аж 1,8 миллисекунды. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления используют законы квантовой механики для манипулирования информацией принципиально иначе, чем классические вычисления. В отличие от классических вычислений, которые используют двоичные цифры биты для представления информации либо в виде 0, либо в виде 1, квантовые вычисления используют квантовые биты кубиты для представления информации в виде комбинации состояний 0 и 1 одновременно. Зачем нам нужны квантовые компьютеры? Хотя классические компьютеры были основой современных вычислений, ограниченная вычислительная мощность не позволяет им решать конкретные сложные задачи в современном мире. Квантовые вычисления работают на другом уровне, чем классические вычисления.
Вместо того, чтобы использовать биты для представления информации, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут представлять как 0, так и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений одновременно, что делает их экспоненциально более мощными, чем классические компьютеры. Существуют определенные проблемы, которые классические компьютеры не могут решить из-за их ограниченной вычислительной мощности. Потенциал квантовых вычислений заключается в их способности применять законы квантовой механики для решения сложных задач, на решение которых классическим компьютерам могут потребоваться годы.
Эти проблемы часто сложны, с многочисленными переменными и взаимодействиями, которые затрудняют их решение с использованием классических вычислительных методов. Квантовые компьютеры могут решать сложные задачи в области криптографии, поиска лекарств и финансового моделирования. Квантовые вычисления также обладают потенциалом произвести революцию в науке и технике. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для моделирования поведения молекул на квантовом уровне, что позволило бы ученым разрабатывать новые лекарства и материалы с беспрецедентной точностью.
Всего может быть 2L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2L-1 и обозначать. Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных значений квантового регистра в отличие от классического , поскольку существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у большинства возможных значений квантового регистра за исключением базовых просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень всего богатства состояний квантового компьютера. Представьте, что на регистр осуществляется внешнее воздействие, например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены лазерные лучи.
Если это классический регистр, импульс, который можно рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных. Если же это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать до переменных. Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен обрабатывать информацию в раз быстрее по сравнению со своим классическим аналогом. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата , поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.
Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт. И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов.
Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом IBM , объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности. Существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты.
Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул. Российский исследователь М. Фейгельман, работающий в Институте теоретической физики им. Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводни ковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце - по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем.
Валиева предложила два варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника. Состояния 0 и 1 - положения электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупровод ника. Состояния 0 и 1 - направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля.
Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения. Таким образом, исследования активно ведутся и можно предположить, что в самом недалеком будущем - лет через десять - эффективный квантовый компьютер будет создан. Вероятно, большой масштабируемый компьютер будет содержать тысячи управляющих элементов, действующих локально на каждый кубит. Каким образом могло бы осуществляться это воздействие? Скорее всего, с помощью электрических импульсов, подаваемых на микроэлектроды, подведенные к кубитам. Возможно также оптическое управление пучками света, сфокусированными на кубитах.
Однако в этом случае трудно избежать паразитного воздействия на соседние кубиты дифракционных краев сфокусированного пучка. Что касается электрических методов, то они уже давно и широко применяются в микроэлектронике для управления классичес кими логическими элементами. Поэтому их использование представляется наиболее перспективным и для создания масштабируемых квантовых компьютеров. Возможно, конечно, что в результате какого-нибудь технологического прорыва появится еще и третий вариант.
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. Например, злоумышленник, обладающий квантовым компьютером, с лёгкостью смог бы получить доступ к любой банковской карте или счёту. Именно поэтому многие банки сейчас активно исследуют возможности квантовой криптографии, которая должна прийти на смену обычной криптографии и за счёт законов квантовой физики гарантирует, что в случае попытки взлома вы как минимум тут же о ней узнаете и сможете оперативно предотвратить возможный ущерб. Но, к сожалению, на данный момент существует не так много задач, для решения которых квантовые компьютеры могли бы действительно быть более эффективными, чем компьютеры обычные.
Хитрость в том, что в резонатор можно запустить избыточное количество фотонов. Чем их больше, тем меньше вероятность появления ошибки. Избыточность — это хорошо проверенный и доказанный способ снизить количество ошибок, что широко применяется в обычных вычислениях. Иными словами, перспективы у него есть, если компания начнёт быстро догонять конкурентов. Квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах Было бы заманчиво увидеть масштабное применение кубита Nord Quantique. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Для логического кубита Nord Quantique нужен всего один физический кубит или, по крайней мере, десятки, а не тысячи всех этих петелек, резонаторов, коаксиальных разъёмов и прочей мелочи, которая в масштабе представляет то, что мы видим на современных фотографиях квантовых систем: огромные хромированные люстры. По словам главного квантового архитектора IBM Маттиаса Стефана Mattias Stephan , усилия по созданию этого устройства «открыли путь к масштабированию» квантовых вычислений. Источник изображений: IBM Процессор Condor является частью долгосрочных исследований IBM по разработке крупномасштабных квантовых вычислительных систем. Хотя он располагает огромным количеством кубитов, производительность его сравнима с 433-кубитным устройством Osprey, дебютировавшим в 2022 году. Это связано с тем, что простое увеличение количества кубитов без изменения архитектуры не делает процессор быстрее или мощнее. По словам Стефана, опыт , полученный при разработке Condor и предыдущего 127-кубитного квантового процессора Eagle , проложил путь к прорыву в перестраиваемой архитектуре процессора Heron. Он был разработан с учётом модульности и масштабирования». Ранее в этом году компания IBM продемонстрировала, что квантовые процессоры могут служить практическими платформами для научных исследований и решения проблем химии, физики и материаловедения, выходящих за рамки классического моделирования квантовой механики методом грубой силы. После этой демонстрации исследователи и учёные из многочисленных организаций, включая Министерство энергетики США, Токийский университет, Q-CTRL и Кёльнский университет, использовали квантовые вычисления для решения более крупных и сложных реальных проблем, таких как открытие лекарств и разработка новых материалов. Эта система на базе трёх квантовых процессоров Heron станет основой архитектуры квантовых вычислений IBM следующего поколения. Она сочетает в себе масштабируемую криогенную инфраструктуру и классические серверы с модульной электроникой управления кубитами. В результате систему можно будет расширять в соответствии с будущими потребностями, и «апгрейдить» при появлении следующего поколения квантовых процессоров. Стремясь облегчить разработчикам и инженерам работу с квантовыми вычислениями, IBM анонсировала выход в феврале 2024 года версии 1. В дополнение к Qiskit, IBM анонсировала Qiskit Patterns — способ, позволяющий квантовым разработчикам легко создавать код и оптимизировать квантовые схемы с помощью Qiskit Runtime, а затем обрабатывать результаты. На презентации он продемонстрировал использование генеративного ИИ на базе Watson X для создания квантовых схем при помощи базовой модели Granite, обученной на данных Qiskit. Это две ключевые характеристики, которые могут привести к появлению коммерческих универсальных квантовых компьютеров. Архитектура испытана на одно- и двухкубитовых схемах, чем подтвердила свою перспективность. Источник изображения: MIT Современные квантовые вычислители компаний Google и IBM на сверхпроводящих кубитах для построения логических элементов используют так называемые трансмониевые кубиты transmon. В основе таких кубитов лежит джозефсоновский переход , работающий на одной частоте. Около десяти лет назад были предложены кубиты на двухчастотных джозефсоновских переходах. Архитектурно трансмониевые кубиты можно считать одиночками, тогда как флюксониевые кубиты задействованы группами — цепочками, в которых несколько или даже множество джозефсоновских переходов. В этих группах низкочастотные флюксониевые кубиты использовались для хранения квантовых состояний кубитов , а высокочастотные — для логических операций гейтов. Со временем было показано, что флюксониевые кубиты способны примерно на порядок дольше удерживать кубиты в когерентном состоянии, что давало время на выполнение логических операций с более низкой вероятностью возникновения ошибок, чем в случае трансмониевых кубитов. Так, одна из работ лета этого года показала, что время жизни флюксониевого кубита достигло 1,43 мс. До недавнего времени специалисты мало работали с флюксонием, но такие его выдающиеся качества игнорировать нельзя — это может стать кратчайшим путём к производительным и масштабируемым универсальным квантовым компьютерам. Отказоустойчивая квантовая архитектура, в которой трансмониевый кубит связывает два флюксониевых кубита. Источник изображения: American Physical Society В новой работе исследователи из MIT показали, как можно повысить надёжность работы помехоустойчивость флюксониевых кубитов.
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
Именно необычное свойство кубита, его способность одновременно становиться и нулём, и единицей, даёт квантовому компьютеру потрясающую вычислительную мощность. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение.
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
Ознакомьтесь с вводными сведениями о кубитах и принципами их работы, включая информацию о различиях между кубитами и двоичными битами, а также о том, как кубиты формируют основу для квантовых вычислений. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия). (1) Сформулировать, что такое кубит.
В погоне за миллионом кубитов
Но когда мы говорим о квантовой физике, наши частицы больше не работают как мячики. Они живут как волны. Как круги на воде или звуки от гитарных струн, представляйте как удобнее. Волны — это новые мячики Срач о том, реально ли всё это волны или мы просто натянули имевшиеся для волн уравнения и сказали «опа, а вроде подходит» — один из самых громких споров современных физиков.
Там рвут глотки и делятся на лагеря, так что давайте не будем и просто примем, что тот же самый мячик может ВЖУХ и быть посчитан как волна. Так нам удобно и всё. Отныне мы состоим не из мячиков, а из таких вот волнушечек, которые как-то между собой интерферируют и получается Олег.
Вот прям как звуковые волны накладываются чтобы получилась музыка, так же вот и Олег. Главный же прикол в том, что кроме волн больше нет ничего. Вообще ничего.
Никаких скрытых параметров, по крайней мере локальных. Абсолютно любое свойство объекта отныне можно описать одной такой жирной функцией взаимодействия этих волн друг с другом. Как в телевизор приходят радиоволны и получается картинка на экране, так же наши волнушечки могут собраться по какой-то формуле и сделать Олега.
Фотоны света отражатся от волн Олега и так его себе видим. Но реален ли сам Олег? Тут лучше не торопиться.
Можете вернуться к посту вечером. Суперпозиция — всего лишь вероятность Объясняя, что за фигня такая ваша «суперпозиция», все вспоминают байку с Котом Шредингера, закрытого в коробке со случайно взрывающейся колбой смертельного яда. Страшилка с котом уже лет 50 используется в школьной программе и авторы большей части статей, что я читал, тоже её обожают, даже несмотря на то, что она не даёт читателю никакого понимания как всё это реально можно использовать на практике.
Пора прекратить шутить шутку 100-летней давности. Люди в 21 веке могут себе позволить среднее образование и понять тему чуть глубже. Предлагаю поговорить о суперпозиции как будто мы люди с айфонами, а не крепостным правом.
Потому вместо кота мы возьмем монетку :D Когда мы раскручиваем или подбрасываем её в воздух — она находится в суперпозиции орла и решки. Да, «как бы» одновременно. Только поймав монетку мы получаем один из результатов нашего измерения.
Не поймаем — не узнаем. В чем же драматическая разница с так нелюбимым нами котом? В том, что внутри монетки всегда есть чёткие вероятности её падения орлом или решкой.
Но если мы зададимся целью немного «подкрутить» фокус себе на пользу — мы можем сделать монетку из разных сплавов или как-то притягивать одну из сторон магнитом. Отныне всегда, когда слышите про суперпозицию, представляйте себе именно такую подброшенную монетку. Суперпозиция — не загадочный феномен «одновременности», а чёткое и простое отношение двух вероятностей Находясь в «суперпозиции», монетка не просто для нас «как бы одновременно орел и решка», она имеет две вполне стабильные и известные нам вероятности выпадения одного и другого.
Всё это уже намного удобнее использовать на практике, не правда ли? Вероятности мы умеем складывать, умножать, творить другие непотребства, в отличии от мертвых котов. Поэтому и дальше, когда мы будем говорить о квантовых битах, про которые все говорят, что они «одновременно 1 и 0», забейте на это и представляйте себе их как монетки.
Каждый бит-монетка имеет строгую вероятностью быть прочитанным как 1 и строгую вероятность 0. Компьютер же может управлять этими вероятностями прямо в полёте пока не прочитает сам бит. Прочитали бит — поймали монетку.
Очень удобно. Если вы поняли монетки — вы уже наполовину поняли квантовый компьютер, поздравляю. Простите, я должен был использовать этот каламбур.
Представим себе, что мы распилили нашу монетку вдоль. Как печеньки Oreo. Получилось две монетки — одна только с орлом, вторая только с решкой.
Пустая сторона разреза нас щас не интересует. Не подглядывая где какая, мы подбрасываем обе новых монетки в воздух переводим в суперпозицию, как мы теперь знаем. Монетки начинают вертеться в воздухе и не падают потому что они теоретические!
Тут квантовый физик скажет, что между монетками создана запутанность. Русская терминология лажает, потому лучше дополнительно запомнить английское слово — Entanglement. Оно встречается чаще.
Всё это означает некую «зависимость», «спутанность» или просто «связь» состояний двух монеток. 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.
Дальше мы производим считывание. То есть мы считываем состояние атомов.
Если он был возбуждён или если он не был возбужден. И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос». Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита.
Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы. Подобные удачи, впрочем, уже случались. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера.
В этом году квантовый вычислитель обещают уже использовать в медицинских целях.
И телепортационные гейты не обеспечивают возможности произвольной трансформации сжатого состояния. Однако если специально выделить из сжатого состояния кубит, то и это ограничение удаётся преодолеть. Более того, оставшиеся степени свободы сжатого состояния можно использовать для дублирования состояний кубита, и таким образом реализовывать коррекцию ошибки. Он обеспечивает устойчивую коррекцию ошибок, если степень сжатия состояния, то есть отношение дисперсии квадратур, достигает 15-17дБ, а в теории — 10дБ [24]. Экспериментальные же результаты сегодня демонстрируют техническую возможность достижения сжатия состояния до 15 дБ, чего может быть достаточно для экспериментальной демонстрации коррекции ошибки. Таким образом для оптической архитектуры удалось преодолеть фундаментальные ограничения реализации запутывающего гейта, технически показана возможность создания регистра до 1000000 кубитов, архитектура включает естественный механизм коррекции ошибки, а продемонстрированный уровень шумов находится на границе устойчивой коррекции. Безусловно, все эти результаты были продемонстрированы в независимых экспериментах, опубликованные значения являются пиковыми и разработка единого вычислителя, использующего все представленные технологии, представляет собой сложнейшую инженерную задачу.
Но необходимо констатировать, что имеющиеся результаты позволяют перевести оптическую архитектуру из ранга потенциально перспективного кандидата для реализации масштабируемого квантового вычислителя на дальних временных горизонтах в ранг актуального игрока. Это демонстрирует канадская компания Xanadu, 1 июня 2022 года представившая в публичном доступе вычислитель на сжатых состояниях с регистром из 216 оптических мод [26]. Заключение С учётом всего вышеизложенного, можно вернуться к представлению об интеграции квантовых вычислений в индустрию информационных технологий. Отрасль в целом демонстрирует ожидаемый планомерный рост, сопряженный с последовательным решением инженерных задач. Это отражается в появлении квантовых вычислителей с большими чем раньше объёмами квантовых вычислительных регистров. Доминирующей архитектурой остаются кубиты на основе сверхпроводников. Однако малое время жизни кубитов данного типа, связанное с их большой чувствительностью к шумам и необходимостью криогенного охлаждения, ставит под вопрос величину нереализованного потенциала масштабируемости данной технологии. Можно ожидать, что в ближайшие 3-5 лет технология будет оставаться основной, но в дальнейшем может уступить более устойчивой архитектуре.
Примером более устойчивой архитектуры могут послужить кубиты на основе холодных атомов. В ближайшее время можно ожидать публикации с демонстрацией рекордной степени точности двухкубитного гейта, построенного на основе подхода с наносекундным временным масштабом. Совершенствование и масштабирование данной технологии может привести к появлению программируемого атомного вычислителя с рекордным количеством кубитов. Наиболее перспективными на дальнем временном горизонте остаются вычислители на основе оптических схем. Исследования последних лет в значительной мере конкретизировали понимание того, как должен быть устроен оптический вычислитель большого масштаба с коррекцией ошибок. То есть устройство, полностью выводящее отрасль квантовых вычислений из эпохи NISQ. Можно со значительной степенью уверенности утверждать, что это будет система с кубитами на основе сжатых состояний с непрерывными переменными. Главными ограничениями для такого вычислителя остаётся неизбежное возникновение ошибки телепортационного гейта из-за невозможности сжать квадратуру квантового состояния до нуля, а также потери излучения в волокне.
Существенными шагами в направлении к созданию масштабируемого оптического вычислителя станет экспериментальная демонстрация устойчивой коррекции ошибки и исполнение вычислителя такого типа в виде интегрально-оптической схемы. Облачные квантово-вычислительные сервисы могут начать внедряться в программные продукты для решения задач оптимизации при помощи вариационных алгоритмов уже в обозримом будущем, на горизонте 5-7 лет. Наиболее вероятно, что аппаратным обеспечением данных сервисов будут оставаться вычислители на основе сверхпроводящих схем или холодных атомов. Значительное развитие может получить инфраструктура квантовой оптической связи, призванная, в первую очередь, решать задачи обеспечения информационной безопасности. Можно ожидать, что со временем данные сети будут усложняться, переходя на обмен состояниями более высокой размерности и обеспечивая реализацию коррекции ошибок за счёт простых интегрально-оптических устройств. В отдалённой перспективе, на горизонте 15 и более лет, это может привести к созданию разветвлённой квантово-коммуникационной сети, объединяющей, в том числе, оптические квантовые компьютеры, что позволит использовать квантово-вычислительные ресурсы более широко и эффективно. КРК квантовый компьютер квантовые вычисления Список литературы F. Arute, K.
Arya, John M. Martinis et al. Zhou, E. Stoudenmire, X. Waintal, What limits the simulation of quantum computers? Zlokapa, S. Boixo, D. Lidar, Boundaries of quantum supremacy via random circuit sampling, arxiv.
Computing 26, 1484 — 1509 1997 L. X 8, 031027 2018 M. Cerezo, A. Arrasmith, R. Babbush et al. Wang, Sh. Hanzo Variational quantum attacks threaten advanced encryption standard based symmetric cryptography, Science China Information Sciences, 65, 200503 2022 Quantum-centric supercomputing: The next wave of computing, research. Wang, Mikhail D.
Lukin et al. Fast quantum gates for neutral atoms. Chew, T. Tomita, T. Mahesh et al. Knill, R. Laflamme, and G. Milburn, A scheme for efficient quantum computation with linear optics, Nature, 409, 46—52 2001 K.
Miyata, H. Ogawa, P. Marek et al.
В представленном на страницах Entropy примере специалисты показали, как можно реализовать модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли обобщенную на n-кубитов версию вентиля контролируемое НЕ. С помощью этого алгоритма можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, классический процессор. Оказалось, что при использовании кудитов, в частности куквинтов, для реализации 8-кубитного алгоритма Гровера требуется выполнить 88 двухчастичных гейтов против более 1000, когда работа строится на стандартных кубитах. Как видно, разница колоссальная.
По мнению авторов технологии, ее можно применять не только к кубитам на ионах, но и в других носителях информации, например, сверхпроводящих кубитах.
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Недавно нам выпала возможность послушать как звучат кубиты в ролике о работе квантового компьютера IBM.
Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии
Кроме того, свойства КК позволяют им решать определенные задачи, на которые у классических компьютеров ушли бы квадриллионы лет. Несмотря на то что за почти 30 лет человечество нашло ответы на множество вопросов, связанных с созданием полноценного КК, до его практической реализации пока еще далеко: по самым скромным подсчетам — 5 лет. Мировые светила физики почти ежегодно получают Нобелевские премии за решение задач, приближающих квантовую эру вычислений. Пока эти наработки можно сравнить с первыми ламповыми компьютерами. В России отдельные разработки КК велись до 2020 г.
Эксперты рассказали о том, как правильно сравнивать между собой КК, где они могут пригодиться и как Россия может обогнать нынешних лидеров в этой области. Пока наша страна в роли догоняющей, однако недавно президенту России Владимиру Путину был представлен 16-кубитный КК, что соответствует лучшим мировым достижениям в этой области 2019 г. Зачем это нужно Сейчас Российский квантовый центр РКЦ работает над предоставлением облачного доступа к российским квантовым компьютерам. КК полезен в логистике и финансовой отрасли, задачах моделирования технологических процессов и анализа больших данных в нефтегазовом секторе, а также поможет разработкам в квантовой химии моделирование новых соединений, поиск лекарств , биоинформатике и криптоанализе.
Квантовые вычисления являются принципиально вероятностными, а банки зарабатывают на расчете рисков, то есть возможности наступления негативных событий. Поэтому применение квантовых компьютеров позволит улучшить риск-модели и ускорить обработку больших данных, рассказал квантовый энтузиаст, директор по цифровому развитию Делобанка Антон Семенников. Когда же технология получит широкое распространение, можно ожидать снижения ставок в экономике за счет более качественного расчета рисков, добавил он. Требуется не только создать действующий квантовый компьютер, но и разработать соответствующие алгоритмы и программное обеспечение.
У России большой научный потенциал в области математики, программирования, физики и квантовой механики», — считает Семенников. На квантовый мир мы смотрим с позиции разработчика, рассказал заместитель генерального директора холдинга Т1 по технологическому развитию Антон Якимов. Квантовый объем 100-200 кубитов не кажется недостижимым для 2025 г. Однако, по его мнению, вопрос больше в практической плоскости: через какое время такие облачные вычислительные мощности станут доступны для рынка на понятных условиях по модели Quantum-Computing-as-a-Service.
Имеется в виду то, над чем сейчас работает РКЦ. Как же это работает Какие же свойства так привлекают исследователей со всего света? В классическом компьютере единицей хранения информации является бит, который в зависимости от наличия или отсутствия напряжения принимает значение 0 или 1. В КК роль основной единицы в квантовых вычислениях играют квантовые биты, или кубиты.
Сам я тоже сделан из таких атомов-мячиков, которые по неведомой мне причине решили притянуться друг другу и образовать такую вот причудливую форму меня. Ну круто же! Так вот теперь время для первой важной части этого поста. Если мне удастся донести хотя бы это, значит вы уже поймете огромную часть квантовой механики, даже если сразу закроете пост после этого. Мячики, вы лучшие, мы еще вспомним о вас! Но когда мы говорим о квантовой физике, наши частицы больше не работают как мячики. Они живут как волны. Как круги на воде или звуки от гитарных струн, представляйте как удобнее. Волны — это новые мячики Срач о том, реально ли всё это волны или мы просто натянули имевшиеся для волн уравнения и сказали «опа, а вроде подходит» — один из самых громких споров современных физиков. Там рвут глотки и делятся на лагеря, так что давайте не будем и просто примем, что тот же самый мячик может ВЖУХ и быть посчитан как волна.
Так нам удобно и всё. Отныне мы состоим не из мячиков, а из таких вот волнушечек, которые как-то между собой интерферируют и получается Олег. Вот прям как звуковые волны накладываются чтобы получилась музыка, так же вот и Олег. Главный же прикол в том, что кроме волн больше нет ничего. Вообще ничего. Никаких скрытых параметров, по крайней мере локальных. Абсолютно любое свойство объекта отныне можно описать одной такой жирной функцией взаимодействия этих волн друг с другом. Как в телевизор приходят радиоволны и получается картинка на экране, так же наши волнушечки могут собраться по какой-то формуле и сделать Олега. Фотоны света отражатся от волн Олега и так его себе видим. Но реален ли сам Олег?
Тут лучше не торопиться. Можете вернуться к посту вечером. Суперпозиция — всего лишь вероятность Объясняя, что за фигня такая ваша «суперпозиция», все вспоминают байку с Котом Шредингера, закрытого в коробке со случайно взрывающейся колбой смертельного яда. Страшилка с котом уже лет 50 используется в школьной программе и авторы большей части статей, что я читал, тоже её обожают, даже несмотря на то, что она не даёт читателю никакого понимания как всё это реально можно использовать на практике. Пора прекратить шутить шутку 100-летней давности. Люди в 21 веке могут себе позволить среднее образование и понять тему чуть глубже. Предлагаю поговорить о суперпозиции как будто мы люди с айфонами, а не крепостным правом. Потому вместо кота мы возьмем монетку :D Когда мы раскручиваем или подбрасываем её в воздух — она находится в суперпозиции орла и решки. Да, «как бы» одновременно. Только поймав монетку мы получаем один из результатов нашего измерения.
Не поймаем — не узнаем. В чем же драматическая разница с так нелюбимым нами котом? В том, что внутри монетки всегда есть чёткие вероятности её падения орлом или решкой. Но если мы зададимся целью немного «подкрутить» фокус себе на пользу — мы можем сделать монетку из разных сплавов или как-то притягивать одну из сторон магнитом. Отныне всегда, когда слышите про суперпозицию, представляйте себе именно такую подброшенную монетку. Суперпозиция — не загадочный феномен «одновременности», а чёткое и простое отношение двух вероятностей Находясь в «суперпозиции», монетка не просто для нас «как бы одновременно орел и решка», она имеет две вполне стабильные и известные нам вероятности выпадения одного и другого. Всё это уже намного удобнее использовать на практике, не правда ли? Вероятности мы умеем складывать, умножать, творить другие непотребства, в отличии от мертвых котов. Поэтому и дальше, когда мы будем говорить о квантовых битах, про которые все говорят, что они «одновременно 1 и 0», забейте на это и представляйте себе их как монетки. Каждый бит-монетка имеет строгую вероятностью быть прочитанным как 1 и строгую вероятность 0.
Компьютер же может управлять этими вероятностями прямо в полёте пока не прочитает сам бит. Прочитали бит — поймали монетку. Очень удобно. Если вы поняли монетки — вы уже наполовину поняли квантовый компьютер, поздравляю. Простите, я должен был использовать этот каламбур. Представим себе, что мы распилили нашу монетку вдоль. Как печеньки Oreo. Получилось две монетки — одна только с орлом, вторая только с решкой. Пустая сторона разреза нас щас не интересует. Не подглядывая где какая, мы подбрасываем обе новых монетки в воздух переводим в суперпозицию, как мы теперь знаем.
Монетки начинают вертеться в воздухе и не падают потому что они теоретические! Тут квантовый физик скажет, что между монетками создана запутанность. Русская терминология лажает, потому лучше дополнительно запомнить английское слово — Entanglement. Оно встречается чаще.
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]. В обычных условиях такое изменение является нежелательным, но при работе со сжатыми состояниями скорректированную телепортацию можно использовать для реализации гейта. Телепортируя многокубитные состояния, можно реализовать многокубитные гейты детерменированным образом. Необходимо только владеть технологией приготовления запутанных состояний высокой размерности, необходимых для осуществления телепортации. Но опять же, для сжатых состояний генерация запутанности возможна при помощи базовых оптических элементов.
Экспериментально была продемонстрирована генерация запутанных кластерных состояний на данной архитектуре объёмом до 1000000 кубитов. Строго говоря, сжатые состояния не являются кубитами.
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.
В чем суть эксперимента по квантовому превосходству? Цель эксперимента Google — с помощью 53 кубит «Сикомора» произвести вычисление, для симуляции которого обычному компьютеру действительно понадобилось бы 9 квадриллионов шагов. Кубиты в «Сикоморе» расположены в прямоугольной сетке, которая позволяет каждому кубиту взаимодействовать с соседними. От обычного компьютера снаружи холодильной камеры к «Сикомору» идет сигнал, сообщающий каждому кубиту, как ему себя вести, с каким из соседей взаимодействовать и когда.
Иначе говоря, это программируемое устройство — именно поэтому оно и называется компьютером. В конце все кубиты измеряют, получая случайную строку из 53 битов. Какая последовательность взаимодействий используется для получения этой строки, неважно. В эксперименте Google они были случайными.
Затем можно снова выполнить ту же самую последовательность, чтобы сэмплировать другую случайную 53-битную строку точно таким же образом — и так далее, так часто, как вам нужно. По оценке Google, чтобы повторить пробное вычисление, которое заняло у «Сикомора» 3 минуты 20 секунд, понадобилось бы 10 тысяч лет и 100 тысяч традиционных компьютеров, на которых запущены самые быстрые на сегодняшний день алгоритмы. Эта задача так сложна, что с помощью обычного компьютера оказалось невозможно даже проверить результаты вычисления! Так что для проверки работы квантового компьютера в самых сложных случаях Google полагался на аналогии с более простыми.
Почему IBM говорит, что Google ничего не достиг Компания IBM, которая сконструировала свой собственный 53-кубитный процессор, тут же опубликовала опровержение. Компания заявляет, что с помощью мощнейшего суперкомпьютера на планете она сможет повторить эти вычисления за 2,5 дня, а не за 10 тысяч лет.
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор. Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован?