Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. 504 — это рекорд для Китая по количеству кубитов в сверхпроводящем квантовом чипе. По данным QuantumCTek, чип Xiaohong используется для проверки килокубитной системы, уже разработанной компанией независимо. Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор.
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними.
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использую щие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый не требующий хранения в тайне и закрытый строго секретный. Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый - для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание. Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, - это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь.
Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ он изначально хранится у вас , легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе.
Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом. Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K так называемая задача факторизации - практически невозможно!
Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K. Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного 512-битного числа.
Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 1025!
Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях. И все было хорошо до тех самых пор... Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации и многие другие!
Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов! Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя.
По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов транзисторов, а затем и интегральных схем , а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств.
В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.
По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана СН4. Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое по числу частиц количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной!
И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств.
В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.
Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейн-ман, хорошо знакомый постоянным читателям "Науки и жизни". Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.
И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел о важности этой задачи уже шла речь во введении. По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости.
Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений. В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных.
Туризм и Приключения 8 подписчиков Подписаться Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. 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.
В разработке принимали участие специалисты из Московского физико-технического института, Российского квантового центра, Национального исследовательского технологического университета МИСиС и ряда других научных учреждений. О разработке сообщается в пресс-релизе. Единицей памяти современных компьютеров являются биты. Они могут принимать только одно значение: 0 или 1. По сравнению с ними кубиты могут кодировать сразу и логическую единицу, и ноль, что открывает совершенно новые возможности хранения и обработки цифровой информации. Физическим объектом в роли кубитов могут выступать атомы или электроны.
Работа на нем связана с двумя важными параметрами — общей памятью и скоростью выполнения операций. Для представления информации такие машины используют биты. Бит — единица информации, которая принимает определенное значение, 1 или 0. Определенное — ключевое слово. Мы точно знаем, в каком значении находится бит. Представьте переключатель света — он либо включен, либо выключен. Мы можем это увидеть по горящей лампочке. Так же и с битами. Внутри компьютера это устроено так: на материнской плате находится миллион транзисторов — полупроводников, которые нужны для управления электрическим током; каждый из транзисторов либо закрыт позиция 0 , либо открыт позиция 1 и пропускает ток, при этом электроны пробегают по транзистору со скоростью, близкой к скорости света; пока транзистор включается и выключается, компьютер может производить вычисления — любая информация представляется в виде чисел, благодаря переключению с позиции 0 на 1 и наоборот. Квантовый компьютер подчиняется другим законам. И тут важны два понятия: Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, в котором используются явления квантовой механики для обработки данных. Вероятность Классическая механика основана на детерминизме: транзистор либо включен, либо нет, кран или закрыт, или открыт. В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен? Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками. В ходе эксперимента Шредингера возникает суперпозиция Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы. Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы. То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание. Суперпозиция Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью.
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
(1) Сформулировать, что такое кубит. или двухкубитовые квантовые вентили осуществляют логические операции над кубитами. Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение.
Что такое квантовый компьютер и как он работает
IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. 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. IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). Последние новости о разработке собраны в этой статье.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен? Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками. В ходе эксперимента Шредингера возникает суперпозиция Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы. Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы.
То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание. Суперпозиция Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью. Нахождение в любой из комбинаций называется суперпозицией. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0 И вот тут-то загвоздка — значение этой частицы зависит от многих факторов, в том числе и измерения.
Мы не знаем точно, в каком именно состоянии находится кубит, пока не решим его измерить. Запутано, правда? Благодаря кубитам со сложными задачами, на решение которых даже суперкомьютеру нужны недели, квантовый справится за считанные минуты. Какие задачи может решать квантовый компьютер Кубиты помогают быстро обрабатывать данные, поэтому их применение почти безгранично: Медицина Квантовые технологии уже применяют для ускоренной разработки, тестирования лекарств и диагностики некоторых заболеваний на ранней стадии. Например, FAR Biotech исследует биоактивные молекулы и белки и новые структурные классы, которые невозможно было бы обнаружить без мощных квантовых компьютеров.
Свои исследования компания направляет на борьбу с онкозаболеваниями. В теории в будущем квантовые вычисления откроют новые горизонты в генной инженерии, помогут создавать новые лекарства и моделировать ДНК. Прогнозирование От финансового сектора до прогноза погоды — кубиты просчитывают множество переменных в разы быстрее, чем обычные компьютеры. Это значит, что прогнозы станут точнее, можно будет определить скорость ветра, температуру, влажность, движение облачных масс за секунды. Криптография В 1994 году Питер Шор разработал квантовый алгоритм разложения числа на простые множители.
Сейчас все усилия по разработке сосредоточены не изучении того, как улучшить джозефсоновский переход, тонкий изолирующий барьер между двумя сверхпроводниками в кубите. Влияя на то, как движутся электроны, этот барьер позволяет управлять уровнями энергии электронов. Сделав это соединение как можно более непротиворечивым и маленьким, можно увеличить время когерентности кубита. В одной статье об этих соединениях авторы предлагают рецепт создания восьмикубитного квантового процессора, дополненный экспериментальными ингредиентами и пошаговыми инструкциями. Кубиты с использованием дефектов Дефекты — это места, в которых атомы отсутствуют или неправильно размещены в структуре материала. Эти пространства меняют способ движения электронов в материалах. В некоторых квантовых материалах эти пространства захватывают электроны, позволяя исследователям получать доступ и управлять их спинами. В отличие от сверхпроводников, эти кубиты не всегда должны находиться при сверхнизких температурах. У них есть потенциал, чтобы иметь долгое время согласования и производиться в больших масштабах. Хотя алмазы обычно ценят за отсутствие недостатков, их дефекты на самом деле весьма полезны для кубитов.
Добавление атома азота к месту, где обычно находится атом углерода в алмазах, создает то, что называется центром вакансий азота. Исследователи нашли способ создать трафарет длиной всего два нанометра для создания этих дефектов. Это расстояние помогло увеличить время когерентности этих кубитов и упростило их запутывание. Но полезные дефекты не ограничиваются бриллиантами. Бриллианты дорогие, маленькие, и их трудно контролировать. Нитрид алюминия и карбид кремния дешевле, проще в использовании и уже широко используются в повседневной электронике. Ученые использовали теорию, чтобы предсказать, как правильно физически деформировать нитрид алюминия, чтобы создать электронные состояния для кубитов. Поскольку азотные вакансии возникают в нитриде алюминия естественным образом, ученые должны иметь возможность управлять вращением электронов в нем так же, как в алмазах. Другой вариант, карбид кремния, уже используется в светодиодных лампах, мощной электронике и электронных дисплеях. Удалось обнаружить, что определенные дефекты в карбиде кремния имеют время когерентности, сравнимое или более продолжительное, чем время когерентности в азотно-вакансионных центрах в алмазах.
Один из плюсов данной технологии — сравнительно простое соединение квантовой и классической техники. Дизайн материалов В то время как одни ученые исследуют, как использовать существующие материалы, другие выбирают другой подход — конструируют материалы с нуля. Этот подход строит индивидуальные материалы молекула за молекулой. Настраивая металлы, молекулы или ионы, связанные с металлами, и окружающую среду, ученые потенциально могут управлять квантовыми состояниями на уровне отдельной частицы. С помощью этого подхода ученые могут ограничить количество ядерного спина спин ядра атома в окружающей среде кубита. Многие атомы, содержащие ядерный спин, вызывают магнитный шум, который затрудняет поддержание и контроль электронного спина. Это сокращает время когерентности кубита.
А расчет будет в разы надежнее. Именно этот футуристичный механизм — квантовый компьютер Google, который позволил достичь квантового превосходства в строгом смысле, пусть пока и без ориентации на практику. Издательство Fortune предположило , что документ по ошибке опубликовали слишком рано. Вероятно, требовалось длительное изучение и анализ полученных результатов. Над квантовыми компьютерами работают не только Google и IBM: есть свои разработки у Intel и Alibaba , появляются стартапы вроде Rigetti. Многие компании размещают мощности имеющихся квантовых компьютеров в облаках, а затем дают к ним доступ университетам и бизнесу: есть это все у тех же IBM и Alibaba, Amazon и D-Wave System. Когда-то люди изобрели колесо — и изменили свою жизнь навсегда. Затем люди сделали доступ к знаниям круглосуточным, поместив в свои карманы и рюкзаки смартфоны с мобильным интернетом. Это тоже интересно:.
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. Подписывайтесь на «Чердак» и исследуйте мир вместе с нами!
Публикации
- Какие задачи может решать квантовый компьютер
- Что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
- Как работает квантовый компьютер
- Многокубитные системы и запутанность
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Эти тесты продемонстрировали, что твердый неон обеспечивает надежную среду для электрона с очень низким электрическим шумом, который может его побеспокоить. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. По словам ученых, простота платформы кубитов также должна обеспечивать простое и недорогое производство. Перспективы квантовых вычислений заключаются в способности этой технологии следующего поколения решать определенные задачи намного быстрее, чем их могут решить классические компьютеры.
Исследователи стремятся объединить длительное время когерентности со способностью нескольких кубитов связываться друг с другом, известной как запутанность. Таким образом, квантовые компьютеры могли бы найти ответы на проблемы, на решение которых у классического компьютера ушли бы многие годы. Рассмотрим задачу, в которой исследователи хотят найти самую низкую энергетическую конфигурацию белка, состоящего из многих аминокислот.
Эти аминокислоты могут складываться триллионами способов, на расчет которых не способен ни один классический компьютер.
По сравнению с ними кубиты могут кодировать сразу и логическую единицу, и ноль, что открывает совершенно новые возможности хранения и обработки цифровой информации. Физическим объектом в роли кубитов могут выступать атомы или электроны. Цифровые данные записываются на т. Однако проблема заключалась в том, что такие структуры крайне неустойчивы. Они легко разрушаются под воздействием внешних воздействий, а устройства для хранения таких систем сложны в разработке. Относительно недавно ученые обнаружили, что в качестве кубитов можно использовать искусственно созданные атомы, в частности, т.
Оно возникает в случае, когда две системы настолько сильно связаны, что получение информации об одной системе немедленно даст информацию о другой — вне зависимости от расстояния между этими системами. Хартмут Невен, директор Google Quantum AI Labs предложил новое правило, которое предсказывает прогресс квантовых компьютеров в ближайшие 50 лет. Оно гласит, что мощность квантовых вычислений испытывает двукратный экспоненциальный рост по сравнению с обычными вычислениями. Если бы этому принципу подчинялись классические компьютеры, то ноутбуки и смартфоны появились бы в мире уже к 1975 году. Невен обосновывал свое правило тем, что ученые создают все более совершенные квантовые процессоры с большим количеством запутанных кубитов, и при этом процессоры сами по себе экспоненциально быстрее традиционных компьютеров. Закон Невена, или, как его еще называют, закон Мура 2. Это лишь вопрос количества доступных кубитов и снижения частоты ошибок, которые представляют основную проблему современных квантовых информационных систем. Если закон Невена себя оправдает, то в ближайшем будущем квантовые компьютеры покинут пределы университетских и исследовательских лабораторий и станут доступны для коммерческих и других приложений. Как применяются квантовые компьютеры сейчас Все больше крупных компаний разрабатывают квантовые компьютеры, обеспечивая доступ к ним через облачные технологии. Заказчиками могут быть университеты, исследовательские институты, а также различные организации, которые заинтересованы в том, чтобы протестировать возможные сценарии использования таких вычислений. Рынок пока невелик: по оценкам Hyperion Research , в 2020 году он составил 320 миллионов долларов, однако его ежегодный рост составляет почти 25 процентов. Специалисты Boston Consulting Group предсказывают, что к 2040 году рынок вырастет до 850 миллиардов долларов. Этот прогноз основан на уверенности, что уже в ближайшие годы мир получит оборудование, подходящее для решения коммерческих и общественных задач. Даже отсутствие готовых прототипов не мешает инвестициям в начинающие стартапы. Например, PsiQuantum привлек 665 миллионов долларов на создание квантовых компьютеров на базе запутанных фотонов. В настоящее время усилия ученых сосредоточены на двух направлениях: создании универсальных квантовых компьютеров для широкого круга задач и специализированных квантовых вычислителях. Как правило, коммерчески доступные системы имеют небольшое количество кубитов, однако в них используются принципы квантовой механики, ускоряющие вычисления. Одним из главных игроков на этом рынке является компания D-Wave Systems, чьи устройства уже включают в себя пять тысяч кубитов. В 2020 году D-Wave начала предлагать коммерческий доступ через облако к специализированным квантовым компьютерам Advantage с пятью тысячами кубитов, которые пока пригодны для решения сложных оптимизационных задач. IBM представила коммерчески доступный IBM Quantum System One, пригодный для решения более широкого круга задач, в том числе моделирования материалов для систем хранения энергии, оптимизации портфелей финансовых активов и улучшения параметров стабильности в инфраструктуре энергоснабжения. Исследователи также стремятся использовать квантовый компьютер для того, чтобы раздвинуть границы глубокого обучения. Пока ведутся исследования, связанные с проверкой концепции, то есть демонстрации осуществимости квантовых вычислений в интересующих специалистов областях. ИИ и криптосистемы Одна из наиболее перспективных областей, на которую могут повлиять квантовые вычисления, — разработка систем искусственного интеллекта ИИ. ИИ имеет дело с огромными объемами данных, а неточности в обучении нейронных сетей приводят к значительным погрешностям. Квантовые компьютеры могут улучшить алгоритмы обучения и интерпретации.
Обычно о важности той или иной технологии говорит интерес к ней правительства. Германия, Канада, Индия и Япония тоже тратят существенные суммы. Уникальные наработки есть и в России, а суммарные инвестиции можно оценить почти в 30 млрд рублей. Возможно, скоро о квантах будут говорить активнее, поэтому пора разобраться в основных терминах. Начнем с относительно простого примера Сначала разберемся, как работает обычный компьютер. Классическая детская задача про волка, козу и капусту вполне подходит для этого. Напомним условия: крестьянину нужно перевести троицу на другой берег в лодке, которая кроме хозяина вмещает еще один объект. При этом человек не может оставить наедине ни волка с козой, ни козу с капустой по понятным причинам. Если решать задачу с помощью обычного компьютера, можно использовать 4-битную систему, в которой 0 или 1 будут означать берег — левый и правый соответственно. Например, запись вида 0000 означает, что все находятся на левом берегу, а 1000 — что крестьянин уплыл один, бросив имущество. Единственно верным первым шагом при решении, как мы знаем, будет перевозка козы — это комбинация 1001. Чтобы ПК понял, что именно этот шаг верный, он должен перебрать все варианты по очереди, последовательно пребывая в каждом из 16 состояний. Квантовые компьютеры используют для хранения информации кубиты, которые могут принимать значение 0 и 1 по отдельности, а также 0 и 1 одновременно. То есть они могут пребывать во всех 16 состояниях сразу — это называется суперпозицией в противовес двоичной позиции в обычных устройствах. Для примера мы использовали простую задачу, но представьте, если состояний не 16, а триллион, и вам нужно найти среди них одно. Даже если обычный компьютер будет обрабатывать каждое состояние за 1 микросекунду это миллионная доля секунды , ему понадобится не меньше недели на решение задачи. Квантовый компьютер справится за 1 секунду, действуя по алгоритму Гровера. Еще раз: что такое квантовый компьютер? Квантовый компьютер — новый тип устройств, он использует в своей работе принципы квантовой механики. Это раздел науки, которая изучает поведение атомов и еще более мелких субатомных частиц: фотонов, электронов, нейтрино.
Что такое квантовый компьютер и как он работает
Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. (1) Сформулировать, что такое кубит. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия).
Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения
Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Именно необычное свойство кубита, его способность одновременно становиться и нулём, и единицей, даёт квантовому компьютеру потрясающую вычислительную мощность. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
План статьи: Кубит и суперпозиция. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Проблемы аппаратного обеспечения в реализации кубитов. Многокубитные системы и запутанность. Что такое многокубитные системы. Простое объяснение того, как работает запутанность.
Очевидные противоречия запутанности со специальной теорией относительности Эйнштейна. Почему кубиты рулят? И о будущем. Экспоненциальное ускорение вычислительного времени кубитов в сравнении с битами, взлом квантом шифрования RSA. Станут ли квантовые компьютеры нормой.
Кубит и суперпозиция Чтобы понять, что такое кубит, сначала нужно разобраться с тем, что такое бит. Ваш компьютер работает на битах, принимающих значение 0 и 1. Биты способны представлять огромные массивы данных — все программы на вашем компьютере хранятся в очень длинных цепочках битов. Физически биты представлены транзисторами, в которых присутствие электрона, проходящего через затвор, означает 1, а отсутствие — 0. Компьютерная микросхема заполнена несколькими триллионами миниатюрных транзисторов, обеспечивающих его функционирование микросхемы не могут стать меньше, так как информация представлена в виде электронов.
Кубиты принципиально отличаются от битов тем, что не ограничиваются только 0 и 1. Они могут принимать любые значения между 0 и 1. Это явление называется суперпозицией и существует только в квантах — очень маленьких объектах. Кубитом может быть любой объект, проявляющий квантовое поведение, например фотон. Кубит, находящийся в суперпозиции, при измерении коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний 0 или 1.
Вероятность состояния 1 или 0 определяется суперпозицией кубита. Если кубит находится в равной суперпозиции, то он находится наполовину в состоянии 0, наполовину в состоянии 1.
Надо думать, как удерживать качество вычислений и масштабировать их. Возьмем компанию IonQ — в нее проинвестировали уважаемые инвестиционные фонды со всего мира, она даже стала публичной. Они делают системы на ионах, и проблема в том, что там есть ионные ловушки, но есть предел количества ионов, который можно уловить. И надо придумать механизм связывания ловушек между собой. С этим пока большие проблемы — это сильно мешает масштабировать систему. У других платформ есть похожие серьезные проблемы. 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. Основная проблема при создании квантовых компьютеров — это создание кубитов в большом количестве и их связывание, время жизни всей системы — Как не специалистам, которые интересуются квантовыми компьютерами, понимать, действительно ли новое открытие — шаг вперед для этой отрасли или очередная новость ради кликов? 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 растет, 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.
Если у нас будут квантовые компьютеры, то есть компьютеры, которые совершают вычисления по квантовым законам, то было бы вполне естественно в первую очередь использовать их для вычислений, связанных с квантовыми системами, — в частности, для вычислений в квантовой химии. И действительно, как показали дальнейшие исследования, это возможно. И более того, такие вычисления смогут в полной мере задействовать уникальные возможности квантовых компьютеров, то есть они будут выполняться значительно быстрее, чем на компьютерах обычных.
Это позволит решать задачи точного расчёта химических реакций за разумное время и заменить дорогостоящие прямые эксперименты на более дешёвые вычисления. Более того, одна из проблем квантовых компьютеров — разрушающее действие окружающей среды, не позволяющее подолгу сохранять квантовую суперпозицию, — в квантовых симуляторах может быть использовано для пользы дела. Ведь реальные квантовые системы тоже находятся в окружении других тел, которые точно так же разрушают квантовые эффекты в них. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора.
Применение квантовых симуляторов Сейчас уже созданы первые, самые простые квантовые симуляторы. Так, в 2010 году группа экспериментаторов из Квинслендского университета в Австралии и Гарвардского университета в США сообщила, что им удалось рассчитать свойства самой простой молекулы — молекулы водорода — с достаточной для химиков точностью при помощи квантового симулятора, кубиты которого были основаны на «частицах» света — фотонах. Молекула водорода пока остаётся основным объектом, который исследуют на квантовых симуляторах, но сами симуляторы при этом с каждым годом улучшаются. Работа ведётся в нескольких направлениях.
Во-первых, учёные пробуют разные реализации квантовых симуляторов. В качестве кубитов могут быть использованы охлаждённые до сверхнизких температур атомы, отдельные электроны или ядра некоторых атомов, сверхпроводящие кольца или, как в работе 2010 года, фотоны. Каждая из этих реализаций имеет свои особенности. Например, системы на охлаждённых атомах требуют больших и относительно дорогих установок, хотя и удобны с точки зрения управления состоянием кубитов.
Системы на основе ядер, управляемых при помощи эффекта ядерного магнитного резонанса, относительно просты, но, наоборот, не обладают достаточной гибкостью управления. Этой проблемы лишены системы, основанные на электронах, пойманных в так называемые квантовые ямы в полупроводниках. Именно они являются сейчас одним из наиболее перспективных направлений с точки зрения технологичности и дешевизны производства. В некоторых приложениях более удобны системы на основе сверхпроводящих колец, которые, однако, имеют относительно большой размер, и поэтому вряд ли удастся создать их с большим количеством кубитов.
Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт. И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить.
Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом IBM , объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов.
Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности. Существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул. Российский исследователь М. Фейгельман, работающий в Институте теоретической физики им.
Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводни ковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце - по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника.
Состояния 0 и 1 - положения электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупровод ника. Состояния 0 и 1 - направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.
Таким образом, исследования активно ведутся и можно предположить, что в самом недалеком будущем - лет через десять - эффективный квантовый компьютер будет создан. Вероятно, большой масштабируемый компьютер будет содержать тысячи управляющих элементов, действующих локально на каждый кубит. Каким образом могло бы осуществляться это воздействие? Скорее всего, с помощью электрических импульсов, подаваемых на микроэлектроды, подведенные к кубитам. Возможно также оптическое управление пучками света, сфокусированными на кубитах.
Однако в этом случае трудно избежать паразитного воздействия на соседние кубиты дифракционных краев сфокусированного пучка. Что касается электрических методов, то они уже давно и широко применяются в микроэлектронике для управления классичес кими логическими элементами. Поэтому их использование представляется наиболее перспективным и для создания масштабируемых квантовых компьютеров. Возможно, конечно, что в результате какого-нибудь технологического прорыва появится еще и третий вариант. Однако революционные открытия трудно поддаются прогнозу.
Таким образом, весьма возможно, что в перспективе квантовые компьютеры будут изготавливаться с использованием традиционных методов микроэлектронной технологии и содержать множество управляющих электродов, напоминая современный микропроцессор. Для того чтобы снизить уровень шумов, критически важный для нормальной работы квантового компьютера, первые модели, по всей видимости, придется охлаждать жидким гелием. Вероятно, первые квантовые компьютеры будут громоздкими и дорогими устройствами, не умещающимися на письменном столе и обслуживаемыми большим штатом системных программистов и наладчиков оборудования в белых халатах. Доступ к ним получат сначала лишь государственные структуры, затем богатые коммерческие организации. Но примерно так же начиналась и эра обычных компьютеров.
А что же станет с классическими компью-терами? Отомрут ли они? Вряд ли. И для классических, и для квантовых компьютеров найдутся свои сферы применения. Хотя, по всей видимости, соотношение на рынке будет все же постепенно смещаться в сторону последних.
Внедрение квантовых компьютеров не приведет к решению принципиально нерешаемых классических задач, а лишь ускорит некоторые вычисления.