Если же взять, к примеру, десять кубитов, то будет уже 1024 классических состояния. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами.
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. Начнем с понятия кубита и его отличий от бита классических компьютеров. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы.
Что такое квантовый компьютер и как он работает
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. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. 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. Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется.
Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
Ионные кубиты имеют высокое коэрентное время и точность операций, но низкую скорость операций и масштабируемость. Фотонные кубиты — основаны на световых частицах фотонах , которые могут быть кодированы поляризацией или частотой. Фотонные кубиты имеют высокое коэрентное время и скорость операций, но низкую точность операций и масштабируемость. Фотонные кубиты используются в квантовых компьютерах Xanadu и PsiQuantum. Спиновые кубиты — основаны на спине электрона или ядра атома, который может быть ориентирован вверх или вниз.
Спиновые кубиты имеют среднее коэрентное время и точность операций, но высокую масштабируемость. Спиновые кубиты используются в квантовых компьютерах Intel и QuTech. Рассмотрение ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений Индустрия квантовых вычислений является одной из самых динамичных и конкурентных в сфере высоких технологий. В этой области участвуют как традиционные ИТ-гиганты, так и стартапы, а также академические и правительственные организации.
Вот некоторые из ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений: IBM — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих кубитов. Компания имеет самый большой парк квантовых компьютеров, доступных через облачный сервис IBM Quantum Experience. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Qiskit и среда IBM Quantum Composer. Google — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих кубитов.
Компания заявила о достижении квантового превосходства в 2019 году с помощью своего 53-кубитного компьютера Sycamore. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Cirq и среда Google Quantum Playground. Intel — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих и спиновых кубитов. Компания имеет собственную лабораторию Intel Labs , где проводит исследования и разработки в области квантовых технологий.
Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Q и среда Intel Quantum Simulator. IonQ — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе ионных кубитов. Компания имеет самый мощный коммерческий квантовый компьютер на 32 кубитах, доступный через облачный сервис IonQ Cloud. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык QUIL и среда IonQ Studio.
Xanadu — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе фотонных кубитов. Компания имеет самый мощный коммерческий квантовый компьютер на 24 фотонных кубитах, доступный через облачный сервис Xanadu Quantum Cloud. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык PennyLane и среда Xanadu Quantum Playground. Перспективы развития индустрии квантовых вычислений Индустрия квантовых вычислений имеет большой потенциал для решения сложных задач в различных областях науки, технологии, бизнеса и общества.
Среди возможных применений квантовых компьютеров можно выделить следующие: Моделирование химических реакций и свойств материалов — это позволит создавать новые лекарства, биотоплива, батареи, солнечные панели и космические аппараты. Оптимизация сложных систем и процессов — это позволит улучшать эффективность и качество в областях, таких как логистика, транспорт, энергетика, финансы и маркетинг. Криптография и кибербезопасность — это позволит создавать новые способы шифрования и дешифрования данных, а также взламывать существующие криптосистемы. Искусственный интеллект и машинное обучение — это позволит ускорять и улучшать алгоритмы обработки больших объемов данных, распознавания образов, генерации текста и речи, анализа эмоций и принятия решений.
Однако индустрия квантовых вычислений также сталкивается с рядом проблем и вызовов, которые затрудняют ее развитие и коммерциализацию. Среди них можно выделить следующие: Техническая сложность и высокая стоимость — построение и поддержание квантовых компьютеров требует использования сложных технологий и материалов, а также специальных условий, таких как сверхнизкие температуры, высокое вакуум и изоляция от внешних помех. Это делает квантовые компьютеры дорогими в производстве и эксплуатации. Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации.
Это явление называется декогеренцией. Для борьбы с декогеренцией необходимо использовать специальные методы коррекции ошибок, которые увеличивают сложность и замедляют скорость вычислений. Недостаток программного обеспечения и стандартов — квантовые компьютеры требуют разработки новых языков программирования, сред разработки, библиотек, фреймворков и протоколов, которые были бы адаптированы к специфике квантовых вычислений.
Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия» Создан при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации. Все права защищены.
Все, что обрабатывает классический компьютер — текст, изображения, видео и так далее — состоит из длинных строк нулей и единиц, или битов. В современных компьютерах бит обычно представлен электрическим напряжением или импульсом тока. Квантовые компьютеры, напротив, полагаются на кубиты. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Неудивительно, что манипуляции кубитами представляют сложную научную и инженерную задачу. IBM, например, использует несколько слоев сверхпроводящих цепей, которые находятся в контролируемой среде и постепенно охлаждаются до температур, которые ниже, чем глубокий космос — около абсолютного нуля. Поскольку кубиты обитают в квантовой реальности, у них есть удивительные квантовые свойства. Суперпозиция, запутанность и интерференция Если бит представить как монету с орлом 0 или решкой 1 , кубиты будут представлены вращающейся монетой: в некотором смысле, они одновременно и орлы, и решки, причем каждое состояние имеет определенную вероятность. Ученые используют калиброванные микроволновые импульсы, чтобы помещать кубиты в суперпозицию; точно так же другие частоты и длительность этих импульсов может переворачивать кубит так, чтобы он находился немного в другом состоянии но все еще в суперпозиции. Из-за суперпозиции отдельный кубит может представлять гораздо больше информации, чем двоичный бит. Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно. Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ. Запутанность — еще более потрясающая штука.
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. Один из них дает квантовая физика.
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
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?
А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов! На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров. Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет! Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2.
Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами! Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел. Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений.
Таким образом, независимо от измерений системы два кубита останутся теми же самыми. Запутанная система может быть так же наполовину в 01, наполовину в 10, где два состояния всегда противоположны друг другу. Состояние 00 или 11 — два кубита останутся теми же Альберт Эйнштейн и другие физики считали запутанность ошибкой, потому что она противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, в которой говорится, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если у Алисы есть кубит A, а у Боба есть кубит B оба кубита находятся в запутанности , и Боб улетит за миллиарды световых лет от Алисы, измерение её кубита покажет то же, что и измерение кубита Боба — любые изменения в кубите Алисы с применением квантового вентиля повлияют на состояние кубита Боба. Формирует ли это общение? Никто не знает наверняка, потому что невозможно найти точное вероятностное состояние кубита, так как измерение кубита вынуждает его перейти в одно из двух детерминированных состояний. Этот вопрос всё ещё горячо обсуждается. Почему за кубитами будущее? Кубиты экспоненциально быстрее битов в некоторых вычислительных задачах, таких как поиск по базам данных или разложении чисел на множители что, как мы выясним ниже, может взломать интернет-шифрование. Важно понимать, что кубиты могут содержать значительно больше информации, чем биты. Один бит содержит такое же количество информации, что и кубит — оба они могут содержать одно значение. Однако четыре бита используются для хранения того же объёма информации, что два кубита. Восемь бит сохраняют информацию, которую можно сохранить в трёх кубитах, так как 3-кубитная система может хранить восемь состояний — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. И так далее. График ниже демонстрирует вычислительную мощность кубитов. По оси x отображается количество кубитов, используемых для хранения определённого количества информации. Значения по оси y голубой линии отображают количество битов, необходимых для хранения того же объёма информации, что и в количестве кубитов по оси x, или 2 в степени x. График построен с помощью Desmos. Представьте себе какие возможности предоставляют квантовые вычисления! Квантовые компьютеры также прекрасно подходят для разложения чисел на множители, что приводит нас к RSA шифрованию. Протокол безопасности, защищающий Medium и, наверняка, любой другой известный вам веб-сайт, известен как RSA шифрование. Он основан на том факте, что потребуется очень-очень много времени при существующих вычислительных ресурсах, чтобы разложить число m длиной больше 30 знаков на произведение двух чисел p и q, которые являются большими простыми числами. Однако деление m на p или q в вычислительном отношении значительно проще, и, поскольку m, делённое на q возвращает p и наоборот, это обеспечивает систему быстрой проверки ключа.
Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке: Кубит может принимать все значения, которые видны на цветной сфере Все решения уже известны Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц. 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. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы. Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице. Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию Как делают кубиты и в чём сложность Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью. Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система. Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира. Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения.
Используя Tunnel Falls, учёные могут сразу же приступить к экспериментам и расчётам, вместо того чтобы пытаться изготовить свои собственные устройства. В результате становится возможным более широкий спектр исследований, включая изучение основ кубитов и квантовых точек и разработка новых методов работы с устройствами с несколькими кубитами. Источник изображений: Intel «Tunnel Falls — это самый совершенный на сегодняшний день чип Intel с кремниевыми спиновыми кубитами, созданный на основе многолетнего опыта компании в разработке и производстве транзисторов. Это следующий шаг в долгосрочной стратегии Intel по созданию полнофункциональной коммерческой системы квантовых вычислений. Несмотря на то, что на пути к устойчивому к ошибками квантовому компьютеру необходимо решить фундаментальные вопросы и задачи, академическое сообщество теперь может изучить эту технологию и ускорить развитие исследований», — сообщил Джим Кларк Jim Clarke , директор Quantum Hardware, Intel. Tunnel Falls производится на 300-мм пластинах на фабрике Intel D1. Каждое кубитное устройство, по сути, представляет собой электронный транзистор, что позволяет изготавливать его по технологии, аналогичной стандартной линии на основе комплементарных оксидов металлов и полупроводников CMOS. Эти чипы могут образовывать конфигурации от 4 до 12 кубитов, которые можно изолировать или использовать в операциях одновременно, в зависимости от потребностей исследователей. Intel считает, что кремниевые спиновые кубиты превосходят другие технологии кубитов из-за их синергии с передовыми транзисторами. Следует отметить усилия Intel, направленные на дальнейшие исследования аппаратного обеспечения — похоже, что компания не готова остановиться на одном решении. Ведь, как и большинство кубитов, спиновые кубиты на основе полупроводников могут быть реализованы разными способами. Базовая технология позволяет обнаруживать отдельные электроны в изолированных ямах и управлять их спинами, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии. По его словам, Intel изучает множество параметров, таких как разные размеры квантовых точек, разная геометрия, разная длина кубитов. Intel также встраивает в свой чип средства тестирования для определения производительности. Intel объявила о сотрудничестве с лабораторией физических наук LPS университета Мэриленда, Qubit Collaboratory LQC в Колледж-Парке, национальным исследовательским центром квантовых информационных наук QIS , Sandia National Laboratories, университетом Рочестера и университетом Висконсин-Мэдисон для продвижения исследований в области квантовых вычислений. Компания планирует предоставить доступ для разработчиков и исследователей к своему набору инструментов Intel Quantum Software Development Kit SDK версии 1. Это своего рода дезагрегированный подход. На данный момент мы сосредоточены как на программном, так и на аппаратном обеспечении, и в дальнейшем мы объединим их. Предстоит проделать огромный объем работы, чтобы охарактеризовать эти устройства, а затем написать много научных работ», — добавил Кларк. LPS Qubit Collaboratory LQC является одним из исследовательских центров министерства обороны в области квантовых информационных наук QIS , учреждённых в рамках Закона о национальной квантовой инициативе 2018 г. Intel заявляет, что сотрудничество с LQC поможет демократизировать кремниевые спиновые кубиты, позволив исследователям получить практический опыт работы с их масштабируемыми массивами. По словам Кларка, Intel предоставит квантовые устройства, в то время как исследовательские организации будут нести ответственность за приобретение и настройку необходимой инфраструктуры, такой как системы криоконтроля. Представители научных учреждений, участвующие в программе, единодушны в том, что участие Intel является важной вехой в демократизации исследования спиновых кубитов и их перспектив для квантовой обработки информации и ведёт к объединению промышленности, научных кругов, национальных лабораторий и правительства. По мнению учёных, устройство представляет собой гибкую платформу, позволяющую напрямую сравнивать различные кодировки кубитов и разрабатывать новые режимы работы, что позволяет внедрять новые квантовые операции и алгоритмы в многокубитном режиме и ускорять скорость обучения в квантовых системах на основе кремния. Исследователи также высоко оценивают надёжность Tunnel Falls, а возможность работать с промышленными устройствами Intel открывает, по их мнению, перспективы для технического прогресса и обучения. 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.
Что такое кубит?
Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. Особенно на фоне последних новостей из IBM об открытии квантового вычислительного центра IBM Quantum Computing Center в Нью-Йорке на базе пяти 20-кубитных и одной 53-кубитной системы. «Пять тысяч кубитов» звучат гораздо ярче, чем сообщение о недавнем эпохальном. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы).
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Если же взять, к примеру, десять кубитов, то будет уже 1024 классических состояния. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе.