Кубит Шредингера: заменит ли квантовый компьютер традиционный ПК

Квантовый компьютер — это средство вычислительной техники, где в основе работы центрального процессора лежат законы квантовой механики. Такой компьютер принципиально отличается от традиционных ПК, работающих на основе кремниевых чипов.

Это устройство применяет для вычисления не классические алгоритмы, а процессы квантовой природы — квантовые алгоритмы, использующие эффекты квантовой механики, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Базой для вычислений такого типа служит кубит — система, в которой число частиц аналогично импульсу, а фазовая переменная (энергетическое состояние) – координате. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу. Благодаря этому квантовый компьютер может выполнять конкретные математические задачи в тысячи раз быстрее классических компьютеров.

Принцип работы квантового компьютера

Квантовые компьютеры часто понимают неправильно из-за того, что в их названии есть слово «компьютер». Когда люди слышат слово «компьютер», они думают о ноутбуках или телефонах, но дело в том, что эти устройства и даже самые большие суперкомпьютеры в мире работают по одной и той же фундаментальной схеме. Однако, квантовые компьютеры имеют фундаментальные отличия и их нельзя называть компьютерами в привычном понимании этого слова.

Квантовые вычислительные системы — устройства, использующие явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Такие устройства оперируют кубитами (квантовыми битами), которые могут одновременно принимать значение и логического ноля, и логической единицы. Поэтому с ростом количества использующихся кубитов число обрабатываемых одновременно значений увеличивается в геометрической прогрессии.

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.

Прогресс развития квантовых вычислений за последние 20 лет:

Пример работы квантовых вычислений

Для того, чтобы понять потенциал квантовых вычислений, давайте рассмотрим простую задачку: пройти лабиринт.

Единственный способ решения такой задачи на классическом компьютере — перебор всех возможных вариантов, череда успехов и неудач. Однако квантовый компьютер, используя всю мощь квантовой физики, проверяет все варианты одновременно

и дает правильное решение намного быстрее.

Казалось бы, можно немного подождать и классический компьютер решит задачу, зачем строить сложную квантовую машину? Все бы ничего, но только человечество постоянно сталкивается с задачами, которые займут тысячи, миллионы, миллиарды лет вычислений

на самых мощных суперкомпьютерах мира. Время — непозволительная роскошь для человека, нам нужны решения этих задач уже сегодня. Давайте попробуем разобраться где конкретно сила квантового компьютера может нам помочь?

Для решения каких задач может использоваться квантовый компьютер?

Квантовый компьютер не способен полностью заменить классический, да это и не нужно. Обычный компьютер справляется со множеством задач, но, все таки, существует класс проблем, которые квантовая машина способна решить за час, в том время как классическим компьютерам понадобится время жизни Вселенной.

Известные на сегодняшний день задачи такого типа, можно разделить на 4 группы.

Задачи с преобразованием Фурье

Это, в основном, задачи криптографии и шифрования: тот самый алгоритм Шора, который может позволить взломать RSA и Биткоин. Происходит это потому, что квантовое преобразование Фурье невероятно быстрое и, если найти ему правильное применение, то оно даёт экспоненциальное ускорение.

Задачи оптимизации

Сюда входят комбинаторные проблемы

, которые решаются лишь перебором всех возможных вариантов, например, лабиринт, который был рассмотрен выше. Другой нашумевший квантовый алгоритм, алгоритм Гровера, позволяет решать такие задачи быстрее обычного перебора, однако, не дает такого сильного ускорения как алгоритм Шора. Комбинаторные задачи постоянно возникают в сфере логистики, оптимизации и экономики.

Квантовое машинное обучение

Третий квантовый алгоритм, дающий заметное ускорение — это алгоритм HHL. Он способен решать систему линейных уравнений экспоненциально быстрее любого классического алгоритма; как известно, линейные уравнения возникают повсюду, например, в задачах машинного обучения.

Quantum-assisted machine learning

— это одно из самых полезных применений квантовых компьютеров. Да и вообще использование квантовой физики в задачах искусственного интеллекта это классно: можно, к примеру, использовать
квантовые выборки
, которые находятся в состоянии суперпозиции нескольких классических выборок.

Симуляции квантовой системы

Это самое естественное применение квантовых компьютеров. Такой подход предложил ещё Фейнман: чтобы смоделировать очень сложную квантовую систему вам нужна другая сложная квантовая система, о которой вы все знаете и умеете ей управлять.

Поэтому полноценный квантовый компьютер поможет создать новые материалы, новые лекарства, высокотемпературные сверхпроводники. Это задачи, где надо хитрым образом организовать взаимодействие атомов, но чтобы понять как именно это сделать классическим компьютерам потребуется триллионы лет вычислений, в то время как большим квантовым — несколько часов.

Квантовый процессор: описание работы

Классические биты могут принимать значение 0 или 1. Если пропустить их строку через «логические вентили» (И, ИЛИ, НЕ и т. д.), то можно умножать числа, рисовать изображения и т. п. Кубит же может принимать значения 0, 1 или оба одновременно. Если, скажем, 2 кубита запутаны, то это делает их совершенно коррелированными. Процессор квантового типа может использовать логические вентили. Т. н. вентиль Адамара, например, помещает кубит в состояние совершенной суперпозиции. Если суперпозицию и запутанность совместить с умно расположенными квантовыми вентилями, то начинает раскрываться потенциал субатомных вычислений. 2 кубита позволяют исследовать 4 состояния: 00, 01, 10 и 11. Принцип работы квантового процессора таков, что выполнение логической операции дает возможность работать со всеми положениями сразу. И число доступных состояний равно 2 в степени количества кубитов. Так что, если сделать 50-кубитный универсальный квантовый компьютер, то теоретически можно исследовать все 1,125 квадриллиона комбинаций одновременно.

Чем квантовый компьютер отличается от обычного?

Квантовые вычисления и квантовая связь — сами эти понятия были изобретены буквально 30 лет назад, и первые работы ученых даже не брали в научные журналы: говорили, что фантастика, а не наука. Сегодня же квантовые системы не только существуют, но и продаются за деньги, создавая и решая новые проблемы безопасности, в основном в сфере криптографии.

Квантовые компьютеры – это машины, основанные на уникальном поведении, описываемом квантовой механикой, и совершенно отличающимся от поведения классических систем. Одно из таких отличий – способность частицы или группы частиц в некотором отношении находиться только в двух дискретных квантовых базовых состояниях – назовем их 0 и 1.

Квантовый компьютер непригоден для большинства повседневных дел, зато способен быстро решить математические задачи, на которых основана современная криптография.

Принципиальным отличием квантового компьютера от обычного является то, что его операционная единица — кубит (квантовый бит) может находиться в состоянии неопределенности, или, если угодно, в нескольких состояниях одновременно. Звучит запутанно, еще сложнее на практике, но как показали годы исследований, это работает.

Приведем ключевые различия квантового и обычного компьютера:

Квантовый компьютер сильно отличается от классического и вряд ли пригоден для игры в «Тетрис», зато он неизмеримо быстрее обычного решает вероятностные и оптимизационные задачи.

Среди вещей, которые можно радикально ускорить квантовыми вычислениями, — оптимизация маршрутов транспорта, секвенирование ДНК, предсказание биржевых котировок и подбор криптографических ключей. Правда, ответ тоже всегда будет вероятностным, даже считать его с компьютера является сложной проблемой, но, сделав несколько довольно быстрых прогонов одной и той же задачи, можно прийти к одному-единственному, правильному ответу: в интересующем нас случае — ключу шифрования.

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.

Что могут сделать квантовые компьютеры, а обычные — нет?

Квантовые компьютеры работают на принципах, совершенно отличных от существующих компьютеров, что делает их действительно хорошо подходящими для решения определенных математических задач, таких как поиск очень больших простых чисел. Поскольку простые числа так важны в криптографии, вполне вероятно, что квантовые компьютеры быстро смогут взломать многие системы, которые обеспечивают безопасность нашей онлайн-информации. Из-за этих рисков исследователи уже пытаются разработать технологию, устойчивую к квантовому взлому, и, с другой стороны, возможно, что квантовые криптографические системы будут гораздо более безопасными, чем их традиционные аналоги.

Ожидается использование квантовых компьютеров для моделирования сложных химических реакций. В июле 2020 года инженеры Google впервые использовали квантовое устройство для моделирования молекулы водорода, и с тех пор IBM удалось смоделировать поведение еще более сложных молекул. В 2020 году Microsoft выпустила предварительную версию нового языка программирования для квантовых вычислений под названием Q# и симулятор для тестирования и отладки квантовых алгоритмов.

Китайское правительство строит национальную лабораторию квантовой информации в провинции Аньхой (рядом с Шанхаем) стоимостью 10 млрд. долл. и планируется открыть ее в 2020 году. Государственные исследования в области квантовых вычислений на данный момент составляют около 200 млн. долл. в год.

Варианты реализации квантового компьютера

На сегодняшний день есть очень много реализаций квантовых вычислений, но самые перспективные на мой взгляд следующие подходы:

• Спины в твердом теле
• Сверхпроводники
• Фотоника
• Одиночные атомы (холодные ионы или ЯМР)

Спины в твердом теле

Исторически, кубиты рассматривали как спины, поэтому идея о том, чтобы взять множество спинов в каком-нибудь твёрдом теле (чтобы они никуда не убегали) — естественная для реализации квантовых вычислений.

Такой подход теоретически масштабируем, но, конечно, тут есть свои сложности, такие как сам процесс изготовления устройств и управление квантовым состоянием. Зато времена жизни кубитов получаются впечатляюще большие.

Сверхпроводники

Пожалуй это самая многообещающая реализация квантовых вычислений, и так считаю не только я: IBM, Google, Intel, Rigetti, D-Wave, да практически все крупные компании, которые занимаются железом квантовых вычислений занимаются непосредственно «железом», ведь в такой реализации квантового компьютера кубиты — это сверхпроводящие металлические структуры на кремниевом чипе, почти как транзисторы в обычном процессоре.

Охлаждают кубиты до низких температур для того, чтобы они перешли в квантовые состояние и чтобы устранить тепловые шумы. Эта технология масштабируемая, то есть ничто не мешает нам сделать процессор, размером несколько сантиметров, на котором будут миллионы кубитов.

Фотоника

Фотоника чаще всего используется в криптографии, ведь фотоны (частицы света) квантовые сами по себе и не нуждаются в холоде: для криптографических протоколов используют лазеры и оптоволокно.

Базу для квантовые вычисления можно делать таким же образом, а можно реализовать на чипах, по которым передаются фотоны. Эта технология так же масштабируема, но инженерных сложностей тут, кажется, больше, чем у сверхпроводников.

Одиночные атомы (холодные ионы или ЯМР)

Представляете, люди научились ловить отдельные атомы с помощью оптической ловушки и охлаждать с помощью лазера. Это достаточно дёшево и просто.

Первый компьютер из 50 кубитов был собран именно из холодных атомов в Гарварде. Однако, размер ловушки ограничен, так что масштабировать эту технологию крайне трудно. Тоже самое касается и ЯМР: вы берёте сложную молекулу и называется каждый атом в ней кубитом. Размер молекул ограничен, что усложняет создание большого компьютера, более того, есть проблемы со считыванием состояния кубита.

Проблемы квантовых компьютеров

При проектировании и эксплуатации квантовых компьютеров перед учеными и инженерами возникает огромное количество проблем, которые на сегодняшний день решаются с переменным успехом. Согласно исследованию (схожее исследование) можно выделить следующий ряд проблем:

• Чувствительность к окружению и взаимодействию с окружением.
• Накопление ошибок при вычислениях.
• Сложности с начальной инициализации состояний кубитов.
• Сложности с созданием многокубитных систем.

Давайте организуем все основные проблемы в три большие группы и рассмотрим поподробнее каждую из них.

Декогеренция

Квантовое состояние очень хрупкая штука, кубиты в запутанном состоянии крайне нестабильны, любое внешнее воздействие может разрушить (и разрушает) эту связь. Изменение температуры на мельчайшую долю градуса, давление, пролетевший рядом случайный фотон — все это дестабилизирует нашу систему.

Для решения этой проблемы строят низкотемпературные саркофаги, в которых температура (-273.14 градуса цельсия) чуть-чуть выше абсолютного ноля, с максимальной изоляцией внутренней камеры с процессором от всех (возможных) воздействий внешней среды.

Максимальное время жизни квантовой системы из нескольких запутанных кубитов, в течение которого она сохраняет свои квантовые свойства и может быть использована для произведения вычислений, называют временем декогеренции.

На текущий момент время декогеренции в лучших квантовых решениях составляет порядка десятков и сотен микросекунд.

Есть прекрасный сайт quantumcomputingreport.com, на котором можно посмотреть сравнительные таблицы параметров всех созданных квантовых систем. В эту статью для примера вынесены только два топовых процессора — от IBM IBM Q System One и от Google Sycamore. Как мы видим, время декогеренции (Т2) не превышает 200 мкс.

Я не нашел точных данных по Sycamore, но в самой статье о квантовом превосходстве приводятся две цифры — 1 миллион вычислений за 200 секунд, в другом месте — за 130 секунд без потерь на управляющие сигналы и прочее. В любом случае это дает нам время декогеренции порядка 150 мкс.

Чем нам грозит декогеренция?

Основная проблема в том, что через 150 мкс наша вычислительная система из N запутанных кубитов начнет выдавать на выходе вместо вероятностного распределения правильных решений — вероятностный белый шум.

То есть нам надо:

• Инициализировать систему кубитов
• Провести вычисление (цепочка вентильных операций)
• Считать результат

И сделать все это за 150 мкс. Не успел — результат превратился в тыкву. Но это еще не все…

Ошибки

Как мы уже говорили, квантовые процессы и квантовые вычисления имеют вероятностную природу, мы не можем быть уверены на 100% ни в чем, а только с какой-то вероятностью. Ситуация усугубляется еще и тем, что квантовые вычисления подвержены ошибкам.

Основные типы ошибок при квантовых вычислениях это:

• Ошибки декогеренции, обусловлены сложностью системы и взаимодействием с внешней средой
• Вычислительные ошибки гейтов (обусловлены квантовой природой вычислений)
• Ошибки считывания финального состояния (результата)

Ошибки, связанные с декогерентностью, возникают сразу же, как только мы запутали наши кубиты и начали производить вычисления. Чем больше кубитов мы запутали, тем сложнее система, и тем легче ее разрушить. Низкотемпературные саркофаги, защищенные камеры, все эти технологические ухищрения как раз направлены на то, чтобы снизить число ошибок и продлить время декогеренции.

Вычислительные ошибки гейтов — любая операция (вентиль) над кубитами может с некоторой вероятностью завершиться с ошибкой, а нам для реализации алгоритма нужно выполнить сотни вентилей, вот и представьте, что мы получим в конце выполнения нашего алгоритма. Классический вариант ответа на вопрос — “Какова вероятность встретить динозавра в лифте?” — 50х50, или встретишь или нет.

Проблема еще усугубляется тем, что стандартные методы коррекции ошибок (дублирование вычислений и усреднение) в квантовом мире не работают из-за теоремы о запрете клонирования. Для коррекции ошибок в квантовых вычислениях пришлось придумать квантовые же методы коррекции. Грубо говоря мы берем N обычных кубитов и делаем из них 1 логический кубит с меньшим уровнем ошибок.

Но тут возникает другая проблема — общее количество кубитов. Смотрите, допустим у нас есть процессор со 100 кубитами, из которых 80 кубитов заняты коррекцией ошибок, тогда нам для вычислений остается только 20.

Ошибки считывания финального результата — как мы помним, результат квантовых вычислений нам представлен в виде вероятностного распределения ответов. Но считывание финального состояния тоже может завершиться с ошибкой.

На том же сайте есть сравнительные таблицы процессоров по уровням ошибок. Для сравнения возьмем те же процессоры, что и в предыдущем примере — IBM IBM Q System One и Google Sycamore:

Здесь фиделити — мера схожести двух квантовых состояний. Величину ошибки можно грубо представить как 1-Fidelity. Как мы видим, ошибки на 2-х кубитных гейтах и ошибки считывания являются главным препятствием к выполнению сложных и длинных алгоритмов на существующих квантовых компьютерах.

Еще можно почитать роадмап от 2020 года от NQIT по решению задачи коррекции ошибок.

Архитектура процессора

В теории мы строим и оперируем схемами из десятков запутанных кубитов, в реальности же все сложнее. Все существующие квантовые чипы (процессоры) построены таким образом, что обеспечивают безболезненное запутывание одного кубита только со своими соседями, которых не больше шести.

Если же нам надо запутать 1-й кубит, скажем, с 12-м, то нам придется строить цепочку дополнительных квантовых операций, задействовать дополнительные кубиты и прочее, что увеличивает общий уровень ошибок. Да, и не забывайте про время декогеренции, возможно к тому моменту, когда вы закончите связывать кубиты в нужную вам схему, время закончится и вся схема превратится в симпатичный генератор белого шума.

Также не забывайте, что архитектура у всех квантовых процессоров разная, и программу, написанную в эмуляторе в режиме “связность всех со всеми” нужно будет “перекомпилировать” в архитектуру конкретного чипа. Есть даже специальные программы оптимизаторы для выполнения этой операции.

Максимальная связность и максимальное количество кубитов для тех же топовых чипов:

И, для сравнения, таблица с данными предыдущего поколения процессоров. Сравните количество кубитов, время декогеренции и процент ошибок с тем, что мы имеем сейчас у нового поколения. Все-таки прогресс потихоньку, но движется.

Что мы имеет в итоге:

• На текущий момент нет полносвязных архитектурных схем из > 6 кубитов.
• Чтобы на реальном процессоре запутать кубит 0 с, например, 15-м может потребоваться несколько десятков дополнительных операций.
• Больше операций -> больше ошибок -> сильнее влияние декогерентности.

Пути решения проблем

Для решения вышеуказанных проблем, в настоящее время используют следующие подходы и методы:

• Использование криокамер с низкими температурами (10 мК (–273,14°C)).
• Использование максимально защищенных от внешних воздействий процессорных блоков.
• Использование систем квантовой коррекции ошибок (Логический кубит).
• Использование оптимизаторов при программировании схем для конкретного процессора.

Также проводятся исследования, направленные на увеличение времени декогеренции, на поиск новых (и доработку известных) физических реализаций квантовых объектов, на оптимизацию схем коррекции и прочее и прочее. Прогресс есть (посмотрите выше на характеристики более ранних и топовых на сегодняшний день чипов), но пока идет медленно, очень очень медленно.

Разница между мечтой и реальностью

Машина IBM использует квантовые явления, которые протекают в сверхпроводящих материалах. Например, иногда ток течет по часовой и против часовой стрелки одновременно. Компьютер IBM использует сверхпроводниковые микросхемы, в которых кубит составляют два разных электромагнитных энергетических состояния.

Сверхпроводимый подход имеет массу преимуществ. Аппаратное обеспечение можно создавать при помощи хорошо известных устоявшихся методов, а для управления системой можно использовать обычный компьютер. Кубиты в сверхпроводящей схеме легко поддаются манипуляции и менее деликатны, чем отдельные фотоны или ионы.

В квантовой лаборатории IBM инженеры работают над версией компьютера с 50 кубитами. Вы можете запустить симулятор простого квантового компьютера на обычном компьютере, но при 50 кубитах это будет практически невозможно. И это значит, что IBM теоретически приближается к точке, за которой квантовый компьютер сможет решать проблемы, недоступные классическому компьютеру: другими словами, квантовое превосходство.

И все это работает.

Но ученые из IBM скажут вам, что квантовое превосходство — это неуловимая концепция. Вам понадобится, чтобы все 50 кубитов работали идеально, когда в реальности квантовые компьютеры сильно страдают от ошибок. Также невероятно трудно поддерживать кубиты на протяжении заданного периода времени; они склонны к «декогеренции», то есть к утрате своей деликатной квантовой природы, словно колечко дыма растворяется при малейшем дуновении ветерка. И чем больше кубитов, тем сложнее справиться с обеими задачами.

«Если бы у вас было 50 или 100 кубитов и они действительно работали бы достаточно хорошо, а также были полностью избавлены от ошибок, вы могли бы производить непостижимые вычисления, которые нельзя было бы воспроизвести на любой классической машине, ни сейчас, ни тогда, ни в будущем», говорит Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета и основатель компании Quantum Circuits. «Обратная сторона квантовых вычислений заключается в том, что есть невероятное число возможностей для ошибки».

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Другая причина для осторожности заключается в том, что не совсем очевидно, насколько полезен будет даже идеально функционирующий квантовый компьютер. Он не просто ускоряет решение любой задачи, которую вы ему подбросите. По сути, во многих родах вычислений он будет несоизмеримо «тупее» классических машин. Не так много алгоритмов было определено к настоящему моменту, в которых квантовый компьютер будет иметь очевидное преимущество. И даже с ними это преимущество может быть недолговечным. Самый известный квантовый алгоритм, разработанный Питером Шором из MIT, предназначен для поиска простых множителей целого числа. Многие известные криптографические схемы полагаются на тот факт, что этот поиск крайне трудно осуществить обычному компьютеру. Но криптография может адаптироваться и создать новые виды кода, не полагающиеся на факторизацию.

Вот почему, даже приближаясь к 50-кубитной вехе, исследователи IBM сами пытаются развеять шумиху. За столом в коридоре, который выходит на пышный газон снаружи, стоит Джей Гамбетта, высокий австралиец, исследующий квантовые алгоритмы и потенциальные приложения для оборудования IBM. «Мы находимся в уникальном положении», говорит он, осторожно выбирая слова. «У нас есть это устройство, которое сложнее всего, что можно смоделировать на классическом компьютере, но оно пока не контролируется с достаточной точностью, чтобы проводить через него известные алгоритмы».

Что дает всем айбиэмщикам надежду на то, что даже неидеальный квантовый компьютер может быть полезным.

Гамбетта и другие исследователи начали с приложения, которое Фейнман предвидел еще в 1981 году. Химические реакции и свойства материалов определяются взаимодействиями между атомами и молекулами. Эти взаимодействия управляются квантовыми явлениями. Квантовый компьютер может (по крайней мере в теории) моделировать их так, как не может обычный.

В прошлом году Гамбетта и его коллеги из IBM использовали семикубитную машину для моделирования точной структуры гидрида бериллия. Состоящая всего из трех атомов, эта молекула является самой сложной из всех, которые моделировались с применением квантовой системы. В конечном итоге ученые смогут использовать квантовые компьютеры для проектирования эффективных солнечных батарей, препаратов или катализаторов, преобразующих солнечный свет в чистое топливо.

Эти цели, конечно, еще невообразимо далеки. Но как говорит Гамбетта, ценные результаты можно получить уже из работающих в паре квантового и классического компьютеров.

Первый в мире протокол квантового интернета

Нидерландские ученые разработали первый в мире протокол для так называемого квантового интернета, работающего без помех и максимально защищенного от взлома. Идея принадлежит специалистам исследовательского центра QuTech.

Протокол, работающий на канальном уровне, разработан группой ученых под руководством профессора Стефани Вейнер (Stephanie Wehner). Также они проработали общую концепцию квантовых сетей, которые в будущем, по их мнению, могут заменить собой традиционный интернет и локальные сети.

В основе идеи специалистов QuTech лежит принцип очень быстрой обработки кубитов, поскольку они не могут находиться в памяти длительное время. Это обеспечит высокую скорость передачи информации, а явление квантовой запутанности, еще одна основа протокола, даст возможность максимально защитить передаваемые данные.

Явление квантовой запутанности подразумевает взаимозависимость двух и более объектов, в данном случае кубитов, и их неразрывную связь друг с другом. Попытка перехвата данных приведет к изменению квантового состояния одного или нескольких кубитов и, как следствие, к потере передаваемой информации. Другими словами, информацию может получить исключительно целевое устройство – несанкционированный доступ к ней исключен.

Технические подробности о работе первого протокола квантовой сети Стефании Вейнер оставила в тайне. Она уточнила лишь, что для работы квантового интернета вполне сгодится физическая инфраструктура обычного интернета.

Квантовые вычисления

Теория гласит, что без взаимодействия с другими частицами электрон не имеет однозначных координат на атомной орбите. Только при измерении неопределенность исчезает, а местоположение частицы становится известным.

Вероятностный характер изменений позволяет использовать квантовые вычисления для поиска в неструктурированных базах данных.

Суперпозиция и запутывание

Работа компьютера основана на двух механических явлениях:

1. Запутанность. Явление, при котором состояние двух и более объектов взаимозависимо. Например, у 2 фотонов в запутанном состоянии спиральность окажется отрицательной и положительной. Взаимосвязь сохранится, если убрать объекты друг от друга в пространстве.
2. Когерентная суперпозиция. Одновременное воздействие на частицу альтернативных (взаимоисключающих) состояний.

Декогеренция

Это процесс, при котором состояние квантовой системы становится неконтролируемым. Декогеренция возникает, когда много кубитов зависят друг от друга. Проблема появляется при взаимодействии компьютера с радиацией, космическими лучами или магнитным полем.

Для защиты компьютеров от «скатывания» к обычным вычислительным процессам применяют разные методы. Компания D-Wave Systems охлаждает атомы до нуля, чтобы защитить их от внешних воздействий. Квантовый процессор помещают в защитные оболочки, поэтому готовые устройства очень громоздкие.

• Московский АСЦ-ДТИ — что это такое и какая организация. Заказные письма, извещения с кодом Московский АСЦ-ДТИ
• Лоскутное одеяло своими руками: как сшить начинающим
• Двадцать пятая неделя беременности

Какие компании разрабатывают квантовые компьютеры уже сегодня?

Формально дальше всех в этой гонке продвинулась канадская компания D-Wave. Она создала и успешно продает единственные представленные сегодня на рынке квантовые компьютеры. Среди ее клиентов — Google, NASA, Volkswagen и Lockheed Martin. В конце января этого года D-Wave анонсировала выпуск коммерческой версии квантового компьютера четвертого поколения D-Wave 2000Q. Его мощность, как утверждают в компании составляет 2000 кубитов. Однако многие сомневаются в том, что машины D-Wave можно называть полноценными квантовыми компьютерами, поскольку они способны решать лишь узкий круг вычислительных задач. С этим мнением не согласны в Google. Купленный поисковиком у D-Wave компьютер (кстати, он стоит от $10 млн до $15 млн) справился с некой специальной задачей в 100 миллионов раз быстрее обычного.

Американская IBMготовится вывести на рынок квантовые компьютеры с вычислительной мощностью 50 кубитов. Произойдет это, как утверждают в компании, уже в ближайшие несколько лет. С помощью квантовых компьютеров, получивших предварительное название IBM Q, можно будет, в частности, «распутать» сложные молекулярные и химические взаимодействия, что приведет к открытию новых лекарств и материалов, считают в IBM. Большие изменения ждут сферу логистики: будут найдены оптимальные пути для наиболее эффективной доставки товаров. Квантовые компьютеры также позволят найти новые способы моделирования финансовых данных и выделить ключевые глобальные факторы риска, что обезопасит инвестиции. В сфере искусственного интеллекта и машинного обучения можно будет обрабатывать очень большие объемы данных (например, связанные с поиском изображений или видео). «Мы сейчас переходим от стадии, на которой речь идет лишь об игрушках исследователей, к ситуации, позволяющей оценить новшество с коммерческой точки зрения», — отметил технический директор квантового центра IBM Скотт Краудер. Ранее IBM создала квантовый компьютер мощностью 5 кубитов.

Практически одновременно с IBM о планах выпустить коммерческий 50-кубитовый квантовый компьютер заявила компания Google. Причем сроки названы примерно те же — ближайшие 5 лет. «В области квантовых вычислений скоро будет достигнута историческая веха», — написали исследователи из лаборатории Quantum AI компании Google в своей статье, опубликованной в журнале Nature. Над созданием квантового компьютера поисковик начал работать еще в 2014 году.

Успехи конкурентов подстегивают еще одного крупного игрока — компанию Microsoft. В ноябре прошлого года она объявила о решении удвоить свои усилия в области создания квантового компьютера. В отличие от IBM и Google, компания Билла Гейтса делает ставку на интригующую, но пока недоказанную концепцию топологического квантового вычисления. «Я думаю, что мы находимся на пороге перехода от исследований к разработке», — сказал вице-президент квантовой программы Microsoft Тодд Холмдал. Одновременно компания разрабатывает программное обеспечение для будущих супермашин.

Всего, по данным аналитической компании CB Insights, над задачей создания квантового компьютера бьются не менее 18 корпораций. Среди них — авиастроительные компании Airbus и Lockheed Martin, китайский интернет-ритейлер Alibaba, британская телекоммуникационная компания British Telecommunications, компании Hewlett Packard, Toshiba, Intel, Mitsubishi, Nokia.

Эксперты Массачусетского технологического института (MIT) ожидают, что полноценные квантовые компьютеры, обрабатывающие информацию в разы быстрее современных суперкомпьютеров, появятся на рынке в течение ближайших пяти лет.

Что ж это за зверь такой – квантовый компьютер?

Итак, в классических вычислениях бит — это единичная часть информации, которая может существовать в двух состояниях — 1 или 0. Вместо этого в квантовых вычислениях используются квантовые биты, или «кубиты». Это квантовые системы с двумя состояниями. Однако, в отличие от обычного бита, они могут хранить гораздо больше информации, чем просто 1 или 0, потому что они могут существовать в любой суперпозиции этих значений.

С мая 2020 года первая в Австралии компания по производству квантовых компьютеров Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC) работает над созданием и коммерциализацией квантового компьютера на основе набора интеллектуальной собственности, разработанной в CQC2T (Австралийского центра передовых технологий в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий) и используя свои разработки.

Квантовый компьютер IBM. Представляет собой огромный морозильник, который поддерживает температуру в устройстве 15 милликельвин (около абсолютных нулевых градусов и в 180 раз холоднее, чем температуры в межзвездном пространстве). Электропроводка выполнена из сверхпроводящих коаксиальных кабелей. Входы на компьютеры представляют собой микроволновые импульсы, которые манипулируют частицами, создающими сигнал. Затем этот сигнал интерпретируется операторами компьютеров.

Исследователи CQC2T впервые показали, что они могут создавать кубиты атомной точности в трехмерном устройстве, что является важнейшим шагом на пути к универсальному квантовому компьютеру, сообщает sciencedaily.com со ссылкой на статью на сайт nature.com.

Реально, впервые была продемонстрирована архитектура, в которой используются кубиты атомного масштаба, выровненные по контрольным линиям, которые, по сути, являются очень узкими связями внутри трехмерного проекта.

Более того, команда смогла выровнять различные слои в своем трехмерном устройстве с точностью до нанометра — и показала, что они могут считывать состояния кубита за один раз, то есть за одно измерение, с очень высокой точностью воспроизведения.

«Эта трехмерная архитектура устройства является значительным достижением для атомных кубитов в кремнии», — говорит профессор Симмонс, — «чтобы иметь возможность постоянно исправлять ошибки в квантовых вычислениях, важная веха в нашей области, вы должны быть в состоянии контролировать много кубитов параллельно».

Трехмерная архитектура считается важным этапом в разработке концепции создания крупномасштабного квантового компьютера. Статья в Nature Nanotechnology описывает, как была построена вторая плоскость управления, а точнее следующий слой поверх первого слоя кубитов.

Раньше считалось, что это невозможно сделать, потому что поверхность второго слоя становится очень шероховатой. Команда Симмонс продемонстрировала, что они могут выровнять эти несколько слоев с точностью до нанометра.

«Если вы напишете что-нибудь на первом кремниевом слое, а затем наложите кремниевый слой сверху, вам все равно нужно будет указать свое местоположение, чтобы выровнять компоненты на обоих слоях. Мы показали методику, которая позволяет добиться выравнивания в пределах до 5 нанометров!» — делится Мишель Симмонс.

Стратегия Silicon Quantum Computing Pty Limited обеспечивает формирование полностью кристаллического транзистора с использованием только двух атомных частиц: фосфора и кремния.