Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света.
Подписка на дайджест
- Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения | Quantum Crypto
- КОММЕНТАРИЙ УЧЕНОГО
- Квантовый процессор – это ядро компьютера
- Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
- Какие задачи может решать квантовый компьютер
- Что такое квантовое превосходство
Что такое квантовый компьютер? Разбор
За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0.
Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии
Сообщество ученых и инженеров еще не пришло к единому решению в вопросе о том, какая из известных технологий кубитов является лучшей. По мнению большинства, у разных типов имеются разные области применения. Помимо вычислений, различные квантовые материалы могут быть полезны для квантового зондирования или сетевой квантовой связи. Сверхпроводящие кубиты Сверхпроводящие кубиты в настоящее время являются самой передовой технологией кубитов. Большинство существующих квантовых компьютеров используют сверхпроводящие кубиты, в том числе тот, который "побеждает" самый быстрый суперкомпьютер в мире. Они используют многослойные структуры металл-изолятор-металл, называемые джозефсоновскими переходами. Чтобы превратить эти материалы в сверхпроводники — материалы, через которые электричество может проходить без потерь, — ученые остужают их до очень низких температур. Помимо прочего, пары электронов когерентно движутся через материал, как если бы они были отдельными частицами. Это движение делает квантовые состояния более долгоживущими, чем в обычных материалах. Сейчас все усилия по разработке сосредоточены не изучении того, как улучшить джозефсоновский переход, тонкий изолирующий барьер между двумя сверхпроводниками в кубите.
Влияя на то, как движутся электроны, этот барьер позволяет управлять уровнями энергии электронов. Сделав это соединение как можно более непротиворечивым и маленьким, можно увеличить время когерентности кубита. В одной статье об этих соединениях авторы предлагают рецепт создания восьмикубитного квантового процессора, дополненный экспериментальными ингредиентами и пошаговыми инструкциями. Кубиты с использованием дефектов Дефекты — это места, в которых атомы отсутствуют или неправильно размещены в структуре материала. Эти пространства меняют способ движения электронов в материалах. В некоторых квантовых материалах эти пространства захватывают электроны, позволяя исследователям получать доступ и управлять их спинами. В отличие от сверхпроводников, эти кубиты не всегда должны находиться при сверхнизких температурах. У них есть потенциал, чтобы иметь долгое время согласования и производиться в больших масштабах. Хотя алмазы обычно ценят за отсутствие недостатков, их дефекты на самом деле весьма полезны для кубитов.
Добавление атома азота к месту, где обычно находится атом углерода в алмазах, создает то, что называется центром вакансий азота. Исследователи нашли способ создать трафарет длиной всего два нанометра для создания этих дефектов. Это расстояние помогло увеличить время когерентности этих кубитов и упростило их запутывание. Но полезные дефекты не ограничиваются бриллиантами. Бриллианты дорогие, маленькие, и их трудно контролировать. Нитрид алюминия и карбид кремния дешевле, проще в использовании и уже широко используются в повседневной электронике. Ученые использовали теорию, чтобы предсказать, как правильно физически деформировать нитрид алюминия, чтобы создать электронные состояния для кубитов. Поскольку азотные вакансии возникают в нитриде алюминия естественным образом, ученые должны иметь возможность управлять вращением электронов в нем так же, как в алмазах.
Что такое кванты? Как мы можем пользоваться их открытием? И почему квантовые роботы лучше обычных? Что такое квант "Мы вот-вот оставим цифровой век позади, и наступит квантовая эра, которая принесет невообразимые научные и социальные изменения. Миром станут править квантовые компьютеры", — заявил физик, популяризатор науки и футуролог Мичио Каку. Но что же такое кванты и почему ученые говорят о революции? То есть, чтобы вы понимали, мир, который нас окружает, все, из чего он состоит, это элементарные частицы. И квант — это одна из элементарных частиц", — пояснил кандидат технических наук, доцент Московского технического университета связи и информатики Олег Колесников. И все это обеспечивает невероятную скорость работы суперкомпьютера. А квинтиллион — это цифра с 18 нулями. Сравнивать скорость работы Frontier со скоростью работы вашего ноутбука, это как сравнивать скорость улитки и сверхзвукового истребителя", — отметил профессор машиностроения и физики Массачусетского технологического института Сет Ллойд. А все потому, что в основе японского чуда — не обычные процессоры, а квантовые. Ведь большинство квантовых компьютеров могут работать только при температурах, близких к абсолютному нулю, когда все замедляется и "шум" окружающей среды минимален", — рассказал руководитель группы экспериментальных квантовых вычислений компании — производителя квантовых компьютеров Джери Чоу. Но дело не только в размерах.
Если мы обозначим состояние покоя как 0, а состояние возбуждения — как 1, то атом в квантовой суперпозиции оказывается способным хранить сразу два значения вместо одного. А значит, если мы будем проводить с ним какие-то операции, то эти операции будут производиться одновременно и с нулём, и с единицей. Если же таких атомов много, то с ними можно за раз произвести столько однотипных вычислений, сколько требуется. За счёт этой особенности квантовые компьютеры должны намного эффективнее обычных справляться с задачами, в которых требуется перебор большого количества значений. Примером такой задачи является, например, взлом неизвестного кода. Это сделало бы крайне уязвимыми все существующие защиты от несанкционированного доступа. Например, злоумышленник, обладающий квантовым компьютером, с лёгкостью смог бы получить доступ к любой банковской карте или счёту. Именно поэтому многие банки сейчас активно исследуют возможности квантовой криптографии, которая должна прийти на смену обычной криптографии и за счёт законов квантовой физики гарантирует, что в случае попытки взлома вы как минимум тут же о ней узнаете и сможете оперативно предотвратить возможный ущерб. Но, к сожалению, на данный момент существует не так много задач, для решения которых квантовые компьютеры могли бы действительно быть более эффективными, чем компьютеры обычные. Чтобы задействовать квантовые эффекты в полной мере, нужны специальные алгоритмы, а в подавляющем большинстве случаев такие алгоритмы или невозможны в принципе, или настолько сложны, что пока не разработаны. Поэтому, даже если квантовый компьютер удастся создать в ближайшем будущем, он будет или узконаправленным, как знаменитый D-Wave, или будет работать ненамного быстрее обычного компьютера. Существует, однако, одна область, в которой приход квантовых вычислений может совершить мини-революцию. Эта область — химия. До этого химия была по большей части эмпирической наукой, которая основывалась не на строгих теоретических моделях, а на многочисленных опытных данных. Существовали определённые правила, по которым можно было пытаться предсказывать исход новых химических реакций, но эти правила были далеки от совершенства и в лучшем случае давали только грубое приближение, а зачастую предсказывали совершенно неверный результат. Единственным способом проверить, будет ли та или иная потенциально полезная реакция работать, было непосредственное проведение эксперимента. И если в неорганической химии в силу её большей простоты это ещё как-то работало, то в химии органических веществ большинство открытий совершалось или случайно, или в результате долгой кропотливой работы по перебору большого количества реагентов. В 1920-е годы учёные создали квантовую физику — инструмент, который в принципе позволяет рассчитывать результаты химических реакций на бумаге. Проблема, однако, заключается в том, что точный расчёт даже в простейших случаях требует совершенно немыслимых временных затрат.
Принцип работы квантового компьютера Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера: Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами. Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно! Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то! Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам. Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно: 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров! Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго. У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ. Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз!
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
При успешной реализации планов, квантовый компьютер на базе 12 сверхпроводящих кубитов станет крупнейшим достижением российских ученых в этом направлении. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Они могут работать, как обычные кубиты, так и как кудиты, представляющие собой расширенную версию кубитов. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция.
Что такое кубит?
Они делают системы на ионах, и проблема в том, что там есть ионные ловушки, но есть предел количества ионов, который можно уловить. И надо придумать механизм связывания ловушек между собой. С этим пока большие проблемы — это сильно мешает масштабировать систему. У других платформ есть похожие серьезные проблемы. Еще есть проблемы с оборудованием — иногда под квантовые компьютеры нужно изобретать новые устройства.
Например, специальную оптику, лазеры, вакуумное оборудование, криогенные камеры. Проблем много, но это путь развития — микроэлектроника уже прошла его. Это нормально: под каждый новый процесс промышленность адаптируется и придумываются новые проводящие металлы и другие открытия. Просто вся система пока на ранней стадии зрелости.
На что обратить внимание? Например, количество кубитов — это показатель? Если совсем не понимаешь, — эти бенчмарки очень поверхностно раскроют суть прогресса, а иногда даже введут в заблуждение. Как, например, с количеством кубитов — на самом деле это хорошо, но не говорит о том, насколько система умеет вычислять и с какой точностью.
Для меня важно количество связанных между собой логических кубитов, точность вычисления, время жизни системы и способность вычислять практические алгоритмы. Поэтому кажется, что этим занимается очень ограниченное число организаций. Не значит ли это, что такие устройства будут работать только в пользу корпораций и государств? И можно писать свои квантовые схемы и считать алгоритмы.
Каждый разработчик заинтересован в увеличении количества практических задач, которые можно делать на их квантовом компьютере, поэтому стоимость удешевляется. По количеству инвестиций в сектор можно сделать вывод о том, что прогресс есть. Это косвенный параметр — если сотни инвесторов вкладывают и отрасль растёт, это говорит о многом. Видимо, мы близки к решениям, которые станут практическими.
Но при этом есть всего 80 организаций, которые делают квантовые компьютеры. Но цифры говорят, что в hardware проинвестировали 1,5 млрд. И из них львиную долю забрали 12 компаний. Специалисты здесь нужны в квантовой физике, математике, инженеры нарасхват.
Интересный факт: советская школа здесь считается сильной. Программа разделена на несколько дорожных карт — квантовые вычисления курирует Росатом , коммуникации РЖД и Центр метрологии и сенсоры Ростех.
А вот официальный представитель Пентагона Джон Кирби John Kirby накануне заявил, что ведомство было осведомлено об этой программе, и за работающими на Кубе сотрудниками китайских компаний действительно велась слежка.
При этом никаких фактов, подтверждающих связь Huawei и ZTE с деятельностью китайской разведки, американская сторона так и не предоставила. Используя Tunnel Falls, учёные могут сразу же приступить к экспериментам и расчётам, вместо того чтобы пытаться изготовить свои собственные устройства. В результате становится возможным более широкий спектр исследований, включая изучение основ кубитов и квантовых точек и разработка новых методов работы с устройствами с несколькими кубитами.
Источник изображений: Intel «Tunnel Falls — это самый совершенный на сегодняшний день чип Intel с кремниевыми спиновыми кубитами, созданный на основе многолетнего опыта компании в разработке и производстве транзисторов. Это следующий шаг в долгосрочной стратегии Intel по созданию полнофункциональной коммерческой системы квантовых вычислений. Несмотря на то, что на пути к устойчивому к ошибками квантовому компьютеру необходимо решить фундаментальные вопросы и задачи, академическое сообщество теперь может изучить эту технологию и ускорить развитие исследований», — сообщил Джим Кларк Jim Clarke , директор Quantum Hardware, Intel.
Tunnel Falls производится на 300-мм пластинах на фабрике Intel D1. Каждое кубитное устройство, по сути, представляет собой электронный транзистор, что позволяет изготавливать его по технологии, аналогичной стандартной линии на основе комплементарных оксидов металлов и полупроводников CMOS. Эти чипы могут образовывать конфигурации от 4 до 12 кубитов, которые можно изолировать или использовать в операциях одновременно, в зависимости от потребностей исследователей.
Intel считает, что кремниевые спиновые кубиты превосходят другие технологии кубитов из-за их синергии с передовыми транзисторами. Следует отметить усилия Intel, направленные на дальнейшие исследования аппаратного обеспечения — похоже, что компания не готова остановиться на одном решении. Ведь, как и большинство кубитов, спиновые кубиты на основе полупроводников могут быть реализованы разными способами.
Базовая технология позволяет обнаруживать отдельные электроны в изолированных ямах и управлять их спинами, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии. По его словам, Intel изучает множество параметров, таких как разные размеры квантовых точек, разная геометрия, разная длина кубитов. Intel также встраивает в свой чип средства тестирования для определения производительности.
Intel объявила о сотрудничестве с лабораторией физических наук LPS университета Мэриленда, Qubit Collaboratory LQC в Колледж-Парке, национальным исследовательским центром квантовых информационных наук QIS , Sandia National Laboratories, университетом Рочестера и университетом Висконсин-Мэдисон для продвижения исследований в области квантовых вычислений. Компания планирует предоставить доступ для разработчиков и исследователей к своему набору инструментов Intel Quantum Software Development Kit SDK версии 1. Это своего рода дезагрегированный подход.
На данный момент мы сосредоточены как на программном, так и на аппаратном обеспечении, и в дальнейшем мы объединим их. Предстоит проделать огромный объем работы, чтобы охарактеризовать эти устройства, а затем написать много научных работ», — добавил Кларк. LPS Qubit Collaboratory LQC является одним из исследовательских центров министерства обороны в области квантовых информационных наук QIS , учреждённых в рамках Закона о национальной квантовой инициативе 2018 г.
Intel заявляет, что сотрудничество с LQC поможет демократизировать кремниевые спиновые кубиты, позволив исследователям получить практический опыт работы с их масштабируемыми массивами. По словам Кларка, Intel предоставит квантовые устройства, в то время как исследовательские организации будут нести ответственность за приобретение и настройку необходимой инфраструктуры, такой как системы криоконтроля. Представители научных учреждений, участвующие в программе, единодушны в том, что участие Intel является важной вехой в демократизации исследования спиновых кубитов и их перспектив для квантовой обработки информации и ведёт к объединению промышленности, научных кругов, национальных лабораторий и правительства.
По мнению учёных, устройство представляет собой гибкую платформу, позволяющую напрямую сравнивать различные кодировки кубитов и разрабатывать новые режимы работы, что позволяет внедрять новые квантовые операции и алгоритмы в многокубитном режиме и ускорять скорость обучения в квантовых системах на основе кремния. Исследователи также высоко оценивают надёжность Tunnel Falls, а возможность работать с промышленными устройствами Intel открывает, по их мнению, перспективы для технического прогресса и обучения. Intel планомерно работает над повышением производительности Tunnel Falls и интеграции его в свой полный квантовый стек с помощью комплекта Intel Quantum SDK.
Кроме того, Intel уже разрабатывает свой квантовый чип следующего поколения на базе Tunnel Falls, ожидается, что он будет выпущен в 2024 году. В будущем Intel планирует сотрудничать с дополнительными исследовательскими институтами по всему миру для создания квантовой экосистемы. Есть неплохие кандидаты на роль кубитов, но каждый из них несёт багаж недостатков.
Учёные из Нидерландов попытались создать гибридные кубиты, сочетая лучшие и нивелируя худшие их свойства, и преуспели в этом. Перспективный гибридный кубит лёгок в производстве, прост в управлении и стабилен.
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. Я просто скажу, почему это имеет отношение к кубитам. В первом спины ориентированы одинаково, а в сверхпроводнике они объединены в пары в куперовских парах спины электронов противоположно направлены. Поэтому на первый взгляд при прохождении через ферромагнетик пары должны распадаться, но если слой ферромагного материала достаточно тонкий, этого не происходит.
При этом, однако, при правильном подборе материала происходит сдвиг фаз волновых функций на значение числа пи отсюда и название. На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях.
Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками. Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе. Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно.
Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд. То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями. А чем эти кубиты отличаются от того, который есть у вас? Если не вдаваться в подробности, то это тоже кольца, но в них встроены не только джозефсоновские переходы, но и более сложные элементы.
Обычно СКВИДы используются в качестве сверхчувствительных магнитометров для измерения очень слабых магнитных полей. В СКВИДе волны куперовских пар электронов, пройдя через два джозефсоновских перехода, проявляют интерференцию, похожую на оптическую картину прохождения световых волн через две щели. Амплитуда интерференционного тока зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет в случае трансмона изменять его квантовые уровни энергии. Так что же можно сделать на основе кубитов такого, чего еще никто не делал?
Есть такая интересная задача, как создание квантовых метаматериалов. Она находится на стыке задач лаборатории, созданной в МИСиС, и лаборатории квантового центра, которая занимается кубитами. Мы с уже упомянутым Валерием Рязановым на самом деле присутствуем и там, и там, это два проекта, которые двигаются параллельно. Вот у них сближение как раз в том, что сверхпроводящие метаматериалы, которые изучаются в МИСиС, могут быть превращены в квантовые, если в качестве элементов использовать кубит.
Теперь поиск таких комбинаций стал доступен искусственным путем через квантовые вычисления, с появлением более мощных квантовых компьютеров мы сможем смоделировать возможное существование и взаимодействие всех веществ и элементов. Источник: IBM Quantum Области применения квантовых вычислений Как и обычных компьютеров, сфера применения КК крайне широка, от части мы еще не знаем весь потенциал квантовых вычислений, которые затронут практически все сферы деятельности человека. Аэрокосмическая отрасль. КК необходим для сложных расчетов траекторий полетов, нагрузок с огромным количеством переменных. Будут найдены не только способы расшифровки всех возможных кодирований, но и новые способы квантового шифрования, что приведет к новым возможностям в кибербезопасности. Искусственный интеллект. С появление КК, искусственный интеллект шагнет далеко вперед. Теперь он сможет анализировать миллионы вариантов развития событий. Транспортная компания, осуществляющая доставку в десятки и сотни городов, сможет узнать оптимальный маршрут, чтобы сэкономить на расходах на топливо.
Станет возможно путем сложных расчетов сбалансировать риски инвестиционных портфелей и предсказывать возможную волатильность. Снижение выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия новых материалов. Нефтедобывающие компании моделируют месторождения и способы эффективной добычи. Способность квантовых компьютеров точно моделировать молекулярные реакции, вплоть до субатомного уровня, имеет огромное значение для всего, от открытия лекарств до создания нового поколения легких и долговечных аккумуляторных батарей. Большинство химиков, которые занимались традиционными лабораторными исследованиями, понимают, что часы, месяцы и даже годы могут быть потрачены на то, чтобы попытаться понять, как химические процессы происходят внутри колбы, и научиться контролировать их. Квантовые вычисления обещают ускорить все это. Некоторые задачи невозможно эффективно выполнить даже на самых мощных современных суперкомпьютерах. КК помогут открыть и синтезировать новые вещества. Которые заменят малоэффективные или вредные вещества используемые сейчас.
Это может изменить все начиная от состава пластиковых пакетов до скорости зарядки электромобилей. С появлением сложных вычислений, появилась возможность моделировать взаимодействие сложных белковых молекул. Одна из главных проблем в поиске лекарств, это поиск веществ нейтрализующих вредоносные белки в нашем организме, так называемых ингибиторов. Для поиска нужных веществ, необходимо смоделировать вредоносный белок и смоделировать взаимодействие его с другими молекулами разных веществ. Для выявления полезных комбинаций необходимо создать сотни миллионов комбинаций взаимодействия. Сложные молекулы белков усложняют поиск лекарств. Но с появлением мощных квантовых компьютеров, человечество сможет найти все возможные ингибиторы вредоносных белков.
Что такое квантовый компьютер и как он работает
Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. На первой линейке (кубите) "q[0]" мы видим оператор синий кружок с плюсом внутри. Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации.
Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними.