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. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
В 2022 году будет построен универсальный квантовый компьютер с облачным доступом 1. Квантовые компьютеры и облачное применение Квантовые компьютеры — это вычислительные устройства, которые используют явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Они оперируют не битами, а кубитами, которые могут существовать одновременно в нескольких состояниях. Это позволяет им решать те задачи, на которые обычным компьютерам потребовалось бы очень много времени или ресурсов. 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.
Так нам удобно и всё. Отныне мы состоим не из мячиков, а из таких вот волнушечек, которые как-то между собой интерферируют и получается Олег. Вот прям как звуковые волны накладываются чтобы получилась музыка, так же вот и Олег. Главный же прикол в том, что кроме волн больше нет ничего. Вообще ничего.
Никаких скрытых параметров, по крайней мере локальных. Абсолютно любое свойство объекта отныне можно описать одной такой жирной функцией взаимодействия этих волн друг с другом. Как в телевизор приходят радиоволны и получается картинка на экране, так же наши волнушечки могут собраться по какой-то формуле и сделать Олега. Фотоны света отражатся от волн Олега и так его себе видим. Но реален ли сам Олег?
Тут лучше не торопиться. Можете вернуться к посту вечером. Суперпозиция — всего лишь вероятность Объясняя, что за фигня такая ваша «суперпозиция», все вспоминают байку с Котом Шредингера, закрытого в коробке со случайно взрывающейся колбой смертельного яда. Страшилка с котом уже лет 50 используется в школьной программе и авторы большей части статей, что я читал, тоже её обожают, даже несмотря на то, что она не даёт читателю никакого понимания как всё это реально можно использовать на практике. Пора прекратить шутить шутку 100-летней давности.
Люди в 21 веке могут себе позволить среднее образование и понять тему чуть глубже. Предлагаю поговорить о суперпозиции как будто мы люди с айфонами, а не крепостным правом. Потому вместо кота мы возьмем монетку :D Когда мы раскручиваем или подбрасываем её в воздух — она находится в суперпозиции орла и решки. Да, «как бы» одновременно. Только поймав монетку мы получаем один из результатов нашего измерения.
Не поймаем — не узнаем. В чем же драматическая разница с так нелюбимым нами котом? В том, что внутри монетки всегда есть чёткие вероятности её падения орлом или решкой. Но если мы зададимся целью немного «подкрутить» фокус себе на пользу — мы можем сделать монетку из разных сплавов или как-то притягивать одну из сторон магнитом. Отныне всегда, когда слышите про суперпозицию, представляйте себе именно такую подброшенную монетку.
Суперпозиция — не загадочный феномен «одновременности», а чёткое и простое отношение двух вероятностей Находясь в «суперпозиции», монетка не просто для нас «как бы одновременно орел и решка», она имеет две вполне стабильные и известные нам вероятности выпадения одного и другого. Всё это уже намного удобнее использовать на практике, не правда ли? Вероятности мы умеем складывать, умножать, творить другие непотребства, в отличии от мертвых котов. Поэтому и дальше, когда мы будем говорить о квантовых битах, про которые все говорят, что они «одновременно 1 и 0», забейте на это и представляйте себе их как монетки. Каждый бит-монетка имеет строгую вероятностью быть прочитанным как 1 и строгую вероятность 0.
Компьютер же может управлять этими вероятностями прямо в полёте пока не прочитает сам бит. Прочитали бит — поймали монетку. Очень удобно. Если вы поняли монетки — вы уже наполовину поняли квантовый компьютер, поздравляю. Простите, я должен был использовать этот каламбур.
Представим себе, что мы распилили нашу монетку вдоль. Как печеньки Oreo. Получилось две монетки — одна только с орлом, вторая только с решкой. Пустая сторона разреза нас щас не интересует. Не подглядывая где какая, мы подбрасываем обе новых монетки в воздух переводим в суперпозицию, как мы теперь знаем.
Монетки начинают вертеться в воздухе и не падают потому что они теоретические! Тут квантовый физик скажет, что между монетками создана запутанность. Русская терминология лажает, потому лучше дополнительно запомнить английское слово — Entanglement. Оно встречается чаще. Всё это означает некую «зависимость», «спутанность» или просто «связь» состояний двух монеток.
Как видите, никакой магии пока нет, законы физики мы не нарушали, на митинг не выходили. Мы упаковываем одну из наших новых прикольных крутящихся монеток в коробку и отправляем её своему знакомому в другой город. А еще лучше на другую планету или в соседнюю галактику. Теперь мы оба имеем по монетке, но понятия не имеем орел нам достался или решка. Кажется, пришло время посмотреть.
Звучит тупо, да? Вот только Эйнштейн не был доволен такой фигнёй. Монетки находились далеко друг от друга, так? Но результат чтения одной моментально повлиял на значение второй, так?
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. Не может соперничать с традиционными компьютерами. Для этого нужны системы с многими тысячами, а возможно, миллионами кубит. Но если уже собрали вычислитель из сотен кубитов, почему нельзя, как в конструкторе ЛЕГО, объединить десятки тысяч, миллионы? Руслан Юнусов: Собрать, конечно, можно, но есть проблема - надежность. И она сейчас является ключевой. Чем больше мы хотим объединить кубитов, тем сильней они влияют друг на друга.
Как следствие, начинают вылезать ошибки. Понятно, что нам нужны точные, безошибочные вычисления. Кроме того, в отличие от работы кремниевого устройства квантовые состояния довольно неустойчивые. Для защиты от разных внешних воздействий необходимы специальные условия. Все это дает повод скептикам утверждать, что собрать одновременно много кубитов и обеспечить надежность, безошибочную работу такой большой системы никогда не удастся. Либо одно, либо другое. Но с таким же упорством скептики заявляли, что никогда не удастся достичь квантового превосходства, а это произошло.
Важно, что таких примеров становится все больше. Ключевой вопрос Квантовая криптография обеспечит полную защиту информации. Фото: iStock У лидеров собраны системы из сотен кубитов, движутся к тысячам, у нас 16. Грустная цифра. Руслан Юнусов: Год назад, когда у нас было 4 кубита, а у них сотни, я бы признал, что мы сильно отстаем. Сейчас ситуация кардинально иная. Важно, что мы не только достигли 16 кубитов, главное - есть четкое понимание, как к концу 2024 года выйти на сотню, а затем и на тысячи кубитов.
А также достичь квантового превосходства. На самом деле число кубитов - не самоцель. Как я уже говорил, надо иметь не просто много кубитов, а много хороших кубитов. Например, ионный процессор одного из наших зарубежных коллег всего на 20-30 кубитах бьет системы с сотнями кубитов. И мы знаем, как из наших 16 сделать такую же точную систему. Реализовав "дорожную карту", рассчитанную до конца 2024 года, значительно сократим отставание от лидеров. Сейчас разрабатывается новая концепция на период 2025-2030 годов.
Лидеры обещают к 2030 году создать квантовый компьютер, который сможет решать самые разные практические задачи. А что планируем мы?
Поэтому основной источник проблем для этого типа кубитов — несовершенство самой электромагнитной ловушки, внешние электромагнитные шумы, а также лазерное излучение, используемое для контроля квантового состояния ионов. Понятное дело, что чем больше ионов помещается в ловушку, тем больше должны быть ее физические размеры, что ведет и к увеличению дефектов в таких системах, и к сложности манипуляций с ней например, из-за физических ограничений оптических элементов, используемых в экспериментальных установках. Изображения 1, 2, 3, 6 и 12 ионов магния, загруженных в новую планарную ионную ловушку NIST.
Красным цветом обозначены области максимальной флуоресценции центры ионов. Чем больше ионов загружается в ловушку, тем они сильнее сближаются, и 12-ионная цепочка превращается в зигзагообразное образование. Основная проблема — масштабируемость таких систем. Ионы — заряженные частички, захваченные в электромагнитные ловушки, взаимодействующие между собой благодаря кулоновскому отталкиванию. Для создания ловушек традиционно используются большие трёхмерные электроды, на которые подается большое напряжение.
Проблема в том, что мы не можем создавать такие бесконечно длинные ловушки для большого количества ионов из-за различных технических ограничений и побочных явлений. Поэтому на текущий момент можно максимально поймать в ловушку около сотни ионов и работать с 30-40 из них. Но дальнейшее масштабирование квантовых процессоров на ионах путем банального удлинения таких цепочек ионов просто недостижимо. Можно организовывать цепочки в отдельные модули, а можно создавать более сложную организацию ионов на чипе. Оказывается, можно поместить отдельные электроды на поверхность чипа, создав таким образом для каждого иона свою ловушку, с возможностью индивидуального контроля, а не одну ловушку на все ионы, как сейчас.
Такой подход позволяет решить большинство традиционных проблем, но качество двумерных ловушек на чипах и, прежде всего, их поверхности пока оставляет желать лучшего. Технологии их изготовления пока что не настолько отлажены и совершенны. И, если в традиционных ловушках явно чувствуется, что мы уперлись в какой-то предел, то в двумерных сейчас наблюдается явное многообразие подходов, дизайнов, реализаций. Я уверен, что существующие на этом пути технологические проблемы, будут в скором времени решены профессиональными инженерами, открывая путь к созданию полномасштабного квантового компьютера». Но сейчас, благодаря поддержке Росатома, а также заинтересованности индустрии, развитие области ускоряется.
Мы надеемся достаточно быстро пройти необходимый этап фундаментальных исследований, чтобы открыть возможность для дальнейших прикладных разработок в области квантовых вычислений, что приведет и к появлению первых российских компаний в этой области. Я считаю, что это, в некотором роде, естественный процесс». Несколько другие проблемы преследуют область сверхпроводящих кубитов. Как Naked Science уже рассказывал в предыдущей статье , этот тип кубитов основан на искусственно-созданных объектах на чипах — сверхпроводящих цепочках. Такие сверхпроводящие схемы изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах похожим на традиционную микроэлектронику методом — с помощью фото- и электронной литографии и последующего напыления тонких металлических пленок обыкновенно, алюминия или ниобия.
Размеры элементов в сверхпроводящих схемах разнятся от сотен микрометров до десятков нанометров, что создает целый спектр проблем, связанных с их изготовлением. С одной стороны, сложность заключается в получении специальных наноразмерных перекрытий джозефсоновских переходов , туннелируя через которые, электронные пары в сверхпроводнике и создают квантовое состояние. В массиве кубитов геометрические размеры таких переходов должны быть максимально идентичны для совместной работы системы в противном случае связать отдельные кубиты друг с другом будет проблематично. Еще более глубокая проблема кроется в несовершенстве нанесенных металлических пленок, которые на наномасштабе состоят из отдельных гранул, далеко не идеально прилегающих друг к другу, что служит еще одним источником шумов. С другой стороны, при увеличении количества кубитов на чипе пропорционально возрастают и ее размеры, а также сложность микроволновых линий, используемых для управления кубитами.
Это ведет как к большей вероятности возникновения дефектов из-за несовершенства техпроцессов изготовления элементов сверхпроводящих схем, так и к более фундаментальной проблеме связывания массива кубитов между собой. В отличие от цепочки ионов, связь между которыми реализуется с помощью лазерных импульсов, связать произвольные сверхпроводящие кубиты не так-то просто. Эта задача решается с помощью линий связи или резонаторов для пары соседних кубитов англ. Казалось бы, возможность оперировать сложным квантовым состоянием из множества связанных кубитов лежит в основе быстродействия квантового компьютера и используется в квантовых алгоритмах. А на практике получается, что такое состояние неустойчиво или вовсе недостижимо уже для пары десятков кубитов.
Что же делать в таком случае? Gambetta, Jerry M.
Что такое кубит?
Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор.
Квантовые вычисления для всех
Но еще несколько лет назад характерные времена были наносекунды, то есть за 13 лет произошел прогресс примерно в миллион раз. Кубиты, которые мы здесь мерили, соответствуют среднему уровню на настоящий момент. Фактически мы просто научились мерить эти кубиты, и теперь мы планируем начать их производить здесь, в России. У нас будет инструмент для того, чтобы можно было делать с ними измерения. Мерить время когерентности, производить квантовые манипуляции, то есть делать квантовые преобразования, которые соответствуют логическим операциям. И как скоро можно ждать первых функционирующих операций? Дело в том, что такие логические гейты, то есть схемы, реализующие простейшие логические алгоритмы на сверхпроводящих схемах, уже продемонстрированы как минимум в трех крупных университетах: это Йель, Университет Санта-Барбары в Калифорнии и группа моего бывшего аспиранта, ныне профессора Андреаса Вальрафа Andreas Wallraff в Цюрихе. 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.
И хотя физически кубит может быть реализован разными способами кубиты создают с использованием специально выращенных сверхпроводниковых структур, ультрахолодных атомов и ультрахолодных ионов, с помощью оптических систем и так далее , единого ответа о наиболее перспективной реализации у исследователей пока нет — сегодня эксперименты по созданию квантовых вычислителей ведутся на основе разных технологий. И этот список регулярно обновляется. Если обобщить на совсем базовом уровне: «столкновение» квантовой системы с реальным миром разрушает всю «квантовость», и способ поддержки этого состояния в достаточном масштабе пока не придуман. Тем более не придуман способ реализации такого квантового вычислителя, к примеру, в условиях обычной квартиры. Несмотря на текущие сложности, квантовые информационные системы имеют большой потенциал — по крайней мере в науке уже есть немало вычислительных задач, с которыми классические компьютеры справиться не могут. Также стоит заметить, что существуют системы с сотнями кубитов — например, об этом заявляет фирма IBM, — но состояния квантового превосходства они пока не достигают из-за высокой декогеренции и других трудностей, связанных с корректным поддержанием системы.
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. Прогнозирование От финансового сектора до прогноза погоды — кубиты просчитывают множество переменных в разы быстрее, чем обычные компьютеры.
Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы. Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности.
И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице. Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию Как делают кубиты и в чём сложность Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью. Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система. Основная сложность — декогеренция.
Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира. Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный. С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы.
Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора. Квантовый процессор на девяти кубитах от Google Зачем нужны квантовые компьютеры Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30—40 знаков или больше на простые множители.
Технологии квантовых компьютеров в 2022: достижения, ограничения
Кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака). Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит.
Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен
В общем, такие низкие температуры можно получать, просто включив прибор в розетку. Там же есть еще один, работающий на гелии-4. Что в вашем кубите играет роль нулей и единиц, то есть двух основных состояний? В нашем кольце кубит, напомним, реализован как кольцо на полупроводниковой подложке при приложении определенного магнитного поля существуют два равновероятностных состояния. Они равновероятностные потому, что имеют одинаковую энергию то есть ни одно из состояний не является более выгодным энергетически для всей системы, чем другое.
Эти состояния соответствуют незатухающему сверхпроводящему току, текущему по кольцу по часовой и против часовой стрелки соответственно. Это и есть ноль и единица. Физики говорят, что в кубите возникает суперпозиция этих двух состояний. Суть явления туннелирования заключается в следующем: квантовые частицы, в отличие от классических, могут с некоторой вероятностью проходить сквозь потенциальные барьеры.
То есть, например, заряженная частица может пролетать сквозь барьер из изолятора, как в случае с кубитом. Туннелирование ответственно за эффекты в полупроводниковой электронике, радиоактивность, некоторые типы ядерного распада и многое другое. В чем заключается достижение вашей лаборатории? Достижение здесь пока, конечно, местного значения, работа только начинается.
Схема кубита, которую мы использовали, была предложена еще 13 лет назад, а первый работающий вариант появился лет 10-11 назад. В данном случае достижением является то, что такой кубит был впервые померян в России. И трудности здесь состоят как в возможности получения низкой температуры, так и в том, что для проведения эксперимента необходимо сделать довольно большой набор непростых действий, чтобы экранировать кубит от влияния внешних паразитных магнитных полей чтобы мерить при помощи специальных микроволновых устройств. В кубите же суперпозиция состояний.
Что значит «мерить кубит»? Опять-таки, измерение кубита можно делать по-разному, точного значения у этого термина нет. Если мы теперь немного изменим внешнее магнитное поле, то одно из этих состояний станет более выгодным. В квантовом случае индуктивность определяется током, протекающим через джозефсоновский переход, поэтому ведет себя как так называемая параметрическая индуктивность.
Это изменение мы и регистрируем. Для этого на частоте порядка 10 гигагерц мы посылаем к кубиту электромагнитный сигнал. При прохождении через образец у этого сигнала сдвигается фаза. Этот сдвиг вызывает изменение состояния кубита, которое влияет на индуктивность некоторой измерительной цепи, находящейся рядом с кубитом.
Усиленный сигнал при этом по кабелю поступает в прибор, который позволяет уже при комнатной температуре мерить фазу сигнала.
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. Например, уже появилась специальная квантовая линия связи между Москвой и Петербургом — это основной протокол квантовой криптографии сегодня. По моим ощущениям, они отстают от мировых компаний на 3-5 лет.
Но у них серьёзные кадры и подход — они однозначно разработают что-то полезное.
Из-за суперпозиции отдельный кубит может представлять гораздо больше информации, чем двоичный бит. Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно. Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ. Запутанность — еще более потрясающая штука. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии.
Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера. Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга действуют конструктивно , иногда гасят деструктивно. Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы. 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.
Из-за того, что транзисторов очень много миллиарды , а работают они очень быстро близко к скорости света , транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления. Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света. Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен».
С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено. Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит.
Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует. В квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке: Кубит может принимать все значения, которые видны на цветной сфере Все решения уже известны Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита.
Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит.
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Чем больше кубитов, тем сложнее поддерживать их запутанное состояние без искажений данных. На сегодняшний день исследователи используют различные технологии для создания кубитов, такие как сверхпроводники, ультрахолодные атомы и ионы, оптические системы и другие. Однако, пока нет конкретного ответа на вопрос, какая технология является наиболее перспективной. Кроме того, важно найти способ масштабирования квантовых систем, чтобы они могли функционировать в реальных условиях.
Некоего кластера, в котором находятся кубиты и в котором они будут как можно дольше стабильны. Кластеры обычно охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю, или стабилизируют с помощью химических компонентов. Цель — защитить кубиты от любых внешних помех. Устройства для передачи сигналов кубитам, чтобы манипулировать их состоянием. Часто это делают с помощью микроволновых импульсов или лазерного света с определенной длиной волны. Обычного компьютера, который в рамках программы будет передавать кубитам инструкции алгоритм для решения конкретных задач. Сам принцип работы квантового компьютера еще сложнее, для его объяснения нужно вводить множество терминов типа туннелирования, эффекта Джозефсона, куперовских пар и так далее, при этом всегда будет вероятность неверного объяснения принципов в конце концов, мы не ученые.
Поэтому, чтобы не усложнять материал, просто покажем несколько изображений разных квантовых компьютеров: Left Right Кто делает квантовые компьютеры? Определенные амбиции есть у Alibaba, Taiwan Semiconductor и ряда других игроков. Последние, кстати, говорят, что обладают самым быстрым коммерческим квантовым компьютером в мире — модель Advantage предполагает 5000 кубитов, каждый из которых может соединяться с другими 15 разными способами. Несмотря на довольно большое число разработчиков мы упомянули компании преимущественно из США, но есть другие , у вас дома вряд ли когда-нибудь появится квантовый компьютер. Технология десятилетиями оставалась просто концепцией как раз потому, что кванты очень чувствительны к любым воздействиям, то есть могут коллапсировать даже от небольших помех — и это проблема. Вряд ли вы захотите жить в вакууме. Но воспользоваться мощью таких компьютеров вы, скорее всего, сможете. Компании постепенно выходят на рынок облачных квантовых вычислений, то есть позволяют удаленно взаимодействовать со своими системами: писать для них программы и алгоритмы, вести расчеты. Опция есть у IBM и Microsoft. В чем потенциальное применение?
Лучше всего квантовые компьютеры работают с массивами данных, которые, как и сами кванты, существуют в пространстве неопределенности. С их помощью можно заниматься секвенированием генома, разрабатывать сложные лекарства, например, от болезни Альцгеймера. Еще одно направление — работа с химическими реакциями, скажем, в аккумуляторах — это имеет значение для батарей нового поколения в электромобилях нашу статью про глобальное потепление читайте здесь.
Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации.
Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды. Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно. Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера.
Возможности квантового взлома систем шифрования в том числе в военной сфере сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра. Свой вклад в создание квантового компьютера вносит и Россия. Квантовый компьютер в России: перспективы Один из самых мощных квантовых компьютеров в мире 51 кубит создала в 2017 году научная группа Михаила Лукина, профессора Гарвардского университета и сооснователя Российского квантового центра.
Ученые работают с «холодными атомами» — частицами, охлажденными почти до абсолютного нуля. Пока эти эксперименты проводятся в лабораториях Гарварда, но уже в 2018 году Газпромбанк инвестировал 1,5 миллиона долларов в Российский квантовый центр для разработки проекта по квантовому машинному обучению. Разработки ведутся по трем основным направлениям: использование искусственного интеллекта в описании сложных квантовых систем; применение аналоговых устройств на квантовых принципах для обучения нейронных сетей; разработка программного обеспечения для квантовых вычислений. Духова и МГТУ им.
Баумана продолжают исследования для разработки российского квантового «железа». Планируемая мощность квантового компьютера российского производства пока составляет несколько кубитов. Это, безусловно, отставание в количестве, но не в качестве и значении разрабатываемых технологий. Прогноз развития квантовых компьютеров Теоретически самый мощный квантовый компьютер, который уже создан, — устройство D-Wave 2000Q, детище канадской компании D-Wave Systems.
Цена новинки — каких-то 15 миллионов долларов. В нем установлен квантовый чип, содержащий 2000 кубитов. Проблема в том, что по сути это вовсе не квантовый суперкомпьютер, а так называемое устройство квантового отжига. Эта система работает на решение очень узкоспециализированной задачи, и до ее реального практического применения еще довольно далеко.
Тем временем в марте 2018 года состоялась презентация 72-кубитного квантового компьютера. О его создании заявила компания Google. Он отличается большей производительностью при низком уровне ошибок — но все эти достоинства опять-таки пока реализованы лишь в теоретической плоскости. Но каковы же возможности такого использования квантовых компьютеров, кроме упомянутого взлома шифров?
На сегодняшний день их очень и очень много. То, чего нельзя сделать при помощи самых мощных современных ЭВМ, квантовым системам будет вполне под силу.
Заместитель руководителя группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ Илья Семериков, который разрабатывает этот КК, рассказывает: «Нам еще только предстоит измерить экспериментально квантовый объем нашего ионного компьютера, но, судя по достоверностям двухкубитных операций и связности, я бы ожидал увидеть 25 или, может быть, 26. Увеличение квантового объема — наша основная задача на сегодня». Такие результаты соответствуют уровню лидеров квантовой гонки начала-середины 2020 г. Текущий рекорд по квантовому объему по состоянию на июль 2023 г.
Он составляет 219, или 524 288. Это означает, что компьютер может выполнять сложные квантовые алгоритмы с высокой точностью. РКЦ в конце 2021 г. К недостаткам модели относилось меньшее время когерентности, но на сегодня эта проблема решена, сказал Семериков. Текущая точность квантового компьютера РКЦ находится на уровне ведущих компаний 2018-2019 гг. По словам Семерикова, сейчас команда активно работает над ее повышением.
МФТИ создал рабочий квантовый чип, выполненный на сверхпроводниках, на 8 кубитах. Сейчас тестируется на 12 кубитах. Оборудование для этого было закуплено еще в 2016 г. Но сохраняются сложности с масштабированием и улучшением этого типа КК. Разработчики российских КК сходятся во мнении, что для ускорения разработки квантового компьютера, кроме отдельных проблем, необходимо решать вопрос с кадрами и популяризировать квантовые технологии среди молодежи и в научной среде. Помимо государственного и частного финансирования лабораторий, создающих квантовые компьютеры, уже сейчас нужно готовить компетентные кадры и учебные материалы для разработки квантового «железа» и ПО, рассказал Якимов.
Помимо этого существует проблема с закупкой оборудования. Сколько это займет времени в России, зависит от скорости закупки оборудования и от того, насколько мы будем успешны в попытках построить масштабируемый квантовый компьютер», — сказал Семериков. Для ускорения закупок нужно минимизировать соответствующие бюрократические процедуры, добавил он. Также российским ученым не хватает элементной базы электронных компонентов, лазеров, литографов для квантовых микропроцессоров, средств измерения, охлаждения и т. Возможное решение этой проблемы Федоров видит в международном сотрудничестве с восточноазиатскими странами.