Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Кроме того, кубиты могут быть квантово запутаны друг с другом, что позволяет проводить параллельные вычисления и работать с большими объёмами информации. Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Начинаем погружаться в основу основ квантовой связи и квантовой информатики, так что сегодня узнаем, что такое кубит, для чего он нужен и в каких направления.
Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления
| Квантовый компьютер: что это, отличие от обычного, как купить и стоит ли покупать | Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. |
| Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты? | Если же взять, к примеру, десять кубитов, то будет уже 1024 классических состояния. |
| В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений | В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. |
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается.
Онлайн-курсы
- Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты?
- От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
- От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
- Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. 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. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0. В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Думаю, после моего хейта в сторону Кота, вы понимаете почему мне не нравится это слово. Оно отвратительно бесполезно! Щас еще параллельные миры плодить будем, ну уж нет. Главная фишка такого кубита-монетки именно в том, что мы МОЖЕМ влиять на вращение этой монетки пока она в воздухе, влияя тем самым на вероятность выпадения орла или решки в конце. Правда графики выше получаются не очень красиво, потому мы придумали рисовать такие вот циферблатики, где мы двигаем стрелочку как хотим, а в конце она схлопнется вверх или вниз. Никакой магии, просто вероятность.
Мы можем направить на нашу монетку магнит, чтобы замедлить её вращение, инвертировать её в другую сторону или вообще заморозить, чтобы орёл был строго вверх. В классических битах мы могли в любое время записать в него 0 или 1, а в кубитах мы можем записать в него вероятность быть 0 или 1 в конечном счёте. Мы имеем право сколько угодно шалить с вероятностями внутри кубита, но когда мы читаем его значение — он всегда схлопывается в 0 или 1 с заданной вероятностью, превращаясь по сути в обычный бит. Это легально, однако обычный бит справится с этим лучше и быстрее, а всё квантовое веселье таится именно между состояниями 1 и 0. Всё это не очень полезно пока у нас только один кубит, но когда мы возьмем их несколько, мы сможем завязать их вероятности друг на друга так, чтобы система выдавала нам один из результатов с большей суммарной вероятностью, чем все другие.
Самые смекалистые уже догадались что мы тут хотим: хитро завязать все вероятности, чтобы этот «самый вероятный» результат и был нашим правильным ответом. Но об этом мы еще поговорим в разделе про сам квантовый компьютер, терпения. Как только мы «читаем» кубит, он всегда схлопывается в 0 или 1 как та монетка, которая в итоге выпадает только орлом или решкой. Кубит после этого уничтожается, потому чтение логичнее делать в самом конце. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат.
Даже если мы специально изменим один кубит — второй изменится на ту же величину, только наоборот. Нарастающее стрёмное ощущение, что всё вокруг волна — даже небо, даже кубит. Появляющиеся сомнения в объективности наблюдаемой реальности и своей роли в этом мире. Чтобы собрать классический цифровой компьютер в домашних условиях, мы берём ленту, кладём на неё некую последовательность битов, двигаем эту ленту туда-сюда и выполняем записанные отдельно на листочке операции над ними. Так получается алгоритм.
Машина Тьюринга. Такой вот фигней, только на более высоком уровне, занимаются все программисты. В квантовом компьютере у нас такая же лента, только теперь мы кладём на неё кубиты. Список операций тоже остался, но сами операции чуть изменились. Решительно очевидно, что мы имеем полное право писать и читать наши кубиты как обычные биты.
Но смысла в этом ноль. Как колоть орехи микроскопом — никто не запретит, но это достаточно медленно и бессмысленно. Обычный компьютер справится с этим лучше. Сила же квантового компьютера именно в том, что мы берём несколько кубитов, которые как вы помните можно представлять как крутящиеся монетки, и взаимодействуем именно с вероятностями их выпадения в 0 орел или 1 решка , а не самими результатами 0 и 1. Вот это уже куда более интересно.
В наших алгоритмах мы больше не мыслим концепциями «прочитай здесь, если 1, переложи туда», а начинаем как бы настраивать взаимодействие наших монеток кубитов пока они еще крутятся, чтобы в итоге получить интересующий нас результат. Как вы понимаете, никто не гарантирует какой стороной упадёт первый кубит, а значит и нельзя ничего гарантировать про второй, и так далее. Получается как будто дерево расчёта вариантов исхода алгоритма. Это и даёт нам вот ту самую экспоненциальную скорость вычислений в квантовом компьютере. В конце же наше дерево вычислений всё равно приведёт к одному результату с наибольшей вероятностью, а к другим с наименьшей.
Это и будет ответ алгоритма. Если хотите более подробного разбора дерева по шагам, рекомендую вот эту годную статью. Мы не перебираем все варианты одновременно, как объясняют во многих статьях для новичков. Мы скорее настраиваем вероятности наших кубитов по ходу программы так, чтобы правильный результат засветился на выходе с большей вероятностью, чем неправильный. Условно говоря, мы подкручиваем наши монетки и говорим как им вращаться друг относительно друга, чтобы в итоге они выпали на стол в комбинацию, например, «орел-решка-орел» 010.
Это и будет правильный ответ алгоритма. Тогда в 1 случае из 10 квантовый компьютер будет вполне легально нам врать, выдавая неправильный ответ. Тогда мы просто запускаем алгоритм много-много раз как настоящие боги инженерии! Побеждают, как обычно, китайцы. Белые же европейцы в это время воюют за запрет термина «превосходство» потому что оно оскорбительно и нетолерантно.
Лет через пять меня точно отменят за этот пост. На практике же момент «квантового превосходства» не означает ничего, кроме того, что можно будет открыть шампанское и выпить за технологический прогресс. Сейчас объясню. Все эксперименты по квантовому превосходству по прежнему проводятся на специально подобранных задачках, которые квантовый компьютер должен щёлкать на раз, а классический пыхтеть тысячелетиями. Читеры вставляют палки в колёса, короче, и всё равно не могут догнать.
Разве что иногда. Именно поэтому квантовое превосходство интересно журналистам и историкам, но точно не инженерам. Я как инженер жду не формального победителя первого забега, а того, кто покажет мне первый стабильный квантовый компьютер.
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. Вся наука, которая создана для атомной физики и квантовой оптики, здесь применяется только лишь частично, потому что при очень сильном взаимодействии возникает совершенно другая, новая физика. Такое сильное взаимодействие с метавеществом нужно изучать. Это интересная, совершенно новая фундаментальная деятельность.
Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован?
Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. Кубит представляет собой систему, которая находится в контролируемом состоянии суперпозиции двух стационарных состояний — 0 и 1. Это значит, что, в отличие от классических битов, которые могут находиться в состоянии или 0, или 1, кубиты могут быть в состоянии 0 и 1 одновременно. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Потенциально эти свойства позволяют реализовывать параллельные вычисления и эффективнее классических систем работать с большими объемами информации.
Кубит Кубит — это то же самое, что и бит в обычном компьютере. Ящичек, который содержит минимальную частицу, которой кодируется любая осмысленная информация. Кубит, также, как и бит, может принимать значения 0 или 1, но, в отличие от бита, эти конкретные значения он принимает лишь при выводе результата вычислений. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. При математическом описании работы квантового компьютера оперируют именно векторами.
Если математически описывать физику процессов, происходящих в квантовом компьютере с кубитами при логических операциях с ними, то это будут умножения векторов, описывающих вероятностное состояния кубитов, на матрицы, описывающие эти самые логические операции. Если в обычном компьютере это простейшие логические операции «и», «или», «не», «исключающее или» и т. Кроме вентильных матричных преобразований волновые функции кубитов можно складывать и вычитать, как можно складывать и вычитать обычные волны. В результате сложений волн вероятностей, как и на обычных волнах, возникает интерференция, которая позволяет влиять на состояние кубита, меняя вероятность получения в нём того или другого значения ноля или единицы. После всех вычислений и преобразований результирующая волновая функция вероятности при прочтении кубита превращается в ноль или единицу, и уже не отличается от бита. Применение квантовых вычислений Как видно из предыдущего объяснения, применять квантовый компьютер для обычных вычислений нет никакого смысла.
Эксперт рассказал, из чего состоит квантовый компьютер, что такое кубиты и для чего они нужны
Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. 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.
В погоне за миллионом кубитов
Вероятность состояния 1 или 0 определяется суперпозицией кубита. Если кубит находится в равной суперпозиции, то он находится наполовину в состоянии 0, наполовину в состоянии 1. Для понимания суперпозиции нужно думать о состояниях как о волнах, а не как о двух взаимоисключающих классах. Представьте себе две разные песни, одну из которых назовём песня A, другую песня B. Поскольку при измерении кубит коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний, невозможно измерить истинное вероятностное состояние кубита. Впрочем, можно измерить его приблизительно. Суперпозиция — реальное явление: знаменитый эксперимент с двумя щелями демонстрирует, что определённые кванты, подобные электронам или фотонам, находятся в волновых состояниях и, проходя через две щели, вызывают появление интерференционной картины на экране.
Источник На аппаратном уровне главная сложность в конструировании кубитов заключается в их вероятностной природе ведь они не детерминированы , что означает, что их состояние может очень легко изменяться под воздействием внешних сил. Кубиты трудно поддерживать по той же причине, по которой они так мощны — множество их возможных состояний трудно контролировать более нескольких секунд. Применение квантовых вентилей для осуществления операций зачастую может приводить к ошибкам вентиля из-за случайного неосторожного обращения с кубитом. Напомню, что кубитом может быть что угодно от фотона до электрона или определённых молекул , если они демонстрируют квантовое поведение. Многокубитные системы и запутанность Ваш компьютер далеко не продвинется с одним битом , ведь он может принимать только два значения, а компьютер работает с огромной многоразрядной системой. Как и биты, кубиты можно собрать в многокубитную систему.
В 2-кубитной системе в состоянии 10 первый кубит находится в состоянии 1 и второй в состоянии 0. Однако из-за суперпозиции 2-кубитные системы не ограничены только детерминированными значениями 0 или 1. Они могут находиться в суперпозиции. Это означает, что при измерении системы она имеет равные шансы перейти в одно из четырёх детерминированных 2-кубитных состояний. Запутанность — ещё одно часто встречающееся умное слово, которое сбивает с толку. Скажем, при двух запутанных кубитах A и B в любой суперпозиции, когда Боб измеряет кубит A в состоянии 1, он мгновенно без измерения узнаёт состояние кубита B — тоже 1.
Если Боб измерит кубит B, он убедится в этом. Что ещё более замечательно, это явление работает даже если A и B находятся на расстоянии триллионов световых лет друг от друга, так как расстояние не является коэффициентом запутанности. На первый взгляд запутанность выглядит как колдовство, но она реальна и не настолько сложна, если смотреть на её систему кубитов. Если 2-кубитная система с кубитами A и B находится в запутанном состоянии, кубиты могут находиться наполовину в состоянии 00, наполовину в 11.
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.
Несмотря на текущие сложности, квантовые компьютеры имеют большой потенциал.
В кристаллах электроны могут переходить от одного атома к другому, их энергетический спектр становится практически сплошным, без разделения на уровни. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать. Но, если добавить примесный атом в полупроводник, электронам этого атома станут доступны уровни у верхнего или нижнего края запрещенной зоны. Получается, такое укромное место, где можно долго удерживать электрон — отличная площадка для кубита. Стоит отметить, что это возможно при температурах ниже 250 градусов Цельсия. Важно правильно выбрать полупроводник и примесь, чтобы локализовать электроны.
Поэтому физики обратили внимание на дихалькогениды переходных металлов — слоистые двумерные полупроводники, состоящие из атома переходного металла здесь молибдена и халькогена здесь теллура. В кристаллах дихалькогенидов из-за симметрии атомы располагаются в форме шестиугольника самые выгодные энергетические состояния для электронов находятся в определенных областях пространства — долинах — вокруг атомов. Более того, электроны способны в них некоторое время сохранять проекцию спина — собственного магнитного момента. Однако такие времена слишком малы для когерентности кубита. По этой причине исследователи заместили атомы теллура на атомы брома, «открыв» для электронов дополнительные уровни вблизи нижнего края запрещенной зоны. В этом случае возникало связанное состояние электронов и долин, и проекция спина на этих уровнях сохранялась в течение нескольких наносекунд, что достаточно для создания кубита. Для изучения столь тонких эффектов ученые использовали несколько высокоточных приборов.
Сначала они получили электронную структуру примеси брома с помощью электронного парамагнитного резонанса — расщепления энергетических уровней во внешнем магнитном поле — и оценили по этим данным время когерентности спинового состояния. Оно составило порядка 5 наносекунд при температурах ниже —258 градусов Цельсия 15 кельвинов. Затем применили сканирующий туннельный микроскоп — устройство, определяющее рельеф поверхности с точностью до атома. На иглу микроскопа подавалось напряжение, и электроны с поверхности туннелировали на иглу, создавая ток. По изменению значения тока физики получали пространственную локализацию электронов и их энергию. Эти измерения подтвердили, что состояния электронов брома локализуются вблизи долин, а их энергия меняется. Именно связь долин и примеси обеспечивала длительное время когерентности.
Физики предполагают, что его можно увеличить, если взять однослойный кристалл дихалькогенида. Аналогичные экспериментальным данным исследователи получили с помощью компьютерного моделирования. Таким образом, ученые показали возможность использования реальных атомов в качестве кубитов и теоретически объяснили длительное время когерентности, построив электронную структуру материала. Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом аля-кубит. Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние. Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное.
И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси. Духова , Института физики металлов им. Михеева Екатеринбург , Института физики ионных пучков и исследования материалов Германия и Университета Аалто Финляндия. Российские ученые повысили производительность квантовых процессоров с помощью кудитов Ученые НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили подход к реализации квантовых алгоритмов с использованием дополнительных уровней квантовой системы, который позволил на порядок повысить итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов.
Поскольку при измерении кубит коллапсирует в одно из двух детерминированных состояний, невозможно измерить истинное вероятностное состояние кубита. Впрочем, можно измерить его приблизительно. Суперпозиция — реальное явление: знаменитый эксперимент с двумя щелями демонстрирует, что определённые кванты, подобные электронам или фотонам, находятся в волновых состояниях и, проходя через две щели, вызывают появление интерференционной картины на экране. Источник На аппаратном уровне главная сложность в конструировании кубитов заключается в их вероятностной природе ведь они не детерминированы , что означает, что их состояние может очень легко изменяться под воздействием внешних сил. Кубиты трудно поддерживать по той же причине, по которой они так мощны — множество их возможных состояний трудно контролировать более нескольких секунд. Применение квантовых вентилей для осуществления операций зачастую может приводить к ошибкам вентиля из-за случайного неосторожного обращения с кубитом. Напомню, что кубитом может быть что угодно от фотона до электрона или определённых молекул , если они демонстрируют квантовое поведение. Многокубитные системы и запутанность Ваш компьютер далеко не продвинется с одним битом , ведь он может принимать только два значения, а компьютер работает с огромной многоразрядной системой. Как и биты, кубиты можно собрать в многокубитную систему. В 2-кубитной системе в состоянии 10 первый кубит находится в состоянии 1 и второй в состоянии 0. Однако из-за суперпозиции 2-кубитные системы не ограничены только детерминированными значениями 0 или 1. Они могут находиться в суперпозиции. Это означает, что при измерении системы она имеет равные шансы перейти в одно из четырёх детерминированных 2-кубитных состояний. Запутанность — ещё одно часто встречающееся умное слово, которое сбивает с толку. Скажем, при двух запутанных кубитах A и B в любой суперпозиции, когда Боб измеряет кубит A в состоянии 1, он мгновенно без измерения узнаёт состояние кубита B — тоже 1. Если Боб измерит кубит B, он убедится в этом. Что ещё более замечательно, это явление работает даже если A и B находятся на расстоянии триллионов световых лет друг от друга, так как расстояние не является коэффициентом запутанности. На первый взгляд запутанность выглядит как колдовство, но она реальна и не настолько сложна, если смотреть на её систему кубитов. Если 2-кубитная система с кубитами A и B находится в запутанном состоянии, кубиты могут находиться наполовину в состоянии 00, наполовину в 11. Таким образом, независимо от измерений системы два кубита останутся теми же самыми. Запутанная система может быть так же наполовину в 01, наполовину в 10, где два состояния всегда противоположны друг другу. Состояние 00 или 11 — два кубита останутся теми же Альберт Эйнштейн и другие физики считали запутанность ошибкой, потому что она противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, в которой говорится, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если у Алисы есть кубит A, а у Боба есть кубит B оба кубита находятся в запутанности , и Боб улетит за миллиарды световых лет от Алисы, измерение её кубита покажет то же, что и измерение кубита Боба — любые изменения в кубите Алисы с применением квантового вентиля повлияют на состояние кубита Боба.