Если же взять, к примеру, десять кубитов, то будет уже 1024 классических состояния. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы.
Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
Знаменитый американский ученый и популяризатор науки Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике, предположил возможность существования квантового компьютера еще в 1981 году. В то время никто еще не задумывался всерьез о реализации этой идеи на практике. Даже в теории она казалась весьма непростой. Квантовая механика, в отличие от классической, которую все мы изучали в школе, описывает явления не на уровне тел, а на уровне атомов, электронов, фотонов и прочих элементарных частиц. И квантовые эффекты, которые предполагалось использовать, создавая первый квантовый компьютер, проявляются в микроскопических масштабах. Переместиться на микроуровень в поисках новых возможностей ученых заставили физические основы, на которых базируется традиционная вычислительная техника. Схема ее работы основана на транзисторах, в каждом современном компьютере их миллионы или даже миллиарды. Каждый из них может в определенный момент времени находиться в «открытом» или «закрытом» состоянии — как электрический переключатель.
Эти два состояния и представляют собой те самые нули и единицы, с помощью которых человек общается с компьютером и наоборот. По мере развития технологий производители размещают на процессорах компьютеров все большее и большее количество транзисторов. Это увеличивает скорость работы и вычислительные возможности техники. Но всему есть физический предел, и мы вплотную к нему приблизились. Если раньше вычислительная мощность производимых процессоров удваивалась примерно каждые два года, то сегодня этот темп падает на глазах. В то же время потребности человечества в вычислениях постоянно растут, опережая развитие электроники. Но вернемся к Ричарду Фейнману и его теории.
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.
Любые пароли, если технологию используют злоумышленники, не будут иметь значения — машина получит доступ к любой кредитке, разложив число на два простых множителя. Но для взлома понадобятся мощности, которых пока квантовые компьютеры не достигли. В ближайшие десятилетия, чтобы обеспечить конфиденциальность, ученым придется придумать новые методы шифрования и квантовой криптографии.
Искусственный интеллект Volkswagen применяет квантовые компьютеры для разработки беспилотных автомобилей на основе искусственного интеллекта, а Сбер вместе с другими технологичными компаниями будут развивать квантовые технологии для вычислений в ИИ, которые пригодятся в медицине, финансовой сфере, обработке данных и прогнозировании. Квантовые компьютеры в России и мире: какие модели уже есть и в чем проблема широкого применения Первый работающий экспериментальный компьютер протестировали в 2001 году — им стал 7-битный образец компании IBM. С тех пор началась квантовая гонка и борьба за квантовое превосходство. Квантовое превосходство — способность квантовых компьютеров решать задачи, на которые у обычных уйдут годы. Самый мощный квантовый компьютер в России пока содержит 16 кубитов. Разработка есть на различных платформах, в том числе на ионном процессоре. С помощью машины запущен алгоритм моделирования молекулы. К 2024 году российские ученые планируют увеличить число кубитов в отечественных ЭВМ до 50-100.
На разработку выделили 24 млрд рублей. Россия активно включилась в квантовую гонку — для исследователей в области квантовой физики запустили мегагранты, а до конца 2024 в стране может появиться 100-кубитный квантовый компьютер. А в Китае стартап Shenzhen SpinQ Technology разработал, пожалуй, самый доступный квантовый компьютер для школ и колледжей. Первые образцы китайского квантового компьютера отправились в Тайвань и Гонконг. В гонку стран включился даже Иран, правда, неудачно — в сети появилась новость об их удивительном квантовом компьютере. Но пользователей в интернете не так просто обмануть — подвох нашли быстро. Иранская разработка оказалась обычным процессором. Пока купить квантовый компьютер могут лишь крупные компании и научные лаборатории, где цена будет оправдана.
Но пока вычислительные машины на кубитах не настолько превосходят обычные ЭВМ и подходят лишь для определенного рода задач. Впрочем, в ближайшее десятилетие ученые панируют это изменить.
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. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три: Шора разложения числа на простые множители Гровера решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных Дойча-Йожи ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением. Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением происходит их декогеренция. При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций Honeywell, IonQ , и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах Xanadu, PsiQuantum, Quix.
Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры.
Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы? Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен! Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка. Надо учесть силу броска, плотность воздуха, температуру и кучу других факторов.
Ну не так уж! А теперь представьте, что у вас не один человек, который кидает монетку, а миллион разных людей, в разных местах, по-разному кидают монетки. И вам надо рассчитать что выпадет у всех! Вот примерно настолько сложная эта модель о взаимодействии белков. Кроме того, вы наверняка слышали о том, что квантовые компьютеры сделают наши пароли просто пшиком, который можно будет подобрать за секунды. Но это уже совсем другая тема… Вывод Какой вывод из всего этого мы можем сделать, квантовый компьютер — это принципиально новая система. Она отличается от обычных компьютеров в самом фундаменте, в физических основах на которых работает. Их на самом деле даже нельзя сравнивать! Это все равно, что сравнивать обычные счеты и современные компьютеры! И конечно есть большие сомнения, что вы когда-нибудь сможете прийти в магазин и купить свой маленький квантовый процессор.
Но они вам и не нужны. Квантовые компьютеры для обычного пользователя станут как современные дата-центры, то есть нашими невидимыми помощниками, которые расположены далеко и которые просто делают нашу жизнь лучше или как минимум другой! Post Views: 6 464.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Начинаем погружаться в основу основ квантовой связи и квантовой информатики, так что сегодня узнаем, что такое кубит, для чего он нужен и в каких направления.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
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.
Для защиты от разных внешних воздействий необходимы специальные условия. Все это дает повод скептикам утверждать, что собрать одновременно много кубитов и обеспечить надежность, безошибочную работу такой большой системы никогда не удастся. Либо одно, либо другое. Но с таким же упорством скептики заявляли, что никогда не удастся достичь квантового превосходства, а это произошло. Важно, что таких примеров становится все больше.
Ключевой вопрос Квантовая криптография обеспечит полную защиту информации. Фото: iStock У лидеров собраны системы из сотен кубитов, движутся к тысячам, у нас 16.
Совершенно не обязательно, что если что-то невозможно выполнить на классическом компьютере, то это невозможно сделать в принципе. Просто необходимо использовать другой подход к концепции самих вычислений и алгоритмов, при котором математические ограничения, доказано распространяющиеся на привычные нам компьютеры, оказываются неприменимы. Одним из наиболее перспективных вариантов такого альтернативного подхода являются квантовые вычисления. Концепция квантового компьютера, появившись в 80-х годах прошлого века, к сегодняшнему дню успела развиться до уровня строгого математического формализма, воплотиться в металле и даже постепенно начать входить в нашу жизнь. Ведь в области квантовых технологий по меньшей мере лежит и щит, и меч информационной безопасности — квантовые компьютеры представляют потенциальную угрозу, а для защиты от них применяются методы квантовой и пост-квантовой криптографии, уже достаточно широко представленные на рынке. Изначально было ясно, что многие квантовые алгоритмы не имеют прямых классических аналогов. Например, ускоренный поиск по неструктурированной базе данных, работающий быстрее последовательного перебора, или телепортация квантовой информации — перенос квантовых данных между двумя носителями таким образом, что физически между ними передаётся только информация классическая.
Дело в том, что квантовые компьютеры остаются в определённом смысле аналоговыми, и такие сугубо квантовые алгоритмы не вписываются в парадигму детерминированных цифровых классических вычислений. По этой же причине многие из квантовых алгоритмов кажутся совершенно контринтуитивными и не вписываются в наши привычные представления. Долгое время оставался открытым вопрос, существует ли задача, в которой квантовые компьютеры будут обладать доказуемым качественным преимуществом по сравнению с классическими. Данный вопрос получил название задачи поиска квантового превосходства. Значительный шаг вперёд в этом направлении был осуществлён только в 2019 году, когда исследователи Google AI Quantum экспериментально продемонстрировали, как квантовый компьютер справляется с задачей, на решение которой у классического вычислителя, по представлениям исследователей, ушло бы несколько десятков тысяч лет [1]. И хотя данное исследование содержит только неподкреплённую строгим математическим доказательством практическую демонстрацию, а его результаты впоследствии вызвали в научных кругах широкую дискуссию с вескими аргументами за обе стороны вопроса, можно полагать, что в данный момент мы находимся на заре эпохи практического квантового превосходства. Безусловно, это оказывает значительное влияние на индустрию информационных технологий в целом, и, в частности, на её экономику. Всё больше мировых IT-гигантов, таких как IBM, Google, Microsoft, Amazon и Alibaba вкладывают огромные ресурсы в разработку квантовых вычислителей и исследование квантовых алгоритмов. Несмотря на то что квантовые компьютеры пока остаются довольно слабыми и едва ли могут незамедлительно перевернуть все рынки, множество мировых экспертов сходятся во мнении, что компетенции в области квантовых вычислений могут стать одним из ключевых аспектов эффективного развития информационно-технологической экосистемы уже в ближайшем будущем.
Рост индустрии После демонстрации квантового превосходства исследователями Google, индустрия квантовых вычислений начала привлекать всё больше и больше внимания. Заинтересованы данной областью как исследователи, так и инвесторы [2]. Это вполне объяснимо — мир едва начал свыкаться с экономическими и индустриальными последствиями революции, порождённой взрывным развитием технологий классических компьютеров. И тут на горизонте возникает новая область — квантовые вычисления, которая, кажется, имеет все шансы на повторение такого поразительного взлёта. Сообщение о способности квантового компьютера на практике решать задачу, принципиально неподвластную классическому вычислителю, для многих стало сигналом о том, что компьютеры нового типа неизбежно достигнут нужного уровня совершенства и займут свою нишу уже в ближайшем будущем. Ещё больше подогрели интерес к ситуации сами исследователи Google, заявив, что по аналогии с законом Мура для классических компьютеров, можно ожидать роста характеристик квантовых вычислителей с экспоненциальной скоростью [1]. Оглашение подобной перспективы мгновенно привело к взрывному росту числа тематических публикаций, регистрируемых патентов, а также компаний-стартапов в области квантовых вычислений [3]. Рост числа публикаций по теме квантовых вычислений [4. Тезис демонстрации квантового превосходства в значительной мере подвергается критике.
Задача, на которой он был продемонстрирован, в реальности бесполезна, а временные рамки обещаний практически значимого квантового вычислителя постоянно сдвигаются [5 ; 6; 7]. В этом, безусловно, есть доля истины. Но настолько ли далека перспектива распространения квантовых вычислителей, чтобы можно было обходить их вниманием? Цель данной статьи — сформировать у читателя понимание возможных сценариев развития квантовых компьютеров, их потенциального места среди других существующих технологий, а также текущего прогресса в борьбе с практическими ограничениями, препятствующими широкому распространению продуктов и сервисов на основе квантовых вычислений уже сегодня. Парадигма квантовых вычислений Прежде всего определим, какое место квантовые вычислители могут в перспективе занять в устоявшейся индустрии информационных технологий. Как известно, классические компьютеры оперируют битами — единицами информации, которые позволяют различить два состояния системы: 0 и 1. В основе логики квантового компьютера лежит схожее понятие — кубит. Кубит — объём информации, описывающий квантовую систему с двумя состояниями. В отличие от бита, кубит может принимать промежуточные значения, сочетающие вклад состояний 1 и 0 в разных пропорциях.
Если кубита два, то возможных вкладов в состояние становится четыре: 00, 01, 10, 11. И так далее в геометрической прогрессии. Если число кубитов приближается к нескольким сотням, то памяти всех классических компьютеров не хватит, чтобы сохранить полный объём информации о состоянии такого регистра. На практике это в совокупности с особенностями обработки и считывания квантовой информации приводит к тому, что отдельные задачи на квантовом вычислителе начинают решаться качественно быстрее, чем на классическом. Например квантовый алгоритм Шора позволяет разложить число на простые множители с экспоненциальным ускорением [8], а алгоритм Гровера — осуществить поиск по неструктурированной базе данных с квадратичным ускорением [9]. Из первого следует потенциальное разрушение криптографической стойкости шифров с открытым ключом на основе RSA, а из второго — квадратичное ускорение решения любой NP-задачи и соответствующее снижение стойкости симметричных шифров. То есть для обеспечения того же уровня секретности понадобится вдвое более длинный ключ. Математически доказано, что квантовый компьютер способен эффективно моделировать классический [10]. То есть всё, на что способен классический компьютер, квантовый компьютер способен исполнить по крайней мере не хуже.
Однако на практике квантовый компьютер сегодня — весьма сложная лабораторная установка, отдельные элементы которой зачастую требуют криогенного охлаждения. Главным ограничением квантового компьютера является ограничение по объёму обрабатываемых данных. В лучшем случае сегодня это несколько сотен кубитов, что никак нельзя сравнить с доступными классическим вычислителям гигабайтами оперативной памяти. Поэтому реальный сценарий использования квантового вычислителя — гибридный. Вся инфраструктура остаётся классической, и только при необходимости произведения отдельных специфичных расчётов классическая программа удалённо подключается к квантовому вычислителю, передаёт ему данные и считывает результат. Единственная технология, которая остаётся за рамками такой картины — квантовые коммуникации. Квантовая криптография, которая как раз способна обеспечить концептуальную защиту от атаки квантовым вычислителем, требует создания новой инфраструктуры для передачи квантовой информации. Это может быть оптическое волокно или атмосферный лазерный канал. Не исключается использование на оптическом канале дронов и спутников.
Также, помимо непосредственно программируемых квантовых компьютеров, возможно использование проблемно-специфичных квантовых устройств. С их помощью, например, на линиях квантовых коммуникаций может осуществляться коррекция ошибки без считывания квантового состояния. Данный тип устройств не предъявляет больших требований по числу кубитов или объёму исполняемой программы и теоретически может быть реализован на имеющейся сегодня технологической базе. Из всего перечисленного выше формируется образ перспективной информационной инфраструктуры. Квантовые вычислители не повлияют существенным образом на облик имеющихся сегодня сервисов, оставив все конечные пользовательские интерфейсы привычно классическими. Может повыситься скорость обработки данных в отдельных задачах за счёт доступа пользовательских устройств к облачным квантово-вычислительным сервисам.
Об этом 24 июля 2023 года сообщили представители МФТИ. Как сообщалось, кубит — единица информации в квантовом компьютере , он отличается от обычного бита тем, что может принимать любое значение между 0 и 1 в процессе вычислений. Этот эффект возникает из-за принципа суперпозиции в квантовой механике. Благодаря суперпозиции кубит в процессе вычислений находится во всех состояниях сразу и поэтому помогает обработать гораздо больше информации, чем классический бит. В роли кубита могут выступать различные квантовые системы: сверхпроводящие искусственные атомы, квантовые точки, атомы в ловушках, реальные атомы в твердом теле и т. Однако слабым местом всех существующих кубитов является неустойчивость к шумам. Например, небольшое колебание температуры или магнитного поля могут нарушить квантовое состояние кубита, и он окажется непригоден к вычислениям. Эта проблема разрушения квантового состояния называется декогеренцией и является одной из главных фундаментальных причин, по которой квантовые компьютеры пока не имеют широкого применения. Ученые ищут физические системы, в которых можно реализовать кубиты, более устойчивые к шумам. Например, если в некоторые полупроводники добавить примеси, электроны примесных атомов будут долго по квантовым меркам это несколько наносекунд сохранять направление спина — собственного магнитного момента. Благодаря длительному времени когеренции спина такие атомные системы можно использовать в качестве кубитов. Физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ исследуют подобные структуры и подбирают оптимальные материалы для них. В работе ученые центра заменили часть атомов теллура в дихалькогениде молибден теллур 2H-MoTe2 на атомы брома и с помощью электронного пармагнитного резонанса и туннельной сканирующей микроскопии исследовали структуру электронов примесного атома и оценили время когерентности системы. Если отдельный инородный атом, помещенный в монокристалл, приводит к локализации спинполяризованного состояния, то он может стать кубитом. В дихалькогенидах переходных металлов сильное спин-орбитальное взаимодействие как раз создает такие условия. Вопрос только в том, как работать с такими кубитами, ведь это самый, что ни на есть атомарный масштаб, порядка 0,3 нм. Мы в наших исследованиях добавили примеси брома в полупроводник молибден теллур. Эта примесь имеет энергетическое положение внутри запрещенной зоны материала, то есть ее электроны локализованы. В работе мы показываем, что квантовые свойства этих примесей можно изучать, для этого применялась методика измерения электронного спинового резонанса и низкотемпературная сканирующая туннельная спектроскопия. Мы показали, что в данных атомах существуют унаследованные от материала локализованные спин-долинные состояния с наносекундными временами когерентности спинов. Электроны каждого атома, согласно квантовой механике, имеют определенную энергию — находятся на энергетическом уровне. В кристаллах электроны могут переходить от одного атома к другому, их энергетический спектр становится практически сплошным, без разделения на уровни. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать. Но, если добавить примесный атом в полупроводник, электронам этого атома станут доступны уровни у верхнего или нижнего края запрещенной зоны. Получается, такое укромное место, где можно долго удерживать электрон — отличная площадка для кубита. Стоит отметить, что это возможно при температурах ниже 250 градусов Цельсия. Важно правильно выбрать полупроводник и примесь, чтобы локализовать электроны. Поэтому физики обратили внимание на дихалькогениды переходных металлов — слоистые двумерные полупроводники, состоящие из атома переходного металла здесь молибдена и халькогена здесь теллура. В кристаллах дихалькогенидов из-за симметрии атомы располагаются в форме шестиугольника самые выгодные энергетические состояния для электронов находятся в определенных областях пространства — долинах — вокруг атомов. Более того, электроны способны в них некоторое время сохранять проекцию спина — собственного магнитного момента. Однако такие времена слишком малы для когерентности кубита. По этой причине исследователи заместили атомы теллура на атомы брома, «открыв» для электронов дополнительные уровни вблизи нижнего края запрещенной зоны.
Но режим квантового превосходства пока не был достигнут никем — такое устройство могло бы обогнать классические компьютеры в решении большинства задач. Для достижения превосходства требуется машина с 50—60 кубитами и, что важно, достаточно малой декогеренцией, то есть в состоянии, при котором ничто извне не будет мешать кубитам находиться в квантовой запутанности между собой. Здесь, в частности, и возникает сложность в реализации полноценного квантового компьютера. Дело в том, что сами по себе кубиты очень чувствительны к окружающей среде и воздействию шумов. Кроме того, чем больше кубитов, тем более «хрупким» становится их запутанное состояние. Даже малейшие возмущения могут привести к ошибкам в квантовых вычислениях, искажению данных.
Что такое кубит?
Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Чтобы сделать кубиты, отдельные электроны помещают в линейный массив из шести «квантовых точек», отстоящих друг от друга на 90 нанометров. Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира.
Что такое кубиты и как они помогают обойти санкции?
Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза. При успешной реализации планов, квантовый компьютер на базе 12 сверхпроводящих кубитов станет крупнейшим достижением российских ученых в этом направлении. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами.
Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления
Мы называем такие половинки «запутанными» друг с другом. Такой вот физически нерушимый IF. Кубит Подойдём к настоящим квантовым вычислениям. Другие статьи в интернете сразу начинают с объяснения кубитов, но мне показалось, что зная три правила выше, нам будет намного проще разговаривать и действительно понять суть кубитов, а не «магию». Теперь можно раскидать всё прямо на пальцах.
Кубит qubit — это квантовый бит Звучит крутейше, но для начала вспомним что такое бит. Прямая бочка пошла... Не, в смысле кумплюктерный бит. Когда таких выключателей на стене много, мы даже можем закодировать в них какую-то информацию, чтобы сосед её увидел.
Набор букв АААА, переданных по сети как 01000001 01000001 01000001 01000001, сообщит собеседнику, что вы орёте над его мемом. Любое устройство, на котором вы сейчас читаете эти строки, состоит из таких вот единичек и ноликов. Вся информация кодируется в битах, биты молотит ваш процессор, биты хранятся на диске, образуя байты, мегабайты, гигабайты — вы это знаете лучше меня. Физически нам действительно неважно что у них внутри.
В первых компьютерах они были механическими реле, в современных — всего лишь импульсы по 5 вольт, суть осталась та же. Мы можем хранить в бите нужное нам значение 1 или 0, перезаписывать его при необходимости, а так же прочитать в любой момент чтобы использовать дальше для вычислений. Цепочка таких битов и инструкций что с ними делать даёт нам Машину Тьюринга. Так появились компьютеры.
В них мы тоже принимаем за 0 или 1 какое-то их свойство, которое можем писать и читать, и так же можем делать их из разных материалов — просто теперь вместо механических реле мы используем частицы. В чём же разница? Кубит можно еще и подбросить как монетку! Перевести в суперпозицию, из которой он будет выпадать 0 орлом или 1 решкой с чёткой и нужной нам вероятностью.
Это открывает нам третье весёлое состояние, ради которого мы тут и собрались вообще. Любое чтение кубита уничтожит нашу суперпозицию. Циферблатики со стрелочками — это стандартная форма записи, привыкайте. До чтения же у нас есть четкая вероятность того и другого исхода.
Мы не можем предсказать результат, но вероятности вот они, пожалуйста. Мы можем спокойно нарисовать вероятности нашего кубита на картинке. Они не изменятся без нашего вмешательства. Думаю, после моего хейта в сторону Кота, вы понимаете почему мне не нравится это слово.
Оно отвратительно бесполезно! Щас еще параллельные миры плодить будем, ну уж нет. Главная фишка такого кубита-монетки именно в том, что мы МОЖЕМ влиять на вращение этой монетки пока она в воздухе, влияя тем самым на вероятность выпадения орла или решки в конце. Правда графики выше получаются не очень красиво, потому мы придумали рисовать такие вот циферблатики, где мы двигаем стрелочку как хотим, а в конце она схлопнется вверх или вниз.
Никакой магии, просто вероятность. Мы можем направить на нашу монетку магнит, чтобы замедлить её вращение, инвертировать её в другую сторону или вообще заморозить, чтобы орёл был строго вверх. В классических битах мы могли в любое время записать в него 0 или 1, а в кубитах мы можем записать в него вероятность быть 0 или 1 в конечном счёте. Мы имеем право сколько угодно шалить с вероятностями внутри кубита, но когда мы читаем его значение — он всегда схлопывается в 0 или 1 с заданной вероятностью, превращаясь по сути в обычный бит.
Это легально, однако обычный бит справится с этим лучше и быстрее, а всё квантовое веселье таится именно между состояниями 1 и 0. Всё это не очень полезно пока у нас только один кубит, но когда мы возьмем их несколько, мы сможем завязать их вероятности друг на друга так, чтобы система выдавала нам один из результатов с большей суммарной вероятностью, чем все другие. Самые смекалистые уже догадались что мы тут хотим: хитро завязать все вероятности, чтобы этот «самый вероятный» результат и был нашим правильным ответом. Но об этом мы еще поговорим в разделе про сам квантовый компьютер, терпения.
Как только мы «читаем» кубит, он всегда схлопывается в 0 или 1 как та монетка, которая в итоге выпадает только орлом или решкой. Кубит после этого уничтожается, потому чтение логичнее делать в самом конце. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Даже если мы специально изменим один кубит — второй изменится на ту же величину, только наоборот.
Нарастающее стрёмное ощущение, что всё вокруг волна — даже небо, даже кубит. Появляющиеся сомнения в объективности наблюдаемой реальности и своей роли в этом мире. Чтобы собрать классический цифровой компьютер в домашних условиях, мы берём ленту, кладём на неё некую последовательность битов, двигаем эту ленту туда-сюда и выполняем записанные отдельно на листочке операции над ними. Так получается алгоритм.
Машина Тьюринга. Такой вот фигней, только на более высоком уровне, занимаются все программисты. В квантовом компьютере у нас такая же лента, только теперь мы кладём на неё кубиты. Список операций тоже остался, но сами операции чуть изменились.
Решительно очевидно, что мы имеем полное право писать и читать наши кубиты как обычные биты.
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.
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.
Ещё ускорится разработка новых материалов для космических полётов, двигателей, сверхпроводящих систем. Сделать лучше не получается, потому что мы пока плохо моделируем. За одно интервью невозможно даже перечислить все те применения квантовых компьютеров, которые можно придумать.
Возникает вопрос — раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли — как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность?
Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным. Домашний квантовый компьютер Ну и последний вопрос — раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые — почему мы ими не пользуемся? Проблема банальна — невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум отсутствие других частиц , температура, максимально близкая к нулю по Кельвину для сверхпроводимости , и полное отсутствие электромагнитного излучения для отсутствия влияния на квантовую систему.
Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день — это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов. Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам: Но все же такие устройства оказываются ощутимо в тысячи раз мощнее обычных ПК, что можно считать прорывом. Однако заменят пользовательские устройства они ох как не скоро — для начала нам нужно или научиться создавать условия для работы таких устройств дома, или же наоборот, «заставить» работать такие устройства в привычных нам условиях.
Шаги во втором направлении уже были сделаны — в 2013 году был создан первый двухкубитный квантовый компьютер на алмазе с примесями, работающий при комнатной температуре. Однако увы — это всего лишь опытный образец, да и 2 кубита — маловато для вычислений.
Это увеличивает скорость работы и вычислительные возможности техники. Но всему есть физический предел, и мы вплотную к нему приблизились. Если раньше вычислительная мощность производимых процессоров удваивалась примерно каждые два года, то сегодня этот темп падает на глазах. В то же время потребности человечества в вычислениях постоянно растут, опережая развитие электроники. Но вернемся к Ричарду Фейнману и его теории. 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.
Квантовые компьютеры
Еще есть проблемы с оборудованием — иногда под квантовые компьютеры нужно изобретать новые устройства. Например, специальную оптику, лазеры, вакуумное оборудование, криогенные камеры. Проблем много, но это путь развития — микроэлектроника уже прошла его. Это нормально: под каждый новый процесс промышленность адаптируется и придумываются новые проводящие металлы и другие открытия. Просто вся система пока на ранней стадии зрелости. На что обратить внимание? Например, количество кубитов — это показатель? Если совсем не понимаешь, — эти бенчмарки очень поверхностно раскроют суть прогресса, а иногда даже введут в заблуждение. Как, например, с количеством кубитов — на самом деле это хорошо, но не говорит о том, насколько система умеет вычислять и с какой точностью. Для меня важно количество связанных между собой логических кубитов, точность вычисления, время жизни системы и способность вычислять практические алгоритмы. Поэтому кажется, что этим занимается очень ограниченное число организаций.
Не значит ли это, что такие устройства будут работать только в пользу корпораций и государств? И можно писать свои квантовые схемы и считать алгоритмы. Каждый разработчик заинтересован в увеличении количества практических задач, которые можно делать на их квантовом компьютере, поэтому стоимость удешевляется. По количеству инвестиций в сектор можно сделать вывод о том, что прогресс есть. Это косвенный параметр — если сотни инвесторов вкладывают и отрасль растёт, это говорит о многом. Видимо, мы близки к решениям, которые станут практическими. Но при этом есть всего 80 организаций, которые делают квантовые компьютеры. Но цифры говорят, что в hardware проинвестировали 1,5 млрд. И из них львиную долю забрали 12 компаний. Специалисты здесь нужны в квантовой физике, математике, инженеры нарасхват.
Интересный факт: советская школа здесь считается сильной. Программа разделена на несколько дорожных карт — квантовые вычисления курирует Росатом , коммуникации РЖД и Центр метрологии и сенсоры Ростех. Например, уже появилась специальная квантовая линия связи между Москвой и Петербургом — это основной протокол квантовой криптографии сегодня. По моим ощущениям, они отстают от мировых компаний на 3-5 лет. Но у них серьёзные кадры и подход — они однозначно разработают что-то полезное. Ее уже пытаются регулировать?
И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать. И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.
Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной! Принцип работы квантового компьютера Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера: Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами. Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно! Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то! Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.
Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно: 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров! Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
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. Однако деление m на p или q в вычислительном отношении значительно проще, и, поскольку m, делённое на q возвращает p и наоборот, это обеспечивает систему быстрой проверки ключа.
Кроме того, чем больше кубитов, тем более «хрупким» становится их запутанное состояние. Даже малейшие возмущения могут привести к ошибкам в квантовых вычислениях, искажению данных. И хотя физически кубит может быть реализован разными способами кубиты создают с использованием специально выращенных сверхпроводниковых структур, ультрахолодных атомов и ультрахолодных ионов, с помощью оптических систем и так далее , единого ответа о наиболее перспективной реализации у исследователей пока нет — сегодня эксперименты по созданию квантовых вычислителей ведутся на основе разных технологий. И этот список регулярно обновляется. Если обобщить на совсем базовом уровне: «столкновение» квантовой системы с реальным миром разрушает всю «квантовость», и способ поддержки этого состояния в достаточном масштабе пока не придуман. Тем более не придуман способ реализации такого квантового вычислителя, к примеру, в условиях обычной квартиры.