Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0. Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. аж 1,8 миллисекунды. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. 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.
Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
Однако, чтобы достичь квантового превосходства и превзойти классические компьютеры, требуется устройство с достаточным количеством стабильных кубитов и минимальным воздействием шумов и возмущений из окружающей среды. Главная сложность в разработке квантовых компьютеров заключается в сохранении квантовых состояний кубитов, так как чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям и шумам. 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.
Все возникающие в процессе ошибки исправляются им самим без привлечения других физических кубитов, что открывает путь к массовым квантовым компьютерам. Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.
Это предполагает крепкое теоретическое обоснование разработок компании в дополнение к возможности производить оборудование на заводе в Шербруке. Свой «альтернативный» кубит Nord Quantique создала в одном экземпляре. Статья и работа базируются на проверке его работы вне рамок вычислений, которые начнут проводиться ближе к концу текущего года. Физическое представление кубита. Источник изображения: Nord Quantique Интересно, что канадцы фактически перевернули с ног на голову архитектуру, давно используемую в квантовых компьютерах IBM и Google в виде так называемых трансмониевых сверхпроводящих кубитов.
Кубиты в компьютерах IBM и Google хранят информацию в сверхпроводящей петле, а управляются микроволновым резонатором, в котором микроволновые фотоны задерживаются на какое-то время. Кубит Nord Quantique, напротив, хранит информацию — квантовые состояния — в микроволновых фотонах, удерживаемых в резонаторах, а сверхпроводящая петля управляет его состоянием. Хитрость в том, что в резонатор можно запустить избыточное количество фотонов. Чем их больше, тем меньше вероятность появления ошибки. Избыточность — это хорошо проверенный и доказанный способ снизить количество ошибок, что широко применяется в обычных вычислениях.
Иными словами, перспективы у него есть, если компания начнёт быстро догонять конкурентов. Квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах Было бы заманчиво увидеть масштабное применение кубита Nord Quantique. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Для логического кубита Nord Quantique нужен всего один физический кубит или, по крайней мере, десятки, а не тысячи всех этих петелек, резонаторов, коаксиальных разъёмов и прочей мелочи, которая в масштабе представляет то, что мы видим на современных фотографиях квантовых систем: огромные хромированные люстры. По словам главного квантового архитектора IBM Маттиаса Стефана Mattias Stephan , усилия по созданию этого устройства «открыли путь к масштабированию» квантовых вычислений.
Источник изображений: IBM Процессор Condor является частью долгосрочных исследований IBM по разработке крупномасштабных квантовых вычислительных систем. Хотя он располагает огромным количеством кубитов, производительность его сравнима с 433-кубитным устройством Osprey, дебютировавшим в 2022 году. Это связано с тем, что простое увеличение количества кубитов без изменения архитектуры не делает процессор быстрее или мощнее. По словам Стефана, опыт , полученный при разработке Condor и предыдущего 127-кубитного квантового процессора Eagle , проложил путь к прорыву в перестраиваемой архитектуре процессора Heron. Он был разработан с учётом модульности и масштабирования».
Ранее в этом году компания IBM продемонстрировала, что квантовые процессоры могут служить практическими платформами для научных исследований и решения проблем химии, физики и материаловедения, выходящих за рамки классического моделирования квантовой механики методом грубой силы. После этой демонстрации исследователи и учёные из многочисленных организаций, включая Министерство энергетики США, Токийский университет, Q-CTRL и Кёльнский университет, использовали квантовые вычисления для решения более крупных и сложных реальных проблем, таких как открытие лекарств и разработка новых материалов. Эта система на базе трёх квантовых процессоров Heron станет основой архитектуры квантовых вычислений IBM следующего поколения. Она сочетает в себе масштабируемую криогенную инфраструктуру и классические серверы с модульной электроникой управления кубитами. В результате систему можно будет расширять в соответствии с будущими потребностями, и «апгрейдить» при появлении следующего поколения квантовых процессоров.
Стремясь облегчить разработчикам и инженерам работу с квантовыми вычислениями, IBM анонсировала выход в феврале 2024 года версии 1. В дополнение к Qiskit, IBM анонсировала Qiskit Patterns — способ, позволяющий квантовым разработчикам легко создавать код и оптимизировать квантовые схемы с помощью Qiskit Runtime, а затем обрабатывать результаты. На презентации он продемонстрировал использование генеративного ИИ на базе Watson X для создания квантовых схем при помощи базовой модели Granite, обученной на данных Qiskit. Это две ключевые характеристики, которые могут привести к появлению коммерческих универсальных квантовых компьютеров. Архитектура испытана на одно- и двухкубитовых схемах, чем подтвердила свою перспективность.
Источник изображения: MIT Современные квантовые вычислители компаний Google и IBM на сверхпроводящих кубитах для построения логических элементов используют так называемые трансмониевые кубиты transmon.
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. Таким образом, для повреждения состояния логического кубита необходимо, чтобы к моменту выполнения коррекции большая доля физических кубитов была значительно зашумлена. Такой подход в теории позволяет бороться с шумами, но кратно увеличивает требования к объёму регистра квантовых вычислителей. Объём регистра, необходимого для выполнения атаки Гровреа на AES с применением коррекции ошибок составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч кубитов. Объём регистра, необходимого для атаки шифра RSA алгоритмом Шора преодолевает порог в сто тысяч кубитов. Возможность реализации вычислителя с регистром такого объёма в ближайшие пять лет представляется крайне маловероятной. Однако не исключено, что первые попытки лабораторной реализации подобных алгоритмов или их элементов начнут появляться к концу десятилетия.
Рост числа кубитов по годам Другим возможным подходом к борьбе с шумами является не коррекция, а подавление ошибок [14]. Наиболее распространёнными являются подходы с так называемой экстраполяцией к нулевому шуму и с применением в схеме дополнительных параметризованных гейтов, призванных статистически подавлять влияние специфических шумов. Преимуществом подхода является то, что он не требует увеличения числа физических кубитов в алгоритме. 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.
Как правило, коммерчески доступные системы имеют небольшое количество кубитов, однако в них используются принципы квантовой механики, ускоряющие вычисления. Одним из главных игроков на этом рынке является компания D-Wave Systems, чьи устройства уже включают в себя пять тысяч кубитов.
В 2020 году D-Wave начала предлагать коммерческий доступ через облако к специализированным квантовым компьютерам Advantage с пятью тысячами кубитов, которые пока пригодны для решения сложных оптимизационных задач. IBM представила коммерчески доступный IBM Quantum System One, пригодный для решения более широкого круга задач, в том числе моделирования материалов для систем хранения энергии, оптимизации портфелей финансовых активов и улучшения параметров стабильности в инфраструктуре энергоснабжения. Исследователи также стремятся использовать квантовый компьютер для того, чтобы раздвинуть границы глубокого обучения. Пока ведутся исследования, связанные с проверкой концепции, то есть демонстрации осуществимости квантовых вычислений в интересующих специалистов областях. ИИ и криптосистемы Одна из наиболее перспективных областей, на которую могут повлиять квантовые вычисления, — разработка систем искусственного интеллекта ИИ. ИИ имеет дело с огромными объемами данных, а неточности в обучении нейронных сетей приводят к значительным погрешностям. Квантовые компьютеры могут улучшить алгоритмы обучения и интерпретации.
Предприниматель в области ИИ Гэри Фаулер считает, что большую роль играет способность квантовых компьютеров выходить за рамки привычного двоичного кодирования. Это влияет как на объем анализируемой информации, так и на обработку естественного языка. ИИ на базе квантового компьютера будет способен глубоко понимать и анализировать текст и речь. Это касается и распознавания образов, то есть искусственный интеллект может научиться видеть предметы и понимать, что находится перед ним, с той же точностью, что человек, и даже лучше. Улучшенное распознавание образов позволит медицинским работникам быстрее диагностировать и лечить заболевания по снимкам МРТ. Некоторые специалисты считают, что сильный ИИ невозможен без квантовых компьютеров. Современные суперкомпьютеры не обладают мощностью для моделирования человеческого мозга с химическими взаимодействиями между отдельными частями нервных клеток.
Даже с учетом закона Мура такие компьютеры не появятся и через миллион лет, однако полноценный квантовый компьютер поможет решить эту проблему. Другой областью, которая значительно изменится с появлением квантовых компьютеров, станет криптография. Специалисты обеспокоены тем, что под ударом окажутся криптосистемы с открытыми ключами. Злоумышленники, использующие достаточно мощные квантовые компьютеры, могут совершить взлом цифровых подписей и основных интернет-протоколов HTTPS TLS , необходимых для безопасного просмотра онлайн-счетов и совершения онлайн-покупок. Квантовые вычисления также поставят под угрозу безопасность систем симметричной криптографии, которая основана на обмене закрытыми ключами. Чтобы сохранить конфиденциальность данных, обмен ключами должен оставаться безопасным. Считается, что постквантовая криптография, которая неподвластна квантовым компьютерам, остается неуязвимой даже для самых мощных систем.
Специалисты уже работают над решением этой задачи, и NIST Национальный институт стандартов и технологий, США разрабатывает новые стандарты защиты информации, которые будут опубликованы в 2022 году. В то же время подобная криптография требует огромных ресурсов, поэтому квантовые компьютеры могут помочь защитить то, что они же делают уязвимым.
Квантовые компьютеры
За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке.
Миллион задач в секунду: как работают квантовые 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.
Что же предлагают создатели компьютеров будущего? В привычном для нас процессоре информация представлена в виде последовательности нулей и единиц, так называемых битов. Физически это контакты транзисторов. Так называемом кубите. Это значит, что он может быть немножечко 0, но в основном единицей.
В основном 1 и немножечко 0. Это дает нам большие возможности, мы можем закодировать больше информации в меньшем объеме». В качестве примера можно привести человека. В случае обычного компьютера он может находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс. В квантовом же мире с некоторой вероятностью человек может находиться в Москве, Владивостоке, на Шри-Ланке или в Дубае. Такими свойствами, расширяющими возможности, могут обладать ионы, фотоны, атомы цезия, лития или рубидия.
Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами — мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу — и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ искусственный интеллект? Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ. Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема — как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто — мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет — ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии.
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. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка. Надо учесть силу броска, плотность воздуха, температуру и кучу других факторов. Ну не так уж! А теперь представьте, что у вас не один человек, который кидает монетку, а миллион разных людей, в разных местах, по-разному кидают монетки. И вам надо рассчитать что выпадет у всех! Вот примерно настолько сложная эта модель о взаимодействии белков.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
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. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
| Квантовые компьютеры | На первой линейке (кубите) "q[0]" мы видим оператор синий кружок с плюсом внутри. |
| Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком | Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. |
| Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов | Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. |
| Квантовый компьютер: что это, как работает, возможности | РБК Тренды | Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». |
| Сердце квантовых компьютеров - как создаются кубиты? | IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). |
Что такое квантовый компьютер? Принцип работы кубитов и квантовых вычислений
| В России представлен 16-кубитный квантовый компьютер | Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. |
| Квантовые компьютеры | Наука и жизнь | Чтобы сделать кубиты, отдельные электроны помещают в линейный массив из шести «квантовых точек», отстоящих друг от друга на 90 нанометров. |
| Что такое квантовые вычисления? | Рассказываем, как появился первый квантовый компьютер, сколько кубитов в современных процессорах и какие задачи они могут решать. |
| Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком | Электромозг | Дзен | Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. |
| Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем - Hitecher | IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). |
Что такое квантовый компьютер и как он работает
О разработке сообщается в пресс-релизе. Единицей памяти современных компьютеров являются биты. Они могут принимать только одно значение: 0 или 1. По сравнению с ними кубиты могут кодировать сразу и логическую единицу, и ноль, что открывает совершенно новые возможности хранения и обработки цифровой информации. Физическим объектом в роли кубитов могут выступать атомы или электроны. Цифровые данные записываются на т.
Пока купить квантовый компьютер могут лишь крупные компании и научные лаборатории, где цена будет оправдана. Но пока вычислительные машины на кубитах не настолько превосходят обычные ЭВМ и подходят лишь для определенного рода задач. Впрочем, в ближайшее десятилетие ученые панируют это изменить. А облачные вычисления на процессорах будущего доступны простым пользователям уже 8 лет: IBM в 2016 году запустила облачную платформу IBM Q Experience с удалённым доступом к квантовому компьютеру. Самый мощный квантовый компьютер для коммерческого использования на сегодня содержит 5 000 кубитов. Это разработка немецкого исследовательского центра на базе канадской системы D-Wave, Advantage, так назвали машину. Ее возможности можно протестировать — вычисления доступны через облако. Первые квантовые ЦОД Сейчас квантовые машины используют в основном в лабораториях — им нужны особые условия. Это не ПК и не ноутбук, который можно легко взять с собой в дорогу — компьютер на кубитах по размеру больше холодильника. Суть в том, что чем больше кубитов, тем более неустойчивой становится система. Пока самый успешный концепт холодильника для квантовых компьютеров представила D-Wave. Несмотря на особые условия размещения, которые не просто обеспечить, в сети уже появились новости о строительстве первых квантовых дата-центров — IBM планирует построить первый ЦОД для суперкопьютеров в Германии. С его помощью компания планирует облегчить доступ к передовым вычислениям исследовательским и государственным учреждениям. Но квантовые технологии не только научный прорыв, а еще и вызов для ученых — для защиты квантовых данных уже недостаточно обычных методов асимметричного шифрования, любые данные с суперкомпьютером можно взломать за несколько минут. Для безопасной и быстрой передачи данных уже сейчас прокладывают квантовые магистральные связи — в России такая линия соединяет Москву, Санкт-Петербург и Нижний Новгород, в ближайшие несколько лет продолжат подключать и другие города. Сеть позволит шифровать данные алгоритмом квантового распределения ключей, который усиливает защиту информации за счет своей симметричности. Первый видеозвонок по квантовой сети прошел успешно. И тот, кто сумеет разработать супертехнологию, получит способ изменить мир вычислений. Пока возможности квантового компьютера ограничены — разработки находятся на первой стадии развития. Но облачные решения определенно ускорят внедрение квантовых технологий. А если вы ищете надежный хостинг для любых задач и вычислений, попробуйте Рег.
В России представлен 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. К концу года могут представить 20-кубитный квантовый компьютер А до конца 2024 года в России может появиться и 100-кубитный квантовый компьютер Сегодня на Форуме будущих технологий в Москве учёные представили 16-кубитный квантовый компьютер — самый мощный в стране. Его показали Владимиру Путину. Во время демонстрации на этом компьютере был запущен алгоритм моделирования молекулы.
В ней нобелевский лауреат высказал относительно простую мысль. Если у нас будут квантовые компьютеры, то есть компьютеры, которые совершают вычисления по квантовым законам, то было бы вполне естественно в первую очередь использовать их для вычислений, связанных с квантовыми системами, — в частности, для вычислений в квантовой химии. И действительно, как показали дальнейшие исследования, это возможно. И более того, такие вычисления смогут в полной мере задействовать уникальные возможности квантовых компьютеров, то есть они будут выполняться значительно быстрее, чем на компьютерах обычных. Это позволит решать задачи точного расчёта химических реакций за разумное время и заменить дорогостоящие прямые эксперименты на более дешёвые вычисления. Более того, одна из проблем квантовых компьютеров — разрушающее действие окружающей среды, не позволяющее подолгу сохранять квантовую суперпозицию, — в квантовых симуляторах может быть использовано для пользы дела. Ведь реальные квантовые системы тоже находятся в окружении других тел, которые точно так же разрушают квантовые эффекты в них. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. Применение квантовых симуляторов Сейчас уже созданы первые, самые простые квантовые симуляторы. Так, в 2010 году группа экспериментаторов из Квинслендского университета в Австралии и Гарвардского университета в США сообщила, что им удалось рассчитать свойства самой простой молекулы — молекулы водорода — с достаточной для химиков точностью при помощи квантового симулятора, кубиты которого были основаны на «частицах» света — фотонах. Молекула водорода пока остаётся основным объектом, который исследуют на квантовых симуляторах, но сами симуляторы при этом с каждым годом улучшаются. Работа ведётся в нескольких направлениях. Во-первых, учёные пробуют разные реализации квантовых симуляторов. В качестве кубитов могут быть использованы охлаждённые до сверхнизких температур атомы, отдельные электроны или ядра некоторых атомов, сверхпроводящие кольца или, как в работе 2010 года, фотоны. Каждая из этих реализаций имеет свои особенности. Например, системы на охлаждённых атомах требуют больших и относительно дорогих установок, хотя и удобны с точки зрения управления состоянием кубитов. Системы на основе ядер, управляемых при помощи эффекта ядерного магнитного резонанса, относительно просты, но, наоборот, не обладают достаточной гибкостью управления. Этой проблемы лишены системы, основанные на электронах, пойманных в так называемые квантовые ямы в полупроводниках. Именно они являются сейчас одним из наиболее перспективных направлений с точки зрения технологичности и дешевизны производства.
Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
Зачем нам нужны квантовые компьютеры? Хотя классические компьютеры были основой современных вычислений, ограниченная вычислительная мощность не позволяет им решать конкретные сложные задачи в современном мире. Квантовые вычисления работают на другом уровне, чем классические вычисления. Вместо того, чтобы использовать биты для представления информации, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут представлять как 0, так и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений одновременно, что делает их экспоненциально более мощными, чем классические компьютеры. Существуют определенные проблемы, которые классические компьютеры не могут решить из-за их ограниченной вычислительной мощности. Потенциал квантовых вычислений заключается в их способности применять законы квантовой механики для решения сложных задач, на решение которых классическим компьютерам могут потребоваться годы. Эти проблемы часто сложны, с многочисленными переменными и взаимодействиями, которые затрудняют их решение с использованием классических вычислительных методов. Квантовые компьютеры могут решать сложные задачи в области криптографии, поиска лекарств и финансового моделирования. Квантовые вычисления также обладают потенциалом произвести революцию в науке и технике. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для моделирования поведения молекул на квантовом уровне, что позволило бы ученым разрабатывать новые лекарства и материалы с беспрецедентной точностью.
Кроме того, квантовые вычисления могут оптимизировать сложные системы, такие как транспортные сети или энергосистемы, что приводит к более эффективным и устойчивым решениям. Ожидается, что квантовые вычисления потенциально могут оказать значительное влияние на область искусственного интеллекта.
Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом.
Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K так называемая задача факторизации - практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K.
Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного 512-битного числа. Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года.
Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 1025! Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях.
И все было хорошо до тех самых пор... Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации и многие другие! Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!
Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И.
Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов транзисторов, а затем и интегральных схем , а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств. В 1960-е годы американский физик Р.
Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам. По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана СН4.
Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое по числу частиц количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной! И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние.
На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П.
Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог. Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р.
Фейн-ман, хорошо знакомый постоянным читателям "Науки и жизни". Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз. И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач.
Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел о важности этой задачи уже шла речь во введении. По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.
В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. Пример такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.
Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума. Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи.
Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок.
Некоторые ученые изучают возможность моделирования квантовых вычислений на настольном компьютере. Пока вы ждете свой квантовый компьютер, есть несколько возможностей поэкспериментировать с квантовыми устройствами и симуляторами. Многие крупнейшие мировые технологические компании предлагают квантовые услуги. Эти квантовые сервисы в сочетании с настольными компьютерами и системами создают среду, в которой квантовая обработка используется наряду с настольными компьютерами для решения сложных задач. IBM предлагает среду IBM Q с доступом к нескольким реальным квантовым компьютерам и симуляциям, которые вы можете использовать через облако.
Alibaba Cloud предлагает облачную платформу для квантовых вычислений, где вы можете запускать и тестировать пользовательские квантовые коды. Microsoft предлагает набор для квантовой разработки , который включает язык программирования Q , квантовые симуляторы и библиотеки разработки готового к использованию кода. Rigetti имеет квантовую облачную платформу , которая в настоящее время находится в бета-версии. Будущее квантовых вычислений Мечта состоит в том, чтобы квантовые компьютеры дали нам возможность решать проблемы, которые ранее считались слишком ресурсоемкими и слишком сложными для решения. Мы надеемся, что эта технология поможет нам понять окружающую среду и найти лекарства от неизлечимых болезней.
Транзисторные компьютеры слишком медленны для таких сложных вычислений и выполнения такого невероятного объема анализа данных. Квантовые вычисления справляются по крайней мере, теоретические с гигантскими объёмами данных и обрабатывают их за долю времени настольного компьютера. Для обработки и анализа данных, на которые настольному компьютеру потребуется несколько лет, квантовому компьютеру нужно несколько дней. Квантовые вычисления всё ещё находятся в зачаточном состоянии, но они способны решать самые сложные мировые проблемы со скоростью света. Никто не может точно сказать, насколько далеко вырастут квантовые вычисления и насколько будут доступны квантовые компьютеры.
Существуют даже мнения, что квантовые вычисления так и останутся лабораторными проектами и не смогут выйти на промышленный уровень. Всё рассудит время!
Стремительный рост заметно затормозился только в 2012 году. Человечество вплотную подошло к пределу, за которым работа транзистора должна учитывать атомарность вещества и квантовые эффекты. Но квантовые эффекты несут с собой не только сложности для миниатюризации транзисторов, но и совершенно необычные и неожиданные возможности. Работа любого современного вычислительного устройства основана на обработке информации.
Информация в компьютерах представляется в виде набора нулей и единиц — так называемых битов. Если, например, вы хотите сложить два числа, компьютер сначала представляет каждое из них в виде уникальной последовательности нулей и единиц, а затем пропускает через специальное устройство, которое производит операцию сложения. Если вам нужно сложить два других числа, то компьютер создаёт два новых набора битов и снова пропускает их через то же устройство. Компьютеры, которые были бы способны использовать квантовые свойства вещества, могли бы работать значительно быстрее. Дело в том, что микрообъекты, например отдельные атомы, могут находиться в особом состоянии квантовой суперпозиции, не встречающемся в нашем мире больших предметов. При квантовой суперпозиции объект в некотором смысле находится сразу в двух состояниях.
Иначе говоря, если бы атом вёл себя как обычный объект, то он мог бы находиться или в состоянии покоя, или в состоянии возбуждения например, немного колебаться. Но атом может находиться и в неком промежуточном состоянии, в котором он одновременно и покоится, и колеблется. Это состояние и называется квантовой суперпозицией состояний покоя и возбуждения. Если мы обозначим состояние покоя как 0, а состояние возбуждения — как 1, то атом в квантовой суперпозиции оказывается способным хранить сразу два значения вместо одного. А значит, если мы будем проводить с ним какие-то операции, то эти операции будут производиться одновременно и с нулём, и с единицей. Если же таких атомов много, то с ними можно за раз произвести столько однотипных вычислений, сколько требуется.
За счёт этой особенности квантовые компьютеры должны намного эффективнее обычных справляться с задачами, в которых требуется перебор большого количества значений. Примером такой задачи является, например, взлом неизвестного кода. Это сделало бы крайне уязвимыми все существующие защиты от несанкционированного доступа.
Квантовые компьютеры
Ученые пытаются освоить базовый вычислительный элемент, известный как кубит, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем электронные машины. Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними.
Что такое кубит в квантовом компьютере человеческим языком
Проекты квантовых вычислений создают кубиты различными способами, такими как зацикливание сверхпроводящего проводника, вращение электронов и захват ионов или импульсов фотонов. Эти кубиты существуют только при температурах близких к абсолютному нулю, создаваемых в холодильной установке. Язык программирования квантовых вычислений Квантовые алгоритмы предоставляют возможность анализировать данные и создавать модели на основе данных. Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования.
Исследователи и технологические компании разработали несколько квантовых языков. Q : язык программирования, включенный в Microsoft Quantum Development Kit. Комплект разработчика включает в себя квантовый симулятор и библиотеки алгоритмов.
Cirq: квантовый язык, разработанный Google , который использует библиотеку python для написания схем и запуска этих схем в квантовых компьютерах и симуляторах. Forest: среда разработки, созданная Rigetti Computing, которая используется для написания и запуска квантовых программ. Использование квантовых вычислений Настоящие квантовые компьютеры стали доступны только в последние несколько лет, и только несколько крупных технологических компаний имеют квантовый компьютер.
Эти технологические лидеры работают с производителями, фирмами, оказывающими финансовые услуги, и биотехнологическими компаниями, чтобы решить множество проблем. Доступность квантовых компьютерных услуг и прогресс в области вычислительной мощности дают исследователям и ученым новые инструменты для поиска решений проблем, которые раньше было невозможно решить. Квантовые вычисления сократили количество времени и ресурсов, необходимых для анализа невероятных объемов данных, моделирования этих данных, разработки решений и создания новых технологий, которые решают проблемы.
Бизнес и промышленность используют квантовые вычисления для изучения новых способов ведения бизнеса. Вот несколько проектов в области квантовых вычислений, которые могут принести пользу бизнесу и обществу: Аэрокосмическая отрасль использует квантовые вычисления для поиска лучшего способа управления воздушным движением. Финансовые и инвестиционные фирмы надеются использовать квантовые вычисления для анализа риска и доходности финансовых вложений, оптимизации портфельных стратегий и урегулирования финансовых переходов.
Производители применяют квантовые вычисления для улучшения своих цепочек поставок, повышения эффективности своих производственных процессов и разработки новых продуктов.
В 2019 году была разработана сначала единая дорожная карта, а после — дорожная карта на каждое отдельное направление: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», говорит, что создание квантовых процессоров стало одной из основных задач дорожной карты, утвержденной в июле 2020 года. По его словам, работа ведется в нескольких плоскостях: развитии фундаментальной науки и первых прикладных внедрениях квантовых продуктов. Россия стала одним из 17 технологически развитых государств с официально утвержденной квантовой стратегией. Индустрия 4. На реализацию дорожной карты предусмотрено финансирование в размере 23,7 млрд рублей. Как работает квантовый компьютер Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга.
Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию. Биты и кубиты Фото: Журнал Яндекс Практикума Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам. Квантовые вычисления в облаке Фото: Medium Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений.
Любые пароли, если технологию используют злоумышленники, не будут иметь значения — машина получит доступ к любой кредитке, разложив число на два простых множителя. Но для взлома понадобятся мощности, которых пока квантовые компьютеры не достигли. В ближайшие десятилетия, чтобы обеспечить конфиденциальность, ученым придется придумать новые методы шифрования и квантовой криптографии. Искусственный интеллект Volkswagen применяет квантовые компьютеры для разработки беспилотных автомобилей на основе искусственного интеллекта, а Сбер вместе с другими технологичными компаниями будут развивать квантовые технологии для вычислений в ИИ, которые пригодятся в медицине, финансовой сфере, обработке данных и прогнозировании. Квантовые компьютеры в России и мире: какие модели уже есть и в чем проблема широкого применения Первый работающий экспериментальный компьютер протестировали в 2001 году — им стал 7-битный образец компании IBM. С тех пор началась квантовая гонка и борьба за квантовое превосходство. Квантовое превосходство — способность квантовых компьютеров решать задачи, на которые у обычных уйдут годы. Самый мощный квантовый компьютер в России пока содержит 16 кубитов. Разработка есть на различных платформах, в том числе на ионном процессоре. С помощью машины запущен алгоритм моделирования молекулы.
К 2024 году российские ученые планируют увеличить число кубитов в отечественных ЭВМ до 50-100. На разработку выделили 24 млрд рублей. Россия активно включилась в квантовую гонку — для исследователей в области квантовой физики запустили мегагранты, а до конца 2024 в стране может появиться 100-кубитный квантовый компьютер. А в Китае стартап Shenzhen SpinQ Technology разработал, пожалуй, самый доступный квантовый компьютер для школ и колледжей. Первые образцы китайского квантового компьютера отправились в Тайвань и Гонконг. В гонку стран включился даже Иран, правда, неудачно — в сети появилась новость об их удивительном квантовом компьютере. Но пользователей в интернете не так просто обмануть — подвох нашли быстро. Иранская разработка оказалась обычным процессором. Пока купить квантовый компьютер могут лишь крупные компании и научные лаборатории, где цена будет оправдана. Но пока вычислительные машины на кубитах не настолько превосходят обычные ЭВМ и подходят лишь для определенного рода задач.
Впрочем, в ближайшее десятилетие ученые панируют это изменить.
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.