Сверхнизкотемпературные одноатомные хранилища используют атомы хлора на медной подложке
В 2016 году специалисты из Нидерландов разработали хранилище, способное хранить информацию на уровне атомов. Устройство позволяет читать, перезаписывать и стирать информацию. Каждый атом в хранилище содержит один бит.
Технология имеет очень высокую плотность записи — около 500 Тб на квадратный дюйм (6.5 см2). Для понимания масштаба представьте, что в такое хранилище в форме куба с длиной стороны в 0,1 мм можно записать все книги библиотеки Конгресса США. Ученые уже продемонстрировали прототип рабочего устройства с емкостью в 1 КБ.
Ячейку памяти устройства представляет собой массив прямоугольных блоков 12×12. Каждый блок содержит атомы хлора, расположенные на медной подложке. Блоки заполнены не полностью, между атомами хлора есть пустые места. Комбинация этих пустых мест и атомов позволяет записывать данные в двоичном коде. Атомы и пустые места можно менять местами примерно так, как это делается в «пятнашках». Таким образом, записанную информацию можно менять или вовсе стирать.
Память такого типа состоит из блоков емкостью 8 байт. Каждый блок помечается собственным маркером, который позволяет идентифицировать расположение блока на медной подложке. Изменения в расположении фиксируются. Таким образом, память такого типа может быть прочитана и перезаписана в автоматическом режиме при помощи маркеров размером с атом.
У такого метода записи информации есть несколько преимуществ. Одно из них — возможность использования жидкого азота вместо жидкого гелия. В этом случае работать можно с температурой не -210°C, а -196°C. Таким образом, затраты на поддержание температуры жидкого азота несколько ниже, чем затраты на поддержание температуры жидкого гелия. Второе преимущество — высокая надежность записи данных (в сравнении с другими схожими методами). Здесь этот показатель достигает 99%.
Для считывания данных требуется мощный туннельный сканирующий электронный микроскоп. Система получает «картинку», которая анализируется и переводится в «цифру». Компьютер показывает, что именно записано в массиве атомов хлора. Если нужно перезаписать данные, дается специальная команда, и через 10 минут структура блоков и атомов меняется, после чего данные можно считать записанными.
Пока что предложенная технология далека от возможности коммерческого использования, поскольку работа с жидким азотом, необходимым для работы накопителя, довольно затратна как с точки зрения техники, так и с точки зрения финансов. И, разумеется, 10 минут на один цикл чтения или записи данных пока не оправдывают гигантскую емкость, которую обеспечивает технология. Разработчики метода заявляют, что процесс можно ускорить до 1 мегабита в секунду, но с учетом емкости накопителя это тоже чрезвычайно медленно.
Сверхплотные одноатомные хранилища на базе гольмия
В 2017 году исследователи из Швейцарии смогли добиться плотности записи данных на накопитель в один атом и при этом сохранить атомы в достаточно стабильном состоянии, чтобы информация не терялась.
Накопители, основанные на одноатомных магнитах, состоят из одиночных атомов, адсорбированных на поверхности, причем каждый атом может хранить бит информации. Для записи и считывания этой информации применяется квантовый механизм. Атомы достаточно малы, чтобы их можно было упаковать в хранилище очень большой плотности по сравнению с использующимися сегодня технологиями.
Успешно реализовать одноатомный накопитель мешает остаточная намагниченность, под влиянием которой атомы меняют свое магнитное состояние при изменении температуры или в зоне действия постороннего магнитного поля. Это приводит к потере данных, записанных в атоме. Ученые из EPFL сумели подобрали материалы, обеспечивающие стабильность хранения.
Необходимые свойства обнаружились у атомов гольмия (Ho, 67 элемент таблицы Менделеева), которые в комбинации со вспомогательными атомами кобальта размещались на подложке из оксида магния. Полученный накопитель нагревали и подвергали воздействию сильного магнитного поля, одновременно наблюдая, не меняют ли атомы состояние.
Выяснилось, что атомы гольмия остаются в стабильном намагниченном состоянии при воздействии постороннего поля силой до 8 тесла. Магниты примерно такой силы используюется, например, в Большом адронном коллайдере. Коэрцитивность атомов гольмия, то есть их способность сохранять неизменным собственное магнитное поле под воздействием внешнего поля, авторы исследования назвали «рекордной».
При этом атомы гольмия можно нагревать до 35 кельвинов, то есть −233,15 оС, без риска потерять информацию. При дальнейшем нагреве до 45 кельвинов атомы гольмия поддаются воздействию внешнего магнитного поля, и данные теряются. Напомним, что использование квантового механизма чтения и записи требует очень низких температур.
До практического применения памяти на базе гольмия еще далеко. Как минимум, для этого придется решить «трилемму» магнитной записи данных, которая состоит из проблем стабильности, записи и подавления шумов.
Магниторезистивная память
Область применения: любая
Состояние: узконишевой продукт
На этот тип памяти, в котором хранение информации определяется намагниченностью отдельных элементов, крупнейшие производители микросхем возлагают большие надежды (и вкладывают в него большие деньги). Предположительно магнитная память, иначе MRAM, обгонит все используемые сегодня типы памяти. Она будет быстрее и стабильнее, чем flash, не потребует постоянного напряжения, как DRAM, и превзойдет SRAM в емкости.
Принцип действия похож на работу жесткого диска – направление намагниченности отдельной ячейки памяти меняет ее сопротивление. Это сопротивление несложно измерить, пропустив через ячейку ток, чтобы таким образом прочесть записанные данные. Но в отличие от жесткого диска, доступ к ячейкам MRAM производится не с помощью головки, а прямой подачей тока, что уменьшает время доступа примерно в миллион раз. Да-да, никакой ошибки нет, именно в миллион! В век квантовой электроники моторы жестких дисков – решение столько же элегантное и удобное, как посылка писем «Почтой России».
Хотя продажи чипов памяти MRAM уже ведутся, их скромные характеристики (максимум емкости коммерческого чипа – 64 Мб) не позволяют говорить о масштабном выходе на рынок. Скорее пока это довольно экзотическое устройство с ограниченным спектром применения. Но учитывая интерес таких компаний, как Toshiba и Samsung, прогресс обещает быть быстрым.
Спинтронная память
Состояние: лабораторный эксперимент
Нет, это вовсе не запоминание информации посредством спинного мозга, чем грешат некоторые студенты перед сессией. Речь идет о сохранении данных при помощи спинов. Спин – это квантовая характеристика, присущая большинству элементарных частиц и обуславливающая их магнитный момент. Спин нейтрона, протона или электрона может быть равен ½ или -½. Получается полная аналогия с битом машинных данных. Для создания памяти – самой миниатюрной из теоретически возможных – остается сущая чепуха. Надо научиться выставлять спин отдельных частиц, считывать его и вдобавок сделать так, чтобы он не менялся сам по себе из-за теплового движения и прочих эффектов.
Кое-какой прогресс в этой области имеется. При помощи эффекта гигантского магнетосопротивления можно создавать ток с определенной ориентацией спина, а также отфильтровывать электроны со спином, отличным от заданного. Впоследствии успешно прошедшие такой фильтр электроны можно посчитать при помощи, например, электронного насоса на квантовых точках. Эксперименты с контролем спина отдельных частиц пока проходят при весьма экстремальных условиях. Нужна температура около абсолютного нуля и магнитное поле такой силы, что обладатели железных зубов в нем смогут летать, как птицы (сотрудники квантовых лабораторий к таковым обладателям обычно не относятся).
Разумным компромиссом между стремлением к предельной миниатюризации и усложнением оборудования может быть работа с кластерами атомов как более устойчивой единицей. Спиновая ячейка памяти на 12-ти атомах от IBM относится именно к таким полумерам. Тем не менее какого-то реального продукта здесь ждать еще долго – но тем шире поле для мечтателей.
Спин-кроссоверные молекулы
Развитие технологий магнитного хранения привело к тому, что размеры минимального магнитного элемента для одного бита информации практически достигли фундаментального предела молекулярной и квантовой механики. Для обхода этого ограничения ученые разрабатывают новые подходы, один из которых заключается в использовании спин-кроссоверных молекул (spin-crossover molecules) в качестве элемента хранения данных.
Такие молекулы могут хранить информацию в своем магнитном состоянии, но для этого их нужно разместить на специальной поверхности. Добиться такого результата удалось в 2017 году коллективу исследователей Университета г. Киль (Kiel University) из Германии. В ходе экспериментов они использовали взаимодействие между соседними молекулами, хотя раньше оно рассматривалось как помеха в процессе записи.
Примечательно, что переход на спин-кроссоверные молекулы в качестве единиц хранения позволяет реализовать не только двоичный, но и троичный код, поскольку молекула может находиться в трех возможных состояниях. Это открывает новые возможности для повышения быстродействия систем памяти, и возникает теоретическая возможность повысить емкость обычных накопителей на жестких дисках в тысячу и более раз.
Прототипы
Выделю три прототипа, над которыми работают крупные компании. Google, IBM, Intel, Microsoft вкладываются в развитие квантовых компьютеров. Все вместе они вложили больше 500 млн долларов в разработку, лаборатории и исследовательские центры.
Первые классические компьютеры занимали целые комнаты, работали на вакуумных лампах и так нагревались, что для них требовалось отдельное мощное охлаждение. Квантовые компьютеры на них очень похожи — это шкафы высотой по 3 метра, большую часть которых занимают системы охлаждения. Компьютеры охлаждают до температуры близкой к абсолютному нулю, чтобы квантовые системы могли выполнять свои вычислительные функции.
Универсальные квантовые компьютеры
Это универсальные машины от Google и IBM с памятью примерно 20 кубит. Они выполняют любые операции, потому что полная универсальность доступна с относительно небольшим числом кубитов, дальше возникает практическое ограничение. Возможно, через год люди научатся работать с 30-40 кубитами.
Универсальные квантовые компьютеры способны реализовать произвольные квантовые алгоритмы, например, алгоритмы Шора и Гровера.
Современная криптография основана на разложении чисел на простые множители. В настоящее время неизвестно, существует ли полиномиальный не квантовый алгоритм для задачи факторизации. Однако 25 лет назад Питер Шор опубликовал статью, в которой объяснил, как квантовый компьютер может разложить очень большое целое число на простые множители.
Квантовый алгоритм компьютера работает не детерминистически, а угадывает простые множители с вероятностью правильного ответа больше 50% и находит простые множители экспоненциально быстрее, чем обычный.
С распространением квантовых компьютеров все современные методы шифрования окажутся уязвимы, и это основная мотивация в разработке квантовых алгоритмов последние 25 лет. Но пока применить метод Шора пока сложно, потому что алгоритм требует большой квантовый компьютер. Маленькие решают задачу только для небольших чисел.
Другим примером, демонстрирующим потенциал квантовых вычислений, является Алгоритм Гровера для задачи перебора или поиска решения уравнения
какая-то сложная функция.
Кроме упомянутых выше алгоритмов Шора и Гравера есть большое количество других квантовых алгоритмов. Любая физическая система хочет перейти в состояние равновесия — квантовая не исключение. С научной точки зрения правильнее говорить не о равновесии, а об основном состоянии системы. Классический аналог — состояние покоя. Система всегда стремится перейти в состояние покоя с минимальной энергией. В терминах вычислительных задач — это оптимизационная задача минимизации энергии. Квантовый компьютер как раз может решать подобные задачи.
Вся область применимости квантовых алгоритмов и компьютеров пока не понятна. Но уже есть десятки различных оптимизационных задач, с которыми квантовые компьютеры и алгоритмы могут справиться, и находятся новые.
Квантовые симуляторы ограниченной универсальности
Это другое направление: универсальность ограничивается, но поддерживается изоляция (когерентность). Это компьютеры на рубеже в 50-70 кубитов, что в смысле памяти уже больше, чем любой суперкомпьютер.
На этой границе возможности специализированного квантового компьютера превосходят возможности классического — возникает квантовое превосходство. Это значит, что квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи, на которые у обычных (даже суперкомпьютеров) уйдут десятки, сотни или тысячи лет.
В октябре 2019 Google заявил, что достиг квантового превосходства. Новость появилась во всех ведущих газетах и журналах, соответствующая научная статья была опубликована в Nature. Тематические статьи выпустили многие газеты, даже New York Times и Wall Street Journal, которые далеки от науки.
В реальности Google разработал квантовый процессор с ограниченной универсальностью. У него достаточно большое количество кубитов, и он может выполнять некоторые узкие задачи лучше, чем любой классический компьютер. Другой вопрос, что это очень узкие и искусственные задачи.
Некогерентные процессоры с числом кубитов от 2 тысяч
Если забыть про универсальность и когерентность, можно добавлять 2 или даже 3-4 тысячи кубитов. Этим направлением занимается компания D-Wave из Канады. У них есть процессоры с тысячей кубитов, но без когерентности.
Новые технологии памяти
Одной из самых обсуждаемых новых технологий являются квантовые флешки. Они основаны на принципах квантовой физики, позволяя хранить информацию в квантовых состояниях. Квантовые флешки обещают огромную емкость и высокую скорость передачи данных. Однако, из-за сложности и дороговизны производства и чтения данных с квантовых флешек, пока они остаются в стадии разработки и не могут конкурировать с традиционными флешками.
Биологические флешки
Интересным направлением в развитии новых технологий памяти являются биологические флешки. Они используют специальные биологические материалы и методы хранения данных, вдохновленные природными системами памяти. Биологические флешки обещают невероятные возможности в области емкости и энергоэффективности. Однако, вопросы этики и безопасности в использовании биологических материалов при хранении информации вызывают серьезные сомнения и требуют дальнейшего исследования.
Квантовые компьютеры и холодные атомы
С развитием квантовой компьютерной технологии становятся возможными новые способы хранения данных. Одной из перспективных идей является использование холодных атомов в квантовых компьютерах. Холодные атомы могут быть использованы для квантовой памяти, что обещает высокую надёжность и емкость. Однако, технология квантовых компьютеров все ещё находится в стадии разработки и требует больших усилий для понимания и применения.
Нанокристаллы соли
Экспериментальная установка с индивидуальным расположением сканирующего конфокального микроскопа для считывания данных
В 2018 году австралийские ученые выяснили, что крошечные нанокристаллы соли BaFCl могут служить хранилищем данных со световым кодированием. Эксперименты показали, что нанокристаллы соли обладают свето-эмитирующими свойствами, которыми можно управлять при помощи лазера. Это позволяет записывать и извлекать информацию, поскольку лазер изменяет электронные состояния кристалла и его флуоресцентные свойства.
Плотность записи на таком носителе может быть на 1-2 порядка больше, чем на HDD, SSD и BD. Кроме того, в отличие от других оптических форматов, такой носитель можно перезаписывать.
Технология позволяет осуществлять многоуровневую запись нескольких битов на один кристалл, причем могут быть использованы очень маломощные лазеры.
Одной из многообещающих перспектив технологии является также возможность разработки трехмерной среды носителя данных (3D data storage). Трехмерное оптическое хранение данных потенциально может позволить хранить около петабайта в компактном кубике. Для сравнения, считается, что человеческий мозг может хранить около 2,5 петабайт.
К сожалению, и эта разработка пока не достигла стадии практической реализации.
Зарегистрируйтесь на Однополчанах и вы обязательно найдете своих армейских сослуживцев!
Зарегистрировано:
700.000
сослуживцев по армии
Создано:
6.700
групп по вч, ву и др.
Разыскиваются:
32.000
сослуживцев по армии
Практические точки
Квантовые точки находят применение в таких областях, как оптоэлектроника, солнечная энергетика, люминесцентные материалы, биомедицина и квантовые компьютеры. Одно из основных применений — создание квантовых светодиодов и фотодиодов. В этих устройствах квантовые точки используются в качестве активной области, которая «конвертирует» синюю подсветку в красный и зеленый цвета, что на выходе (вместе с синей) дает нужный нам RGB.
Использование квантовых точек в дисплеях — пока что наиболее известный пример практического применения технологии. Там они присутствуют в виде дополнительной нанокристаллической плёнки и отвечают за более точную цветопередачу изображения. Большинство ЖК-дисплеев неспособны отобразить весь спектр цветов, который в состоянии воспринять человеческий глаз. По некоторым оценкам, жидкокристаллические дисплеи охватывают только четверть оттенков из возможных. Поскольку технология квантовых точек позволяет довольно точно задавать длину волны излучаемого нанокристаллами света, дисплеи с применением этой технологии расширяют диапазон отображаемых цветов минимум на 50%. Q LED-экраны способны показывать гораздо более яркую и сочную картинку, чем их жидкокристаллические собратья. С ними могут, в принципе, потягаться OLED-дисплеи, хотя бы благодаря «абсолютно черному», но у них есть пара недостатков: дороговизна, выгорание и меньший срок службы.
Солнечная энергетика
В солнечной энергетике квантовые точки используются для улучшения характеристик солнечных элементов. Нанокристаллы обладают уникальными оптическими свойствами, которые позволяют им поглощать больше света, чем традиционные основы для солнечных батарей на базе кремния, и преобразовывать его в электричество.
За последнее десятилетие с небольшим ученые разработали несколько прототипов солнечных батарей на основе квантовых точек. Например, в 2011 году исследователи из университета Нотр-Дама разработали «солнечную» краску на основе диоксида титана, которая может превратить любой объект в солнечную батарею. У нее очень низкий коэффициент преобразования — около 1% поглощенного света превращается в энергию, но она дешева в производстве и может производиться в больших объемах. В 2014 году ученые из Массачусетского технологического института представили метод изготовления солнечных элементов из ультратонких слоев квантовых точек, коэффициент преобразования их разработки составил уже 9%. А в 2022 году специалисты из Кореи разработали солнечные панели с квантовыми точками, которые показали эффективность в 25,7%. Такой эффект был достигнут в том числе за счёт способности квантовых точек поглощать практически весь спектр солнечного излучения. Исследования в этой области продолжаются.
Люминесценты и биомедицина
То, как квантовые точки обходятся со световыми волнами, нашло широкое применение в тех сферах, где важны люминесцентные свойства материалов. Поэтому они используются в полиграфической промышленности для создания растворов, превосходящих по своим характеристикам обычные люминофоры. Они обладают фотостабильностью на протяжении нескольких лет, высокой стойкостью к выцветанию, чистотой цвета и устойчивостью к химической деградации. Эти свойства квантовых точек позволяют использовать их для защиты товаров и документов от подделок. В ювелирной, фармацевтической и изобразительной отраслях можно использовать цветную маркировку на основе квантовых точек. Они могут быть использованы для защиты документов, таких как сертификаты, дипломы, ценные бумаги, товарные знаки, банкноты, свидетельства и прочее.
Раствор квантовых точек в УФ
Те же люминесцентные свойства квантовых точек делают возможным их использование в биомедицине. Там их применяют в качестве биомаркера: из-за своих крайне малых размеров точки способны беспрепятственно проникать в клетки и окрашивать различные их части в разные цвета. Это полезно для диагностики опасных заболеваний, например раковых опухолей. Квантовые точки используют в фотодинамической терапии — методе лечения множества заболеваний, включая рак, с помощью световых волн определенной длины. Точки используются в этом методе для поглощения света и преобразования его в энергию, которая затем (при вступлении в реакцию с дополнительными агентами) используется для уничтожения опухоли.
Окрашивание органов с помощью квантовых точек в медицине
Квантовые компьютеры и криптография
Квантовые компьютеры — ещё одна сфера, где квантовые точки могут оказаться незаменимы благодаря своим свойствам. Поскольку состоянием и свойствами точек относительно легко управлять, они рассматриваются учёными в качестве кандидатов на роль квантовой ячейки памяти — одного из базовых элементов для компьютеров следующего поколения.
Двухкубитный квантовый процессор на квантовых точках
Возможность создавать квантовые точки, способные испускать фотоны на большие расстояния, делают технологию подходящей для применения в квантовой криптографии. Конкретнее это может пригодиться для реализации функции распределения квантовых ключей — когда две стороны, общаясь по открытому каналу связи, могут создать случайный ключ, известный только им двоим, и использовать его для зашифрованного обмена данными. Вот, к примеру, схема работы протокола квантового шифрования T-12:
В квантовом мире, если какой-либо его объект подвергается попытке наблюдения, состояние этого объекта тут же меняется. В шифровании это свойство помогает общающимся агентам понять, что кто-то третий пытается взаимодействовать с защищённым каналом связи, и не допустить перехвата данных. Ключ распределяется за счет передачи одной стороной в адрес другой одиночных фотонов определённой поляризации. Для устойчивого соединения нужно, чтобы передающая сторона могла излучать большое количество одиночных фотонов одинаковой поляризации.
Квантовые точки в этом смысле идеально подошли на роль таких излучателей. Первые экспериментальные системы на квантовых точках появились еще в начале двухтысячных. В 2021 году исследователи из национальной лаборатории Лос-Аламоса создали новый класс квантовых точек, способных испускать чистые одиночные фотоны. В отличие от других источников излучения, новые квантовые точки умеют излучать в обычных условиях окружающей среды — например, при комнатной температуре, что делает их более универсальными, а значит, и более доступными в использовании.
Вот так из экспериментов с разноцветным стеклом квантовые точки выросли в продвинутую технологию, которая активно проникает во многие сферы нашей повседневной жизни. Она является характерным примером использования «странных» свойств квантового мира в привычном нам макромире. Характерным, но не единственным: многие компании сейчас активно инвестируют в перспективные квантовые технологии. Например, «Газпромбанк» уже более десяти лет инвестирует в перспективные технологии, включая квантовые. Мы были первыми, кто протестировал средства квантовой криптографии и внедрил постквантовую криптографию в каналы обмена связи. А сейчас финансируем разработку системы квантовой спутниковой связи.
Биомедицина — ещё одна область инвестиций. Мы создаем биомедицинский центр, который займётся разработкой системы адресной доставки лекарств (созданием наноконтейнеров, которые могут доставить лекарственный препарат с точностью до клетки). Кроме того, «Газпромбанк» инвестирует в разработку сверхчувствительных сенсоров для глубоких исследований мозга — это ещё одна инновация, опирающаяся на квантовые технологии.
Как и квантовые точки, эти технологии пока ещё находятся в ранней стадии исследования, но в будущем они существенно улучшат жизни людей. И будущее это не так далеко, как может показаться на первый взгляд.
Доверие к новым технологиям памяти
С появлением новых технологий памяти возникает вопрос о доверии к ним. Пользователи должны быть уверены в надежности, безопасности и доступности новых технологий.
Несмотря на потенциальные преимущества, новые технологии памяти также имеют свои недостатки и риски. Сложность и дороговизна производства, этические вопросы, безопасность и соответствие нормам и правилам – все это факторы, которые могут повлиять на доверие к новым технологиям. Кроме того, пользователи могут опасаться введения новых форматов данных и несовместимости с уже существующими системами.
Голографические диски
Область применения: архивное хранение данных
Состояние: прототип продукта
Технология голографической записи стала известна с 1970-х годов и сразу же запала в душу режиссерам фильмов жанра Sci-Fi. В реальной жизни мы встречаем ее куда реже. Запись голограммы производится за счет комбинации двух лазерных лучей, один из которых несет информацию, а другой является вспомогательным, в научной терминологии – опорным. Накладываясь друг на друга, световые волны лазеров создают сложную пространственную картину внутри запоминающего слоя, который обладает фотографической памятью – как карточка Polaroid, только объемная. Для восстановления данных достаточно направить луч опорного лазера на фотографический слой.
Следуя мудрому предписанию Козьмы Пруткова, бросьте на поверхность пруда два камушка и сфотографируйте получившуюся волновую картину. Так вот, при голографической записи происходит то же самое, только не на поверхности воды, а в пространстве. Объемность изображения позволяет записывать на голографические носители в десятки и сотни раз больше информации, чем на лазерные и Blu-ray диски, у которых плоскость записи одна или две. Технических сложностей у такой технологии тоже больше. Основная – подбор надежного полимера для фотографического слоя, почти все они либо распадаются с течением времени, либо вступают в химические реакции.
Несмотря на то, что поиск устойчивого полимера кажется ученым решаемой задачей, компания InPhase Technologies, уже представившая публике прототип записывающего устройства, обанкротилась, так и не выпустив коммерческий продукт.
Как работает квантовый компьютер
Он работает иначе — по интуитивно непонятной логике. Как и обычный, он проводит вычисления, но в его основе лежат законы квантовой механики.
Классический мир и классическая механика детерминистичны. Это значит, что значение любого регистра памяти в компьютере всегда 0 или 1, а тарелка всегда либо целая, либо разбита.
В квантово-механической системе нет такой четкости, а есть вероятность, которая определяет ее суть. Правильный вопрос здесь — какова вероятность, что тарелки разбились или целы, какова вероятность, что значения регистра 0 или 1?
Вероятность — первое важное понятие в квантовой механике. С точки зрения квантовой механики «тарелки Шредингера» одновременно и целые, и разбитые. Есть некая вероятность того, что они целые, и некоторая вероятность, что разбитые. Эта неопределенность и отражает реальный физический мир.
На классическом уровне неопределенность маскирует наше незнание. Например, когда мы покупаем лотерейный билет «Спортлото», для нас появляется вероятность выиграть, потому что мы не знаем выигрышный номер.
Для классической физики лотерея — это не вероятностный процесс. Всегда можно описать движение руки, которая запускает барабан, скорость и траекторию каждого шарика. Теоретически, можно угадать выигрышный номер (хотя практически — сложно). В квантовой механике даже теоретически нельзя угадать, что произойдет в следующую секунду. Мы можем только предсказать это с точки зрения вероятности.
Второе понятие — принцип суперпозиции. Обычный бит находится только в значениях 0 или 1. В квантовых компьютерах нет обычных битов, а есть квантовые — кубиты. Квантовый бит находится в состоянии 0 или 1 с какой-то вероятностью. Кубит может находиться одновременно в этих состояниях, притом в разных комбинациях — в суперпозиции этих состояний.
Когда система (кубит) находится одновременно в состоянии 0 или 1, можно говорить только о вероятностях. Если состояний много, система одновременно находится во всех возможных состояниях, но с меньшей вероятностью для каждого. Это принципиально важно.
В классической программе в каждый конкретный момент времени каждая строка программы работает с определенной ячейкой памяти. В квантовой механике можно работать со всеми ячейками памяти одновременно.
«Память» квантового компьютера
В чем основная разница между квантовой и классической памятью компьютера? В обычном компьютере мы записываем числа в двоичном коде. Например, число 8 в двоичной системе выглядит как 00001000, и для его записи достаточно 4 битов.
В квантовых компьютерах кубиты находятся в состоянии 0 или 1 с какой-то вероятностью. Вероятность — это число. Чтобы записать одно число с бесконечной точностью, нужно бесконечное количество битов. Поэтому, в теории, один кубит — это физическая система с бесконечным количеством памяти.
На практике у методов измерения ограниченная точность. Будем считать, что она соответствует обычной машинной (float). Получается, что кубит содержит два числа: вероятности, что кубит в состоянии 0 и в состоянии 1.
Примечание: для упрощения мы игнорируем, что сумма вероятностей кубита в состоянии 0 и 1 должна равняться единице. Основной вывод не зависит от упрощения.
Один кубит соответствует двум вещественным числам (float). Это большой выигрыш, потому что для двух вещественных чисел на обычном компьютере нужно два машинных слова — 128 обычных битов, а мы обошлись одним квантовым. Может показаться, что квантовый компьютер в 128 раз лучше обычного. Но это не так.
Квантовый компьютер экспоненциально лучше обычного.
Один кубит это 2 вещественных числа. Два кубита — 4 вещественных числа. Но восемь кубитов это 256 потенциальных конфигураций восьми нулей и единиц — два в восьмой степени.
Для одного кубита выигрыш в 128 раз, а для восьми кубитов он существенно больше — 256*128. Система n кубитов в памяти эквивалентна
Емкость квантовой памяти растет в геометрической прогрессии.
Память обычного ноутбука эквивалентна 15 кубитам, 40 кубитов равны памяти самых мощных вычислительных центров, а 50-60 кубитов превышают суммарную память всех вычислительных центров всего мира.
Три-четыре кубита эквивалентны увеличению обычной классической памяти в 10-20 раз. Квантовая память значительно более емкая, чем любые другие классические способы записи информации. В этом главный потенциал квантовых вычислений.
Но экспоненциальный рост емкости квантовой памяти вызывает проблему размерности. Из-за проклятия размерности сложно описать такую квантовую систему на классическом компьютере — требуется все больше и больше памяти.
Какие задачи может решить квантовый компьютер
Если квантовый мир работает на уровне неопределенности, как вообще возможно что-то посчитать? У квантовой механики вероятностная природа, а нам нужен точный ответ. Как все будет работать, если нужно просто перемножить два числа?
Объясню на примере задач класса NP, то есть задач разрешимости, решение которых невозможно найти за полиномиальное время — во всяком случае, в предположении
. Однако, правильность решения за полиномиальное время проверить можно. Это похоже на взлом закрытого замка: мы не умеем пользоваться отмычками, но можем быстро проверить любой ключ, если он есть.
Благодаря принципу суперпозиции квантовая система находится сразу во всех состояниях и ищет лучший вариант. Однозначного ответа система не дает, но повышает вероятность того, что лучший вариант является решением. Когда система остановится на каком-то решении, мы сможем довольно быстро проверить его на правильность.
Если окажется, что ответ неверен, запустим квантовый компьютер еще раз. Вероятность получения правильного ответа больше 50%, а часто гораздо больше. Значит, за 2-4 запуска квантового алгоритма мы получим правильный ответ.
У нас не будет однозначного ответа, а только вероятность получить правильный ответ. Но эта вероятность весьма высока. Фактически, мы гадаем, но не на кофейной гуще, а на научной. За несколько итераций мы найдем ответ и проверим, что он правильный.
Параметры квантового компьютера
У классического компьютера два параметра качества: объем памяти и количество операций. С обычным компьютером мы по умолчанию предполагаем, что у нас есть доступ ко всем ячейкам памяти для записи и чтения.
В квантовом случае есть три параметра.
Объем памяти или количество кубит. Чем больше памяти, тем лучше? Для квантового компьютера нет — когда мы увеличиваем количество кубит, растет сложность квантовой системы. Систему становится тяжело поддерживать в изолированном состоянии.
Время работы или количество последовательных операций (когерентность). Систему обязательно требуется поддерживать в изолированном состоянии — в физике это называется когерентность. Если позволить квантовой системе взаимодействовать с окружающей средой, то это разрушит состояние ячеек квантовой памяти. Вместо нулей и единиц будет просто шум.
Мы пытаемся поддерживать систему изолированной как можно дольше. Но чем больше квантовых операций проводим, тем больше времени на них уходит, а значит все сложнее поддерживать систему в изолированном состоянии.
Примечание: здесь количество операций не в секунду, а за все время работы системы.
Возникает парадокс: чем больше кубитов, тем меньше операций доступно. Поэтому время, в течении которого можно держать систему изолированной и произвести некоторое количество операций, это важный параметр.
Представьте обычный компьютер, в котором нет охлаждения. Пока компьютер не перегреется, у него есть время что-то посчитать, а потом он отключается. Примерно то же самое происходит в квантовом компьютере. В нем нет «вентилятора»: чем больше работает, тем больше нагревается, пока не разрушится. Поэтому есть ограничение на количество операций.
Универсальность. В классическом компьютере доступны любые операции: умножение, деление, вычитание. Теоретически, в квантовом тоже. Но на практике, существенно проще проводить операции только с соседними кубитами, которые расположены на прямой, в прямоугольном или квадратном массиве. Для работы со всеми кубитами требуется очень сложная архитектура — на практике пока так не умеют.
Все три направления конфликтуют друг с другом. Мы можем улучшить одно, но это произойдет за счет ухудшения двух других. Сейчас, когда технология в зачаточном состоянии, можно выделить несколько прототипных платформ, и каждая из них пытается улучшить показатели одного направления за счет двух других.
Что значит квантовая революция для IT-индустрии
Пока что ничего. Мы находимся в так называемой эре NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum technology. Это значит, что сейчас нет таких квантовых устройств, которые могли бы соперничать с классическими компьютерами. Пока нельзя создать квантовую систему, которая по всем параметрам превзойдет классическую: достаточно небольшую, универсальную и изолированную. Пока получаются только системы, которые выполняют узкоспециальные задачи определенного сорта лучше, чем вычислительный кластер. Квантовые технологии пока непрактичны. Хотелось бы использовать этот огромный потенциал для своих ежедневных задач, но неизвестно, как это сделать.
У квантовых технологий огромный «подрывной потенциал». Если научиться хорошо решать хотя бы одну из оптимизационных задач, о которых говорилось выше, это изменит одну конкретную индустрию, как минимум. Надеюсь, что через 5-10 лет в некоторых направлениях ситуация изменится.
