Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд.
Новый прорыв в области кубитов может изменить квантовые вычисления
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.
И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность.
Чтобы ПК понял, что именно этот шаг верный, он должен перебрать все варианты по очереди, последовательно пребывая в каждом из 16 состояний. Квантовые компьютеры используют для хранения информации кубиты, которые могут принимать значение 0 и 1 по отдельности, а также 0 и 1 одновременно. То есть они могут пребывать во всех 16 состояниях сразу — это называется суперпозицией в противовес двоичной позиции в обычных устройствах. Для примера мы использовали простую задачу, но представьте, если состояний не 16, а триллион, и вам нужно найти среди них одно.
Даже если обычный компьютер будет обрабатывать каждое состояние за 1 микросекунду это миллионная доля секунды , ему понадобится не меньше недели на решение задачи. Квантовый компьютер справится за 1 секунду, действуя по алгоритму Гровера. Еще раз: что такое квантовый компьютер? Квантовый компьютер — новый тип устройств, он использует в своей работе принципы квантовой механики. Это раздел науки, которая изучает поведение атомов и еще более мелких субатомных частиц: фотонов, электронов, нейтрино.
Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, в «большом» мире. Единицей информации, как мы выяснили, в квантовом компьютере является квантовый бит, или кубит, одно из свойств которого — суперпозиция, то есть комбинация всех возможных состояний. Представьте, что нужно открыть N дверей. 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.
Миг, какой-то. Тем не менее, прежнее достижение перекрыто в два раза.
Физики, которыми руководил Майкл Деворет Michel Devoret , не усердствовали, ограждая «неженок» от возмущений, а стали в реальном времени исправлять появляющиеся ошибки. Применили метод, который так и называется «квантовая коррекция ошибок» - сокращенно QEC quantum error correction. Ученые уверяют : они впервые в мире показали, что метод работает — повышает устойчивость квантовой информации.
О чем сообщили в журнале Nature. Российский кубит на сверхпроводниках. Кубиты следят друг за другом Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского Квантового Центра и Университета МИСИС: - Для того, чтобы нивелировать эффект ошибок при работе классических процессоров используются коды коррекции ошибок.
Они настолько быстры, что мы даже не замечаем, как эффективно работает процедура. В квантовом случае коррекция ошибок — гораздо более сложная задача.
Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать. И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки. Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной! Принцип работы квантового компьютера Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера: Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.
Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно! Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то! Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем!
Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам. Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно: 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров! Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы.
Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго. У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ. Ну то есть как верный?
Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз! Квантовые компьютеры сегодня Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов! На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров. Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google.
В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет!
Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер
Ознакомьтесь с вводными сведениями о кубитах и принципами их работы, включая информацию о различиях между кубитами и двоичными битами, а также о том, как кубиты формируют основу для квантовых вычислений. Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Рассказываем, как появился первый квантовый компьютер, сколько кубитов в современных процессорах и какие задачи они могут решать. Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами.
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
Или вообще многоуровневой системой, но мейнстрим сейчас — кубит, у него два уровня. Вычислительная мощность растёт экспоненциально с добавлением кубитов в систему 2n. А в обычной системе она растёт квадратично n2. Современная наука находится в стадии понимания, что такое квантовая механика. Все законы частиц, взаимодействия атомов между собой описываются законами квантовой механики. Эта наука отличается от того, что было до неё. Например, в квантовой механике есть принцип суперпозиции, благодаря которому размерность пространства состояний растёт экспоненциально. Классический компьютер просто не может это смоделировать.
А квантовый компьютер сам построен на таких явлениях и умеет работать с такими системами. Плюс в квантомеханической системе есть амплитуды вероятности с комплексными числами — у обычных компьютеров такого нет. Если взять задачу по разложению какого-то числа в 2 048 бит, то классический алгоритм будет раскладывать его за тысячу шагов и за 1 000 000 000 000 лет. А алгоритм Шора, если бы был квантовый компьютер с нужным количеством кубит, сделает это за 107 шагов — примерно 10 секунд. Пока таких квантовых компьютеров нет, но те, которые есть, уже умеют делать то, на что классическому компьютеру понадобится огромное количество времени. Физик Дэвид ди Винченцо грамотно сформулировал пять основных критериев: 1 Сформулировать, что такое кубит. Они бывают разные, сегодня есть несколько известных платформ — на атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах.
Понять, как сделать так, чтобы кубит одновременно был нулем и единицей. В каждой из платформ введение в суперпозицию — отдельная задача и это позволяют делать разные физические принципы. За каждым из этих явлений стоит много инженерных сложностей. Например, если измерить кубит, его состояние изменится и его нельзя клонировать. Или шумы, электромагнитные волны, частицы плохо влияют на систему, поэтому большинство платформ охлаждают всю систему до низких температур, чтобы минимизировать влияние шумов и пыли. Но и работать в криогенике намного сложнее. Всё это усложняет создание квантовых компьютеров, поэтому сейчас максимально есть около 130 кубитов.
Например, IBM выпустил 128-кубитную систему. Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чём разница? Чтобы достичь нужного уровня, — делают логические кубиты, то есть из большого количества физических кубитов делают один логический кубит, программируют на него протоколы коррекции ошибок, алгоритм и получается, что это один кубит с высоким показателем точности. Поэтому, если вернуться к физическим кубитам, на которых и должен делаться квантовый компьютер, — индустрия находится на раннем этапе, примерно на уровне десяти логических кубитов.
То есть каждый квантовый бит может вычислять параллельно с другими квантовыми битами системы.
При этом бит может иметь несколько состояний одновременно — быть и нулём, и единицей. Или вообще многоуровневой системой, но мейнстрим сейчас — кубит, у него два уровня. Вычислительная мощность растёт экспоненциально с добавлением кубитов в систему 2n. А в обычной системе она растёт квадратично n2. Современная наука находится в стадии понимания, что такое квантовая механика. Все законы частиц, взаимодействия атомов между собой описываются законами квантовой механики.
Эта наука отличается от того, что было до неё. Например, в квантовой механике есть принцип суперпозиции, благодаря которому размерность пространства состояний растёт экспоненциально. Классический компьютер просто не может это смоделировать. А квантовый компьютер сам построен на таких явлениях и умеет работать с такими системами. Плюс в квантомеханической системе есть амплитуды вероятности с комплексными числами — у обычных компьютеров такого нет. Если взять задачу по разложению какого-то числа в 2 048 бит, то классический алгоритм будет раскладывать его за тысячу шагов и за 1 000 000 000 000 лет.
А алгоритм Шора, если бы был квантовый компьютер с нужным количеством кубит, сделает это за 107 шагов — примерно 10 секунд. Пока таких квантовых компьютеров нет, но те, которые есть, уже умеют делать то, на что классическому компьютеру понадобится огромное количество времени. Физик Дэвид ди Винченцо грамотно сформулировал пять основных критериев: 1 Сформулировать, что такое кубит. Они бывают разные, сегодня есть несколько известных платформ — на атомах, ионах, сверхпроводниках, фотонах. Понять, как сделать так, чтобы кубит одновременно был нулем и единицей. В каждой из платформ введение в суперпозицию — отдельная задача и это позволяют делать разные физические принципы.
За каждым из этих явлений стоит много инженерных сложностей. Например, если измерить кубит, его состояние изменится и его нельзя клонировать. Или шумы, электромагнитные волны, частицы плохо влияют на систему, поэтому большинство платформ охлаждают всю систему до низких температур, чтобы минимизировать влияние шумов и пыли. Но и работать в криогенике намного сложнее. Всё это усложняет создание квантовых компьютеров, поэтому сейчас максимально есть около 130 кубитов. Например, IBM выпустил 128-кубитную систему.
Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чём разница?
Сложность удержания системы растет вместе с числом кубитов. Зачем он нужен нам? Попытки уменьшать размеры транзисторов и дальше сталкиваются с физическими ограничениями. Да и скорость передачи данных в них быстрее скорости света не сделать. Ужимать скоро будет некуда, значит пора искать другие пути решения. Один из них дает квантовая физика. Квантовые компьютеры не создаются для замены привычных транзисторных.
Итак, квантовые компьютеры ориентированы на сложные расчеты. За свои открытия в 1999 году Ричард Фейнман попал в десятку лучших физиков всех времен.
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.
Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?
Эта машина способна проводить очень сложные и длительные вычисления за счет встроенной в кубиты системы коррекции ошибок. Ознакомьтесь с вводными сведениями о кубитах и принципами их работы, включая информацию о различиях между кубитами и двоичными битами, а также о том, как кубиты формируют основу для квантовых вычислений. Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности.
Квантовый компьютер как способ движения в завтра
Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. это элементарная единица информации в квантовых вычислениях. Новый квантовый компьютер достигает когерентности кубита на заряде электрона в 0,1 миллисекунды.
ЧТО ТАКОЕ КУБИТ
Руслан Юнусов: Над суперкомпьютерами. Им были предложены тесты, с которыми квантовые, имея всего несколько десятков кубитов, справились за несколько минут. Так вот суперкомпьютерам они оказались вообще не под силу. Безоговорочная победа? Значит, квантовые машины уже сейчас можно выпускать в "люди"? Руслан Юнусов: Увы, к этому мы еще не пришли. Да, квантовый победил, но в специальных, абстрактных тестах. А вот для реальных задач в промышленных масштабах он пока не приспособлен. Не может соперничать с традиционными компьютерами. Для этого нужны системы с многими тысячами, а возможно, миллионами кубит.
Но если уже собрали вычислитель из сотен кубитов, почему нельзя, как в конструкторе ЛЕГО, объединить десятки тысяч, миллионы? Руслан Юнусов: Собрать, конечно, можно, но есть проблема - надежность. И она сейчас является ключевой. Чем больше мы хотим объединить кубитов, тем сильней они влияют друг на друга. Как следствие, начинают вылезать ошибки. Понятно, что нам нужны точные, безошибочные вычисления. Кроме того, в отличие от работы кремниевого устройства квантовые состояния довольно неустойчивые. Для защиты от разных внешних воздействий необходимы специальные условия. Все это дает повод скептикам утверждать, что собрать одновременно много кубитов и обеспечить надежность, безошибочную работу такой большой системы никогда не удастся.
Либо одно, либо другое. Но с таким же упорством скептики заявляли, что никогда не удастся достичь квантового превосходства, а это произошло. Важно, что таких примеров становится все больше. Ключевой вопрос Квантовая криптография обеспечит полную защиту информации. Фото: iStock У лидеров собраны системы из сотен кубитов, движутся к тысячам, у нас 16. Грустная цифра. Руслан Юнусов: Год назад, когда у нас было 4 кубита, а у них сотни, я бы признал, что мы сильно отстаем. Сейчас ситуация кардинально иная. Важно, что мы не только достигли 16 кубитов, главное - есть четкое понимание, как к концу 2024 года выйти на сотню, а затем и на тысячи кубитов.
А также достичь квантового превосходства. На самом деле число кубитов - не самоцель. Как я уже говорил, надо иметь не просто много кубитов, а много хороших кубитов. Например, ионный процессор одного из наших зарубежных коллег всего на 20-30 кубитах бьет системы с сотнями кубитов. И мы знаем, как из наших 16 сделать такую же точную систему.
Решительно очевидно, что мы имеем полное право писать и читать наши кубиты как обычные биты. Но смысла в этом ноль. Как колоть орехи микроскопом — никто не запретит, но это достаточно медленно и бессмысленно. Обычный компьютер справится с этим лучше. Сила же квантового компьютера именно в том, что мы берём несколько кубитов, которые как вы помните можно представлять как крутящиеся монетки, и взаимодействуем именно с вероятностями их выпадения в 0 орел или 1 решка , а не самими результатами 0 и 1.
Вот это уже куда более интересно. В наших алгоритмах мы больше не мыслим концепциями «прочитай здесь, если 1, переложи туда», а начинаем как бы настраивать взаимодействие наших монеток кубитов пока они еще крутятся, чтобы в итоге получить интересующий нас результат. Как вы понимаете, никто не гарантирует какой стороной упадёт первый кубит, а значит и нельзя ничего гарантировать про второй, и так далее. Получается как будто дерево расчёта вариантов исхода алгоритма. Это и даёт нам вот ту самую экспоненциальную скорость вычислений в квантовом компьютере. В конце же наше дерево вычислений всё равно приведёт к одному результату с наибольшей вероятностью, а к другим с наименьшей. Это и будет ответ алгоритма. Если хотите более подробного разбора дерева по шагам, рекомендую вот эту годную статью. Мы не перебираем все варианты одновременно, как объясняют во многих статьях для новичков. Мы скорее настраиваем вероятности наших кубитов по ходу программы так, чтобы правильный результат засветился на выходе с большей вероятностью, чем неправильный.
Условно говоря, мы подкручиваем наши монетки и говорим как им вращаться друг относительно друга, чтобы в итоге они выпали на стол в комбинацию, например, «орел-решка-орел» 010. Это и будет правильный ответ алгоритма. Тогда в 1 случае из 10 квантовый компьютер будет вполне легально нам врать, выдавая неправильный ответ. Тогда мы просто запускаем алгоритм много-много раз как настоящие боги инженерии! Побеждают, как обычно, китайцы. Белые же европейцы в это время воюют за запрет термина «превосходство» потому что оно оскорбительно и нетолерантно. Лет через пять меня точно отменят за этот пост. На практике же момент «квантового превосходства» не означает ничего, кроме того, что можно будет открыть шампанское и выпить за технологический прогресс. Сейчас объясню. Все эксперименты по квантовому превосходству по прежнему проводятся на специально подобранных задачках, которые квантовый компьютер должен щёлкать на раз, а классический пыхтеть тысячелетиями.
Читеры вставляют палки в колёса, короче, и всё равно не могут догнать. Разве что иногда. Именно поэтому квантовое превосходство интересно журналистам и историкам, но точно не инженерам. Я как инженер жду не формального победителя первого забега, а того, кто покажет мне первый стабильный квантовый компьютер. Сейчас с этим всё плохо. С текущим количеством шумов они попросту бесполезны для практических задач. Компьютер, который считает быстро, но постоянно врёт — разве это годится? Превосходство у них, блин. Случайно подняться на гору легко — куда сложнее подниматься на неё каждый день. Можно использовать эту фразу как кредо по жизни.
The Алгоритм Время программировать программы! На уроках информатики в 8 классе сегодня каждому школьнику рассказывают, что любой компьютер на самом деле состоит из кучки простейших операций над одним или двумя битами, называемых логическими вентилями или логическими гейтами, если вы дитя улиц и учились по английскому учебнику, как я. Хитро соединив проводами пару-тройку вентилей можно получить сумматор или простейшую память — всё это базовые элементы любого процессора. Потом они соберут из этих операций жирные высокоуровневые языки программирования. Начнется бум кремния, крах доткомов, курсы «профессия Data Scientist за неделю» и вот уже даже бездомные пишут на React за еду. Короче, в квантовых компьютерах всё то же самое! Только уровень развития тут пока плавает где-то до изобретения ассемблера. Представляете сколько всего еще впереди? Я обещал вам квантовый Hello, World — держите. Как и любой Hello World, он абсолютно бесполезен.
Он лишь подбрасывает две монетки, связывает одну с другой и говорит орлами они упали или решками. Разберём всё подробно по шагам. Итак, нам нужна схема из 2 кубитов и 2 обычных битов. Импортируем все нужные тулзы и начинаем рисовать. Дальше накидываем гейты. Потому что можем. Я хочу перевести первый кубит в суперпозицию гейтом H, то есть «подбросить» эту монетку. Физически обоснованный! Но мы не хотим читать 0 или 1, мы хотим программировать на вероятностях.
Надежная случайность битов необходима для шифрования, например, в случае с криптовалютами с доказательством доли владения Proof-of-stake, или PoS — экологичными альтернативами биткоина. Google, кстати недавно купил права на этот протокол. Симуляция квантовых процессов природы. Еще одно практическое применение потребует больше кубитов и более высокое качество работы — как раз сейчас техногиганты спешат обогнать друг друга в конструировании такого устройства. Это небольшие квантовые компьютеры, которые смогут симулировать квантовые процессы химических веществ и материалов, помогая ученым в их исследованиях. Симуляция квантовой механики, превосходящая количество амплитуд в реальности за счет компьютера, равного по мощности самой природе, — о таком применении говорил Ричард Фейнман в начале 1980-х годов, когда создал концепцию квантового компьютера. Это всё еще самое важное применение этой технологии, которое поможет в разработке чего угодно: от аккумуляторов и солнечных батарей до удобрений и лекарств. Достижение невероятных мощностей. Еще одна веха будущего — квантовое исправление ошибок. В теории эта технология позволит удерживать кубиты в правильном состоянии без помех в течение длительного периода времени. Исследователи полагают, что квантовое исправление ошибок в итоге позволит квантовым компьютерам вырасти от пары сотен кубитов до машин с миллионами или миллиардами кубитов, что сделает мечту Фейнмана реальностью. Но этого пока что никто не сделал — и неизвестно, когда это станет возможным. Google доказал, что квантовая механика работает В то же время эксперимент Google — это решающее доказательство жизнеспособности самой идеи. Построить квантовый компьютер так трудно, что с тех пор как ученые серьезно взялись за это дело в середине 1990-х, некоторые скептики утверждали, что это попросту невыполнимая задача. Кубиты, говорили они, всегда будут слишком хрупкими, чтобы их контролировать. И если законы квантовой механики предсказывают, что количество амплитуд вычислений растет по экспоненте — что ж, тем хуже для нашего понимания квантовой механики! Эксперимент Google должен дать всем скептикам паузу для размышления. Очевидно, что устройство на 53 кубита действительно смогло просчитать 9 квадриллионов амплитуд, оставив позади все суперкомпьютеры на планете — пусть пока что и в совершенно бессмысленном вычислении. Квантовая механика работает! Это вывод одновременно ожидаемый и поразительный, консервативный и радикальный. Компьютерная революция началась с одного-единственного изобретения — транзистора. В дотранзисторную эпоху мы застряли на ненадежных электронных лампах. Но они свое дело делали — переводили абстрактную алгебру логики в электрический сигнал достаточно надежно, чтобы это было полезно практически. У нас пока что нет квантовой версии транзистора: для этого нужно квантовое исправление ошибок.
Ученые создали свой кубит, заморозив газообразный неон в твердое тело при очень низких температурах, распылив электроны из лампочки на твердое тело и захватив там один электрон. Хотя существует множество вариантов типов кубитов, команда выбрала самый простой — один электрон. Нагрев простой световой нити, такой как в детской игрушке, может легко выпустить безграничный запас электронов. Одним из важных качеств кубитов является их способность оставаться в состоянии 0 или 1 одновременно в течение длительного времени, что известно как «время когерентности». Это время ограничено, и этот предел определяется тем, как кубиты взаимодействуют с окружающей средой. Дефекты в системе кубитов могут значительно сократить время когерентности. По этой причине команда исследователей решила поймать электрон на сверхчистой твердой поверхности неона в вакууме. Неон является одним из шести инертных элементов, то есть он не вступает в реакцию с другими элементами.
Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
Такой подход обеспечивает достаточно высокую степень точности исполнения операций, однако поддержание вычислителя в сверхпроводящем состоянии требует создания криогенных температур в значительном объёме. Это, в свою очередь, ведёт к существенной чувствительности вычислителей данного типа к внешнему воздействию, а также создаёт дополнительные препятствия для масштабирования. Тем не менее, достижением 2022 года является представленный компанией IBM вычислитель Osprey с 433 сверхпроводящими кубитами [17]. Если представленный годом ранее Eagle, обладающий 127 кубитами, теоретически позволял промоделировать отдельные элементы атаки S-AES с простейшей коррекцией ошибок, например, с девятикубитным кодом Шора, то в регистре Osprey можно проводить эксперименты со значительно более сложными и совершенными кодами коррекции. В контексте этого вызывает интерес исследование методов подавления ошибки на уровне логических кубитов. Точная оценка перспектив этих подходов требует более подробных экспериментальных данных, однако, можно утверждать, что IBM пока достаточно успешно поддерживают тренд роста числа кубитов сверхпроводниковых вычислителей. Озвученным прогнозом специалистов IBM стало получение компьютера с 4000 кубитов к 2025 году. И, несмотря на всю кажущуюся амбициозность данного заявления, фундаментальных ограничений, которые могли бы препятствовать достижению заявленных параметров, нет. Если специалисты IBM справятся с подавлением шумов и поддержанием когерентности для регистра с таким количеством кубитов — они смогут выполнить обещание. Холодные атомы Вычислители на основе холодных атомов не требуют криогенного охлаждения кубитов.
Теоретически, за счёт возможности наращивания числа оптических ловушек, удерживающих атомы, и большей устойчивости к шумам, вычислители данного типа обладают несколько большим потенциалом масштабирования, по сравнению с квантовыми компьютерами на основе сверхпроводящих цепей. В то же время возникающие при работе с атомными кубитами ошибки в значительной мере поддаются контролю за счёт методов подавления. Это было продемонстрировано в 2021 году с представлением программируемого атомного симулятора на 256 кубитов [18]. По количеству кубитов для архитектуры на основе холодных атомов рекорд прошлого года — 256 кубитов на программируемом симуляторе, остаётся актуален. Однако произошел прорыв в технологии реализации двухкубитных гейтов. Поскольку атомы электрически нейтральны, они не взаимодействуют на расстоянии. Реализация двухкубитного гейта для них требует возбуждения одного из атомов в состояние с очень высокой энергией, называемое ридберговским. В таком состоянии радиус, на котором атомы могут взаимодействовать, существенно увеличивается и наблюдается эффект ридберговской блокады: если один атом уже находится в ридберговском состоянии, это приводит к смещению электронных уровней соседнего атома, что не позволяет возбудить его в ридберговское состояние при помощи характерного лазерного импульса. На основе этого эффекта может быть построен запутывающий гейт [19].
Новый подход использует ультракороткие лазерные импульсы для одновременного возбуждения атомов в ридберговские состояния за пределами режима ридберговской блокады [20]. Это даёт возможность преодолеть характерное временное ограничение и перейти от микросекундного временного масштаба к наносекундному. И, хотя рекордная точность операции пока не продемонстрирована, такой подход за счёт скорости взаимодействия атомов ведёт к значительному снижению вероятности возникновения ошибки при применении двухкубитного гейта. Новый тип запутывающих гейтов не предоставляет технологию для реализации квантовых операций с гигагерцовой частотой. Однако он позволяет преодолеть характерный временной барьер, так что вычислитель, построенный на гейтах такого типа, теоретически сможет по порядку величины приблизиться к быстродействию классических компьютеров. В совокупности со сравнительно долгим временем жизни атомного кубита данная технология в перспективе существенно повышает потенциал масштабируемости вычислителей на основе холодных атомов. Оптические кубиты Электрическая нейтральность атомов обеспечивает им меньшую чувствительность к шумам окружающей среды, но, в то же время, создаёт сложности для обеспечения взаимодействия атомов между собой. Это заставляет использовать более сложные схемы реализации двухкубитных гейтов, такие как гейты на основе ридберговской блокады. Ещё дальше в этом направлении заходят кубиты на основе фотонов.
Фотоны практически не взаимодействуют ни с окружением, ни между собой. За счёт этого они, с одной стороны, практически не подвержены влиянию шума, но, с другой, реализация запутывающего гейта для фотонных кубитов в ряде случаев связана с фундаментальными ограничениями. По этой причине до недавнего времени оптические квантовые вычислители оценивались как наиболее перспективные на временном горизонте от 10 лет. Но в 2021-2022 годах стали доступны новые технические возможности, позволяющие обойти характерные для оптической архитектуры фундаментальные ограничения. Существуют несколько способов кодирования кубита в состоянии фотона. Наиболее простые — поляризационный кубит и двухрельсовая кодировка. Поляризационный кубит подразумевает сопоставление состояний 1 и 0 ортогональным поляризациям, например, вертикальной и горизонтальной. Двухрельсовая кодировка предлагает кодировать один кубит в паре оптических мод, сопоставленных состояниям 0 и 1, в одной из которых находится фотон. В обоих случаях из-за слабого взаимодействия фотонов реализация двухкубитного гейта требует использования нелинейной среды.
Причём величина нелинейности должна на много порядков превосходить достижимые значения. Ввиду технической невозможности прямой реализации был найден альтернативный подход, названный протоколом KLM Knill, Laflamme, Milburn [21]. Он позволяет реализовывать двухкубитный запутывающий гейт с использованием только линейных элементов, однако получаемая схема имеет ограниченную вероятность успешного срабатывания. Такой подход уже является приемлемым для экспериментальных задач, и позволяет реализовывать квантовые вариационные алгоритмы с малым числом кубитов. Однако конечная вероятность успешного срабатывания гейта ведёт к экспоненциально малой вероятности срабатывания всей схемы при её масштабировании, что недопустимо. Преодоление этого ограничения потребовало выработки ещё одного альтернативного подхода. Из характеристик квантового состояния светового пучка могут быть выделены отдельные параметры, связанные соотношением неопределённостей Гейзенберга. Связь данных параметров позволяет кодировать в них состояние кубита. В некотором смысле это подобно тому, как оно кодируется в поляризации.
Получаемый кубит называется кубитом на сжатых состояниях, поскольку для кодирования информации одна из квадратур сжимается сильнее стандартного квантового предела. Оказывается, что кубиты на сжатых состояниях можно телепортировать с использованием базовых оптических элементов. А корректируя протокол телепортации, можно менять телепортируемое состояние [22]. В обычных условиях такое изменение является нежелательным, но при работе со сжатыми состояниями скорректированную телепортацию можно использовать для реализации гейта. Телепортируя многокубитные состояния, можно реализовать многокубитные гейты детерменированным образом. Необходимо только владеть технологией приготовления запутанных состояний высокой размерности, необходимых для осуществления телепортации. Но опять же, для сжатых состояний генерация запутанности возможна при помощи базовых оптических элементов. Экспериментально была продемонстрирована генерация запутанных кластерных состояний на данной архитектуре объёмом до 1000000 кубитов. Строго говоря, сжатые состояния не являются кубитами.
Кубит является лишь подмножеством пространства сжатых состояний. И телепортационные гейты не обеспечивают возможности произвольной трансформации сжатого состояния. Однако если специально выделить из сжатого состояния кубит, то и это ограничение удаётся преодолеть.
Их сформулировал Чарльз Бэббидж в 1830-е годы и систематизировал Алан Тьюринг в 1930-е. В ходе компьютерной революции менялись только количественные показатели: увеличивались скорость, объем оперативной и физической памяти, количество процессоров. Но квантовые вычисления — это нечто совершенно иное. Это первая компьютерная модель со времен Тьюринга, которая изменит принципиальные основы вычислительных алгоритмов, позволяя выполнять невероятно сложные для традиционных компьютеров задачи. Самые ожидаемые результаты квантовых вычислений — это возможность симулировать процессы химии и квантовой физики, а также разрушить большую часть систем шифрования, которые сейчас обеспечивают защиту данных в интернете. Демонстрация компанией Google способностей квантового компьютера стала критической вехой компьютерной революции. Квантовый компьютер: кубиты вместо битов В лаборатории Санта-Барбары Калифорния команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор». Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине , которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми. Такая температура необходима, чтобы на мгновение точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты qubits, от quantum bits. Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно. Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить. Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера. Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность фотоны и электроны , подчиняются совершенно иным законам вероятности. Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет. Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире. Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1. Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам. Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. Что происходит, если у вас не один кубит, а тысяча, и все они взаимодействуют друг с другом в результате чего получается то самое состояние квантовой «запутанности»?
Статьи «High-fidelity parallel entangling gates on a neutral atom quantum computer» и «High-fidelity gates and mid-circuit erasure conversion in an atomic qubit» заявляют о достижениях в этом направлении. Авторам первой удалось сконструировать 60-кубитный атомный массив, точность выполнения запутывающего гейта в котором достаточно низкая, чтобы потенциально можно было получить устойчивые к ошибкам вычисления при использовании поверхностных кодов. Вторая же предлагает реализацию атомной архитектуры, позволяющую эффективно детектировать возникающие ошибки. Специалисты Atomic Computing при описании своей работы тоже предоставляют ссылку на работу в Nature, где заявляют о рекордном времени когерентности кубита. В статье можно подробнее ознакомиться с деталями реализации кубитной архитектуры. Результаты действительно впечатляют — время декогеренции в 40 секунд существенно превосходит предыдущие показатели и потенциально позволяет производить очень объёмные вычисления. Конечно, при условии, что информация в кубитах не будет потеряна вследствие неточности применяемых к ним гейтов, особенно двухкубитных. И вот тут информации о характеристиках нового устройства достаточно мало. По какой-то причине авторы не выносят точных значений фиделити двухкубитного гейта в своей системе в первые строки пресс-релиза. Нет этих данных и в упомянутой статье, а документ с общим описанием оригинальной технологии, на который ссылается пресс-релиз, содержит лишь концептуальное объяснение работы двухкубитного гейта для атомов на основе эффекта Ридберговской блокады — давно известного и широко используемого подхода, в оттачивании которого и состоит одна из главных задач на пути масштабирования атомных вычислителей.
Чтобы собрать классический цифровой компьютер в домашних условиях, мы берём ленту, кладём на неё некую последовательность битов, двигаем эту ленту туда-сюда и выполняем записанные отдельно на листочке операции над ними. Так получается алгоритм. Машина Тьюринга. Такой вот фигней, только на более высоком уровне, занимаются все программисты. В квантовом компьютере у нас такая же лента, только теперь мы кладём на неё кубиты. Список операций тоже остался, но сами операции чуть изменились. Решительно очевидно, что мы имеем полное право писать и читать наши кубиты как обычные биты. Но смысла в этом ноль. Как колоть орехи микроскопом — никто не запретит, но это достаточно медленно и бессмысленно. Обычный компьютер справится с этим лучше. Сила же квантового компьютера именно в том, что мы берём несколько кубитов, которые как вы помните можно представлять как крутящиеся монетки, и взаимодействуем именно с вероятностями их выпадения в 0 орел или 1 решка , а не самими результатами 0 и 1. Вот это уже куда более интересно. В наших алгоритмах мы больше не мыслим концепциями «прочитай здесь, если 1, переложи туда», а начинаем как бы настраивать взаимодействие наших монеток кубитов пока они еще крутятся, чтобы в итоге получить интересующий нас результат. Как вы понимаете, никто не гарантирует какой стороной упадёт первый кубит, а значит и нельзя ничего гарантировать про второй, и так далее. Получается как будто дерево расчёта вариантов исхода алгоритма. Это и даёт нам вот ту самую экспоненциальную скорость вычислений в квантовом компьютере. В конце же наше дерево вычислений всё равно приведёт к одному результату с наибольшей вероятностью, а к другим с наименьшей. Это и будет ответ алгоритма. Если хотите более подробного разбора дерева по шагам, рекомендую вот эту годную статью. Мы не перебираем все варианты одновременно, как объясняют во многих статьях для новичков. Мы скорее настраиваем вероятности наших кубитов по ходу программы так, чтобы правильный результат засветился на выходе с большей вероятностью, чем неправильный. Условно говоря, мы подкручиваем наши монетки и говорим как им вращаться друг относительно друга, чтобы в итоге они выпали на стол в комбинацию, например, «орел-решка-орел» 010. Это и будет правильный ответ алгоритма. Тогда в 1 случае из 10 квантовый компьютер будет вполне легально нам врать, выдавая неправильный ответ. Тогда мы просто запускаем алгоритм много-много раз как настоящие боги инженерии! Побеждают, как обычно, китайцы. Белые же европейцы в это время воюют за запрет термина «превосходство» потому что оно оскорбительно и нетолерантно. Лет через пять меня точно отменят за этот пост. На практике же момент «квантового превосходства» не означает ничего, кроме того, что можно будет открыть шампанское и выпить за технологический прогресс. Сейчас объясню. Все эксперименты по квантовому превосходству по прежнему проводятся на специально подобранных задачках, которые квантовый компьютер должен щёлкать на раз, а классический пыхтеть тысячелетиями. Читеры вставляют палки в колёса, короче, и всё равно не могут догнать. Разве что иногда. Именно поэтому квантовое превосходство интересно журналистам и историкам, но точно не инженерам. Я как инженер жду не формального победителя первого забега, а того, кто покажет мне первый стабильный квантовый компьютер. Сейчас с этим всё плохо. С текущим количеством шумов они попросту бесполезны для практических задач. Компьютер, который считает быстро, но постоянно врёт — разве это годится? Превосходство у них, блин. Случайно подняться на гору легко — куда сложнее подниматься на неё каждый день. Можно использовать эту фразу как кредо по жизни. The Алгоритм Время программировать программы! На уроках информатики в 8 классе сегодня каждому школьнику рассказывают, что любой компьютер на самом деле состоит из кучки простейших операций над одним или двумя битами, называемых логическими вентилями или логическими гейтами, если вы дитя улиц и учились по английскому учебнику, как я. Хитро соединив проводами пару-тройку вентилей можно получить сумматор или простейшую память — всё это базовые элементы любого процессора. Потом они соберут из этих операций жирные высокоуровневые языки программирования. Начнется бум кремния, крах доткомов, курсы «профессия Data Scientist за неделю» и вот уже даже бездомные пишут на React за еду. Короче, в квантовых компьютерах всё то же самое! Только уровень развития тут пока плавает где-то до изобретения ассемблера. Представляете сколько всего еще впереди? Я обещал вам квантовый Hello, World — держите. Как и любой Hello World, он абсолютно бесполезен. Он лишь подбрасывает две монетки, связывает одну с другой и говорит орлами они упали или решками. Разберём всё подробно по шагам. Итак, нам нужна схема из 2 кубитов и 2 обычных битов.
В России создан первый сверхпроводящий кубит
«В области производства квантовых компьютеров всё идёт в соответствии с графиком, 20 кубитов нам обещает Росатом показать в конце этого года. Но время идет, новости о квантовых компьютерах с завидной периодичностью выходят в свет, а мир все никак не перевернется. В то время как кубиты имеют четыре значения, в нейронных сетях их несравненно больше, а образуемые ими структуры намного разнообразнее, чем entanglement. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства.