К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение.
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Последние новости о разработке собраны в этой статье.
Что такое квантовые вычисления?
| Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир | 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. |
| Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы | Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». |
| Квантовый бит — QMLCourse | Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. |
| Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем - Hitecher | Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. |
| Что такое квантовые вычисления? | Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему. |
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
Ведь большинство квантовых компьютеров могут работать только при температурах, близких к абсолютному нулю, когда все замедляется и "шум" окружающей среды минимален", — рассказал руководитель группы экспериментальных квантовых вычислений компании — производителя квантовых компьютеров Джери Чоу. Но дело не только в размерах. В классических ЭВМ информация зашифрована в битах, то есть в нулях и единицах, а в квантовых — в кубитах. Один кубит — это атом или фотон — мельчайшая частица вещества или энергии.
Причем она одновременно может быть как нулем, так и единицей. Как говорят ученые, такая запутанность позволяет квантовым компьютерам, что называется, "думать" в миллиарды раз быстрее. Они позволяют получить не только количественные результаты за счет ускорения процессов, но и качественные, обеспечивая лучшую адаптацию в средах и ситуациях.
Это означает, что квантовые роботы более креативны", — говорит директор кафедры квантовой динамики Института квантовой оптики Общества Макса Планка Герхард Ремпе. Однако многие видят в них угрозу, ведь они будут в состоянии не только делать за человека механическую работу, но и легко заменят представителей творческих специальностей. Но не все так плохо: всемогущие кванты могут стать и нашими защитниками.
Что такое квантовый ключ и как он защитит от мошенников С телефонными мошенниками хоть раз сталкивался каждый. Их главная задача — узнать секретную информацию. Если не напрямую от нас, то путем взлома смартфона или компьютера.
Но совсем скоро эти воры останутся не у дел.
А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q и симулятор квантовых вычислений. Платформа Orquestra от Zapata предлагает набор вычислительных методов для квантовых компьютеров Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три: Шора разложения числа на простые множители Гровера решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных Дойча-Йожи ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе.
Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением. Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением происходит их декогеренция.
При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций Honeywell, IonQ , и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах Xanadu, PsiQuantum, Quix. Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры.
Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех. Чем квантовый компьютер превосходит обычный?
Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью. Внутреннее устройство квантового компьютера Фото: IBM Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой.
Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера. Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга действуют конструктивно , иногда гасят деструктивно. Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы.
Как программируются квантовые компьютеры? Основная цель состоит в том, чтобы закодировать части задачи в сложное квантовое состояние, используя кубиты, и затем манипулировать этим состоянием, чтобы привести его к некоему решению, которое можно будет измерить после коллапса суперпозиций в детерминированные последовательности нулей 0 и единиц 1. Перечитайте еще раз. Звучит сложно, но поскольку все термины мы уже разобрали, понять можно. Как и в случае с классическим программированием, ученые разрабатывают языки ассемблера низкого уровня, которые машина понимает лучше, чтобы перейти от них к языкам высокого уровня и графическим интерфейсам, более подходящим для человеческого разума.
IBM Qiskit, например, позволяет экспериментаторам создавать задачи и перетаскивать логические элементы. Декогеренция Почему же квантовые компьютеры еще не продаются на каждом углу? В некотором смысле, ученые пытаются построить совершенные машины из несовершенных частей. Квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к возмущениям, шуму и другим воздействиям окружающей среды , которые заставляют их квантовое состояние колебаться и исчезать.
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. А облачные вычисления на процессорах будущего доступны простым пользователям уже 8 лет: IBM в 2016 году запустила облачную платформу IBM Q Experience с удалённым доступом к квантовому компьютеру. Самый мощный квантовый компьютер для коммерческого использования на сегодня содержит 5 000 кубитов. Это разработка немецкого исследовательского центра на базе канадской системы D-Wave, Advantage, так назвали машину. Ее возможности можно протестировать — вычисления доступны через облако. Первые квантовые ЦОД Сейчас квантовые машины используют в основном в лабораториях — им нужны особые условия.
Это не ПК и не ноутбук, который можно легко взять с собой в дорогу — компьютер на кубитах по размеру больше холодильника. Суть в том, что чем больше кубитов, тем более неустойчивой становится система. Пока самый успешный концепт холодильника для квантовых компьютеров представила D-Wave. Несмотря на особые условия размещения, которые не просто обеспечить, в сети уже появились новости о строительстве первых квантовых дата-центров — IBM планирует построить первый ЦОД для суперкопьютеров в Германии. С его помощью компания планирует облегчить доступ к передовым вычислениям исследовательским и государственным учреждениям. Но квантовые технологии не только научный прорыв, а еще и вызов для ученых — для защиты квантовых данных уже недостаточно обычных методов асимметричного шифрования, любые данные с суперкомпьютером можно взломать за несколько минут.
Для безопасной и быстрой передачи данных уже сейчас прокладывают квантовые магистральные связи — в России такая линия соединяет Москву, Санкт-Петербург и Нижний Новгород, в ближайшие несколько лет продолжат подключать и другие города.
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды.
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
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.
Но смысла в этом ноль. Как колоть орехи микроскопом — никто не запретит, но это достаточно медленно и бессмысленно. Обычный компьютер справится с этим лучше. Сила же квантового компьютера именно в том, что мы берём несколько кубитов, которые как вы помните можно представлять как крутящиеся монетки, и взаимодействуем именно с вероятностями их выпадения в 0 орел или 1 решка , а не самими результатами 0 и 1. Вот это уже куда более интересно.
В наших алгоритмах мы больше не мыслим концепциями «прочитай здесь, если 1, переложи туда», а начинаем как бы настраивать взаимодействие наших монеток кубитов пока они еще крутятся, чтобы в итоге получить интересующий нас результат. Как вы понимаете, никто не гарантирует какой стороной упадёт первый кубит, а значит и нельзя ничего гарантировать про второй, и так далее. Получается как будто дерево расчёта вариантов исхода алгоритма. Это и даёт нам вот ту самую экспоненциальную скорость вычислений в квантовом компьютере. В конце же наше дерево вычислений всё равно приведёт к одному результату с наибольшей вероятностью, а к другим с наименьшей.
Это и будет ответ алгоритма. Если хотите более подробного разбора дерева по шагам, рекомендую вот эту годную статью. Мы не перебираем все варианты одновременно, как объясняют во многих статьях для новичков. Мы скорее настраиваем вероятности наших кубитов по ходу программы так, чтобы правильный результат засветился на выходе с большей вероятностью, чем неправильный. Условно говоря, мы подкручиваем наши монетки и говорим как им вращаться друг относительно друга, чтобы в итоге они выпали на стол в комбинацию, например, «орел-решка-орел» 010.
Это и будет правильный ответ алгоритма. Тогда в 1 случае из 10 квантовый компьютер будет вполне легально нам врать, выдавая неправильный ответ. Тогда мы просто запускаем алгоритм много-много раз как настоящие боги инженерии!
Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию. Биты и кубиты Фото: Журнал Яндекс Практикума Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows.
Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам. Квантовые вычисления в облаке Фото: Medium Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений. IBM уже представила программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q и симулятор квантовых вычислений. Платформа Orquestra от Zapata предлагает набор вычислительных методов для квантовых компьютеров Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. 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.
А теперь давайте познакомимся с простейшим и интереснейшим объектом квантового компьютера — кубитом. Кубит Кубит — это то же самое, что и бит в обычном компьютере. Ящичек, который содержит минимальную частицу, которой кодируется любая осмысленная информация.
Кубит, также, как и бит, может принимать значения 0 или 1, но, в отличие от бита, эти конкретные значения он принимает лишь при выводе результата вычислений. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. При математическом описании работы квантового компьютера оперируют именно векторами. Если математически описывать физику процессов, происходящих в квантовом компьютере с кубитами при логических операциях с ними, то это будут умножения векторов, описывающих вероятностное состояния кубитов, на матрицы, описывающие эти самые логические операции. Если в обычном компьютере это простейшие логические операции «и», «или», «не», «исключающее или» и т. Кроме вентильных матричных преобразований волновые функции кубитов можно складывать и вычитать, как можно складывать и вычитать обычные волны. В результате сложений волн вероятностей, как и на обычных волнах, возникает интерференция, которая позволяет влиять на состояние кубита, меняя вероятность получения в нём того или другого значения ноля или единицы.
После всех вычислений и преобразований результирующая волновая функция вероятности при прочтении кубита превращается в ноль или единицу, и уже не отличается от бита.
Но результат чтения одной моментально повлиял на значение второй, так? Значит мы только что нарушили теорию относительности и передали информацию быстрее скорости света. На этот раз без штрафа, но я выпишу вам предупреждение. Но есть и хорошие новости: мы научились создавать системы из двух частиц, которые вот так моментально при чтении одной гарантируют нам значение другой. 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.
И ноль, и единица
- Биты и кубиты
- Квантовые вычисления для всех
- Международная гонка кубитов
- Что такое квантовые вычисления?
- Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
- Кубиты и суперпозиция, или почему обычных компьютеров уже недостаточно
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Но совсем скоро эти воры останутся не у дел. Потому что защищать наши деньги будут при помощи квантовой криптографии, или, как ее еще называют, квантового распределения ключей. То есть мы используем только одни маленькие очень сильно ослабленные лазерные импульсы. И потом с их помощью, скажем так, передаем ключ. В этом случае не происходит передачи непосредственной информации. Мы передаем именно ключ", — пояснила кандидат физико-математических наук, доцент Московского технического университета связи и информатики Татьяна Казиева. Квантовый ключ представляет собой шифр, и передают его при помощи фотонов света — квантов. Если вы знаете шифр, а точнее, не вы, а ваш компьютер или телефон, они автоматически расшифровывают секретное сообщение. Это может быть что угодно: электронная подпись, информация из банка или страховой компании. При этом злоумышленники добраться до них никогда не смогут. Система тут же отреагирует на любую попытку взлома.
Но это не все, на что способны кванты. Два года назад в США сумели перевести в квантовое состояние зеркала антенны массой десять килограммов. Это назвали едва ли не величайшим событием десятилетия — огромные зеркала подобно квантам находились в лаборатории и за ее пределами.
Все права защищены. Условия использования информации.
Физики, которыми руководил Майкл Деворет Michel Devoret , не усердствовали, ограждая «неженок» от возмущений, а стали в реальном времени исправлять появляющиеся ошибки. Применили метод, который так и называется «квантовая коррекция ошибок» - сокращенно QEC quantum error correction. Ученые уверяют : они впервые в мире показали, что метод работает — повышает устойчивость квантовой информации. О чем сообщили в журнале Nature. Российский кубит на сверхпроводниках. Кубиты следят друг за другом Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского Квантового Центра и Университета МИСИС: - Для того, чтобы нивелировать эффект ошибок при работе классических процессоров используются коды коррекции ошибок. Они настолько быстры, что мы даже не замечаем, как эффективно работает процедура. В квантовом случае коррекция ошибок — гораздо более сложная задача.
Хотя бы потому, что невозможно идеально копировать заранее неизвестные квантовые состояния. Квантовая физика запрещает такую процедуру.
Эта работа открывает перспективу создания принципиально новых приборов и устройств на основе сверхпроводниковых элементов.
Мы расскажем вам о том, как интересен мир вокруг и поможем разобраться в самых сложных вещах. Если вам интересны космос, физика, робототехника, современная медицина и биология, то вам сюда.
Что такое квантовый компьютер и как он работает
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.
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.
Они равновероятностные потому, что имеют одинаковую энергию то есть ни одно из состояний не является более выгодным энергетически для всей системы, чем другое. Эти состояния соответствуют незатухающему сверхпроводящему току, текущему по кольцу по часовой и против часовой стрелки соответственно. Это и есть ноль и единица. Физики говорят, что в кубите возникает суперпозиция этих двух состояний. Суть явления туннелирования заключается в следующем: квантовые частицы, в отличие от классических, могут с некоторой вероятностью проходить сквозь потенциальные барьеры. То есть, например, заряженная частица может пролетать сквозь барьер из изолятора, как в случае с кубитом. Туннелирование ответственно за эффекты в полупроводниковой электронике, радиоактивность, некоторые типы ядерного распада и многое другое. В чем заключается достижение вашей лаборатории?
Достижение здесь пока, конечно, местного значения, работа только начинается. Схема кубита, которую мы использовали, была предложена еще 13 лет назад, а первый работающий вариант появился лет 10-11 назад. В данном случае достижением является то, что такой кубит был впервые померян в России. И трудности здесь состоят как в возможности получения низкой температуры, так и в том, что для проведения эксперимента необходимо сделать довольно большой набор непростых действий, чтобы экранировать кубит от влияния внешних паразитных магнитных полей чтобы мерить при помощи специальных микроволновых устройств. В кубите же суперпозиция состояний. Что значит «мерить кубит»? Опять-таки, измерение кубита можно делать по-разному, точного значения у этого термина нет. Если мы теперь немного изменим внешнее магнитное поле, то одно из этих состояний станет более выгодным. В квантовом случае индуктивность определяется током, протекающим через джозефсоновский переход, поэтому ведет себя как так называемая параметрическая индуктивность. Это изменение мы и регистрируем.
Для этого на частоте порядка 10 гигагерц мы посылаем к кубиту электромагнитный сигнал. При прохождении через образец у этого сигнала сдвигается фаза. Этот сдвиг вызывает изменение состояния кубита, которое влияет на индуктивность некоторой измерительной цепи, находящейся рядом с кубитом. Усиленный сигнал при этом по кабелю поступает в прибор, который позволяет уже при комнатной температуре мерить фазу сигнала. В центре желтая дверь видна чистая комната. Ее монтаж пока еще не закончен. Цель эксперимента, который мы поставили, была пока самой простой из тех, которые только возможны. Мы не манипулировали квантовым состоянием, мы фактически установили, что у объекта существуют два уровня, соответствующих состояниям ноль и один.
В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые и они принципиально отличаются от обычных транзисторов. Они так и называются Quantum Bits, или Кубиты. Что же такое кубиты? Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находиться одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка…. В нашем случае они одновременно 1 и 0! Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось. Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики! Квантовый компьютер внутри Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество. 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!
Ученые создали свой кубит, заморозив газообразный неон в твердое тело при очень низких температурах, распылив электроны из лампочки на твердое тело и захватив там один электрон. Хотя существует множество вариантов типов кубитов, команда выбрала самый простой — один электрон. Нагрев простой световой нити, такой как в детской игрушке, может легко выпустить безграничный запас электронов. Одним из важных качеств кубитов является их способность оставаться в состоянии 0 или 1 одновременно в течение длительного времени, что известно как «время когерентности». Это время ограничено, и этот предел определяется тем, как кубиты взаимодействуют с окружающей средой. Дефекты в системе кубитов могут значительно сократить время когерентности. По этой причине команда исследователей решила поймать электрон на сверхчистой твердой поверхности неона в вакууме. Неон является одним из шести инертных элементов, то есть он не вступает в реакцию с другими элементами.
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
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. При успешной реализации планов, квантовый компьютер на базе 12 сверхпроводящих кубитов станет крупнейшим достижением российских ученых в этом направлении. Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света.
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Intel планомерно работает над повышением производительности Tunnel Falls и интеграции его в свой полный квантовый стек с помощью комплекта Intel Quantum SDK. Кроме того, Intel уже разрабатывает свой квантовый чип следующего поколения на базе Tunnel Falls, ожидается, что он будет выпущен в 2024 году. В будущем Intel планирует сотрудничать с дополнительными исследовательскими институтами по всему миру для создания квантовой экосистемы. Есть неплохие кандидаты на роль кубитов, но каждый из них несёт багаж недостатков. Учёные из Нидерландов попытались создать гибридные кубиты, сочетая лучшие и нивелируя худшие их свойства, и преуспели в этом. Перспективный гибридный кубит лёгок в производстве, прост в управлении и стабилен. Правда, пока только в лаборатории и на бумаге.
Учёный держит квантовый чип пинцетом, перед установкой на плату. Источник изображения: QuTech Исследователи уже не раз горели желанием сочетать сверхпроводящие и спиновые явления. Кубиты на основе сверхпроводников, которые используют стабильные состояния электромагнитных полей или моды, хорошо изучены и используются на практике в составе квантовых компьютеров IBM, Google и других. Такие кубиты хорошо взаимодействуют на больших расстояниях и легко управляются, хотя они относительно большие и имеют предел по скорости выполнения операций. Спиновые кубиты на атомах или элементарных частицах малы и могут массово выпускаться даже на полупроводниковых заводах из 80-х годов прошлого века. Но такие кубиты ограничены по дальности взаимодействия и управления.
Как взять одни свойства перспективных кубитов и отбросить другие? Эту задачу попытались решить учёные из QuTech — исследовательской организации, созданной Делфтским технологическим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований TNO. В свежей работе, опубликованной в Nature Physics, учёные рассказали о создании и успешных испытаниях гибридной спиново-сверхпровдящей платформы. Можно сказать, что учёные улучшили так называемый «спиновый кубит Андреева», который строится на основе ряда квантовых эффектов, названных именем советского физика Александра Фёдоровича Андреева. В джозефсоновских контактах, где сверхпроводящий ток течёт без напряжения, существуют микроскопические электронные состояния — андреевские уровни, каждый из которых может рассматриваться как микроскопический источник эффекта Джозефсона. Они же являются родительскими состояниями майорановских мод.
Джозефсоновские переходы или контакты способны также захватывать сверхпроводящие квазичастицы со своими спинами. Тем самым появляется связь между сверхтоками и спинами. Сверхпроводящим током можно изменять направление спина, а детектирование спина может регистрировать сверхпроводящие токи. Это говорит о том, что "спиновый кубит Андреева" может стать ключевым элементом для соединения квантовых процессоров, основанных на радикально различных технологиях кубитов: полупроводниковых спиновых кубитах и сверхпроводящих кубитах». Учёные всего мира ищут возможность продлить квантовые состояния кубитов до возможности запуска на них сложных алгоритмов. Речь идёт хотя бы о секундах, не говоря о более длительном времени.
Возможно, с этим смогут помочь немецкие учёные, которые предложили новый тип кубитов. Источник изображения: Dennis Rieger, KIT Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали сверхпроводящие кубиты, которые они назвали «гральмониевыми» gralmonium по аналогии с уже разработанными флюксониевыми кубитами. Традиционно сверхпроводящие кубиты используют так называемый эффект Джозефсона и структуру переход , называемый джозефсоновским контактом. Квантовые состояния на таких контактах остаются неизменными тем дольше, чем меньше дефектов в материале. Но определить чистоту материала можно до определённой степени. Разработка немецких учёных обещает помочь с этим и вывести сверхпроводящие квантовые кубиты на новый уровень стабильности.
Сообщается, что вместо двух алюминиевых пластин, разделённых слоем диэлектрика, на чём обычно строится джозефсоновский контакт, исследователи взяли гранулированный алюминий с размерами гранул в несколько нанометров и поместили его в оксидный каркас. После процесса самоорганизации в структуре материала возникло множество микроскопических джозефсоновских контактов, что позволило детектировать мельчайшие дефекты в материале.
Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для моделирования поведения молекул на квантовом уровне, что позволило бы ученым разрабатывать новые лекарства и материалы с беспрецедентной точностью.
Кроме того, квантовые вычисления могут оптимизировать сложные системы, такие как транспортные сети или энергосистемы, что приводит к более эффективным и устойчивым решениям. Ожидается, что квантовые вычисления потенциально могут оказать значительное влияние на область искусственного интеллекта. Алгоритмы квантовых вычислений могли бы обучать модели машинного обучения гораздо быстрее, чем классические вычислительные методы, что позволило бы более быстрыми темпами развивать искусственный интеллект.
Кроме того, квантовые вычисления могут быть использованы для оптимизации сложных нейронных сетей, что приведет к созданию более эффективных и мощных систем искусственного интеллекта. Как работают квантовые компьютеры? Чтобы понять принципы квантового компьютера, мы должны сначала понять, как работают классические компьютеры.
Классические компьютеры работают в двух состояниях: 1 или 0. По этой причине эти системы называются двоичными цифрами, БИТ. Один бит состоит из абсолютных состояний 1 и 0.
Один pbit вероятностный бит может быть любым состоянием 1 или 0. Один кубит может быть равен 1 или 0. Кубиты обладают свойством суперпозиции, что означает, что они могут находиться в нескольких состояниях одновременно.
Такое решение напоминает память 3D NAND — чем сложнее структура, тем больше кубитов можно разместить в одной ячейке. В разработанной в России технологии в качестве единицы квантовых вычислений выступают ионы. Они могут работать, как обычные кубиты, так и как кудиты, представляющие собой расширенную версию кубитов.
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.
Пример разложения 3-кубитного гейта на последовательность 2-кубитных операций. Фраза «нужно просто иметь квантовые процессоры с нужными характеристиками» из конца прошлой главы звучит довольно неплохо и, в целом, это выполнимо. Но есть нюанс. Это значит, что в среднем на сотню правильно выполненных операций будет приходиться одна ошибочная.
В полномасштабном квантовом компьютере, выполняющем сложный квантовый алгоритм, такие ошибки будут быстро накапливаться, приводя к выдаче неправильных результатов вычислений. При этом существенно повысить точность двухкубитных квантовых гейтов в многокубитных квантовых процессорах пока не представляется возможным. К счастью, многие недостатки компьютерного «железа» можно зачастую решить программными методами. Например, физические ошибки, возникающие в классических компьютерах или линиях передачи данных, детектируются и исправляются с помощью действующих в реальном времени алгоритмов коррекции ошибок, разработанных еще в середине 20 века. Похожие алгоритмы были предложены пару десятилетий назад и для квантовых систем. Например, уже упомянутый выше Алексей Китаев в 1998 году предложил так называемый «поверхностный код» англ.
Общая идея такого подхода коррекции ошибок довольно проста — соседние физические кубиты объединяются в логические блоки, каждый из которых в дальнейшем используется квантовым алгоритмом в качестве «логического кубита». При этом, если каждый логический блок содержит достаточно большое количество физических кубитов, то, даже несмотря на периодически возникающие в них физические ошибки, уровень ошибок логического кубита можно сделать сколь угодно низким. Сколько же таких логических, безошибочных кубитов нужно, чтобы запустить какой-нибудь полномасштабный квантовый алгоритм? Возьмем, для наглядности, все тот же нашумевший алгоритм Шора, обещающий взломать интернет. Текущие методы криптографической защиты данных используют ключи шифрования, состоящие из тысячи бит, что потребует несколько тысяч логических кубитов для его эффективной факторизации разложения на множители. Учитывая количество требуемых квантовых операций и желаемый уровень возникновения ошибок, каждый такой логический кубит должен состоять из примерно тысячи физических кубитов.
Перемножая эти два числа, мы получаем оценку в миллион физических кубитов, необходимых квантовому компьютеру для выполнения алгоритма Шора. Миссия выполнима? С учетом того, что самые мощные существующие квантовые процессоры оперируют десятками кубитов, желаемый миллион кубитов выглядит несколько заоблачно. Однако, если посмотреть на историю развития традиционной индустрии полупроводниковой электроники, то можно увидеть пример такого инженерного чуда, позволившего увеличить количество транзисторов на чипах с нескольких сотен в конце 1960-х годов до десятков миллионов в конце 1990-х. Технологический скачок, необходимый для такого масштабирования, по сложности и объему инвестиций можно сравнить разве что с выходом человека в космос или высадкой на Луну. Существенно отличается лишь количество участников.
Многие из игроков этого высокотехнологичного рынка представили и регулярно обновляют «дорожные карты» по развитию своих квантовых платформ. Например, компания IonQ, создающая квантовые процессоры на ионах в ловушках, планирует создать полноценный квантовый компьютер с тысячью логических кубитов необходимых для запуска серьезных алгоритмов уже к 2028 году. Лидеры направления сверхпроводящих кубитов, Google и IBM, дают чуть более размытые прогнозы, обещая создать квантовые процессоры с тысячью физических кубитов в ближайшие пару лет и, отработав на них алгоритмы коррекции ошибок, достигнуть отметки в тысячу логических кубитов до конца десятилетия. Похожие амбиции и у многих государственных программ, нацеленных на создание квантового компьютера. Лидером по объему инвестиций по праву можно считать Китай, вложивший в свою национальную квантовую программу более 10 миллиардов долларов еще в 2016-2017 годах. Сейчас эти вложения начинают приносить первые результаты, особенно заметные по прорывным статьям из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе University of Science and Technology of China, Hefei.
Пытается догнать Китай и национальная квантовая инициатива в США с бюджетом чуть более миллиарда долларов, направленных на создание новых федеральных лабораторий. Сравнимые бюджеты выделили на развитие квантовых технологий и отдельные европейские страны, а сам Евросоюз еще в 2018 году запустил миллиардную программу Quantum Flagship, направленную на поддержку совместных проектов по квантовым технологиям по всей Европе. Общий объем инвестиций в этот быстро растущий рынок оценивается в 25 миллиардов долларов, что сопоставимо с бюджетом американской лунной программы 1960-х годов. Особый путь А что в России? Несмотря на пионерские идеи Юрия Манина в 1980-х и неоценимый вклад отечественных ученых в области квантовых вычислений и квантовой информации, Россия на текущий момент несколько отстает от перечисленных выше лидеров рынка. Такое положение отчасти связано с поздним стартом, ведь первые прикладные проекты по квантовым технологиям в России были запущены лишь в 2010-х например, Российский Квантовый Центр , через 10-15 лет после создания первых квантовых процессоров.
Первые одно- и двух-кубитные системы в России были созданы в 2015-2016 годах, а в этом году был представлен первый 5-кубитный квантовый процессор.