Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
| Квантовые компьютеры | Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. |
| Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования | Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? |
| В России представлен 16-кубитный квантовый компьютер | Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. |
| Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии | Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. |
ЧТО ТАКОЕ КУБИТ
Если 2-кубитная система с кубитами A и B находится в запутанном состоянии, кубиты могут находиться наполовину в состоянии 00, наполовину в 11. Таким образом, независимо от измерений системы два кубита останутся теми же самыми. Запутанная система может быть так же наполовину в 01, наполовину в 10, где два состояния всегда противоположны друг другу. Состояние 00 или 11 — два кубита останутся теми же Альберт Эйнштейн и другие физики считали запутанность ошибкой, потому что она противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, в которой говорится, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если у Алисы есть кубит A, а у Боба есть кубит B оба кубита находятся в запутанности , и Боб улетит за миллиарды световых лет от Алисы, измерение её кубита покажет то же, что и измерение кубита Боба — любые изменения в кубите Алисы с применением квантового вентиля повлияют на состояние кубита Боба. Формирует ли это общение? Никто не знает наверняка, потому что невозможно найти точное вероятностное состояние кубита, так как измерение кубита вынуждает его перейти в одно из двух детерминированных состояний. Этот вопрос всё ещё горячо обсуждается. Почему за кубитами будущее?
Кубиты экспоненциально быстрее битов в некоторых вычислительных задачах, таких как поиск по базам данных или разложении чисел на множители что, как мы выясним ниже, может взломать интернет-шифрование. Важно понимать, что кубиты могут содержать значительно больше информации, чем биты. Один бит содержит такое же количество информации, что и кубит — оба они могут содержать одно значение. Однако четыре бита используются для хранения того же объёма информации, что два кубита. Восемь бит сохраняют информацию, которую можно сохранить в трёх кубитах, так как 3-кубитная система может хранить восемь состояний — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. И так далее. График ниже демонстрирует вычислительную мощность кубитов. По оси x отображается количество кубитов, используемых для хранения определённого количества информации.
Значения по оси y голубой линии отображают количество битов, необходимых для хранения того же объёма информации, что и в количестве кубитов по оси x, или 2 в степени x. График построен с помощью Desmos. Представьте себе какие возможности предоставляют квантовые вычисления! Квантовые компьютеры также прекрасно подходят для разложения чисел на множители, что приводит нас к RSA шифрованию. Протокол безопасности, защищающий Medium и, наверняка, любой другой известный вам веб-сайт, известен как RSA шифрование. Он основан на том факте, что потребуется очень-очень много времени при существующих вычислительных ресурсах, чтобы разложить число m длиной больше 30 знаков на произведение двух чисел p и q, которые являются большими простыми числами.
Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует. 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.
Начнём с квантового компьютера. Биты и кубиты В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это реализовано так: В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе: если его включить, вода польётся, если выключить — остановится. В транзисторе вода — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке. Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления. Из-за того, что транзисторов очень много миллиарды , а работают они очень быстро близко к скорости света , транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления. Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света. Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.
Основное отличие квантового компьютера от обычного заключается в представлении информации в его процессоре. Единица информации в обычном компьютере — бит, представляющий собой ноль или единицу. 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.
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
| Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения | Quantum Crypto | Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность. |
| Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер | Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур. |
| Квантовый бит — QMLCourse | 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. |
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. 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. В то время как кубиты имеют четыре значения, в нейронных сетях их несравненно больше, а образуемые ими структуры намного разнообразнее, чем entanglement. Именно необычное свойство кубита, его способность одновременно становиться и нулём, и единицей, даёт квантовому компьютеру потрясающую вычислительную мощность. Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом.
Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
Хотя классические компьютеры были основой современных вычислений, ограниченная вычислительная мощность не позволяет им решать конкретные сложные задачи в современном мире. Квантовые вычисления работают на другом уровне, чем классические вычисления. Вместо того, чтобы использовать биты для представления информации, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут представлять как 0, так и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений одновременно, что делает их экспоненциально более мощными, чем классические компьютеры. Существуют определенные проблемы, которые классические компьютеры не могут решить из-за их ограниченной вычислительной мощности.
Потенциал квантовых вычислений заключается в их способности применять законы квантовой механики для решения сложных задач, на решение которых классическим компьютерам могут потребоваться годы. Эти проблемы часто сложны, с многочисленными переменными и взаимодействиями, которые затрудняют их решение с использованием классических вычислительных методов. Квантовые компьютеры могут решать сложные задачи в области криптографии, поиска лекарств и финансового моделирования. Квантовые вычисления также обладают потенциалом произвести революцию в науке и технике.
Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для моделирования поведения молекул на квантовом уровне, что позволило бы ученым разрабатывать новые лекарства и материалы с беспрецедентной точностью. Кроме того, квантовые вычисления могут оптимизировать сложные системы, такие как транспортные сети или энергосистемы, что приводит к более эффективным и устойчивым решениям. Ожидается, что квантовые вычисления потенциально могут оказать значительное влияние на область искусственного интеллекта. Алгоритмы квантовых вычислений могли бы обучать модели машинного обучения гораздо быстрее, чем классические вычислительные методы, что позволило бы более быстрыми темпами развивать искусственный интеллект.
Физически биты представлены транзисторами, в которых присутствие электрона, проходящего через затвор, означает 1, а отсутствие — 0. Компьютерная микросхема заполнена несколькими триллионами миниатюрных транзисторов, обеспечивающих его функционирование микросхемы не могут стать меньше, так как информация представлена в виде электронов. Кубиты принципиально отличаются от битов тем, что не ограничиваются только 0 и 1. Они могут принимать любые значения между 0 и 1. Это явление называется суперпозицией и существует только в квантах — очень маленьких объектах. Кубитом может быть любой объект, проявляющий квантовое поведение, например фотон. Кубит, находящийся в суперпозиции, при измерении коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний 0 или 1.
Вероятность состояния 1 или 0 определяется суперпозицией кубита. Если кубит находится в равной суперпозиции, то он находится наполовину в состоянии 0, наполовину в состоянии 1. Для понимания суперпозиции нужно думать о состояниях как о волнах, а не как о двух взаимоисключающих классах. Представьте себе две разные песни, одну из которых назовём песня A, другую песня B. Поскольку при измерении кубит коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний, невозможно измерить истинное вероятностное состояние кубита. Впрочем, можно измерить его приблизительно. Суперпозиция — реальное явление: знаменитый эксперимент с двумя щелями демонстрирует, что определённые кванты, подобные электронам или фотонам, находятся в волновых состояниях и, проходя через две щели, вызывают появление интерференционной картины на экране.
Источник На аппаратном уровне главная сложность в конструировании кубитов заключается в их вероятностной природе ведь они не детерминированы , что означает, что их состояние может очень легко изменяться под воздействием внешних сил. Кубиты трудно поддерживать по той же причине, по которой они так мощны — множество их возможных состояний трудно контролировать более нескольких секунд. Применение квантовых вентилей для осуществления операций зачастую может приводить к ошибкам вентиля из-за случайного неосторожного обращения с кубитом. Напомню, что кубитом может быть что угодно от фотона до электрона или определённых молекул , если они демонстрируют квантовое поведение. Многокубитные системы и запутанность Ваш компьютер далеко не продвинется с одним битом , ведь он может принимать только два значения, а компьютер работает с огромной многоразрядной системой. Как и биты, кубиты можно собрать в многокубитную систему. В 2-кубитной системе в состоянии 10 первый кубит находится в состоянии 1 и второй в состоянии 0.
Однако из-за суперпозиции 2-кубитные системы не ограничены только детерминированными значениями 0 или 1. Они могут находиться в суперпозиции.
КК на сверхпроводниках имеет самое большое число кубитов на сегодня, но из-за особенностей технологии их точность, как правило, невысокая. Соответственно, некорректно называть их самыми мощными. Для сравнения разных типов КК между собой был предложен квантовый объем.
