В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия).
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур. Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации. Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины.
Квантовые компьютеры: путь от фантастики до реальности и их влияние на науку и бизнес
Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. Именно необычное свойство кубита, его способность одновременно становиться и нулём, и единицей, даёт квантовому компьютеру потрясающую вычислительную мощность.
Из Википедии — свободной энциклопедии
- Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
- Что такое квантовый компьютер и как он работает
- Кубит и суперпозиция
- Квантовые вычисления – что это такое
- Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
- Принципы работы квантового компьютера
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними.
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Кроме того, важно найти способ масштабирования квантовых систем, чтобы они могли функционировать в реальных условиях. Несмотря на текущие сложности, квантовые компьютеры имеют большой потенциал. Они могут решать задачи, с которыми классические компьютеры не справляются. Некоторые компании уже создали системы с сотнями кубитов, но пока не удалось достичь состояния квантового превосходства из-за технических проблем.
Плюс в квантомеханической системе есть амплитуды вероятности с комплексными числами — у обычных компьютеров такого нет.
Если взять задачу по разложению какого-то числа в 2 048 бит, то классический алгоритм будет раскладывать его за тысячу шагов и за 1 000 000 000 000 лет. А алгоритм Шора, если бы был квантовый компьютер с нужным количеством кубит, сделает это за 107 шагов — примерно 10 секунд. Пока таких квантовых компьютеров нет, но те, которые есть, уже умеют делать то, на что классическому компьютеру понадобится огромное количество времени. Физик Дэвид ди Винченцо грамотно сформулировал пять основных критериев: 1 Сформулировать, что такое кубит.
Они бывают разные, сегодня есть несколько известных платформ — на атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. 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. 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. Всё это усложняет создание квантовых компьютеров, поэтому сейчас максимально есть около 130 кубитов.
Например, IBM выпустил 128-кубитную систему. Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чём 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 ещё 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, надёжное управление многокубитными гейтами, квантовая память.
Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому учёные делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют.
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.
Поскольку кубит связан со всей окружающей средой, он живет там не бесконечно. Сколько живет ваш кубит? Это не так много по современным достижениям. Но еще несколько лет назад характерные времена были наносекунды, то есть за 13 лет произошел прогресс примерно в миллион раз.
Кубиты, которые мы здесь мерили, соответствуют среднему уровню на настоящий момент. Фактически мы просто научились мерить эти кубиты, и теперь мы планируем начать их производить здесь, в России. У нас будет инструмент для того, чтобы можно было делать с ними измерения. Мерить время когерентности, производить квантовые манипуляции, то есть делать квантовые преобразования, которые соответствуют логическим операциям.
И как скоро можно ждать первых функционирующих операций? Дело в том, что такие логические гейты, то есть схемы, реализующие простейшие логические алгоритмы на сверхпроводящих схемах, уже продемонстрированы как минимум в трех крупных университетах: это Йель, Университет Санта-Барбары в Калифорнии и группа моего бывшего аспиранта, ныне профессора Андреаса Вальрафа Andreas Wallraff в Цюрихе. Я не говорю еще о том, что, например, компания D-wave уже создала 100-битный квантовый компьютер на принципе квантовой релаксации это когда система релаксирует состояние с минимальной энергией. Подобные компьютеры позволяют вычислять состояния определенного класса систем и решать задачи, скажем, нахождения объекта среди многих других одинаковых объектов.
Поэтому у нас есть идеи делать что-то такое, что позволит привнести совершенно новый элемент, может быть, позволит в чем-то обойти основную группу команд, которые работают с кубитами. Я просто скажу, почему это имеет отношение к кубитам. В первом спины ориентированы одинаково, а в сверхпроводнике они объединены в пары в куперовских парах спины электронов противоположно направлены. Поэтому на первый взгляд при прохождении через ферромагнетик пары должны распадаться, но если слой ферромагного материала достаточно тонкий, этого не происходит.
При этом, однако, при правильном подборе материала происходит сдвиг фаз волновых функций на значение числа пи отсюда и название. На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях.
Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками. Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе. Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно.
Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд. То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
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. 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.
Телепортируя многокубитные состояния, можно реализовать многокубитные гейты детерменированным образом. Необходимо только владеть технологией приготовления запутанных состояний высокой размерности, необходимых для осуществления телепортации. Но опять же, для сжатых состояний генерация запутанности возможна при помощи базовых оптических элементов. Экспериментально была продемонстрирована генерация запутанных кластерных состояний на данной архитектуре объёмом до 1000000 кубитов.
Строго говоря, сжатые состояния не являются кубитами. Кубит является лишь подмножеством пространства сжатых состояний. И телепортационные гейты не обеспечивают возможности произвольной трансформации сжатого состояния. Однако если специально выделить из сжатого состояния кубит, то и это ограничение удаётся преодолеть. Более того, оставшиеся степени свободы сжатого состояния можно использовать для дублирования состояний кубита, и таким образом реализовывать коррекцию ошибки. Он обеспечивает устойчивую коррекцию ошибок, если степень сжатия состояния, то есть отношение дисперсии квадратур, достигает 15-17дБ, а в теории — 10дБ [24]. Экспериментальные же результаты сегодня демонстрируют техническую возможность достижения сжатия состояния до 15 дБ, чего может быть достаточно для экспериментальной демонстрации коррекции ошибки. Таким образом для оптической архитектуры удалось преодолеть фундаментальные ограничения реализации запутывающего гейта, технически показана возможность создания регистра до 1000000 кубитов, архитектура включает естественный механизм коррекции ошибки, а продемонстрированный уровень шумов находится на границе устойчивой коррекции.
Безусловно, все эти результаты были продемонстрированы в независимых экспериментах, опубликованные значения являются пиковыми и разработка единого вычислителя, использующего все представленные технологии, представляет собой сложнейшую инженерную задачу. Но необходимо констатировать, что имеющиеся результаты позволяют перевести оптическую архитектуру из ранга потенциально перспективного кандидата для реализации масштабируемого квантового вычислителя на дальних временных горизонтах в ранг актуального игрока. Это демонстрирует канадская компания Xanadu, 1 июня 2022 года представившая в публичном доступе вычислитель на сжатых состояниях с регистром из 216 оптических мод [26]. Заключение С учётом всего вышеизложенного, можно вернуться к представлению об интеграции квантовых вычислений в индустрию информационных технологий. Отрасль в целом демонстрирует ожидаемый планомерный рост, сопряженный с последовательным решением инженерных задач. Это отражается в появлении квантовых вычислителей с большими чем раньше объёмами квантовых вычислительных регистров. Доминирующей архитектурой остаются кубиты на основе сверхпроводников. Однако малое время жизни кубитов данного типа, связанное с их большой чувствительностью к шумам и необходимостью криогенного охлаждения, ставит под вопрос величину нереализованного потенциала масштабируемости данной технологии.
Можно ожидать, что в ближайшие 3-5 лет технология будет оставаться основной, но в дальнейшем может уступить более устойчивой архитектуре. Примером более устойчивой архитектуры могут послужить кубиты на основе холодных атомов. В ближайшее время можно ожидать публикации с демонстрацией рекордной степени точности двухкубитного гейта, построенного на основе подхода с наносекундным временным масштабом. Совершенствование и масштабирование данной технологии может привести к появлению программируемого атомного вычислителя с рекордным количеством кубитов. Наиболее перспективными на дальнем временном горизонте остаются вычислители на основе оптических схем. Исследования последних лет в значительной мере конкретизировали понимание того, как должен быть устроен оптический вычислитель большого масштаба с коррекцией ошибок. То есть устройство, полностью выводящее отрасль квантовых вычислений из эпохи NISQ. Можно со значительной степенью уверенности утверждать, что это будет система с кубитами на основе сжатых состояний с непрерывными переменными.
Главными ограничениями для такого вычислителя остаётся неизбежное возникновение ошибки телепортационного гейта из-за невозможности сжать квадратуру квантового состояния до нуля, а также потери излучения в волокне. Существенными шагами в направлении к созданию масштабируемого оптического вычислителя станет экспериментальная демонстрация устойчивой коррекции ошибки и исполнение вычислителя такого типа в виде интегрально-оптической схемы. Облачные квантово-вычислительные сервисы могут начать внедряться в программные продукты для решения задач оптимизации при помощи вариационных алгоритмов уже в обозримом будущем, на горизонте 5-7 лет. Наиболее вероятно, что аппаратным обеспечением данных сервисов будут оставаться вычислители на основе сверхпроводящих схем или холодных атомов. Значительное развитие может получить инфраструктура квантовой оптической связи, призванная, в первую очередь, решать задачи обеспечения информационной безопасности. Можно ожидать, что со временем данные сети будут усложняться, переходя на обмен состояниями более высокой размерности и обеспечивая реализацию коррекции ошибок за счёт простых интегрально-оптических устройств. В отдалённой перспективе, на горизонте 15 и более лет, это может привести к созданию разветвлённой квантово-коммуникационной сети, объединяющей, в том числе, оптические квантовые компьютеры, что позволит использовать квантово-вычислительные ресурсы более широко и эффективно. КРК квантовый компьютер квантовые вычисления Список литературы F.
Arute, K. Arya, John M. Martinis et al. Zhou, E. Stoudenmire, X. Waintal, What limits the simulation of quantum computers? Zlokapa, S. Boixo, D.
Lidar, Boundaries of quantum supremacy via random circuit sampling, arxiv. Computing 26, 1484 — 1509 1997 L. X 8, 031027 2018 M. Cerezo, A. Arrasmith, R. Babbush et al. Wang, Sh. Hanzo Variational quantum attacks threaten advanced encryption standard based symmetric cryptography, Science China Information Sciences, 65, 200503 2022 Quantum-centric supercomputing: The next wave of computing, research.
Wang, Mikhail D. Lukin et al. Fast quantum gates for neutral atoms. Chew, T. Tomita, T. Mahesh et al.
Это значит, что он может быть немножечко 0, но в основном единицей. В основном 1 и немножечко 0. Это дает нам большие возможности, мы можем закодировать больше информации в меньшем объеме». В качестве примера можно привести человека. В случае обычного компьютера он может находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс. В квантовом же мире с некоторой вероятностью человек может находиться в Москве, Владивостоке, на Шри-Ланке или в Дубае. 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.
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. А если будет квантовый компьютер, он сможет смоделировать эту систему, и мы упростим себе жизнь в создании лекарств.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается.