Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

Вебинар для педагогов и родителей УрокЦифры “Квантовый мир

С 10 марта по 10 апреля Госкорпорация «Росатом» примет участие во всероссийском образовательном проекте «Урок цифры» и проведет для школьников и учителей обучающее занятие по теме “Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер”.

О мероприятии

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. Приступить к уроку можно на сайте в любое время.

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.
  • Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом»;
  • Борис Вербенко, руководитель направления по образовательным проектам СП «Квантовые технологии» (Росатом);
  • методист компании “Пульсар Продакшн”;
  • Мария Бороздина, методист компании “Пульсар Продакшн”.

Расписание

Пользовательское соглашение
Политика конфиденциальности

Организаторы

О платформе Pruffme

Написать в техподдержку

2017

В начале декабря 2017 года стало известно о том, что ученые из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST) США создали модель квантовой системы, состоящей из 53 кубитов, которые применяются для имитации квантовой материи.

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

Симулятор UMD-NIST был создан путем развертывания 53 отдельных иттербиевых ионов, удерживаемых на месте позолоченными электродами

По словам авторов проекта, симулятор UMD-NIST был создан путем развертывания 53 отдельных иттербиевых ионов, удерживаемых на месте позолоченными «бритвенно острыми» электродами. При этом количество атомов, по заверению ученых, можно еще увеличить, что, в свою очередь, приведет к росту числа кубитов.

UMD-NIST может работать при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении — такое свойство характерно для всех систем кубитов, базирующихся на ионах. В представленной модели кубиты надежно изолированы от влияния окружающей среды.

Каждый ионный кубит — это стабильные атомные часы, которые можно полностью воспроизвести, — заявил профессор физики Кристофер Монро (Christopher Monroe), руководитель команды UMD. — Они эффективно соединены вместе с внешними лазерными лучами. Это означает, что одно и то же устройство может быть перепрограммировано и перенастроено снаружи, чтобы адаптироваться к любому типу квантового моделирования или будущего квантового компьютерного приложения, который появится.

Современные транзисторные компьютеры испытывают сложности, имея дело более чем с двадцатью взаимодействующими квантовыми объектами в связи с явлением квантового магнетизма — из-за него взаимодействие может привести к магнитному выравниванию или смешению конкурирующих интересов. В частности, 53 взаимодействующих друг с другом квантовых магнита создают около квадриллионов возможных магнитных конфигурации, и это количество удваивается с добавлением нового магнита, утверждают ученые.

Intel Квантовый 17-кубитный процессор

В октябре 2017 года было объявлено о поставке экспериментального 17-кубитного процессора Intel, созданного на базе технологий сверхпроводимости, в нидерландский исследовательский центр QuTech, занимающийся совместно с Intel исследованиями в области квантовой физики. Процессор, изготовленный на производственных мощностях Intel, отличается уникальной структурой кристалла, позволяющей повысить выход годных кристаллов на пластине и добиться существенного прироста производительности.

Ученые из Австралии разработали основу для квантового интернета

Как стало известно 12 сентября 2017 года, группа исследователей из Австралийского национального университета (ANU) разработала легированный ионами эрбия кристалл, который, как предполагается, может стать оптимальным материалом для построения глобальной телекоммуникационной сети. По мнению исследователей, кристалл, обладающий «странными квантовыми свойствами», может применяться в том числе для создания сети следующего поколения — квантового интернета. Эксперимент с кристаллами эрбия проводился под руководством доцента ANU Мэтью Селларса, пишет ZDNet.

Австралийские исследователи предложили иной способ хранения квантового состояния. В его основе лежит эрбий — ион редкоземельного элемента, квантовые свойства которого позволяют ему передавать-принимать данные посредством волн длиной 1550 нм. Такие же волны используются в современных волоконно-оптических системах. В ходе эксперимента было установлено, что применение эрбия при передаче квантовых состояний устраняет необходимость в процессе преобразования, более того, их передача осуществима в существующих телекоммуникационных сетях. Исследователям удалось доказать, что ионы эрбия в кристалле могут хранить квантовую информацию на протяжении секунды — в 10 тыс. раз дольше, чем позволяют уже известные методологии хранения. Однако ученым еще предстоит «разогнать» ионы редкоземельного элемента для обеспечения циркуляции квантовой информации по всей глобальной сети.

Как отметила д-р Роуз Ахлефельдт, сотрудник Центра квантовых вычислительных и коммуникационных технологий ANU, квантовая память с продолжительностью жизни в 1 секунду позволит буферизовать и синхронизировать информацию, что необходимо для квантовой связи на больших расстояниях. Технология может также работать как квантовый источник света или применяться для оптической связи между твердотельными квантовыми вычислительными устройствами, подключенными к квантовому интернету.

По утверждению исследователей ANU, разработанный кристалл совместим с существующей волоконной оптикой и со сверхпроводящими кубитами, разрабатываемыми Google и IBM, при этом сможет работать со многими типами квантовых компьютеров, включая CQC2T.

Ожидается, что в ближайшем будущем квантовый интернет может стать отдельным ответвлением обычного интернета. Исследовательские группы по всему миру разрабатывают чипы, которые позволят обычному компьютеру подключаться к квантовой сети, но на начальном этапе развития технологии в нее можно будет входить только для определенных задач. Например, с целью отправки сообщения с использованием квантовой криптографии (при перехвате квантового ключа сообщение будет моментально уничтожено). Квантовый интернет также может быть полезен для потенциальных схем квантовых вычислений.

Китай первым протестировал квантовое шифрование для передачи данных со спутника

По его словам, технология квантового шифрования позволила достичь скорости передачи данных на «на 20 порядков выше», чем если бы для этой цели применялось оптоволокно, проложенное из космоса. При этом Пан Цзянвэй подчеркнул, что для генерации и передачи на Землю 300 Кбит зашифрованной информации у китайских ученых было только одно 10-минутное окно, в рамках которого спутник пролетал над территорией страны.

Технология квантового шифрования решает несколько вопросов безопасности. Например, абсолютно безопасного телефонного разговора, который никто не сможет прослушать, или передачи банковских данных, которые никто не сможет перехватить. При попытке взлома квантового канала связи, все передаваемые по нему данные будут просто уничтожены, — заявил Пан Цзянвэй.

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

Изначально планировалось передавать данные на пять станций в Китае и Австрии. К концу 2017 года еще два наземных объекта будут подготовлены к приёму данных с «Мо-Цзы» — в Германии и Италии.

Ранее эксперименты с квантовым шифрованием проводились только на Земле: в Европе, США и Китае. Для передачи ключей использовалось оптоволокно, но по мере продвижения сигнал ослабевал. Размещение источника сигнала в космосе решило эту проблему, поскольку основную часть пути фотоны проходят в вакууме.

По мнению ученых, квантовое шифрование позволит Китаю уже к 2030 году создать невзламываемую сеть, которая сможет обеспечить полную конфиденциальность и будет отличаться устойчивостью к любым атакам. Считывать информацию с подобных каналов данных злоумышленникам помешает принцип неопределенности Гейзенберга, один из основополагающих принципов квантовой механики, согласно которому следствием любого внешнего вмешательства в квантовую систему будет её необратимое изменение.

Ученые из США и России создали 51-кубитный квантовый компьютер

В июле 2017 года стало известно о том, что группа ученых из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института под руководством Михаила Лукина, профессора физики из Гарварда и сооснователя Российского квантового центра, создала и проверила программируемый квантовый компьютер на базе 51 кубита, став, таким образом, лидером среди участников «квантовой гонки».

По словам Михаила Лукина, он и его коллеги использовали кубиты на основе «холодных атомов», которые удерживались оптическими «пинцетами» — специальным образом организованными лазерными лучами. Большинство современных квантовых компьютеров основаны на использовании сверхпроводящих кубитов на базе контактов Джозефсона.

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

Лукину и его коллегам удалось решить с помощью своего квантового вычислителя задачу моделирования поведения квантовых систем из множества частиц, которая была практически нерешаема с помощью классических компьютеров. Более того, в результате им удалось предсказать несколько ранее неизвестных эффектов, которые затем были проверены с помощью обычных компьютеров. В итоге ученым удалось найти способ приближенных вычислений, которые помогли получить сходный результат на классическом компьютере.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером, возможно, они попытаются использовать эту систему для проверки алгоритмов квантовой оптимизации, которые позволяют превзойти существующие компьютеры.

Между землей и самолетом впервые наладили квантовую связь

https://youtube.com/watch?v=YvKeMh1-Sog

Существующие системы криптографии основаны на существовании секретного ключа, с помощью которого происходит шифрование информации. Без знания этого ключа расшифровка по сути невозможна. К примеру, в методе шифровальных блокнотов и получатель и отправитель хранят у себя абсолютно идентичные наборы случайных данных, которые суммируются с текстом сообщения. Без блокнота перебор всех возможных ключей даст все возможные сообщения данной длины.

Однако ключ необходимо каким-либо образом передать между участниками связи. Перехват ключа на этом этапе позволит злоумышленнику полностью расшифровать всю переписку. Чтобы такой перехват был невозможен на уровне законов физики, ученые разработан алгоритм квантового распределения ключа. Он основан на передаче одиночных фотонов, приготовленных в случайном состоянии («ноль» или «единица») и в случайном базисе (в вертикальной/горизонтальной или диагональной поляризации). При попытке злоумышленника измерить поляризацию фотона, произойдет изменение состояния последнего. Это удастся легко отследить отправителю и получателю и отбросить скомпроментированный ключ.

Для реализации подобных протоколов связи необходимо наладить квантовую коммуникацию между отправителем и получателем. В случае городских сетей, это можно сделать с помощью оптоволоконных линий. Также распределение ключа между неподвижными объектами можно организовать «по воздуху», с помощью лазера и детектора. Эти подходы уже были реализованы — предельные расстояния составляют около нескольких сотен километров в обоих случаях. Технику ограничивают потери в оптоволокне и рассеяние на турбулентных потоках в воздухе.

Авторы новой работы продемонстрировали принципиальную возможность квантового распределения ключа между летящим самолетом и наземной станцией. Для приема и передачи сигнальных фотонов физики использовали пару моторизированных телескопов. Приемник был установлен на самолете «Твин оттер», облетавшем наземную станцию по дуге или по прямой линии на высоте 1,6 километра. Номинальные расстояния между источником и приемником колебались от 3 до 10 километров. В установке были предприняты методы защиты от простейших атак, в том числе, «Троянских коней».

Всего самолет выполнил 14 полетов рядом с наземной станцией со скоростью около 200-250 километров в час. Ровно в половине случаев исследователям удалось установить квантовый канал связи и в шести из них — сгенерировать секретный ключ. Время квантовой связи колебалось от 30 секунд до четырех с половиной минут, максимальный размер секретного ключа составил 867 килобит.

На подготовку эксперимента у ученых ушло почти восемь лет. Ранее похожий эксперимент был поставлен в Германии, однако на самолете находился источник фотонов, а не приемник. По словам физиков, именно в новой постановке эксперимента ключ можно будет успешно генерировать для связи между спутником и самолетом. Преимущество использования спутника в отсутствии естественных помех между отправителем и получателем, например, гораздо более разреженная среда.

Microsoft работает над созданием квантового компьютера

Проект по созданию квантового компьютера Microsoft возглавляет Тодд Холмдал (Todd Holmdahl), ранее входивший в число руководителей команд разработчиков Kinect, HoloLens и Xbox. Сейчас он говорит о квантовых вычислениях, как о новом направлении в бизнесе, а не теоретических или исследовательских проектах. И он уверен, что именно Microsoft станет пионером в этой области, внедрив квантовые технологии в свои облачные платформы.

Команда под руководством Тодда Холмдала, входящая в состав недавно созданной Microsoft AI и Research Group, будет работать как над аппаратной так и программной частями квантового компьютера. «Подобно классическим высокопроизводительным вычислениям, нам нужно не только оборудование, но и оптимизированное программное обеспечение», – комментирует Матиас Тройер (Matthias Troyer), профессор вычислительной физики Швейцарской высшей технической школы Цюриха, специально приглашенный для участия в проекте исследовательской группы Microsoft.

В Microsoft уверены, что знания, накопленные Microsoft Research достигли того уровня, который позволит создать настоящий прорыв в создании квантового компьютера. На вопрос о том, когда Microsoft сможет построить свой первый топологический кубит, Холмдал, которому сейчас 52 года, не дает точного ответа. Однако отметил, что скоро он уходит на пенсию и событие произойдет до этого момента.

Китайский квантовый вычислитель «обогнал» первый компьютер человечества

Считается, что квантовые компьютеры способны значительно превзойти обычные, классические вычислители — это позволит решать задачи, ранее недоступные для ученых. Например, очень сложными для компьютеров оказываются вычисления свойств различных молекул — они основаны на законах квантовой механики. Однако превосходство квантовых вычислителей над традиционными системами было продемонстрировано лишь частично. Так, в конце 2015 года компания Google показала, что системы квантового отжига D-Wave могут многократно обгонять компьютеры при решении специально созданных задач оптимизации.

Для квантовых компьютеров производительность и ускорение, по сравнению с классическими системами напрямую зависит от числа кубитов — квантовых битов, существующих в суперпозиции состояний «нуля» и «единицы». Ученые ожидают, что квантовым компьютерам потребуется около 50 кубитов чтобы достичь превосходства — сейчас в лабораторных устройствах количество кубитов не превышает 10-15. Однако в некоторых специальных квантовых вычислителях можно обойтись меньшим количеством контролируемых квантовых частиц — например, для бозонных сэмплеров достаточно 20-30 фотонов.

Бозонные сэмплеры — это вычислители, с помощью которых можно быстро строить распределение случайных величин. В них несколько фотонов движутся по разветвляющимся и пересекающимся оптическим путям, интерферируя между собой. Подробнее о них можно прочитать в новости о предыдущем результате этой научной группы — запутывании сразу 10 фотонов для сэмплера. Среди применений устройства — расчет колебательных спектров молекул, необходимый, например, для анализа химического состава материалов

Помимо количества фотонов, участвующих в работе сэмплера, на скорость его работы также влияет и частота считывания состояний фотонов. В новой работе ученые смогли значительно ее увеличить — примерно в 24 тысячи раз по сравнению с предыдущими экспериментами. По словам авторов, ключевым для достижения результата стала разработка высококачественных однофотонных источников на основе нанокристаллов полупроводников. Эти модули возбуждаются с помощью пикосекундных импульсов лазера (длящихся триллионную долю секунды) и генерируют 25,6 миллиона поляризованных одиночных фотонов в секунду, что является лучшим показателем по яркости в мире.

В качестве оптического стола с различными оптическими путями для фотонов авторы использовали программируемую интегральную оптическую схему — она определяла распределение, которое генерировал сэмплер. В нее входило 36 светоделителей — полупрозрачных зеркал. Ученые проверили работу устройства с тремя, четырьмя и пятью фотонами, создающими распределение. Для трехфотонных устройств частота генерации составила около пяти тысяч герц (в предыдущих работах эта величина не превышала двух десятых герца). По словам авторов, если использовать в установке однофотонные детекторы на сверхпроводящих нанонитях, то эту величину можно будет дополнительно увеличить в 26 раз.

С ростом скорости считывания и генерации распределений у физиков возникает возможность использовать большее количество фотонов в бозонном сэмплере. Так, если в прошлой работе с 10-фотонным семплером частота генерации составляла 11 штук в час, то в новой установке частоты того же порядка можно будет достигнуть уже с 14 фотонами. По словам авторов, если усовершенствовать схему генерации одиночных фотонов, ускорив их генерацию почти на 75 процентов, то можно будет ожидать скорости считывания 20-фотонных событий в 130 штук в час.

Физики сравнивают производительность новой системы с первым компьютером, созданном человеком, — ENIAC. По оценкам ученых, созданная схема трехфотонного сэмплинга превосходит скорость решения той же задачи с помощью ENIAC в 220 раз. Авторы утверждают, что создали первый вычислитель на одиночных фотонах, который смог обогнать классический компьютер.

IBM запустила первый в мире сервис квантовых вычислений

В марте 2017 года IBM анонсировала, как утверждает компания, первый в мире коммерческий сервис квантовых вычислений. Программа под названием IBM Q 50-кубитный квантовый процессор будет запущена в облачной инфраструктуре IBM Cloud. Подробнее здесь.

Архитектура процессора

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

В теории мы строим и оперируем схемами из десятков запутанных кубитов, в реальности же все сложнее. Все существующие квантовые чипы (процессоры) построены таким образом, что обеспечивают безболезненное запутывание одного кубита только со своими соседями, которых не больше шести.

Если же нам надо запутать 1-й кубит, скажем, с 12-м, то нам придется строить цепочку дополнительных квантовых операций, задействовать дополнительные кубиты и прочее, что увеличивает общий уровень ошибок. Да, и не забывайте про время декогеренции, возможно к тому моменту, когда вы закончите связывать кубиты в нужную вам схему, время закончится и вся схема превратится в симпатичный генератор белого шума.

Также не забывайте, что архитектура у всех квантовых процессоров разная, и программу, написанную в эмуляторе в режиме “связность всех со всеми” нужно будет “перекомпилировать” в архитектуру конкретного чипа. Есть даже специальные программы оптимизаторы для выполнения этой операции.

Максимальная связность и максимальное количество кубитов для тех же топовых чипов:

И, для сравнения, таблица с данными предыдущего поколения процессоров. Сравните количество кубитов, время декогеренции и процент ошибок с тем, что мы имеем сейчас у нового поколения. Все-таки прогресс потихоньку, но движется.

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

2012

28 февраля 2012 года команда учёных подразделения IBM Research заявила о достижении прогресса в направлении квантовых вычислений, что даст инженерам возможность приступить к непосредственной работе по созданию квантового компьютера.

Этот прорыв позволит учёным снизить величины нарастания ошибок данных в процессе элементарных вычислений, сохраняя при этом целостность квантово-механических свойств квантовых битов данных, известных как кубиты.

По мнению Марка Кетчена (Mark Ketchen), руководителя группы исследований физики информации центра TJ Watson компании IBM, создание квантовых компьютеров экспоненциально увеличит мощь вычислений в сравнении с той, что доступна обычным современным процессорам.

Кубит как и обычный бит может иметь два значения: 0 или 1. Разница в том, что бит должен иметь значение либо 0, либо 1, а кубит может быть 0, 1 или совмещать эти данные. В сообщении IBM говорится, что пока ещё квантовый компьютер далёк от реальности – на его создание, возможно, уйдёт от 10 до 15 лет. Тем не менее, прогресс в снижении уровня ошибок и сохранения целостности квантово-механических свойств кубита открывает широкие возможности для экспериментов. «Мы достигли, наконец, того, что устройства работают стабильно и возможна проверка данных и коррекция ошибок. Как только этот порог пересекаешь, азарт возрастает очень сильно», – сказал Кетчен.

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

Свои достижения в области квантовых вычислений команда IBM представила на ежегодной встрече Американского Физического Сообщества (American Physical Society) 28 февраля 2012 года.

IBM не одинока в своих исследованиях квантовых вычислений. Решением аналогичных задач заняты Калифорнийский и Йельский университеты. Однако Кетчен утверждает, что только у IBM имеются ресурсы для изготовления чипов для квантовых вычислений.

В отличие от нынешних кремниевых полупроводников IBM применяет сверхпроводящие кубиты, использующие методики микронных технологий, разработанные для кремниевых технологий, но производимые на сапфировых чипах, что позволяет одним махом нарастить производство кубитов до тысяч или миллионов единиц.

По словам Кетчена, пока IBM удается достичь 95% точности операции на своих прототипах. Учёные хотят достичь точности выше 99%, так, чтобы сокращение ошибок в данных достигло точки, где их уже можно будет использовать в вычислениях с приемлемой степенью точности. «После того как уровень ошибок в данных становится достаточно маленьким, вы можете объединить несколько затворов и получить идеальный кубит, – сказал Кетчен. – Теперь всё становится понятным как на площадке, где можно что-то создать и получить правильный ответ. Имеется в виду, что теперь нам придётся серьезнее подумать о более сложных вопросах вычислений, их взаимодействии».

Квантовый компьютер на базе алмаза

Бриллианты или алмазы – неотъемлемая часть многих кинофильмов – теперь могут стать основной составляющей квантовых компьютеров. 5 апреля 2012 года всемирно известный журнал Nature опубликовал статью группы ученых из различных стран, которым удалось построить внутри алмаза работоспособный квантовый компьютер. В отличие от образцов предшественников в нем впервые удалось решить проблему нестабильной когерентности.

Как сказано в статье, для кодирования информации в виде квантовых битов или кубитов ученые задействовали природные дефекты кристаллической решетки алмаза. В отличие от привычных битов в современных компьютерах кубиты способны находиться не только в состояниях 0 или 1, но и в суперпозиции (проще говоря, одновременно в состояниях 0 и 1). Последний вариант до недавнего времени считался нестабильным, и вычислительные элементы ранее существующих прототипов квантовых компьютеров имели тенденцию быстро возвращаться из суперпозиции в классические состояния. Следствием так называемой нестабильной когерентности являются шумы и ошибки, которые приводят к резкому снижению надежности работы таких устройств.

Другими словами, обозначенный выше негативный эффект нужно стремиться минимизировать любой ценой. Использование твердого кристалла (в данном случае алмаза) в качестве рабочего тела квантового компьютера позволило добиться более стабильных состояний суперпозиции. Причина лежит на поверхности – спин ядра более стабилен, чем спин электрона, на который ориентировались раньше. По словам профессора Даниэля Лидара (Daniel Lidar), одновременно занимающего должности в USC Viterbi School of Engineering и USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, характерное время переключения состояний в ядрах измеряется миллисекундами, и это очень много. Электроны куда проворнее, однако состояние суперпозиции в вычислительных системах на их основе разрушить гораздо легче.

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.

В разы точнее современных приборов

Уточните, как это все работает, непосредственно в вашей работе, опубликованной в журнале New Journal of Physics?

Мы придумали способ запутывать до тысячи частиц. Для этого мы используем солитоны конденсата Бозе-Эйнштейна. Тут, наверное, нужны пояснения. Во-первых, Бозе-конденсат ― это особое состояние материи, при котором вещество проявляет квантовые свойства на макроскопическом уровне. Грубо говоря, у нас есть несколько сотен частиц, которые в виде конденсата движутся в пространстве как одна огромная квантовая частица. Такое состояние на сегодня получить стало возможно при очень низких температурах, меньше одного Кельвина. Хотя в 2006 году такое состояние наблюдали в полупроводниковых структурах при температуре в несколько Кельвинов, а в 2013 ― даже и при комнатной температуре в 300 Кельвинов (27 градусов Цельсия).

Теперь о солитоне ― это достаточно устойчивый частице-подобный объект. Запутав два солитона мы можем рассматривать их, условно, как две макрочастицы, получив одновременно запутанность сотен тех частиц, из которых они состоят. Это и есть многочастичное N00N-состояние. Число частиц здесь может доходить до тысячи! Сами посудите, пять и 1000 ― очень большой прогресс.

Иллюстрация из статьи

А были ли проведены какие-то эксперименты?

Нет. Но в работе все расчеты сделаны исходя из сегодняшних экспериментальных возможностей. Мы рассматриваем конденсат лития; это вещество популярно у экспериментаторов. Частицы лития имеют очень важное свойство ― они притягиваются друг к другу, без этого невозможно сформировать солитон. Экспериментаторы умеют получать солитоны конденсатов и умеют их запутывать. Пока никому не приходила в голову идея использовать все это в квантовой метрологии.

А какие горизонты открывает эта фундаментальная работа? Много ли стран занимается таким «спортом высших достижений»?

Да, это фундаментальная работа, но результаты весьма прикладные. Я убежден, что систему, описанную в нашей работе, можно довести до уровня «прибора». Это, во-первых, метрология с холодными атомами, которая есть в России, но требует серьезной экспериментальной доработки. Здесь могут быть существенно улучшены точностные характеристики так называемых «атомных часов», то есть метрологические стандарты частоты и времени.

Но есть и более интересные продолжения. Например, использовать такую технологию в интерферометрах Майкельсона с оптическими полями для увеличения точности регистрации гравитационных волн и исследований галактического пространства. Наше предложение позволит построить детектор с предельной на сегодняшний день точностью измерений. Где будет использоваться такой «прибор»?

В настоящее время в мире есть несколько крупных проектов из разряда mega-science по регистрации гравитационных волн. Я читал об «американском» проекте LIGO, знаю также «японский» ― KAGRA, в котором участвует группа из Тайваня, с которой мы сотрудничаем. Я неспроста использую «кавычки»: на самом деле там идет сотрудничество многих стран, под одним «зонтиком».

А как же Россия?

Это сложный, и, к сожалению, не только научный, вопрос. Нужны как минимум гигантские деньги. Вы же понимаете, что объяснить условному чиновнику, зачем нужен квантовых компьютер, гораздо проще, чем необходимость исследований гравитационных волн, а также космоса в широком смысле этого слова. Хотя, именно в этом заключается будущее устремление человечества, как мне представляется. Да, кстати, масштабный квантовый компьютер без участия квантовой метрологии тоже не сделать. Но это уже другая история.

Как работает обычный компьютер

Чтобы объяснить, что такое квантовый компьютер и как он работает, нужно начать издалека и рассказать, как работает компьютер обычный. Работа обычного компьютера определяется двумя параметрами: памятью, скоростью вычислений.

Память — основная характеристика вычислительной системы. Компьютер умеет читать, писать и обрабатывать информацию, которая хранится в памяти.

Компьютер выполняет простейшие операции: перемножения, вычитания, сложения чисел. Если выполнять эти операции много и быстро, то можно объединить их в программу, которая обрабатывает информацию. Так работают базы данных, поиск или нейронные сети. Здесь важна скорость вычислений или скорость выполнения операций (FLOPS).

Есть еще третий (дополнительный) параметр — детерминизм, общая характеристика для всех вычислительных систем. Означает, что все машины работают по программе, которая однозначна — ноль всегда ноль, а единица это точно единица. Никаких иных толкований не предусмотрено и нет элемента неопределенности.

Неопределенность можно внести только на уровне входных данных, например, случайными числами. Ввод может быть случайным, но программа всегда однозначно обрабатывает все входящие данные.

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 , где 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.

2022

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.

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

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.

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.

Урок цифры квантовый мир как устроен квантовый компьютер ответы на вопросы

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.

«Идея состоит в том, что каждая система должна масштабироваться до множества кубитов. На начало апреля 2022 года другие системы кубитов имеют реальные физические ограничения масштабируемости. Размер может быть реальной проблемой для этих систем. Места, куда все это можно втиснуть, не так много», -пояснил руководитель исследования Адам Миллс (Adam Mills).

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.

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.

Как работает квантовый компьютер?

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, — такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность. Базисные состояния могут иметь и более сложный вид

Что такое квантовый компьютер простыми словами?

Квантовые вычислительные системы — устройства, использующие явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Такие устройства оперируют кубитами ( квантовыми битами), которые могут одновременно принимать значение и логического ноля, и логической единицы

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

Что используют квантовые технологии урок цифры?

Уже используют квантовые технологии : флешки, оптоволоконная связь, персональные компьютеры

Что уже используют квантовые технологии урок цифры?

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector