Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации.
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
| Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений | это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. |
| Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем | Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? |
| Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир | К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. |
| Telegram: Contact @postnauka | Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. |
Квантовые вычисления для всех
В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
| Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами | Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. |
| Квантовые компьютеры: путь от фантастики до реальности и их влияние на науку и бизнес | 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. |
Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
Один кубит – это атом или фотон – мельчайшая частица вещества или энергии. В то время как кубиты имеют четыре значения, в нейронных сетях их несравненно больше, а образуемые ими структуры намного разнообразнее, чем entanglement. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора.
Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления
Впечатляет, конечно. Особенно, когда вы показывали, что вычисления в обычном режиме, на современных суперкомпьютерах занимали бы чуть ли не столетия, а на квантовых результат достигается за часы или дни, — это, конечно, впечатляет», — оценил разработку Владимир Путин. Проект разработки квантового компьютера был запущен в 2019 году, над ним работали учёные из Российского квантового центра и физического института им. Лебедева РАН при координации Росатома.
К счастью, многие недостатки компьютерного «железа» можно зачастую решить программными методами. Например, физические ошибки, возникающие в классических компьютерах или линиях передачи данных, детектируются и исправляются с помощью действующих в реальном времени алгоритмов коррекции ошибок, разработанных еще в середине 20 века.
Похожие алгоритмы были предложены пару десятилетий назад и для квантовых систем. Например, уже упомянутый выше Алексей Китаев в 1998 году предложил так называемый «поверхностный код» англ. Общая идея такого подхода коррекции ошибок довольно проста — соседние физические кубиты объединяются в логические блоки, каждый из которых в дальнейшем используется квантовым алгоритмом в качестве «логического кубита». При этом, если каждый логический блок содержит достаточно большое количество физических кубитов, то, даже несмотря на периодически возникающие в них физические ошибки, уровень ошибок логического кубита можно сделать сколь угодно низким. Сколько же таких логических, безошибочных кубитов нужно, чтобы запустить какой-нибудь полномасштабный квантовый алгоритм?
Возьмем, для наглядности, все тот же нашумевший алгоритм Шора, обещающий взломать интернет. Текущие методы криптографической защиты данных используют ключи шифрования, состоящие из тысячи бит, что потребует несколько тысяч логических кубитов для его эффективной факторизации разложения на множители. Учитывая количество требуемых квантовых операций и желаемый уровень возникновения ошибок, каждый такой логический кубит должен состоять из примерно тысячи физических кубитов. Перемножая эти два числа, мы получаем оценку в миллион физических кубитов, необходимых квантовому компьютеру для выполнения алгоритма Шора. Миссия выполнима?
С учетом того, что самые мощные существующие квантовые процессоры оперируют десятками кубитов, желаемый миллион кубитов выглядит несколько заоблачно. Однако, если посмотреть на историю развития традиционной индустрии полупроводниковой электроники, то можно увидеть пример такого инженерного чуда, позволившего увеличить количество транзисторов на чипах с нескольких сотен в конце 1960-х годов до десятков миллионов в конце 1990-х. Технологический скачок, необходимый для такого масштабирования, по сложности и объему инвестиций можно сравнить разве что с выходом человека в космос или высадкой на Луну. Существенно отличается лишь количество участников. Многие из игроков этого высокотехнологичного рынка представили и регулярно обновляют «дорожные карты» по развитию своих квантовых платформ.
Например, компания IonQ, создающая квантовые процессоры на ионах в ловушках, планирует создать полноценный квантовый компьютер с тысячью логических кубитов необходимых для запуска серьезных алгоритмов уже к 2028 году. Лидеры направления сверхпроводящих кубитов, Google и IBM, дают чуть более размытые прогнозы, обещая создать квантовые процессоры с тысячью физических кубитов в ближайшие пару лет и, отработав на них алгоритмы коррекции ошибок, достигнуть отметки в тысячу логических кубитов до конца десятилетия. Похожие амбиции и у многих государственных программ, нацеленных на создание квантового компьютера. Лидером по объему инвестиций по праву можно считать Китай, вложивший в свою национальную квантовую программу более 10 миллиардов долларов еще в 2016-2017 годах. Сейчас эти вложения начинают приносить первые результаты, особенно заметные по прорывным статьям из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе University of Science and Technology of China, Hefei.
Пытается догнать Китай и национальная квантовая инициатива в США с бюджетом чуть более миллиарда долларов, направленных на создание новых федеральных лабораторий. Сравнимые бюджеты выделили на развитие квантовых технологий и отдельные европейские страны, а сам Евросоюз еще в 2018 году запустил миллиардную программу Quantum Flagship, направленную на поддержку совместных проектов по квантовым технологиям по всей Европе. Общий объем инвестиций в этот быстро растущий рынок оценивается в 25 миллиардов долларов, что сопоставимо с бюджетом американской лунной программы 1960-х годов. Особый путь А что в России? Несмотря на пионерские идеи Юрия Манина в 1980-х и неоценимый вклад отечественных ученых в области квантовых вычислений и квантовой информации, Россия на текущий момент несколько отстает от перечисленных выше лидеров рынка.
Такое положение отчасти связано с поздним стартом, ведь первые прикладные проекты по квантовым технологиям в России были запущены лишь в 2010-х например, Российский Квантовый Центр , через 10-15 лет после создания первых квантовых процессоров. Первые одно- и двух-кубитные системы в России были созданы в 2015-2016 годах, а в этом году был представлен первый 5-кубитный квантовый процессор. Масштабирование до существующих мировых аналогов с десятками кубитов потребует еще несколько лет упорной работы российских лабораторий, при условии сравнимого с мировыми лидерами уровня инвестиций. Точечные грантовые вложения в российские квантовые технологии осуществлялись как минимум на протяжении последних десяти лет, однако их небольшой, относительно мирового уровня, объем, и слабое взаимодействия между грантополучателями затрудняло быстрое развитие этой области в России. Свою роль здесь сыграло и отсутствие современной технологической базы для создания необходимых для квантовых процессоров микроэлектронных схем центров нанофабрикации , а также сложности с поставками высокотехнологичного измерительного оборудования из-за рубежа криогеники, микроволновых и оптических систем и нехватка специалистов в области квантовых технологий.
Цель этой коллаборации — представить к 2024 году работающий прототип квантового процессора на 30-100 кубитах, причем параллельно будут развиваться сразу 4 платформы: на сверхпроводниках, на нейтральных атомах, на ионах и на фотонах. Кто окажется победителем в этой квантовой гонке, покажет время, но важно помнить, что соревнование идет не только между отдельными странами, компаниями и технологическими платформами. Главный вызов брошен самой природе в попытке заставить законы квантового мира работать для решения сложнейших вычислительных задач.
Зачем он нужен нам? Попытки уменьшать размеры транзисторов и дальше сталкиваются с физическими ограничениями. Да и скорость передачи данных в них быстрее скорости света не сделать. Ужимать скоро будет некуда, значит пора искать другие пути решения. Один из них дает квантовая физика. Квантовые компьютеры не создаются для замены привычных транзисторных. Итак, квантовые компьютеры ориентированы на сложные расчеты. За свои открытия в 1999 году Ричард Фейнман попал в десятку лучших физиков всех времен. Фото: britannica.
