Рассказываем, как появился первый квантовый компьютер, сколько кубитов в современных процессорах и какие задачи они могут решать. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0.
Миллион задач в секунду: как работают квантовые компьютеры
Когда у вас есть вода в кастрюле с крышкой, вы не знаете, кипит она или нет. Обычно вода либо кипит, либо нет — точка зрения не меняет ее состояния. Но если бы горшок находился в квантовой сфере, вода представляющая квантовую частицу могла одновременно кипеть и не кипеть, или любая линейная суперпозиция этих двух состояний могла бы быть справедливой. Если бы вы сняли крышку с этой квантовой кастрюли, вода сразу же перешла бы в то или иное состояние.
Измерение переводит квантовую частицу или воду в определенное наблюдаемое состояние. Запутанность — это когда кубиты связаны друг с другом, не позволяя им действовать независимо. Это происходит, когда квантовая частица имеет состояние например, спин или электрический заряд , которое связано с состоянием другой квантовой частицы.
Эта взаимосвязь сохраняется даже тогда, когда частицы физически находятся далеко друг от друга, даже далеко за пределами атомных расстояний. Эти свойства позволяют квантовым компьютерам обрабатывать больше информации, чем обычные биты, которые могут находиться только в одном состоянии и действуют независимо друг от друга. Но чтобы получить любое из этих замечательных свойств, вам нужно хорошо контролировать электроны материала или другие квантовые частицы.
В некотором смысле это не так уж отличается от обычных компьютеров. Независимо от того, движутся электроны через обычный транзистор или нет, значение бита будет или 1, или 0. Вместо того, чтобы просто включать или выключать электронный поток, кубиты требуют контроля над такими хитрыми вещами, как спин электрона.
Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. Получив к ним доступ, они могут использовать свет или магнитные поля для создания суперпозиции, сцепления и других свойств. Во многих материалах ученые делают это, манипулируя спином отдельных электронов.
Электронный спин похож на вращение волчка; у него есть направление, угол и импульс. 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.
Физики, которыми руководил Майкл Деворет Michel Devoret , не усердствовали, ограждая «неженок» от возмущений, а стали в реальном времени исправлять появляющиеся ошибки. Применили метод, который так и называется «квантовая коррекция ошибок» - сокращенно QEC quantum error correction. Ученые уверяют : они впервые в мире показали, что метод работает — повышает устойчивость квантовой информации. О чем сообщили в журнале Nature. Российский кубит на сверхпроводниках.
Кубиты следят друг за другом Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского Квантового Центра и Университета МИСИС: - Для того, чтобы нивелировать эффект ошибок при работе классических процессоров используются коды коррекции ошибок. Они настолько быстры, что мы даже не замечаем, как эффективно работает процедура. В квантовом случае коррекция ошибок — гораздо более сложная задача. Хотя бы потому, что невозможно идеально копировать заранее неизвестные квантовые состояния. Квантовая физика запрещает такую процедуру.
Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ. Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз! Квантовые компьютеры сегодня Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов! На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика.
Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров. Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет! Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2. Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами! Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность!
И это совсем не предел. Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений. Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться? Естественно, не для распихивания людей по автобусам. Задач множество. Главная — базы данных и поиск по ним, работа с BigData станет невероятно быстрой.
Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы? Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен! Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой.
Несмотря на то что квантовые компьютеры пока остаются довольно слабыми и едва ли могут незамедлительно перевернуть все рынки, множество мировых экспертов сходятся во мнении, что компетенции в области квантовых вычислений могут стать одним из ключевых аспектов эффективного развития информационно-технологической экосистемы уже в ближайшем будущем. Рост индустрии После демонстрации квантового превосходства исследователями Google, индустрия квантовых вычислений начала привлекать всё больше и больше внимания. Заинтересованы данной областью как исследователи, так и инвесторы [2]. Это вполне объяснимо — мир едва начал свыкаться с экономическими и индустриальными последствиями революции, порождённой взрывным развитием технологий классических компьютеров. И тут на горизонте возникает новая область — квантовые вычисления, которая, кажется, имеет все шансы на повторение такого поразительного взлёта. Сообщение о способности квантового компьютера на практике решать задачу, принципиально неподвластную классическому вычислителю, для многих стало сигналом о том, что компьютеры нового типа неизбежно достигнут нужного уровня совершенства и займут свою нишу уже в ближайшем будущем. Ещё больше подогрели интерес к ситуации сами исследователи Google, заявив, что по аналогии с законом Мура для классических компьютеров, можно ожидать роста характеристик квантовых вычислителей с экспоненциальной скоростью [1]. Оглашение подобной перспективы мгновенно привело к взрывному росту числа тематических публикаций, регистрируемых патентов, а также компаний-стартапов в области квантовых вычислений [3]. Рост числа публикаций по теме квантовых вычислений [4. Тезис демонстрации квантового превосходства в значительной мере подвергается критике. Задача, на которой он был продемонстрирован, в реальности бесполезна, а временные рамки обещаний практически значимого квантового вычислителя постоянно сдвигаются [5 ; 6; 7]. В этом, безусловно, есть доля истины. Но настолько ли далека перспектива распространения квантовых вычислителей, чтобы можно было обходить их вниманием? Цель данной статьи — сформировать у читателя понимание возможных сценариев развития квантовых компьютеров, их потенциального места среди других существующих технологий, а также текущего прогресса в борьбе с практическими ограничениями, препятствующими широкому распространению продуктов и сервисов на основе квантовых вычислений уже сегодня. Парадигма квантовых вычислений Прежде всего определим, какое место квантовые вычислители могут в перспективе занять в устоявшейся индустрии информационных технологий. Как известно, классические компьютеры оперируют битами — единицами информации, которые позволяют различить два состояния системы: 0 и 1. В основе логики квантового компьютера лежит схожее понятие — кубит. Кубит — объём информации, описывающий квантовую систему с двумя состояниями. В отличие от бита, кубит может принимать промежуточные значения, сочетающие вклад состояний 1 и 0 в разных пропорциях. Если кубита два, то возможных вкладов в состояние становится четыре: 00, 01, 10, 11. И так далее в геометрической прогрессии. Если число кубитов приближается к нескольким сотням, то памяти всех классических компьютеров не хватит, чтобы сохранить полный объём информации о состоянии такого регистра. На практике это в совокупности с особенностями обработки и считывания квантовой информации приводит к тому, что отдельные задачи на квантовом вычислителе начинают решаться качественно быстрее, чем на классическом. Например квантовый алгоритм Шора позволяет разложить число на простые множители с экспоненциальным ускорением [8], а алгоритм Гровера — осуществить поиск по неструктурированной базе данных с квадратичным ускорением [9]. Из первого следует потенциальное разрушение криптографической стойкости шифров с открытым ключом на основе RSA, а из второго — квадратичное ускорение решения любой NP-задачи и соответствующее снижение стойкости симметричных шифров. То есть для обеспечения того же уровня секретности понадобится вдвое более длинный ключ. Математически доказано, что квантовый компьютер способен эффективно моделировать классический [10]. То есть всё, на что способен классический компьютер, квантовый компьютер способен исполнить по крайней мере не хуже. Однако на практике квантовый компьютер сегодня — весьма сложная лабораторная установка, отдельные элементы которой зачастую требуют криогенного охлаждения. Главным ограничением квантового компьютера является ограничение по объёму обрабатываемых данных. В лучшем случае сегодня это несколько сотен кубитов, что никак нельзя сравнить с доступными классическим вычислителям гигабайтами оперативной памяти. Поэтому реальный сценарий использования квантового вычислителя — гибридный. Вся инфраструктура остаётся классической, и только при необходимости произведения отдельных специфичных расчётов классическая программа удалённо подключается к квантовому вычислителю, передаёт ему данные и считывает результат. Единственная технология, которая остаётся за рамками такой картины — квантовые коммуникации. Квантовая криптография, которая как раз способна обеспечить концептуальную защиту от атаки квантовым вычислителем, требует создания новой инфраструктуры для передачи квантовой информации. Это может быть оптическое волокно или атмосферный лазерный канал. Не исключается использование на оптическом канале дронов и спутников. Также, помимо непосредственно программируемых квантовых компьютеров, возможно использование проблемно-специфичных квантовых устройств. С их помощью, например, на линиях квантовых коммуникаций может осуществляться коррекция ошибки без считывания квантового состояния. Данный тип устройств не предъявляет больших требований по числу кубитов или объёму исполняемой программы и теоретически может быть реализован на имеющейся сегодня технологической базе. Из всего перечисленного выше формируется образ перспективной информационной инфраструктуры. Квантовые вычислители не повлияют существенным образом на облик имеющихся сегодня сервисов, оставив все конечные пользовательские интерфейсы привычно классическими. Может повыситься скорость обработки данных в отдельных задачах за счёт доступа пользовательских устройств к облачным квантово-вычислительным сервисам. Также появится квантовая информационная инфраструктура, в первую очередь для квантовой криптографии. Это будут стационарные, либо мобильные, но маловероятно, что карманные устройства для квантового распределения ключей. Вполне возможно, что более простые и компактные по сравнению с полноценными компьютерами квантовые вычислительные системы будут использоваться на конечных пользовательских узлах для обработки квантовой информации. Квантовые алгоритмы и возможности квантовых вычислителей Ступень развития, на которой сегодня находятся квантовые вычислители, получила название NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum — квантовые устройства среднего масштаба без коррекции ошибок. Название отражает две главные проблемы, сдерживающие развитие квантовых компьютеров — сложность создания регистра большого объёма и большая подверженность влиянию внешних шумов. Две этих проблемы неразрывно связаны. То, что под влиянием шума квантовые состояния со временем теряют заложенную в них информацию, влияет на нашу способность контролировать одновременно большое число кубитов. Экспериментальные реализации квантовых вычислителей только чуть более года назад перешагнули рубеж в 100 кубитов в регистре [11]. Теоретически, этого уже достаточно, для экспериментальной реализации некоторых алгоритмов криптоанализа. Атака полноценного AES-128 может быть выполнена при 384 доступных кубитах [13]. Однако глубина данного алгоритма такова, что к концу его исполнения полезная информация в вычислительном регистре будет почти полностью уничтожена шумами. Справиться с такими нежелательными эффектами призвана технология коррекции ошибок. Вероятность того, что несколько кубитов одновременно потеряют информацию о своём состоянии под действием шумов — ниже, чем для одного. Для коррекции ошибок вводится понятие логического кубита, состояние которого кодируется несколькими физическими кубитами. Если часть физических кубитов, кодирующих один логический, оказалась зашумлена, их состояния могут быть восстановлены с опорой на информацию, сохранённую в остальных кубитах.
Наши проекты
- От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
- Содержание
- Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии
- Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления • AB-NEWS
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. Как уже было сказано, если измерить кубит, в результате будет получено конкретное значение. Отечественные кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов и выполнены методом литографии из тончайших пластин алюминия, толщиной всего 2 нанометра, которые разделены слоем диэлектрика.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
аж 1,8 миллисекунды. 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. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы.
Что такое квантовые вычисления?
Недавно исследователи разработали флюксониевый кубит, способный сохранять информацию в течение 1,43 миллисекунды, что в десять раз дольше, чем предыдущие технологии создания кубитов. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. Начнем с понятия кубита и его отличий от бита классических компьютеров. Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами.
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
Также у нас есть 25-кубитный компьютер на атомной платформе. Но качество операций лучше на ионной платформе». До конца этого года должны успеть 50 сделать. Посмотрим, может быть, получится и больше», — добавил Юнусов. Квантовые компьютеры в будущем будут использоваться для решения задач, с которыми не могут справиться привычные нам электронные вычислительные машины.
Это, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические расчеты.
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. Если допустить, что уже в скором времени появится реально работающее квантовое «железо», преимущества его перед нынешними вычислительными системами сложно переоценить. Поиск в огромных базах данных, разработка новых лекарственных средств, расшифровка генома, оптимизация транспортных маршрутов, исследования космических пространств, метеорология, исследования в области ядерной энергетики требуют перебора невероятного количества вариантов решений.
Подобные задачи — основные сферы применения квантовых компьютеров в будущем. Существует ли квантовый компьютер сейчас? Да, безусловно. Применяется ли он для решения конкретных практических задач? Пока нет. Но активность поисков в этой области внушает некоторый, хоть и очень осторожный, оптимизм.
Вспомните: ведь еще совсем недавно самый обычный смартфон показался бы нам чудом технологий! Так почему бы и квантовому компьютеру не обернуться в ближайшие десятилетия приятной повседневностью, открывающей перед нами новые захватывающие горизонты? Поделитесь этим с друзьями!
Метод экстраполяции к нулевому шуму является наиболее простым методом подавления ошибки, и он отлично подходит для применения в вариационных квантовых алгоритмах. Данный тип алгоритмов — самый реальный кандидат на практическое использование в NISQ-устройствах. Вариационный алгоритм сочетает использование квантового вычислителя для ускоренного расчёта некоторой целевой функции с использованием классического оптимизатора. Можно сказать, что прямая реализация принципа, высказанного Ричардом Фейнманом: для расчёта состояний квантово-механической системы используется квантовый вычислитель. В зависимости от того, какая квантовая схема используется, оптимизируемая целевая функция может решать задачи квантовой химии, оптимизации или даже криптоанализа [15, 16]. Интереснее всего то, что неизвестны точные асимптотики эффективности квантовых вариационных алгоритмов. В отдельных случаях они способны демонстрировать результаты, превосходящие и классический оптимизатор, и даже квантовый алгоритм Гровера. В совокупности со сравнительно низкими требованиями по числу кубитов вариационные алгоритмы можно оценить как потенциально одну из самых близких к практическому внедрению технологию из области квантовых вычислений. Сверхпроводники Долгое время квантовые компьютеры на основе сверхпроводящих кубитов удерживали рекорд по доступному объёму вычислительного регистра. Именно на машине такой архитектуры было продемонстрировано практическое квантовое превосходство [1]. В основе физической реализации данного типа кубитов лежит квантование уровней энергии электрического колебательного контура в условиях сверхпроводимости. Такой подход обеспечивает достаточно высокую степень точности исполнения операций, однако поддержание вычислителя в сверхпроводящем состоянии требует создания криогенных температур в значительном объёме. Это, в свою очередь, ведёт к существенной чувствительности вычислителей данного типа к внешнему воздействию, а также создаёт дополнительные препятствия для масштабирования. Тем не менее, достижением 2022 года является представленный компанией IBM вычислитель Osprey с 433 сверхпроводящими кубитами [17]. Если представленный годом ранее Eagle, обладающий 127 кубитами, теоретически позволял промоделировать отдельные элементы атаки S-AES с простейшей коррекцией ошибок, например, с девятикубитным кодом Шора, то в регистре Osprey можно проводить эксперименты со значительно более сложными и совершенными кодами коррекции. В контексте этого вызывает интерес исследование методов подавления ошибки на уровне логических кубитов. Точная оценка перспектив этих подходов требует более подробных экспериментальных данных, однако, можно утверждать, что IBM пока достаточно успешно поддерживают тренд роста числа кубитов сверхпроводниковых вычислителей. Озвученным прогнозом специалистов IBM стало получение компьютера с 4000 кубитов к 2025 году. И, несмотря на всю кажущуюся амбициозность данного заявления, фундаментальных ограничений, которые могли бы препятствовать достижению заявленных параметров, нет. Если специалисты IBM справятся с подавлением шумов и поддержанием когерентности для регистра с таким количеством кубитов — они смогут выполнить обещание. Холодные атомы Вычислители на основе холодных атомов не требуют криогенного охлаждения кубитов. Теоретически, за счёт возможности наращивания числа оптических ловушек, удерживающих атомы, и большей устойчивости к шумам, вычислители данного типа обладают несколько большим потенциалом масштабирования, по сравнению с квантовыми компьютерами на основе сверхпроводящих цепей. В то же время возникающие при работе с атомными кубитами ошибки в значительной мере поддаются контролю за счёт методов подавления. Это было продемонстрировано в 2021 году с представлением программируемого атомного симулятора на 256 кубитов [18]. По количеству кубитов для архитектуры на основе холодных атомов рекорд прошлого года — 256 кубитов на программируемом симуляторе, остаётся актуален. Однако произошел прорыв в технологии реализации двухкубитных гейтов. Поскольку атомы электрически нейтральны, они не взаимодействуют на расстоянии. Реализация двухкубитного гейта для них требует возбуждения одного из атомов в состояние с очень высокой энергией, называемое ридберговским. В таком состоянии радиус, на котором атомы могут взаимодействовать, существенно увеличивается и наблюдается эффект ридберговской блокады: если один атом уже находится в ридберговском состоянии, это приводит к смещению электронных уровней соседнего атома, что не позволяет возбудить его в ридберговское состояние при помощи характерного лазерного импульса. На основе этого эффекта может быть построен запутывающий гейт [19]. Новый подход использует ультракороткие лазерные импульсы для одновременного возбуждения атомов в ридберговские состояния за пределами режима ридберговской блокады [20]. Это даёт возможность преодолеть характерное временное ограничение и перейти от микросекундного временного масштаба к наносекундному. И, хотя рекордная точность операции пока не продемонстрирована, такой подход за счёт скорости взаимодействия атомов ведёт к значительному снижению вероятности возникновения ошибки при применении двухкубитного гейта. Новый тип запутывающих гейтов не предоставляет технологию для реализации квантовых операций с гигагерцовой частотой. Однако он позволяет преодолеть характерный временной барьер, так что вычислитель, построенный на гейтах такого типа, теоретически сможет по порядку величины приблизиться к быстродействию классических компьютеров. В совокупности со сравнительно долгим временем жизни атомного кубита данная технология в перспективе существенно повышает потенциал масштабируемости вычислителей на основе холодных атомов. Оптические кубиты Электрическая нейтральность атомов обеспечивает им меньшую чувствительность к шумам окружающей среды, но, в то же время, создаёт сложности для обеспечения взаимодействия атомов между собой. Это заставляет использовать более сложные схемы реализации двухкубитных гейтов, такие как гейты на основе ридберговской блокады. Ещё дальше в этом направлении заходят кубиты на основе фотонов. Фотоны практически не взаимодействуют ни с окружением, ни между собой. За счёт этого они, с одной стороны, практически не подвержены влиянию шума, но, с другой, реализация запутывающего гейта для фотонных кубитов в ряде случаев связана с фундаментальными ограничениями. По этой причине до недавнего времени оптические квантовые вычислители оценивались как наиболее перспективные на временном горизонте от 10 лет. Но в 2021-2022 годах стали доступны новые технические возможности, позволяющие обойти характерные для оптической архитектуры фундаментальные ограничения. Существуют несколько способов кодирования кубита в состоянии фотона. Наиболее простые — поляризационный кубит и двухрельсовая кодировка. Поляризационный кубит подразумевает сопоставление состояний 1 и 0 ортогональным поляризациям, например, вертикальной и горизонтальной. Двухрельсовая кодировка предлагает кодировать один кубит в паре оптических мод, сопоставленных состояниям 0 и 1, в одной из которых находится фотон. В обоих случаях из-за слабого взаимодействия фотонов реализация двухкубитного гейта требует использования нелинейной среды. Причём величина нелинейности должна на много порядков превосходить достижимые значения. Ввиду технической невозможности прямой реализации был найден альтернативный подход, названный протоколом KLM Knill, Laflamme, Milburn [21]. Он позволяет реализовывать двухкубитный запутывающий гейт с использованием только линейных элементов, однако получаемая схема имеет ограниченную вероятность успешного срабатывания. Такой подход уже является приемлемым для экспериментальных задач, и позволяет реализовывать квантовые вариационные алгоритмы с малым числом кубитов. Однако конечная вероятность успешного срабатывания гейта ведёт к экспоненциально малой вероятности срабатывания всей схемы при её масштабировании, что недопустимо. Преодоление этого ограничения потребовало выработки ещё одного альтернативного подхода. Из характеристик квантового состояния светового пучка могут быть выделены отдельные параметры, связанные соотношением неопределённостей Гейзенберга. Связь данных параметров позволяет кодировать в них состояние кубита. В некотором смысле это подобно тому, как оно кодируется в поляризации. Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела.
Концепция квантового компьютера, появившись в 80-х годах прошлого века, к сегодняшнему дню успела развиться до уровня строгого математического формализма, воплотиться в металле и даже постепенно начать входить в нашу жизнь. Ведь в области квантовых технологий по меньшей мере лежит и щит, и меч информационной безопасности — квантовые компьютеры представляют потенциальную угрозу, а для защиты от них применяются методы квантовой и пост-квантовой криптографии, уже достаточно широко представленные на рынке. Изначально было ясно, что многие квантовые алгоритмы не имеют прямых классических аналогов. Например, ускоренный поиск по неструктурированной базе данных, работающий быстрее последовательного перебора, или телепортация квантовой информации — перенос квантовых данных между двумя носителями таким образом, что физически между ними передаётся только информация классическая. Дело в том, что квантовые компьютеры остаются в определённом смысле аналоговыми, и такие сугубо квантовые алгоритмы не вписываются в парадигму детерминированных цифровых классических вычислений. По этой же причине многие из квантовых алгоритмов кажутся совершенно контринтуитивными и не вписываются в наши привычные представления. Долгое время оставался открытым вопрос, существует ли задача, в которой квантовые компьютеры будут обладать доказуемым качественным преимуществом по сравнению с классическими. Данный вопрос получил название задачи поиска квантового превосходства. Значительный шаг вперёд в этом направлении был осуществлён только в 2019 году, когда исследователи Google AI Quantum экспериментально продемонстрировали, как квантовый компьютер справляется с задачей, на решение которой у классического вычислителя, по представлениям исследователей, ушло бы несколько десятков тысяч лет [1]. И хотя данное исследование содержит только неподкреплённую строгим математическим доказательством практическую демонстрацию, а его результаты впоследствии вызвали в научных кругах широкую дискуссию с вескими аргументами за обе стороны вопроса, можно полагать, что в данный момент мы находимся на заре эпохи практического квантового превосходства. Безусловно, это оказывает значительное влияние на индустрию информационных технологий в целом, и, в частности, на её экономику. Всё больше мировых IT-гигантов, таких как IBM, Google, Microsoft, Amazon и Alibaba вкладывают огромные ресурсы в разработку квантовых вычислителей и исследование квантовых алгоритмов. Несмотря на то что квантовые компьютеры пока остаются довольно слабыми и едва ли могут незамедлительно перевернуть все рынки, множество мировых экспертов сходятся во мнении, что компетенции в области квантовых вычислений могут стать одним из ключевых аспектов эффективного развития информационно-технологической экосистемы уже в ближайшем будущем. Рост индустрии После демонстрации квантового превосходства исследователями Google, индустрия квантовых вычислений начала привлекать всё больше и больше внимания. Заинтересованы данной областью как исследователи, так и инвесторы [2]. Это вполне объяснимо — мир едва начал свыкаться с экономическими и индустриальными последствиями революции, порождённой взрывным развитием технологий классических компьютеров. И тут на горизонте возникает новая область — квантовые вычисления, которая, кажется, имеет все шансы на повторение такого поразительного взлёта. Сообщение о способности квантового компьютера на практике решать задачу, принципиально неподвластную классическому вычислителю, для многих стало сигналом о том, что компьютеры нового типа неизбежно достигнут нужного уровня совершенства и займут свою нишу уже в ближайшем будущем. Ещё больше подогрели интерес к ситуации сами исследователи Google, заявив, что по аналогии с законом Мура для классических компьютеров, можно ожидать роста характеристик квантовых вычислителей с экспоненциальной скоростью [1]. Оглашение подобной перспективы мгновенно привело к взрывному росту числа тематических публикаций, регистрируемых патентов, а также компаний-стартапов в области квантовых вычислений [3]. Рост числа публикаций по теме квантовых вычислений [4. Тезис демонстрации квантового превосходства в значительной мере подвергается критике. Задача, на которой он был продемонстрирован, в реальности бесполезна, а временные рамки обещаний практически значимого квантового вычислителя постоянно сдвигаются [5 ; 6; 7]. В этом, безусловно, есть доля истины. Но настолько ли далека перспектива распространения квантовых вычислителей, чтобы можно было обходить их вниманием? Цель данной статьи — сформировать у читателя понимание возможных сценариев развития квантовых компьютеров, их потенциального места среди других существующих технологий, а также текущего прогресса в борьбе с практическими ограничениями, препятствующими широкому распространению продуктов и сервисов на основе квантовых вычислений уже сегодня. Парадигма квантовых вычислений Прежде всего определим, какое место квантовые вычислители могут в перспективе занять в устоявшейся индустрии информационных технологий. Как известно, классические компьютеры оперируют битами — единицами информации, которые позволяют различить два состояния системы: 0 и 1. В основе логики квантового компьютера лежит схожее понятие — кубит. Кубит — объём информации, описывающий квантовую систему с двумя состояниями. В отличие от бита, кубит может принимать промежуточные значения, сочетающие вклад состояний 1 и 0 в разных пропорциях. Если кубита два, то возможных вкладов в состояние становится четыре: 00, 01, 10, 11. И так далее в геометрической прогрессии. Если число кубитов приближается к нескольким сотням, то памяти всех классических компьютеров не хватит, чтобы сохранить полный объём информации о состоянии такого регистра. На практике это в совокупности с особенностями обработки и считывания квантовой информации приводит к тому, что отдельные задачи на квантовом вычислителе начинают решаться качественно быстрее, чем на классическом. Например квантовый алгоритм Шора позволяет разложить число на простые множители с экспоненциальным ускорением [8], а алгоритм Гровера — осуществить поиск по неструктурированной базе данных с квадратичным ускорением [9]. Из первого следует потенциальное разрушение криптографической стойкости шифров с открытым ключом на основе RSA, а из второго — квадратичное ускорение решения любой NP-задачи и соответствующее снижение стойкости симметричных шифров. То есть для обеспечения того же уровня секретности понадобится вдвое более длинный ключ. Математически доказано, что квантовый компьютер способен эффективно моделировать классический [10]. То есть всё, на что способен классический компьютер, квантовый компьютер способен исполнить по крайней мере не хуже. Однако на практике квантовый компьютер сегодня — весьма сложная лабораторная установка, отдельные элементы которой зачастую требуют криогенного охлаждения. Главным ограничением квантового компьютера является ограничение по объёму обрабатываемых данных. В лучшем случае сегодня это несколько сотен кубитов, что никак нельзя сравнить с доступными классическим вычислителям гигабайтами оперативной памяти. Поэтому реальный сценарий использования квантового вычислителя — гибридный. Вся инфраструктура остаётся классической, и только при необходимости произведения отдельных специфичных расчётов классическая программа удалённо подключается к квантовому вычислителю, передаёт ему данные и считывает результат. Единственная технология, которая остаётся за рамками такой картины — квантовые коммуникации. Квантовая криптография, которая как раз способна обеспечить концептуальную защиту от атаки квантовым вычислителем, требует создания новой инфраструктуры для передачи квантовой информации. Это может быть оптическое волокно или атмосферный лазерный канал. Не исключается использование на оптическом канале дронов и спутников. Также, помимо непосредственно программируемых квантовых компьютеров, возможно использование проблемно-специфичных квантовых устройств. С их помощью, например, на линиях квантовых коммуникаций может осуществляться коррекция ошибки без считывания квантового состояния. Данный тип устройств не предъявляет больших требований по числу кубитов или объёму исполняемой программы и теоретически может быть реализован на имеющейся сегодня технологической базе. Из всего перечисленного выше формируется образ перспективной информационной инфраструктуры. Квантовые вычислители не повлияют существенным образом на облик имеющихся сегодня сервисов, оставив все конечные пользовательские интерфейсы привычно классическими. Может повыситься скорость обработки данных в отдельных задачах за счёт доступа пользовательских устройств к облачным квантово-вычислительным сервисам. Также появится квантовая информационная инфраструктура, в первую очередь для квантовой криптографии. Это будут стационарные, либо мобильные, но маловероятно, что карманные устройства для квантового распределения ключей. Вполне возможно, что более простые и компактные по сравнению с полноценными компьютерами квантовые вычислительные системы будут использоваться на конечных пользовательских узлах для обработки квантовой информации.
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
Фундаментальные принципы кубитов, простое объяснение того, что такое суперпозиция. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур.
Самое недолговечное в мире устройство стало «жить» в два раза дольше
Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений.