За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы).
Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание
К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
(1) Сформулировать, что такое кубит. 504 — это рекорд для Китая по количеству кубитов в сверхпроводящем квантовом чипе. По данным QuantumCTek, чип Xiaohong используется для проверки килокубитной системы, уже разработанной компанией независимо. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы.
Многокубитные системы и запутанность
- Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
- Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен
- Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
- Что такое квантовое превосходство
- Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления • AB-NEWS
- Почему от квантового компьютера зависит национальная безопасность и когда он появится в России
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
До реализации в железе полноценного квантового вычислителя, способного производить универсальные квантовые вычисления, ещё очень далеко. Думаю, более 10, а то и 20 лет. На данном этапе удалось сделать лишь относительно слабые простейшие квантовые вычислители для узкоспециальных математических задач. На пути к полноценным квантовым вычислителям предстоит решить ещё очень много физических задач. Да и математических, наверное, тоже.
А теперь давайте познакомимся с простейшим и интереснейшим объектом квантового компьютера — кубитом. 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.
Предположим, Google все-таки достиг квантового превосходства — что конкретно это доказывает и кто вообще в сомневался в том, что квантовое исчисление мощнее двоичного? Чем полезен квантовый компьютер?
Давайте начнем с практической пользы. Протокол , который я разработал пару лет назад, использует для генерации случайных битов такой же процесс выборки, как и в эксперименте Google. Сам по себе он не впечатляет, но дело в том, что даже убежденному скептику можно продемонстрировать случайность битов, обеспеченную квантовой интерференцией. Надежная случайность битов необходима для шифрования, например, в случае с криптовалютами с доказательством доли владения Proof-of-stake, или PoS — экологичными альтернативами биткоина.
Google, кстати недавно купил права на этот протокол. Симуляция квантовых процессов природы. Еще одно практическое применение потребует больше кубитов и более высокое качество работы — как раз сейчас техногиганты спешат обогнать друг друга в конструировании такого устройства. Это небольшие квантовые компьютеры, которые смогут симулировать квантовые процессы химических веществ и материалов, помогая ученым в их исследованиях.
Симуляция квантовой механики, превосходящая количество амплитуд в реальности за счет компьютера, равного по мощности самой природе, — о таком применении говорил Ричард Фейнман в начале 1980-х годов, когда создал концепцию квантового компьютера. Это всё еще самое важное применение этой технологии, которое поможет в разработке чего угодно: от аккумуляторов и солнечных батарей до удобрений и лекарств. Достижение невероятных мощностей. Еще одна веха будущего — квантовое исправление ошибок.
В теории эта технология позволит удерживать кубиты в правильном состоянии без помех в течение длительного периода времени. Исследователи полагают, что квантовое исправление ошибок в итоге позволит квантовым компьютерам вырасти от пары сотен кубитов до машин с миллионами или миллиардами кубитов, что сделает мечту Фейнмана реальностью. Но этого пока что никто не сделал — и неизвестно, когда это станет возможным. Google доказал, что квантовая механика работает В то же время эксперимент Google — это решающее доказательство жизнеспособности самой идеи.
Построить квантовый компьютер так трудно, что с тех пор как ученые серьезно взялись за это дело в середине 1990-х, некоторые скептики утверждали, что это попросту невыполнимая задача. Кубиты, говорили они, всегда будут слишком хрупкими, чтобы их контролировать. И если законы квантовой механики предсказывают, что количество амплитуд вычислений растет по экспоненте — что ж, тем хуже для нашего понимания квантовой механики! Эксперимент Google должен дать всем скептикам паузу для размышления.
Очевидно, что устройство на 53 кубита действительно смогло просчитать 9 квадриллионов амплитуд, оставив позади все суперкомпьютеры на планете — пусть пока что и в совершенно бессмысленном вычислении. Квантовая механика работает!
Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано производство микросхем. В мае 2015 года российские ученые впервые создали шесть кубитов, каждый из которых состоит из четырех джозефсоновских контактов. Сами контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика оксида алюминия толщиной около двух нанометров. В качестве проводников использовался алюминий.
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. Но режим квантового превосходства пока не был достигнут никем — такое устройство могло бы обогнать классические компьютеры в решении большинства задач. Для достижения превосходства требуется машина с 50—60 кубитами и, что важно, достаточно малой декогеренцией, то есть в состоянии, при котором ничто извне не будет мешать кубитам находиться в квантовой запутанности между собой. Здесь, в частности, и возникает сложность в реализации полноценного квантового компьютера. Дело в том, что сами по себе кубиты очень чувствительны к окружающей среде и воздействию шумов.
Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии
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. А манипуляции с двумя связанными кубитами ученые уже научились проводить с очень и очень высокой точностью. Разумеется, квантовые алгоритмы, составленные из двухкубитных вентилей, получаются в разы длиннее своих многокубитных версий, однако фундаментальной проблемы в этом нет. Нужно просто иметь квантовые процессоры с достаточно длинным временем когерентности и достаточно быстрыми одно- и двухкубитными гейтами для выполнения сотен-тысяч элементарных квантовых операций за один вычислительный цикл. Пример разложения 3-кубитного гейта на последовательность 2-кубитных операций.
Фраза «нужно просто иметь квантовые процессоры с нужными характеристиками» из конца прошлой главы звучит довольно неплохо и, в целом, это выполнимо. Но есть нюанс. Это значит, что в среднем на сотню правильно выполненных операций будет приходиться одна ошибочная. В полномасштабном квантовом компьютере, выполняющем сложный квантовый алгоритм, такие ошибки будут быстро накапливаться, приводя к выдаче неправильных результатов вычислений. При этом существенно повысить точность двухкубитных квантовых гейтов в многокубитных квантовых процессорах пока не представляется возможным. 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.
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. Формирует ли это общение? Никто не знает наверняка, потому что невозможно найти точное вероятностное состояние кубита, так как измерение кубита вынуждает его перейти в одно из двух детерминированных состояний. Этот вопрос всё ещё горячо обсуждается. Почему за кубитами будущее? Кубиты экспоненциально быстрее битов в некоторых вычислительных задачах, таких как поиск по базам данных или разложении чисел на множители что, как мы выясним ниже, может взломать интернет-шифрование.
Важно понимать, что кубиты могут содержать значительно больше информации, чем биты. Один бит содержит такое же количество информации, что и кубит — оба они могут содержать одно значение. Однако четыре бита используются для хранения того же объёма информации, что два кубита. Восемь бит сохраняют информацию, которую можно сохранить в трёх кубитах, так как 3-кубитная система может хранить восемь состояний — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. И так далее. График ниже демонстрирует вычислительную мощность кубитов. По оси x отображается количество кубитов, используемых для хранения определённого количества информации. Значения по оси y голубой линии отображают количество битов, необходимых для хранения того же объёма информации, что и в количестве кубитов по оси x, или 2 в степени x. График построен с помощью Desmos. Представьте себе какие возможности предоставляют квантовые вычисления!
Квантовые компьютеры также прекрасно подходят для разложения чисел на множители, что приводит нас к RSA шифрованию. Протокол безопасности, защищающий Medium и, наверняка, любой другой известный вам веб-сайт, известен как RSA шифрование. Он основан на том факте, что потребуется очень-очень много времени при существующих вычислительных ресурсах, чтобы разложить число m длиной больше 30 знаков на произведение двух чисел p и q, которые являются большими простыми числами. Однако деление m на p или q в вычислительном отношении значительно проще, и, поскольку m, делённое на q возвращает p и наоборот, это обеспечивает систему быстрой проверки ключа. Квантовый алгоритм, известный как алгоритм Шора, показал экспоненциальное ускорение в разложении чисел, что однажды может взломать RSA шифрование. Но не стоит пока увлекаться шумихой. На данный момент наибольшее число, которое удалось разложить квантовому компьютеру — это 21 на 3 и 7.
Возможно, скоро о квантах будут говорить активнее, поэтому пора разобраться в основных терминах. Начнем с относительно простого примера Сначала разберемся, как работает обычный компьютер.
Классическая детская задача про волка, козу и капусту вполне подходит для этого. Напомним условия: крестьянину нужно перевести троицу на другой берег в лодке, которая кроме хозяина вмещает еще один объект. При этом человек не может оставить наедине ни волка с козой, ни козу с капустой по понятным причинам. Если решать задачу с помощью обычного компьютера, можно использовать 4-битную систему, в которой 0 или 1 будут означать берег — левый и правый соответственно. Например, запись вида 0000 означает, что все находятся на левом берегу, а 1000 — что крестьянин уплыл один, бросив имущество. Единственно верным первым шагом при решении, как мы знаем, будет перевозка козы — это комбинация 1001. Чтобы ПК понял, что именно этот шаг верный, он должен перебрать все варианты по очереди, последовательно пребывая в каждом из 16 состояний. Квантовые компьютеры используют для хранения информации кубиты, которые могут принимать значение 0 и 1 по отдельности, а также 0 и 1 одновременно. То есть они могут пребывать во всех 16 состояниях сразу — это называется суперпозицией в противовес двоичной позиции в обычных устройствах.
Для примера мы использовали простую задачу, но представьте, если состояний не 16, а триллион, и вам нужно найти среди них одно. Даже если обычный компьютер будет обрабатывать каждое состояние за 1 микросекунду это миллионная доля секунды , ему понадобится не меньше недели на решение задачи. Квантовый компьютер справится за 1 секунду, действуя по алгоритму Гровера. Еще раз: что такое квантовый компьютер? Квантовый компьютер — новый тип устройств, он использует в своей работе принципы квантовой механики. Это раздел науки, которая изучает поведение атомов и еще более мелких субатомных частиц: фотонов, электронов, нейтрино. Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, в «большом» мире. Единицей информации, как мы выяснили, в квантовом компьютере является квантовый бит, или кубит, одно из свойств которого — суперпозиция, то есть комбинация всех возможных состояний. Представьте, что нужно открыть N дверей.
Спин каждого электрона либо вверх, либо вниз. Но как квантово-механическое свойство спин также может существовать в сочетании движения вверх и вниз. Чтобы повлиять на спин электронов, ученые применяют микроволны похожие на те, что используются в вашей микроволновой печи и магниты. Магниты и микроволны вместе позволяют ученым управлять кубитом. С 1990-х годов ученые смогли все лучше и лучше контролировать спин электрона. Это позволило им получить доступ к квантовым состояниям и манипулировать квантовой информацией больше, чем когда-либо прежде. Независимо от того, используют ли они спин электронов или другой подход, все кубиты сталкиваются с серьезными проблемами, прежде чем мы сможем их масштабировать.
Двумя наиболее важными из них являются время согласования и исправление ошибок. Когда вы запускаете компьютер, вам нужно иметь возможность создавать и хранить часть информации, оставить ее в покое, а затем вернуться позже, чтобы получить ее. Однако, если система, хранящая информацию, изменяется сама по себе, она бесполезна для вычислений. К сожалению, кубиты чувствительны к окружающей среде и не сохраняют свое состояние очень долго. Прямо сейчас квантовые системы подвержены множеству "шумов", которые вызывают у них низкое время когерентности время, в течение которого они могут поддерживать свое состояние или приводить к ошибкам. Даже если вы сможете уменьшить этот шум, ошибки все равно будут. Чем больше кубитов у вас в игре, тем больше этих проблем умножается.
Хотя самые мощные современные квантовые компьютеры имеют около 50 кубитов, вполне вероятно, что им потребуются сотни или тысячи для решения тех проблем, которые мы хотим от них. Какие бывают кубиты? Сообщество ученых и инженеров еще не пришло к единому решению в вопросе о том, какая из известных технологий кубитов является лучшей. По мнению большинства, у разных типов имеются разные области применения. Помимо вычислений, различные квантовые материалы могут быть полезны для квантового зондирования или сетевой квантовой связи. Сверхпроводящие кубиты Сверхпроводящие кубиты в настоящее время являются самой передовой технологией кубитов. Большинство существующих квантовых компьютеров используют сверхпроводящие кубиты, в том числе тот, который "побеждает" самый быстрый суперкомпьютер в мире.
Они используют многослойные структуры металл-изолятор-металл, называемые джозефсоновскими переходами. Чтобы превратить эти материалы в сверхпроводники — материалы, через которые электричество может проходить без потерь, — ученые остужают их до очень низких температур. Помимо прочего, пары электронов когерентно движутся через материал, как если бы они были отдельными частицами. Это движение делает квантовые состояния более долгоживущими, чем в обычных материалах. Сейчас все усилия по разработке сосредоточены не изучении того, как улучшить джозефсоновский переход, тонкий изолирующий барьер между двумя сверхпроводниками в кубите. Влияя на то, как движутся электроны, этот барьер позволяет управлять уровнями энергии электронов.
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Чтобы сделать кубиты, отдельные электроны помещают в линейный массив из шести «квантовых точек», отстоящих друг от друга на 90 нанометров. Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0. 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. — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе.
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Два кубита можно запутать между собой — тогда они всегда будут выдавать противоположный друг другу результат. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды.