квантово-механический принцип на уроке математики

Урок цифры по теме «Квантовый мир

марта 02, 2022

С 10 марта по 10 апреля 2022 года будет проходить всероссийская акция «Урок Цифры» по теме «Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер».

Новый урок подготовлен в рамках реализации национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации», а также дорожной карты по квантовым вычислениям при поддержке Российского квантового центра, Национальной квантовой лаборатории и Газпромбанка.

«Урок цифры» будет состоять из теоретической части и блока с упражнениями (игрового тренажера). Десятиминутный фильм о принципах квантовой физики, устройстве нашего мира и практическом применении квантового компьютера поможет школьникам лучше понять растущий интерес к новому типу вычислительных устройств. В то же время игровые задания по обучению алгоритма и квантовому программированию позволят популяризировать науку среди учащихся 1-7 и 8-11 классов.

Все материалы будут доступны на сайте урокцифры.рф. Приступить к занятию можно в любое время: в школе с учителем или дома, самостоятельно либо с родителями.

В целях эффективной организации мероприятия 2 марта 2022 года в 10.00 час. (мск) и 14.00 час. (мск) запланирован вебинар с разработчиками Урока по методическим материалам.

Цель этого вебинары – рассказать педагогам и родителям о том, как работает квантовый компьютер, а также дать ответы на самые распространенные вопросы по проведению урока.

Слушатели узнают: как провести урок по теме “Квантовый мир: как утроен квантовый компьютер”:

• Какую цель преследует урок;
• Какие образовательные результаты планируются после прохождения урок;
• Из чего состоит комплект материалов к уроку;
• Как пользоваться материалами к уроку;
• Содержание видеоролика, методических рекомендаций и тренажеров;
• Предполагаемый план урока для разных возрастных групп;
• Предполагаемые формы проведения урока.

Этот урок посвящен удивительному миру квантовой физики и квантовых технологий. Вы узнаете, чем квант отличается от кубита, а квантовая физика – от классической. Также вы узнаете о квантовом компьютере: как он работает и какие сферы нашей жизни скоро изменит. Мы покажем, кто сейчас занимается квантовыми вычислениями и технологиями будущего.

И если вам понравится путешествие в мир квантовых технологий, вы сможете выбрать эту новую сферу науки и техники своей будущей профессией!

Посмотри видеолекцию

`

Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер

Квантовая физика – это мир чудес, настоящая terra incognita. Здесь кот перемещается быстрее скорости света, а лампочка включена и выключена одновременно. Однако ученые узнали ее законы и даже смогли поставить их себе на службу, создав квантовый компьютер! Как он устроен? Почему крупные компании вроде Google и целые государства наперегонки хотят создать свои собственные квантовые компьютеры? Кто создает его в России? Как изменится наша жизнь после второй квантовой революции? И когда была первая?
Смотрите ролик и узнаете!

Скачать видео

Собери коллекцию достижений

Везунчик

Открыть все карточки первого задания с первого раза в любом из тренажеров.

Покоритель будущего

Распределить верно с первого раза в тренажере для 1-7 класса.

Профессионал

Распределить все профессии с первого раза в тренажере для 8-11 класса.

Мастер перевода

Распределить верно все описания с первого раза в тренажере для 1-7 класса.

Компьютерный гений

Перенести все принципы работы квантового компьютера верно с первого раза в любом из тренажеров.

Квантовый программист

Распределить верно все значки с первого раза в тренажере для 8-11 класса.

Квантовый администратор

Отметить все задачи с первого раза в тренажере для 1-7 класса.

Научный языковед

Распределить верно все описания с первого раза в тренажере для 1-7 класса.

Все тренажеры пройдены

Авторизоваться на сайте и пройти оба тренажера урока.

Хочешь связать свою жизнь с передовой наукой, стать специалистом в области квантовых технологий? Начни свой профессиональный путь вместе с нами. Госкорпорация Росатом (Квантовые технологии) и Российский квантовый центр помогут тебе стать участником квантового сообщества. Присоединяйся: https://t.me/QuanTeensRQC
Учебные материалы разработаны Госкорпорацией Росатом (Квантовые технологии) при поддержке Российского квантового центра и помогают ученикам познакомиться с миром квантовой физики и квантовых разработок, а также выбрать актуальную профессию будущего.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер — средство вычислительной техники, где в основе работы центрального процессора лежат законы квантовой механики. Такой компьютер принципиально отличается от традиционных ПК, работающих на основе кремниевых чипов. Пока еще квантовый компьютер – устройство, о котором говорят многие исследователи физики вычислений.

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

Базой для вычислений такого типа служит кубит – система, в которой число частиц аналогично импульсу, а фазовая переменная (энергетическое состояние) – координате. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается.

На рисунке элементарная схема фазового кубита и его фотография. Источник: t-z-n.ru

В отличие от обычного бита, способного иметь только значения 1 и 0, квантовый бит (кубит) может находиться в суперпозиции этих состояний, то есть одновременно в значении 1 и 0. На практике кубит может существовать в самых разных комбинациях этих значений, что в перспективе позволит создавать сверхбыстродействующие компьютеры. Кубиты станут строительными элементами будущих квантовых компьютеров, способных решать задачи, практически недоступные классическим цифровым компьютерам. Для выполнения вычислений на квантовом компьютере необходимо привести во взаимодействие несколько кубитов, причем таким образом, чтобы они образовали единую квантовую систему. Затем этой системе надо позволить развиваться по законам квантовой механики и спустя определенное время выяснить, в какое состояние она пришла.

С ростом числа объединенных кубитов, вычислительная мощность такой квантовой системы экспоненциально растет. Теоретически это позволяет квантовому компьютеру справляться с задачами, на которые обычному цифровому компьютеру понадобятся миллионы лет. Например, давно известен так называемый алгоритм Шора, позволяющий быстро раскладывать большие числа на простые множители (задача, необходимая для взлома современных шифров). Обычные компьютеры решают эту задачу перебором возможных делителей, поэтому длинные числа современные компьютеры могут обрабатывать годами. Квантовый компьютер справился бы с такой задачей за считанные минуты и даже секунды, в зависимости от производительности.

Почему квантовые компьютеры имеют значение?

Объем ежедневно создаваемых данных просто огромен, и современные компьютеры уже не всегда успевают за такими объемами. Современные суперкомпьютеры по-прежнему слишком медленны для выполнения некоторых наиболее важных научных задач, например, тестирование воздействия новых лекарственных препаратов на молекулярном уровне.

Благодаря возможности выполнять очень сложные вычисления значительно быстрее, или даже моделировать эти лекарства на молекулярном уровне, квантовые компьютеры способны предоставить такой необходимый рост производительности и скорости. Большинство специалистов согласны с тем, что квантовые компьютеры – это наш шанс справиться с вызовами 21 века.

Вторая квантовая революция

Первая квантовая революция произошла во второй половине XX века и привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии – мобильной телефонной связи и интернета. Технологии первой квантовой революции применяются в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканерах, сканирующих туннельных микроскопах и т.д.

Объем рынка соответствующей продукции в мире составляет $3 трлн в год. При этом «закон Мура», согласно одному из изложений которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев, больше не работает.

С конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. В первой квантовой революции технологи и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями.

Во второй квантовой революции технологии будут строиться на способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином квантовые технологии.

Проблемы в создании квантового компьютера

На пути создания квантового компьютера существует множество проблем. Прежде всего необходимо научиться приводить кубиты в определенные исходные состояния, объединять их в запутанные системы, изолировать эти системы от влияния внешних помех, считывать результаты квантового расчета.

Также разработчикам квантового компьютера предстоит выбрать оптимальную элементную базу для изготовления кубитов. Имеется несколько конкурирующих подходов, и один из них — сверхпроводящие кубиты с джозефсоновскими переходами, похожие на первые носители компьютерной информации – ферритовые колечки. Правда, кубиты примерно в тысячу раз меньше магнитных битов эпохи, предшествовавшей появлению интегральных микросхем. Разработками в данной области занято множество иностранных институтов и лабораторий крупных компаний. Обладание рабочим прототипом универсального квантового компьютера открывает огромные возможности в разработке новых материалов, расшифровке сложнейших кодов, моделировании сложных систем, создании универсального искусственного интеллекта и множестве других областей. С появлением технологии считывания состояний кубитов, Россия также может включиться в эту многообещающую работу на передовом крае науки и компьютерной техники.

По сути своей, квантовые вычислительные системы представляют собой вершину развития параллельных вычислений. Этим системы способны решать сложнейшие вычислительные задачи, недоступные традиционным компьютерам. В частности, квантовые компьютеры позволяют осуществлять моделирование природных процессов в интересах специалистов по химии, материаловедению и молекулярной физике. С появлением квантовых компьютеров учёные, наконец, смогут создать катализатор для абсорбирования углекислого газа из атмосферы, сверхпроводники, способные работать при комнатной температуре, и новые лекарства от неизлечимых пока болезней.

Однако несмотря на существенный прогресс в исследованиях и активные дискуссии об успехах учёных, остаётся актуальной проблема преодоления естественных препятствий на пути создания жизнеспособных крупномасштабных квантовых систем, способных демонстрировать требуемую точность вычислений. Одним из таких препятствий является проблема производства однородных и стабильных кубитов (базовых элементов квантовых вычислительных систем).

Кубиты требуют крайне нежного обращения. Случайный шум и даже случайное наблюдение за кубитом способны привести к потере данных. Для устойчивой работы кубитов необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды – на уровне 20 миллиКельвин, что в 250 раз холоднее температуры открытого космоса. Подобный температурный режим предъявляет строжайшие требования к конструкции корпусов квантовых систем, в состав которых входят кубиты. Стремясь реализовать весь потенциал квантовых вычислительных систем, специалисты Intel из Группы исследования компонентов (CR) в Орегоне и Экспериментального производственного комплекса (ATTD) в Аризоне напряжённо работают над созданием инновационных архитектур и корпусов для выполнения уникальных требований и задач квантовых вычислительных систем.

2022

Создана технология для масштабирования квантовых компьютеров до миллионов кубитов

В конце сентября 2022 года появилась информация о том, что немецкие исследователи из Юлихского исследовательского центра и Рейнско-Вестфальского технического университета из Ахена создали технологию для масштабирования квантовых компьютеров до миллионов кубитов.

Для того чтобы квантовые компьютеры оказались полезными в практическом применении, необходимы миллионы квантовых битов. Масштабируемость является одной из самых больших проблем на сентябрь 2022 года при разработке будущих устройств. Одна из проблем заключается в том, что кубиты должны находиться очень близко друг к другу на чипе, чтобы соединить их вместе. Исследователи приблизились к решению этой проблемы на значительный шаг. Им удалось перенести электроны, носители квантовой информации, на несколько микрометров на квантовом чипе. Их квантовая шина может стать ключевым компонентом, который позволит совершить скачок к миллионам кубитов.

Ученые создали технологию для масштабирования квантовых компьютеров до миллионов кубитов

Квантовые компьютеры потенциально могут значительно превзойти возможности обычных компьютеров при выполнении определенных задач. Но еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут помочь в решении реальных проблем. Для многих приложений требуются квантовые процессоры с миллионами квантовых битов.

В какой-то момент количество сигнальных линий становится узким местом. Линии занимают слишком много места по сравнению с размером крошечных кубитов. А квантовый чип не может иметь миллионы входов и выходов – в современном классическом чипе их всего около 2 тыс. Ученые уже несколько лет проводит исследования, чтобы найти решение этой проблемы. Их общая цель – интегрировать части управляющей электроники непосредственно в чип. Производственные процессы во многом совпадают с процессами производства обычных кремниевых процессоров. Это считается преимуществом, когда речь идет о реализации очень большого количества кубитов.

Поэтому, для того чтобы разнести кубиты, в 2018 году ученые выдвинули идею квантового шаттла. Этот компонент должен обеспечить обмен квантовой информацией между кубитами, которые находятся на большом расстоянии друг от друга.

В качестве следующего шага физики теперь хотят показать, что информация кубита, закодированная в электроне, не теряется при транспортировке. Теоретические расчеты уже показали, что это возможно в кремнии в определенных диапазонах скоростей. Таким образом, квантовая шина прокладывает путь к масштабируемой архитектуре квантового компьютера, которая также может служить основой для нескольких миллионов кубитов.^[1]

Создан суперхолодильник для квантовых компьютеров. Он охлаждает сильнее, чем космос

13 сентября 2022 года стало известно, что IBM создала суперхолодильник для квантовых компьютеров. Он в 10 раз меньше, чем существующие аналоги и охлаждает сильнее космоса. Подробнее здесь.

Baidu представила свой первый квантовый компьютер

25 августа 2022 года китайская компания Baidu, развивающая одноименную поисковую систему (крупнейшую в КНР), представила свой первый квантовый компьютер. Он получил название Qianshi. Подробнее здесь.

Nvidia представила вычислительную платформу Quantum Optimized Device Architecture

Nvidia представила свою вычислительную платформу Quantum Optimized Device Architecture (QODA), цель которой — преодолеть разрыв между квантовыми и классическими приложениями. Об этом стало известно 13 июля 2022 года. Подробнее здесь.

IBM готовится завалить рынок квантовыми компьютерами огромной производительности

Исполнительный директор IBM Арвинд Кришна (Arvind Krishna) заявил, что к 2025 г. корпорация выставит на продажу «тысячи» квантовых компьютеров. Об этом стало известно 13 мая 2022 года. Подробнее здесь.

Ученые достигли более 99% квантовой точности с помощью кремния

11 апреля 2022 года стало известно, что исследование ученых Принстонского университета прокладывает путь для использования технологий на базе кремния в квантовых вычислениях и будет способствовать увеличению их использования в качестве альтернативы другим технологиям квантовых вычислений, таким как сверхпроводники и захваченные ионы.

Иллюстрация: securitylab.ru

В ходе исследования ученым удалось с помощью двухкубитного кремниевого квантового устройства добиться уровня точности более 99,8%. Точность, заключающаяся в способности кубита (наименьшей единицы информации в квантовом компьютере), выполнять операции без ошибок, является ключевым моментом для практических высокопроизводительных квантовых вычислений.

Исследователи по всему миру пытаются выяснить, какие технологии, сверхпроводниковые кубиты, захваченные ионы или кремниевые спиновые кубиты, больше всего подходят на роль базовых элементов квантовых вычислений. И, что немаловажно, специалисты изучают, какие технологии являются наиболее подходящими для коммерческого использования.

С помощью кремниевого устройства, так называемой двойной квантовой точки, ученые Принстонского университета смогли захватить два электрона и заставить их взаимодействовать между собой. Таким образом им удалось использовать спиновое состояние каждого электрона в качестве кубита, а взаимодействие между электронами позволило эти кубиты запутать.

Кубит – своего рода квантовый бит, являющийся наименьшей единицей данных в компьютерных технологиях. Как и бит, кубит кодируется с информацией, которая может иметь значение ноля или единицы.

Тем не менее, в отличие от бита, кубит может использовать принципы квантовой механики, что позволяет ему выполнять задачи, которые обычному биту не под силу. Например, он может обладать суперпозицией нолей и единиц, то есть, быть одновременно и нолем, и единицей. Благодаря этому квантовые компьютеры производительнее обычных.

В спиновых кубитах «спин» означает момент импульса электрона. Это квантовое свойство, проявляющееся в виде крошечного магнитного диполя, который можно использовать для кодирования информации. В качестве примера можно привести стрелку компаса, указывающую южный и северный полюс и вращающуюся в соответствии с магнитным полем Земли.

Спин – свойство электрона, используемого в квантовых устройствах на основе кремния. Для сравнения, обычные компьютеры работают путем управления отрицательным зарядом электрона.

В целом, кремниевые спиновые кубиты предпочтительнее других типов кубитов.

Кремниевые спиновые кубиты состоят из одиночных электронов и чрезвычайно малы. Использовавшееся в ходе исследования устройство имело диаметр всего 100 нм, тогда как диаметр обычных сверхпроводниковых кубитов превышает 300 микрон, поэтому много их на чип не уместить.

Еще одна особенность кремниевых спиновых кубитов заключается в том, что обычная электроника базируется на кремниевой технологии. По мнению авторов исследования, для создания миллиона или десяти миллионов кубитов для практического применения подойдет только твердотельная система, которую можно масштабировать, используя стандартную полупроводниковую промышленность.^[2]

Анонс симулятор квантового компьютера

В конце марта 2022 года Fujitsu представила симулятор квантового компьютера, способный обрабатывать 36-кубитные квантовые схемы в кластерной системе с суперкомпьютером PRIMEHPC FX 700, оснащенным тем же процессором, что и самый быстрый в мире суперкомпьютер Fugaku. Подробнее здесь.

Где квантовые эффекты уже применяются?

Большие квантовые объекты уже использовались, чтобы помочь обнаружить гравитационные волны, они могут появиться в устройствах следующего поколения, таких как сверхчувствительные датчики и системы шифрования. Эти инновации, однако, выходят далеко за рамки передовых технологий

В чем используются квантовые технологии?

К возможным практическим реализациям относят квантовые вычисления и квантовый компьютер, квантовую криптографию, квантовую телепортацию, квантовую метрологию, квантовые сенсоры, и квантовые изображения

Что такое квантовый мир?

Это наука об измерении различных физических величин с такой высокой точностью, какую только допускают фундаментальные ограничения, определяемые квантовыми флуктуациями, которые в принципе неустранимы