С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами. это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. 504 — это рекорд для Китая по количеству кубитов в сверхпроводящем квантовом чипе. По данным QuantumCTek, чип Xiaohong используется для проверки килокубитной системы, уже разработанной компанией независимо. На первой линейке (кубите) "q[0]" мы видим оператор синий кружок с плюсом внутри. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News.
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
Если мы теперь немного изменим внешнее магнитное поле, то одно из этих состояний станет более выгодным. В квантовом случае индуктивность определяется током, протекающим через джозефсоновский переход, поэтому ведет себя как так называемая параметрическая индуктивность. Это изменение мы и регистрируем. Для этого на частоте порядка 10 гигагерц мы посылаем к кубиту электромагнитный сигнал. При прохождении через образец у этого сигнала сдвигается фаза.
Этот сдвиг вызывает изменение состояния кубита, которое влияет на индуктивность некоторой измерительной цепи, находящейся рядом с кубитом. Усиленный сигнал при этом по кабелю поступает в прибор, который позволяет уже при комнатной температуре мерить фазу сигнала. В центре желтая дверь видна чистая комната. Ее монтаж пока еще не закончен.
Цель эксперимента, который мы поставили, была пока самой простой из тех, которые только возможны. Мы не манипулировали квантовым состоянием, мы фактически установили, что у объекта существуют два уровня, соответствующих состояниям ноль и один. Мы также измерили частоту перехода между этими уровнями под действием микроволновых фотонов, которая зависела от внешнего магнитного поля, то есть померили спектр нашего квантового устройства. Вообще, когда мы измеряем кубит при помощи изменяющейся индуктивности, мы фактически меряем вероятность пребывания кубита в возбужденном состоянии состояния с энергией выше минимальной.
Поскольку кубит связан со всей окружающей средой, он живет там не бесконечно. Сколько живет ваш кубит? Это не так много по современным достижениям. Но еще несколько лет назад характерные времена были наносекунды, то есть за 13 лет произошел прогресс примерно в миллион раз.
Кубиты, которые мы здесь мерили, соответствуют среднему уровню на настоящий момент. Фактически мы просто научились мерить эти кубиты, и теперь мы планируем начать их производить здесь, в России. У нас будет инструмент для того, чтобы можно было делать с ними измерения. Мерить время когерентности, производить квантовые манипуляции, то есть делать квантовые преобразования, которые соответствуют логическим операциям.
И как скоро можно ждать первых функционирующих операций? Дело в том, что такие логические гейты, то есть схемы, реализующие простейшие логические алгоритмы на сверхпроводящих схемах, уже продемонстрированы как минимум в трех крупных университетах: это Йель, Университет Санта-Барбары в Калифорнии и группа моего бывшего аспиранта, ныне профессора Андреаса Вальрафа Andreas Wallraff в Цюрихе. Я не говорю еще о том, что, например, компания D-wave уже создала 100-битный квантовый компьютер на принципе квантовой релаксации это когда система релаксирует состояние с минимальной энергией. Подобные компьютеры позволяют вычислять состояния определенного класса систем и решать задачи, скажем, нахождения объекта среди многих других одинаковых объектов.
Поэтому у нас есть идеи делать что-то такое, что позволит привнести совершенно новый элемент, может быть, позволит в чем-то обойти основную группу команд, которые работают с кубитами.
Кубиты похожи на биты, используемые в стандартном компьютере, тем, что кубиты могут находиться в квантовом состоянии 1 или 0. Но, кубиты отличаются тем, что они также могут находиться в суперпозиции состояния 1 и 0, то есть кубиты могут представлять как 1, так и 0 одновременно. Когда кубиты находятся в суперпозиции, два квантовых состояния складываются вместе и приводят к другому квантовому состоянию. Суперпозиция означает, что несколько вычислений обрабатывается одновременно.
Таким образом, два кубита могут представлять четыре числа одновременно. Обычные компьютеры обрабатывают биты только в одном из двух возможных состояний — 1 или 0, а вычисления обрабатываются по очереди. Квантовые компьютеры также используют эффект запутывания для обработки кубитов. Когда кубит запутан, это означает, что состояние одного кубита влияет на состояние другого кубита, независимо от расстояния. Квантовый процессор — это ядро компьютера Создание кубитов — сложная задача.
Требуется низкотемпературная среда для поддержания стабильного состояния кубита в течение любого отрезка времени. Сверхпроводящие материалы, необходимые для создания кубита, должны быть охлаждены почти до абсолютного нуля около минус 272 по Цельсию. Кубиты также должны быть защищены от фонового шума, чтобы уменьшить ошибки в вычислениях. Внутренности квантового компьютера выглядят как роскошная золотая люстра. И да, многие комплектующие сделаны из настоящего золота.
Это дорогущий холодильник, который используется для охлаждения квантовых чипов, чтобы компьютер мог создавать суперпозиции и запутывать кубиты, не теряя при этом никакой информации. Квантовый компьютер создаёт эти кубиты из любого материала, который обладает квантово-механическими свойствами, доступными для управления. Проекты квантовых вычислений создают кубиты различными способами, такими как зацикливание сверхпроводящего проводника, вращение электронов и захват ионов или импульсов фотонов.
Не четырех, как можно было бы предположить из названия, потому что в каждом кубите два энергетических уровня. Уровней может быть сколько угодно, но работать с чем-то большим, чем кукварт, трудно. Все ионы, выстроенные в линию, удерживаются в ловушке. Мы можем провести их между любой парой, это наилучший показатель управления кубитами. Для этого используем лазеры: на нужные ионы светим в нужной последовательности лазерными импульсами. Измерения проводятся только один раз, в конце алгоритма. Тогда мы воздействуем на кубиты другим лазером, и каждый кубит приобретает значение 0 либо 1.
Это значение мы считываем, записываем, после чего проводим точно такое же вычисление еще раз и снова считываем результат. Проделав вычисления много раз, мы можем говорить об ответе с достаточной степенью вероятности. Физически на экране 0 или 1 выглядят так: светится точка-ион или не светится. К нашему квантовому компьютеру можно подключиться через интернет, загрузить свою программу на платформу облачного доступа и выполнить ее у нас. Программист нажимает кнопку запуска, а мы в лаборатории следим, чтобы все работало. Алгоритмы в рамках дорожной карты по квантовому процессору создает в Российском квантовом центре научная группа Алексея Федорова, он же руководит лабораторией Московского института сталей и сплавов в рамках проекта «Квантовый интернет». Алгоритм, который запускал на нашем компьютере президент, уже не совсем простой. Он позволяет промоделировать зависимость потенциальной энергии двух атомов от расстояния между ними, то есть посчитать потенциальную энергию молекулы. Бывают простые химические реакции, которые можно посчитать, а для этого надо знать кривую потенциальной энергии. Расчет можно выполнить и на обычном компьютере, но чем больше молекула, тем сложнее задача для расчета ее потенциальной энергии.
Например, для формальдегида такую задачу на обычном компьютере решить невозможно. Мы же точно квантово-механически рассчитываем все волновые функции, то есть положения всех электронов, и вычисляем кривую. Такой компьютер в России сейчас один. По-видимому, алгоритмы квантовой химии будут одними из первых, на которых будет показано полезное квантовое превосходство, то есть квантовый компьютер будет работать быстрее классического. Но я не очень глубоко погружен в тему алгоритмов.
Это касается и распознавания образов, то есть искусственный интеллект может научиться видеть предметы и понимать, что находится перед ним, с той же точностью, что человек, и даже лучше. Улучшенное распознавание образов позволит медицинским работникам быстрее диагностировать и лечить заболевания по снимкам МРТ. Некоторые специалисты считают, что сильный ИИ невозможен без квантовых компьютеров. Современные суперкомпьютеры не обладают мощностью для моделирования человеческого мозга с химическими взаимодействиями между отдельными частями нервных клеток. Даже с учетом закона Мура такие компьютеры не появятся и через миллион лет, однако полноценный квантовый компьютер поможет решить эту проблему. Другой областью, которая значительно изменится с появлением квантовых компьютеров, станет криптография. Специалисты обеспокоены тем, что под ударом окажутся криптосистемы с открытыми ключами. Злоумышленники, использующие достаточно мощные квантовые компьютеры, могут совершить взлом цифровых подписей и основных интернет-протоколов HTTPS TLS , необходимых для безопасного просмотра онлайн-счетов и совершения онлайн-покупок. Квантовые вычисления также поставят под угрозу безопасность систем симметричной криптографии, которая основана на обмене закрытыми ключами. Чтобы сохранить конфиденциальность данных, обмен ключами должен оставаться безопасным. Считается, что постквантовая криптография, которая неподвластна квантовым компьютерам, остается неуязвимой даже для самых мощных систем. Специалисты уже работают над решением этой задачи, и NIST Национальный институт стандартов и технологий, США разрабатывает новые стандарты защиты информации, которые будут опубликованы в 2022 году. В то же время подобная криптография требует огромных ресурсов, поэтому квантовые компьютеры могут помочь защитить то, что они же делают уязвимым. Однако уже сейчас существуют прототипы защитных протоколов будущего, доступные для тестирования. Полный переход к ним может затянуться на 15-20 лет. Квантовые компьютеры изменят мир и общество Квантовые компьютеры способны привести к резкому прорыву в открытии и разработке новых лекарств, давая ученым и врачам возможность решать задачи, которые невозможно решить сейчас. Специалисты швейцарской фармацевтической компании Roche надеются, что квантовое моделирование ускорит разработку вакцин для защиты от инфекций, подобных COVID-19, лекарств от гриппа, рака и даже болезни Альцгеймера. Квантовое моделирование может заменить лабораторные эксперименты, чем снизит стоимость исследований и сведет к минимуму потребности в тестировании препаратов с участием животных и людей. Квантовые компьютеры потенциально могут ускорить создание новых катализаторов для утилизации СО2 из воздуха или отработанных газов, которые не только сократят выбросы, но и позволят получать ценные нефтехимические продукты. С помощью «квантового отжига» можно рассчитать траекторию движения каждой частицы воздушного потока над новым типом крыла, что может привести к изобретению новых технологий в аэродинамике. Подобный принцип можно использовать для решения задач оптимизации трафика в городе или потока данных в сети. Ожидаются изменения и в финансовом секторе, где квантовые вычисления поспособствуют более глубокой аналитике и новым торговым возможностям, например, ускорению транзакций и обмена данными. Экспоненциально ускоренные вычисления могут иметь огромное значение для финансового моделирования, что изменит оценку инвестиционных проектов и повлияет на бизнес-стратегии. Компании, которые смогут позволить себе квантовый компьютер, обретут огромное конкурентное преимущество. Источником дохода для компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, станут услуги удаленного доступа к их ресурсам.
Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения
Удерживать кубиты в нужном состоянии, учитывая количество внешних факторов, крайне сложно — именно поэтому они работают при абсолютном нуле. — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
Вероятность состояния 1 или 0 определяется суперпозицией кубита. Если кубит находится в равной суперпозиции, то он находится наполовину в состоянии 0, наполовину в состоянии 1. Для понимания суперпозиции нужно думать о состояниях как о волнах, а не как о двух взаимоисключающих классах. Представьте себе две разные песни, одну из которых назовём песня A, другую песня B. Поскольку при измерении кубит коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний, невозможно измерить истинное вероятностное состояние кубита.
Впрочем, можно измерить его приблизительно. Суперпозиция — реальное явление: знаменитый эксперимент с двумя щелями демонстрирует, что определённые кванты, подобные электронам или фотонам, находятся в волновых состояниях и, проходя через две щели, вызывают появление интерференционной картины на экране. Источник На аппаратном уровне главная сложность в конструировании кубитов заключается в их вероятностной природе ведь они не детерминированы , что означает, что их состояние может очень легко изменяться под воздействием внешних сил. Кубиты трудно поддерживать по той же причине, по которой они так мощны — множество их возможных состояний трудно контролировать более нескольких секунд.
Применение квантовых вентилей для осуществления операций зачастую может приводить к ошибкам вентиля из-за случайного неосторожного обращения с кубитом. Напомню, что кубитом может быть что угодно от фотона до электрона или определённых молекул , если они демонстрируют квантовое поведение. Многокубитные системы и запутанность Ваш компьютер далеко не продвинется с одним битом , ведь он может принимать только два значения, а компьютер работает с огромной многоразрядной системой. Как и биты, кубиты можно собрать в многокубитную систему.
В 2-кубитной системе в состоянии 10 первый кубит находится в состоянии 1 и второй в состоянии 0. Однако из-за суперпозиции 2-кубитные системы не ограничены только детерминированными значениями 0 или 1. Они могут находиться в суперпозиции. Это означает, что при измерении системы она имеет равные шансы перейти в одно из четырёх детерминированных 2-кубитных состояний.
Запутанность — ещё одно часто встречающееся умное слово, которое сбивает с толку. Скажем, при двух запутанных кубитах A и B в любой суперпозиции, когда Боб измеряет кубит A в состоянии 1, он мгновенно без измерения узнаёт состояние кубита B — тоже 1. Если Боб измерит кубит B, он убедится в этом. Что ещё более замечательно, это явление работает даже если A и B находятся на расстоянии триллионов световых лет друг от друга, так как расстояние не является коэффициентом запутанности.
На первый взгляд запутанность выглядит как колдовство, но она реальна и не настолько сложна, если смотреть на её систему кубитов. Если 2-кубитная система с кубитами A и B находится в запутанном состоянии, кубиты могут находиться наполовину в состоянии 00, наполовину в 11.
Хотим использовать схему injection locking. Смысл такой: берем свет, прошедший через резонатор, и заводим его в лазерный диод, и этот лазерный диод начинает генерировать точно такое же излучение, какое прошло через резонатор. Излучение, пройдя через резонатор, становится очень чистым. В итоге мы глубоко улучшаем лазерную систему, которая используется для взаимодействия с ионами. Нам надо, чтобы они двигались всегда одинаково, а сейчас они двигаются в течение большого промежутка времени — дня например, немного по-разному. С высокой достоверностью — В целом удается повысить достоверность? Мы далеко продвинулись, но последние проценты всегда самые сложные. Мы также увеличиваем время когерентности нашей системы, модернизируя систему компенсации магнитного поля вблизи иона.
Добиваемся, чтобы магнитное поле было одинаковым и стабильным. Раньше мы для этого использовали катушки и прецизионные источники тока, сейчас переходим на постоянные магниты. Это тоже должно расширить спектр задач, которые мы сможем решать на нашем компьютере. Таким образом, мы модернизируем почти все компоненты компьютера и параллельно в соседней комнате собираем еще один. Обращаются с запросом много научных групп, но, к сожалению, большинству мы вынуждены отказывать, потому что стоим перед выбором: либо предоставить им компьютер, либо модернизировать его. И чаще выбираем модернизацию. Хотя бы примерно. Чтобы посчитать молекулу гидрида лития, запускается около 200 цепочек расчетов. 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.
В этом случае не происходит передачи непосредственной информации. Мы передаем именно ключ", — пояснила кандидат физико-математических наук, доцент Московского технического университета связи и информатики Татьяна Казиева. Квантовый ключ представляет собой шифр, и передают его при помощи фотонов света — квантов. Если вы знаете шифр, а точнее, не вы, а ваш компьютер или телефон, они автоматически расшифровывают секретное сообщение. Это может быть что угодно: электронная подпись, информация из банка или страховой компании. При этом злоумышленники добраться до них никогда не смогут. Система тут же отреагирует на любую попытку взлома. Но это не все, на что способны кванты. Два года назад в США сумели перевести в квантовое состояние зеркала антенны массой десять килограммов. Это назвали едва ли не величайшим событием десятилетия — огромные зеркала подобно квантам находились в лаборатории и за ее пределами. И стояли, и двигались, были и в прошлом, и в будущем. Возможно, если мы научимся вводить человека в состояние квантовой гибернации, это с успехом заменит анестезию при операции. 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.
Практически одновременно с IBM о планах выпустить коммерческий 50-кубитовый квантовый компьютер заявила компания Google. Причем сроки названы примерно те же — ближайшие 5 лет. Над созданием квантового компьютера поисковик начал работать еще в 2014 году. Успехи конкурентов подстегивают еще одного крупного игрока — компанию Microsoft. В ноябре прошлого года она объявила о решении удвоить свои усилия в области создания квантового компьютера. В отличие от IBM и Google, компания Билла Гейтса делает ставку на интригующую, но пока недоказанную концепцию топологического квантового вычисления. Одновременно компания разрабатывает программное обеспечение для будущих супермашин. Всего, по данным аналитической компании CB Insights, над задачей создания квантового компьютера бьются не менее 18 корпораций. Среди них — авиастроительные компании Airbus и Lockheed Martin, китайский интернет-ритейлер Alibaba, британская телекоммуникационная компания British Telecommunications, компании Hewlett Packard, Toshiba, Intel, Mitsubishi, Nokia. Эксперты Массачусетского технологического института MIT ожидают , что полноценные квантовые компьютеры, обрабатывающие информацию в разы быстрее современных суперкомпьютеров, появятся на рынке в течение ближайших пяти лет. Подведем итоги Как видите, квантовые технологии — это крайне перспективная область, которая может открыть нам множество тайн природы и помочь решить задачи, над которыми бьется не одно поколение людей. Вопрос о возможности создания универсального квантового компьютера сложный, ведь впереди очень много физических и инженерных проблем. Квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится в ближайшие годы. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
504 — это рекорд для Китая по количеству кубитов в сверхпроводящем квантовом чипе. По данным QuantumCTek, чип Xiaohong используется для проверки килокубитной системы, уже разработанной компанией независимо. Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света. Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации.