Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами.
Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
Как сообщалось, кубит — единица информации в квантовом компьютере, он отличается от обычного бита тем, что может принимать любое значение между 0 и 1 в процессе вычислений. Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии.
В погоне за миллионом кубитов
Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. Рассказываем, как появился первый квантовый компьютер, сколько кубитов в современных процессорах и какие задачи они могут решать. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры.
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
Так вот суперкомпьютерам они оказались вообще не под силу. Безоговорочная победа? Значит, квантовые машины уже сейчас можно выпускать в "люди"? Руслан Юнусов: Увы, к этому мы еще не пришли. Да, квантовый победил, но в специальных, абстрактных тестах. А вот для реальных задач в промышленных масштабах он пока не приспособлен. Не может соперничать с традиционными компьютерами. Для этого нужны системы с многими тысячами, а возможно, миллионами кубит. Но если уже собрали вычислитель из сотен кубитов, почему нельзя, как в конструкторе ЛЕГО, объединить десятки тысяч, миллионы?
Руслан Юнусов: Собрать, конечно, можно, но есть проблема - надежность. И она сейчас является ключевой. Чем больше мы хотим объединить кубитов, тем сильней они влияют друг на друга. Как следствие, начинают вылезать ошибки. Понятно, что нам нужны точные, безошибочные вычисления. Кроме того, в отличие от работы кремниевого устройства квантовые состояния довольно неустойчивые. Для защиты от разных внешних воздействий необходимы специальные условия. Все это дает повод скептикам утверждать, что собрать одновременно много кубитов и обеспечить надежность, безошибочную работу такой большой системы никогда не удастся.
Либо одно, либо другое. Но с таким же упорством скептики заявляли, что никогда не удастся достичь квантового превосходства, а это произошло. Важно, что таких примеров становится все больше. Ключевой вопрос Квантовая криптография обеспечит полную защиту информации. Фото: iStock У лидеров собраны системы из сотен кубитов, движутся к тысячам, у нас 16. Грустная цифра. Руслан Юнусов: Год назад, когда у нас было 4 кубита, а у них сотни, я бы признал, что мы сильно отстаем. Сейчас ситуация кардинально иная.
Важно, что мы не только достигли 16 кубитов, главное - есть четкое понимание, как к концу 2024 года выйти на сотню, а затем и на тысячи кубитов. А также достичь квантового превосходства. На самом деле число кубитов - не самоцель. Как я уже говорил, надо иметь не просто много кубитов, а много хороших кубитов. Например, ионный процессор одного из наших зарубежных коллег всего на 20-30 кубитах бьет системы с сотнями кубитов. И мы знаем, как из наших 16 сделать такую же точную систему. Реализовав "дорожную карту", рассчитанную до конца 2024 года, значительно сократим отставание от лидеров. Сейчас разрабатывается новая концепция на период 2025-2030 годов.
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.
Об этом "РГ" беседует с одним из пионеров создания отечественных квантовых технологий и сооснователем Российского квантового центра Русланом Юнусовым. Среди важнейших приоритетов технологического суверенитета России названы квантовый компьютер, а в целом квантовые технологии.
На них уже выделены многие миллиарды, а в перспективе суммы должны значительно увеличиться. Но почему они выходят на первый план? Чем не устраивают обычные суперкомпьютеры, которые решают задачи с фантастической скоростью 1015 операций в секунду. А уже в планах 1018.
Руслан Юнусов: Конечно, суперкомпьютеры успешно работают в самых разных сферах жизни, но есть много задач, перед которыми даже они пасуют. Сколько бы степеней быстродействия вы ни прибавляли. Вот вроде бы элементарная задача - разложение числа на простые множители. Скажем, 10 делится на 2 и 5.
Но если начнете увеличивать число на несколько знаков, то сложность вычисления вырастет многократно. Например, над числом из сотен цифр мощный суперкомпьютер будет возиться несколько миллиардов лет, а возможно, вообще не справится. Квантовому хватит нескольких минут. Задача коммивояжера не под силу даже суперкомпьютеру А можно пример задачи из реальной жизни?
Руслан Юнусов: Например, коммивояжеру, чтобы объехать сто клиентов, требуется выбрать лучший маршрут. Вроде бы можно довериться Яндекс. Но он находит хорошее решение, а не самое лучшее. Причем с каждой новой точкой задача сразу усложняется в 10, 100, 1000 и так далее раз.
Это специфический класс оптимизационных задач, которые решаются перебором огромного количества вариантов. И здесь квантовому компьютеру нет равных - в сравнении с ним даже самый мощный суперкомпьютер больше напоминает примитивный калькулятор. То есть квантовые компьютеры не вытеснят обычные, а займут свою нишу? Руслан Юнусов: Именно так.
Назову области применения, которые очевидны уже сегодня. Считается, что квантовый компьютер, манипулируя отдельными атомами, лучше справится с созданием новых материалов и новых лекарств. Он сможет взломать системы современного шифрования, но в то же время квантовая криптография защитит информацию на фундаментальном уровне. Ждут появления полноценного квантового компьютера финансисты и климатологи.
Первым он крайне необходим для моделирования рынков и финансовых операций, вторым - для составления более точных сценариев климата и прогнозирования погоды. Даже самый мощный суперкомпьютер, по сравнению с квантовым, больше напоминает примитивный калькулятор Но я назвал только то, что мы знаем уже сейчас. Вы удивитесь, но на самом деле мы даже не представляем, на что по большому счету способен квантовый компьютер, в какие сферы он может проникнуть. Так происходит с большинством прорывных технологий.
Руслан Юнусов: Да, аналогичная ситуация была когда-то с обычными компьютерами. Их авторы создавали устройства под вполне конкретные задачи. Они были уверены, что жителям Земли, чтобы решить свои проблемы, достаточно примерно тысячи таких машин.
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.
Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
| Квантовый компьютер: что это, как работает и на что способен / Skillbox Media | Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. |
| Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы — РТ на русском | Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. |
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. Кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака). Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд.
Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
А что сейчас? Квантовые компьютеры уже вышли из области теоретических моделей, построены и давно работают. На момент написания статьи такие машины есть у многих компаний и научно-исследовательских институтов. Какие задачи могут решать квантовые компьютеры Сразу скажем: квантовые компьютеры пока ещё слишком сырые, чтобы массово решать конкретные прикладные задачи. Всё, о чём пойдёт речь дальше, относится либо к отдельным кейсам, либо к отдалённым прогнозам. Разработка новых лекарств и материалов. Квантовый компьютер может создать новое химическое соединение и просчитать его взаимодействие с уже существующими структурами.
Классические, даже сверхмощные, компьютеры неспособны быстро справиться с такой задачей. Подсчитано , что моделирование молекулы из 70 атомов займёт у классического компьютера около 13 миллиардов лет, тогда как у квантовых вычислителей на этой уйдёт всего пара минут. На практике такое моделирование востребовано в генной инженерии, при разработке и создании новых лекарств и материалов. Оптимизация процессов в логистике и энергетике. Построение оптимальных маршрутов, распределение подачи тепла и света, прогнозирование спроса и другие сложные комбинаторные задачи — вполне в компетенциях квантовых компьютеров. Здесь наш герой выступает одновременно и панацеей, и угрозой.
С одной стороны, на основе квантовых ключей можно создавать совершенные средства защиты, которые человеку взломать просто не под силу. С другой — квантовый компьютер способен за несколько секунд подобрать ключи почти к любому классическому алгоритму — например, к тому же RSA-2048. Поэтому разработка новых квантовых протоколов видится уже не как символ прогресса, а скорее как насущная необходимость. Если хотите лучше разобраться в нюансах квантовой криптографии, почитайте книгу « Апокалипсис криптографии » Роджера Граймса. Она о том, какие криптографические алгоритмы и приложения окажутся под угрозой в квантовую эпоху и как защититься от этих угроз. Сейчас предсказаниями погоды в большинстве метеоцентров занимаются классические суперкомпьютеры на основе моделей, состоящих из сотен тысяч строк кода, но даже самые мощные машины не могут учесть все нюансы.
А для квантовых компьютеров мгновенный перебор множества переменных и показателей — дело пустяковое, поэтому метеорологи возлагают на них большие надежды. По мере развития квантовых вычислений области их использования наверняка будут расширяться. Больше интересного про код — в нашем телеграм-канале. Читайте также:.
Квантовый ключ представляет собой шифр, и передают его при помощи фотонов света — квантов. Если вы знаете шифр, а точнее, не вы, а ваш компьютер или телефон, они автоматически расшифровывают секретное сообщение. Это может быть что угодно: электронная подпись, информация из банка или страховой компании. При этом злоумышленники добраться до них никогда не смогут.
Система тут же отреагирует на любую попытку взлома. Но это не все, на что способны кванты. Два года назад в США сумели перевести в квантовое состояние зеркала антенны массой десять килограммов. Это назвали едва ли не величайшим событием десятилетия — огромные зеркала подобно квантам находились в лаборатории и за ее пределами. И стояли, и двигались, были и в прошлом, и в будущем. Возможно, если мы научимся вводить человека в состояние квантовой гибернации, это с успехом заменит анестезию при операции. А может быть, упростит межпланетные путешествия", — отметил директор лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории Массачусетского технологического института Дэвид Шумейкер. И выходить из него мы будем абсолютно здоровыми.
Путешествия во времени, кстати, тоже могут стать обыденностью, ведь для квантов его не существует. Теперь ясно, о какой квантовой революции шла речь.
Именно благодаря этому свойству расчеты на КК производятся быстрее, чем на классических компьютерах. Однако для выполнения сложных алгоритмов на КК важно, чтобы значения одних кубитов были связаны со значениями других. В этом помогает такое явление, как квантовая запутанность. В нем состояния двух или большего числа частиц оказываются взаимосвязанными и их значения всегда противоположные. Если у одной частицы значение 0, то у другой, «запутанной» с ним, гарантированно будет 1. 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.
Там довольно сложные алгоритм и постобработка. Каждую цепочку нужно запускать от 1 тыс. Кроме того, мы бы хотели провести научные исследования, чтобы масштабировать квантовые компьютеры. Для этого нужен третий компьютер, а лучше и четвертый. Мы сейчас работаем с трехмерными ловушками. А для того, чтобы делать компьютеры с числом кубитов больше 50, нужно обязательно работать с планарными, то есть плоскими ловушками на чипах. Это отдельное направление. У нас уже изготовлены первые ловушки в сотрудничестве с Московским институтом электронной техники. Это пока не полноценный компьютер, нам нужно тестировать ловушки, смотреть, как захватываются ионы, делать новые модели. Фактически это еще одна система. Вот уже четыре системы, которые нужно иметь, чтобы проводить полноценные исследования в области квантовых вычислений. Вопрос, хватит ли времени. Когда мы только начинали, я ожидал, что к этому времени у нас будет четыре-пять установок. Но мы ждем поставок. Часть уже в России, чего-то не хватает. Тем не менее, надеюсь, к середине следующего года мы запустим вторую установку, может, даже третью. А дальше жизнь покажет. Мировая практика — Что сейчас происходит в области разработок квантовых компьютеров? У систем с более объемным регистром точность кубитных операций недостаточно высокая. Это частная компания, работающая на государственные деньги. Комбинация, когда в частную компанию загружаются государственные деньги, в мире показала себя очень хорошо, она делает самую крутую науку. И я надеюсь, что у нас такие схемы тоже со временем будут внедрены.