Квантовые технологии — это сложная область физики, изучающая поведение субатомных частиц — частиц, меньших, чем атомы, основные строительные блоки всей материи во Вселенной.
Со скоростью света. Как квантовые компьютеры изменят мир и жизнь россиян?
Компьютерные технологии постоянно развиваются. Обычные смартфоны теперь могут выполнять задачи, которые раньше требовали мощности гигантских вычислительных машин. Однако человечество стоит на пороге гораздо большего технологического скачка. Это произойдет с появлением полноценного квантового компьютера. Квантовый компьютер может за несколько минут решить задачу, на которую даже самым мощным суперкомпьютерам потребовались бы десятилетия или даже столетия. Пока существуют только прототипы квантовых компьютеров, но с каждым годом технология становится все лучше. Lenta.ru и Homo Science объясняют нам, что такое квантовая технология и как она может изменить мир.
Одним из первых о разработке квантового компьютера заговорил американский физик Ричард Фейнман в 1982 г. По словам ученого, эти машины могут моделировать сложные квантовые системы, такие как атомы, что выходит за рамки возможностей обычного, классического компьютера, требующего огромного количества вычислительных ресурсов. Стало ясно, что квантовые компьютеры — даже если в то время еще не было прототипа — могут делать то, что не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам.
В 1996 году американский математик Лав Гровер предложил алгоритм квантового поиска, который теоретически может ускорить поиск в огромных базах несекретных данных. Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью двухквантового компьютера на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — того же явления, которое лежит в основе магнитно-резонансной томографии (МРТ). Год спустя было показано, что ЯМР-компьютеры не имеют преимуществ перед обычными компьютерами, потому что они не реализуют особое явление, называемое квантовой запутанностью.
В то время как одни ученые искали алгоритмы, которые можно было бы применить в квантовом компьютере, другие были озабочены физическим применением квантовых вычислений. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура представил функциональный кубит на основе сверхпроводников.
Технология быстро развивалась, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два запутанных фотона для расчета энергии молекулы водорода, что было слишком сложно для классических компьютеров. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления могут дать полезный результат.
Десять лет спустя, в 2019 году, компания Google объявила о достижении квантового превосходства: Всего за 200 секунд его компьютер выполнил ряд вычислений, на которые у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет. А всего год спустя китайские ученые сообщили о квантовом превосходстве: их компьютер Jiuzhang с запутанными фотонами решил за 200 секунд задачу, на вычисление которой самому мощному суперкомпьютеру потребовалось бы 2,5 миллиарда лет.
Уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению интегрированных квантовых компьютеров: разрабатываются новые стандарты, определяются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений.
В России дорожная карта развития квантовых вычислений была разработана совместно Росатомом и Российским квантовым центром.
Что такое квантовое превосходство
Квантовое превосходство — это способность квантовых компьютеров решать задачи, которые не могут решить классические компьютеры, за предсказуемое время. Сейчас ученые рассматривают это достижение как доказательство принципа, а не как нечто, что может повлиять на будущую коммерческую жизнеспособность этих компьютеров.
В России под эгидой Росатома создана национальная квантовая лаборатория, в которой участвуют различные научные организации, такие как Фонд «Сколково», Российский квантовый центр и специализированные научные институты. Цель лаборатории — создать квантовые процессоры на основе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. К 2024 году должны быть созданы квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Квантовое превосходство может быть лишь временным и не исключает разработки более эффективных алгоритмов, ускоряющих вычисления классических компьютеров, поэтому все заявления о квантовом превосходстве рассматриваются экспертами скептически. Когда компания Google опубликовала результаты работы своего квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер может решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью — за два с половиной дня.
Страны инвестируют огромные суммы в развитие квантовой индустрии. Китай создал новый центр квантовых исследований (National Laboratory for Quantum Information Sciences) стоимостью 10 миллиардов долларов; Европейский Союз разработал генеральный план развития квантовых технологий и планирует потратить на него около миллиарда евро; Соединенные Штаты выделили 1,2 миллиарда долларов на пять лет в рамках Закона о национальной квантовой инициативе на развитие проектов в этой области. Однако для достижения полезной вычислительной мощности, вероятно, потребуются машины с сотнями тысяч кубитов.
Как работают квантовые компьютеры
Классические компьютеры выполняют логические операции с битами — единицами информации, которые принимают значение «0» или «1». В квантовых компьютерах для этой цели используются кубиты, представляющие квантовое состояние объекта, например, фотона. Пока не производится измерение, квантовое состояние не определено, т.е. оно находится в суперпозиции двух возможных состояний, «0» или «1». Суперпозиция одного объекта может быть связана с суперпозицией других объектов, т.е. между ними можно построить логические отношения, например, на основе транзисторов в классических компьютерах. В квантовых системах, однако, трудно поддерживать состояние суперпозиции достаточно долго, поскольку квантовое состояние нарушается при взаимодействии с окружающей средой (система больше не связана).
Для достижения квантового превосходства необходимо использовать явление, называемое квантовой запутанностью. Это тот случай, когда две системы настолько сильно связаны друг с другом, что получение информации об одной системе сразу же дает информацию о другой системе — независимо от расстояния между ними.
Хартмут Невен, директор Лаборатории квантового искусственного интеллекта Google, предложил новое правило, которое предсказывает прогресс квантовых вычислений в течение следующих 50 лет. Он объясняет, что производительность квантовых компьютеров растет в два раза экспоненциально по сравнению с обычными компьютерами. Если бы классические компьютеры подчинялись этому принципу, ноутбуки и смартфоны появились бы в мире уже в 1975 году. Невен основывает свое правило на том, что ученые разрабатывают все более совершенные квантовые процессоры с большим количеством запутанных кубитов, а сами процессоры работают экспоненциально быстрее обычных компьютеров.
Закон Невена, также известный как закон Мура 2.0, предсказывает, что по мере совершенствования квантовых чипов компьютеры будут становиться все быстрее и быстрее, способные решать задачи, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам в мире. Это просто вопрос увеличения количества доступных кубитов и снижения частоты ошибок, что является основной проблемой современных квантовых информационных систем. Если закон Невена сработает, квантовые компьютеры покинут университетские и исследовательские лаборатории и будут доступны для коммерческого и другого применения в ближайшем будущем.
А квантовые вычисления могут помочь исследователям разрабатывать новые лекарства, моделируя более крупные и сложные молекулы гораздо быстрее. Нескольких сотен запутанных кубитов будет достаточно, чтобы представить больше чисел, чем атомов во Вселенной!
Все решения уже известны
Другая особенность кубитов заключается в том, что их значение зависит от измерения. Это означает, что программист не знает значения кубита, пока он не будет измерен, и факт измерения также влияет на значение кубита. Это звучит странно, но это свойство квантовых частиц.
Поскольку кубиты находятся во всех состояниях одновременно, пока они не измерены, компьютер немедленно перебирает все возможные решения, поскольку кубиты связаны. Оказывается, решение известно сразу после ввода всех данных. Эта суперпозиция распараллеливает вычисления, что значительно ускоряет алгоритмы.
Сложность заключается в том, что результатом работы квантового компьютера является правильный ответ с определенной вероятностью. И необходимо строить алгоритмы так, чтобы вероятность правильного ответа была как можно ближе к единице.
Как делают кубиты и в чём сложность
Чтобы сделать его как можно более простым: Чтобы создать функциональный кубит, нужно взять атом, максимально стабилизировать его, защитить от внешнего излучения и соединить с другим атомом через специальную квантовую связь.
Чем больше таких кубитов соединено, тем менее они стабильны. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером необходимо как минимум 49 кубитов — а это очень нестабильная система.
Основная проблема — декогеренция. Это происходит, когда множество кубитов зависят друг от друга и на них может влиять все: космические лучи, радиация, колебания температуры и все другие явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» является катастрофой для квантового компьютера, поскольку он разрушает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер становится обычным компьютером — и при этом очень медленным.
К декогеренции можно подойти различными способами. Например, компания D-Wave, создающая квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы исключить все внешние процессы. Именно поэтому они такие большие — почти все пространство занимает защита квантового процессора.
Зачем нужны квантовые компьютеры
Одним из наиболее важных приложений квантовых вычислений на данный момент является разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не может быстро разложить число с 30-40 цифрами (или более) на простые коэффициенты. С обычным компьютером это заняло бы миллиарды лет. Квантовый компьютер может сделать это примерно за 18 секунд.
Это означает, что больше нет секретов, потому что любой алгоритм шифрования можно мгновенно взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджерах. Может наступить интересный момент, когда обычное шифрование перестанет работать, а квантовое шифрование еще только предстоит изобрести.
Квантовые компьютеры также отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, для расчета физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Возможно, это позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоемкие задачи.
В настоящее время квантовые компьютеры не могут сделать все это — они слишком сложны для создания и слишком нестабильны для работы. Пока максимум, к чему может быть приспособлен квантовый компьютер, — это один алгоритм для достижения огромного прироста производительности. Именно для этого их покупают крупнейшие компании — чтобы быстрее решить одну-две наиболее важные задачи.
В Yandex Workshop вы можете стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером по цифровым продуктам. Первая часть обучения всегда бесплатна, поэтому вы можете попробовать то, что вам нравится. Далее следуют программы по трудоустройству.
Может показаться, что квантовый компьютер — это своего рода аналоговый компьютер. Но это не так: по сути, это цифровое устройство, но аналоговое.
Для чего нужен квантовый компьютер
Быстрая обработка больших объемов данных с помощью новой технологии поможет решить множество проблем и окажет влияние на несколько областей. Например, КК может за несколько секунд решить анализ чисел, состоящих из большого количества цифр в простых множителях (сам процесс не сложный, но трудоемкий, на чем и основана современная криптография), и решить ряд подобных задач. Кроме того, технология хорошо подходит для моделирования сложных ситуаций, включая расчет физических свойств элементов на молекулярном уровне.
Основные приложения квантовых вычислений:
На данном этапе квантовые компьютеры сложны и нестабильны, поэтому мы можем разрабатывать только высокопроизводительные системы, заточенные под один алгоритм и предназначенные для очень узкого круга задач.
Чем отличается квантовый компьютер от обычного
За 30 лет, прошедших с момента появления концепции «квантовых вычислений», научные достижения привели к тому, что этот тип вычислительных систем стал реальностью, хотя и не для рядовых пользователей. Квантовые компьютеры опираются на уникальное поведение, которое в корне отличается от обычных, привычных машин, как это описывает квантовая механика.
Эти устройства способны за секунды решать математические задачи, на которые обычному компьютеру потребовались бы миллиарды лет. Квантовая машина Sycamore утверждает, что способна более чем за три минуты выполнить вычисления, на которые обычному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет — это явление Google называет «квантовым превосходством».
Привычный компьютер, с которым знаком каждый современный человек, а также смартфон, планшет или ноутбук, хранит информацию в битах, которые принимают значение 0 или 1, причем нули и единицы могут представлять любую информацию, будь то текст или изображение. Фундаментальное отличие и преимущество квантового компьютера заключается в используемой функциональной единице, которая называется кубитом (или квантовым битом). Кубит может находиться в состоянии неопределенности, т.е. одновременно находиться в разных состояниях, аналогично коту Шредингера (эффект суперпозиции).
Квантовый компьютер во много раз быстрее и мощнее обычного компьютера, но он не подходит для решения большинства повседневных задач, поскольку работает по совершенно другому принципу.
Как устроен компьютер будущего
Давайте теперь подробнее рассмотрим, что собой представляет высокотехнологичная система. Как мы уже видели, наименьшей единицей информации в обычном компьютере является бит, который принимает значение 1 или 0 (включен или выключен), тогда как в квантовом компьютере это кубиты, которые могут принимать любое значение. В этом случае квантовые частицы зависят от измерения, что означает, что нет никакой информации о кубите, пока он не измерен, сам процесс измерения также влияет на значение квантового бита, что может показаться странным, но это так.
Из-за этого свойства кубитов (все состояния одновременно), пока частица не была измерена, компьютер будет немедленно перебирать возможные решения из-за связи между кубитами. Таким образом, решение известно сразу после ввода исходных данных, т.е. суперпозиция приводит к параллелизации вычислений, что многократно ускоряет работу алгоритмов.
Конструкция квантового компьютера включает в себя:
Квантовая запутанность должна работать между атомами, и чем больше связей образуют кубиты, тем менее стабильна система. Для квантового превосходства над обычным компьютером необходимо как минимум 49 кубитов, и в этом случае стабильность системы уже сомнительна. Когда создаются множественные зависимости, на них могут влиять любые внешние воздействия.
Из-за хрупкости связей квантового процессора требуется охлаждение атомов почти до абсолютного нуля, что позволяет защитить его от внешних процессов — по этой причине устройство с предполагаемой защитой квантового процессора занимает много места.
Может показаться, что квантовый компьютер — это своего рода аналоговый компьютер. Но это не так: по сути, это цифровое устройство, но аналоговое.
Как собрать квантовый компьютер?
Таким образом, чтобы создать функциональный квантовый компьютер, необходимо удерживать объект в состоянии суперпозиции достаточно долго, чтобы выполнять над ним различные процессы. К сожалению, как только суперпозиция сталкивается с материалами, которые являются частью измеряемой системы, она теряет свое промежуточное состояние, что называется декогеренцией.
Оказалось, что эти устройства должны быть способны защитить квантовые состояния от декогеренции и в то же время сделать их легко читаемыми.
Квантовые состояния суперпозиции и запутанности чрезвычайно хрупки, и без подходящей температуры и условий окружающей среды они быстро теряют свои свойства и ведут себя хаотично. В настоящее время квантовые компьютеры очень хрупки: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к деградации и отказу системы.
Квантовые компьютеры в настоящее время очень чувствительны
В идеале квантовые компьютеры должны защищать кубиты от внешних помех, либо физически изолируя их, либо сохраняя их холодными, либо заряжая их тщательно контролируемыми импульсами энергии. Дополнительные кубиты необходимы для исправления ошибок, которые вкрадываются в систему.
Необходимость в специализированном оборудовании является основной причиной того, что квантовые вычисления изучают только страны, готовые инвестировать большие суммы денег. А поскольку наука развивается стремительно, физики рано или поздно добьются своего.
В документе, опубликованном в 2020 году, китайские физики описывают три области применения квантовых технологий, которые страна пытается разработать. Квантовые датчики могут, например, обнаружить подводную лодку, скрывающуюся в сотнях метров под водой, или управлять устройствами, которые могут месяцами работать без сигнала GPS.
Технология будущего уже здесь, нужно только подождать
А квантовые вычисления могут помочь исследователям разрабатывать новые лекарства, моделируя более крупные и сложные молекулы гораздо быстрее. Нескольких сотен запутанных кубитов будет достаточно, чтобы представить больше чисел, чем атомов во Вселенной!
Подробнее о последних открытиях в области квантовой физики читайте здесь.
И не забудьте подписаться на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить ничего интересного!
Одна из первых моделей квантовых компьютеров была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году. П. Бениофф кратко описал теоретическую основу для создания такого компьютера 3 .
Не квантовать!
Пока что квантовые компьютеры создают больше проблем, чем решают. Некоторые эксперты сравнивают нынешнее состояние квантовых информационных технологий с состоянием развития классических компьютеров в 1950-х годах, когда они представляли собой нелепый беспорядок гигантских коробок, едва превосходивших по производительности карманные компьютеры. Квантовые кубиты, например, настолько нестабильны, что чувствительны к тепловому шуму материи, поэтому компьютерные ячейки охлаждаются жидким азотом.
Существуют и фундаментальные трудности: Поскольку у кубита есть определенная вероятность оказаться в состоянии 1 или 0, всегда существует вероятность ошибки. Чем больше кубитов в системе, тем больше общая вероятность того, что система даст неправильный ответ, поэтому часто необходимо выполнить несколько расчетов одной и той же задачи или рассчитать одну и ту же задачу на нескольких компьютерах. Кроме того, из-за квантового характера вычислений ответ всегда будет содержать вероятность ошибки, которую можно минимизировать, но это сложный фактор.
Следует помнить, что квантовые технологии все еще находятся в зачаточном состоянии. Но уже сейчас многие люди готовы вкладывать в них деньги.
Квантовые перспективы
Инвестиции в квантовые технологии очень впечатляют.
В Японии Стратегический альянс для квантовой революции (Q-STAR) возглавляют такие экономические державы, как Toyota Motor, Hitachi и NTT. Страна планирует запустить свой первый квантовый компьютер к середине следующего года. Японцы прогнозируют, что к 2030 году квантовые технологии будут использовать 10 миллионов человек.
В США Alphabet, материнская компания Google, инвестирует миллиарды долларов в квантовые вычисления с целью создания коммерческого квантового компьютера, способного выполнять масштабные вычисления, к 2029 году. IBM, Intel, Microsoft и другие компании также инвестируют в квантовые вычисления. Исследовательские группы, занимающиеся разработкой и изучением квантовых компьютеров, существуют почти в каждом крупном американском институте.
По данным Росатома, российские технологии в этой области отстают от международных разработок примерно на 7-10 лет. На форуме «Открытые инновации» Максим Паршин, заместитель главы Министерства науки и технологий России, пообещал немедленно ликвидировать этот пробел. Он пообещал, что к 2024 году Россия продемонстрирует примеры квантовых вычислений на практике с помощью самостоятельно разработанного стека. Это позволит сократить разрыв между Россией и ведущими странами (США и Китаем) в области квантовых технологий, и к 2025 году он составит всего два-три года. Но даже это слишком много.
Береги кошелек!
Так стоит ли опасаться за свою криптономику? Готов ли квантовый компьютер навести порядок?
Ученые из Сассекского центра квантовых технологий и Universal Quantum подсчитали количество физических кубитов, необходимых для взлома 256-битного ключа шифрования сети Bitcoin с помощью эллиптической кривой.
Расчеты показали, что для взлома шифра за один час с помощью поверхностного кода потребуется 317 × 106 физических кубитов. Чтобы взломать шифр за один день, потребуется 13 × 106 физических кубитов. Для сравнения, самый большой в мире квантовый компьютер IBM в настоящее время имеет 127 кубитов.
Так что у нас еще есть время до появления квантовых хакеров.
OSINT — курс домашнего образования для чайников Зачем и кому нужна работа с открытыми данными?
OSINT (Open Source INTelligence) — разведка из открытых источников. Что это такое, кто его использует, зачем он нужен и чем он может быть полезен?
В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «биты». Это элемент, который может принимать значение 0 или 1. Конечно, именно так она и реализуется:
Принципы работы квантового компьютера для чайников
Поскольку мы говорим о квантовой физике, давайте немного поговорим о ней. Я не собираюсь углубляться в это, ребята. Я «болван», а не квантовый физик. Около ста лет назад Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности. Все светлые умы того времени удивлялись тому, сколько парадоксальных и невероятных вещей она содержит. Так что все парадоксы Эйнштейна, описывающие законы нашего мира, — всего лишь невинный бред пятилетнего ребенка по сравнению с тем, что происходит на уровне атомов и молекул.
Сами «квантовые физики» описывают явления, происходящие на уровне электронов и молекул, примерно так: «Это невероятно. Этого не может быть. Но это так. Не спрашивайте нас, как все это работает. Мы не знаем, как и почему. Мы просто наблюдаем. Но это работает. Это было доказано экспериментально. Вот формулы, зависимости и экспериментальные протоколы».
Так в чем же разница между обычным компьютером и квантовым компьютером? В конце концов, даже обычный компьютер работает на электричестве, а электричество — это множество очень маленьких частиц — электронов?
Наши компьютеры работают по принципу «да или нет». Если в линии течет ток, то это да или единица. Если в линии не течет ток, она является «нулевой». Вариация значений «1» и «0» — это единица хранения информации, называемая «бит»….. Один байт равен 8 битам и так далее и тому подобное….
Теперь представьте, что ваш процессор имеет 800 миллионов таких «проводов», в которых каждую секунду появляется и исчезает «ноль» или «единица». И вы можете мысленно представить, как он обрабатывает информацию. Вы читаете текст, но на самом деле это набор нулей и единиц.
Ваш компьютер обрабатывает ваши запросы, а Яндекс ищет, пока не решит проблему и не найдет то, что вам нужно. Он отображает шрифты и изображения на экране в формате, который мы можем прочитать…. Надеюсь, пока ничего сложного? И фотография также состоит из нулей и единиц.
Теперь представьте себе на мгновение модель нашей Солнечной системы, друзья мои. Земля находится в центре Солнца и вращается вокруг него. Мы знаем, что он всегда находится в определенной точке пространства в определенное время и что через секунду он будет в тридцати километрах от нас.
Таким образом, модель атома также является планетарной моделью, где атом также вращается вокруг ядра. Но я предсказываю, друзья мои, что атом, в отличие от Земли, находится везде сразу и всегда во всех местах….. везде и нигде одновременно. И они назвали это удивительное явление «суперпозицией». Чтобы познакомиться с другими явлениями квантовой физики, рекомендую посмотреть научно-популярный фильм, который рассказывает о сложных вещах простым языком и в довольно оригинальной форме.
Давайте продолжим. И таким образом «наш» бит заменяется квантовым битом. Его также называют «кубит». У него есть только два начальных состояния «ноль» и «один». Но поскольку это «квантовый продукт», он ВСЕГДА может принимать все возможные промежуточные значения. И быть в них одновременно. Теперь вам больше не нужно вычислять последовательно и долго искать в базе данных. Они известны сразу и заранее. Вычисления выполняются параллельно.
Квантовый компьютер в России — миф или реальность?
А как насчет нас? Мы не появились из ниоткуда. Вот фотография первого русского кубита под микроскопом. Есть только один.
Это также похоже на своего рода «петлю», в которой происходит что-то, о чем мы еще не знаем. Приятно думать, когда наши люди, поддерживаемые государством, развивают свою собственную жизнь. Так что внутренние разработки больше не являются мифом. Это наше будущее. Мы увидим, что произойдет.
Последние новости о квантовом компьютере России мощностью 51 кубит
Вот новости этого лета. Наши преподаватели разработали самый мощный (!) квантовый компьютер в мире с 51 кубитом (!). Самое интересное, что ранее Google уже анонсировал 49-кубитный компьютер. И по их оценкам, они должны быть готовы примерно через месяц. И наши ребята решили продемонстрировать уже готовый 51-квибитный квантовый процессор….. Браво! Это гонка, в которой мы участвуем. По крайней мере, мы должны идти в ногу со временем. Потому что ожидается крупный научный прорыв, когда эти системы будут готовы к использованию. Вот фотография человека, который представлял нашу разработку на Международном квантовом форуме.
Фамилия ученого — Михаил Лукин. Его имя сегодня в центре внимания. Мы знаем, что создать такой проект в одиночку невозможно. Он и его команда создали самый мощный(!) квантовый компьютер или процессор в мире на сегодняшний день. Вот что говорят по этому поводу ответственные лица:
Работающий квантовый компьютер гораздо страшнее ядерной бомбы», — говорит соучредитель Российского квантового центра Сергей Белоусов, создавший систему с наибольшим количеством кубитов. На всякий случай. На данный момент это, вероятно, более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо еще. И он намеренно сделал 51 кубит вместо 49. Потому что Google постоянно говорил, что собирается сделать 49″.
Однако сам Лукин и глава квантовой лаборатории Google Джон Мартинес не считают себя конкурентами или соперниками. Ученые убеждены, что природа является их главным конкурентом, и что их главная цель — разработать технологию и использовать ее, чтобы вывести человечество на новый уровень развития.
«Ошибочно думать, что это битва», — говорит Джон Мартинес, и совершенно справедливо: «Настоящая битва — с природой. Потому что построить квантовый компьютер очень сложно. И это восхитительно, что кому-то удалось создать систему с таким количеством кубитов. На сегодняшний день нам удалось достичь максимума в 22 кубита. Даже несмотря на то, что мы использовали всю нашу магию и профессионализм».
Да, все это очень интересно. Подумайте об аналогии: когда был изобретен транзистор, никто не мог знать, что через 70 лет компьютеры будут использовать эту технологию. Только в современном процессоре их насчитывается до 700 миллионов….. Первый компьютер весил много тонн и занимал много места. Но персональные компьютеры появились гораздо позже…
Я не думаю, что в ближайшее время стоит ожидать появления устройств этой категории в наших магазинах. Многие люди ждут их. Майнеры криптовалют, в частности, с этим не согласны. Ученые с надеждой изучают их, а военные — с большим вниманием. Как мы понимаем, возможности такого развития событий не совсем ясны.
Ясно лишь то, что после введения его в действие он сметет всю наукоемкую промышленность. Постепенно появятся новые технологии, новые отрасли и новое программное обеспечение. Время покажет.
Только не разочаровывайте людей в их собственном квантовом компьютере, который дан нам от рождения — это наша голова. Так что пока не выбрасывайте свои устройства в мусор. Они будут служить вам долгое время. Напишите нам, если статья показалась вам интересной. Заглядывайте почаще. До свидания!
Квантовый компьютер во много раз быстрее и мощнее обычного компьютера, но он не подходит для решения большинства повседневных задач, поскольку работает по совершенно другому принципу.
Применение квантовых компьютеров
Специфика применения
Может показаться, что квантовый компьютер — это своего рода аналоговый компьютер. Но это не так: по сути, это цифровое устройство, но аналоговое.
Основные проблемы, связанные с созданием и использованием квантовых компьютеров, следующие
- Должна быть гарантирована высокая степень точности измерений,
- Внешние воздействия могут разрушить или исказить квантовую систему.
Приложения к криптографии
Квантовые компьютеры могут расшифровывать сообщения, зашифрованные с помощью популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA, благодаря удивительной скорости разложения на простые множители. Пока что этот алгоритм считается относительно безопасным, так как в настоящее время не существует эффективного способа разложения чисел на простые множители для классического компьютера. Например, чтобы получить доступ к кредитной карте, число с сотнями цифр необходимо разложить на два простых фактора. Даже для самых быстрых современных компьютеров эта задача займет в сотни раз больше времени, чем возраст Вселенной. С алгоритмом Шора задача станет возможной, когда будет построен квантовый компьютер.
Применение идей квантовой механики уже открыло новую эру в области криптографии, поскольку методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений 7. В настоящее время разрабатываются прототипы таких систем 8 .
Физические реализации квантовых компьютеров
Создание квантового компьютера как реального физического устройства является фундаментальной задачей физики 21 века. Пока построены только ограниченные версии (до 10 кубитов). Вопрос о том, насколько масштабируемо такое устройство, является предметом интенсивно развивающейся новой области — многочастичной квантовой механики. Центральным в этом вопросе является все еще остающийся без ответа вопрос о природе распада (точнее, коллапса волновой функции). Различные статьи об этом процессе можно найти в 9 10 11 .
История
В начале 21 века многие научные лаборатории разработали одноквантовые квантовые процессоры (по сути, управляемые двухуровневые системы, которые могут быть расширены до многих кубитов). Очень скоро жидкий ЯМР квантовый компьютер (до 7 кубитов, IBM, И. Чанг) источник неопределенности 578 дней. В 2005 году группа Y. Пашкин (NEC, Япония) построил двухквантовый квантовый процессор на сверхпроводящих элементах неопределенного источника 578 дней. Примерно в это время в ловушках Павла было сделано до двенадцати локтей в ионах (Д. Винланд, П. Цоллер, Р. Блатт) Источник не определен 578 дней.
- В России разработкой физического применения квантового компьютера занимается ряд исследовательских групп, ядром которых является школа, возглавляемая академиком К.А. Валиев.
Ключевые технологии для квантовых вычислений:
- Твердотельные квантовые точки в полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (наличие или отсутствие электрона в конкретной точке), либо направление электронного спина и/или ядерного спина в конкретной квантовой точке. Управление с помощью внешних потенциалов или лазерных импульсов. Элементы (джозефсоновские переходы, соломинки и т.д.). Наличие или отсутствие куперовской пары в данной пространственной области используется в качестве логических кубитов. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
- Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). Основное/возбужденное состояние внешнего электрона в ионе используется в качестве логического квита. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на отдельные ионы + колебательные режимы набора ионов.
- Смешанные техники: Использование подготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными величинами или в качестве управления классическими компьютерными сетями.
- В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий США удалось собрать программируемый квантовый компьютер из двух кубитов 12 .
- В феврале 2012 года компания IBM сообщила о значительном прогрессе в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов, что, по словам компании, позволит ей начать работу над квантовым компьютером13 .
- В апреле 2012 года группе исследователей из Университета Южной Калифорнии, Делфтского технологического университета, Университета штата Айова и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на легированном кристалле алмаза. Компьютер работает при комнатной температуре и теоретически масштабируется. В качестве двух логических кубитов использовались направления спинов электрона и ядра азота соответственно. Для защиты от эффекта декогеренции была разработана комплексная система для генерации импульса микроволнового излучения определенной длительности и формы. На этом компьютере алгоритм Гровера был применен в четырех испытаниях, так что правильный ответ находился в 95% случаев с первой попытки1415 .
Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках
Один кубит можно представить в виде электрона в двух ямном потенциале, так что — в правой. Это называется кубит на зарядовых состояниях. Общий вид квантового состояния такого электрона: ; она задается уравнением Шредингера вида \Psi=H\Psi» width=»» height=»» /> где гамильтониан &a\ &-a\\ &-a\ &a\end\right)» width=»» height=»» /> для некоторой константы >(|0\rangle+|1\rangle )» width=»» height=»» /> есть собственный вектор этого гамильтониана с собственным значением 0 (так называемое основное состояние), а >(|0\rangle-|1\rangle )» width=»» height=»» /> — То есть, ворота NOT просто задаются физической квантовой эволюцией нашего кубита, при условии, что внешний потенциал определяет двухбоксовую структуру; это достигается с помощью технологии квантовых точек.
Для реализации CNOT необходимо разместить два кубита (т.е. две пары ям) перпендикулярно друг другу и поместить в каждый из них отдельный электрон. Тогда константа для первой (управляемой) пары кубитов зависит от состояния электрона во второй (управляемой) паре кубитов: Если он находится ближе к первому кубиту, то он больше, если дальше, то меньше. Таким образом, состояние электрона во второй паре определяет время НЕ в первой яме, что, в свою очередь, позволяет нам выбрать правильный период времени для генерации функции CNOT.
Эта схема является очень приблизительной и идеализированной; реалистичные схемы более сложны, и их реализация является вызовом для экспериментальной физики.
Заявления D-Wave
В феврале 2007 года канадская компания D-Wave заявила, что построила прототип квантового компьютера, состоящего из 16 кубитов (устройство называлось Orion 16 17). Информация об этом устройстве не соответствовала требованиям, предъявляемым к достоверному научному отчету, поэтому новость не была принята с научной точки зрения. Дальнейшие планы компании по созданию в ближайшем будущем 1024-кубитного компьютера также были скептически встречены научным сообществом18 .
В ноябре 2007 года эта же компания, D-Wave, представила прототип компьютера (под названием Leda) размером 28 кубических дюймов в режиме онлайн на конференции по суперкомпьютерам19. Эта демонстрация также вызвала скептическое отношение.
В январе 2008 года компания привлекла 17 миллионов долларов от международных инвесторов для поддержки разработки продукции, операционной деятельности и развития бизнеса. 20
В декабре 2008 года компания запустила проект AQUA@home (A diabatic QU antum A lgorithms),21 в рамках которого тестируются алгоритмы для оптимизации вычислений на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах с D-волнами.
8 декабря 2009 года ученый компании Google Хартмут Невен представил программное обеспечение для распознавания образов на компьютере D-Wave на конференции NIPS. 22
Более подробную информацию о компании D-Wave Systems Inc, ее исследованиях и последних результатах можно найти в блоге соучредителя Джорди Роуза. 23
11 мая 2011 года был представлен компьютер D-Wave One, в основе которого лежит 128-кубитный процессор. 24
По состоянию на 20 мая 2011 года компания D-Wave Systems продает D-Wave One, квантовый компьютер со 128-кубиковым чипсетом, выполняющий единственную задачу — дискретную оптимизацию — за 11 миллионов долларов. 25 Компьютер находится в кампусе Института компьютерных наук Университета Южной Калифорнии в Марина-дель-Рей. Рабочая температура составляет 20 мкС, а компьютер тщательно экранирован от внешних электрических и магнитных полей. 26 27