Если говорить упрощенно, он отражает реальную вычислительную «мощность» квантового компьютера. Где сейчас и как ускориться В России сейчас активно разрабатываются все основные типы квантовых компьютеров: на ионах, атомах, оптических интегральных схемах и на сверхпроводниках. Самый мощный КК в стране построен на ионах и насчитывает 16 кубитов. Заместитель руководителя группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ Илья Семериков, который разрабатывает этот КК, рассказывает: «Нам еще только предстоит измерить экспериментально квантовый объем нашего ионного компьютера, но, судя по достоверностям двухкубитных операций и связности, я бы ожидал увидеть 25 или, может быть, 26. Увеличение квантового объема — наша основная задача на сегодня».
Такие результаты соответствуют уровню лидеров квантовой гонки начала-середины 2020 г. Текущий рекорд по квантовому объему по состоянию на июль 2023 г. Он составляет 219, или 524 288. Это означает, что компьютер может выполнять сложные квантовые алгоритмы с высокой точностью. РКЦ в конце 2021 г.
К недостаткам модели относилось меньшее время когерентности, но на сегодня эта проблема решена, сказал Семериков. Текущая точность квантового компьютера РКЦ находится на уровне ведущих компаний 2018-2019 гг. По словам Семерикова, сейчас команда активно работает над ее повышением. МФТИ создал рабочий квантовый чип, выполненный на сверхпроводниках, на 8 кубитах. Сейчас тестируется на 12 кубитах.
Оборудование для этого было закуплено еще в 2016 г. Но сохраняются сложности с масштабированием и улучшением этого типа КК. Разработчики российских КК сходятся во мнении, что для ускорения разработки квантового компьютера, кроме отдельных проблем, необходимо решать вопрос с кадрами и популяризировать квантовые технологии среди молодежи и в научной среде.
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. Как бы это ни было парадоксально, строительство квантовых компьютеров помогает изучить квантовую физику. Квантовые алгоритмы могут изменить существующие методы шифрования и дешифровки данных.
Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски
это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. На первой линейке (кубите) "q[0]" мы видим оператор синий кружок с плюсом внутри. Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит.
Квантовые вычисления для всех
Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
Международная гонка кубитов Доцент CAS Лян Футянь Liang Futian сказал, что ключевые показатели чипа Xiaohong, как ожидается, достигнут уровня производительности чипов основных международных облачных платформ квантовых вычислений, таких как IBM. 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.
Что такое квантовая суперпозиция, чаще всего объясняют на примере подброшенной в воздух монетки. Пока она летит, для бросавшего монета находится в суперпозиции: ее значение и орел, и решка.
Суперпозиция сохраняется, пока монетку не поймали и не определили, что выпало. Еще один пример — кот Шредингера. Суперпозиция — это состояние кота, пока не открыли крышку ящика, то есть кот жив и мертв одновременно. В КК суперпозиция сохраняется, пока не производится вычисление кубита, или измерение его состояния: 0 или 1. Именно благодаря этому свойству расчеты на КК производятся быстрее, чем на классических компьютерах. Однако для выполнения сложных алгоритмов на КК важно, чтобы значения одних кубитов были связаны со значениями других. В этом помогает такое явление, как квантовая запутанность.
В нем состояния двух или большего числа частиц оказываются взаимосвязанными и их значения всегда противоположные. Если у одной частицы значение 0, то у другой, «запутанной» с ним, гарантированно будет 1. Нередко для объяснения запутанности приводится пример с новой парой носков, когда один, надетый на левую ногу и ставший левым, автоматически превращает свою пару в правый, как бы далеко тот ни находился, причем происходит это моментально. Как сравнивать Многие мировые корпорации громко заявляют о прорывах в создании КК. Одни говорят о рекордном числе кубитов, другие — о рекорде связанных кубитов, третьи — о рекордной когерентности. Что скрывается за этими рекордами и почему оценивать мощность КК стоит по квантовому объему? Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности.
Чем больше число кубитов, тем больше возможностей для решения сложных задач. Если в обычной системе вычислительная мощность растет квадратично, то есть n2, то в квантовой — экспоненциально 2n n — в данном случае число битов, или кубитов. При этом важно, сколько времени кубиты могут проводить операции без потери информации. Это время называется когерентностью. Если поделить время двухкубитной операции на когерентность, то получится количество операций, которые можно совершить за цикл жизни кубита.
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. В квантовых процессорах находятся несколько кубитов. К примеру, в 2022 году IBM представила компьютер с 433 кубитами. Поскольку они взаимодействуют между собой, возникает эффект совместной суперпозиции.
Отказоустойчивость тщательно исследуется в области квантовых вычислений: по логике, добавление кубитов может компенсировать некоторые проблемы, но для создания единого, надежного кубита для переноса данных потребутся миллионы корректирующих ошибки кубитов. А у нас их сегодня не больше 128. Возможно помогут умные алгоритмы, которые также разрабатываются. Имитация квантового с помощью квантовых компьютеров Поскольку большие данные сейчас горячая тема, можно было бы ожидать, что квантовые компьютеры будут лучше обрабатывать крупные наборы данных, чем классические. Но это не так. Вместо этого, квантовые компьютеры будут особенно хороши в моделировании природы. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для более эффективного построения молекул лекарств, потому что они в основном работают на той же основе, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать. Вычисление квантового состояния молекулы — невероятно сложная задача, которая почти непосильна нашим компьютерам, но квантовые компьютеры справятся с ней на ура. Точно так же квантовые вычисления могут перевернуть область материаловедения или передачи информации. Благодаря запутанности, кубиты, физические разделенные большим расстоянием, могут создать канал для передачи информации, который с научной точки зрения будет безопаснее наших существующих каналов. Квантовый интернет вполне осуществим. Но самое интересное вот что: мы даже не знаем всего разнообразия удивительных вопросов , которые могут попытаться решить квантовые компьютеры. Просто имея коммерческий квантовый компьютер и позволяя людям с ним работать, мы могли бы наметить новые интересные области, подходящие для этой потрясающей новой технологии. А какие задачи попытались бы решить на квантовом компьютере вы?
Что такое кубит?
D-Wave Leap — сервис для доступа к адиабатическим квантовым компьютерам D-Wave, которые специализируются на решении задач оптимизации. Для использования этих платформ и сервисов пользователи должны зарегистрироваться на сайтах компаний и следовать инструкциям для подключения к квантовым компьютерам. Также они должны знать основы квантового программирования и использовать специальные языки или фреймворков. Примеры квантовых приложений Квантовые компьютеры могут быть использованы для решения различных задач, которые трудно или невозможно выполнить на классических компьютерах. Некоторые из этих задач включают: Квантовая химия — моделирование молекулярных структур и реакций с помощью квантовых алгоритмов.
Это может помочь в разработке новых лекарств, материалов и катализаторов. Квантовая оптимизация — поиск оптимальных решений для сложных задач, таких как распределение ресурсов, планирование маршрутов и расписание производства. Это может помочь в повышении эффективности и снижении затрат в разных отраслях. Квантовая криптография — обеспечение безопасности передачи и хранения данных с помощью квантовых протоколов, таких как квантовый ключевой распределение.
Это может помочь в защите от кибератак и шпионажа. Квантовое машинное обучение — применение квантовых алгоритмов для анализа и классификации больших объемов данных. Это может помочь в распознавании образов, прогнозировании и рекомендациях. Для демонстрации возможностей квантовых компьютеров некоторые компании и организации уже проводят эксперименты с квантовыми приложениями.
Например: Google совместно с NASA и USRA использовал свой 53-кубитный квантовый компьютер Sycamore для моделирования химической реакции гидрогена с нитрогеназой — ферментом, который участвует в фиксации азота в почве. IBM совместно с ExxonMobil использовал свой 20-кубитный квантовый компьютер IBM Q для оптимизации распределения грузопотоков в нефтехимическом комплексе. Microsoft совместно с Case Western Reserve University использовал свою платформу Azure Quantum для обработки медицинских изображений с помощью квантового машинного обучения. D-Wave совместно с Volkswagen использовал свой 2000-кубитный адиабатический квантовый компьютер D-Wave 2000Q для планирования оптимальных маршрутов для такси в Пекине.
Эти примеры показывают, что квантовые компьютеры уже способны решать некоторые практические задачи, хотя они еще далеки от полной реализации своего потенциала. В будущем ожидается, что квантовые компьютеры будут иметь больше возможностей и применений в разных сферах жизни. Технические характеристики реально существующих квантовых компьютеров Квантовые компьютеры могут быть реализованы на разных физических платформах, которые используют разные типы кубитов. Кубиты могут быть связаны друг с другом через квантовую запутанность, что позволяет проводить сложные вычисления.
Существует несколько основных параметров, которые характеризуют квантовые компьютеры: Число кубитов — определяет размер квантового состояния и количество информации, которое может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере. Чем больше кубитов, тем больше возможностей для решения сложных задач. Коэрентное время — определяет время, в течение которого кубит сохраняет свое квантовое состояние без потери информации из-за воздействия внешних факторов. Чем дольше коэрентное время, тем надежнее работает квантовый компьютер.
Скорость операций — определяет время, необходимое для выполнения одной элементарной операции над одним или несколькими кубитами. Чем выше скорость операций, тем быстрее работает квантовый компьютер. Точность операций — определяет вероятность ошибки при выполнении одной элементарной операции над одним или несколькими кубитами. Чем ниже точность операций, тем больше шума и искажений вносится в вычисления.
Масштабируемость — определяет возможность увеличения числа кубитов и связей между ними без потери производительности и надежности. Чем выше масштабируемость, тем больше потенциал для развития квантового компьютера. В настоящее время существует несколько основных типов кубитов, которые используются для создания квантовых компьютеров: Сверхпроводящие кубиты — основаны на электрических цепях из сверхпроводящих материалов, которые имеют два дискретных энергетических уровня. Сверхпроводящие кубиты имеют высокую скорость операций и масштабируемость, но низкое коэрентное время и точность операций.
Ионные кубиты — основаны на заряженных атомах ионах , которые поддерживаются в ловушке электрическим или магнитным полем. Ионные кубиты имеют высокое коэрентное время и точность операций, но низкую скорость операций и масштабируемость. Фотонные кубиты — основаны на световых частицах фотонах , которые могут быть кодированы поляризацией или частотой.
Возможно помогут умные алгоритмы, которые также разрабатываются. Имитация квантового с помощью квантовых компьютеров Поскольку большие данные сейчас горячая тема, можно было бы ожидать, что квантовые компьютеры будут лучше обрабатывать крупные наборы данных, чем классические. Но это не так. Вместо этого, квантовые компьютеры будут особенно хороши в моделировании природы. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для более эффективного построения молекул лекарств, потому что они в основном работают на той же основе, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать. Вычисление квантового состояния молекулы — невероятно сложная задача, которая почти непосильна нашим компьютерам, но квантовые компьютеры справятся с ней на ура. Точно так же квантовые вычисления могут перевернуть область материаловедения или передачи информации. Благодаря запутанности, кубиты, физические разделенные большим расстоянием, могут создать канал для передачи информации, который с научной точки зрения будет безопаснее наших существующих каналов. Квантовый интернет вполне осуществим. Но самое интересное вот что: мы даже не знаем всего разнообразия удивительных вопросов , которые могут попытаться решить квантовые компьютеры. Просто имея коммерческий квантовый компьютер и позволяя людям с ним работать, мы могли бы наметить новые интересные области, подходящие для этой потрясающей новой технологии. А какие задачи попытались бы решить на квантовом компьютере вы? Расскажите в нашем чате в Телеграме.
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. То есть мы считываем состояние атомов. Если он был возбуждён или если он не был возбужден.
Вот почему нам нужны квантовые компьютеры. Представьте, что вы хотите усадить 10 человек за 1 стол, где есть только один оптимальный план рассадки из всех возможных комбинаций. Сколько различных комбинаций вам нужно изучить, чтобы найти оптимальную? Для размещения 2 человек потребуется 2 варианта комбинаций. При размещении 10 человек за одним столом понадобится составить 3 628 800 комбинаций. Всего 10 человек и один стол создают более 3 млн комбинаций, а представьте количество комбинаций при больших значениях, 100 человек 1000 или 10 000 человек, такие вычисления уже не под силу классическим компьютерам. Суперкомпьютерам приходится анализировать каждую комбинацию одну за другой, что может занять много времени. На некоторые вычисления могут уйти миллиарды лет. И тут на помощь приходит квантовые компьютеры, способные значительно сократить время сложных вычислений. Неделя работы суперкомпьютера соответствует 1 секунде существующих квантовых компьютеров. Принципы работы квантового компьютера Работа квантовых компьютеров основана на двух принципах квантовой механики: спутанность и принцип суперпозиции. Классические компьютеры работают в двоичной системе 1 или 0 бит , комбинации и последовательности 1 и 0 несут определенные данный. Процессор может передавать либо 1 либо 0. Принцип суперпозиции позволяет элементам процессора находится одновременно в 2 состояниях и 1 и 0. Как монетка подброшенная вверх, пока не упала одновременно может быть и орлом и решкой. Бит который может находится в состоянии 1 и 0 одновременно называется кубитом. Чем больше кубитов тем больше одновременных вычислений можно проводить. Сейчас ведутся разработки по созданию компьютера на основе фотонов света с характеристиками в 1 000 000 кубит. Все эти свойства квантового компьютера позволяют одновременно анализировать миллионы различных вариантов и комбинаций. В примере со столами квантовый компьютер за секунды найдет оптимальный вариант рассадки. На примере эволюции жизни на земле. Квантовый компьютер способен за короткое время найти жизнеспособные комбинации сложных органических молекул, как природа, которой на решение этих задач потребовалось миллиарды лет. Теперь поиск таких комбинаций стал доступен искусственным путем через квантовые вычисления, с появлением более мощных квантовых компьютеров мы сможем смоделировать возможное существование и взаимодействие всех веществ и элементов. Источник: IBM Quantum Области применения квантовых вычислений Как и обычных компьютеров, сфера применения КК крайне широка, от части мы еще не знаем весь потенциал квантовых вычислений, которые затронут практически все сферы деятельности человека. Аэрокосмическая отрасль.
Квантовые компьютеры
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. Грубо говоря, это большой часовой механизм, который состоит из кубитов, как из шестерёнок.
Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления. Из-за того, что транзисторов очень много миллиарды , а работают они очень быстро близко к скорости света , транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления. Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений.
Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света. Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.
Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует. 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.
Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно. Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ. Запутанность — еще более потрясающая штука. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии. Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера.
Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга действуют конструктивно , иногда гасят деструктивно. Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы. Как программируются квантовые компьютеры? Основная цель состоит в том, чтобы закодировать части задачи в сложное квантовое состояние, используя кубиты, и затем манипулировать этим состоянием, чтобы привести его к некоему решению, которое можно будет измерить после коллапса суперпозиций в детерминированные последовательности нулей 0 и единиц 1. Перечитайте еще раз. Звучит сложно, но поскольку все термины мы уже разобрали, понять можно.
То есть, утрачивают свои энергетические состояния.
А вместе с ними и информацию. Ученые, естественно, работают над тем, чтобы продлить «жизнь» кубитов в квантовых компьютерах. Недавно исследователи из Йельского университета Yale University in Connecticut установили своеобразный рекорд — кубиты у них прожили 1,8 миллисекунды. Миг, какой-то. Тем не менее, прежнее достижение перекрыто в два раза. Физики, которыми руководил Майкл Деворет Michel Devoret , не усердствовали, ограждая «неженок» от возмущений, а стали в реальном времени исправлять появляющиеся ошибки. Применили метод, который так и называется «квантовая коррекция ошибок» - сокращенно QEC quantum error correction. Ученые уверяют : они впервые в мире показали, что метод работает — повышает устойчивость квантовой информации.
О чем сообщили в журнале Nature.
Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Именно необычное свойство кубита, его способность одновременно становиться и нулём, и единицей, даёт квантовому компьютеру потрясающую вычислительную мощность. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит.
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
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. — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства.