С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами.
Принципы работы квантового компьютера
- Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы — РТ на русском
- Кульбит кубита. Новейший сверхкомпьютер может победить рак или погубить мир
- Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски
- Что такое кубит?
Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
Квантовый компьютер подчиняется другим законам. И тут важны два понятия: Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, в котором используются явления квантовой механики для обработки данных. Вероятность Классическая механика основана на детерминизме: транзистор либо включен, либо нет, кран или закрыт, или открыт. В квантовой механике во главе угла вероятность. Вопрос «Свет включен? Все знают про мысленный эксперимент физика-теоретика Эрвина Шредингера. Правда, мы слишком любим котиков, поэтому лучше покажем мем с тарелками. В ходе эксперимента Шредингера возникает суперпозиция Тарелки Шредингера одновременно находятся в двух состояниях — мы не знаем, какие из них разобьются, а какие останутся целы. Зато можем предсказать это, основываясь на траектории их падения, циркуляции воздуха в помещении и скорости открытия дверцы. То есть можем математически подсчитать вероятность того, что они разобьются. Своеобразное математическое гадание.
Суперпозиция Вместо битов квантовый компьютер использует кубиты — это частица, которая может находиться в позиции 1, 0, между ними, а также одновременно во всех возможных состояниях… с какой-то вероятностью. Нахождение в любой из комбинаций называется суперпозицией. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0 И вот тут-то загвоздка — значение этой частицы зависит от многих факторов, в том числе и измерения. Мы не знаем точно, в каком именно состоянии находится кубит, пока не решим его измерить. Запутано, правда? Благодаря кубитам со сложными задачами, на решение которых даже суперкомьютеру нужны недели, квантовый справится за считанные минуты. Какие задачи может решать квантовый компьютер Кубиты помогают быстро обрабатывать данные, поэтому их применение почти безгранично: Медицина Квантовые технологии уже применяют для ускоренной разработки, тестирования лекарств и диагностики некоторых заболеваний на ранней стадии. Например, FAR Biotech исследует биоактивные молекулы и белки и новые структурные классы, которые невозможно было бы обнаружить без мощных квантовых компьютеров. Свои исследования компания направляет на борьбу с онкозаболеваниями. В теории в будущем квантовые вычисления откроют новые горизонты в генной инженерии, помогут создавать новые лекарства и моделировать ДНК.
Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, в «большом» мире. Единицей информации, как мы выяснили, в квантовом компьютере является квантовый бит, или кубит, одно из свойств которого — суперпозиция, то есть комбинация всех возможных состояний. Представьте, что нужно открыть N дверей. Обычный компьютер будет открывать их по очереди, квантовый может открыть все сразу. Парадокс кошки Шредингера да, именно кошки — тоже пример суперпозиции, ведь она по условию и живая, и мертвая одновременно. Чтобы понять принцип было проще, компания Microsoft предлагает думать о монетке: если классические биты измеряются подбрасыванием и принимают значение либо орел 0 , либо решка 1 , кубиты могут зафиксировать все возможные варианты положений монеты, включая орла, решку и любые промежуточные состояния. Стоит уточнить, что когда мы говорим о суперпозиции, мы говорим о вероятности кубита оказаться в каждом из промежуточных состояний. А в каком состоянии он действительно находится, мы узнаем только когда на него «посмотрим».
Сравнение бита и кубита, визуализация от Microsoft Кратко о свойствах квантовых битов Суперпозиция — не единственное свойство субатомных частиц. В физике также есть понятия запутанности, квантовой интерференции, коллапса и декогеренции. Запутанность — состояние квантовых частиц двух и более , при котором между ними устанавливается некая связь, даже если они находятся за тысячи километров друг от друга. То есть если вы измените один кубит, запутанный с ним тоже изменится. Добавляя в систему запутанные кубиты, можно экспоненциально увеличить вычислительные возможности квантовых компьютеров. Интерференция — следствие суперпозиции и один из самых загадочных принципов квантовой механики, который упрощенно подразумевает, что частица скажем, фотон может пересекать свою же траекторию и мешать собственному движению. Так как каждое состояние кубита описывается амплитудой вероятностей, эти состояния формируют интерференционную картину. Если хотите разобраться в терминах, почитайте про опыт с двумя щелями Томаса Юнга.
Интерференция может быть конструктивной и деструктивной — создатели квантовых компьютеров используют эти эффекты, чтобы влиять на вероятность определенного состояния для ускорения вычислений. Декогеренция — что-то вроде неконтролируемого коллапса волновой функции. Если в систему кубитов попадет любой шум из окружающей среды электрические и другие помехи, не заметные глазу , суперпозиция нарушится, информация может потеряться что критическим образом повлияет на точность решения задач. Ограничение декогеренции — ключевая задача при создании квантового компьютера.
Ожидается, что они смогут совершить следующую революцию в мире вычислительной техники.
Компьютеры на основе квантовых битов смогут производить вычисления значительно быстрее даже самых мощных современных компьютеров. В разработке принимали участие специалисты из Московского физико-технического института, Российского квантового центра, Национального исследовательского технологического университета МИСиС и ряда других научных учреждений. О разработке сообщается в пресс-релизе. Единицей памяти современных компьютеров являются биты. Они могут принимать только одно значение: 0 или 1.
При решении задачи ПК проводит множество последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени. Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Для решения любых алгоритмических задач они используют квантовые биты — кубиты.
Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. В итоге та задача, на выполнение которой у обычного компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом компьютере за секунду. В настоящее время усилия ведущих игроков сосредоточены в направлении разработки специализированных квантовых вычислителей для конкретной задачи так делает D-Wave и универсальных квантовых компьютеров для решения разных задач IBM, Google.
Первый двухкубитный квантовый компьютер появился в 1998 году. Он работал на так называемом явлении « ядерного магнитного резонанса ». Компьютер использовался в Оксфордском университете, в исследовательском центре IBM и Калифорнийским университетом в Беркли вместе с сотрудниками из Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института.
В 2018 году IBM предложила сторонним компаниям использовать ее 20-кубитный квантовый компьютер через облако. Google представила 53-кубитный компьютер Sycamore и заявила о достижении квантового превосходства. Квантовое превосходство подразумевает способность квантовых вычислительных устройств решать те проблемы, которые не могут решить классические компьютеры.
По заявлению компании, Sycamore потребовалось около 200 секунд, чтобы выполнить выборку одного экземпляра схемы миллион раз. Самому мощному суперкомпьютеру Summit для той же задачи понадобилось бы около 10 тыс. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера.
Это позволил предположить теоретический анализ. В России квантовые технологии также привлекают внимание исследователей. Так, в 2010 году для проведения исследовательских работ в этой области был организован Российский квантовый центр.
В 2019 году была разработана сначала единая дорожная карта, а после — дорожная карта на каждое отдельное направление: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.
Квантовые вычисления для всех
Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127).
Биты и кубиты
- Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
- Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
- Что такое кубиты для квантовых компьютеров
- Международная гонка кубитов
- В погоне за миллионом кубитов
- Квантовые вычисления для всех
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. 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. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат.
Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения
Почему за минуты он способен справиться с задачами, на которые современному суперкомпьютеру потребуются миллиарды лет? Как квантовая криптография может оставить изощренных хакеров без работы? 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.
При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций Honeywell, IonQ , и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах Xanadu, PsiQuantum, Quix. Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.
Чем квантовый компьютер превосходит обычный? Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью. Внутреннее устройство квантового компьютера Фото: IBM Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой. А решение этой задачи позволило бы более грамотно выстраивать навигацию и планировать маршруты по всему миру, что удешевило бы и упростило перемещения людей и грузов. Подобного рода исследования уже проводит Volkswagen совместно с D-Wave и Google. Квантовый компьютер способен обрабатывать огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения проблем в этих отраслях. Наконец, квантовые системы способны найти новые методы шифрования и легко взламывать даже самые сложные шифры.
IBM Quantum уже работает с клиентами над решением подобных проблем. Компания помогает разработать новое поколение электромобилей на технологии квантовых батарей с Daimler; технологию снижения выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия экологичных материалов с ExxonMobil: ищет истоки зарождения Вселенной вместе с CERN. А Google использовала Sycamore для точного моделирования химической реакции.
Это рекордная длина волны, которую можно получать стабильно и делать чипы в пределе 2-3 нм, снижая дифракционный предел различными оптическими ухищрениями. Но что делать дальше, — непонятно. Возможен тупик в уменьшении транзисторов на горизонте 5—10 лет. Данила Шапошников Тут может помочь фундаментальное отличие квантовых и классических вычислений. Классические — последовательны, а квантовые природным образом позволяют делать полностью параллельные вычисления. То есть каждый квантовый бит может вычислять параллельно с другими квантовыми битами системы. При этом бит может иметь несколько состояний одновременно — быть и нулем, и единицей.
Или вообще многоуровневой системой, но мейнстрим сейчас — кубит, у него два уровня. Вычислительная мощность растет экспоненциально с добавлением кубитов в систему 2n. А в обычной системе она растет квадратично n2. Современная наука находится в стадии понимания, что такое квантовая механика. Все законы частиц, взаимодействия атомов между собой описывается законами квантовой механики. Эта наука отличается от того, что было до нее. Например, в квантовой механике есть принцип суперпозиции, благодаря которому размерность пространства состояний растет экспоненциально. Классический компьютер просто не может это смоделировать. А квантовый компьютер сам построен на таких явлениях и умеет работать с такими системами. Плюс в квантомеханической системе есть амплитуды вероятности с комплексными числами — у обычных компьютеров такого нет.
Если взять задачу по разложению какого-то числа в 2 048 бит, то классический алгоритм будет раскладывать его за тысячу шагов и за 1 000 000 000 000 лет. А алгоритм Шора, если бы был квантовый компьютер с нужным количеством кубит, сделает это за 107 шагов — примерно 10 секунд. Пока таких квантовых компьютеров нет, но те, которые есть, уже умеют делать то, на что классическому компьютеру понадобится огромное количество времени. Физик Дэвид ди Винченцо грамотно сформулировал пять основных критериев: Сформулировать, что такое кубит. Они бывают разные, сегодня есть несколько известных платформ — на атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. Уметь вводить кубит в суперпозицию. Понять, как сделать так, чтобы кубит одновременно был нулем и единицей. В каждой из платформ введение в суперпозицию — отдельная задача и это позволяют делать разные физические принципы. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Сохранять это когерентное состояние как можно дольше.
Производить измерения над нашим квантовым компьютером. За каждым из этих явлений стоит много инженерных сложностей.
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. Его установят в клинике города Кливленд в США. Он поможет выявлять новые штаммы вирусов и займется поиском лекарств от болезни Альцгеймера. Но есть и опасения по поводу новой технологии.
Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. 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. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика.
Миллион задач в секунду: как работают квантовые компьютеры
Относительно недавно ученые обнаружили, что в качестве кубитов можно использовать искусственно созданные атомы, в частности, т. По законам квантовой физики, слой диэлектрика оказывается проницаемым для электронов. Построенные из нескольких джозефсоновских контактов системы работают как атомы: они могут излучать и поглощать свет, пребывать в нейтральном и возбужденном состоянии. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика. Лабораторные испытания показали, что объект полностью соответствует техническим характеристикам квантовых битов. С его помощью мы сможем достичь научных результатов, которые пока не получал никто в мире», — сказал руководитель проекта, Олег Астафьев.
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.
Хотя в будущем квантовые компьютеры получат широкое распространение, в настоящее время заказчики более склонны к тому, чтобы выполнять квантовые вычисления через облако, а не совершать рискованные инвестиции в дорогостоящее оборудование. Параллельно с этим будет расти предложение программных приложений для квантовых компьютеров, инструменты для разработки. Появятся специалисты, которые будут развивать инфраструктуру, используя мощь двух технологий — квантовых вычислений и искусственного интеллекта, изучение которых станет неотъемлемой частью учебной программы. В России в рамках создания Национальной квантовой лаборатории на первом этапе планируют запустить образовательные проекты и заняться подготовкой высококвалифицированных кадров. Планируется создать устойчивую экосистему квантовых вычислений и вывести ее на международный уровень, что объединит представителей науки, бизнеса и инноваций.
Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. Кубит представляет собой систему, которая находится в контролируемом состоянии суперпозиции двух стационарных состояний — 0 и 1. Это значит, что, в отличие от классических битов, которые могут находиться в состоянии или 0, или 1, кубиты могут быть в состоянии 0 и 1 одновременно. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Потенциально эти свойства позволяют реализовывать параллельные вычисления и эффективнее классических систем работать с большими объемами информации. Но режим квантового превосходства пока не был достигнут никем — такое устройство могло бы обогнать классические компьютеры в решении большинства задач.
Также появится квантовая информационная инфраструктура, в первую очередь для квантовой криптографии. Это будут стационарные, либо мобильные, но маловероятно, что карманные устройства для квантового распределения ключей. Вполне возможно, что более простые и компактные по сравнению с полноценными компьютерами квантовые вычислительные системы будут использоваться на конечных пользовательских узлах для обработки квантовой информации. Квантовые алгоритмы и возможности квантовых вычислителей Ступень развития, на которой сегодня находятся квантовые вычислители, получила название NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum — квантовые устройства среднего масштаба без коррекции ошибок. Название отражает две главные проблемы, сдерживающие развитие квантовых компьютеров — сложность создания регистра большого объёма и большая подверженность влиянию внешних шумов. Две этих проблемы неразрывно связаны. То, что под влиянием шума квантовые состояния со временем теряют заложенную в них информацию, влияет на нашу способность контролировать одновременно большое число кубитов. Экспериментальные реализации квантовых вычислителей только чуть более года назад перешагнули рубеж в 100 кубитов в регистре [11]. Теоретически, этого уже достаточно, для экспериментальной реализации некоторых алгоритмов криптоанализа. Атака полноценного AES-128 может быть выполнена при 384 доступных кубитах [13]. Однако глубина данного алгоритма такова, что к концу его исполнения полезная информация в вычислительном регистре будет почти полностью уничтожена шумами. Справиться с такими нежелательными эффектами призвана технология коррекции ошибок. Вероятность того, что несколько кубитов одновременно потеряют информацию о своём состоянии под действием шумов — ниже, чем для одного. Для коррекции ошибок вводится понятие логического кубита, состояние которого кодируется несколькими физическими кубитами. Если часть физических кубитов, кодирующих один логический, оказалась зашумлена, их состояния могут быть восстановлены с опорой на информацию, сохранённую в остальных кубитах. Таким образом, для повреждения состояния логического кубита необходимо, чтобы к моменту выполнения коррекции большая доля физических кубитов была значительно зашумлена. Такой подход в теории позволяет бороться с шумами, но кратно увеличивает требования к объёму регистра квантовых вычислителей. Объём регистра, необходимого для выполнения атаки Гровреа на AES с применением коррекции ошибок составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч кубитов. Объём регистра, необходимого для атаки шифра RSA алгоритмом Шора преодолевает порог в сто тысяч кубитов. Возможность реализации вычислителя с регистром такого объёма в ближайшие пять лет представляется крайне маловероятной. Однако не исключено, что первые попытки лабораторной реализации подобных алгоритмов или их элементов начнут появляться к концу десятилетия. Рост числа кубитов по годам Другим возможным подходом к борьбе с шумами является не коррекция, а подавление ошибок [14]. Наиболее распространёнными являются подходы с так называемой экстраполяцией к нулевому шуму и с применением в схеме дополнительных параметризованных гейтов, призванных статистически подавлять влияние специфических шумов. Преимуществом подхода является то, что он не требует увеличения числа физических кубитов в алгоритме. Метод экстраполяции к нулевому шуму является наиболее простым методом подавления ошибки, и он отлично подходит для применения в вариационных квантовых алгоритмах. Данный тип алгоритмов — самый реальный кандидат на практическое использование в NISQ-устройствах. Вариационный алгоритм сочетает использование квантового вычислителя для ускоренного расчёта некоторой целевой функции с использованием классического оптимизатора. Можно сказать, что прямая реализация принципа, высказанного Ричардом Фейнманом: для расчёта состояний квантово-механической системы используется квантовый вычислитель. В зависимости от того, какая квантовая схема используется, оптимизируемая целевая функция может решать задачи квантовой химии, оптимизации или даже криптоанализа [15, 16]. Интереснее всего то, что неизвестны точные асимптотики эффективности квантовых вариационных алгоритмов. В отдельных случаях они способны демонстрировать результаты, превосходящие и классический оптимизатор, и даже квантовый алгоритм Гровера. В совокупности со сравнительно низкими требованиями по числу кубитов вариационные алгоритмы можно оценить как потенциально одну из самых близких к практическому внедрению технологию из области квантовых вычислений. 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.
Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность.
Квантовые вычисления для всех
Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. 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. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
На этом компьютере с помощью облачной платформы запущен алгоритм моделирования молекулы. Компьютер смоделировал молекулу гидрида лития за минуту, на что обычному компьютеру понадобилось бы гораздо больше времени. На сегодня это самый мощный квантовый компьютер в стране. Подпишитесь , чтобы быть в курсе. Компьютер разработала команда ученых из Российского квантового центра и физического института им.
Лебедева РАН при координации госкорпорации «Росатом».
Такие алгоритмы уже существуют — но заточены они на решение узких математических задач, а потому мало применимы в реальной жизни. Переложить реальные человеческие задачи на квантовый язык непросто — отчасти поэтому такие машины ещё нескоро станут массовыми. Другая сложность — декогеренция. Это когда частица теряет свои свойства при столкновении с внешним миром. Дело в том, что суперпозиция — штука тонкая, и нарушить её может буквально что угодно: от солнечной бури до изменения климата. Поэтому здесь не получится просто накрыть всё медной крышкой и замазать термопастой — надо искать изоляцию посерьёзнее : Разработка такой изоляции — отдельный технологический вызов. Пока что единственный рабочий способ — охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы защитить её от внешних воздействий. Делается это обычно с помощью жидкого азота, ионных ловушек или магнитного поля, а потому такая система охлаждения выглядит весьма увесисто. А ещё — довольно сложны в производстве.
Но учёные уверены, что это преодолимо: достаточно вспомнить, сколько места занимал один из первых компьютеров Mark I. И ничего — сейчас его далёкие потомки красуются в большинстве комнат и офисов мира. Читайте также: Глупый мотылёк догорал на свечке: как американцы собрали первый компьютер и придумали баги Первый квантовый компьютер Путь к созданию первой в мире квантовой машины был долгим. Всё началось ещё в 1950-х, когда знаменитый физик Ричард Фейнман впервые предложил использовать квантовые эффекты для вычислений. Отчасти за эту работу он в 1965 году удостоился Нобелевки. А ещё Фейнман известен цитатой о том, что по-настоящему квантовую механику не понимает никто. И здесь опять отметился Фейнман — в 1982 году он публикует знаковую статью «Физическое моделирование с помощью компьютеров», в которой, по сути, впервые описывает принципы работы квантового компьютера. Примерно в те же годы математик Юрий Манин предложил идею квантовых вычислений, а американский физик Пол Бениофф — квантово-механический вариант машины Тьюринга. Первую рабочую модель квантового компьютера представили учёные из MIT в 1997 году. Двухкубитная система работала на принципах ядерно-магнитного резонанса того же самого, что используется в аппаратах МРТ.
Модель умела решать довольно сложные задачи по алгоритму Дойча — Йожи. Дальше свои версии ЯМР-компьютеров стали по цепочке появляться во многих мировых институтах и лабораториях — к сожалению, их фотографии отыскать в Сети довольно сложно — учёные неохотно публикуют изображения своих детищ, вероятно, из соображений секретности. Зато ими охотно делились корпорации в своих пресс-релизах. Вот, например, фото первого в мире 16-кубитного процессора от компании D-Wave, одного из ведущих вендоров в этой отрасли.
Принципиальное отличие в том, что кубит может находиться еще и в так называемой суперпозиции — то есть, принимать промежуточные состояния.
Понять это простым смертным не стоит и пытаться — квантовый мир полон причудами. Но именно они и позволят в будущем фантастически увеличить скорость и мощность вычислений. Однако есть препятствия. Кубиты — «создания» очень нежные, если можно так выразиться. Чувствительны к внешним возмущениям — чуть что «погибают».
То есть, утрачивают свои энергетические состояния. А вместе с ними и информацию. Ученые, естественно, работают над тем, чтобы продлить «жизнь» кубитов в квантовых компьютерах. Недавно исследователи из Йельского университета Yale University in Connecticut установили своеобразный рекорд — кубиты у них прожили 1,8 миллисекунды.
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. Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться? Естественно, не для распихивания людей по автобусам. Задач множество.
Главная — базы данных и поиск по ним, работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы? Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен! Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка.