Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Начинаем погружаться в основу основ квантовой связи и квантовой информатики, так что сегодня узнаем, что такое кубит, для чего он нужен и в каких направления. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации.
Квантовые вычисления для всех
Последние новости о разработке собраны в этой статье. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации. 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. Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность.
Квантовые вычисления для всех
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. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии. Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера.
Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы.
Как видите, никто не собирается с помощью квантовых компьютеров управлять ядерными реакторами, это было бы самоубийством. Но моделировать ядерные реакции в научных целях вполне можно. Там вероятности появления ошибок поглощаются и взаимоуничтожаются большой массой однотипных вычислений, и не оказывают никакого влияния на общий результат. Резюме — квантовые вычисления применимы там, где они дают преимущество, и никто не будет их применять в чистом виде там, где нужна однозначная точность результата. Заключение Тема сложная, и эта статья не даёт представление о механике работы квантового компьютера в целом.
Мы лишь разобрались в первом приближении, чем и как оперирует кубит. Для полного понимания логики работы квантового компьютерра нужны углублённые знания математики, а для полного понимания физического принципа работы нужны углублённые знания в квантовой физике. Нахрапом всего этого не освоить, так что, если вам интересна эта тема, попробуйте «кушать слона по частям». На сегодня всё. Ставьте нравлики, если моё объяснение хоть немного прояснило для вас тему квантовых компьютеров, я буду рад этому. Пишите ваши дополнения и уточнения в комментариях, тоже буду очень признателен.
На выполнение той же задачи у суперкомпьютера IBM ушло бы 10 000 лет. Суперкомпьютер Google. Как кубит может принимать все значения разом Вы можете спросить: как так вышло, что в предыдущем параграфе кубит принимает значения 0 и 1 одновременно, а в этом — одновременно все возможные состояния, которые могут находиться и на промежутке от 0 до 1? Это справедливое замечание. Дело в том, что у частиц есть ещё одно примечательное свойство: они находятся в состоянии суперпозиции до тех пор, пока не окажутся под наблюдением, но как только кто-то начинает наблюдать их, они принимают полярное значение в множестве возможных — либо 0, либо 1. Всё зависит от того, к какому полярному значению частица находится ближе до того момента, как к ней обратились. Что такое квантовая запутанность Квантовая запутанность quantum entanglement — это фундаментальное явление в квантовой механике, когда два или более кубита или другие квантовые системы становятся так плотно связанными, что состояние одного кубита немедленно влияет на состояние другого, независимо от расстояния между ними. Грубо говоря, это большой часовой механизм, который состоит из кубитов, как из шестерёнок. Если повернуть одну шестерёнку, неизменно повернётся другая. Если изменить состояние одного кубита, это непременно повлияет на состояние другого.
В квантовых процессорах находятся несколько кубитов. К примеру, в 2022 году IBM представила компьютер с 433 кубитами. Поскольку они взаимодействуют между собой, возникает эффект совместной суперпозиции. Каждая частица в квантовом процессоре находится в суперпозиции, но теперь её значение в момент наблюдения зависит ещё и от другой частицы, с которой она взаимодействует. Это — огромный калейдоскоп, в котором до того момента, как в него посмотрит человек, одновременно выстраиваются все возможные узоры во всех вероятных положениях цветных стёклышек. Соответственно, вычислить, существует ли узор Х из многочисленных последовательностей стёкол, теперь можно гораздо быстрее и проще, чем если крутить футляр калейдоскопа до тех пор, пока не найдётся искомый результат. Что такое квантовое декогеренцирование Итак, мы знаем, что кубит находится в суперпозиции до тех пор, пока не измерить его значение. Во время наблюдения кубит принимает полярные значения — условные 0 или 1.
Так работает обычный компьютер.
Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Причем перекрываются в разной пропорции, то есть количество состояний кубита бесконечно, и его можно записать как сумму состояний ноль и один с разными коэффициентами которые, вообще говоря, комплексные числа таким образом, что сумма квадратов модулей коэффициентов равняется единичке. Какова физическая реализация кубита у вас? Наши кубиты реализованы в виде напыленного на полупроводниковую подложку тонкого металлического у нас алюминиевого плоского кольца. По сути, они представляют собой разрыв в кольце, расстояние между берегами которого составляет несколько нанометров. Берега разделены прослойкой диэлектрика, в нашем случае просто оксидом алюминия. Главное свойство этих переходов заключается в том, что из-за явления туннелирования через эти разрывы протекает сверхпроводящий ток. Это явление было предсказано 50 лет назад Брайаном Джозефсоном. Десятки милликельвин.
Как достигаются такие низкие температуры? Это довольно стандартная технология. Для охлаждения объекта до нескольких кельвин подходит обычный жидкий гелий. Именно он позволяет получать еще более низкие температуры при атмосферном давлении. Речь идет о температурах порядка десятых долей кельвина. Наконец, чтобы опуститься еще ниже, требуется специальная смесь изотопов гелия-3 и гелия-4. В общем, такие низкие температуры можно получать, просто включив прибор в розетку. Там же есть еще один, работающий на гелии-4. Что в вашем кубите играет роль нулей и единиц, то есть двух основных состояний?
В нашем кольце кубит, напомним, реализован как кольцо на полупроводниковой подложке при приложении определенного магнитного поля существуют два равновероятностных состояния. Они равновероятностные потому, что имеют одинаковую энергию то есть ни одно из состояний не является более выгодным энергетически для всей системы, чем другое. Эти состояния соответствуют незатухающему сверхпроводящему току, текущему по кольцу по часовой и против часовой стрелки соответственно. Это и есть ноль и единица. Физики говорят, что в кубите возникает суперпозиция этих двух состояний. Суть явления туннелирования заключается в следующем: квантовые частицы, в отличие от классических, могут с некоторой вероятностью проходить сквозь потенциальные барьеры. То есть, например, заряженная частица может пролетать сквозь барьер из изолятора, как в случае с кубитом.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия).
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
Но пользователей в интернете не так просто обмануть — подвох нашли быстро. Иранская разработка оказалась обычным процессором. Пока купить квантовый компьютер могут лишь крупные компании и научные лаборатории, где цена будет оправдана. Но пока вычислительные машины на кубитах не настолько превосходят обычные ЭВМ и подходят лишь для определенного рода задач. Впрочем, в ближайшее десятилетие ученые панируют это изменить. А облачные вычисления на процессорах будущего доступны простым пользователям уже 8 лет: IBM в 2016 году запустила облачную платформу IBM Q Experience с удалённым доступом к квантовому компьютеру. Самый мощный квантовый компьютер для коммерческого использования на сегодня содержит 5 000 кубитов. Это разработка немецкого исследовательского центра на базе канадской системы D-Wave, Advantage, так назвали машину. Ее возможности можно протестировать — вычисления доступны через облако. Первые квантовые ЦОД Сейчас квантовые машины используют в основном в лабораториях — им нужны особые условия.
Это не ПК и не ноутбук, который можно легко взять с собой в дорогу — компьютер на кубитах по размеру больше холодильника. Суть в том, что чем больше кубитов, тем более неустойчивой становится система. Пока самый успешный концепт холодильника для квантовых компьютеров представила D-Wave. Несмотря на особые условия размещения, которые не просто обеспечить, в сети уже появились новости о строительстве первых квантовых дата-центров — IBM планирует построить первый ЦОД для суперкопьютеров в Германии. С его помощью компания планирует облегчить доступ к передовым вычислениям исследовательским и государственным учреждениям. Но квантовые технологии не только научный прорыв, а еще и вызов для ученых — для защиты квантовых данных уже недостаточно обычных методов асимметричного шифрования, любые данные с суперкомпьютером можно взломать за несколько минут. Для безопасной и быстрой передачи данных уже сейчас прокладывают квантовые магистральные связи — в России такая линия соединяет Москву, Санкт-Петербург и Нижний Новгород, в ближайшие несколько лет продолжат подключать и другие города. Сеть позволит шифровать данные алгоритмом квантового распределения ключей, который усиливает защиту информации за счет своей симметричности. Первый видеозвонок по квантовой сети прошел успешно.
И тот, кто сумеет разработать супертехнологию, получит способ изменить мир вычислений. Пока возможности квантового компьютера ограничены — разработки находятся на первой стадии развития.
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. Эти кубиты существуют только при температурах близких к абсолютному нулю, создаваемых в холодильной установке. Язык программирования квантовых вычислений Квантовые алгоритмы предоставляют возможность анализировать данные и создавать модели на основе данных.
Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования. Исследователи и технологические компании разработали несколько квантовых языков. Q : язык программирования, включенный в Microsoft Quantum Development Kit.
Комплект разработчика включает в себя квантовый симулятор и библиотеки алгоритмов. Cirq: квантовый язык, разработанный Google , который использует библиотеку python для написания схем и запуска этих схем в квантовых компьютерах и симуляторах. Forest: среда разработки, созданная Rigetti Computing, которая используется для написания и запуска квантовых программ.
Использование квантовых вычислений Настоящие квантовые компьютеры стали доступны только в последние несколько лет, и только несколько крупных технологических компаний имеют квантовый компьютер. Эти технологические лидеры работают с производителями, фирмами, оказывающими финансовые услуги, и биотехнологическими компаниями, чтобы решить множество проблем. Доступность квантовых компьютерных услуг и прогресс в области вычислительной мощности дают исследователям и ученым новые инструменты для поиска решений проблем, которые раньше было невозможно решить.
Квантовые вычисления сократили количество времени и ресурсов, необходимых для анализа невероятных объемов данных, моделирования этих данных, разработки решений и создания новых технологий, которые решают проблемы. Бизнес и промышленность используют квантовые вычисления для изучения новых способов ведения бизнеса. Вот несколько проектов в области квантовых вычислений, которые могут принести пользу бизнесу и обществу: Аэрокосмическая отрасль использует квантовые вычисления для поиска лучшего способа управления воздушным движением.
Финансовые и инвестиционные фирмы надеются использовать квантовые вычисления для анализа риска и доходности финансовых вложений, оптимизации портфельных стратегий и урегулирования финансовых переходов.
В России представлен 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. К концу года могут представить 20-кубитный квантовый компьютер А до конца 2024 года в России может появиться и 100-кубитный квантовый компьютер Сегодня на Форуме будущих технологий в Москве учёные представили 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. Его показали Владимиру Путину. Во время демонстрации на этом компьютере был запущен алгоритм моделирования молекулы.
Тогда американский математик Питер Шор показал, что они быстрее обычных компьютеров взламывают систему шифрования RSA. Разведка и злоумышленники могут перехватывать зашифрованные сообщения и хранить в надежде, что в будущем появятся КК для их расшифровки. 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?
Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему
К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах.