Ознакомьтесь с вводными сведениями о кубитах и принципами их работы, включая информацию о различиях между кубитами и двоичными битами, а также о том, как кубиты формируют основу для квантовых вычислений.
Кульбит кубита. Новейший сверхкомпьютер может победить рак или погубить мир
Проект разработки квантового компьютера был запущен в 2019 году, над ним работали учёные из Российского квантового центра и физического института им. Лебедева РАН при координации Росатома. А уже до конца текущего года в России может появиться 20-кубитный квантовый компьютер. Также, как пишет www1.
В отличие от классических вычислений, которые используют двоичные цифры биты для представления информации либо в виде 0, либо в виде 1, квантовые вычисления используют квантовые биты кубиты для представления информации в виде комбинации состояний 0 и 1 одновременно. Зачем нам нужны квантовые компьютеры?
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.
Принцип работы квантовых компьютеров Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения: Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Понятнее явно не стало.
Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Что это нам дает?
Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999.
Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами — мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу — и ответ уже будет у вас в кармане.
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.
На практике это означает, что такие задачи не могут быть решены ни сейчас, ни в каком-либо обозримом будущем при поступательном развитии технологий вычислений. Поэтому для расчёта химических реакций применяются приближённые методы. Сначала они были относительно простыми и не очень точными, но со временем их точность повышалась, а сложность росла. Их изучением и развитием занимается вычислительная квантовая химия. Сейчас каждый год собираются огромные конференции, на которых тысячи учёных делятся последними достижениями в этой области. И хотя компьютеры могут уже очень многое — вплоть до предсказания эффективности действия инновационного лекарства — последнее слово, как и 100 лет назад, остаётся за экспериментами. Все вычисления будут делать квантовые симуляторы, и будут делать их точнее и быстрее, чем мы».
Чего же так боятся квантовые химики? Идея квантовых симуляторов восходит к статье знаменитого физика Ричарда Фейнмана, опубликованной в 1982 году. В ней нобелевский лауреат высказал относительно простую мысль. Если у нас будут квантовые компьютеры, то есть компьютеры, которые совершают вычисления по квантовым законам, то было бы вполне естественно в первую очередь использовать их для вычислений, связанных с квантовыми системами, — в частности, для вычислений в квантовой химии. И действительно, как показали дальнейшие исследования, это возможно. И более того, такие вычисления смогут в полной мере задействовать уникальные возможности квантовых компьютеров, то есть они будут выполняться значительно быстрее, чем на компьютерах обычных. Это позволит решать задачи точного расчёта химических реакций за разумное время и заменить дорогостоящие прямые эксперименты на более дешёвые вычисления.
Более того, одна из проблем квантовых компьютеров — разрушающее действие окружающей среды, не позволяющее подолгу сохранять квантовую суперпозицию, — в квантовых симуляторах может быть использовано для пользы дела.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. В то время как кубиты имеют четыре значения, в нейронных сетях их несравненно больше, а образуемые ими структуры намного разнообразнее, чем entanglement. Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Если же взять, к примеру, десять кубитов, то будет уже 1024 классических состояния. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Кудиты могут находится в трёх, четырёх и более состояниях. Такая возможность, как и с упомянутой выше памятью 3D NAND, позволяет максимально плотно кодировать данные в накопителях, что позволяет учёным реализовывать сложные квантовые алгоритмы. К тому же, таким образом повышается производительность квантовых систем и вырастает скорость выполнения операций. Так, один куквинт кудит в пяти состояниях заменяет два классических двухкубитовых вентиля и один вспомогательный уровень, что было показано в работе на примере запуска квантового алгоритма Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. По словам заведующего лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Алексея Фёдорова, куквинт хорош тем, что его состояние позволяет уменьшить количество физических носителей в виде кубитов и упростить декомпозицию многокубитных вентилей гейтов — сложных операций с кубитами.
К концу года могут представить 20-кубитный квантовый компьютер А до конца 2024 года в России может появиться и 100-кубитный квантовый компьютер Сегодня на Форуме будущих технологий в Москве учёные представили 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране.
Его показали Владимиру Путину. Во время демонстрации на этом компьютере был запущен алгоритм моделирования молекулы. Впечатляет, конечно.
Он провёл эксперимент, в ходе которого пропускал частицы света сквозь непрозрачную доску, в которой находились две крохотные щели. Юнг пытался проверить, как будут вести себя частицы, для чего установил экран позади доски с щелями, который показывал поведение частиц. Схематичное описание двухщелевого опыта Томаса Юнга. Источник: wikimedia. Как и следовало ожидать, частицы проходили через одну доступную щель и оставляли следы на экране в виде одной тонкой полоски. После этого Юнг открыл для частиц света обе щели. Он ожидал, что частицы станут проходить через них, а на экране появится две полоски.
Внезапно учёный обнаружил, что на экране появилось целое множество полосок. Увидев это, Юнг предположил: одна частица света проходит через две щели одновременно. Примерно такую картину интерференции волн наблюдал Томас Юнг. Свойство частиц находиться одновременно во всех состояниях и называется суперпозицией. Оно активно используется в квантовых вычислениях, которые основаны на кубитах с частицами. Чем полезна суперпозиция в квантовых процессорах Особенность суперпозиции квантовых частиц принимать все доступные значения в один момент времени позволяет значительно ускорить работу процессоров. Теперь им не нужно раз за разом перебирать последовательности нулей и единиц, чтобы найти верное решение поставленной задачи. Эти последовательности уже существуют здесь и сейчас. Именно поэтому квантовые компьютеры работают быстрее обычных. Выше мы писали о Google Sycamore — она справилась со сложнейшими вычислениями за 200 секунд.
На выполнение той же задачи у суперкомпьютера IBM ушло бы 10 000 лет.
Таким образом, ученые показали возможность использования реальных атомов в качестве кубитов и теоретически объяснили длительное время когерентности, построив электронную структуру материала. Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом аля-кубит.
Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние. Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное.
И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси. Духова , Института физики металлов им.
Михеева Екатеринбург , Института физики ионных пучков и исследования материалов Германия и Университета Аалто Финляндия. Российские ученые повысили производительность квантовых процессоров с помощью кудитов Ученые НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили подход к реализации квантовых алгоритмов с использованием дополнительных уровней квантовой системы, который позволил на порядок повысить итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов. Российские ученые знают, как сделать квантовый процессор мощнее По словам ученых, основной способ повышения производительности квантовых процессоров — увеличение числа их кубитов — наименьшей единицы информации в квантовом компьютере.
Однако ионы или атомы, которые часто выступают в роли кубитов, имеют больше двух уровней и могут работать не только как кубиты, но и как кудиты, которые являются расширенной версией кубита и могут находиться в трех кутриты , четырех кукварты , пяти куквинты и более состояниях. Дополнительные состояния позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях, что, в свою очередь, дает возможность реализовывать все более сложные и комплексные квантовые алгоритмы. Таким образом возрастает мощность квантового процессора , и операции могут производиться значительно быстрее, пояснили исследователи.
По состоянию на апрель 2023 года, большая часть исследований, посвященных квантовым операциям, сосредоточена на кубитах — все операции, которые применяются к квантовой системе, представляются в виде одно- и двухкубитных квантовых вентилей, преобразующих входные состояния кубитов в выходные по определенному закону. Для работы с кудитами важно найти новые подходы с математической точки зрения. Ученые Университета МИСиС и Российского квантового центра рассмотрели один из способов использования куквинтов — 5-уровневых кудитов — и представили модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли.
В качестве примера рассмотрен квантовый алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. Известно, что, используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор. Такое рассмотрение помогает одновременно и сократить число физических носителей информации, и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей, или как их еще называют — гейтов — сложных логических операций с кубитами.
Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить число двухчастичных гейтов, то есть задействующих две физические системы», — рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров. Заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров В качестве раскладываемого многокубитного гейта ученые выбрали часто встречающийся в квантовых алгоритмах многокубитный гейт Тоффоли — обобщенную на n кубитов версию универсального контролируемого обратимого вентиля. Его применение инвертирует состояние n-го кубита, если все остальные n-1 кубитов находятся в состоянии 1.
Как отметили исследователи, располагая в каждом куквинте по два кубита и используя пятый уровень в качестве вспомогательного, можно значительно сократить число двухчастичных гейтов в его разложении по сравнению с расположениями на кубитах и таким образом повысить качество выполнения квантовых алгоритмов. Для демонстрации процессов был выбран именно этот алгоритм, так как для его выполнения необходимо неоднократно реализовать многокубитные гейты. Мы сравнили три способа декомпозиции многокубитных вентилей в рамках выполнения данного алгоритма на 2-10 кубитах, когда в качестве носителей информации используются кубиты, кутриты и куквинты, и продемонстрировали, как сокращается число двухчастичных гейтов», — пояснила эксперт научного проекта НИТУ МИСиС, научный сотрудник РКЦ Анастасия Николаева.
Например, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88. Полученные учеными результаты применимы к квантовым процессорам , основанным на различных физических платформах, таких как ионы, нейтральные атомы, сверхпроводящие цепи и другие. Статья опубликована в научном журнале Entropy.
Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты — альтернативу популярным трансмонам. Особенность флаксониумов состоит в более продолжительном жизненном цикле и большей точности операций, что дает возможность выполнять более длинные алгоритмы. Как известно, одна из основных проблем разработки универсального квантового вычислителя заключается в кубитах, а именно — из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров : электронов, фотонов, ионов, сверхпроводников или других кандидатов в «квантовые транзисторы».
Квантовые вычисления для всех
Кудиты могут находится в трёх, четырёх и более состояниях. Такая возможность, как и с упомянутой выше памятью 3D NAND, позволяет максимально плотно кодировать данные в накопителях, что позволяет учёным реализовывать сложные квантовые алгоритмы. К тому же, таким образом повышается производительность квантовых систем и вырастает скорость выполнения операций. Так, один куквинт кудит в пяти состояниях заменяет два классических двухкубитовых вентиля и один вспомогательный уровень, что было показано в работе на примере запуска квантового алгоритма Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. По словам заведующего лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Алексея Фёдорова, куквинт хорош тем, что его состояние позволяет уменьшить количество физических носителей в виде кубитов и упростить декомпозицию многокубитных вентилей гейтов — сложных операций с кубитами.
Мир еще не выбрал лучшую технологию. Сейчас конкурируют 4 варианта кубитов: на одиночных атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. У каждой платформы есть свои плюсы и минусы.
Возможно, какая-то одна в конце концов вытеснит остальных конкурентов. А может, останутся все, и каждая окажется наилучшей для определенного класса задач. Ваше превосходство О фантастических возможностях квантового компьютера говорят лет 40, но вот о кардинальных прорывах не слышно.
Зато есть достаточно авторитетные скептики, которые утверждают, что он вообще никогда не будет создан. Что это игрушка, которой морочат голову и умело выбивают огромные деньги, удовлетворяя собственное любопытство. Руслан Юнусов: Да, такое мнение существует.
Но скептики всегда были, есть и будут. Это нормально. Напомню, что сама идея квантового компьютера была сформулирована в 80-е годы, а первые кубиты появились только через 20 лет, на рубеже 2000-х годов.
Прошло еще 20 лет, и сейчас лидеры делают вычислители с сотнями кубитов. Что касается глобальных достижений, то за последние годы произошло как минимум несколько. Так, группы в США и Китае смогли достичь так называемого квантового превосходства.
Превосходства над чем? Руслан Юнусов: Над суперкомпьютерами. Им были предложены тесты, с которыми квантовые, имея всего несколько десятков кубитов, справились за несколько минут.
Так вот суперкомпьютерам они оказались вообще не под силу. Безоговорочная победа? Значит, квантовые машины уже сейчас можно выпускать в "люди"?
Руслан Юнусов: Увы, к этому мы еще не пришли. Да, квантовый победил, но в специальных, абстрактных тестах. А вот для реальных задач в промышленных масштабах он пока не приспособлен.
Не может соперничать с традиционными компьютерами. Для этого нужны системы с многими тысячами, а возможно, миллионами кубит. Но если уже собрали вычислитель из сотен кубитов, почему нельзя, как в конструкторе ЛЕГО, объединить десятки тысяч, миллионы?
Руслан Юнусов: Собрать, конечно, можно, но есть проблема - надежность. И она сейчас является ключевой. Чем больше мы хотим объединить кубитов, тем сильней они влияют друг на друга.
Как следствие, начинают вылезать ошибки. Понятно, что нам нужны точные, безошибочные вычисления. Кроме того, в отличие от работы кремниевого устройства квантовые состояния довольно неустойчивые.
Изображения 1, 2, 3, 6 и 12 ионов магния, загруженных в новую планарную ионную ловушку NIST. Красным цветом обозначены области максимальной флуоресценции центры ионов. Чем больше ионов загружается в ловушку, тем они сильнее сближаются, и 12-ионная цепочка превращается в зигзагообразное образование. Основная проблема — масштабируемость таких систем. Ионы — заряженные частички, захваченные в электромагнитные ловушки, взаимодействующие между собой благодаря кулоновскому отталкиванию. Для создания ловушек традиционно используются большие трёхмерные электроды, на которые подается большое напряжение.
Проблема в том, что мы не можем создавать такие бесконечно длинные ловушки для большого количества ионов из-за различных технических ограничений и побочных явлений. Поэтому на текущий момент можно максимально поймать в ловушку около сотни ионов и работать с 30-40 из них. Но дальнейшее масштабирование квантовых процессоров на ионах путем банального удлинения таких цепочек ионов просто недостижимо. Можно организовывать цепочки в отдельные модули, а можно создавать более сложную организацию ионов на чипе. Оказывается, можно поместить отдельные электроды на поверхность чипа, создав таким образом для каждого иона свою ловушку, с возможностью индивидуального контроля, а не одну ловушку на все ионы, как сейчас. Такой подход позволяет решить большинство традиционных проблем, но качество двумерных ловушек на чипах и, прежде всего, их поверхности пока оставляет желать лучшего.
Технологии их изготовления пока что не настолько отлажены и совершенны. И, если в традиционных ловушках явно чувствуется, что мы уперлись в какой-то предел, то в двумерных сейчас наблюдается явное многообразие подходов, дизайнов, реализаций. Я уверен, что существующие на этом пути технологические проблемы, будут в скором времени решены профессиональными инженерами, открывая путь к созданию полномасштабного квантового компьютера». Но сейчас, благодаря поддержке Росатома, а также заинтересованности индустрии, развитие области ускоряется. Мы надеемся достаточно быстро пройти необходимый этап фундаментальных исследований, чтобы открыть возможность для дальнейших прикладных разработок в области квантовых вычислений, что приведет и к появлению первых российских компаний в этой области. Я считаю, что это, в некотором роде, естественный процесс».
Несколько другие проблемы преследуют область сверхпроводящих кубитов. Как Naked Science уже рассказывал в предыдущей статье , этот тип кубитов основан на искусственно-созданных объектах на чипах — сверхпроводящих цепочках. Такие сверхпроводящие схемы изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах похожим на традиционную микроэлектронику методом — с помощью фото- и электронной литографии и последующего напыления тонких металлических пленок обыкновенно, алюминия или ниобия. Размеры элементов в сверхпроводящих схемах разнятся от сотен микрометров до десятков нанометров, что создает целый спектр проблем, связанных с их изготовлением. С одной стороны, сложность заключается в получении специальных наноразмерных перекрытий джозефсоновских переходов , туннелируя через которые, электронные пары в сверхпроводнике и создают квантовое состояние. В массиве кубитов геометрические размеры таких переходов должны быть максимально идентичны для совместной работы системы в противном случае связать отдельные кубиты друг с другом будет проблематично.
Еще более глубокая проблема кроется в несовершенстве нанесенных металлических пленок, которые на наномасштабе состоят из отдельных гранул, далеко не идеально прилегающих друг к другу, что служит еще одним источником шумов. С другой стороны, при увеличении количества кубитов на чипе пропорционально возрастают и ее размеры, а также сложность микроволновых линий, используемых для управления кубитами. Это ведет как к большей вероятности возникновения дефектов из-за несовершенства техпроцессов изготовления элементов сверхпроводящих схем, так и к более фундаментальной проблеме связывания массива кубитов между собой. В отличие от цепочки ионов, связь между которыми реализуется с помощью лазерных импульсов, связать произвольные сверхпроводящие кубиты не так-то просто. Эта задача решается с помощью линий связи или резонаторов для пары соседних кубитов англ. Казалось бы, возможность оперировать сложным квантовым состоянием из множества связанных кубитов лежит в основе быстродействия квантового компьютера и используется в квантовых алгоритмах.
А на практике получается, что такое состояние неустойчиво или вовсе недостижимо уже для пары десятков кубитов. Что же делать в таком случае? Gambetta, Jerry M. А манипуляции с двумя связанными кубитами ученые уже научились проводить с очень и очень высокой точностью. Разумеется, квантовые алгоритмы, составленные из двухкубитных вентилей, получаются в разы длиннее своих многокубитных версий, однако фундаментальной проблемы в этом нет.
Открытые эксперименты с квантовыми вычислениями Значит ли это, что скоро у вас будет квантовый компьютер?
Некоторые ученые изучают возможность моделирования квантовых вычислений на настольном компьютере. Пока вы ждете свой квантовый компьютер, есть несколько возможностей поэкспериментировать с квантовыми устройствами и симуляторами. Многие крупнейшие мировые технологические компании предлагают квантовые услуги. Эти квантовые сервисы в сочетании с настольными компьютерами и системами создают среду, в которой квантовая обработка используется наряду с настольными компьютерами для решения сложных задач. IBM предлагает среду IBM Q с доступом к нескольким реальным квантовым компьютерам и симуляциям, которые вы можете использовать через облако. Alibaba Cloud предлагает облачную платформу для квантовых вычислений, где вы можете запускать и тестировать пользовательские квантовые коды.
Microsoft предлагает набор для квантовой разработки , который включает язык программирования Q , квантовые симуляторы и библиотеки разработки готового к использованию кода. Rigetti имеет квантовую облачную платформу , которая в настоящее время находится в бета-версии. Будущее квантовых вычислений Мечта состоит в том, чтобы квантовые компьютеры дали нам возможность решать проблемы, которые ранее считались слишком ресурсоемкими и слишком сложными для решения. Мы надеемся, что эта технология поможет нам понять окружающую среду и найти лекарства от неизлечимых болезней. Транзисторные компьютеры слишком медленны для таких сложных вычислений и выполнения такого невероятного объема анализа данных. Квантовые вычисления справляются по крайней мере, теоретические с гигантскими объёмами данных и обрабатывают их за долю времени настольного компьютера.
Для обработки и анализа данных, на которые настольному компьютеру потребуется несколько лет, квантовому компьютеру нужно несколько дней. Квантовые вычисления всё ещё находятся в зачаточном состоянии, но они способны решать самые сложные мировые проблемы со скоростью света. Никто не может точно сказать, насколько далеко вырастут квантовые вычисления и насколько будут доступны квантовые компьютеры. Существуют даже мнения, что квантовые вычисления так и останутся лабораторными проектами и не смогут выйти на промышленный уровень.
Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления
Как сообщалось, кубит — единица информации в квантовом компьютере, он отличается от обычного бита тем, что может принимать любое значение между 0 и 1 в процессе вычислений. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака). Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими.
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей.
Квантовые вычисления для всех
Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия» Создан при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации. Все права защищены.
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. С декогеренцией можно бороться разными способами.
Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора.
Поэтому для их интерпретации нужны особые, квантовые алгоритмы. Такие алгоритмы уже существуют — но заточены они на решение узких математических задач, а потому мало применимы в реальной жизни. Переложить реальные человеческие задачи на квантовый язык непросто — отчасти поэтому такие машины ещё нескоро станут массовыми. Другая сложность — декогеренция. Это когда частица теряет свои свойства при столкновении с внешним миром. Дело в том, что суперпозиция — штука тонкая, и нарушить её может буквально что угодно: от солнечной бури до изменения климата.
Поэтому здесь не получится просто накрыть всё медной крышкой и замазать термопастой — надо искать изоляцию посерьёзнее : Разработка такой изоляции — отдельный технологический вызов. Пока что единственный рабочий способ — охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы защитить её от внешних воздействий. Делается это обычно с помощью жидкого азота, ионных ловушек или магнитного поля, а потому такая система охлаждения выглядит весьма увесисто. А ещё — довольно сложны в производстве. Но учёные уверены, что это преодолимо: достаточно вспомнить, сколько места занимал один из первых компьютеров Mark I. И ничего — сейчас его далёкие потомки красуются в большинстве комнат и офисов мира. Читайте также: Глупый мотылёк догорал на свечке: как американцы собрали первый компьютер и придумали баги Первый квантовый компьютер Путь к созданию первой в мире квантовой машины был долгим. Всё началось ещё в 1950-х, когда знаменитый физик Ричард Фейнман впервые предложил использовать квантовые эффекты для вычислений.
Отчасти за эту работу он в 1965 году удостоился Нобелевки. А ещё Фейнман известен цитатой о том, что по-настоящему квантовую механику не понимает никто. И здесь опять отметился Фейнман — в 1982 году он публикует знаковую статью «Физическое моделирование с помощью компьютеров», в которой, по сути, впервые описывает принципы работы квантового компьютера. Примерно в те же годы математик Юрий Манин предложил идею квантовых вычислений, а американский физик Пол Бениофф — квантово-механический вариант машины Тьюринга. Первую рабочую модель квантового компьютера представили учёные из MIT в 1997 году. Двухкубитная система работала на принципах ядерно-магнитного резонанса того же самого, что используется в аппаратах МРТ. Модель умела решать довольно сложные задачи по алгоритму Дойча — Йожи. Дальше свои версии ЯМР-компьютеров стали по цепочке появляться во многих мировых институтах и лабораториях — к сожалению, их фотографии отыскать в Сети довольно сложно — учёные неохотно публикуют изображения своих детищ, вероятно, из соображений секретности.
Зато ими охотно делились корпорации в своих пресс-релизах.
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. На практике это означает, что такие задачи не могут быть решены ни сейчас, ни в каком-либо обозримом будущем при поступательном развитии технологий вычислений. Поэтому для расчёта химических реакций применяются приближённые методы.
Сначала они были относительно простыми и не очень точными, но со временем их точность повышалась, а сложность росла. Их изучением и развитием занимается вычислительная квантовая химия. Сейчас каждый год собираются огромные конференции, на которых тысячи учёных делятся последними достижениями в этой области.
И хотя компьютеры могут уже очень многое — вплоть до предсказания эффективности действия инновационного лекарства — последнее слово, как и 100 лет назад, остаётся за экспериментами. Все вычисления будут делать квантовые симуляторы, и будут делать их точнее и быстрее, чем мы».
Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен
Применение квантовых вычислений Как видно из предыдущего объяснения, применять квантовый компьютер для обычных вычислений нет никакого смысла. А вот для определённого круга задач, где работа с вероятностями состояний вместо конкретных состояний на порядки повышает производительность, квантовый компьютер практически незаменим. Например, дешифрование на классическом компьютере занимает на порядки больше времени, чем само шифрование. Подчас дешифрование вообще невозможно в разумные сроки. Тогда используются квантовые алгоритмы, которые дают некий наиболее вероятный ключ дешифровки и открывают им дешифрованные данные. Ключ можно быстро проверить повторным шифрованием данных и сравнением результата, и если результат повторной шифровки не совпал с оригиналом, значит ключ оказался ошибочным, и квантовые алгоритмы запускаются заново. Как видите, никто не собирается с помощью квантовых компьютеров управлять ядерными реакторами, это было бы самоубийством. Но моделировать ядерные реакции в научных целях вполне можно. Там вероятности появления ошибок поглощаются и взаимоуничтожаются большой массой однотипных вычислений, и не оказывают никакого влияния на общий результат. Резюме — квантовые вычисления применимы там, где они дают преимущество, и никто не будет их применять в чистом виде там, где нужна однозначная точность результата.
Заключение Тема сложная, и эта статья не даёт представление о механике работы квантового компьютера в целом.
И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос». Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита.
Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы. Подобные удачи, впрочем, уже случались. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера.
В этом году квантовый вычислитель обещают уже использовать в медицинских целях. Его установят в клинике города Кливленд в США. Он поможет выявлять новые штаммы вирусов и займется поиском лекарств от болезни Альцгеймера. Но есть и опасения по поводу новой технологии.
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. На практике это означает, что такие задачи не могут быть решены ни сейчас, ни в каком-либо обозримом будущем при поступательном развитии технологий вычислений. Поэтому для расчёта химических реакций применяются приближённые методы. Сначала они были относительно простыми и не очень точными, но со временем их точность повышалась, а сложность росла.
Их изучением и развитием занимается вычислительная квантовая химия. Сейчас каждый год собираются огромные конференции, на которых тысячи учёных делятся последними достижениями в этой области. И хотя компьютеры могут уже очень многое — вплоть до предсказания эффективности действия инновационного лекарства — последнее слово, как и 100 лет назад, остаётся за экспериментами. Все вычисления будут делать квантовые симуляторы, и будут делать их точнее и быстрее, чем мы».
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. Фотонные кубиты имеют высокое коэрентное время и скорость операций, но низкую точность операций и масштабируемость. Фотонные кубиты используются в квантовых компьютерах Xanadu и PsiQuantum. Спиновые кубиты — основаны на спине электрона или ядра атома, который может быть ориентирован вверх или вниз.
Спиновые кубиты имеют среднее коэрентное время и точность операций, но высокую масштабируемость. Спиновые кубиты используются в квантовых компьютерах Intel и QuTech. Рассмотрение ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений Индустрия квантовых вычислений является одной из самых динамичных и конкурентных в сфере высоких технологий. В этой области участвуют как традиционные ИТ-гиганты, так и стартапы, а также академические и правительственные организации. Вот некоторые из ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений: IBM — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих кубитов.