Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Вариационный алгоритм сочетает использование квантового вычислителя для ускоренного расчёта некоторой целевой функции с использованием классического оптимизатора. Можно сказать, что прямая реализация принципа, высказанного Ричардом Фейнманом: для расчёта состояний квантово-механической системы используется квантовый вычислитель. В зависимости от того, какая квантовая схема используется, оптимизируемая целевая функция может решать задачи квантовой химии, оптимизации или даже криптоанализа [15, 16]. Интереснее всего то, что неизвестны точные асимптотики эффективности квантовых вариационных алгоритмов. В отдельных случаях они способны демонстрировать результаты, превосходящие и классический оптимизатор, и даже квантовый алгоритм Гровера. В совокупности со сравнительно низкими требованиями по числу кубитов вариационные алгоритмы можно оценить как потенциально одну из самых близких к практическому внедрению технологию из области квантовых вычислений. Сверхпроводники Долгое время квантовые компьютеры на основе сверхпроводящих кубитов удерживали рекорд по доступному объёму вычислительного регистра. Именно на машине такой архитектуры было продемонстрировано практическое квантовое превосходство [1].
В основе физической реализации данного типа кубитов лежит квантование уровней энергии электрического колебательного контура в условиях сверхпроводимости. Такой подход обеспечивает достаточно высокую степень точности исполнения операций, однако поддержание вычислителя в сверхпроводящем состоянии требует создания криогенных температур в значительном объёме. Это, в свою очередь, ведёт к существенной чувствительности вычислителей данного типа к внешнему воздействию, а также создаёт дополнительные препятствия для масштабирования. Тем не менее, достижением 2022 года является представленный компанией IBM вычислитель Osprey с 433 сверхпроводящими кубитами [17]. Если представленный годом ранее Eagle, обладающий 127 кубитами, теоретически позволял промоделировать отдельные элементы атаки S-AES с простейшей коррекцией ошибок, например, с девятикубитным кодом Шора, то в регистре Osprey можно проводить эксперименты со значительно более сложными и совершенными кодами коррекции. В контексте этого вызывает интерес исследование методов подавления ошибки на уровне логических кубитов. Точная оценка перспектив этих подходов требует более подробных экспериментальных данных, однако, можно утверждать, что IBM пока достаточно успешно поддерживают тренд роста числа кубитов сверхпроводниковых вычислителей.
Озвученным прогнозом специалистов IBM стало получение компьютера с 4000 кубитов к 2025 году. И, несмотря на всю кажущуюся амбициозность данного заявления, фундаментальных ограничений, которые могли бы препятствовать достижению заявленных параметров, нет. Если специалисты IBM справятся с подавлением шумов и поддержанием когерентности для регистра с таким количеством кубитов — они смогут выполнить обещание. Холодные атомы Вычислители на основе холодных атомов не требуют криогенного охлаждения кубитов. Теоретически, за счёт возможности наращивания числа оптических ловушек, удерживающих атомы, и большей устойчивости к шумам, вычислители данного типа обладают несколько большим потенциалом масштабирования, по сравнению с квантовыми компьютерами на основе сверхпроводящих цепей. В то же время возникающие при работе с атомными кубитами ошибки в значительной мере поддаются контролю за счёт методов подавления. Это было продемонстрировано в 2021 году с представлением программируемого атомного симулятора на 256 кубитов [18].
По количеству кубитов для архитектуры на основе холодных атомов рекорд прошлого года — 256 кубитов на программируемом симуляторе, остаётся актуален. Однако произошел прорыв в технологии реализации двухкубитных гейтов. Поскольку атомы электрически нейтральны, они не взаимодействуют на расстоянии. Реализация двухкубитного гейта для них требует возбуждения одного из атомов в состояние с очень высокой энергией, называемое ридберговским. В таком состоянии радиус, на котором атомы могут взаимодействовать, существенно увеличивается и наблюдается эффект ридберговской блокады: если один атом уже находится в ридберговском состоянии, это приводит к смещению электронных уровней соседнего атома, что не позволяет возбудить его в ридберговское состояние при помощи характерного лазерного импульса. На основе этого эффекта может быть построен запутывающий гейт [19]. Новый подход использует ультракороткие лазерные импульсы для одновременного возбуждения атомов в ридберговские состояния за пределами режима ридберговской блокады [20].
Это даёт возможность преодолеть характерное временное ограничение и перейти от микросекундного временного масштаба к наносекундному. И, хотя рекордная точность операции пока не продемонстрирована, такой подход за счёт скорости взаимодействия атомов ведёт к значительному снижению вероятности возникновения ошибки при применении двухкубитного гейта. Новый тип запутывающих гейтов не предоставляет технологию для реализации квантовых операций с гигагерцовой частотой. Однако он позволяет преодолеть характерный временной барьер, так что вычислитель, построенный на гейтах такого типа, теоретически сможет по порядку величины приблизиться к быстродействию классических компьютеров. В совокупности со сравнительно долгим временем жизни атомного кубита данная технология в перспективе существенно повышает потенциал масштабируемости вычислителей на основе холодных атомов. Оптические кубиты Электрическая нейтральность атомов обеспечивает им меньшую чувствительность к шумам окружающей среды, но, в то же время, создаёт сложности для обеспечения взаимодействия атомов между собой. Это заставляет использовать более сложные схемы реализации двухкубитных гейтов, такие как гейты на основе ридберговской блокады.
Ещё дальше в этом направлении заходят кубиты на основе фотонов. Фотоны практически не взаимодействуют ни с окружением, ни между собой. За счёт этого они, с одной стороны, практически не подвержены влиянию шума, но, с другой, реализация запутывающего гейта для фотонных кубитов в ряде случаев связана с фундаментальными ограничениями. По этой причине до недавнего времени оптические квантовые вычислители оценивались как наиболее перспективные на временном горизонте от 10 лет. Но в 2021-2022 годах стали доступны новые технические возможности, позволяющие обойти характерные для оптической архитектуры фундаментальные ограничения. Существуют несколько способов кодирования кубита в состоянии фотона. Наиболее простые — поляризационный кубит и двухрельсовая кодировка.
Поляризационный кубит подразумевает сопоставление состояний 1 и 0 ортогональным поляризациям, например, вертикальной и горизонтальной. Двухрельсовая кодировка предлагает кодировать один кубит в паре оптических мод, сопоставленных состояниям 0 и 1, в одной из которых находится фотон. В обоих случаях из-за слабого взаимодействия фотонов реализация двухкубитного гейта требует использования нелинейной среды. Причём величина нелинейности должна на много порядков превосходить достижимые значения. Ввиду технической невозможности прямой реализации был найден альтернативный подход, названный протоколом KLM Knill, Laflamme, Milburn [21]. Он позволяет реализовывать двухкубитный запутывающий гейт с использованием только линейных элементов, однако получаемая схема имеет ограниченную вероятность успешного срабатывания. Такой подход уже является приемлемым для экспериментальных задач, и позволяет реализовывать квантовые вариационные алгоритмы с малым числом кубитов.
Однако конечная вероятность успешного срабатывания гейта ведёт к экспоненциально малой вероятности срабатывания всей схемы при её масштабировании, что недопустимо. Преодоление этого ограничения потребовало выработки ещё одного альтернативного подхода. Из характеристик квантового состояния светового пучка могут быть выделены отдельные параметры, связанные соотношением неопределённостей Гейзенберга. Связь данных параметров позволяет кодировать в них состояние кубита. В некотором смысле это подобно тому, как оно кодируется в поляризации. Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. Оказывается, что кубиты на сжатых состояниях можно телепортировать с использованием базовых оптических элементов.
А корректируя протокол телепортации, можно менять телепортируемое состояние [22].
И все это — одновременно. Но что именно расположено на поверхности сферы? Может быть, кубит имеет переменное плавающее значение? В некотором смысле это так, но трудность в том, что невозможно узнать это значение для конкретного момента времени, как это делается для обычных переменных. Если выразиться максимально простым языком, кубит похож на магический шар. Если этому шару задать вопрос, то ответом может быть единица или ноль.
Но выпадут они с разной вероятностью. Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции. Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности. Две взаимосвязанные квантовые частицы синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними миллионы световых лет. Зацепленность дает возможность собирать кубиты в «наборы». Если в наборе из двух бит можно хранить одну определенную последовательность из двух значений нулей или единиц , то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательностей из двух этих значений. А это намного больший объем информации.
Как устроен квантовый компьютер: принцип работы После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение. Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? 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.
Производить измерения над нашим квантовым компьютером. За каждым из этих явлений стоит много инженерных сложностей. Например, если измерить кубит, его состояние изменится и его нельзя клонировать. Или шумы, электромагнитные волны, частицы плохо влияют на систему, поэтому большинство платформ охлаждают всю систему до низких температур, чтобы минимизировать влияние шумов и пыли. Но и работать в криогенике намного сложнее. Все это усложняет создание квантовых компьютеров, поэтому сейчас максимально есть около 130 кубитов. Например, IBM выпустил 128-кубитную систему.
За каждым этапом разработки квантового компьютера стоит много инженерных сложностей Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чем разница? Чтобы достичь нужного уровня, — делают логические кубиты, то есть из большого количества физических кубитов делают один логический кубит, программируют на него протоколы коррекции ошибок, алгоритм и получается, что это один кубит с высоким показателем точности. Поэтому, если вернуться к физическим кубитам, на которых и должен делаться квантовый компьютер, — индустрия находится на раннем этапе, примерно на уровне десяти логических кубитов. В ближайшие годы ожидаем, что будет достижим уровень в сто логических кубитов. Это уже позволит делать интересные вещи — оптимизация маршрутов, клинические тесты, синтетическое создание клинических данных, проксимация квантовых симуляций, оптимизация финансовых портфелей. Для сравнения: чтобы взломать алгоритмы RSA, нужна примерно тысяча логических кубитов.
Тут нужно сделать небольшое отступление и сказать, что сегодня в квантовых вычислениях есть еще один подряд сложностей — пока не придумана квантовая память. Поэтому в ближайшие 10 лет квантовые вычисления будут работать в связке с классическими компьютерами. Стратегическая долгосрочная задача — создание универсального квантового компьютера. Для этого нужно более 10 000 логических кубитов, надежное управление многокубитными гейтами, квантовая память. Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому ученые делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют. Моделирование сильно ограничено размерами молекулярных систем и параметрами точности.
Из-за этого создание нового лекарства занимает лет десять. А квантовый компьютер, который способен смоделировать квантовую механическую систему, радикально ускорит процесс. Или фолдинг белка сейчас пытаются сделать рентгеновскими лучами, хитрыми магнитными резонансами. А если будет квантовый компьютер, он сможет смоделировать эту систему, и мы упростим себе жизнь в создании лекарств. Еще ускорится разработка новых материалов для космических полетов, двигателей, сверхпроводящих систем. Сделать лучше не получается, потому что мы пока плохо моделируем. За одно интервью невозможно даже перечислить все те применения квантовых компьютеров, которые можно придумать.
Даже если он просто сможет ускорить считанное количество процессов важных операций типа преобразования Фурье — это уже будет серьезным прогрессом.
Однако такие времена слишком малы для когерентности кубита. По этой причине исследователи заместили атомы теллура на атомы брома, «открыв» для электронов дополнительные уровни вблизи нижнего края запрещенной зоны. В этом случае возникало связанное состояние электронов и долин, и проекция спина на этих уровнях сохранялась в течение нескольких наносекунд, что достаточно для создания кубита. Для изучения столь тонких эффектов ученые использовали несколько высокоточных приборов. Сначала они получили электронную структуру примеси брома с помощью электронного парамагнитного резонанса — расщепления энергетических уровней во внешнем магнитном поле — и оценили по этим данным время когерентности спинового состояния.
Оно составило порядка 5 наносекунд при температурах ниже —258 градусов Цельсия 15 кельвинов. Затем применили сканирующий туннельный микроскоп — устройство, определяющее рельеф поверхности с точностью до атома. На иглу микроскопа подавалось напряжение, и электроны с поверхности туннелировали на иглу, создавая ток. По изменению значения тока физики получали пространственную локализацию электронов и их энергию. Эти измерения подтвердили, что состояния электронов брома локализуются вблизи долин, а их энергия меняется. Именно связь долин и примеси обеспечивала длительное время когерентности.
Физики предполагают, что его можно увеличить, если взять однослойный кристалл дихалькогенида. Аналогичные экспериментальным данным исследователи получили с помощью компьютерного моделирования. Таким образом, ученые показали возможность использования реальных атомов в качестве кубитов и теоретически объяснили длительное время когерентности, построив электронную структуру материала. Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом аля-кубит. Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние.
Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное. И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси. Духова , Института физики металлов им. Михеева Екатеринбург , Института физики ионных пучков и исследования материалов Германия и Университета Аалто Финляндия. Российские ученые повысили производительность квантовых процессоров с помощью кудитов Ученые НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили подход к реализации квантовых алгоритмов с использованием дополнительных уровней квантовой системы, который позволил на порядок повысить итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов.
Российские ученые знают, как сделать квантовый процессор мощнее По словам ученых, основной способ повышения производительности квантовых процессоров — увеличение числа их кубитов — наименьшей единицы информации в квантовом компьютере. Однако ионы или атомы, которые часто выступают в роли кубитов, имеют больше двух уровней и могут работать не только как кубиты, но и как кудиты, которые являются расширенной версией кубита и могут находиться в трех кутриты , четырех кукварты , пяти куквинты и более состояниях. Дополнительные состояния позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях, что, в свою очередь, дает возможность реализовывать все более сложные и комплексные квантовые алгоритмы. Таким образом возрастает мощность квантового процессора , и операции могут производиться значительно быстрее, пояснили исследователи. По состоянию на апрель 2023 года, большая часть исследований, посвященных квантовым операциям, сосредоточена на кубитах — все операции, которые применяются к квантовой системе, представляются в виде одно- и двухкубитных квантовых вентилей, преобразующих входные состояния кубитов в выходные по определенному закону. Для работы с кудитами важно найти новые подходы с математической точки зрения.
Ученые Университета МИСиС и Российского квантового центра рассмотрели один из способов использования куквинтов — 5-уровневых кудитов — и представили модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли. В качестве примера рассмотрен квантовый алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. Известно, что, используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
| Что такое кубит? | Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. |
| Кубит — Википедия с видео // WIKI 2 | К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. |
Как он работает?
- Подписка на дайджест
- Как работают квантовые компьютеры
- Публикации
- Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
- От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание
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.
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. 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.
Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению. Медиаконтент иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы может быть использован только с разрешения правообладателей.
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. Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно. Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд.
То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями. А чем эти кубиты отличаются от того, который есть у вас? Если не вдаваться в подробности, то это тоже кольца, но в них встроены не только джозефсоновские переходы, но и более сложные элементы.
Миллион задач в секунду: как работают квантовые компьютеры
| Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер | Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. |
| В погоне за миллионом кубитов | 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. |
В погоне за миллионом кубитов
| Что такое квантовые вычисления – как они изменят интернет | Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. |
| Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения | В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия). |
| Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты? | Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. |
Что такое квантовый компьютер и как он работает
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.
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.
Принцип работы таких транзисторов достаточно прост — в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг — если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо — будет 01110.
И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций. Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много — мы теряем на эти вычисления время. Принцип работы квантовых компьютеров Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения: Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.
Понятнее явно не стало. Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.
Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор?
Цепочка таких битов и инструкций что с ними делать даёт нам Машину Тьюринга. Так появились компьютеры. В них мы тоже принимаем за 0 или 1 какое-то их свойство, которое можем писать и читать, и так же можем делать их из разных материалов — просто теперь вместо механических реле мы используем частицы. В чём же разница?
Кубит можно еще и подбросить как монетку! Перевести в суперпозицию, из которой он будет выпадать 0 орлом или 1 решкой с чёткой и нужной нам вероятностью. Это открывает нам третье весёлое состояние, ради которого мы тут и собрались вообще. Любое чтение кубита уничтожит нашу суперпозицию.
Циферблатики со стрелочками — это стандартная форма записи, привыкайте. До чтения же у нас есть четкая вероятность того и другого исхода. Мы не можем предсказать результат, но вероятности вот они, пожалуйста. Мы можем спокойно нарисовать вероятности нашего кубита на картинке.
Они не изменятся без нашего вмешательства. Думаю, после моего хейта в сторону Кота, вы понимаете почему мне не нравится это слово. Оно отвратительно бесполезно! Щас еще параллельные миры плодить будем, ну уж нет.
Главная фишка такого кубита-монетки именно в том, что мы МОЖЕМ влиять на вращение этой монетки пока она в воздухе, влияя тем самым на вероятность выпадения орла или решки в конце. Правда графики выше получаются не очень красиво, потому мы придумали рисовать такие вот циферблатики, где мы двигаем стрелочку как хотим, а в конце она схлопнется вверх или вниз. Никакой магии, просто вероятность. Мы можем направить на нашу монетку магнит, чтобы замедлить её вращение, инвертировать её в другую сторону или вообще заморозить, чтобы орёл был строго вверх.
В классических битах мы могли в любое время записать в него 0 или 1, а в кубитах мы можем записать в него вероятность быть 0 или 1 в конечном счёте. Мы имеем право сколько угодно шалить с вероятностями внутри кубита, но когда мы читаем его значение — он всегда схлопывается в 0 или 1 с заданной вероятностью, превращаясь по сути в обычный бит. Это легально, однако обычный бит справится с этим лучше и быстрее, а всё квантовое веселье таится именно между состояниями 1 и 0. Всё это не очень полезно пока у нас только один кубит, но когда мы возьмем их несколько, мы сможем завязать их вероятности друг на друга так, чтобы система выдавала нам один из результатов с большей суммарной вероятностью, чем все другие.
Самые смекалистые уже догадались что мы тут хотим: хитро завязать все вероятности, чтобы этот «самый вероятный» результат и был нашим правильным ответом. Но об этом мы еще поговорим в разделе про сам квантовый компьютер, терпения. Как только мы «читаем» кубит, он всегда схлопывается в 0 или 1 как та монетка, которая в итоге выпадает только орлом или решкой. Кубит после этого уничтожается, потому чтение логичнее делать в самом конце.
Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Даже если мы специально изменим один кубит — второй изменится на ту же величину, только наоборот. Нарастающее стрёмное ощущение, что всё вокруг волна — даже небо, даже кубит. Появляющиеся сомнения в объективности наблюдаемой реальности и своей роли в этом мире.
Чтобы собрать классический цифровой компьютер в домашних условиях, мы берём ленту, кладём на неё некую последовательность битов, двигаем эту ленту туда-сюда и выполняем записанные отдельно на листочке операции над ними. Так получается алгоритм. Машина Тьюринга. Такой вот фигней, только на более высоком уровне, занимаются все программисты.
В квантовом компьютере у нас такая же лента, только теперь мы кладём на неё кубиты. Список операций тоже остался, но сами операции чуть изменились. Решительно очевидно, что мы имеем полное право писать и читать наши кубиты как обычные биты. 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.
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!
Столько параллельных миров! Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы.
Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.
Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз! Квантовые компьютеры сегодня Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера?
Как он работает?
- Что такое квантовый компьютер? Разбор |
- В погоне за миллионом кубитов
- Онлайн-курсы
- Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
Еще можно вспомнить популярного кота Шредингера: мы никогда не знаем, жив кот или нет, пока не заглянем в коробку. Выходит, что кот находится в суперпозиции, как и кубиты. Что такое кубит? Схема очень упрощенная, но именно так и получают кубиты. Сложность удержания системы растет вместе с числом кубитов.
Зачем он нужен нам? Попытки уменьшать размеры транзисторов и дальше сталкиваются с физическими ограничениями. Да и скорость передачи данных в них быстрее скорости света не сделать. Ужимать скоро будет некуда, значит пора искать другие пути решения.
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. С помощью квантовых вычислений можно использовать запутанные кубиты для создания суперпозиции всех конфигураций складывания, что дает возможность одновременно проверять все возможные ответы и более эффективно решать проблему. Результаты работы были опубликованы в Nature.
Нередко для объяснения запутанности приводится пример с новой парой носков, когда один, надетый на левую ногу и ставший левым, автоматически превращает свою пару в правый, как бы далеко тот ни находился, причем происходит это моментально. Как сравнивать Многие мировые корпорации громко заявляют о прорывах в создании КК. Одни говорят о рекордном числе кубитов, другие — о рекорде связанных кубитов, третьи — о рекордной когерентности. Что скрывается за этими рекордами и почему оценивать мощность КК стоит по квантовому объему? Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности.
Чем больше число кубитов, тем больше возможностей для решения сложных задач. Если в обычной системе вычислительная мощность растет квадратично, то есть n2, то в квантовой — экспоненциально 2n n — в данном случае число битов, или кубитов. При этом важно, сколько времени кубиты могут проводить операции без потери информации. Это время называется когерентностью. Если поделить время двухкубитной операции на когерентность, то получится количество операций, которые можно совершить за цикл жизни кубита. Соответственно, чем больше операций, тем лучше. Однако, в отличие от классических компьютеров, для КК очень важным параметром является достоверность полученных результатов, потому что его физические свойства подразумевают вероятностный характер вычислений: результат правильный с некоторой вероятностью. Если точность операций низкая, то прирост вычислительной мощности за счет увеличения числа кубитов будет незначительным.
У каждого типа КК свои преимущества и недостатки. Например, КК на ионах обладает очень высокой точностью и когерентностью, но скорость операций и число кубитов пока невелики. КК на сверхпроводниках имеет самое большое число кубитов на сегодня, но из-за особенностей технологии их точность, как правило, невысокая. Соответственно, некорректно называть их самыми мощными. Для сравнения разных типов КК между собой был предложен квантовый объем. Если говорить упрощенно, он отражает реальную вычислительную «мощность» квантового компьютера. Где сейчас и как ускориться В России сейчас активно разрабатываются все основные типы квантовых компьютеров: на ионах, атомах, оптических интегральных схемах и на сверхпроводниках. Самый мощный КК в стране построен на ионах и насчитывает 16 кубитов.
Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. Но как обстоят дела на самом деле и когда нам ждать технологического скачка. Что такое квантовый компьютер До сих пор мы полагались на суперкомпьютеры для решения большинства сложных проблем. Это очень большие классические компьютеры, часто с тысячами классических ядер. Однако суперкомпьютеры не очень хороши для решения некоторых типов задач, которые на первый взгляд кажутся простыми. Вот почему нам нужны квантовые компьютеры. Представьте, что вы хотите усадить 10 человек за 1 стол, где есть только один оптимальный план рассадки из всех возможных комбинаций. Сколько различных комбинаций вам нужно изучить, чтобы найти оптимальную? Для размещения 2 человек потребуется 2 варианта комбинаций.
При размещении 10 человек за одним столом понадобится составить 3 628 800 комбинаций. Всего 10 человек и один стол создают более 3 млн комбинаций, а представьте количество комбинаций при больших значениях, 100 человек 1000 или 10 000 человек, такие вычисления уже не под силу классическим компьютерам. Суперкомпьютерам приходится анализировать каждую комбинацию одну за другой, что может занять много времени. На некоторые вычисления могут уйти миллиарды лет. И тут на помощь приходит квантовые компьютеры, способные значительно сократить время сложных вычислений. Неделя работы суперкомпьютера соответствует 1 секунде существующих квантовых компьютеров. Принципы работы квантового компьютера Работа квантовых компьютеров основана на двух принципах квантовой механики: спутанность и принцип суперпозиции. Классические компьютеры работают в двоичной системе 1 или 0 бит , комбинации и последовательности 1 и 0 несут определенные данный. Процессор может передавать либо 1 либо 0.
Принцип суперпозиции позволяет элементам процессора находится одновременно в 2 состояниях и 1 и 0. Как монетка подброшенная вверх, пока не упала одновременно может быть и орлом и решкой. Бит который может находится в состоянии 1 и 0 одновременно называется кубитом. Чем больше кубитов тем больше одновременных вычислений можно проводить. Сейчас ведутся разработки по созданию компьютера на основе фотонов света с характеристиками в 1 000 000 кубит. Все эти свойства квантового компьютера позволяют одновременно анализировать миллионы различных вариантов и комбинаций. В примере со столами квантовый компьютер за секунды найдет оптимальный вариант рассадки.
Как работают квантовые компьютеры
- Мир квантов: как люди могут воспользоваться их открытием — 05.10.2023 — Статьи на РЕН ТВ
- Что такое квантовое превосходство
- Принцип работы квантового процессора в общих чертах
- Что такое квантовый компьютер
Кульбит кубита. Новейший сверхкомпьютер может победить рак или погубить мир
Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Эта машина способна проводить очень сложные и длительные вычисления за счет встроенной в кубиты системы коррекции ошибок. Чтобы сделать кубиты, отдельные электроны помещают в линейный массив из шести «квантовых точек», отстоящих друг от друга на 90 нанометров.
Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления
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. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Начнем с понятия кубита и его отличий от бита классических компьютеров. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. 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. Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры.