Если же взять, к примеру, десять кубитов, то будет уже 1024 классических состояния. Термин «кубит» (QuBit — «квантовый бит») был введен физиком Стивеном Визнером в его статье «Сопряженное кодирование» (Conjugate Coding), опубликованной в 1983 году в SIGACT News.
Квантовые компьютеры
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.
Это раздел науки, которая изучает поведение атомов и еще более мелких субатомных частиц: фотонов, электронов, нейтрино. Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, в «большом» мире.
Единицей информации, как мы выяснили, в квантовом компьютере является квантовый бит, или кубит, одно из свойств которого — суперпозиция, то есть комбинация всех возможных состояний. Представьте, что нужно открыть N дверей. Обычный компьютер будет открывать их по очереди, квантовый может открыть все сразу. Парадокс кошки Шредингера да, именно кошки — тоже пример суперпозиции, ведь она по условию и живая, и мертвая одновременно.
Чтобы понять принцип было проще, компания Microsoft предлагает думать о монетке: если классические биты измеряются подбрасыванием и принимают значение либо орел 0 , либо решка 1 , кубиты могут зафиксировать все возможные варианты положений монеты, включая орла, решку и любые промежуточные состояния. Стоит уточнить, что когда мы говорим о суперпозиции, мы говорим о вероятности кубита оказаться в каждом из промежуточных состояний. А в каком состоянии он действительно находится, мы узнаем только когда на него «посмотрим». Сравнение бита и кубита, визуализация от Microsoft Кратко о свойствах квантовых битов Суперпозиция — не единственное свойство субатомных частиц.
В физике также есть понятия запутанности, квантовой интерференции, коллапса и декогеренции. Запутанность — состояние квантовых частиц двух и более , при котором между ними устанавливается некая связь, даже если они находятся за тысячи километров друг от друга. То есть если вы измените один кубит, запутанный с ним тоже изменится. Добавляя в систему запутанные кубиты, можно экспоненциально увеличить вычислительные возможности квантовых компьютеров.
Интерференция — следствие суперпозиции и один из самых загадочных принципов квантовой механики, который упрощенно подразумевает, что частица скажем, фотон может пересекать свою же траекторию и мешать собственному движению. Так как каждое состояние кубита описывается амплитудой вероятностей, эти состояния формируют интерференционную картину. Если хотите разобраться в терминах, почитайте про опыт с двумя щелями Томаса Юнга. Интерференция может быть конструктивной и деструктивной — создатели квантовых компьютеров используют эти эффекты, чтобы влиять на вероятность определенного состояния для ускорения вычислений.
Декогеренция — что-то вроде неконтролируемого коллапса волновой функции. Если в систему кубитов попадет любой шум из окружающей среды электрические и другие помехи, не заметные глазу , суперпозиция нарушится, информация может потеряться что критическим образом повлияет на точность решения задач.
И хотя физически кубит может быть реализован разными способами кубиты создают с использованием специально выращенных сверхпроводниковых структур, ультрахолодных атомов и ультрахолодных ионов, с помощью оптических систем и так далее , единого ответа о наиболее перспективной реализации у исследователей пока нет — сегодня эксперименты по созданию квантовых вычислителей ведутся на основе разных технологий. И этот список регулярно обновляется.
Если обобщить на совсем базовом уровне: «столкновение» квантовой системы с реальным миром разрушает всю «квантовость», и способ поддержки этого состояния в достаточном масштабе пока не придуман. Тем более не придуман способ реализации такого квантового вычислителя, к примеру, в условиях обычной квартиры. Несмотря на текущие сложности, квантовые информационные системы имеют большой потенциал — по крайней мере в науке уже есть немало вычислительных задач, с которыми классические компьютеры справиться не могут. Также стоит заметить, что существуют системы с сотнями кубитов — например, об этом заявляет фирма IBM, — но состояния квантового превосходства они пока не достигают из-за высокой декогеренции и других трудностей, связанных с корректным поддержанием системы.
Суперпозиция, запутанность и интерференция Если бит представить как монету с орлом 0 или решкой 1 , кубиты будут представлены вращающейся монетой: в некотором смысле, они одновременно и орлы, и решки, причем каждое состояние имеет определенную вероятность. Ученые используют калиброванные микроволновые импульсы, чтобы помещать кубиты в суперпозицию; точно так же другие частоты и длительность этих импульсов может переворачивать кубит так, чтобы он находился немного в другом состоянии но все еще в суперпозиции. Из-за суперпозиции отдельный кубит может представлять гораздо больше информации, чем двоичный бит. Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно.
Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ. Запутанность — еще более потрясающая штука. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии.
Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера. Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга действуют конструктивно , иногда гасят деструктивно.
Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы. Как программируются квантовые компьютеры?
Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем
Дело в том, что сами по себе кубиты очень чувствительны к окружающей среде и воздействию шумов. Кроме того, чем больше кубитов, тем более «хрупким» становится их запутанное состояние. Даже малейшие возмущения могут привести к ошибкам в квантовых вычислениях, искажению данных. И хотя физически кубит может быть реализован разными способами кубиты создают с использованием специально выращенных сверхпроводниковых структур, ультрахолодных атомов и ультрахолодных ионов, с помощью оптических систем и так далее , единого ответа о наиболее перспективной реализации у исследователей пока нет — сегодня эксперименты по созданию квантовых вычислителей ведутся на основе разных технологий. И этот список регулярно обновляется. Если обобщить на совсем базовом уровне: «столкновение» квантовой системы с реальным миром разрушает всю «квантовость», и способ поддержки этого состояния в достаточном масштабе пока не придуман.
Духова», поделился, что высокой когерентности кубитов, как и проведению логических операций, включая CZ-гейты, может помешать даже дефект атомарного масштаба. Тем более, когда речь идет о флаксониумах — сложнейших в изготовлении кубитах, содержащих цепочку суб-микрометровых Джозефсоновских переходов. При создании сверхпроводникового квантового процессора исследователи отошли от концепции прямого соединения кубитов и предложили более подходящий для масштабирования подход, основанный на использовании специальных соединительных элементов.
Это позволило улучшить работу системы и использовать более совершенные подходы к выполнению квантовых операций. Как было неоднократно отмечено, флаксониумы, благодаря высокой когерентности способности преобразовывать квантовые состояния и значительной ангармоничности нелинейности , могут стать ключом к усовершенствованию сверхпроводниковых квантовых схем и в перспективе заменить широко используемые трансмоны. Исследователи уже начали работу над масштабированием предложенного подхода, а также разрабатывают концепцию выполнения трехкубитной операции на флаксониумах с использованием одного соединительного элемента.
Атомы могут использоваться в качестве кубитов в квантовом компьютере Физики из МФТИ совместно с коллегами из Франции экспериментально показали, что атомы примесей в полупроводниках могут формировать долгоживущие устойчивые квантовые состояния. Значит, эти атомы можно использовать в качестве кубитов в квантовом компьютере. Работа опубликована в журнале Communication Physics.
Об этом 24 июля 2023 года сообщили представители МФТИ. 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. Этот эффект возникает из-за принципа суперпозиции в квантовой механике.
Благодаря суперпозиции кубит в процессе вычислений находится во всех состояниях сразу и поэтому помогает обработать гораздо больше информации, чем классический бит. В роли кубита могут выступать различные квантовые системы: сверхпроводящие искусственные атомы, квантовые точки, атомы в ловушках, реальные атомы в твердом теле и т. Однако слабым местом всех существующих кубитов является неустойчивость к шумам.
Например, небольшое колебание температуры или магнитного поля могут нарушить квантовое состояние кубита, и он окажется непригоден к вычислениям. Эта проблема разрушения квантового состояния называется декогеренцией и является одной из главных фундаментальных причин, по которой квантовые компьютеры пока не имеют широкого применения. Ученые ищут физические системы, в которых можно реализовать кубиты, более устойчивые к шумам.
Например, если в некоторые полупроводники добавить примеси, электроны примесных атомов будут долго по квантовым меркам это несколько наносекунд сохранять направление спина — собственного магнитного момента. Благодаря длительному времени когеренции спина такие атомные системы можно использовать в качестве кубитов. Физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ исследуют подобные структуры и подбирают оптимальные материалы для них.
В работе ученые центра заменили часть атомов теллура в дихалькогениде молибден теллур 2H-MoTe2 на атомы брома и с помощью электронного пармагнитного резонанса и туннельной сканирующей микроскопии исследовали структуру электронов примесного атома и оценили время когерентности системы. Если отдельный инородный атом, помещенный в монокристалл, приводит к локализации спинполяризованного состояния, то он может стать кубитом. В дихалькогенидах переходных металлов сильное спин-орбитальное взаимодействие как раз создает такие условия.
Вопрос только в том, как работать с такими кубитами, ведь это самый, что ни на есть атомарный масштаб, порядка 0,3 нм. Мы в наших исследованиях добавили примеси брома в полупроводник молибден теллур. Эта примесь имеет энергетическое положение внутри запрещенной зоны материала, то есть ее электроны локализованы.
В работе мы показываем, что квантовые свойства этих примесей можно изучать, для этого применялась методика измерения электронного спинового резонанса и низкотемпературная сканирующая туннельная спектроскопия. Мы показали, что в данных атомах существуют унаследованные от материала локализованные спин-долинные состояния с наносекундными временами когерентности спинов. Электроны каждого атома, согласно квантовой механике, имеют определенную энергию — находятся на энергетическом уровне.
В кристаллах электроны могут переходить от одного атома к другому, их энергетический спектр становится практически сплошным, без разделения на уровни. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать.
Этот эффект называется декогеренцией. Физика вообще интересная штука. Она способна открыть нам потрясающие горизонты Для некоторых экспертов декогеренция — это проблема, сдерживающая квантовые вычисления.
Даже при всех соблюденных мерах шум может просочиться в расчеты. Ученые могут хранить квантовую информацию до тех пор, пока она не потеряет свою целостность под влиянием декогеренции, что ограничивает число вычислений, которые можно производить подряд. Деликатная природа квантовых вычислений также является причиной того, что слепое добавление кубитов в систему не обязательно сделает ее мощнее. Отказоустойчивость тщательно исследуется в области квантовых вычислений: по логике, добавление кубитов может компенсировать некоторые проблемы, но для создания единого, надежного кубита для переноса данных потребутся миллионы корректирующих ошибки кубитов. А у нас их сегодня не больше 128.
Возможно помогут умные алгоритмы, которые также разрабатываются. Имитация квантового с помощью квантовых компьютеров Поскольку большие данные сейчас горячая тема, можно было бы ожидать, что квантовые компьютеры будут лучше обрабатывать крупные наборы данных, чем классические. Но это не так. Вместо этого, квантовые компьютеры будут особенно хороши в моделировании природы. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для более эффективного построения молекул лекарств, потому что они в основном работают на той же основе, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать.
Вычисление квантового состояния молекулы — невероятно сложная задача, которая почти непосильна нашим компьютерам, но квантовые компьютеры справятся с ней на ура.
Квантовое превосходство может быть временным и не исключает появления более эффективных алгоритмов, ускоряющих вычисления классическими компьютерами, поэтому любое заявление о достижении квантового превосходства вызывает скепсис у специалистов и подвергается тщательной проверке. Когда Google опубликовала результаты вычислений квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер способен решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью — за два с половиной дня. Страны вкладывают огромные суммы в развитие квантовой отрасли.
Китай создал новый центр квантовых исследований National Laboratory for Quantum Information Sciences стоимостью 10 миллиардов долларов; Евросоюз разработал генеральный план развития квантовых технологий и планирует потратить на это около миллиарда евро; США, в соответствии с законом о национальной квантовой инициативе, выделили 1,2 миллиарда долларов на развитие проектов в этой области за пятилетний период. Однако для достижения полезной вычислительной производимости, вероятно, понадобятся машины, состоящие из сотен тысяч кубитов. Как работают квантовые компьютеры Классические компьютеры выполняют логические операции, используя биты — единицы информации, принимающие значение либо «0», либо «1». В квантовых вычислениях для этого используются кубиты, представляющие собой квантовое состояние объекта, например, фотона.
До момента измерения квантовое состояние является неопределенным, то есть оно находится в суперпозиции двух возможных состояний — «0» или «1». Суперпозиция одного объекта может быть связана с суперпозициями других объектов, то есть можно сконструировать между ними логические отношения, подобные тем, что существуют на основе транзисторов в классических компьютерах. Однако квантовые системы трудно поддерживать в состоянии суперпозиции достаточно долго, поскольку квантовое состояние нарушается система декогерирует в результате взаимодействия с окружающей средой. Чтобы добиться квантового превосходства, необходимо использовать явление, называемое квантовой запутанностью.
Оно возникает в случае, когда две системы настолько сильно связаны, что получение информации об одной системе немедленно даст информацию о другой — вне зависимости от расстояния между этими системами. Хартмут Невен, директор Google Quantum AI Labs предложил новое правило, которое предсказывает прогресс квантовых компьютеров в ближайшие 50 лет. Оно гласит, что мощность квантовых вычислений испытывает двукратный экспоненциальный рост по сравнению с обычными вычислениями. Если бы этому принципу подчинялись классические компьютеры, то ноутбуки и смартфоны появились бы в мире уже к 1975 году.
Невен обосновывал свое правило тем, что ученые создают все более совершенные квантовые процессоры с большим количеством запутанных кубитов, и при этом процессоры сами по себе экспоненциально быстрее традиционных компьютеров. Закон Невена, или, как его еще называют, закон Мура 2. Это лишь вопрос количества доступных кубитов и снижения частоты ошибок, которые представляют основную проблему современных квантовых информационных систем. Если закон Невена себя оправдает, то в ближайшем будущем квантовые компьютеры покинут пределы университетских и исследовательских лабораторий и станут доступны для коммерческих и других приложений.
Как применяются квантовые компьютеры сейчас Все больше крупных компаний разрабатывают квантовые компьютеры, обеспечивая доступ к ним через облачные технологии. Заказчиками могут быть университеты, исследовательские институты, а также различные организации, которые заинтересованы в том, чтобы протестировать возможные сценарии использования таких вычислений. Рынок пока невелик: по оценкам Hyperion Research , в 2020 году он составил 320 миллионов долларов, однако его ежегодный рост составляет почти 25 процентов. Специалисты Boston Consulting Group предсказывают, что к 2040 году рынок вырастет до 850 миллиардов долларов.
Этот прогноз основан на уверенности, что уже в ближайшие годы мир получит оборудование, подходящее для решения коммерческих и общественных задач. Даже отсутствие готовых прототипов не мешает инвестициям в начинающие стартапы.
Что такое кубит?
Но ситуация некритичная. Почему за минуты он способен справиться с задачами, на которые современному суперкомпьютеру потребуются миллиарды лет? Как квантовая криптография может оставить изощренных хакеров без работы? Об этом "РГ" беседует с одним из пионеров создания отечественных квантовых технологий и сооснователем Российского квантового центра Русланом Юнусовым. Среди важнейших приоритетов технологического суверенитета России названы квантовый компьютер, а в целом квантовые технологии. На них уже выделены многие миллиарды, а в перспективе суммы должны значительно увеличиться. Но почему они выходят на первый план?
Чем не устраивают обычные суперкомпьютеры, которые решают задачи с фантастической скоростью 1015 операций в секунду. А уже в планах 1018. Руслан Юнусов: Конечно, суперкомпьютеры успешно работают в самых разных сферах жизни, но есть много задач, перед которыми даже они пасуют. Сколько бы степеней быстродействия вы ни прибавляли. Вот вроде бы элементарная задача - разложение числа на простые множители. Скажем, 10 делится на 2 и 5.
Но если начнете увеличивать число на несколько знаков, то сложность вычисления вырастет многократно. Например, над числом из сотен цифр мощный суперкомпьютер будет возиться несколько миллиардов лет, а возможно, вообще не справится. Квантовому хватит нескольких минут. Задача коммивояжера не под силу даже суперкомпьютеру А можно пример задачи из реальной жизни? Руслан Юнусов: Например, коммивояжеру, чтобы объехать сто клиентов, требуется выбрать лучший маршрут. Вроде бы можно довериться Яндекс.
Но он находит хорошее решение, а не самое лучшее. Причем с каждой новой точкой задача сразу усложняется в 10, 100, 1000 и так далее раз. Это специфический класс оптимизационных задач, которые решаются перебором огромного количества вариантов. И здесь квантовому компьютеру нет равных - в сравнении с ним даже самый мощный суперкомпьютер больше напоминает примитивный калькулятор. То есть квантовые компьютеры не вытеснят обычные, а займут свою нишу? Руслан Юнусов: Именно так.
Назову области применения, которые очевидны уже сегодня. Считается, что квантовый компьютер, манипулируя отдельными атомами, лучше справится с созданием новых материалов и новых лекарств. Он сможет взломать системы современного шифрования, но в то же время квантовая криптография защитит информацию на фундаментальном уровне. Ждут появления полноценного квантового компьютера финансисты и климатологи. Первым он крайне необходим для моделирования рынков и финансовых операций, вторым - для составления более точных сценариев климата и прогнозирования погоды. Даже самый мощный суперкомпьютер, по сравнению с квантовым, больше напоминает примитивный калькулятор Но я назвал только то, что мы знаем уже сейчас.
Вы удивитесь, но на самом деле мы даже не представляем, на что по большому счету способен квантовый компьютер, в какие сферы он может проникнуть. Так происходит с большинством прорывных технологий.
Мы расскажем вам о том, как интересен мир вокруг и поможем разобраться в самых сложных вещах. Если вам интересны космос, физика, робототехника, современная медицина и биология, то вам сюда. Подписывайтесь на «Чердак» и исследуйте мир вместе с нами!
Квантовому компьютеру требуется от нескольких минут до нескольких часов, чтобы решить проблему, на решение которой транзисторному настольному компьютеру потребуются годы или десятилетия. Квантовые вычисления создают основу для нового поколения суперкомпьютеров. Ожидается, что эти квантовые компьютеры превзойдут существующие технологии в таких областях, как моделирование, логистика, анализ тенденций, криптография и искусственный интеллект. Квантовые вычисления — что это такое Идея квантовых вычислений была впервые предложена в начале 1980-х годов Ричардом Фейнманом и Юрием Маниным. Фейнман и Манин считали, что квантовый компьютер может моделировать данные способами, которые недоступны ламповым и транзисторным компьютерам. Лишь в конце 1990-х годов исследователи создали первые подобия квантовых компьютеров. Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики, такие как суперпозиция и запутывание, для выполнения вычислений. Квантовая механика — это раздел физики, который изучает законы взаимодействия на уровень мельчайших частиц энергии. Основной блок обработки квантовых вычислений — это квантовые биты или кубиты. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. Кубиты похожи на биты, используемые в стандартном компьютере, тем, что кубиты могут находиться в квантовом состоянии 1 или 0. Но, кубиты отличаются тем, что они также могут находиться в суперпозиции состояния 1 и 0, то есть кубиты могут представлять как 1, так и 0 одновременно. Когда кубиты находятся в суперпозиции, два квантовых состояния складываются вместе и приводят к другому квантовому состоянию. Суперпозиция означает, что несколько вычислений обрабатывается одновременно. Таким образом, два кубита могут представлять четыре числа одновременно. Обычные компьютеры обрабатывают биты только в одном из двух возможных состояний — 1 или 0, а вычисления обрабатываются по очереди. Квантовые компьютеры также используют эффект запутывания для обработки кубитов.
В представленном на страницах Entropy примере специалисты показали, как можно реализовать модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли обобщенную на n-кубитов версию вентиля контролируемое НЕ. С помощью этого алгоритма можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, классический процессор. Оказалось, что при использовании кудитов, в частности куквинтов, для реализации 8-кубитного алгоритма Гровера требуется выполнить 88 двухчастичных гейтов против более 1000, когда работа строится на стандартных кубитах. Как видно, разница колоссальная. По мнению авторов технологии, ее можно применять не только к кубитам на ионах, но и в других носителях информации, например, сверхпроводящих кубитах.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. Нестабильность и ошибки — квантовые состояния кубитов очень чувствительны к любым воздействиям извне, что может приводить к потере или изменению информации. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры.
Революция в ИТ: как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен
Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Кубиты в квантовом компьютере расположены не слишком далеко, однако именно запутанность связывает их в единую, согласованно реагирующую систему.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Кубит может принять значение любого из квадратов в сфере, а бит — только 1 или 0.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Одни из таких объектов — джозефсоновские контакты — состоят из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Электроны благодаря квантовым эффектам могут «просачиваться» туннелировать сквозь диэлектрик. Кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, работают как настоящие атомы: они могут излучать и поглощать свет, пребывать в нейтральном и возбужденном состоянии. Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано производство микросхем.
Если он был возбуждён или если он не был возбужден.
И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос». Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной.
Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы. Подобные удачи, впрочем, уже случались. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера. В этом году квантовый вычислитель обещают уже использовать в медицинских целях.
Его установят в клинике города Кливленд в США. Он поможет выявлять новые штаммы вирусов и займется поиском лекарств от болезни Альцгеймера.
Для достижения превосходства требуется машина с 50—60 кубитами и, что важно, достаточно малой декогеренцией, то есть в состоянии, при котором ничто извне не будет мешать кубитам находиться в квантовой запутанности между собой. Здесь, в частности, и возникает сложность в реализации полноценного квантового компьютера. Дело в том, что сами по себе кубиты очень чувствительны к окружающей среде и воздействию шумов. Кроме того, чем больше кубитов, тем более «хрупким» становится их запутанное состояние. Даже малейшие возмущения могут привести к ошибкам в квантовых вычислениях, искажению данных. И хотя физически кубит может быть реализован разными способами кубиты создают с использованием специально выращенных сверхпроводниковых структур, ультрахолодных атомов и ультрахолодных ионов, с помощью оптических систем и так далее , единого ответа о наиболее перспективной реализации у исследователей пока нет — сегодня эксперименты по созданию квантовых вычислителей ведутся на основе разных технологий.
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. 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.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. Нужно создать кубиты и квантовую запутанность между ними, уметь их контролировать, строить вентили на их базе. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован? Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Инвестиции в квантовые компьютеры: на что стоит обратить внимание
Да и математических, наверное, тоже. А теперь давайте познакомимся с простейшим и интереснейшим объектом квантового компьютера — кубитом. Кубит Кубит — это то же самое, что и бит в обычном компьютере. Ящичек, который содержит минимальную частицу, которой кодируется любая осмысленная информация.
Кубит, также, как и бит, может принимать значения 0 или 1, но, в отличие от бита, эти конкретные значения он принимает лишь при выводе результата вычислений. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. При математическом описании работы квантового компьютера оперируют именно векторами.
Если математически описывать физику процессов, происходящих в квантовом компьютере с кубитами при логических операциях с ними, то это будут умножения векторов, описывающих вероятностное состояния кубитов, на матрицы, описывающие эти самые логические операции. Если в обычном компьютере это простейшие логические операции «и», «или», «не», «исключающее или» и т. Кроме вентильных матричных преобразований волновые функции кубитов можно складывать и вычитать, как можно складывать и вычитать обычные волны.
В результате сложений волн вероятностей, как и на обычных волнах, возникает интерференция, которая позволяет влиять на состояние кубита, меняя вероятность получения в нём того или другого значения ноля или единицы.
Используя сверхпроводящий резонатор размером с микросхему — как миниатюрную микроволновую печь — команда смогла манипулировать захваченными электронами, позволяя им считывать и сохранять информацию с кубита, что делает его полезным для использования в будущих квантовых компьютерах. В предыдущих исследованиях в качестве среды для удержания электронов использовался жидкий гелий. Этот материал было легко очистить от дефектов, но колебания свободной жидкости могли легко нарушить состояние электрона и, следовательно, поставить под угрозу работу кубита. Твердый неон предлагает материал с небольшим количеством дефектов, который не вибрирует, как жидкий гелий. После создания своей платформы команда выполняла операции с кубитами в реальном времени, используя микроволновые фотоны на захваченном электроне, и охарактеризовала его квантовые свойства. Эти тесты продемонстрировали, что твердый неон обеспечивает надежную среду для электрона с очень низким электрическим шумом, который может его побеспокоить. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. По словам ученых, простота платформы кубитов также должна обеспечивать простое и недорогое производство.
Это открывает новые возможности для обработки информации: компьютер из нескольких тысяч кубитов может производить вычисления со скоростью, недоступной современным суперкомпьютерам.
В роли кубитов могут выступать атомы или электроны — цифровые данные записываются на их спине. Такие кубиты неустойчивы к воздействиям окружающей среды, способной нарушить их корректную работу, а процедура считывания и записи информации на них крайне сложна. В начале 2000-х годов ученые создали «искусственные атомы», которые ведут себя в соответствии с законами квантовой физики, но проще в использовании.
Что такое кубит Кубит от англ. Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света. Если в обычном компьютере значение бита — 0 или 1 — определяется отсутствием или наличием электричества, то в квантовом компьютере всё зависит от поведения частиц. Главное отличие кубита от обычного бита в том, что значение первого может быть одновременно и 0, и 1. Это одновременное существование двух полярных значений и есть суперпозиция. Если представить, что частицей была бы Земля, то Северный полюс мог бы быть нулём, а Южный полюс — единицей. Использование полярности здесь — это условность, которая помогает нам использовать кубиты для вычислений.
UPD: в комментариях к статье пользователь Дэн Кондратьев справедливо отметил, что кубит — это двухуровневая квантовая система, где эти два уровня обычно являются состояниями одной частицы например, фотона, электрона или атома. Например, если использовать в качестве квантовой системы электрон, то кубитом может быть: спин электрона; Если использовать в качестве квантовой системы переход Джозефсона Josephson junction , то кубитом может являться: направление тока; энергетический уровень. Кубит — это двухуровневые состояния какой-либо системы, и абсолютно необязательно, чтобы система была одной частицей. Далее в статье описываются квантовые эффекты на примере одной частицы, потому что так легче представить квантовую систему. Он провёл эксперимент, в ходе которого пропускал частицы света сквозь непрозрачную доску, в которой находились две крохотные щели. Юнг пытался проверить, как будут вести себя частицы, для чего установил экран позади доски с щелями, который показывал поведение частиц. Схематичное описание двухщелевого опыта Томаса Юнга. Источник: wikimedia. Как и следовало ожидать, частицы проходили через одну доступную щель и оставляли следы на экране в виде одной тонкой полоски. После этого Юнг открыл для частиц света обе щели.
Он ожидал, что частицы станут проходить через них, а на экране появится две полоски.