Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат.
Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
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. Мы также измерили частоту перехода между этими уровнями под действием микроволновых фотонов, которая зависела от внешнего магнитного поля, то есть померили спектр нашего квантового устройства. Вообще, когда мы измеряем кубит при помощи изменяющейся индуктивности, мы фактически меряем вероятность пребывания кубита в возбужденном состоянии состояния с энергией выше минимальной. Поскольку кубит связан со всей окружающей средой, он живет там не бесконечно. Сколько живет ваш кубит? Это не так много по современным достижениям.
Но еще несколько лет назад характерные времена были наносекунды, то есть за 13 лет произошел прогресс примерно в миллион раз. Кубиты, которые мы здесь мерили, соответствуют среднему уровню на настоящий момент. Фактически мы просто научились мерить эти кубиты, и теперь мы планируем начать их производить здесь, в России. У нас будет инструмент для того, чтобы можно было делать с ними измерения. Мерить время когерентности, производить квантовые манипуляции, то есть делать квантовые преобразования, которые соответствуют логическим операциям. И как скоро можно ждать первых функционирующих операций?
Дело в том, что такие логические гейты, то есть схемы, реализующие простейшие логические алгоритмы на сверхпроводящих схемах, уже продемонстрированы как минимум в трех крупных университетах: это Йель, Университет Санта-Барбары в Калифорнии и группа моего бывшего аспиранта, ныне профессора Андреаса Вальрафа Andreas Wallraff в Цюрихе. Я не говорю еще о том, что, например, компания D-wave уже создала 100-битный квантовый компьютер на принципе квантовой релаксации это когда система релаксирует состояние с минимальной энергией. Подобные компьютеры позволяют вычислять состояния определенного класса систем и решать задачи, скажем, нахождения объекта среди многих других одинаковых объектов. Поэтому у нас есть идеи делать что-то такое, что позволит привнести совершенно новый элемент, может быть, позволит в чем-то обойти основную группу команд, которые работают с кубитами. Я просто скажу, почему это имеет отношение к кубитам. В первом спины ориентированы одинаково, а в сверхпроводнике они объединены в пары в куперовских парах спины электронов противоположно направлены.
Поэтому на первый взгляд при прохождении через ферромагнетик пары должны распадаться, но если слой ферромагного материала достаточно тонкий, этого не происходит. При этом, однако, при правильном подборе материала происходит сдвиг фаз волновых функций на значение числа пи отсюда и название. На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях. Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками.
Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе.
Компьютер смоделировал молекулу гидрида лития за минуту, на что обычному компьютеру понадобилось бы гораздо больше времени. На сегодня это самый мощный квантовый компьютер в стране. Подпишитесь , чтобы быть в курсе. Компьютер разработала команда ученых из Российского квантового центра и физического института им.
Лебедева РАН при координации госкорпорации «Росатом». Это часть реализации дорожной карты по квантовым вычислениям.
Зачем нужен квантовый компьютер? До недавних пор все компьютеры на планете, от больших ЭВМ 1960-х до вашего айфона или таких, на первый взгляд, экзотических изобретений, как нейроморфные компьютеры или ДНК-компьютеры, работали по одним и тем же принципам. Их сформулировал Чарльз Бэббидж в 1830-е годы и систематизировал Алан Тьюринг в 1930-е.
В ходе компьютерной революции менялись только количественные показатели: увеличивались скорость, объем оперативной и физической памяти, количество процессоров. Но квантовые вычисления — это нечто совершенно иное. Это первая компьютерная модель со времен Тьюринга, которая изменит принципиальные основы вычислительных алгоритмов, позволяя выполнять невероятно сложные для традиционных компьютеров задачи. Самые ожидаемые результаты квантовых вычислений — это возможность симулировать процессы химии и квантовой физики, а также разрушить большую часть систем шифрования, которые сейчас обеспечивают защиту данных в интернете. Демонстрация компанией Google способностей квантового компьютера стала критической вехой компьютерной революции.
Квантовый компьютер: кубиты вместо битов В лаборатории Санта-Барбары Калифорния команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор». Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине , которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми. Такая температура необходима, чтобы на мгновение точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты qubits, от quantum bits. Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно.
Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить. Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера. Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность фотоны и электроны , подчиняются совершенно иным законам вероятности. Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет.
Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире. Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1. Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам.
Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0.
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. Грустная цифра. Руслан Юнусов: Год назад, когда у нас было 4 кубита, а у них сотни, я бы признал, что мы сильно отстаем. Сейчас ситуация кардинально иная. Важно, что мы не только достигли 16 кубитов, главное - есть четкое понимание, как к концу 2024 года выйти на сотню, а затем и на тысячи кубитов. А также достичь квантового превосходства.
На самом деле число кубитов - не самоцель. Как я уже говорил, надо иметь не просто много кубитов, а много хороших кубитов. Например, ионный процессор одного из наших зарубежных коллег всего на 20-30 кубитах бьет системы с сотнями кубитов. И мы знаем, как из наших 16 сделать такую же точную систему.
Что такое квантовые вычисления?
В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера. Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу. Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе. Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко. Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях вакуум, охлаждение до сверхнизких температур , разрушаются за доли секунды.
Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц. Нетривиальная задача, не правда ли? Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты. В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем например QCL, Quantum computing language , но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений.
Ганновер, Германия Применение квантовых компьютеров В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый из многих квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители. Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное в несколько сотен цифр число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача. Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации. Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды. Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно. Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера. Возможности квантового взлома систем шифрования в том числе в военной сфере сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы.
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. Этот эффект называется декогеренцией. Физика вообще интересная штука. Она способна открыть нам потрясающие горизонты Для некоторых экспертов декогеренция — это проблема, сдерживающая квантовые вычисления. Даже при всех соблюденных мерах шум может просочиться в расчеты. Ученые могут хранить квантовую информацию до тех пор, пока она не потеряет свою целостность под влиянием декогеренции, что ограничивает число вычислений, которые можно производить подряд. Деликатная природа квантовых вычислений также является причиной того, что слепое добавление кубитов в систему не обязательно сделает ее мощнее.
Сравнивать скорость работы Frontier со скоростью работы вашего ноутбука, это как сравнивать скорость улитки и сверхзвукового истребителя", — отметил профессор машиностроения и физики Массачусетского технологического института Сет Ллойд. А все потому, что в основе японского чуда — не обычные процессоры, а квантовые. 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.
Это первая компьютерная модель со времен Тьюринга, которая изменит принципиальные основы вычислительных алгоритмов, позволяя выполнять невероятно сложные для традиционных компьютеров задачи. Самые ожидаемые результаты квантовых вычислений — это возможность симулировать процессы химии и квантовой физики, а также разрушить большую часть систем шифрования, которые сейчас обеспечивают защиту данных в интернете. Демонстрация компанией Google способностей квантового компьютера стала критической вехой компьютерной революции. Квантовый компьютер: кубиты вместо битов В лаборатории Санта-Барбары Калифорния команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор». Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине , которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми. Такая температура необходима, чтобы на мгновение точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты qubits, от quantum bits. Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно. Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить. Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера. Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность фотоны и электроны , подчиняются совершенно иным законам вероятности. Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет. Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире. Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1. Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам. Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Что происходит, если у вас не один кубит, а тысяча, и все они взаимодействуют друг с другом в результате чего получается то самое состояние квантовой «запутанности»? Законы квантовой механики действуют непреклонно — придется просчитывать все возможные значения всех тысяч бит. Это 2 в тысячной степени — больше, чем количество атомов в наблюдаемой Вселенной! Если у вас 53 кубита, как в «Сикоморе» от Google, то получится 2 в степени 53, или около 9 квадриллионов значений.
Квантовые компьютеры: путь от фантастики до реальности и их влияние на науку и бизнес
Как видите, никакой магии пока нет, законы физики мы не нарушали, на митинг не выходили. Мы упаковываем одну из наших новых прикольных крутящихся монеток в коробку и отправляем её своему знакомому в другой город. А еще лучше на другую планету или в соседнюю галактику. Теперь мы оба имеем по монетке, но понятия не имеем орел нам достался или решка. Кажется, пришло время посмотреть. Звучит тупо, да? Вот только Эйнштейн не был доволен такой фигнёй. Монетки находились далеко друг от друга, так? 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.
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.
Уже сегодня на масштабе города решить все оптимизационные задачи, например, связанные с оптимизацией пробок, трафика до оптимального расписания общественного транспорта. Мы банально будем меньше тратить времени на какие-то вещи, быстрее добираться до работы». Что же предлагают создатели компьютеров будущего? В привычном для нас процессоре информация представлена в виде последовательности нулей и единиц, так называемых битов. Физически это контакты транзисторов. Так называемом кубите. Это значит, что он может быть немножечко 0, но в основном единицей. В основном 1 и немножечко 0. Это дает нам большие возможности, мы можем закодировать больше информации в меньшем объеме». В качестве примера можно привести человека. В случае обычного компьютера он может находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс.
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. Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, в «большом» мире. Единицей информации, как мы выяснили, в квантовом компьютере является квантовый бит, или кубит, одно из свойств которого — суперпозиция, то есть комбинация всех возможных состояний. Представьте, что нужно открыть N дверей. Обычный компьютер будет открывать их по очереди, квантовый может открыть все сразу. Парадокс кошки Шредингера да, именно кошки — тоже пример суперпозиции, ведь она по условию и живая, и мертвая одновременно. Чтобы понять принцип было проще, компания Microsoft предлагает думать о монетке: если классические биты измеряются подбрасыванием и принимают значение либо орел 0 , либо решка 1 , кубиты могут зафиксировать все возможные варианты положений монеты, включая орла, решку и любые промежуточные состояния.
Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления
Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации. Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды. Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
Деликатная природа квантовых вычислений также является причиной того, что слепое добавление кубитов в систему не обязательно сделает ее мощнее. Отказоустойчивость тщательно исследуется в области квантовых вычислений: по логике, добавление кубитов может компенсировать некоторые проблемы, но для создания единого, надежного кубита для переноса данных потребутся миллионы корректирующих ошибки кубитов. А у нас их сегодня не больше 128. Возможно помогут умные алгоритмы, которые также разрабатываются. Имитация квантового с помощью квантовых компьютеров Поскольку большие данные сейчас горячая тема, можно было бы ожидать, что квантовые компьютеры будут лучше обрабатывать крупные наборы данных, чем классические. Но это не так.
Вместо этого, квантовые компьютеры будут особенно хороши в моделировании природы. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для более эффективного построения молекул лекарств, потому что они в основном работают на той же основе, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать. Вычисление квантового состояния молекулы — невероятно сложная задача, которая почти непосильна нашим компьютерам, но квантовые компьютеры справятся с ней на ура. Точно так же квантовые вычисления могут перевернуть область материаловедения или передачи информации. Благодаря запутанности, кубиты, физические разделенные большим расстоянием, могут создать канал для передачи информации, который с научной точки зрения будет безопаснее наших существующих каналов.
Квантовый интернет вполне осуществим. Но самое интересное вот что: мы даже не знаем всего разнообразия удивительных вопросов , которые могут попытаться решить квантовые компьютеры. Просто имея коммерческий квантовый компьютер и позволяя людям с ним работать, мы могли бы наметить новые интересные области, подходящие для этой потрясающей новой технологии.
Это как микроволновая печь против обычной духовки — разные технологии с разными целями. Но мы еще не достигли цели. На данный момент одна компания заявила, что ее квантовый компьютер может выполнять определенные вычисления быстрее, чем самые быстрые классические суперкомпьютеры. До ученых, регулярно использующих квантовые компьютеры для ответа на научные вопросы, еще далеко. Чтобы использовать квантовые компьютеры в больших масштабах, нам необходимо улучшить технологию, лежащую в их основе — кубиты.
Кубиты — это квантовая версия самой основной формы информации обычных компьютеров, битов. Что особенного в кубитах? В атомном масштабе физика становится очень странной. Электроны, атомы и другие квантовые частицы взаимодействуют друг с другом иначе, чем обычные объекты. В определенных материалах мы можем использовать это странное поведение. Некоторые из этих свойств — особенно суперпозиция и запутанность — могут быть чрезвычайно полезны в вычислительной технике. Принцип суперпозиции заключается в том, что кубит может находиться в нескольких состояниях одновременно. С традиционными битами у вас есть только два варианта: 1 или 0.
Эти двоичные числа описывают всю информацию на любом компьютере. Кубиты сложнее. Представьте себе кастрюлю с водой. Когда у вас есть вода в кастрюле с крышкой, вы не знаете, кипит она или нет. Обычно вода либо кипит, либо нет — точка зрения не меняет ее состояния. Но если бы горшок находился в квантовой сфере, вода представляющая квантовую частицу могла одновременно кипеть и не кипеть, или любая линейная суперпозиция этих двух состояний могла бы быть справедливой. Если бы вы сняли крышку с этой квантовой кастрюли, вода сразу же перешла бы в то или иное состояние. Измерение переводит квантовую частицу или воду в определенное наблюдаемое состояние.
Запутанность — это когда кубиты связаны друг с другом, не позволяя им действовать независимо. Это происходит, когда квантовая частица имеет состояние например, спин или электрический заряд , которое связано с состоянием другой квантовой частицы. Эта взаимосвязь сохраняется даже тогда, когда частицы физически находятся далеко друг от друга, даже далеко за пределами атомных расстояний. Эти свойства позволяют квантовым компьютерам обрабатывать больше информации, чем обычные биты, которые могут находиться только в одном состоянии и действуют независимо друг от друга. Но чтобы получить любое из этих замечательных свойств, вам нужно хорошо контролировать электроны материала или другие квантовые частицы. В некотором смысле это не так уж отличается от обычных компьютеров.
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. Этот эффект называется декогеренцией. Физика вообще интересная штука. Она способна открыть нам потрясающие горизонты Для некоторых экспертов декогеренция — это проблема, сдерживающая квантовые вычисления. Даже при всех соблюденных мерах шум может просочиться в расчеты. Ученые могут хранить квантовую информацию до тех пор, пока она не потеряет свою целостность под влиянием декогеренции, что ограничивает число вычислений, которые можно производить подряд. Деликатная природа квантовых вычислений также является причиной того, что слепое добавление кубитов в систему не обязательно сделает ее мощнее.
Стремительный рост заметно затормозился только в 2012 году. Человечество вплотную подошло к пределу, за которым работа транзистора должна учитывать атомарность вещества и квантовые эффекты. Но квантовые эффекты несут с собой не только сложности для миниатюризации транзисторов, но и совершенно необычные и неожиданные возможности. Работа любого современного вычислительного устройства основана на обработке информации. Информация в компьютерах представляется в виде набора нулей и единиц — так называемых битов. Если, например, вы хотите сложить два числа, компьютер сначала представляет каждое из них в виде уникальной последовательности нулей и единиц, а затем пропускает через специальное устройство, которое производит операцию сложения. Если вам нужно сложить два других числа, то компьютер создаёт два новых набора битов и снова пропускает их через то же устройство. Компьютеры, которые были бы способны использовать квантовые свойства вещества, могли бы работать значительно быстрее. Дело в том, что микрообъекты, например отдельные атомы, могут находиться в особом состоянии квантовой суперпозиции, не встречающемся в нашем мире больших предметов. При квантовой суперпозиции объект в некотором смысле находится сразу в двух состояниях. Иначе говоря, если бы атом вёл себя как обычный объект, то он мог бы находиться или в состоянии покоя, или в состоянии возбуждения например, немного колебаться. Но атом может находиться и в неком промежуточном состоянии, в котором он одновременно и покоится, и колеблется. Это состояние и называется квантовой суперпозицией состояний покоя и возбуждения. Если мы обозначим состояние покоя как 0, а состояние возбуждения — как 1, то атом в квантовой суперпозиции оказывается способным хранить сразу два значения вместо одного. А значит, если мы будем проводить с ним какие-то операции, то эти операции будут производиться одновременно и с нулём, и с единицей. Если же таких атомов много, то с ними можно за раз произвести столько однотипных вычислений, сколько требуется. За счёт этой особенности квантовые компьютеры должны намного эффективнее обычных справляться с задачами, в которых требуется перебор большого количества значений. Примером такой задачи является, например, взлом неизвестного кода. Это сделало бы крайне уязвимыми все существующие защиты от несанкционированного доступа.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему. Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха.
Что такое кубит?
Кубиты данной архитектуры обладают большим временем жизни и меньше подвержены сторонним воздействиям, что потенциально упрощает масштабирование. Именно данную архитектуру используют специалисты Atom Computing в новом вычислителе. Обратной стороной атомной архитектуры является сложность взаимодействия кубитов. Подобно тому, как любая классическая программа может быть представлена с использованием простейших логических элементов: И, ИЛИ, НЕ, квантовая программа составляется из набора элементарных квантовых гейтов, реализованных в вычислителе аппаратно. Однако для того, чтобы называться универсальным программируемым квантовым компьютером, вычислитель в этом наборе обязательно должен иметь многокубитный запутывающий гейт. Реализация этого гейта представляет для квантовых вычислителей главную инженерную задачу.
Двухкубитные гейты для атомов устроены гораздо сложнее однокубитных, выполняются существенно дольше, и именно их точность, так называемая величина фиделити, определяет эффективность квантового компьютера. Нетрудно в этом убедиться, ознакомившись со свежим выпуском Nature. Статьи «High-fidelity parallel entangling gates on a neutral atom quantum computer» и «High-fidelity gates and mid-circuit erasure conversion in an atomic qubit» заявляют о достижениях в этом направлении. Авторам первой удалось сконструировать 60-кубитный атомный массив, точность выполнения запутывающего гейта в котором достаточно низкая, чтобы потенциально можно было получить устойчивые к ошибкам вычисления при использовании поверхностных кодов.
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.
Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «Мы хотим добиться решения самых сложных прикладных задач, которые важны для каждого из нас с вами, которые непосильны для классических суперкомпьютеров. Уже сегодня на масштабе города решить все оптимизационные задачи, например, связанные с оптимизацией пробок, трафика до оптимального расписания общественного транспорта. Мы банально будем меньше тратить времени на какие-то вещи, быстрее добираться до работы».
Что же предлагают создатели компьютеров будущего? В привычном для нас процессоре информация представлена в виде последовательности нулей и единиц, так называемых битов. Физически это контакты транзисторов. Так называемом кубите. Это значит, что он может быть немножечко 0, но в основном единицей. В основном 1 и немножечко 0. Это дает нам большие возможности, мы можем закодировать больше информации в меньшем объеме». В качестве примера можно привести человека.
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. И стояли, и двигались, были и в прошлом, и в будущем. Возможно, если мы научимся вводить человека в состояние квантовой гибернации, это с успехом заменит анестезию при операции.
Квантовые вычисления для всех
«В области производства квантовых компьютеров всё идёт в соответствии с графиком, 20 кубитов нам обещает Росатом показать в конце этого года. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Начнем с понятия кубита и его отличий от бита классических компьютеров. — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. это элементарная единица информации в квантовых вычислениях.
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. 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. Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле.