Обычные компьютеры работают на битах, квантовые — на кубитах, то есть используют принципы элементарных частиц, которые позволяют экспоненциально наращивать вычислительную мощность. В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит.
Как работает квантовый компьютер
- Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему
- Упрямый кубит
- Российские разработки отстают на 5 лет
- Задача коммивояжера не под силу даже суперкомпьютеру
Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. 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. Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд.
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
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. По сравнению с ними кубиты могут кодировать сразу и логическую единицу, и ноль, что открывает совершенно новые возможности хранения и обработки цифровой информации. Физическим объектом в роли кубитов могут выступать атомы или электроны.
Квантовые компьютеры имеют потенциал применения в разных областях, таких как химия, биология, транспорт, медицина и криптография.
Однако построение полноценного универсального квантового компьютера является сложной и дорогостоящей задачей, которая требует новых открытий и достижений в физике. Поэтому некоторые компании предлагают использовать квантовые компьютеры через облако. Это означает, что пользователи могут получать доступ к квантовым вычислениям через интернет, не имея собственного квантового компьютера. Такой подход имеет ряд преимуществ: Уменьшение стоимости и сложности владения и обслуживания квантового компьютера. Увеличение доступности и масштабируемости квантовых вычислений для широкого круга пользователей и приложений. Ускорение развития и инноваций в области квантовых технологий.
Они предлагают разные платформы и сервисы для работы с квантовыми компьютерами, такие как: IBM Quantum Experience — платформа для создания и запуска квантовых алгоритмов на реальных или симулированных квантовых процессорах IBM. Google Quantum AI — платформа для разработки и тестирования квантовых приложений на квантовых процессорах Google или с помощью симулятора Cirq. D-Wave Leap — сервис для доступа к адиабатическим квантовым компьютерам D-Wave, которые специализируются на решении задач оптимизации. Для использования этих платформ и сервисов пользователи должны зарегистрироваться на сайтах компаний и следовать инструкциям для подключения к квантовым компьютерам. Также они должны знать основы квантового программирования и использовать специальные языки или фреймворков. Примеры квантовых приложений Квантовые компьютеры могут быть использованы для решения различных задач, которые трудно или невозможно выполнить на классических компьютерах.
Некоторые из этих задач включают: Квантовая химия — моделирование молекулярных структур и реакций с помощью квантовых алгоритмов. Это может помочь в разработке новых лекарств, материалов и катализаторов. Квантовая оптимизация — поиск оптимальных решений для сложных задач, таких как распределение ресурсов, планирование маршрутов и расписание производства. Это может помочь в повышении эффективности и снижении затрат в разных отраслях. Квантовая криптография — обеспечение безопасности передачи и хранения данных с помощью квантовых протоколов, таких как квантовый ключевой распределение. Это может помочь в защите от кибератак и шпионажа.
Квантовое машинное обучение — применение квантовых алгоритмов для анализа и классификации больших объемов данных. Это может помочь в распознавании образов, прогнозировании и рекомендациях. Для демонстрации возможностей квантовых компьютеров некоторые компании и организации уже проводят эксперименты с квантовыми приложениями. Например: Google совместно с NASA и USRA использовал свой 53-кубитный квантовый компьютер Sycamore для моделирования химической реакции гидрогена с нитрогеназой — ферментом, который участвует в фиксации азота в почве. IBM совместно с ExxonMobil использовал свой 20-кубитный квантовый компьютер IBM Q для оптимизации распределения грузопотоков в нефтехимическом комплексе. Microsoft совместно с Case Western Reserve University использовал свою платформу Azure Quantum для обработки медицинских изображений с помощью квантового машинного обучения.
D-Wave совместно с Volkswagen использовал свой 2000-кубитный адиабатический квантовый компьютер D-Wave 2000Q для планирования оптимальных маршрутов для такси в Пекине. Эти примеры показывают, что квантовые компьютеры уже способны решать некоторые практические задачи, хотя они еще далеки от полной реализации своего потенциала. В будущем ожидается, что квантовые компьютеры будут иметь больше возможностей и применений в разных сферах жизни. Технические характеристики реально существующих квантовых компьютеров Квантовые компьютеры могут быть реализованы на разных физических платформах, которые используют разные типы кубитов. Кубиты могут быть связаны друг с другом через квантовую запутанность, что позволяет проводить сложные вычисления. Существует несколько основных параметров, которые характеризуют квантовые компьютеры: Число кубитов — определяет размер квантового состояния и количество информации, которое может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере.
Чем больше кубитов, тем больше возможностей для решения сложных задач. Коэрентное время — определяет время, в течение которого кубит сохраняет свое квантовое состояние без потери информации из-за воздействия внешних факторов. Чем дольше коэрентное время, тем надежнее работает квантовый компьютер. Скорость операций — определяет время, необходимое для выполнения одной элементарной операции над одним или несколькими кубитами. Чем выше скорость операций, тем быстрее работает квантовый компьютер.
В настоящее время существует несколько основных типов кубитов, которые используются для создания квантовых компьютеров: Сверхпроводящие кубиты — основаны на электрических цепях из сверхпроводящих материалов, которые имеют два дискретных энергетических уровня. Сверхпроводящие кубиты имеют высокую скорость операций и масштабируемость, но низкое коэрентное время и точность операций. Ионные кубиты — основаны на заряженных атомах ионах , которые поддерживаются в ловушке электрическим или магнитным полем. Ионные кубиты имеют высокое коэрентное время и точность операций, но низкую скорость операций и масштабируемость.
Фотонные кубиты — основаны на световых частицах фотонах , которые могут быть кодированы поляризацией или частотой. Фотонные кубиты имеют высокое коэрентное время и скорость операций, но низкую точность операций и масштабируемость. Фотонные кубиты используются в квантовых компьютерах Xanadu и PsiQuantum. Спиновые кубиты — основаны на спине электрона или ядра атома, который может быть ориентирован вверх или вниз. Спиновые кубиты имеют среднее коэрентное время и точность операций, но высокую масштабируемость. Спиновые кубиты используются в квантовых компьютерах Intel и QuTech. Рассмотрение ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений Индустрия квантовых вычислений является одной из самых динамичных и конкурентных в сфере высоких технологий. В этой области участвуют как традиционные ИТ-гиганты, так и стартапы, а также академические и правительственные организации. Вот некоторые из ключевых игроков в индустрии квантовых вычислений: IBM — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих кубитов.
Компания имеет самый большой парк квантовых компьютеров, доступных через облачный сервис IBM Quantum Experience. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Qiskit и среда IBM Quantum Composer. Google — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих кубитов. Компания заявила о достижении квантового превосходства в 2019 году с помощью своего 53-кубитного компьютера Sycamore. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Cirq и среда Google Quantum Playground. Intel — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих и спиновых кубитов. Компания имеет собственную лабораторию Intel Labs , где проводит исследования и разработки в области квантовых технологий. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык Q и среда Intel Quantum Simulator. IonQ — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе ионных кубитов.
Компания имеет самый мощный коммерческий квантовый компьютер на 32 кубитах, доступный через облачный сервис IonQ Cloud. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык QUIL и среда IonQ Studio. Xanadu — один из лидеров в разработке и предоставлении доступа к универсальным квантовым компьютерам на основе фотонных кубитов. Компания имеет самый мощный коммерческий квантовый компьютер на 24 фотонных кубитах, доступный через облачный сервис Xanadu Quantum Cloud. Компания также разрабатывает программное обеспечение и инструменты для квантового программирования, такие как язык PennyLane и среда Xanadu Quantum Playground. Перспективы развития индустрии квантовых вычислений Индустрия квантовых вычислений имеет большой потенциал для решения сложных задач в различных областях науки, технологии, бизнеса и общества. Среди возможных применений квантовых компьютеров можно выделить следующие: Моделирование химических реакций и свойств материалов — это позволит создавать новые лекарства, биотоплива, батареи, солнечные панели и космические аппараты. Оптимизация сложных систем и процессов — это позволит улучшать эффективность и качество в областях, таких как логистика, транспорт, энергетика, финансы и маркетинг. Криптография и кибербезопасность — это позволит создавать новые способы шифрования и дешифрования данных, а также взламывать существующие криптосистемы.
Искусственный интеллект и машинное обучение — это позволит ускорять и улучшать алгоритмы обработки больших объемов данных, распознавания образов, генерации текста и речи, анализа эмоций и принятия решений. Однако индустрия квантовых вычислений также сталкивается с рядом проблем и вызовов, которые затрудняют ее развитие и коммерциализацию. Среди них можно выделить следующие: Техническая сложность и высокая стоимость — построение и поддержание квантовых компьютеров требует использования сложных технологий и материалов, а также специальных условий, таких как сверхнизкие температуры, высокое вакуум и изоляция от внешних помех. Это делает квантовые компьютеры дорогими в производстве и эксплуатации. Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации.
Именно вероятности выпадения значений «хранятся» в суперпозиции. Рука об руку с принципом суперпозиции работает эффект квантовой зацепленности. Две взаимосвязанные квантовые частицы синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними миллионы световых лет. Зацепленность дает возможность собирать кубиты в «наборы». Если в наборе из двух бит можно хранить одну определенную последовательность из двух значений нулей или единиц , то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательностей из двух этих значений.
А это намного больший объем информации. Как устроен квантовый компьютер: принцип работы После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение. Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера. Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу. Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе. Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко.
Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях вакуум, охлаждение до сверхнизких температур , разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц. Нетривиальная задача, не правда ли? Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты. В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды.
Существуют разные языки программирования для квантовых систем например QCL, Quantum computing language , но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений.
Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации. В то время как кубиты имеют четыре значения, в нейронных сетях их несравненно больше, а образуемые ими структуры намного разнообразнее, чем entanglement. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды.
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать. И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки. Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной! 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.
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. Свойства материалов при взаимодействии с таким излучением определяются только их внутренней структурой. Сейчас метаматериалы, особенно микроволновые, крайне популярны. Например, с помощью них создаются « плащи-невидимки », скрывающие объекты от того же излучения. Все эти вещи делались с классическими резонаторами, которые имеют, во-первых, потери, что в сверхпроводниках отсутствует, а во-вторых, совершенно не квантовые. В данном случае мы можем руками сделать фактически метаматериал, состоящий из метаатомов, которые ведут себя как настоящие двухуровневые системы и в состоянии ноль и один. Эти материалы могут оказаться гораздо интереснее обычных метаматериалов, ведь сила взаимодействия кубитов с электромагнитным полем сильнее в разы.
Как отметили исследователи, располагая в каждом куквинте по два кубита и используя пятый уровень в качестве вспомогательного, можно значительно сократить число двухчастичных гейтов в его разложении по сравнению с расположениями на кубитах и таким образом повысить качество выполнения квантовых алгоритмов. Для демонстрации процессов был выбран именно этот алгоритм, так как для его выполнения необходимо неоднократно реализовать многокубитные гейты. Мы сравнили три способа декомпозиции многокубитных вентилей в рамках выполнения данного алгоритма на 2-10 кубитах, когда в качестве носителей информации используются кубиты, кутриты и куквинты, и продемонстрировали, как сокращается число двухчастичных гейтов», — пояснила эксперт научного проекта НИТУ МИСиС, научный сотрудник РКЦ Анастасия Николаева. Например, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88. Полученные учеными результаты применимы к квантовым процессорам , основанным на различных физических платформах, таких как ионы, нейтральные атомы, сверхпроводящие цепи и другие. Статья опубликована в научном журнале Entropy. Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты — альтернативу популярным трансмонам. Особенность флаксониумов состоит в более продолжительном жизненном цикле и большей точности операций, что дает возможность выполнять более длинные алгоритмы. Как известно, одна из основных проблем разработки универсального квантового вычислителя заключается в кубитах, а именно — из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров : электронов, фотонов, ионов, сверхпроводников или других кандидатов в «квантовые транзисторы». За последние десять лет сверхпроводниковые кубиты получили огромный толчок в развитии. При этом самыми коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами по состоянию на 2022 год являются трансмоны, которые активно исследуются и используются в квантовых разработках Google , IBM и других мировых лабораторий, рассказали в НИТУ МИСИС. По словам ученых, главная задача кубита — целостно хранить и обрабатывать информацию. Случайный шум и даже просто наблюдение способны привести к потере или изменению данных. Для устойчивой работы сверхпроводниковых кубитов часто необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды — близкая к нулю Кельвин, что в сотни раз холоднее температуры открытого космоса. В ходе испытаний для защиты кубитов от шума исследователи добавили в цепь супериндуктор — сверхпроводниковый элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току, который представляет собой цепочку из 40 джозефсоновских контактов — структур из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Основной плюс флаксониумов заключается в том, что с ними можно работать на низкой частоте — порядка 600МГц. Известно, что чем меньше частота, тем больше время жизни кубитов, а значит больше операций с ними можно выполнить. В ходе испытаний оказалось, что диэлектрические потери флаксониевых кубитов позволяют держать состояние суперпозиции дольше, чем у трансмонов», — рассказал Илья Беседин, один из авторов исследования, инженер научного проекта лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС. В качестве элемента, преобразующего входные состояния кубитов на выходные, ученые использовали высокоточные двухкубитные вентили fSim и CZ. А для того, чтобы привести кубиты в резонанс друг с другом применялась параметрическая модуляция потока одного из кубитов системы. В целом, по мнению ученых, полученные результаты открывают многообещающий подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям с низкочастотными кубитами, которые благодаря своим улучшенным когерентным свойствам могут стать конкурентоспособной альтернативой широко используемым сверхпроводниковым процессорам на кубитах-трансмонах. В дальнейшем планируется продолжать исследования с вычислениями на базе кубитов-флаксониумов, а именно: оптимизировать систему управления кубитами, улучшить показатели считывания и приступить к разработке многокубитных систем на их основе. Статья об исследовании, которое приближает создание квантового компьютера к реальности, опубликована в npj Quantum Information — Nature. Команда исследователей под руководством члена научного совета РКЦ профессора Алексея Устинова провела эксперимент по измерению состояния сверхпроводящего кубита. Ученым удалось наблюдать периодически изменяющийся сигнал кубита, а также измерить его резонансную частоту. Сверхпроводящие кубиты представляют собой колечки сверхпроводника диаметром несколько микрон. В некоторых местах колечек есть разрывы нанометровых размеров - их называют джозефсоновскими переходами. Сверхпроводящие колечки охлаждают до очень низкой температуры с помощью смеси жидких гелия-3 и гелия-4 и помещают в сверхточно настроенное слабое магнитное поле. В результате они приобретают квантовые свойства, сходные со свойствами атомарных спинов. Российские ученые смогли создать экспериментальный чип с 7-ю сверхпроводящими кубитами, помещенными в микроволновые резонаторы. Взаимодействие со сверхпроводящим кубитом влияет на спектр микроволнового излучения, что позволяет судить о текущем состоянии кубита, не нарушая это состояние, то есть обойти проблему декогеренции. Самый стабильный из 7 кубитов подвергался измерениям в МИСиС.
По состоянию на апрель 2023 года, большая часть исследований, посвященных квантовым операциям, сосредоточена на кубитах — все операции, которые применяются к квантовой системе, представляются в виде одно- и двухкубитных квантовых вентилей, преобразующих входные состояния кубитов в выходные по определенному закону. Для работы с кудитами важно найти новые подходы с математической точки зрения. Ученые Университета МИСиС и Российского квантового центра рассмотрели один из способов использования куквинтов — 5-уровневых кудитов — и представили модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли. В качестве примера рассмотрен квантовый алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. Известно, что, используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор. Такое рассмотрение помогает одновременно и сократить число физических носителей информации, и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей, или как их еще называют — гейтов — сложных логических операций с кубитами. Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить число двухчастичных гейтов, то есть задействующих две физические системы», — рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров. Заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров В качестве раскладываемого многокубитного гейта ученые выбрали часто встречающийся в квантовых алгоритмах многокубитный гейт Тоффоли — обобщенную на n кубитов версию универсального контролируемого обратимого вентиля. Его применение инвертирует состояние n-го кубита, если все остальные n-1 кубитов находятся в состоянии 1. Как отметили исследователи, располагая в каждом куквинте по два кубита и используя пятый уровень в качестве вспомогательного, можно значительно сократить число двухчастичных гейтов в его разложении по сравнению с расположениями на кубитах и таким образом повысить качество выполнения квантовых алгоритмов. Для демонстрации процессов был выбран именно этот алгоритм, так как для его выполнения необходимо неоднократно реализовать многокубитные гейты. Мы сравнили три способа декомпозиции многокубитных вентилей в рамках выполнения данного алгоритма на 2-10 кубитах, когда в качестве носителей информации используются кубиты, кутриты и куквинты, и продемонстрировали, как сокращается число двухчастичных гейтов», — пояснила эксперт научного проекта НИТУ МИСиС, научный сотрудник РКЦ Анастасия Николаева. Например, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88. Полученные учеными результаты применимы к квантовым процессорам , основанным на различных физических платформах, таких как ионы, нейтральные атомы, сверхпроводящие цепи и другие. Статья опубликована в научном журнале Entropy. Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты — альтернативу популярным трансмонам. Особенность флаксониумов состоит в более продолжительном жизненном цикле и большей точности операций, что дает возможность выполнять более длинные алгоритмы. Как известно, одна из основных проблем разработки универсального квантового вычислителя заключается в кубитах, а именно — из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров : электронов, фотонов, ионов, сверхпроводников или других кандидатов в «квантовые транзисторы». За последние десять лет сверхпроводниковые кубиты получили огромный толчок в развитии. При этом самыми коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами по состоянию на 2022 год являются трансмоны, которые активно исследуются и используются в квантовых разработках Google , IBM и других мировых лабораторий, рассказали в НИТУ МИСИС. По словам ученых, главная задача кубита — целостно хранить и обрабатывать информацию. Случайный шум и даже просто наблюдение способны привести к потере или изменению данных. Для устойчивой работы сверхпроводниковых кубитов часто необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды — близкая к нулю Кельвин, что в сотни раз холоднее температуры открытого космоса. В ходе испытаний для защиты кубитов от шума исследователи добавили в цепь супериндуктор — сверхпроводниковый элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току, который представляет собой цепочку из 40 джозефсоновских контактов — структур из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Основной плюс флаксониумов заключается в том, что с ними можно работать на низкой частоте — порядка 600МГц. Известно, что чем меньше частота, тем больше время жизни кубитов, а значит больше операций с ними можно выполнить. В ходе испытаний оказалось, что диэлектрические потери флаксониевых кубитов позволяют держать состояние суперпозиции дольше, чем у трансмонов», — рассказал Илья Беседин, один из авторов исследования, инженер научного проекта лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС. В качестве элемента, преобразующего входные состояния кубитов на выходные, ученые использовали высокоточные двухкубитные вентили fSim и CZ. А для того, чтобы привести кубиты в резонанс друг с другом применялась параметрическая модуляция потока одного из кубитов системы. В целом, по мнению ученых, полученные результаты открывают многообещающий подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям с низкочастотными кубитами, которые благодаря своим улучшенным когерентным свойствам могут стать конкурентоспособной альтернативой широко используемым сверхпроводниковым процессорам на кубитах-трансмонах. В дальнейшем планируется продолжать исследования с вычислениями на базе кубитов-флаксониумов, а именно: оптимизировать систему управления кубитами, улучшить показатели считывания и приступить к разработке многокубитных систем на их основе. Статья об исследовании, которое приближает создание квантового компьютера к реальности, опубликована в npj Quantum Information — Nature.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему.
Миллион задач в секунду: как работают квантовые компьютеры
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза. «В области производства квантовых компьютеров всё идёт в соответствии с графиком, 20 кубитов нам обещает Росатом показать в конце этого года.