Главная » Разные статьи » Что такое квантовый компьютер

Что такое квантовый компьютер


Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен

Евгений Глушков

Студент шестого курса МФТИ, инженер лаборатории искусственных квантовых систем, создатель и редактор ресурса Make It Quantum.

До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.

Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.

Дальше — больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер — тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности — от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников — материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы — они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.

Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин — компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.

Ричард Фейнман

Зависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо — привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.

Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.

Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты — нули и единички, — то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно — кубиты). Сам кубит — вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.

В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу — уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств — лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.

Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.

Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью — разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.

С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете — пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.

Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело — теоретически придумать кубит, и совсем другое — воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита — нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи — все они отвечали поставленным требованиям.

Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.

Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».

Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.

Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер — все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера — вопрос стратегической важности.

Не пропустите лекцию:

theoryandpractice.ru

Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер - Журнал «Код»: программирование без снобизма

Это про­рыв в тех­но­ло­ги­ях или оче­ред­ной бит­ко­ин?

Сей­час мно­го гово­рят о новых тех­но­ло­ги­ях вычис­ле­ния — в част­но­сти, то и дело зву­чат сло­ва «кван­то­вые вычис­ле­ния», «кван­то­вый интер­нет» и даже «кван­то­вая крип­то­гра­фия». Посмот­рим, что это такое и нуж­но ли оно нам. Нач­нём с кван­то­во­го ком­пью­те­ра. 

Биты и кубиты

В обыч­ном ком­пью­те­ре все вычис­ле­ния осно­ва­ны на поня­тии «бит». Это такой эле­мент, кото­рый может при­ни­мать зна­че­ния 0 или 1. Физи­че­ски это реа­ли­зо­ва­но так:

  1. В ком­пью­те­ре есть деталь под назва­ни­ем тран­зи­стор. Пред­ставь­те, что это кран на тру­бе: если его вклю­чить, вода польёт­ся, если выклю­чить — оста­но­вит­ся.
  2. В тран­зи­сто­ре вода — это элек­три­че­ство, и включение-выключение кра­на тоже зави­сит от элек­три­че­ства. Пред­ставь­те, что кра­ны соеди­не­ны меж­ду собой так, что вода из одно­го кра­на вклю­ча­ет или выклю­ча­ет дру­гой кран, — и так кас­ка­дом по цепоч­ке.
  3. Тран­зи­сто­ры соеди­не­ны таким хит­рым обра­зом, что когда они вклю­ча­ют­ся и выклю­ча­ют­ся, на них мож­но про­из­во­дить мате­ма­ти­че­ские вычис­ле­ния.
  4. Из-за того, что тран­зи­сто­ров очень мно­го (мил­ли­ар­ды), а рабо­та­ют они очень быст­ро (близ­ко к ско­ро­сти све­та), тран­зи­стор­ные ком­пью­те­ры могут очень быст­ро совер­шать мате­ма­ти­че­ские вычис­ле­ния.
  5. Всё, что вы види­те в ком­пью­те­ре, — это про­из­вод­ные от вычис­ле­ний. Вы види­те окно, бук­вы, кар­тин­ки, а где-то в самой-самой глу­бине это про­сто сло­же­ние и вычи­та­ние, а ещё глуб­же — включение-выключение кра­нов с элек­три­че­ством на ско­ро­сти све­та. 

Тран­зи­стор в ком­пью­те­ре может при­ни­мать зна­че­ние 1 или 0, то есть «вклю­чён» или «выклю­чен». С точ­ки зре­ния ком­пью­тер­ной логи­ки, этот тран­зи­стор назы­ва­ет­ся битом. Это мини­маль­ная еди­ни­ца инфор­ма­ции в ком­пью­те­ре. Физи­че­ски бит может быть в про­цес­со­ре, на чипе памя­ти, на маг­нит­ном дис­ке, но суть одна: это какое-то физи­че­ское про­стран­ство, кото­рое опре­де­лён­но либо вклю­че­но, либо выклю­че­но.

Клю­че­вое сло­во здесь — «опре­де­лён­но». Про­грам­мист и инже­нер может точ­но узнать, в каком состо­я­нии нахо­дит­ся тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, ника­ких про­ме­жу­точ­ных состо­я­ний там не суще­ству­ет.

В кван­то­вом ком­пью­те­ре вме­сто битов — куби­ты. Куби­ты — это кван­то­вые части­цы, у кото­рых есть инте­рес­ная осо­бен­ность: кро­ме стан­дарт­ных 0 и 1 кубит может нахо­дить­ся меж­ду нулём и еди­ни­цей — это назы­ва­ют супер­по­зи­ци­ей. Нагляд­нее это вид­но на рисун­ке:

Все решения уже известны

Ещё одна осо­бен­ность куби­тов — зави­си­мость зна­че­ния от изме­ре­ния. Это зна­чит, что про­грам­мист не узна­ет зна­че­ние куби­та до тех пор, пока его не изме­рит, а сам факт изме­ре­ния тоже вли­я­ет на зна­че­ние куби­та. Зву­чит стран­но, но это осо­бен­ность кван­то­вых частиц.

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. Полу­ча­ет­ся, что реше­ние ста­но­вит­ся извест­но сра­зу, как толь­ко вве­де­ны все дан­ные. 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.

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.

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. На обыч­ном ком­пью­те­ре на это уйдёт мил­ли­ар­ды лет. Кван­то­вый ком­пью­тер смо­жет это сде­лать при­мер­но за 18 секунд.

Это озна­ча­ет, что тайн боль­ше не будет, пото­му что любые алго­рит­мы шиф­ро­ва­ния мож­но будет сра­зу взло­мать и полу­чить доступ к чему угод­но. Это каса­ет­ся все­го — от бан­ков­ских пере­во­дов до сооб­ще­ний в мес­сен­дже­ре. Воз­мож­но, насту­пит инте­рес­ный момент, когда обыч­ное шиф­ро­ва­ние пере­ста­нет рабо­тать, а кван­то­вое шиф­ро­ва­ние ещё не изоб­ре­тут.

Ещё кван­то­вые ком­пью­те­ры отлич­но под­хо­дят для моде­ли­ро­ва­ния слож­ных ситу­а­ций, напри­мер, рас­чё­та физи­че­ских свойств новых эле­мен­тов на моле­ку­ляр­ном уровне. Это, воз­мож­но, поз­во­лит быст­рее нахо­дить новые лекар­ства или решать слож­ные ресур­со­ём­кие зада­чи.

Сей­час кван­то­вые ком­пью­те­ры все­го это­го не уме­ют — они слиш­ком слож­ные в про­из­вод­стве и очень неста­биль­ные в рабо­те. Мак­си­мум, что мож­но пока сде­лать, — зато­чить кван­то­вый ком­пью­тер под един­ствен­ный алго­ритм, что­бы полу­чить на нём колос­саль­ный выиг­рыш в про­из­во­ди­тель­но­сти. Как раз для этих целей их и заку­па­ют круп­ней­шие ком­па­нии — что­бы быст­рее решать одну-две самые важ­ные для себя зада­чи.

thecode.media

Суть квантового компьютера

Квантовые компьютеры обещают настоящую революцию, причем не только в вычислениях, но и в реальной жизни. Медиа пестрят заголовками про то, как квантовые компьютеры уничтожат современную криптографию, а мощность искусственного интеллекта, благодаря им возрастет на порядки.

За последние 10 лет квантовые компьютеры прошли путь от чистой теории до первых работающих образцов. Правда, до обещанной революции предстоит пройти еще немалый путь, да и ее влияние в итоге может оказаться не таким всеобъемлющим, как представляется сейчас.

Как работает квантовый компьютер

Квантовый компьютер – устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Основным элементом в таких вычислениях является кубит, или квантовый бит. За всеми этими словам кроется довольно сложная математика и физика, но если их максимально упростить, то получится примерно следующее.

В обычных компьютерах мы имеем дело с битами. Бит - единица измерения информации в двоичной системе. Он может принимать значение 0 и 1, что очень удобно не только для математических операций, но и для логических, так как нулю можно сопоставить значение «ложно», а единице – «истинно».

Современные процессоры построены на базе транзисторов, полупроводниковых элементов, которые могут пропускать, либо не пропускать электрический ток. Иначе говоря, выдавать два значения 0 и 1. Точно также во флеш-памяти транзистор с плавающим затвором может хранить заряд. Если он есть, мы получаем единицу, если его нет – ноль. Аналогичным образом работает и магнитная цифровая запись, только носителем информации там является магнитная частичка, либо имеющая, либо не имеющая заряд.

При вычислениях мы считываем из памяти значение бита (0 или 1) и затем пропускаем ток через транзистор и в зависимости о того, пропускает он его или нет, получаем на выходе новый бит, возможно, имеющий другое значение.

Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. В отличие от обычного бита он находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть имеет значение и 0, и 1, и любые их сочетания в любой момент времени. Если в системе находится несколько кубитов, то изменение одного также влечет за собой изменение всех остальных кубитов.

Это позволяет одновременно просчитывать все возможные варианты. Обычный процессор с его бинарными вычислениями, фактически просчитывает варианты последовательно. Сначала один сценарий, потом другой, потом третий и т.д. Чтобы ускорить, начали применять многопоточность, запуская вычисления параллельно, предвыборку, чтобы предугадывать возможные варианты ветвления и просчитывать их заранее. В квантовом компьютере это все делается параллельно.

Отличается и принцип вычислений. В каком-то смысле квантовый компьютер уже содержит все возможные варианты решения задачи, нашей задачей только является считать состояние кубитов и... выбрать из них правильный вариант. И вот тут начинаются сложности. В этом и заключается принцип работы квантового компьютера.

Создание квантового компьютера

Какой будет физическая природа квантового компьютера? Добиться квантового состояния можно только у частиц. Кубит не построишь из нескольких атомов, как транзистор. Пока эта проблема до конца не решена. Есть несколько вариантов. Используются зарядовые состояния атомов, например, присутствие или отсутствие электрона в обычной точке, сверхпроводящие элементы, фотоны и т.д.

Столь «тонкие материи» накладывают ограничения и на измерения состояния кубитов. Энергии крайне малые, необходимы усилители, чтобы прочитать данные. Но усилители могут оказывать воздействия на квантовую систему и менять ее состояния, впрочем, не только они, но даже сам факт наблюдения может иметь значение.

Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами. Те в свою очередь ведут за собой изменения всей системы. Задача выбрать из ее состояний правильное, дающее результат вычислений. При этом может быть сколь угодно много состояний, максимальное приближенных к таковому. Соответственно, точность таких вычислений почти всего будет отличаться от единицы.

Таким образом, для полноценного квантового компьютера нужны значительные достижения в физике. Кроме того, программирование для квантового компьютера будет отличаться от существующего сейчас. Наконец, квантовые компьютеры не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но в состоянии ускорить решения тех, с которыми они справляются. Правда, опять же не все.

Счет на кубиты, кубитный квантовый компьютер

Постепенно проблемы на пути к квантовому компьютеру снимаются. Первые кубиты были построены еще в начале века. Процесс ускорился в начале десятилетия. Сегодня разработчики уже в состоянии произвести процессоры с десятками кубитов.

Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone в недрах Google. В марте 2018 года компания заявила, что смогла построить 72-кубитный процессор. На каких физических принципах построен Bristlecone Google не сообщает. Однако считается, что для достижения «квантового превосходства», когда квантовый компьютер начинает превосходить обычный, достаточно 49 кубитов. Google удалось выполнить это условие, но уровень ошибок в 0,6% пока выше требуемого в 0,5%.

Осенью 2017 года IBM объявила о создании прототипа 50-кубитового квантового процессора. Он проходит тестирование. Но в 2017 году IBM открыла свой 20-кубитовый процессор для облачных вычислений. В марте 2018 года была запущена меньшая версия IBM Q. Ставить эксперименты на таком компьютере могут все желающие. По их результатам уже вышло 35 научных работ.

Еще в начале 10-летия на рынке появилась шведская компания D-Wave, которая позиционировала свои компьютеры как квантовые. Она породила множество споров, так как объявляла о создании 1000-кубитных машин, в то время как признанные лидеры «ковырялись» всего лишь с парой кубитов. Компьютеры шведских разработчиков продавались по цене в $10-15 миллионов, так что проверить их было не так просто.

Компьютеры D-Wave не являются квантовыми в прямом смысле этого слова, но используют некоторые квантовые эффекты, которые можно применять для решения некоторых задач оптимизации. Иначе говоря, не все алгоритмы, которые могут быть выполнены на квантовом компьютере, получают на D-Wave квантовое ускорение. Google приобрела одну из систем шведов. В результате ее исследователи признали компьютеры «ограниченно квантовыми». При этом выяснилось, что кубиты сгруппированы кластерами по восемь, то есть их реальное число заметно меньше, чем декларируемое.

Квантовый компьютер в России

Традиционно сильная школа физики позволяет внести существенный вклад в решение физических проблем для создания квантового компьютера. В январе 2018 года россияне создали усилитель сигнала для квантового компьютера. Учитывая, что своей работой усилитель сам по себе способен влиять на состояние кубитов, уровень генерируемого им шума должен мало отличаться от «вакуумного». Это и удалось российским ученым из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и двух институтов РАН. Для создания усилителя использовались сверхпроводники.

В России также создан квантовый центр. Это негосударственная исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В том числе она занимается проблемой создания кубитов. За центром стоит бизнесмен Сергей Белоусов и профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Под его руководством в Гарварде уже был создан 51-кубитовый процессор, который некоторое время до анонса Bristlecon был самым мощнейшим квантовым компьютером устройством в мире.

Развитие квантовых вычислений стало частью госпрограммы «Цифровая экономика». В 2018-20 года на работы в этой сфере будет выделяться господдержка. Планом мероприятий предусмотрено создание квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах. После этого будет решаться вопрос дальнейшего масштабирования данной технологии.

Кроме того, до 2020 года в России собираются опробовать еще одну квантовую технологию: построение кубитов на нейтральных атомах и заряженных ионах в ловушках.

Одной из целей программы является создание устройств квантовой криптографики и квантовых коммуникаций. Будут созданы центры распределения квантовых ключей, которые будут их раздавать потребителям – банкам, дата-центрам, отраслевым предприятиям. Считается, что полноценный квантовый компьютер может за считанные минуты сломать любой современный алгоритм шифрования.

В итоге

Итак, квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится раньше следующего десятилетия. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.

Судя по тому, что на физическом уровне квантовые компьютеры имеют несколько решений, которые отличаются технологиями и, вероятно, стоимостью, они не будут унифицированы еще лет 10. Процесс стандартизации может растянуться надолго.

Кроме того, уже сейчас понятно, что квантовые компьютеры и в течение следующего десятилетия, скорее всего, будут «штучными» и очень дорогими устройствами. Вряд ли они окажутся в кармане у простого пользователя, но списке суперкомпьютеров можно ожидать их появления.

Вероятно, что квантовые компьютеры будут предлагаться в «облачной» модели, когда их ресурсы смогут задействовать заинтересованные исследователи и организации.

xdrv.ru

Шаг к квантовому превосходству: 49-кубитный квантовый компьютер от Intel

В октябре прошлого года Intel объявили о релизе 17-кубитного чипа. Но уже спустя три месяца на CES 2018 компания продемонстрировала 49-кубитный квантовый чип Tangle Lake, который, как надеются ученые, станет важным компонентом в достижении квантового превосходства, так как теоретически 49-кубитный квантовый компьютер может превзойти по вычислительной мощности все суперкомпьютеры в мире (на некоторых задачах). Об особенностях Tangle Lake и ситуации на рынке квантовых машин расскажем далее.

/ фото Jared Tarbell CC

Квантовый компьютер для хранения информации вместо традиционных битов использует кубиты. Их работа основана на принципах суперпозиции и запутанности. Согласно принципу суперпозиции кубиты могут находиться в состоянии 1 и 0 одновременно, а запутанность позволяет квантовым состояниям объектов зависеть друг от друга. Это позволяет квантовым машинам решать некоторые задачи быстрее, чем классические компьютеры (немного о принципах работы квантовых компьютеров мы писали в наших прошлых материалах: этом и этом).

Физики предположили, что квантовый компьютер с 49-кубитами будет обладать большей производительностью, чем мировые суперкомпьютеры. Однако создание чипов такого класса довольно сложная задача. Кубиты — объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. При этом колебания температуры или сторонняя молекула могут легко нарушить суперпозицию — произойдет декогеренция.

Чтобы решить эту проблему физики создают коды устойчивые к ошибкам, используют низкие температуры и ловушки Пеннинга, разрабатывают новые алгоритмы и пр. Этим занимаются и в компании Intel.

Новый чип Intel назван Tangle Lake в честь группы озёр на Аляске. Название служит отсылкой к низким температурам и «запутанности».

Устройство построено на базе предыдущей разработки Intel с 17 сверхпроводящими кубитами. Число 17 было выбрано не случайно: именно столько кубитов нужно, чтобы запустить квантовый код коррекции ошибок, который впервые продемонстрировала команда Google. Tangle Lake стал важным шагом для Intel, потому что 49 кубитов позволили исследователям улучшить код коррекции ошибок.

Кроме того Intel снабдила 49-кубитный чип технологией flip chip, чтобы транслировать сигналы с большей скоростью и меньшим количеством помех при тесном расположении контактов. Архитектура устройства строится с использованием контуров из сверхпроводящего металла, поэтому требует охлаждения до 20 мК. Однако Intel намерена повысить температуру в следующих разработках.

Компания Intel активно работает для того, чтобы первой создать рабочую квантовую систему. Майк Мэйберри (Mike Mayberry), глава Intel Labs, считает, что квантовые компьютеры смогут решать прикладные задачи и достигнут коммерческого успеха через 5–7 лет. Поэтому Intel заключила партнерские отношения с QuTech и другими компаниями, чтобы разрабатывать и тестировать различные аппаратные и программно-аппаратные системы для квантовых вычислений. Потребность в большом количестве кубитов побудила компанию дополнительно направить инвестиции на разработку решений на основе спиновых кубитов.

Спиновые состояния электронов и атомных ядер рассматриваются на роль кандидатов в логические состояния кубитов. Спиновые кубиты меньше по размеру, чем сверхпроводящие, а также в теории должны быть более надежными. Поэтому их можно будет масштабировать быстрее и с меньшим количеством ошибок.

В Intel уже знают, как реализовывать спиновые кубиты в кремнии по 300-мм технологии и считают, что технология поможет ускорить разработку полноценной квантовой системы.

Помимо Intel на кремний обратили внимание и австралийские ученые: им удалось разработать концепцию flip-flop-кубитов («кубитов-перевертышей»). Flip-flop-кубиты представляют собой атомы фосфора, помещенные в кремний. Сам кубит состоит из спина электрона и спина атомного ядра фосфора. За счет электрического поля кубит меняет свое состояние: если вектор спина электрона направлен вниз, а атома — вверх, то это ноль, иначе — единица. Поэтому они называются кубиты-перевертыши. Ученые надеются представить систему из 10 flip-flop-кубитов к 2022 году.

Над квантовыми компьютерами работают и другие компании. Некоторые, например, D-Wave, уже продают готовые решения (однако отметим, что их решение работает по принципу квантового отжига).

Там же на CES 2018 команда IBM представила прототип 50-кубитного квантового компьютера, о разработке которого говорилось ещё в ноябре 2017, похожего на стимпанк-люстру. Система занимает 10 квадратных метров, а ее процессор нужно охлаждать до 10 мК, что на 10 мК ближе к абсолютному нулю, по сравнению с разработкой от Intel.

/ фото IBM Research CC

Молодая компания Rigetti также стремится к квантовому превосходству: одна из ключевых разработок стартапа — Forest 1.2, которая предоставляет доступ к 26-кубитной виртуальной машине.

Компания ID Quantique предлагает сервисы для защиты данных на основе квантового шифрования, а Qubitekk работает над созданием универсального квантового компьютера — компьютера, который можно будет запрограммировать произвольным образом для решения широкого спектра задач.

P.S. Другие статьи из нашего корпоративного блога:

habr.com

Что такое квантовый компьютер

Квантовый компьютер Кубит Вычисления Вы все привыкли к нашим компьютерам: утром читаем новости со смартфона, днем работаем с ноутбуком, а вечером смотрим фильмы на планшете. Все эти девайсы объединяет одно — кремниевый процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Принцип работы таких транзисторов достаточно прост — в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг — если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо — будет 01110. И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций. Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много — мы теряем на эти вычисления время.

Принцип работы квантовых компьютеров

Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения:

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.

Понятнее явно не стало. Квантовая суперпозиция говорит нам о том, что система с какой-то долей вероятности существует во всех возможных для нее состояниях (при этом сумма всех вероятностей, разумеется, равна 100% или 1). Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. 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. 9999 в двоичной системе имеет вид 10011100001111, то есть для его записи нам нужно 14 бит. 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. Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом (говоря научным языком — если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной). Как это выглядит на пальцах? Допустим, у нас есть две коробки, в которых лежит по бумажке. Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки (или частицы), квантовая система рушится — неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты. Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц (где находятся их вторые «половинки» мы знаем). Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» — узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты — просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится — мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке. Возникает вопрос — раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли — как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным.

Домашний квантовый компьютер

Ну и последний вопрос — раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые — почему мы ими не пользуемся? Проблема банальна — невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум (отсутствие других частиц), температура, максимально близкая к нулю по Кельвину (для сверхпроводимости), и полное отсутствие электромагнитного излучения (для отсутствия влияния на квантовую систему). Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день — это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов. Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам:

Но все же такие устройства оказываются ощутимо (в тысячи раз) мощнее обычных ПК, что можно считать прорывом. Однако заменят пользовательские устройства они ох как не скоро — для начала нам нужно или научиться создавать условия для работы таких устройств дома, или же наоборот, «заставить» работать такие устройства в привычных нам условиях. Шаги во втором направлении уже были сделаны — в 2013 году был создан первый двухкубитный квантовый компьютер на алмазе с примесями, работающий при комнатной температуре. Однако увы — это всего лишь опытный образец, да и 2 кубита — маловато для вычислений. Так что ждать квантовых ПК еще очень и очень долго.

www.iguides.ru

Почему так сложно создать квантовый компьютер? С белорусским физиком объясняем технологию будущего - Технологии Onliner

Изобретению квантовых компьютеров частенько предсказывают прорыв, аналогичный прорывам при изобретении колеса, покорении огня или создании хорошо знакомых нам компьютеров. Но пока с этой задачей в полном масштабе никто справиться не сумел. В чем же основная загвоздка и зачем нам квантовые компьютеры? Сегодня Onliner.by объясняет суть компьютеров будущего, а помогает нам в этом заместитель заведующего Центром квантовой оптики и информатики Института физики НАН Беларуси член-корреспондент Дмитрий Могилевцев.

Почему за квантовым компьютером будущее?

Зачем вести разработки по созданию квантовых компьютеров? Чем нас не устраивают нынешние, которые постоянно прогрессируют в своей мощности? Теоретически квантовые компьютеры способны быстро решать задачи, на которые даже у суперкомпьютеров уйдут тысячелетия.

— Но есть нюанс. Пока квантовый компьютер дает выгоду только для определенного круга задач. Сейчас они и строятся под такие задачи. Поиск дающих выгоду квантовых алгоритмов — это сама по себе отдельная дисциплина, — рассказывает Дмитрий Могилевцев. — Бум квантовых компьютеров начался с того, что американец Питер Шор предложил с их помощью решать очень важную с практической точки зрения задачу факторизации. Она имеет огромное значение в криптографии.

Перемножить целые числа — это просто, а вот узнать, на какие простые множители разлагается число — крайне трудная задача для классического компьютера. 15 факторизуется на простые числа 3 и 5. Но что если число очень большое и состоит из тысяч цифр?

В теории на классическом компьютере такую задачу разрешить можно, однако на практике это потребует много времени. Увеличивается число — временны́е затраты возрастают по экспоненте и быстро выходят на времена, сравнимые с возрастом Вселенной. А алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел.

Например, современный суперкомпьютер, позволяющий делать более десяти в пятнадцатой степени операций в секунду, разложил бы число с пятьюстами знаками за 5 млрд лет. Квантовый компьютер со скоростью всего миллион операций в секунду решил бы ту же задачу за 18 секунд.

Так как факторизация лежит в основе всей современной криптографии, изобретение эффективных квантовых компьютеров поставит под угрозу большинство активно используемых ныне методов шифрования данных. Ведь вся информация, которая нынче передается через сеть, подвергается шифрованию — банковские транзакции, секретная переписка в соцсетях и прочее. Квантовый компьютер сможет подобрать код для расшифровки этих данных в мгновение ока. И тогда не останется ничего тайного.

— Правда, надолго ли — это еще вопрос. Уже сейчас ведутся работы над постквантовым шифрованием, устойчивым к подобному взлому. Хотя эффективность таких систем криптографии пока еще много хуже традиционных.

А еще квантовые компьютеры могут быть очень полезными для моделирования динамики сложных квантовых систем. Именно в этом еще в начале 80-х годов прошлого века видел их выгоду знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Кстати, сама идея квантовых вычислений предложена известным советским математиком Юрием Маниным в 1980 году.

Что же такое квантовый компьютер?

Это компьютер, использующий вместо классических битов (бинарных переменных, единичек и нулей) кубиты — состояния квантовой системы с двумя уровнями. В отличие от битов, кубиты могут находиться в состоянии 0, 1 и в суперпозиции 0 и 1.

— Помните мысленный эксперимент с котом Шредингера? Пока мы не откроем коробку, кот в ней и «жив», и «мертв» одновременно. Состояние кота в коробке и называется суперпозицией.

Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам делать параллельные, а не последовательные вычисления, что на порядок ускоряет работу в определенных алгоритмах. И чем больше в нашем процессоре связанных кубитов, тем больше информационное преимущество квантового компьютера над классическим, тем он потенциально мощнее и быстрее.

— В отличие от классических компьютерных битов и транзисторов, кубиты для своего физического воплощения требуют, как правило, отдельных квантовых систем с дискретными энергетическими уровнями и единичных квантов возбуждений.

Кубиты можно реализовать, например, с охлажденными атомами в ловушках, дефектами в нанокристаллах алмаза или сверхпроводящими контурами. Последние на современном этапе считаются самыми перспективными для построения квантовых компьютеров, поскольку сверхпроводящий контур-кубит, по сути, — объект почти макроскопический, размером в микрометры, доступный для манипуляций и массового изготовления.

Сверхпроводящие кубиты можно создавать на основе существующих методов литографии и помещать на чипы, не боясь, что они куда-нибудь сбегут как атомы. Так, в 2015 году Министерство образования и науки РФ сообщало о создании кубитов из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон: «Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров». Для печати кубита использовалась технология электронной и фотолитографии. Процесс этот весьма увлекательный и подробно расписан создателями в их блоге.

Существуют ли настоящие квантовые компьютеры?

— Они уже есть, и вполне настоящие. Их покупают и продают. Канадская компания «Ди-вэйв» (D-Wave) с 2011 года продает процессоры на нескольких сотнях и более кубитов. Одним из покупателей является аэрокосмическая корпорация «Локхид Мартин» (Lockheed Martin), приобретшая один из первых 128-кубитных процессоров за $11 млн. В начале прошлого года «Ди-вэйв» выпустила устройство с 2000 кубитов.

Правда, на стол в каждой отдельной семье квантовый компьютер поставить трудно — это ящик трехметровой высоты стоимостью $15 млн, внутри которого холоднее, чем в открытом космосе, нагретом реликтовым излучением до 2,725 Кельвина или -270,425 градусов по Цельсию. [Компьютер D-Wave работает при температуре -273 градуса по Цельсию, тогда как на орбите Земли средняя температура абсолютно черного тела составит +4 градуса — прим. Onliner.by]. И даже если оставить сомнения в истинной квантовости компьютера «Ди-вэйв», выгода от него — лишь для отдельных специализированных задач.

В некоторых случаях речь идет о задачах по оптимизации функции затрат по принципу квантового отжига. Например, компании Google это позволило в одном из таких алгоритмов добиться в 100 млн раз большего быстродействия по сравнению с обычным компьютером.

А летом прошлого года группа физиков под руководством профессора Гарварда и сооснователя Российского квантового центра Михаила Лукина смогла создать 51-кубитный квантовый компьютер для моделирования квантовых систем, то есть квантовый симулятор. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — говорил Михаил Лукин в интервью РБК. Квантовый симулятор, по мнению американского ученого Кристофера Монро, это то, что можно запрограммировать под выполнение лишь определенного вида задач и со временем превратить в универсальный квантовый компьютер, когда станет возможно программировать симулятор произвольным образом. Михаил Лукин отмечает, что на данном этапе исследований грань между компьютером и симулятором очень размыта.

Компания Intel в октябре прошлого года объявила о выпуске экспериментального 17-кубитного квантового процессора. Разработчики утверждают, что применили новую архитектуру, которая позволила повысить надежность, улучшить температурные характеристики и изоляцию от помех из-за совместной работы кубитов.

Работы ведутся. Как в середине прошлого века ученые предполагали, что на весь мир хватит и пяти компьютеров, так в нынешнем столетии хочется надеяться, что и задач для квантовых компьютеров станет больше, и для их производства найдутся эффективные и масштабируемые технологии. Пока же есть загвоздки.

Что останавливает торжество квантовых компьютеров?

— Конечно, было бы здорово, если бы удалось сделать компактный и дешевый универсальный квантовый процессор, для всякой задачи работающий не хуже классического и пригодный для помещения в смартфон. Но, увы, пока технологические затруднения слишком велики. Квантовость хрупка. Окружающий мир постоянно толкает наше квантовое состояние, и оно размывается.

Представьте, что вы пытаетесь удержать неподвижным маленький шарик в широкой миске, в то время как вас и миску в ваших руках постоянно и быстро толкают в разные стороны. Шарик остается в миске, расстояние от него до ваших глаз более-менее постоянно, но его положение все время меняется, он дрожит и в ваших глазах превращается в расплывчатое пятно.

На научном языке это называется «декогеренцией». Для большого числа кубитов подобный фазовый шум — настоящее бедствие, способное быстро убить все то, что дает преимущество квантовому компьютеру. Он загоняет квантовое состояние в классическое, губит суперпозицию. Нужно изолироваться, не дать окружающему миру толкать наши кубиты. Один из выходов — попросту заморозить окружающее до суперкосмического холода, как в «Ди-вэйв». Оттого и трехметровые габариты, и высокая цена — хотя сам процессор величиной с ноготь.

Но сейчас интенсивно разрабатываются и другие платформы для квантового процессора, например дефекты в нанокристаллах алмаза, которые способны сохранять когерентность при комнатной температуре.

В последние годы в гонку ввязались мировые технологические гиганты, а потому можно ожидать, что в ближайшие десятилетия мы увидим полноценный квантовый компьютер. Если не на своем столе в гостиной, то в университетской лаборатории уж точно.

Компьютеры в каталоге Onliner.by

Читайте также:

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. [email protected]

tech.onliner.by

Смотрите также