Кубитный квантовый компьютер: IBM откроет доступ к мощнейшему квантовому компьютеру для всех желающих

19.09.2019, Чт, 15:49, Мск , Текст: Валерия Шмырова

В Центре квантовых вычислений IBM начнет работу 53-кубитный облачный квантовый компьютер, став самой крупной квантовой системой в коммерческом доступе. Всего в центре будет работать 14 облачных квантовых систем, включая пять 20-кубитных.

Квантовый компьютер онлайн

IBM намерена сделать свой 53-кубитный квантовый компьютер доступным для широкого использования онлайн. Об этом компания сообщила на своем сайте. Это будет самая большая универсальная квантовая система, доступная за пределами лабораторных условий, пишет издание Techspot. Запуск состоится уже в октябре 2019 г.

Компьютер станет частью Центра квантовых вычислений, который компания открывает в американском штате Нью-Йорк. В общей сложности там будут работать 14 квантовых компьютеров, в том числе пять 20-кубитных, один 14-кубитный и четыре 5-кубитных.

Мощности центра рассчитаны на обслуживание более 150 тыс. пользователей, а также около 80 институтов, исследовательских лабораторий и коммерческих клиентов вроде J.P. Morgan Chase, Mitsubishi Chemical и Mizuho Financial Group.

Напомним, модель квантовой системы, состоящей из 53 кубитов, впервые была создана в конце 2017 г. учеными из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST) США. Построенные до этого квантовые симуляторы ограничивались 20 кубитами.

Облачные квантовые компьютеры IBM

В марте 2017 г. IBM запустила проект по созданию первого в мире коммерческого квантового компьютера IBM Q. Компьютер сделали облачным — доступ к нему возможен через IBM Cloud. Инициатива развивается на базе облачной вычислительной платформы IBM Quantum Experience, запущенной в мае 2016 г. в городе Йорктаун Хайтс в США.

IBM откроет облачный доступ к 53-кубитному квантовому компьютеру

В конце 2017 г. компания сообщила, что сделает доступной в облаке 20-кубитную систему. В рамках программы под названием Q Network к ней получили доступ 20 клиентов, в том числе банки JPMorgan Chase & Co. и Barclays, автопроизводители Daimler и Honda Motor, производитель техники Samsung Electronics, химические компании JSR и Nagase, производитель специализированных сплавов Hitachi Metals и др.

За все время существования проекта IBM Q облачные квантовые компьютеры компании были использованы для проведения более чем 14 млн экспериментов, по результатам которых было опубликовано свыше 200 научных работ.

Другие квантовые проекты

В начале 2019 г. компания показала первый «персональный» квантовый компьютер — прототип квантового 20-кубитного компьютера в компактном корпусе. Новинка получила название Q System One. До этого квантовые системы, как правило, занимали собой целые комнаты.

Анонсированная на международной выставке потребительской электроники CES 2019 система представляет собой 20-кубитное вычислительное устройство четвертого поколения, заключенное в герметичный корпус в форме куба с длиной ребра 2,75 м, который выполнен из боросиликатного стекла толщиной 1,27 см. Помимо квантового процессора в корпусе Q System One располагаются различные управляющие модули, а также система охлаждения.

В ноябре 2017 г. IBM сообщила о создании рабочего прототипа 50-кубитного квантового процессора. Это был большой шаг вперед по сравнению с предыдущим достижением компании — 17-кубитным квантовым компьютером, представленным в мае того же года.

Вот так выглядит 50-кубитный квантовый компьютер IBM

Недавно нам выпала возможность послушать как звучат кубиты в ролике о работе квантового компьютера IBM. Теперь же благодаря серии качественных фотографий можно в деталях рассмотреть 50-кубитный квантовый компьютер голубого гиганта.

Издалека он выглядит как стимпанковая люстра, но на самом деле эта «люстра» – один из самых сложных квантовых компьютеров из когда-либо созданных.

Напомним, о создании прототипа 50-кубитного квантового компьютера IBM сообщила в начале ноября 2017 года. Он расположен в лаборатории IBM Q и заключен в большой цилиндрический корпус белого цвета, к которому подведены насосы системы охлаждения и ряд традиционных ПК для выполнения различных задач и алгоритмов. Отметим, что квантовые компьютеры отличаются от классических тем, что оперируют не битами, а кубитами, которые могут одновременно находиться в нескольких состояниях (явление суперпозиции).

На выставку CES 2018 компания IBM привезла «внутренности» квантового ПК – соединения и трубчатые лампы, посредством которых сигналы поступают на обработку в квантовый «мозг» машины. Вся эта демонстрация была организована с одной целью – объяснить журналистам и посетителям выставки, как все работает.

В интервью Engadget вице-президент IBM Research Джеффри Уэлсер рассказал, что одной из самых больших трудностей при создании было изолирование чипа от нежелательных «помех» (электрических, магнитных и тепловых).

Несоблюдение нужного температурного режима в помещении делает машину полностью бесполезной. Именно здесь в игру вступает система охлаждения с жидким гелием. Система делится на четыре основные части и для каждого уровня характерна своя температура – для самой верхней части она составляет -269,15 °C, для средних – -272,35°C и -273,05°C соответственно, а для самого нижнего – -273,14°C. Внутри резервуара температура близка к абсолютному нулю.

По соединениями радиочастотные сигналы поступают в процессор. Затем они преобразуются в кубиты для выполнения той или иной программы. Провода подведены таким образом, чтобы предотвратить воздействие посторонних шумов, в том числе и тепла, на квантовый процессор. размещенный внизу.

Многие в отрасли предполагали, что 50-кубитный квантовый компьютер позволит продемонстрировать квантовое превосходство – решить задачи, решение которых остается принципиально недоступным для сегодняшних суперкомпьютеров.

«Мир не обычный, он квантовый, поэтому, если вы хотите воспроизвести происходящие в нем процессы, вам нужен квантовый компьютер», – добавил Джеффри Уэлсер.

В сентябре прошлого года в рамках одного из экспериментов ученые IBM смогли воссоздать гидрид бериллия (Beh3) на семикубитном квантовом процессоре. Но скептикам нужно нечто более существенное, что-то более важное для обычного потребителя.

Уэлсер отметил, что где-то между 50 и 100 кубитами преимущества квантовых систем станут более очевидными. Иными словами, до квантового превосходства – рукой подать.

Источник: Engadget

как устроены и над чем работают квантовые компьютеры

В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван «квантовым превосходством», теперь компьютеры смогут делать вычисления на недостижимых для сегодняшних технологий скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технология.

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.

Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.

Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.

В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.

Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.

Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.

Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.

Что означает формулировка «квантовое превосходство»?

Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.

В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.

Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».

Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.

Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.

Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.

В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.

Как будут использоваться новые 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.

Если допустить тот факт, что наличие квантового компьютера через некоторое время станет общественной нормой, в таком случае во всем киберпространестве не будет тайн, так как любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере.

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.

Чем еще он может заниматься?

• Базы данных и поиск по ним.

Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.

• Приложения к криптографии.

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные широко применяемым криптографическим алгоритмом RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Благодаря квантовому алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

• Исследования в области искусственного интеллекта.

Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.

• Молекулярное моделирование.

Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств

А что в России?

Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.

Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.

В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.

В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.

Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.

Читать также:

Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное

Посмотрите на самый большой айсберг, который сняли с воздуха

Китай впервые протестировал «искусственное Солнце»

Росатом планирует создать в ближайшие годы 100-кубитный квантовый компьютер

Госкорпорация «Росатом» и Правительство России подписали соглашения о намерениях по направлениям «Квантовые вычисления» и «Технологии создания новых материалов и веществ». Церемония обмена подписанными документами между кабмином и крупными компаниями прошла в Кремле в присутствии президента РФ Владимира Путина.

Подписи под первым документом поставили вице-премьер Максим Акимов и первый заместитель генерального директора Госкорпорации Иван Каменских. Второе соглашение с представителем Росатома подписал вице-премьер Юрий Борисов.

Путин ранее по итогам совещания о развитии искусственного интеллекта поручил Сбербанку, «Ростеху», «Ростелекому» и РЖД до 30 июня заключить соглашения с государством о намерениях для развития отдельных высокотехнологичных направлений.

Квантовые вычисления

Росатом активно участвует в создании российских технологий квантовых вычислений. В 2016 году Госкорпорация вместе с Фондом перспективных исследований и Минобрнуки подписали трехстороннее соглашение по созданию и поддержке совместных лабораторий, где будут разрабатываться технологии, необходимые для создания российского универсального квантового компьютера.

Такое устройство, использующее в своей работе квантовые эффекты, поможет решать задачи обороноспособности России, а также найдет применение в ключевых отраслях экономики и промышленности. Считается, что квантовые компьютеры будут иметь колоссальные преимущества перед традиционными ЭВМ с точки зрения расчета сложных систем и декодирования сколь угодно сложных шифров. Головной организацией этого проекта «Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов» является предприятие Росатома «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Духова» (Москва).

Цель Росатома — создание в ближайшие годы 100-кубитного квантового компьютера, сообщил генеральный директор госкорпорации Алексей Лихачев в ходе рабочей встречи с премьер-министром РФ Дмитрием Медведевым летом прошлого года. Сверхпроводящий кубит — простейший квантовый объект, необходимый для создания квантового компьютера.

Новые материалы

Росатом также развивает у себя производство перспективных материалов на основе новейших технологий, поскольку с ними во многом связано обновление технической базы атомной отрасли. Одним из направлений деятельности Росатома в этой сфере является производство полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна. Росатом — крупнейший производитель углекомпозитов в России.

Углекомпозиты имеют рекордные показатели по прочности, коррозионной и термической стойкости. Полимерные композиционные материалы применяются в авиакосмической и атомной отраслях, в автомобилестроении, электроэнергетике, строительстве, судостроении, мостостроении, трубопроводном транспорте, товарах народного потребления.

Кроме того, предприятия Росатома производят и ряд стратегически важных металлов. В частности, в последние годы в атомной отрасли было создано первое в России высокотехнологичное производство гафния, тем самым обеспечена независимость отечественной экономики от импорта этого металла, применяемого не только в атомной энергетике, но и военно-промышленном комплексе, металлургии, микроэлектронике.

Штрих-М Казань — В России создан самый мощный квантовый компьютер в мире

В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.

 

———————-<cut>———————-

 

 

 

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».

 

Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.

 

«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».

 

 

Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, — это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит — это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.

 

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, — рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. — Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».

 

 

Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.

 

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, — полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. — Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».

 

==============================================

Если вы не в курсе как работает квантовый компьютер, пара роликов, на уровне детсада:

 

Физики из России и США создали первый 51-кубитный квантовый компьютер

Тезисы публикации

• Компьютер в три раза превосходит работающую на кубитах систему IBM
• Он позволяет выполнять задачи, практически нерешаемые для классических компьютеров
• Кубиты, которые он использует в своей работе, могут быть одновременно в состоянии нуля и единицы

Коллективом исследователей руководил сооснователь Российского квантового центра, профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Разработанный ими квантовый компьютер может моделировать сложные системы из множества частиц. Авторы проверили работу компьютера при помощи эксперимента по вычислению поведения сложной системы, которая состоит из большого числа связанных частиц. Задачу доверили классическому и квантовому компьютеру. Результаты моделирования совпали и позволили предсказать ранее неизвестный эффект, когда при затухании возбуждения в системе могут оставаться и бесконечно удерживаться некоторые типы колебаний. При этом физики отмечают, что задачи, которые способен решать квантовый компьютер, практически нерешаемы для традиционных.

Созданная система в три раза мощнее 17-кубитного компьютера, созданного IBM. Новый компьютер полностью программируемый и работает на холодных атомах, которые удерживают оптические пинцеты.

Видео

Закрыть видео Похожие системы используют в своей работе особые типы битов – кубиты, которые одновременно находятся в состоянии нуля и единицы. При измерении они выдают одно из чисел с известной вероятностью. Такая способность позволяет разрабатывать более продуктивные алгоритмы вычислений. Они помогают быстрее раскладывать числа на простые множители или находить корни булевых уравнений.

Google построил 72-кубитный квантовый компьютер — Блоги — Эхо Москвы, 07.03.2018

2018-03-07T08:15:00+03:00

2018-03-07T08:15:25+03:00

https://echo.msk.ru/blog/nplus1/2160794-echo/

https://echo.msk.ru/files/2898214.jpg

Радиостанция «Эхо Москвы»

https://echo.msk.ru//i/logo.png

N + 1

https://echo.msk.ru/files/2346820.jpg

Компания Google построила квантовый процессор, в котором 72 сверхпроводниковых кубита объединены в двумерный массив. Этот процессор использует ту же технологию, что и предыдущий 9-кубитный квантовый компьютер, построенный компанией и имеющий низкий процент ошибок при вычислениях. Новую разработку компания представила на ежегодной встрече Американского физического сообщества в Лос-Анджелесе, кратко о ней сообщается в блоге компании.

Главное препятствие, мешающее построить квантовый компьютер с большим числом кубитов, — это ошибки, которые неизбежно возникают при вычислениях, считывании и записи информации в кубиты из-за разрушения их квантового состояния. Чем больше кубитов, тем выше вероятность, что кубит станет взаимодействовать со своим «соседом», и тем чаще возникают ошибки. Если говорить более строго, время декогеренции (распада суперпозиции) системы быстро уменьшается при увеличении числа входящих в ее состав компонент.

Тем не менее, ученые уже придумали несколько способов, с помощью которых можно бороться с этой проблемой, и построили квантовые компьютеры, в состав которых входит несколько десятков кубитов. Так, в течение прошлого года сразу несколько групп сообщили о создании квантовых вычислителей, состоящих из 49 (IBM), 51 (группа Михаила Лукина) и 53 (группа Кристофера Монро) кубитов. Более того, с помощью построенных компьютеров ученые открыли новые эффекты, которые нельзя было рассчитать на классических компьютерах. Таким образом, ученые уже практически достигли квантового превосходства.

В то же время, в июне 2016 года группа исследователей из Google под руководством Джона Мартиниса (John Martinis) построила квантовый компьютер, состоящий из девяти сверхпроводниковых кубитов (кубитов на основе джозефсоновского перехода), соединенных в цепочку. Главной особенностью этого компьютера была высокая надежность: при считывании состояний ошибки возникали примерно в одном случае из ста, при работе однокубитного логического вентиля (single-qubit gate) вероятность ошибки составляла примерно 0,1 процента, а для двухкубитного вентиля — менее 0,6 процента. Это позволило ученым предположить, что в будущем систему можно будет легко масштабировать.

Действительно, вчера компания Google сообщила о создании 72-кубитного квантового процессора, построенного по той же схеме, что и его 9-кубитный предшественник. В новом компьютере кубиты соединены не в цепочку, а образуют два квадратных массива 6×6, расположенных друг над другом. Это позволяет отслеживать и исправлять ошибки, возникающие во время вычислений. Пока что компания не раскрывает подробных характеристик построенного устройства, однако утверждает, что оно позволяет достичь квантового превосходства.

Фотография (слева) и схема (справа) нового квантового компьютера

Чтобы подтвердить свое заявление, ученые теоретически оценили, при каких условиях построенную систему нельзя будет смоделировать на классическом компьютере. Согласно с их расчетами, для этого в ее состав должно входить не менее 49 кубитов, «глубина» (circuit depth) должна превышать 40 кубитов, а вероятность ошибки в двухкубитном логическом элементе должна быть не выше 0,5 процента. Для построенного компьютера эти требования выполняются.

В ноябре прошлого года сразу две группы ученых по-разному реализовали алгоритм, позволяющий отслеживать и исправлять ошибки, неизбежно возникающие при квантовых вычислениях, еще раньше о разработке процессора с автоматическим исправлением ошибок сообщала IBM. В декабре физики из Австралии и Нидерландов предложили интегральную схему для квантового компьютера, на которой можно легко разместить несколько тысяч кубитов на основе квантовых точек, а в январе экспериментально изготовили такие кубиты.

Дмитрий Трунин

Оригинал

Читайте также:

Избыток соли назвали одной из причин неалкогольного ожирения печени

Поворот на «магический угол» сделал двухслойный графен сверхпроводящим

Не ешь желтый снег

Что такое кубит?

Qubit

Кубит (или квантовый бит) является квантово-механическим аналогом классического бита. В классических вычислениях информация кодируется в битах, где каждый бит может иметь значение ноль или один. В квантовых вычислениях информация кодируется в кубитах. Кубит — это двухуровневая квантовая система, в которой два базовых состояния кубита обычно записываются как ∣0⟩ \ left \ lvert 0 \ right \ rangle∣0⟩ и ∣1⟩ \ left \ lvert 1 \ right \ rangle∣1⟩ . Кубит может находиться в состоянии ∣0⟩ \ left \ lvert 0 \ right \ rangle∣0⟩, ∣1⟩ \ left \ lvert 1 \ right \ rangle∣1⟩ или (в отличие от классического бита) в линейной комбинации обоих состояния.Название этого явления — суперпозиция. Это видео из QuTech Academy объясняет некоторые основные свойства кубита.

Вычислительные базисные состояния одного кубита

Два ортогональных z-базисных состояния кубита определяются как:

• ∣0⟩ \ vert 0 \ rangle∣0⟩
• ∣1⟩ \ vert 1 \ rangle∣1⟩

Когда мы говорим о базисных состояниях кубита, мы неявно ссылаемся на z-базисные состояния как на вычислительные базисные состояния.

Два ортогональных состояния x-базиса:
∣ +⟩ = ∣0⟩ + ∣1⟩2 \ vert + \ rangle = \ frac {\ vert 0 \ rangle + \ vert 1 \ rangle} {\ sqrt {2} } ∣ +⟩ = 2 ∣0⟩ + ∣1⟩ ∣ −⟩ = ∣0⟩ − ∣1⟩2 \ vert — \ rangle = \ frac {\ vert 0 \ rangle — \ vert 1 \ rangle} {\ sqrt {2}} ∣ −⟩ = 2 ∣0⟩− ∣1⟩

Два ортогональных состояния y-базиса:
∣R⟩ = ∣0⟩ + ı∣1⟩2 \ vert R \ rangle = \ frac {\ vert 0 \ rangle + \ imath \ vert 1 \ rangle} {\ sqrt {2}} ∣R⟩ = 2 ∣0⟩ + ı∣1⟩ ∣L⟩ = ∣0⟩ − ı∣1⟩2 \ vert L \ rangle = \ frac {\ vert 0 \ rangle — \ imath \ vert 1 \ rangle} {\ sqrt {2}} ∣L⟩ = 2 ∣ 0⟩ − ı∣1⟩

Базовые состояния расположены в противоположных точках на сфере Блоха, представляющей состояние отдельного кубита.

Для получения дополнительной информации см. Https://en.wikipedia.org/wiki/Bloch_sphere.

Qubit technologies

Возможно несколько различных физических реализаций кубитов. Ряд примеров — поляризация фотона, два (множественных) дискретных энергетических уровня иона, сверхпроводящий кубит Трансмона, ядерные спиновые состояния атома или спиновые состояния электрона. Quantum Inspire предназначен для управления различными технологиями кубитов. Его модульная конструкция позволяет повторно использовать компоненты, не зависящие от технологии, при замене компонентов (программного и аппаратного обеспечения), зависящих от технологии.

QM находится в повседневном использовании и чрезвычайно успешен в понимании, прогнозировании и вычислении наблюдаемых явлений — Van Kampen

Самая большая проблема в квантовых вычислениях | Наука

ЭНДИ ГИЛМОР

Автор Адриан Чо 9 июля 2020 г., 14:00

В октябре 2019 года исследователи из Google с большой помпой объявили, что их зародышевый квантовый компьютер решил проблему, с которой не справятся лучшие суперкомпьютеры.Некоторые считают, что эта веха, известная как квантовое превосходство, ознаменовала начало эры квантовых вычислений. Однако Грег Куперберг, математик из Калифорнийского университета в Дэвисе, специализирующийся на квантовых вычислениях, не был так впечатлен. Он ожидал, что Google будет стремиться к менее яркой, но, по его словам, гораздо более важной цели.

Независимо от того, рассчитывает ли он ваши налоги или заставляет Марио прыгнуть в каньон, ваш компьютер творит чудеса, манипулируя длинными последовательностями битов, которые могут быть установлены на 0 или 1.В отличие от этого, квантовый компьютер использует квантовые биты или кубиты, которые могут быть как 0, так и 1 одновременно, что эквивалентно тому, что вы сидите одновременно на обоих концах дивана. Такие двусторонние состояния, воплощенные в ионах, фотонах или крошечных сверхпроводящих схемах, придают квантовому компьютеру его мощность. Но они также хрупки, и малейшее взаимодействие с их окружением может исказить их. Таким образом, ученые должны научиться исправлять такие ошибки, и Куперберг ожидал, что Google сделает важный шаг к этой цели. «Я считаю это более подходящим ориентиром», — говорит он.

Если некоторые эксперты сомневаются в значимости эксперимента Google с квантовым превосходством, все подчеркивают важность квантовой коррекции ошибок. «Это действительно разница между квантовым компьютером стоимостью 100 миллионов долларов и 10000 кубитами, который является генератором случайного шума, или самым мощным компьютером в мире», — говорит Чад Ригетти, физик и соучредитель Rigetti Computing. И все согласны с Купербергом в первом шаге: распространении информации, обычно закодированной в одном дрожащем кубите, среди многих из них таким образом, чтобы информация сохранялась, даже когда шум сотрясает лежащие в основе кубиты.«Вы пытаетесь построить корабль, который останется таким же, даже несмотря на то, что каждая доска в нем гниет и требует замены», — объясняет Скотт Ааронсон, ученый-компьютерщик из Техасского университета в Остине.

Первые лидеры квантовых вычислений — Google, Rigetti и IBM — все нацелились на эту цель. «Совершенно очевидно, что это следующая большая веха, — говорит Хартмут Невен, возглавляющий лабораторию квантового искусственного интеллекта Google. Джей Гамбетта, возглавляющий подразделение IBM по квантовым вычислениям, говорит: «В ближайшие пару лет вы увидите ряд результатов, которые мы получим для исправления ошибок.”

Физики начали проверять свои теоретические схемы в небольших экспериментах, но задача огромна. Чтобы продемонстрировать квантовое превосходство, ученым Google пришлось разобраться с 53 кубитами. Чтобы кодировать данные в один кубит с достаточной точностью, им может потребоваться освоить 1000 из них.

Поиски квантовых компьютеров начались в 1994 году, когда Питер Шор, математик из Массачусетского технологического института, показал, что такая машина — тогда гипотетическая — должна быть способна быстро разложить на множители огромные числа.Алгоритм Шора представляет возможные факторизации числа в виде квантовых волн, которые могут одновременно проходить через кубиты компьютера благодаря двусторонним состояниям кубитов. Волны интерферируют, так что неправильные факторизации компенсируют друг друга, а правильная выскакивает. Машина, на которой работает алгоритм Шора, могла бы, среди прочего, взломать системы шифрования, которые теперь защищают интернет-коммуникации, основанные на том факте, что поиск факторов огромного числа подавляет любой обычный компьютер.

Однако Шор предположил, что каждый кубит будет сохранять свое состояние, так что квантовые волны могут распространяться столько, сколько необходимо. Настоящие кубиты гораздо менее стабильны. Google, IBM и Rigetti используют кубиты, состоящие из крошечных резонирующих схем из сверхпроводящего металла, выгравированных в микрочипах, которые до сих пор оказалось легче контролировать и интегрировать в схемы, чем кубиты других типов. Каждая цепь имеет два различных энергетических состояния, которые могут обозначать 0 или 1. Используя микроволны в цепи, исследователи могут перевести ее в любое состояние или любую их комбинацию, скажем, 30% 0 и 70% 1.Но эти промежуточные состояния исчезнут или «декогерируются» за доли секунды. Еще до того, как это произойдет, шум может толкнуть состояние и изменить его, потенциально сорвав расчет.

Отображение кубита

В то время как обычный бит должен быть либо 0, либо 1, кубит может быть в любой комбинации 0 и 1 одновременно. Эти две части сетки состояний описываются абстрактным углом или фазой. Таким образом, состояние кубита похоже на точку на земном шаре, широта которой показывает, насколько кубит равен 0, а какой — 1, а долгота указывает фазу.Шум может толкать кубит двумя основными способами, разнося точку по всему земному шару.

Ошибка переворота битов Меняет местами 0 и 1, переворачивает кубит по широте Кубит состояние Ошибка переворота фазы Смещает состояние кубита на полпути вокруг сферы по долготе Фаза Равное сочетание 1 и 0 Смесь 1 и 0 10

К. Бикель / Наука

Такой шум почти заглушил сигнал эксперимента Google по квантовому превосходству. Исследователи начали с настройки 53 кубитов для кодирования всех возможных выходных данных, которые варьировались от нуля до 2 ⁵³ . Они реализовали набор случайно выбранных взаимодействий между кубитами, которые при повторных испытаниях сделали одни результаты более вероятными, чем другие. По словам исследователей, учитывая сложность взаимодействий, суперкомпьютеру потребуются тысячи лет, чтобы рассчитать структуру выходных данных. Таким образом, измерив его, квантовый компьютер сделал то, с чем не мог сравниться ни один обычный компьютер. Но эту закономерность нельзя было отличить от случайного переворачивания кубитов, вызванного шумом.«Их демонстрация — это 99% шума и только 1% сигнала», — говорит Куперберг.

Чтобы воплотить в жизнь свои мечты, разработчики хотят, чтобы кубиты были такими же надежными, как биты в обычном компьютере. «Вы хотите, чтобы кубит оставался связным до тех пор, пока вы не выключите машину», — говорит Невен.

Подход ученых к распространению информации об одном кубите — «логическом кубите» — среди многих физических кубитов уходит своими корнями в первые дни существования обычных компьютеров в 1950-х годах. Биты ранних компьютеров состояли из электронных ламп или механических реле, которые могли неожиданно переключаться.Чтобы решить эту проблему, знаменитый математик Джон фон Нейман первым открыл область исправления ошибок.

Подход фон Неймана основывался на избыточности. Предположим, компьютер делает по три копии каждого бита. Тогда, даже если один из трех перевернется, большинство битов сохранят правильную настройку. Компьютер может найти и исправить перевернутый бит, сравнивая биты попарно, при так называемой проверке четности. Если первый и третий бит совпадают, но первый и второй, второй и третий различаются, то, скорее всего, второй бит перевернут, и компьютер может перевернуть его обратно.Большая избыточность означает большую способность исправлять ошибки. По иронии судьбы, транзисторы, встроенные в микрочипы, которые современные компьютеры используют для кодирования своих битов, настолько надежны, что коррекция ошибок практически не используется.

Но квантовый компьютер будет зависеть от этого, по крайней мере, если он будет сделан из сверхпроводящих кубитов. (Кубиты, состоящие из отдельных ионов, меньше страдают от шума, но их сложнее интегрировать.) К сожалению для разработчиков, сама квантовая механика значительно усложняет их задачу, лишая их простейшего инструмента исправления ошибок — копирования.В квантовой механике теорема о запрете клонирования гласит, что невозможно скопировать состояние одного кубита на другой без изменения состояния первого. «Это означает, что невозможно напрямую преобразовать наши классические коды коррекции ошибок в коды квантовой коррекции ошибок», — говорит Йошка Роффе, теоретик из Университета Шеффилда.

Простое исправление

В обычном компьютере бит — это переключатель, который может быть установлен на 0 или 1. Чтобы защитить бит, компьютер может его скопировать.Если шум затем переворачивает копию, машина может найти ошибку, выполнив измерения четности: сравнивая пары битов, чтобы увидеть, одинаковые они или разные.

10101010101010101010 Измерения четности Исправление ошибок Шум Перевернутый бит Копирование

К. Бикель / Наука

Хуже того, квантовая механика требует, чтобы исследователи находили ошибки с завязанными глазами. Хотя кубит может иметь состояние, которое одновременно равно 0 и 1, согласно квантовой теории, экспериментаторы не могут измерить это двустороннее состояние, не свернув его ни в 0, ни в 1.Проверка состояния стирает его. «Простейшее [классическое] исправление ошибок — это посмотреть на все биты, чтобы увидеть, что пошло не так, — говорит Куперберг. «Но если это кубиты, вам нужно найти ошибку, не глядя».

Эти препятствия могут показаться непреодолимыми, но квантовая механика указывает на возможное решение. Исследователи не могут скопировать состояние кубита, но они могут распространить его на другие кубиты, используя таинственную квантовую связь, называемую запутанностью.

То, как происходит запутывание, показывает, насколько тонкими являются квантовые вычисления.Наполненный микроволнами, исходный кубит взаимодействует с другим, который должен начинаться в состоянии 0 посредством операции «контролируемое не» (CNOT). CNOT изменит состояние второго кубита, если состояние первого равно 1, и оставит его неизменным, если первый кубит равен 0. Однако маневр фактически не измеряет первый кубит и не разрушает его состояние. Вместо этого он поддерживает двустороннее состояние первого кубита, одновременно изменяя и не меняя второй кубит. Он оставляет два кубита в состоянии, в котором одновременно оба они равны 0 и 1.

Если исходный кубит находится, например, в состоянии 30% 0 и 70% 1, физики могут связать его с другими кубитами, чтобы создать цепочку, скажем, из трех кубитов, которые разделяют запутанное состояние, 30% которого все три равны 0. и 70% все три равны 1. Это состояние отличается от трех копий исходного кубита. Фактически, ни один из трех запутанных кубитов в цепочке не обладает собственным четко определенным квантовым состоянием. Но теперь три кубита полностью коррелированы: если вы измеряете первый кубит, и он схлопывается до 1, то два других также должны немедленно схлопнуться до 1.Если первый обнуляется до 0, остальные тоже должны. Эта корреляция и есть сущность запутанности.

Благодаря этому большему запутанному состоянию ученые теперь могут отслеживать ошибки. Для этого они запутывают еще другие «вспомогательные» кубиты в цепочку из трех, один с первым и вторым кубитами в цепочке, а другой со вторым и третьим. Затем они используют измерения на вспомогательных компонентах, чтобы сделать квантово-механический эквивалент проверок на четность. Например, не нарушая запутанности, шум может перевернуть любой из трех кодирующих кубитов так, чтобы его части 0 и 1 поменяли местами, изменяя скрытые корреляции между всеми тремя.Если исследователи все устроят правильно, они смогут провести «стабилизирующие» измерения на вспомогательных кубитах, чтобы проверить эти корреляции.

Хотя измерение вспомогательных кубитов разрушает их состояния, оно оставляет кодирующие кубиты невозмущенными. «Это специально разработанные измерения четности, которые не уничтожают информацию, закодированную в логическом состоянии», — говорит Роффе. Например, если измерение показывает, что первая вспомогательная функция равна 0, оно показывает только то, что первый и второй кубиты кодирования должны находиться в одном и том же состоянии, но не в том, какое это состояние.Если вспомогательное значение равно 1, то измерение показывает только то, что кодирующие кубиты должны находиться в противоположных состояниях. Если исследователи могут найти перевернутый кубит быстрее, чем кубиты имеют тенденцию расплываться, они могут использовать микроволны, чтобы вернуть его в исходное состояние и восстановить его когерентность.

Исправления Quantum сложнее

Правила квантовой механики делают невозможным отслеживание ошибок путем копирования и измерения кубитов (вверху). Вместо этого физики хотят распространить состояние кубита на другие кубиты посредством «запутанности» (в центре) и отслеживать их, чтобы обнаруживать ошибки; затем верните ошибочный бит в правильное состояние (внизу).

Чем больше — тем лучше Вместо того, чтобы пытаться скопировать состояние кубита, физики могут увеличить его, перепутав кубит с другими, что приведет к единственному состоянию, которое соответствует той же точке на сфере. Потерянная идентичность В запутанном состоянии ни один из трех кубитов не имеет вполне определенное собственное квантовое состояние. 0101EntanglementCopyingНе так быстро! Квантовая механика не позволяет скопировать состояние одного кубита на другие. Исходный кубит010101000111111000101010111000 Шум Вспомогательный кубит, запутанный с первым и вторым кубитами Вспомогательный кубит, запутанный со вторым и третьим кубитами Коррекция Нежные корректирующие меры, теперь, если физик может перевернуть состояние одного кубита, физик может перевернуть его состояние. .Они запутывают пары основных кубитов с другими вспомогательными кубитами, состояние которых можно измерить, и будут равны 0, если корреляция между парой останется прежней, и 1, если корреляция перевернется. Затем микроволны могут развернуть кубит и восстановить начальное запутанное состояние.

К. Бикель / Наука

Это только основная идея. Состояние кубита сложнее, чем просто комбинация 0 и 1.Это также зависит от того, как именно эти две части сцепляются, что, в свою очередь, зависит от абстрактного угла, называемого фазой. Фаза может варьироваться от 0 ° до 360 ° и является ключом к волнообразным интерференционным эффектам, которые придают квантовому компьютеру его мощность. Квантово-механически любую ошибку в состоянии кубита можно представить как некоторую комбинацию ошибки переворота битов, которая меняет местами 0 и 1, и переворота фазы, изменяющего фазу на 180 °.

Чтобы исправить оба типа, исследователи могут буквально перейти в другое измерение.В то время как цепочка из трех запутанных кубитов с двумя вплетенными между ними вспомогательными элементами является наименьшим массивом, который может обнаруживать и исправлять ошибку переворота битов, сетка кубитов размером три на три с восемью перемежающимися вспомогательными элементами является самой простой из них. может обнаруживать и исправлять как ошибки переворота битов, так и ошибки переворота фазы. Логический кубит теперь находится в запутанном состоянии из девяти кубитов — будьте благодарны, что вам не нужно записывать его математически! Измерения стабилизатора по одному измерению сетки проверяют наличие ошибок переворота битов, а измерения стабилизатора по другому измерению проверяют наличие ошибок переворота фазы.

Схемы для двух измерений различаются в зависимости от геометрического расположения кубитов и деталей измерений стабилизатора. Тем не менее, путь исследователей к исправлению ошибок теперь ясен: закодируйте один логический кубит в сетку физических кубитов и покажите, что точность логического кубита улучшается по мере увеличения размера сетки.

Экспериментаторы уже взялись за дело. Например, в исследовании Nature Physics , опубликованном 8 июня, Андреас Валрафф из ETH Zurich и его коллеги продемонстрировали, что они могут обнаруживать, но не исправлять, ошибки в логическом кубите, закодированном в квадрате из четырех кубитов с тремя вспомогательными кубитами.

Но перед экспериментаторами стоит непростая задача. Манипулирование отдельными кубитами может привести к ошибкам, и, если частота ошибок не упадет ниже определенного уровня, связывание большего количества кубитов с исходным только добавляет больше шума в систему, говорит Майка Такита, физик из IBM. «Чтобы продемонстрировать что-либо, вы должны опуститься ниже этого порога», — говорит она. Вспомогательные кубиты и другие механизмы исправления ошибок добавляют еще больше шума, и как только эти эффекты включены, необходимый порог ошибки еще больше падает.Чтобы схема работала, физики должны снизить уровень ошибок до менее 1%. «Когда я узнал, что уровень ошибок составляет 3%, я подумал, что это здорово», — говорит Такита. «Теперь оно должно быть намного ниже».

Исправление ошибок также требует многократного перебора кубитов. Это делает этот процесс более сложным, чем квантовое превосходство, которое предполагает однократное измерение всех кубитов, — говорит Марисса Джустина, физик из Google. Исправление ошибок «требует, чтобы вы измеряли, измеряли и измеряли снова и снова в течение цикла, а это нужно делать быстро и надежно», — говорит она.

Хотя для демонстрации принципа квантовой коррекции ошибок было бы достаточно горстки кубитов, на практике физикам придется контролировать огромное их количество. Чтобы алгоритм Шора работал достаточно хорошо, чтобы разложить на множители, скажем, число в 1000 бит — примерно такой же размер, который используется в некоторых схемах интернет-шифрования, — им необходимо поддерживать логические кубиты с коэффициентом ошибок в 1 миллиард. Исследователи говорят, что для этого может потребоваться запутать сетку из 1000 физических кубитов для защиты одного логического кубита, а для этого потребуются поколения более крупных и лучших чипов квантовых вычислений.

По иронии судьбы, преодоление этой проблемы вернет разработчиков туда, где они были 20 лет назад, когда они только собирались заставить пары физических кубитов взаимодействовать для выполнения различных логических операций или «шлюзов», необходимых для вычислений. Как только ученые начнут овладевать исправлением ошибок, им придется повторять почти все до сих пор разработки в области квантовых вычислений с более надежными, но очень сложными логическими кубитами. «Люди говорят, что исправление ошибок — это следующий шаг в квантовых вычислениях; это следующие 25 шагов, — шутит Джустина.

Повторять эти шаги будет непросто. Дело не только в том, что любой логический вентиль, в настоящее время включающий два кубита, потребует их тысячи. Хуже того, другая теорема из квантовой механики утверждает, что независимо от того, какую схему используют исследователи, не все логические вентили можно легко преобразовать из отдельных физических кубитов в диффузные логические.

Исследователи думают, что могут обойти эту проблему, если они могут инициализировать все кубиты в своем компьютере в определенных «магических состояниях», которые более или менее выполняют половину работы проблемных ворот.К сожалению, для создания этих магических состояний может потребоваться еще больше кубитов. «Если вы хотите выполнить что-то вроде алгоритма Шора, вероятно, 90% кубитов должны быть выделены для подготовки этих магических состояний», — говорит Роффе. Таким образом, полноценный квантовый компьютер с 1000 логическими кубитами может в конечном итоге содержать многие миллионы физических кубитов.

У Google есть план построить именно такую ​​машину в течение 10 лет. На первый взгляд это звучит нелепо. Сверхпроводящие кубиты необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля в устройстве, называемом криостатом, которое заполняет небольшую комнату.Машина на миллион кубитов вызывает в воображении тысячи криостатов на огромной фабрике. Но исследователи Google считают, что им удастся сохранить компактность своего устройства. «Я не хочу давать чаевые, но мы полагаем, что мы поняли это», — говорит Невен.

Остальные идут по другому пути. Схема Google потребовала бы 1000 физических кубитов для кодирования одного логического кубита, потому что его чип позволяет взаимодействовать только соседним кубитам. Если бы можно было заставить взаимодействовать и более удаленные кубиты, количество физических кубитов могло бы быть намного меньше, говорит Гамбетта.«Если мне удастся этого добиться, то эти до смешного пугающие цифры накладных расходов на исправление ошибок могут рухнуть», — говорит он. Поэтому исследователи IBM изучают схему с более удаленными взаимосвязями между кубитами.

Никто не хочет предсказать, сколько времени потребуется исследователям, чтобы освоить исправление ошибок. Но пора серьезно заняться проблемой, говорит Ригетти. «На данный момент практически все исследователи, которые считают себя исследователями исправления ошибок, являются теоретиками», — говорит он.«Мы должны сделать это эмпирическим полем с реальной обратной связью с реальными данными, созданными с помощью реальных машин». Квантовое превосходство наступило в 2019 году. В квантовых вычислениях исправление ошибок — следующая горячая вещь.

Кубит в квантовых вычислениях — Azure Quantum

• 01.02.2021
• Читать 9 минут

В этой статье

Подобно тому, как биты являются фундаментальным объектом информации в классических вычислениях, кубитов (квантовые биты) являются фундаментальным объектом информации в квантовых вычислениях.Чтобы понять это соответствие, в этой статье рассматривается простейший пример: отдельный кубит.

Представляющий кубит

Хотя бит или двоичная цифра может иметь значение либо $ 0 $, либо $ 1 $, кубит может иметь значение, которое является одним из этих значений или квантовой суперпозицией $ 0 $ и $ 1 $.

Состояние отдельного кубита может быть описано двумерным вектором-столбцом единичной нормы, то есть квадрат величин его элементов должен составлять $ 1 $. Этот вектор, называемый вектором квантового состояния, содержит всю информацию, необходимую для описания однокубитной квантовой системы, точно так же, как один бит содержит всю информацию, необходимую для описания состояния двоичной переменной.2 = 1 $. Некоторые примеры действительных векторов квантового состояния, представляющие кубиты, включают

$$ \ begin {bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix}, \ begin {bmatrix} 0 \\ 1 \ end {bmatrix}, \ begin {bmatrix} \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {1} {\ sqrt {2}} \ end {bmatrix}, \ begin {bmatrix} \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {-1} {\ sqrt {2 }} \ end {bmatrix}, \ text {и} \ begin {bmatrix} \ frac {1} {\ sqrt {2}} \\ \ frac {i} {\ sqrt {2}} \ end {bmatrix}.

$

Квантовые векторы состояния $ \ begin {bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix} $ и $ \ begin {bmatrix} 0 \\ 1 \ end {bmatrix} $ играют особую роль.Эти два вектора образуют основу векторного пространства, описывающего состояние кубита. Это означает, что любой вектор квантового состояния можно записать как сумму этих базисных векторов. В частности, вектор $ \ begin {bmatrix} x \\ y \ end {bmatrix} $ можно записать как $ x \ begin {bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix} + y \ begin {bmatrix} 0 \\ 1 \ end {bmatrix} $. В то время как любое вращение этих векторов могло бы служить вполне допустимой базой для кубита, мы решили отдать предпочтение этому, назвав его вычислительной базой .

Мы считаем, что эти два квантовых состояния соответствуют двум состояниям классического бита, а именно $ 0 $ и $ 1 $. Стандартное соглашение — выбрать

$$ 0 \ Equiv \ begin {bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix}, \ qquad 1 \ Equiv \ begin {bmatrix} 0 \\ 1 \ end {bmatrix}, $$

, хотя можно было бы сделать и противоположный выбор. Таким образом, из бесконечного числа возможных однокубитовых векторов квантовых состояний только два соответствуют состояниям классических битов; все другие квантовые состояния этого не делают. 2 $.{i \ phi} $, а не просто $ \ pm 1 $.

Последнее важное свойство измерения состоит в том, что оно не обязательно повреждает все векторы квантовых состояний. Если мы начнем с кубита в состоянии $ \ begin {bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix} $, которое соответствует классическому состоянию $ 0 $, измерение этого состояния всегда будет давать результат $ 0 $ и выйдет из квантового состояния. без изменений. В этом смысле, если у нас есть только классические биты (например, кубиты, которые являются либо $ \ begin {bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix} $, либо $ \ begin {bmatrix} 0 \\ 1 \ end {bmatrix} $), то измерение не повредит систему.Это означает, что мы можем копировать классические данные и манипулировать ими на квантовом компьютере так же, как на классическом компьютере. Однако способность хранить информацию в обоих состояниях одновременно — это то, что выводит квантовые вычисления за пределы того, что возможно классически, и лишает квантовые компьютеры возможности копировать квантовые данные без разбора, см. Также теорему о запрете клонирования.

Визуализация кубитов и преобразований с помощью сферы Блоха

Кубиты также могут быть изображены в $ 3 $ D с использованием представления сферы Блоха .Сфера Блоха дает возможность описать квантовое состояние одного кубита (которое является двумерным комплексным вектором) как трехмерный вектор с действительными значениями. Это важно, потому что это позволяет нам визуализировать состояния одного кубита и тем самым развивать рассуждения, которые могут быть неоценимы для понимания состояний нескольких кубитов (где, к сожалению, представление сферы Блоха не работает). Сферу Блоха можно визуализировать следующим образом:

Стрелки на этой диаграмме показывают направление, в котором указывает вектор квантового состояния, и каждое преобразование стрелки можно рассматривать как вращение вокруг одной из кардинальных осей.Хотя представление о квантовых вычислениях как о последовательности вращений является мощной интуицией, сложно использовать эту интуицию для разработки и описания алгоритмов. Q # решает эту проблему, предоставляя язык для описания таких поворотов.

Операции с одним кубитом

Квантовые компьютеры обрабатывают данные, применяя универсальный набор квантовых вентилей, которые могут имитировать любое вращение вектора квантового состояния. Это понятие универсальности сродни понятию универсальности для традиционных (например, классических) вычислений, где набор вентилей считается универсальным, если каждое преобразование входных битов может быть выполнено с использованием схемы конечной длины.В квантовых вычислениях допустимые преобразования, которые нам разрешено выполнять с кубитом, — это унитарные преобразования и измерения. Сопряженная операция или комплексно-сопряженное транспонирование имеет решающее значение для квантовых вычислений, поскольку она необходима для обращения квантовых преобразований.

На классическом компьютере есть только четыре функции, которые преобразуют один бит в один. Напротив, на одном кубите квантового компьютера существует бесконечное количество унитарных преобразований.Следовательно, никакой конечный набор примитивных квантовых операций, называемых вентилями и , не может точно воспроизвести бесконечный набор унитарных преобразований, разрешенных в квантовых вычислениях. Это означает, что, в отличие от классических вычислений, квантовый компьютер не может реализовать каждую возможную квантовую программу с точностью до конечного числа вентилей. Таким образом, квантовые компьютеры не могут быть универсальными в том же смысле, что и классические компьютеры. В результате, когда мы говорим, что набор вентилей — это универсальный для квантовых вычислений, мы на самом деле имеем в виду нечто немного более слабое, чем мы имеем в виду с классическими вычислениями.Для универсальности мы требуем, чтобы квантовый компьютер только аппроксимировал каждую унитарную матрицу с конечной ошибкой, используя последовательность вентилей конечной длины. Другими словами, набор вентилей является универсальным множеством вентилей, если любое унитарное преобразование может быть приблизительно записано как произведение вентилей из этого множества. {я \ пи / 4} \ конец {bmatrix}.

$

Однако по практическим причинам, связанным с квантовой коррекцией ошибок, может быть удобнее рассмотреть более крупный набор вентилей, а именно тот, который может быть сгенерирован с использованием $ H $ и $ T $. Мы можем разделить квантовые вентили на две категории: вентили Клиффорда и $ T $ -гейты. Это подразделение полезно, потому что во многих схемах квантовой коррекции ошибок так называемые вентили Клиффорда легко реализовать, то есть они требуют очень мало ресурсов с точки зрения операций и кубитов для отказоустойчивой реализации, тогда как вентили не Клиффорда довольно дороги, когда требуются Отказоустойчивость.4.

$

Здесь операции $ X $, $ Y $ и $ Z $ используются особенно часто и названы операторами Паули в честь их создателя Вольфганга Паули. Вместе с не-Клиффордовым вентилем ($ T $ -гейт) эти операции могут быть составлены так, чтобы аппроксимировать любое унитарное преобразование на одном кубите.

Для получения дополнительной информации об этих операциях, их сферических представлениях Блоха и реализациях Q # см. Внутренние операции и функции.

В качестве примера того, как унитарные преобразования могут быть построены из этих примитивов, три преобразования, изображенные в сферах Блоха выше, соответствуют последовательности ворот $ \ begin {bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix} \ mapsto HZH \ begin { bmatrix} 1 \\ 0 \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} 0 \\ 1 \ end {bmatrix} $.

В то время как предыдущие представляют собой наиболее популярные примитивные вентили для описания операций на логическом уровне стека (думайте о логическом уровне как об уровне квантового алгоритма), часто бывает удобно рассматривать менее базовые операции на алгоритмическом уровне, поскольку пример операций ближе к уровню описания функции. К счастью, в Q # также есть методы для реализации унитарных систем более высокого уровня, которые, в свою очередь, позволяют реализовать высокоуровневые алгоритмы без явной декомпозиции всего до Клиффорда и $ T $ -гейтов. {i \ alpha} R_x (\ beta) R_z (\ gamma) R_x (\ delta) $. Таким образом, $ R_z (\ theta) $ и $ H $ также образуют универсальный набор вентилей, хотя это не дискретный набор, поскольку $ \ theta $ может принимать любое значение. По этой причине и благодаря приложениям в квантовом моделировании такие непрерывные вентили имеют решающее значение для квантовых вычислений, особенно на уровне разработки квантовых алгоритмов. Чтобы добиться отказоустойчивой аппаратной реализации, они в конечном итоге будут скомпилированы в дискретные последовательности вентилей, которые близко аппроксимируют эти вращения.

Внутри гонки за лучший квантовый компьютер на Земле

Программное обеспечение для квантовых компьютеров, тем временем, находится в зачаточном состоянии, как и сами машины. В классических вычислениях языки программирования теперь на несколько уровней удалены от необработанного «машинного кода», который приходилось использовать ранним разработчикам программного обеспечения, потому что мельчайшие детали того, как данные хранятся, обрабатываются и перемещаются, уже стандартизированы. «На классическом компьютере, когда вы его программируете, вам не нужно знать, как работает транзистор, — говорит Дэйв Бэкон, возглавляющий команду разработчиков программного обеспечения Google.С другой стороны, квантовый код должен быть полностью адаптирован к кубитам, на которых он будет работать, чтобы выжать максимум из их темпераментных характеристик. Это означает, что код для микросхем IBM не будет работать с кодами других компаний, и даже методы оптимизации 53-кубитного Sycamore от Google не обязательно подойдут для его будущего 100-кубитного брата. Что еще более важно, это означает, что никто не может предсказать, насколько сложную проблему смогут решить эти 100 кубитов.

Самое большее, на что кто-то осмелится надеяться, это то, что компьютеры с несколькими сотнями кубитов будут уговаривать моделировать некоторую умеренно сложную химию в течение следующих нескольких лет — возможно, даже достаточно, чтобы продвинуть поиск нового лекарства или более эффективной батареи. Однако декогеренция и ошибки остановят все эти машины, прежде чем они смогут сделать что-нибудь действительно сложное, например, взломать криптографию.

Чтобы построить квантовый компьютер мощностью 1000 кубитов, вам понадобится миллион реальных кубитов.

Для этого потребуется «отказоустойчивый» квантовый компьютер, способный компенсировать ошибки и продолжать работать бесконечно, как это делают классические компьютеры. Ожидаемое решение будет заключаться в создании избыточности: заставить сотни кубитов действовать как один в общем квантовом состоянии.В совокупности они могут исправлять ошибки отдельных кубитов. И когда каждый кубит поддается декогеренции, его соседи вернут его к жизни в бесконечном цикле взаимного воскрешения.

Типичный прогноз состоит в том, что для достижения этой стабильности потребуется до 1000 объединенных кубитов — это означает, что для создания компьютера с мощностью 1000 кубитов вам понадобится миллион реальных кубитов. По «консервативным» оценкам Google, он может построить процессор на миллион кубитов в течение 10 лет, говорит Невен, хотя есть некоторые серьезные технические препятствия, которые необходимо преодолеть, в том числе одно, в котором IBM может все еще иметь преимущество перед Google (см. Противоположную страницу).

К тому времени многое могло измениться. Сверхпроводящие кубиты, которые сейчас используют Google и IBM, могут оказаться электронными лампами своей эпохи, замененными чем-то гораздо более стабильным и надежным. Исследователи во всем мире экспериментируют с различными методами создания кубитов, хотя немногие из них достаточно продвинуты, чтобы создавать рабочие компьютеры. Стартапы-конкуренты, такие как Rigetti, IonQ или Quantum Circuits, могут развить преимущество в определенной технике и обойти более крупные компании.

---

История двух трансмонов

Трансмон-кубиты Google и IBM почти идентичны, с одним небольшим, но потенциально решающим отличием.

В квантовых компьютерах Google и IBM сами кубиты управляются микроволновыми импульсами. Крошечные производственные дефекты означают, что никакие два кубита не реагируют на импульсы с одинаковой частотой. Для этого есть два решения: изменять частоту импульсов, чтобы найти золотую середину каждого кубита, например, покачивать плохо вырезанным ключом в замке, пока он не откроется; или используйте магнитные поля, чтобы «настроить» каждый кубит на нужную частоту.

IBM использует первый метод; Google использует второй. У каждого подхода есть свои плюсы и минусы. Настраиваемые кубиты Google работают быстрее и точнее, но они менее стабильны и требуют большего количества схем. Кубиты IBM с фиксированной частотой более стабильны и проще, но работают медленнее.

С технической точки зрения, по крайней мере, на данном этапе это довольно сложная задача. С точки зрения корпоративной философии, это разница между Google и IBM в двух словах, а точнее, в кубите.

Google предпочел быть проворным. «В целом наша философия немного больше направлена ​​на повышение управляемости за счет количества, которое люди обычно ищут», — говорит Хартмут Невен.

IBM же предпочла надежность. «Существует огромная разница между проведением лабораторного эксперимента и публикацией статьи и созданием системы с надежностью примерно 98%, в которой вы можете запускать ее все время», — говорит Дарио Гил.

IBM

Прямо сейчас Google имеет преимущество.Однако по мере того, как машины становятся больше, преимущество может перейти к IBM. Каждый кубит управляется отдельными проводами; для настраиваемого кубита требуется один дополнительный провод. Определение проводки для тысяч или миллионов кубитов будет одной из самых сложных технических задач, с которыми столкнутся две компании; IBM утверждает, что это одна из причин, по которой они выбрали кубит с фиксированной частотой. Мартинис, глава команды Google, говорит, что последние три года он лично провел, пытаясь найти решения для проводки. «Это такая важная проблема, над которой я работал», — шутит он.

---

1 миллион кубитных квантовых компьютеров: выход за рамки текущей стратегии «грубой силы»

Увеличение мощности не может быть ответом для молодой отрасли.

Квантовый компьютер IBM Q System One

Автор: Джон Леви, генеральный директор Seeqc

Google, IBM, Intel, Microsoft и несколько других крупных компаний участвуют в современной гонке вооружений за создание самых больших и мощных квантовых компьютеров, которые только можно представить. И хотя машина Google с 53 кубитами достигла важной вехи в доказательстве концептуальной концепции в виде квантового превосходства, отрасль все еще в значительной степени не представила доказательств того, что она может производить практические, готовые к работе квантовые компьютеры в краткосрочной перспективе.

Для ясности: работу, которую компании проводят по созданию более крупных и мощных машин, не следует недооценивать, и это не была небольшая задача — сообщалось, что при 100 кубитах один квантовый компьютер был бы мощнее всех суперкомпьютеров. на планете вместе взятых. В отличие от классических компьютеров, которые работают с битами, квантовые компьютеры становятся экспоненциально более мощными с каждым добавленным кубитом, создавая, казалось бы, безграничный потенциал их вычислительных возможностей.

Но с учетом того, что за последние несколько лет в исследования, разработки и стартапы были вложены миллиарды долларов частных и государственных инвестиций, ожидается, что в какой-то момент отрасль покажет некоторую отдачу от инвестиций.Такие отрасли, как фармацевтика, химическое производство и производство материалов, логистика и оборона, с ранее непреодолимыми проблемами продемонстрировали потребность бизнеса в квантовых компьютерах для конкретных задач, но пока не имеют доступного решения для конкретных приложений.

Задача масштабирования

Несмотря на значительные инвестиции и технологические прорывы, существующие системы и архитектуры квантовых вычислений по-прежнему нестабильны по своей природе и их трудно масштабировать на коммерческом уровне. Сегодняшние машины по-прежнему сталкиваются с проблемами стоимости, считывания и контроля, а также со сложностями управления теплом, выделяемым микроволновыми импульсами, используемыми для управления кубитами. Управление тепловыделением является большим препятствием для масштабирования квантовых машин, поскольку ведущие современные кубиты для функционирования должны поддерживаться при температуре, близкой к абсолютному нулю, так как решения включают в себя сотни, даже тысячи кубитов — и, возможно, даже больше — затрат, контроль и управление теплом сильно влияют на масштаб.

Несколько академических исследователей смоделировали, насколько сложно управлять тепловыми нагрузками при масштабировании даже до 100 кубитной машины.Исследователи из ETH Zürich изучили быстро растущий спрос на количество микроволновых кабелей и кабелей постоянного тока, которые необходимо интегрировать при масштабировании от машины с несколькими кубитами до крупномасштабной.

В дополнение к проблеме управления теплом, чистая стоимость разработки машин с большим количеством кубитов остается непомерно высокой. По большинству оценок, один кубит стоит около 10 тысяч долларов и должен поддерживаться множеством электроники микроволнового контроллера, коаксиальными кабелями и другими материалами, для работы которых требуются большие контролируемые помещения.

Только в аппаратном обеспечении создание полезного квантового компьютера стоит десятки миллиардов долларов. При такой цене квантовые компьютеры доступны только самым крупным и богатым предприятиям, что лишает большинство людей доступа к технологиям. Что касается инноваций, то полагаться на горстку компаний и учреждений для развития всей отрасли — не лучший вариант. Более универсальный доступ позволит быстрее внедрять более значимые инновации в различных отраслях.

Необходимость более целенаправленного подхода

В то время как создание более крупных и дорогих машин привлекает внимание средств массовой информации и раздвигает границы того, что однажды станет возможным, этот подход просто не имеет эффективного масштабирования, поскольку отрасль стремится перейти от теоретических решений к решениям, применимым к бизнесу.

Seeqc работает над специализированными приложениями для решения первых вариантов использования квантовых вычислений. Мы разрабатываем энергоэффективные, практичные и масштабируемые решения для удовлетворения потребностей предприятий и первых пользователей квантовых вычислений в наши дни.

Seeqc специализируется на предоставлении готовых для бизнеса решений для квантовых вычислений, и мы рады сообщить, что очень скоро поделимся более подробной информацией о нашем подходе.

Квантовые вычисления 101 | Институт квантовых вычислений

Хотя квантовая информация существует уже давно, мы начинаем больше узнавать о ней в средствах массовой информации.Мы надеемся дать вам краткое руководство по:

Все еще любопытно? Просмотрите наш Quantum Toolbox.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления, по сути, используют удивительные законы квантовой механики для обработки информации. Традиционный компьютер использует длинные строки «битов», которые кодируют либо ноль, либо единицу. С другой стороны, квантовый компьютер использует квантовые биты или кубиты. Какая разница? Кубит — это квантовая система, которая кодирует ноль и единицу в два различных квантовых состояния.Но поскольку кубиты ведут себя квантово, мы можем извлечь выгоду из явлений «суперпозиции» и «запутанности».

Суперпозиция и запутанность? Простите?

Это нормально, если мы немного сбиты с толку этими концепциями, поскольку мы не сталкиваемся с ними в повседневной жизни. Только когда вы смотрите на мельчайшие квантовые частицы — атомы, электроны, фотоны и тому подобное, — вы видите такие интригующие вещи, как суперпозиция и запутанность.

Суперпозиция — это, по сути, способность квантовой системы находиться в нескольких состояниях одновременно, то есть что-то может быть «здесь» и «там», или «вверх» и «вниз» одновременно.

Запутанность — это чрезвычайно сильная корреляция, существующая между квантовыми частицами — настолько сильная, что две или более квантовых частиц могут быть неразрывно связаны в идеальном унисон, даже если они разделены на большие расстояния. Частицы настолько неразрывно связаны, что можно сказать, что они «танцуют» в мгновенном совершенном унисоне, даже когда они расположены на противоположных концах вселенной. Эта, казалось бы, невозможная связь вдохновила Эйнштейна описать запутанность как «жуткое действие на расстоянии.”

Почему эти квантовые эффекты имеют значение?

Во-первых, они очаровательны. Более того, они будут чрезвычайно полезны для будущего вычислительной техники и коммуникационных технологий.

Подумайте об этом так: в то время как классический компьютер работает с единицами и нулями, квантовый компьютер будет иметь преимущество в использовании единиц, нулей и «суперпозиций» единиц и нулей. Некоторые сложные задачи, которые долгое время считались невозможными (или «трудноразрешимыми») для классических компьютеров, будут быстро и эффективно решены с помощью квантового компьютера.

Что может квантовый компьютер, чего не может классический компьютер?

Для начала, факторинг больших чисел. Умножить два больших числа легко на любом компьютере. Но вычисление множителей очень большого (скажем, 500-значного) числа, с другой стороны, считается невозможным для любого классического компьютера. В 1994 году математик из Массачусетского технологического института (MIT) Питер Шор, работавший в то время в AT&T, обнаружил, что если бы полностью рабочий квантовый компьютер был доступен, он мог бы легко разложить на множители большие числа.

Но я не хочу множить очень большие числа…

Никто не хочет множить очень большие числа! Это потому, что это так сложно — даже для лучших компьютеров в мире сегодня. Фактически, сложность факторизации больших чисел является основой большей части нашей современной криптографии. Он основан на математических задачах, которые сложно решить. Шифрование RSA, метод, используемый для шифрования номера вашей кредитной карты при совершении покупок в Интернете, полностью зависит от проблемы факторинга.Веб-сайт, на котором вы хотите совершить покупку, предоставляет вам большой «открытый» ключ (к которому может получить доступ любой) для кодирования информации вашей кредитной карты.

Этот ключ на самом деле является произведением двух очень больших простых чисел, известных только продавцу. Единственный способ перехватить вашу информацию — это знать эти два простых числа, которые умножаются для создания ключа. Поскольку факторинг очень сложен, ни один злоумышленник не сможет получить доступ к номеру вашей кредитной карты, а ваш банковский счет в безопасности. Если только кто-то не построил квантовый компьютер и не использует алгоритм Питера Шора!

Подождите … так квантовый компьютер сможет взломать мои личные данные? Это не хорошо.

Не волнуйтесь — классическая криптография не подвергается полной опасности. Исследователи изучают новые виды алгоритмов шифрования, которые будут защищены даже от квантовых компьютеров. В качестве альтернативы мы можем использовать саму квантовую механику для разработки новых инструментов информационной безопасности.

Давайте посмотрим на общий криптографический протокол, называемый одноразовым блокнотом: скажем, сторона A и сторона B (назовем их Алисой и Бобом) совместно используют длинную строку случайных нулей и единиц — секретный ключ. Пока они используют этот ключ только один раз, и они единственные, кто знает этот ключ, они могут передать секретное сообщение, так что ни один перехватчик (назовем ее Евой) не сможет его расшифровать.Основная трудность с одноразовым блокнотом — это фактическое распространение секретного ключа. В прошлом правительства отправляли людей обмениваться книгами, полными случайных данных, которые использовались в качестве ключей. Это, конечно, непрактично и несовершенно. Здесь квантовая механика снова оказывается очень кстати: квантовое распределение ключей (QKD) позволяет распределять полностью случайные ключи на расстоянии.

Как квантовая механика может создать эти сверхсекретные ключи?

Квантовое распределение ключей основано на еще одном интересном свойстве квантовой механики: любая попытка наблюдать или измерять квантовую систему нарушит ее.

Фотоны обладают уникальным измеримым свойством, называемым поляризацией (которое должно звучать знакомо любому знатоку солнцезащитных очков).

Поскольку поляризация каждого отдельного фотона случайна, невозможно заранее узнать уникальные свойства каждого фотона. Но вот где запутанность становится интересной: если Алиса и Боб измеряют поляризацию запутанных фотонов, которые они получают, их результаты будут такими же (помните, «запутанность» означает, что частицы сильно коррелированы друг с другом, даже на больших расстояниях).В зависимости от поляризации каждого фотона Алиса и Боб приписывают каждому полученному фотону «единицу» или «ноль». Следовательно, если Алиса получает строку типа 010110, Боб также получает 010110. Если только, то есть, перехватчик не пытался шпионить за сигналом. Это нарушит работу системы, и Алиса и Боб сразу заметят, что их ключи не совпадают.

Алиса и Боб продолжают получать фотоны до тех пор, пока их ключи не станут достаточно длинными и идентичными, и, прежде всего, у них будут сверхзащищенные ключи для шифрования сообщений.

Итак, использование квантового мира может взламывать и создавать коды. Что-нибудь еще?

Много. Например, квантовые компьютеры смогут эффективно моделировать квантовые системы, что предложил известный физик Ричард Фейнман в 1982 году, положив начало этой области. Считается, что моделирование квантовых систем является «святым Граалем» квантовых вычислений: оно позволит нам очень подробно изучать взаимодействия между атомами и молекулами. Это может помочь нам в разработке новых лекарств и новых материалов, таких как сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре.Квантовые компьютеры также имеют преимущества во многих задачах оптимизации и поиска. Исследователи постоянно работают над новыми квантовыми алгоритмами и приложениями. Но истинный потенциал квантовых компьютеров, вероятно, еще даже не предполагался. Изобретатели лазера наверняка не задумывались о сканерах для касс в супермаркетах, проигрывателях компакт-дисков и хирургии глаза. Точно так же будущее использование квантовых компьютеров ограничено только воображением.

Отлично звучит! Где взять квантовый компьютер?

Не так быстро.Хотя теоретически доказано, что квантовые компьютеры обладают невероятным потенциалом, и ученые работают в IQC и во всем мире, чтобы реализовать этот потенциал, предстоит еще много работы, прежде чем квантовые компьютеры появятся на рынке.

Что требуется для создания квантового компьютера?

Проще говоря: нам нужны кубиты, которые ведут себя так, как мы хотим. Эти кубиты могут состоять из фотонов, атомов, электронов, молекул или, возможно, чего-то еще. Ученые IQC исследуют их широкий спектр как потенциальные основы для квантовых компьютеров.Но, как известно, кубитами сложно манипулировать, поскольку любое возмущение заставляет их выпадать из своего квантового состояния (или «декогерировать»). Декогеренция — это ахиллесова пята квантовых вычислений, но она не является непреодолимой. В области квантовой коррекции ошибок изучается, как предотвратить декогеренцию и бороться с другими ошибками. Каждый день исследователи в IQC и во всем мире открывают новые способы взаимодействия кубитов.

Так когда же появится настоящий квантовый компьютер?

Это зависит от вашего определения.Уже есть прототипы квантовых компьютеров, но их мощность недостаточна, чтобы превзойти классические компьютеры. Хотя практические квантовые технологии уже появляются, включая высокоэффективные датчики, исполнительные механизмы и другие устройства, до настоящего квантового компьютера, который превосходит классический компьютер, еще далеко. Теоретики постоянно ищут лучшие способы преодоления декогеренции, в то время как экспериментаторы получают все больший и больший контроль над квантовым миром с помощью различных технологий и инструментов.Ведущаяся сегодня новаторская работа прокладывает путь к грядущей квантовой эре.

Значит, до квантовой технологии еще годы?

Нет, квантовые технологии уже используются! QKD уже коммерчески доступен и получит большую пользу от новых исследований (ученые из IQC в ​​настоящее время занимаются квантовым шифрованием через свободное пространство через спутник). Хотя полностью функционирующий квантовый компьютер — это долгосрочная цель, многие фундаментальные и практические открытия были сделаны во имя квантовых вычислений.Квантовые датчики и исполнительные механизмы позволят ученым ориентироваться в наномасштабе с поразительной точностью и чувствительностью. Такие инструменты будут неоценимы для разработки настоящих процессоров квантовой информации. Квантовая революция уже происходит, и возможности, которые ждут впереди, безграничны.

En français.

Квантовый компьютер | информатика

Квантовый компьютер , устройство, использующее свойства, описанные квантовой механикой, для улучшения вычислений.

Британская викторина

Компьютеры и технологии: Викторина

Компьютеры содержат веб-сайты, состоящие из HTML, и отправляют текстовые сообщения так же просто, как … LOL. Примите участие в этой викторине и позвольте некоторым технологиям подсчитать ваш результат и раскрыть вам содержание.

Еще в 1959 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заметил, что по мере того, как электронные компоненты начинают достигать микроскопических масштабов, возникают эффекты, предсказанные квантовой механикой, которые, как он предположил, могут быть использованы при разработке более мощных компьютеров.В частности, квантовые исследователи надеются использовать явление, известное как суперпозиция. В квантовомеханическом мире объекты не обязательно имеют четко определенные состояния, как продемонстрировал знаменитый эксперимент, в котором одиночный фотон света, проходящий через экран с двумя маленькими прорезями, создает волнообразную интерференционную картину или суперпозицию всех доступных путей. ( См. Дуальность волна-частица ). Однако, когда одна щель закрывается или используется детектор, чтобы определить, через какую щель прошел фотон, интерференционная картина исчезает. Как следствие, квантовая система «существует» во всех возможных состояниях до того, как измерение «схлопывает» систему в одно состояние. Использование этого явления в компьютере обещает значительно увеличить вычислительную мощность. Традиционный цифровой компьютер использует двоичные цифры или биты, которые могут находиться в одном из двух состояний, представленных как 0 и 1; таким образом, например, 4-битный регистр компьютера может содержать любое из 16 (2 ⁴ ) возможных чисел. Напротив, квантовый бит (кубит) существует в виде волнообразной суперпозиции значений от 0 до 1; таким образом, например, регистр компьютера с 4 кубитами может одновременно хранить 16 различных чисел.Теоретически квантовый компьютер может работать с очень многими значениями параллельно, так что 30-кубитный квантовый компьютер будет сравним с цифровым компьютером, способным выполнять 10 триллионов операций с плавающей запятой в секунду (TFLOPS) — сравнимо с скорость самых быстрых суперкомпьютеров.

В 80-е и 90-е годы теория квантовых компьютеров значительно превзошла ранние предположения Фейнмана. В 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета описал создание квантовых логических вентилей для универсального квантового компьютера, а в 1994 году Питер Шор из AT&T разработал алгоритм факторизации чисел с помощью квантового компьютера, для которого потребовалось бы всего шесть кубитов (хотя многие для разложения больших чисел за разумное время потребуется больше кубитов).Когда будет построен практический квантовый компьютер, он сломает существующие схемы шифрования, основанные на умножении двух больших простых чисел; в качестве компенсации квантово-механические эффекты предлагают новый метод безопасной связи, известный как квантовое шифрование. Однако на самом деле создать полезный квантовый компьютер оказалось непросто. Хотя потенциал квантовых компьютеров огромен, требования также строги. Квантовый компьютер должен поддерживать согласованность между своими кубитами (известную как квантовая запутанность) достаточно долго, чтобы выполнять алгоритм; из-за почти неизбежного взаимодействия с окружающей средой (декогеренции) необходимо разработать практические методы обнаружения и исправления ошибок; и, наконец, поскольку измерение квантовой системы нарушает ее состояние, необходимо разработать надежные методы извлечения информации.

Предложены планы создания квантовых компьютеров; хотя некоторые из них демонстрируют фундаментальные принципы, ни одна из них не выходит за рамки экспериментальной стадии. Ниже представлены три наиболее многообещающих подхода: ядерный магнитный резонанс (ЯМР), ионные ловушки и квантовые точки.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

В 1998 году Исаак Чуанг из Лос-Аламосской национальной лаборатории, Нил Гершенфельд из Массачусетского технологического института (MIT) и Марк Кубинек из Калифорнийского университета в Беркли создали первый квантовый компьютер (2-кубит), в который можно было загружать данные. и выведите решение.Хотя их система была согласованной всего на несколько наносекунд и тривиальна с точки зрения решения значимых проблем, она продемонстрировала принципы квантовых вычислений. Вместо того, чтобы пытаться изолировать несколько субатомных частиц, они растворили большое количество молекул хлороформа (CHCL ₃ ) в воде при комнатной температуре и применили магнитное поле для ориентации спинов ядер углерода и водорода в хлороформе. (Поскольку обычный углерод не имеет магнитного спина, в их решении использовался изотоп углерод-13.) Спин, параллельный внешнему магнитному полю, тогда можно было бы интерпретировать как 1, а антипараллельный спин как 0, а ядра водорода и ядра углерода-13 можно было бы рассматривать вместе как систему из 2 кубитов. В дополнение к внешнему магнитному полю были приложены радиочастотные импульсы, чтобы заставить спиновые состояния «переворачиваться», тем самым создавая наложенные параллельные и антипараллельные состояния. Дополнительные импульсы применялись для выполнения простого алгоритма и проверки конечного состояния системы. Этот тип квантового компьютера может быть расширен за счет использования молекул с более индивидуально адресуемыми ядрами.Фактически, в марте 2000 года Эмануэль Нилл, Раймонд Лафламм и Руди Мартинес из Лос-Аламоса и Чинг-Хуа Ценг из Массачусетского технологического института объявили, что они создали 7-кубитный квантовый компьютер с использованием транскротоновой кислоты. Однако многие исследователи скептически относятся к расширению магнитных методов за пределы 10-15 кубитов из-за снижения когерентности между ядрами.

Всего за неделю до анонса 7-кубитного квантового компьютера физик Дэвид Вайнленд и его коллеги из Национального института стандартов и технологий США (NIST) объявили, что они создали 4-кубитный квантовый компьютер, запутав четыре ионизированных атома бериллия. с помощью электромагнитной «ловушки».После удержания ионов в линейном расположении лазер охладил частицы почти до абсолютного нуля и синхронизировал их спиновые состояния. Наконец, был использован лазер, чтобы запутать частицы, создав суперпозицию состояний со спином вверх и вниз одновременно для всех четырех ионов. Опять же, этот подход продемонстрировал основные принципы квантовых вычислений, но масштабирование техники до практических измерений остается проблематичным.

Квантовые компьютеры на основе полупроводниковой технологии — еще одна возможность.В обычном подходе дискретное количество свободных электронов (кубитов) находится в очень малых областях, известных как квантовые точки, и в одном из двух спиновых состояний, интерпретируемых как 0 и 1. Хотя такие квантовые компьютеры склонны к декогеренции, такие квантовые компьютеры построены на хорошо: устоявшиеся твердотельные технологии и открывают перспективу легкого применения технологии «масштабирования» интегральных схем. Кроме того, большие ансамбли идентичных квантовых точек потенциально могут быть изготовлены на одном кремниевом чипе. Чип работает во внешнем магнитном поле, которое контролирует спиновые состояния электронов, в то время как соседние электроны слабо связаны (запутаны) за счет квантово-механических эффектов.Массив наложенных друг на друга проволочных электродов позволяет адресовать отдельные квантовые точки, выполнять алгоритмы и выводить результаты. Такая система обязательно должна работать при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать декогеренцию окружающей среды, но она может включать очень большое количество кубитов.