Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Эта машина способна проводить очень сложные и длительные вычисления за счет встроенной в кубиты системы коррекции ошибок. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха. Кубит, минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации.
В погоне за миллионом кубитов
Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Рассказываем, как появился первый квантовый компьютер, сколько кубитов в современных процессорах и какие задачи они могут решать. Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза.
Что такое кубит?
Здесь, в частности, и возникает сложность в реализации полноценного квантового компьютера. Дело в том, что сами по себе кубиты очень чувствительны к окружающей среде и воздействию шумов. Кроме того, чем больше кубитов, тем более «хрупким» становится их запутанное состояние. Даже малейшие возмущения могут привести к ошибкам в квантовых вычислениях, искажению данных. И хотя физически кубит может быть реализован разными способами кубиты создают с использованием специально выращенных сверхпроводниковых структур, ультрахолодных атомов и ультрахолодных ионов, с помощью оптических систем и так далее , единого ответа о наиболее перспективной реализации у исследователей пока нет — сегодня эксперименты по созданию квантовых вычислителей ведутся на основе разных технологий. И этот список регулярно обновляется.
Это означает, что при измерении системы она имеет равные шансы перейти в одно из четырёх детерминированных 2-кубитных состояний. Запутанность — ещё одно часто встречающееся умное слово, которое сбивает с толку. Скажем, при двух запутанных кубитах A и B в любой суперпозиции, когда Боб измеряет кубит A в состоянии 1, он мгновенно без измерения узнаёт состояние кубита B — тоже 1. Если Боб измерит кубит B, он убедится в этом.
Что ещё более замечательно, это явление работает даже если A и B находятся на расстоянии триллионов световых лет друг от друга, так как расстояние не является коэффициентом запутанности. На первый взгляд запутанность выглядит как колдовство, но она реальна и не настолько сложна, если смотреть на её систему кубитов. Если 2-кубитная система с кубитами A и B находится в запутанном состоянии, кубиты могут находиться наполовину в состоянии 00, наполовину в 11. Таким образом, независимо от измерений системы два кубита останутся теми же самыми. Запутанная система может быть так же наполовину в 01, наполовину в 10, где два состояния всегда противоположны друг другу. Состояние 00 или 11 — два кубита останутся теми же Альберт Эйнштейн и другие физики считали запутанность ошибкой, потому что она противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, в которой говорится, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если у Алисы есть кубит A, а у Боба есть кубит B оба кубита находятся в запутанности , и Боб улетит за миллиарды световых лет от Алисы, измерение её кубита покажет то же, что и измерение кубита Боба — любые изменения в кубите Алисы с применением квантового вентиля повлияют на состояние кубита Боба. Формирует ли это общение? Никто не знает наверняка, потому что невозможно найти точное вероятностное состояние кубита, так как измерение кубита вынуждает его перейти в одно из двух детерминированных состояний.
Этот вопрос всё ещё горячо обсуждается. Почему за кубитами будущее? Кубиты экспоненциально быстрее битов в некоторых вычислительных задачах, таких как поиск по базам данных или разложении чисел на множители что, как мы выясним ниже, может взломать интернет-шифрование. Важно понимать, что кубиты могут содержать значительно больше информации, чем биты. Один бит содержит такое же количество информации, что и кубит — оба они могут содержать одно значение. Однако четыре бита используются для хранения того же объёма информации, что два кубита. Восемь бит сохраняют информацию, которую можно сохранить в трёх кубитах, так как 3-кубитная система может хранить восемь состояний — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. И так далее. График ниже демонстрирует вычислительную мощность кубитов.
По оси x отображается количество кубитов, используемых для хранения определённого количества информации.
На сегодня она лимитирована двумя факторами. Это значит, что у нас есть только одна частота, и на ней вся мощность.
Чем меньше шумов в лазере, тем выше достоверность. Задача нетривиальная, в мире не так много людей умеют это делать. Это одни из самых точных и чистых спектральных лазеров в мире.
Он изготовлен, идет измерение характеристик и калибровка. После того как мы поставим новый, немного изменим систему привязки к нему лазера. Хотим использовать схему injection locking.
Смысл такой: берем свет, прошедший через резонатор, и заводим его в лазерный диод, и этот лазерный диод начинает генерировать точно такое же излучение, какое прошло через резонатор. Излучение, пройдя через резонатор, становится очень чистым. В итоге мы глубоко улучшаем лазерную систему, которая используется для взаимодействия с ионами.
Нам надо, чтобы они двигались всегда одинаково, а сейчас они двигаются в течение большого промежутка времени — дня например, немного по-разному. С высокой достоверностью — В целом удается повысить достоверность? Мы далеко продвинулись, но последние проценты всегда самые сложные.
Мы также увеличиваем время когерентности нашей системы, модернизируя систему компенсации магнитного поля вблизи иона. Добиваемся, чтобы магнитное поле было одинаковым и стабильным. Раньше мы для этого использовали катушки и прецизионные источники тока, сейчас переходим на постоянные магниты.
Это тоже должно расширить спектр задач, которые мы сможем решать на нашем компьютере. Таким образом, мы модернизируем почти все компоненты компьютера и параллельно в соседней комнате собираем еще один. Обращаются с запросом много научных групп, но, к сожалению, большинству мы вынуждены отказывать, потому что стоим перед выбором: либо предоставить им компьютер, либо модернизировать его.
И чаще выбираем модернизацию. Хотя бы примерно.
Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось. Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!
Квантовый компьютер внутри Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество. И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать. И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия!
А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки. Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной! Принцип работы квантового компьютера Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера: Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами. Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно! Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один!
Реально «Мстители» какие-то! Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный? Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам. Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые?
Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть!
Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски
В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255. За последние двадцать лет количество кубитов в квантовых процессорах увеличилось с одного-двух до сотни (в зависимости от технологической платформы). Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит.
Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
В этих группах низкочастотные флюксониевые кубиты использовались для хранения квантовых состояний кубитов , а высокочастотные — для логических операций гейтов. Со временем было показано, что флюксониевые кубиты способны примерно на порядок дольше удерживать кубиты в когерентном состоянии, что давало время на выполнение логических операций с более низкой вероятностью возникновения ошибок, чем в случае трансмониевых кубитов. Так, одна из работ лета этого года показала, что время жизни флюксониевого кубита достигло 1,43 мс. До недавнего времени специалисты мало работали с флюксонием, но такие его выдающиеся качества игнорировать нельзя — это может стать кратчайшим путём к производительным и масштабируемым универсальным квантовым компьютерам. Отказоустойчивая квантовая архитектура, в которой трансмониевый кубит связывает два флюксониевых кубита. Источник изображения: American Physical Society В новой работе исследователи из MIT показали, как можно повысить надёжность работы помехоустойчивость флюксониевых кубитов. Дело в том, что сильная связь, образующаяся между флюксониевыми кубитами в цепочке, кроме полезных свойств также вела к увеличению влияния ошибок.
Поэтому учёные фактически разбавили флюксониевые кубиты трансмониевыми, врезав трансмониевый элемент между двумя флюксониевыми. Источник изображения: huawei. Китайская разведывательная база на Кубе действует как минимум с 2019 года, заявил близкий к американским властям источник WSJ — Пекин и Гавана совместно управляли четырьмя станциями прослушивания на острове, а сейчас ведут переговоры о создании совместного военного учебного центра на северном побережье Кубы. Примечательно, что комментарии по поводу инцидента отказались дать не только американские посольства Китая и Кубы, но также офис Директора Национальной разведки США и администрация президента США. В Huwaei в очередной раз подчеркнули, что не имеют отношения к китайской разведке. А вот официальный представитель Пентагона Джон Кирби John Kirby накануне заявил, что ведомство было осведомлено об этой программе, и за работающими на Кубе сотрудниками китайских компаний действительно велась слежка.
При этом никаких фактов, подтверждающих связь Huawei и ZTE с деятельностью китайской разведки, американская сторона так и не предоставила. Используя Tunnel Falls, учёные могут сразу же приступить к экспериментам и расчётам, вместо того чтобы пытаться изготовить свои собственные устройства. В результате становится возможным более широкий спектр исследований, включая изучение основ кубитов и квантовых точек и разработка новых методов работы с устройствами с несколькими кубитами. Источник изображений: Intel «Tunnel Falls — это самый совершенный на сегодняшний день чип Intel с кремниевыми спиновыми кубитами, созданный на основе многолетнего опыта компании в разработке и производстве транзисторов. Это следующий шаг в долгосрочной стратегии Intel по созданию полнофункциональной коммерческой системы квантовых вычислений. Несмотря на то, что на пути к устойчивому к ошибками квантовому компьютеру необходимо решить фундаментальные вопросы и задачи, академическое сообщество теперь может изучить эту технологию и ускорить развитие исследований», — сообщил Джим Кларк Jim Clarke , директор Quantum Hardware, Intel.
Tunnel Falls производится на 300-мм пластинах на фабрике Intel D1. Каждое кубитное устройство, по сути, представляет собой электронный транзистор, что позволяет изготавливать его по технологии, аналогичной стандартной линии на основе комплементарных оксидов металлов и полупроводников CMOS. Эти чипы могут образовывать конфигурации от 4 до 12 кубитов, которые можно изолировать или использовать в операциях одновременно, в зависимости от потребностей исследователей. Intel считает, что кремниевые спиновые кубиты превосходят другие технологии кубитов из-за их синергии с передовыми транзисторами. Следует отметить усилия Intel, направленные на дальнейшие исследования аппаратного обеспечения — похоже, что компания не готова остановиться на одном решении. Ведь, как и большинство кубитов, спиновые кубиты на основе полупроводников могут быть реализованы разными способами.
Базовая технология позволяет обнаруживать отдельные электроны в изолированных ямах и управлять их спинами, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии. По его словам, Intel изучает множество параметров, таких как разные размеры квантовых точек, разная геометрия, разная длина кубитов. Intel также встраивает в свой чип средства тестирования для определения производительности. Intel объявила о сотрудничестве с лабораторией физических наук LPS университета Мэриленда, Qubit Collaboratory LQC в Колледж-Парке, национальным исследовательским центром квантовых информационных наук QIS , Sandia National Laboratories, университетом Рочестера и университетом Висконсин-Мэдисон для продвижения исследований в области квантовых вычислений. Компания планирует предоставить доступ для разработчиков и исследователей к своему набору инструментов Intel Quantum Software Development Kit SDK версии 1. Это своего рода дезагрегированный подход.
На данный момент мы сосредоточены как на программном, так и на аппаратном обеспечении, и в дальнейшем мы объединим их. Предстоит проделать огромный объем работы, чтобы охарактеризовать эти устройства, а затем написать много научных работ», — добавил Кларк.
Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. По словам ученых, простота платформы кубитов также должна обеспечивать простое и недорогое производство. Перспективы квантовых вычислений заключаются в способности этой технологии следующего поколения решать определенные задачи намного быстрее, чем их могут решить классические компьютеры. Исследователи стремятся объединить длительное время когерентности со способностью нескольких кубитов связываться друг с другом, известной как запутанность. Таким образом, квантовые компьютеры могли бы найти ответы на проблемы, на решение которых у классического компьютера ушли бы многие годы.
Рассмотрим задачу, в которой исследователи хотят найти самую низкую энергетическую конфигурацию белка, состоящего из многих аминокислот. Эти аминокислоты могут складываться триллионами способов, на расчет которых не способен ни один классический компьютер. С помощью квантовых вычислений можно использовать запутанные кубиты для создания суперпозиции всех конфигураций складывания, что дает возможность одновременно проверять все возможные ответы и более эффективно решать проблему.
Квантовый регистр - цепочка квантовых битов. Одно- или двухкубитовые квантовые вентили осуществляют логические операции над кубитами.
Не рискну настаивать, что знаю правильный ответ, но мне точно известен один неверный: это не какая-либо из версий Microsoft Windows. Дело в том, что алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах - от смарткарт до сотовых телефонов. В частности, имеется он и в Microsoft Windows, а значит, распространен заведомо шире этой популярной операционной системы. Чтобы обнаружить следы RSA, к примеру, в браузере Internet Explorer программе для просмотра www-страниц в сети Интернет , достаточно открыть меню "Справка" Help , войти в подменю "О программе" About Internet Explorer и просмотреть список используемых продуктов других фирм. Вообще, трудно найти известную фирму, работающую в области высоких технологий, которая не купила бы лицензию на эту программу.
Почему же алгоритм RSA оказался так важен? Представьте, что вам необходимо быстро обменяться сообщением с человеком, находящимся далеко. Благодаря развитию Интернета такой обмен стал доступен сегодня большинству людей - надо только иметь компьютер с модемом или сетевой картой. Естественно, что, обмениваясь информацией по сети, вы бы хотели сохранить свои сообщения в тайне от посторонних. Однако полностью защитить протяженную линию связи от прослушивания невозможно.
Значит, при посылке сообщений их необходимо зашифровать, а при получении - расшифровать. Но как вам и вашему собеседнику договориться о том, каким ключом вы будете пользоваться? Если послать ключ к шифру по той же линии, то подслушивающий злоумышленник легко его перехватит. Можно, конечно, передать ключ по какой-нибудь другой линии связи, например отправить его телеграммой. Но такой метод обычно неудобен и к тому же не всегда надежен: другую линию тоже могут прослушивать.
Хорошо, если вы и ваш адресат заранее знали, что будете обмениваться шифровками, и потому заблаго-временно передали друг другу ключи. А как быть, например, если вы хотите послать конфиденциальное коммерческое предложение возможному деловому партнеру или купить по кредитной карточке понравившийся товар в новом Интернет-магазине? В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использую щие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый не требующий хранения в тайне и закрытый строго секретный. Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый - для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание.
Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, - это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ он изначально хранится у вас , легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе. Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом.
Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K так называемая задача факторизации - практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K. Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного 512-битного числа.
Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 1025! Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях. И все было хорошо до тех самых пор...
Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации и многие другие! Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов! Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И.
Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов транзисторов, а затем и интегральных схем , а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств. В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют.
В то время никто еще не задумывался всерьез о реализации этой идеи на практике. Даже в теории она казалась весьма непростой. Квантовая механика, в отличие от классической, которую все мы изучали в школе, описывает явления не на уровне тел, а на уровне атомов, электронов, фотонов и прочих элементарных частиц. И квантовые эффекты, которые предполагалось использовать, создавая первый квантовый компьютер, проявляются в микроскопических масштабах. Переместиться на микроуровень в поисках новых возможностей ученых заставили физические основы, на которых базируется традиционная вычислительная техника. Схема ее работы основана на транзисторах, в каждом современном компьютере их миллионы или даже миллиарды. Каждый из них может в определенный момент времени находиться в «открытом» или «закрытом» состоянии — как электрический переключатель. Эти два состояния и представляют собой те самые нули и единицы, с помощью которых человек общается с компьютером и наоборот. По мере развития технологий производители размещают на процессорах компьютеров все большее и большее количество транзисторов. Это увеличивает скорость работы и вычислительные возможности техники. Но всему есть физический предел, и мы вплотную к нему приблизились. Если раньше вычислительная мощность производимых процессоров удваивалась примерно каждые два года, то сегодня этот темп падает на глазах. В то же время потребности человечества в вычислениях постоянно растут, опережая развитие электроники. Но вернемся к Ричарду Фейнману и его теории. Основное отличие квантового компьютера от обычного заключается в представлении информации в его процессоре. Единица информации в обычном компьютере — бит, представляющий собой ноль или единицу. Третьего не дано. Единица хранения информации для квантового компьютера — квантовый бит, или, сокращенно, кубит. Это квантовый объект — вещь, которую гораздо проще описать, чем представить. Что такое кубиты для квантовых компьютеров Итак, если бит — это одна из двух условных точек 1 или 0 , то кубит можно представить себе в виде сферы с полюсами в этих же точках — 1 и 0. Кубит также может принимать значение 1 или 0. Но кроме них он может находиться в состоянии суперпозиции, то есть иметь любое из возможных значений, лежащих на поверхности сферы. И все это — одновременно. Но что именно расположено на поверхности сферы? Может быть, кубит имеет переменное плавающее значение? В некотором смысле это так, но трудность в том, что невозможно узнать это значение для конкретного момента времени, как это делается для обычных переменных. Если выразиться максимально простым языком, кубит похож на магический шар.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. При успешной реализации планов, квантовый компьютер на базе 12 сверхпроводящих кубитов станет крупнейшим достижением российских ученых в этом направлении. С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики, учёные МГУ и Российский квантовый центр разработали новый метод для управления квантовыми объектами – кубитами. Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Особенно на фоне последних новостей из IBM об открытии квантового вычислительного центра IBM Quantum Computing Center в Нью-Йорке на базе пяти 20-кубитных и одной 53-кубитной системы. «Пять тысяч кубитов» звучат гораздо ярче, чем сообщение о недавнем эпохальном.
Квантовые компьютеры: как они работают — и как изменят наш мир
Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. аж 1,8 миллисекунды. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается.