простейших случаях требует совершенно немыслимых временных затрат. И даже развитие компьютерных технологий не позволило в полной мере решить эту проблему. Задачу квантового расчёта того, как двигаются молекулы, — а именно это требуется для химических реакций — относят к классу экспоненциально сложных.
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. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три: Шора разложения числа на простые множители Гровера решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных Дойча-Йожи ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением.
Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением происходит их декогеренция. При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций Honeywell, IonQ , и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах Xanadu, PsiQuantum, Quix. Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.
Чем квантовый компьютер превосходит обычный? Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью. Внутреннее устройство квантового компьютера Фото: IBM Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой.
Поскольку они взаимодействуют между собой, возникает эффект совместной суперпозиции. Каждая частица в квантовом процессоре находится в суперпозиции, но теперь её значение в момент наблюдения зависит ещё и от другой частицы, с которой она взаимодействует.
Это — огромный калейдоскоп, в котором до того момента, как в него посмотрит человек, одновременно выстраиваются все возможные узоры во всех вероятных положениях цветных стёклышек. Соответственно, вычислить, существует ли узор Х из многочисленных последовательностей стёкол, теперь можно гораздо быстрее и проще, чем если крутить футляр калейдоскопа до тех пор, пока не найдётся искомый результат. Что такое квантовое декогеренцирование Итак, мы знаем, что кубит находится в суперпозиции до тех пор, пока не измерить его значение. Во время наблюдения кубит принимает полярные значения — условные 0 или 1. При этом частицы изменяют своё поведение в зависимости от других частиц. Но ведь мир состоит из этих частиц, верно? К примеру, на состояние кубита могут повлиять частицы света вокруг него, а также окружающие его молекулы и атомы.
Именно эта проблема и называется декогеренцированием. Она актуальна, и учёные ещё не нашли простого способа снизить её эффект на кубиты. У неё есть два самых известных решения: снизить температуру кубита до абсолютного нуля и окружить кубит суперпроводником, который защищает частицу от внешнего влияния. Во всяком случае, пока что. Зачем разрабатывать квантовые процессоры Несмотря на то, что квантовые вычисления могут быть ошибочными, а поддерживать кубиты стабильными — непростая задача, которую ещё предстоит решить, есть несколько причин, по которым технологию не оставили: Современные компьютеры ограничены в возможностях, а квантовые — нет. Даже сегодня суперкомпьютеры могут тратить десятки тысяч лет на решение сложнейших задач, когда квантовый компьютер может решить её за секунды. Некоторые из таких задач включают факторизацию больших чисел, оптимизацию, моделирование сложных систем и анализ больших данных.
Квантовые компьютеры помогают лучше понимать мир. Хотя нам кажется, что человечество достигло небывалых высот за последние 50 лет, в действительности мы мало знаем о частицах, их природе и физике.
Кульбит кубита. Новейший сверхкомпьютер может победить рак или погубить мир
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. 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.
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. Грубо говоря, это большой часовой механизм, который состоит из кубитов, как из шестерёнок. Если повернуть одну шестерёнку, неизменно повернётся другая. Если изменить состояние одного кубита, это непременно повлияет на состояние другого.
И все было хорошо до тех самых пор... Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации и многие другие! Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов! Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов транзисторов, а затем и интегральных схем , а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств. В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют.
К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам. По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана СН4. Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое по числу частиц количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной! И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.
Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейн-ман, хорошо знакомый постоянным читателям "Науки и жизни". Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз. И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел о важности этой задачи уже шла речь во введении. По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений. В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. Пример такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.
Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума. Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок. К сожалению, тема коррекции ошибок в квантовых компьютерах так же важна, как и сложна, чтобы изложить ее в данной статье. Для понимания законов квантового мира не следует прямо опираться на повседневный опыт. Обычным образом в житейском понимании квантовые частицы ведут себя лишь в том случае, если мы постоянно "подглядываем" за ними, или, говоря более строго, постоянно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам "отвернуться" прекратить наблюдение , как квантовые частицы тут же переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных ипостасей.
То есть электрон или любой другой квантовый объект частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей и т. Это не означает, что он делится на дольки, как апельсин. Тогда можно было бы надежно изолировать какую-нибудь часть электрона и измерить ее заряд или массу. Но опыт показывает, что после измерения электрон всегда оказывается "целым и невредимым" в одной единственной точке, несмотря на то, что до этого он успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называют суперпозицией квантовых состояний и описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Э. Модуль значения волновой функции в любой точке, возведенный в квадрат, определяет вероятность найти частицу в этой точке в данный момент.
Стоит уточнить, что когда мы говорим о суперпозиции, мы говорим о вероятности кубита оказаться в каждом из промежуточных состояний. А в каком состоянии он действительно находится, мы узнаем только когда на него «посмотрим». Сравнение бита и кубита, визуализация от Microsoft Кратко о свойствах квантовых битов Суперпозиция — не единственное свойство субатомных частиц.
В физике также есть понятия запутанности, квантовой интерференции, коллапса и декогеренции. Запутанность — состояние квантовых частиц двух и более , при котором между ними устанавливается некая связь, даже если они находятся за тысячи километров друг от друга. То есть если вы измените один кубит, запутанный с ним тоже изменится. Добавляя в систему запутанные кубиты, можно экспоненциально увеличить вычислительные возможности квантовых компьютеров. Интерференция — следствие суперпозиции и один из самых загадочных принципов квантовой механики, который упрощенно подразумевает, что частица скажем, фотон может пересекать свою же траекторию и мешать собственному движению. Так как каждое состояние кубита описывается амплитудой вероятностей, эти состояния формируют интерференционную картину. Если хотите разобраться в терминах, почитайте про опыт с двумя щелями Томаса Юнга. Интерференция может быть конструктивной и деструктивной — создатели квантовых компьютеров используют эти эффекты, чтобы влиять на вероятность определенного состояния для ускорения вычислений. Декогеренция — что-то вроде неконтролируемого коллапса волновой функции.
Если в систему кубитов попадет любой шум из окружающей среды электрические и другие помехи, не заметные глазу , суперпозиция нарушится, информация может потеряться что критическим образом повлияет на точность решения задач. Ограничение декогеренции — ключевая задача при создании квантового компьютера. Как устроены квантовые компьютеры? Вопреки ожиданиям, современные квантовые компьютеры не очень большие — размером примерно с холодильник но есть еще коробка с электроникой размером с комод. А вот детально они устроены гораздо сложнее привычных компьютеров. Обычно они состоят из: Квантовой системы. Технологии могут отличаются, но в основном роль кубитов играют либо ионы с разными уровнями энергии, либо сверхпроводящие цепи с разными колебательными состояниями, либо топологические кубиты например, майорановские частицы. Некоего кластера, в котором находятся кубиты и в котором они будут как можно дольше стабильны.
Наши проекты
- Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
- Что такое квантовый компьютер? Разбор / Хабр
- Какие задачи может решать квантовый компьютер
- Квантовый компьютер как способ движения в завтра
- В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
| Квантовый компьютер: что это, как работает, возможности | РБК Тренды | IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). |
| В России создан первый сверхпроводящий кубит | (1) Сформулировать, что такое кубит. |