Это наименьшая единица информации - один бит. В квантовом компьютере все иначе. Квантовый бит кубит может быть одновременно и в состояниях "0" и "1", и во всех их комбинациях. Кубит - это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. Конечно, с точки зрения большинства людей, это звучит совершенно невероятно, но квантовая физика открывает такую возможность. Именно она позволяет квантовому компьютеру за счет параллельного выполнения сразу нескольких операций быстро решать задачи, которые не по силам мощному суперкомпьютеру. Самое главное, что квантовый выбирает из множества вариантов решения по-настоящему лучший, а не просто оптимальный. Основа традиционного компьютера - кремниевый транзистор, а на чем строится квантовый? Руслан Юнусов: Здесь пока ситуация неопределенная. Мир еще не выбрал лучшую технологию. Сейчас конкурируют 4 варианта кубитов: на одиночных атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. У каждой платформы есть свои плюсы и минусы. Возможно, какая-то одна в конце концов вытеснит остальных конкурентов. А может, останутся все, и каждая окажется наилучшей для определенного класса задач. Ваше превосходство О фантастических возможностях квантового компьютера говорят лет 40, но вот о кардинальных прорывах не слышно. Зато есть достаточно авторитетные скептики, которые утверждают, что он вообще никогда не будет создан. Что это игрушка, которой морочат голову и умело выбивают огромные деньги, удовлетворяя собственное любопытство. Руслан Юнусов: Да, такое мнение существует. Но скептики всегда были, есть и будут. Это нормально. Напомню, что сама идея квантового компьютера была сформулирована в 80-е годы, а первые кубиты появились только через 20 лет, на рубеже 2000-х годов. Прошло еще 20 лет, и сейчас лидеры делают вычислители с сотнями кубитов. Что касается глобальных достижений, то за последние годы произошло как минимум несколько. Так, группы в США и Китае смогли достичь так называемого квантового превосходства. Превосходства над чем? Руслан Юнусов: Над суперкомпьютерами. Им были предложены тесты, с которыми квантовые, имея всего несколько десятков кубитов, справились за несколько минут. Так вот суперкомпьютерам они оказались вообще не под силу. Безоговорочная победа? Значит, квантовые машины уже сейчас можно выпускать в "люди"? Руслан Юнусов: Увы, к этому мы еще не пришли. Да, квантовый победил, но в специальных, абстрактных тестах. А вот для реальных задач в промышленных масштабах он пока не приспособлен.
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды. Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации. Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса ЯМР — того же самого явления, что стало основой для магнитно-резонансных томографов. Годом позже было показано, что ЯМР-компьютеры не имеют никакого преимущества перед обычными компьютерами, поскольку в них не реализуется особый феномен, называемый квантовой запутанностью. Пока одни ученые искали алгоритмы, которые можно реализовать на квантовом компьютере, другие занимались физической реализацией квантовых вычислений. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура продемонстрировал рабочий кубит на основе сверхпроводников. Технологии стремительно развивались, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода, что слишком сложно для классических компьютеров. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления способны привести к полезному результату. Спустя десять лет, в 2019 году, Google объявила о достижении квантового превосходства: всего за 200 секунд их компьютер выполнил серию вычислений, на которую у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет.
А всего через год о достижении квантового превосходства сообщили китайские ученые: их компьютер на запутанных фотонах Jiuzhang за 200 секунд решил задачу, которая потребовала бы у самого мощного суперкомпьютера до 2,5 миллиардов лет вычислений. Сейчас уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению полноценных квантовых компьютеров: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений. В России дорожная карта развития квантовых вычислений разработана совместными усилиями Росатома и Российского квантового центра. На создание квантовых компьютеров и облачной платформы для доступа к ним планируется потратить 23,6 миллиарда рублей. Что такое квантовое превосходство Квантовое превосходство — это свойство квантовых компьютеров решать задачи, которые не способны решить классические компьютеры за обозримый период времени. Сейчас ученые рассматривают это достижение больше как доказательство принципа, чем то, что может повлиять на будущую коммерческую жизнеспособность таких вычислений.
В России под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория, куда вступили различные научные организации, включая Фонд «Сколково» , Российский квантовый центр и профильные научные институты. Целью лаборатории является создание квантовых процессоров на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Квантовое превосходство может быть временным и не исключает появления более эффективных алгоритмов, ускоряющих вычисления классическими компьютерами, поэтому любое заявление о достижении квантового превосходства вызывает скепсис у специалистов и подвергается тщательной проверке. Когда Google опубликовала результаты вычислений квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер способен решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью — за два с половиной дня. Страны вкладывают огромные суммы в развитие квантовой отрасли.
Китай создал новый центр квантовых исследований National Laboratory for Quantum Information Sciences стоимостью 10 миллиардов долларов; Евросоюз разработал генеральный план развития квантовых технологий и планирует потратить на это около миллиарда евро; США, в соответствии с законом о национальной квантовой инициативе, выделили 1,2 миллиарда долларов на развитие проектов в этой области за пятилетний период. Однако для достижения полезной вычислительной производимости, вероятно, понадобятся машины, состоящие из сотен тысяч кубитов. Как работают квантовые компьютеры Классические компьютеры выполняют логические операции, используя биты — единицы информации, принимающие значение либо «0», либо «1». В квантовых вычислениях для этого используются кубиты, представляющие собой квантовое состояние объекта, например, фотона. До момента измерения квантовое состояние является неопределенным, то есть оно находится в суперпозиции двух возможных состояний — «0» или «1». Суперпозиция одного объекта может быть связана с суперпозициями других объектов, то есть можно сконструировать между ними логические отношения, подобные тем, что существуют на основе транзисторов в классических компьютерах.
Чем больше кубитов тем больше одновременных вычислений можно проводить. Сейчас ведутся разработки по созданию компьютера на основе фотонов света с характеристиками в 1 000 000 кубит. Все эти свойства квантового компьютера позволяют одновременно анализировать миллионы различных вариантов и комбинаций. В примере со столами квантовый компьютер за секунды найдет оптимальный вариант рассадки. На примере эволюции жизни на земле. Квантовый компьютер способен за короткое время найти жизнеспособные комбинации сложных органических молекул, как природа, которой на решение этих задач потребовалось миллиарды лет. 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.
Попытки уменьшать размеры транзисторов и дальше сталкиваются с физическими ограничениями. Да и скорость передачи данных в них быстрее скорости света не сделать. Ужимать скоро будет некуда, значит пора искать другие пути решения. Один из них дает квантовая физика. Квантовые компьютеры не создаются для замены привычных транзисторных. Итак, квантовые компьютеры ориентированы на сложные расчеты. За свои открытия в 1999 году Ричард Фейнман попал в десятку лучших физиков всех времен. Фото: britannica. Возможно, мы научимся моделировать ДНК, взломаем существующие шифры и сделаем бессмысленными современные системы шифрования.
Как программируются квантовые компьютеры? Основная цель состоит в том, чтобы закодировать части задачи в сложное квантовое состояние, используя кубиты, и затем манипулировать этим состоянием, чтобы привести его к некоему решению, которое можно будет измерить после коллапса суперпозиций в детерминированные последовательности нулей 0 и единиц 1. Перечитайте еще раз. Звучит сложно, но поскольку все термины мы уже разобрали, понять можно. Как и в случае с классическим программированием, ученые разрабатывают языки ассемблера низкого уровня, которые машина понимает лучше, чтобы перейти от них к языкам высокого уровня и графическим интерфейсам, более подходящим для человеческого разума. IBM Qiskit, например, позволяет экспериментаторам создавать задачи и перетаскивать логические элементы. Декогеренция Почему же квантовые компьютеры еще не продаются на каждом углу? В некотором смысле, ученые пытаются построить совершенные машины из несовершенных частей. Квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к возмущениям, шуму и другим воздействиям окружающей среды , которые заставляют их квантовое состояние колебаться и исчезать. Этот эффект называется декогеренцией. Физика вообще интересная штука. Она способна открыть нам потрясающие горизонты Для некоторых экспертов декогеренция — это проблема, сдерживающая квантовые вычисления. Даже при всех соблюденных мерах шум может просочиться в расчеты. Ученые могут хранить квантовую информацию до тех пор, пока она не потеряет свою целостность под влиянием декогеренции, что ограничивает число вычислений, которые можно производить подряд.