Многие компании создают прообразы настоящих квантовых компьютеров — они уже что-то умеют делать, но пока этого недостаточно.
В Сколтехе мы пытаемся ответить на главный вопрос — как и для чего можно использовать квантовый компьютер. С моими коллегами Владимиром Антоновым и Олегом Астафьевым трудимся над проектом, в рамках которого работаем над маленьким квантовым компьютером. К сожалению, часть архитектурных и дизайнерских вопросов еще не решены, потому что мы все еще не уверены, какие именно задачи должен будет решать этот компьютер. Если этот вопрос вам интересен, приглашаю его обсудить.
То, с каким интересом участники HighLoad++ восприняли доклад о квантовых компьютерах и АЭС, натолкнуло нас на мысль уделить большее внимание подобным темам на наших конференциях. Поэтому на РИТ++ в мае в онлайне у нас будут секции научпопа и применения IT в смежных областях. И это только малая часть новинок фестиваля «Российские интернет-технологии» — подробнее смотрите на сайте и в рассылке.
Память на базе ортоферрита тулия
Фундаментальная идея сверхбыстрой памяти на базе ортоферрита тулия
В 2016 году в журнале Nature опубликовали итоги совместных опытов российских и европейских ученых. Им удалось создать сверхбыстрый оптический аналог жесткого диска, который тратит ничтожное количество энергии на чтение и запись данных.
В основе устройства лежит свойство некоторых соединений редкоземельных металлов менять намагниченность при обстреле особыми пучками терагерцового излучения.
Терагерцовое излучение или Т-лучи — электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами с длиной волны от 1 до 0,1 мм. Т-лучи легко проходят сквозь большинство диэлектриков, но хорошо отражаются проводящими материалами, например, металлами, и поглощаются многими жидкостями, в том числе водой.
Ученые выяснили, что Т-лучи воздействуют на состояние спинов гораздо быстрее, чем это делают магнитные поля, и действуют на них примерно в десять раз сильнее. Обнаружив этот эффект, физики решили проверить, до каких пределов можно «разогнать» память или диски, основанные на его базе, и подобрать оптимальный материал для их создания и методику подготовки импульсов терагерцового излучения.
Как обнаружили ученые, силу действия Т-лучей можно заметно повысить, если использовать антиферромагнетик ортоферрит тулия TmFeO3, поверхность которого покрыта особыми наноантеннами из золота. Это снизило потери энергии до минимально возможных и позволило ученым установить новый рекорд по скорости переключения спинов — три пикосекунды.
Как показали эксперименты с реальным прототипом подобной оптическо-магнитной памяти, для переключения спина достаточно всего одного фотона терагерцового излучения, что делает подобную память почти бесплатной с точки зрения энергозатрат.
Несмотря на перспективы, накопители на базе ортоферрита туллия пока не выпускаются.
Кварцевые носители и кварцевое стекло
Впервые о создании рабочей технологии записи данных на кварц объявили в 2013 году. В кварцевых кристаллах памяти информация записывается с пятью характеристиками, среди которых координаты в трех измерениях, ориентация и объём. Для контроля ориентации и объёма создатели технологии воспользовались поляризацией и интенсивностью лазера.
Практическим результатом экспериментов стала запись 300-килобайтного текстового файла на кварцевый накопитель, выполненная в 2013 году. Для этого использовали фемтосекундный лазер с длиной волны 1030 нм, импульсами по 8 микроджоулей продолжительностью 280 фемтосекунд с частотой 200 кГц. С его помощью внутри кристалла выжигали расположенные слоями точки, расстояние между которыми составляло 5 мкм.
Такие точки меняют поляризацию проходящего через кварц света, и эту информацию можно считать с помощью оптического микроскопа и поляризатора. С момента создания технологии на кварцевые диски записали Всеобщую декларацию прав человека, Ньютоновскую оптику, Великую хартию вольностей и Библию.
Разработчики заявляют, что их технология идеально подходит для организаций, которым нужно долго хранить в неизменном виде большие объемы данных, например, для музеев и библиотек.
Теоретически срок хранения информации на таком диске не ограничен, если диск не царапается или не получает повреждения.
Прототип кварцевого накопителя от Microsoft и Warner Bros.
Похожую технологию представили Microsoft и Warner Bros, эксперты которой научились записывать видео на кварцевое стекло размером 75×75 мм и толщиной 2 мм. Как и кристаллы кварца, кварцевое стекло ориентировано на хранение данных в течение миллионов лет, а не на использование в домашних видеотеках.
В отличие от других перспективных технологий в этом посте кварцевое стекло вполне пригодно для практического использования. С его помощью Microsoft и Warner Bros. увековечили оригинальную картину «Супермен» 1978 года, «запечатав» в кварцевом стекле 75,6 Гб данных.
Технология хранения в кварцевом стекле использует сверхбыструю лазерную оптику и машинное обучение для записи и хранения. Лазер создает объемные слои деформаций кварца на разной глубине и под разными углами. Машинное обучение помогает корректно считать записанные данные, декодируя их.
Разработка востребована не только Warner Bros., но и другими компаниями, которые занимаются производством видеоконтента. В отличие от цифровых и пленочных копий, в которых сейчас хранятся фильмы, кварцевое стекло значительно надежнее, поскольку теоретически позволяет хранить данные в течение сотен миллионов лет.
Квантовые накопители
Запись квантовой информации в ион европия внутри кристалла ортосиликата иттрия
В начале 2015 года стало известно, что учёные Австралийского национального университета (ANU) и Университета Онтаго (University of Otago) создали устройство, способное хранить квантовую информацию в течение шести часов.
С помощью лазера команда устанавливала тот или иной спин ядер редкоземельного элемента европия, встроенного в кристаллы ортосиликата иттрия. После этого кристаллы охлаждали до температуры -271°C и окружали комбинацией из фиксированного и колеблющегося магнитного поля. Эти два поля изолировали спины ядер европия и предотвращали утечку информации.
Получившееся устройство представляет собой первый прототип оптического накопителя для частиц, находящихся в состоянии квантовой запутанности. В перспективе его можно будет перенести в другое место, подключить к новой изолированной сети и продолжить передачу сигнала, зашифрованного в спине ядер.
Разумеется, перспективы практического применения квантовой флешки довольно туманны, поскольку она работает при температурах, близких к абсолютному нулю. Кроме того, ученые сообщают, что реальное время хранения квантовой информации требует более тщательной проверки.
Нужно больше гигабайт. Экзабайты будущего
Время на прочтение
Человечество продолжает создавать все больше информации. Физический мир постепенно оцифровывается, и этот гигантский массив данных требуется где-то хранить. А значит, существует растущая потребность в системах хранения для накопленной информации.
В этом посте рассмотрим перспективные технологии, которые будут помогать сохранять информацию в ближайшем будущем.
Инновационные технологии памяти
Могли бы мы еще лет 20 назад подумать, что гигабайты записанных данных можно будет хранить на маленькой флешке. Вместе с тем, современные разработки и новости технологий будущего продолжают удивлять нас.
Например, совсем недавно ученые предложили новый способ хранения данных с помощью флеш-памяти. Технология флеш-памяти на квантовых точках призвана решить две проблемы, свойственные современным флешкам: продолжительное время записи и низкую стабильность записанных данных.
В обычной флешке ячейка памяти представляет собой вместилище из диоксида кремния, внутри которого располагается электронный заряд. В результате квантовых эффектов заряд может «просачиваться» через стенку вместилища в обоих направлениях. Со временем стенка вместилища разрушается, в результате чего электронный заряд начинает утекать бесконтрольно, а флешка становится негодной.
Наблюдая этот недостаток, ученые придумали заменять вместилище из диоксида кремния своеобразной «ямой». А внутри этой ямы вместо проводника поместить квантовые точки. Яма не обладает стенками, которые со временем могли бы разрушиться, что серьезно увеличивает ее долговечность.
Еще одно отличие ямы от вместилища в том, что в яму проще попасть, но вот выбраться оттуда также сложно. Получается, что в подобные ячейки памяти легко записать единицу, но сложно записать ноль. Подобное свойство может привести к тому, что флешка на квантовых точках будет быстро работать на запись, но долго на удаление.
Или наоборот – быстро на удаление и долго на запись – тут все зависит от выбора инженеров. Так или иначе, данная технология позволит значительно обойти обычную flash память в быстроте записи и долговечности.
Некоторые даже полагают, что благодаря тонкой настройке (можно сделать память с коротким временим жизни и быстрой перезаписью, а можно наоборот), технология памяти на квантовых точках сможет потягаться с DRAM – оперативной памятью ПК. Вот только на данный момент скорость записи у flash составляет десятки микросекунд против десятков наносекунд у DRAM. Поэтому маловероятно, что для подобного оптимизма имеются основания.
Одна большая потенциальная область применения — это криптография. Вторая — оптимизационные задачи, которые возникают в самых разных областях.
Наука. Квантовые вычисления могут помочь предсказывать поведение элементарных частиц, моделировать молекулы ДНК или разрабатывать новые лекарственные препараты. Например, квантовые вычисления пытаются применять в фармакологии. Для этого нужно понимать, какую форму принимают разные протеины (про которые можно думать, как про микроскопические квантовые объекты). Мы не знаем, как они себя будут вести, но самый простой способ это понять — симулировать их поведение на квантовом компьютере. У этой научной задачи огромный бизнес-потенциал: новые лекарства, добавки, антибиотики.
Новые материалы. В науке о материалах главное — понять взаимодействие атомов, что можно смоделировать на квантовых компьютерах. Это тоже научная задача, но создав новый материал, его уже можно продавать.
Машинное обучение и искусственный интеллект. Машинное обучение — сложный процесс, который требует огромного количества вычислений. Пока здесь нет практической пользы от квантовых компьютеров, потому что они сейчас не на том уровне развития. Но в перспективе, квантовые компьютеры могут ускорить стандартные алгоритмы. В некоторых случаях это выглядит революционно, потому что можно в десятки раз сократить время обучения нейросети.
Транспорт, энергетика, логистика. В этих сферах много оптимизационных задач. Например, в энергетике главная проблема — распределение электрической энергии по стране. Цена на электричество в разных регионах отличается, при этом во время передачи часть энергии теряется, а с ней и прибыль. Чтобы заработать больше денег, бизнес пытается оптимизировать передачу. Это одна из тех задач, которая находится в классе NP. Сложно найти правильное решение, но квантовый компьютер может помочь.
Бизнес-приложения. В бизнесе квантовыми вычислениями занимаются только большие компании, корпорации. У гигантов есть деньги и ресурсы, например, у Google, D-Wave или IBM (лидер области с большими наработками).
На сайте компании D-Wave написано, что уже в 150 бизнес-приложениях используются квантовые вычисления. I BM выпустил брошюру, в которой обсуждается, что можно сделать с помощью квантового компьютера. Это десятки различных индустрий и потенциально сотни бизнес-решений. Так все выглядит на бумаге.
В реальности все немного иначе. Развитие технологий сейчас пока не на том уровне, чтобы применять их на практике.