Квантовый компьютер при комнатной температуре

Как работает квантовый компьютер: простыми словами о будущем

Пару лет назад, во время пресс-конференции в канадском Институте теоретической физики в Ватерлоо, один из журналистов решил подшутить над канадским премьер-министром Джастином Трюдо, спросив его о квантовых компьютерах.

Трюдо, нимало не смутившись, в двух словах объяснил принцип работы этих устройств, что сделало его в глазах прогрессивной общественности настоящей звездой. Почему именно этот вопрос журналист посчитал наиболее каверзным? Действительно ли можно разобраться в том, что такое квантовые вычисления и квантовая механика, не будучи специалистом? Не будем утверждать, что это легкая задача, но давайте попробуем. Итак, квантовый компьютер для чайников.

Хитрая технология

Квантовые вычисления не универсальны, они не способны заменить традиционные компьютеры. «Информация обрабатывается хитро, мы пользуемся всем большим пространством состояний, чтобы ее переваривать, но наши возможности считать ее оттуда невелики. Потому что при измерении у вас происходит коллапс до двоичного кода, — говорит старший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ, руководитель сектора квантовых вычислений Станислав Страупе. — Поэтому квантовые алгоритмы — наука о том, как извлечь из этого многомерного пространства полезную информацию за небольшое количество измерений». Математический аппарат квантовой теории готов с середины XX века, и сейчас проблема не в математике, а в аппаратной реализации. Главные технологии, на которых сосредоточены все усилия, — ионные ловушки, нейтральные атомы, фотоны и сверхпроводники. Как и в атомном проекте, никто точно не знает, какая из технологий выйдет в итоге в лидеры, поэтому развивать требуется все.

Чтобы не потеряться и всегда быть на связи, читайте нас в Яндекс.Дзене!

Сложности, проблемы в создании квантового компьютера

Если требуется, к примеру, обсчитать миллиард вариантов в современном компьютере, то ему нужно «прокрутить» миллиард подобных циклов. На квантовом компьютере имеется принципиальное отличие, он может просчитывать все эти варианты одновременно.
Один из главных принципов, на которых будет работать квантовый компьютер, — это принцип суперпозиции и иначе, как магическим, его не назовешь!
Он означает, что один и тот же человек может находится в разных местах в одно и то же время. Физики шутят: » Если вас не шокирует квантовая теория, значит вы ее не поняли».

Квантовый компьютер 1

Это похоже на самогонный аппарат

Внешний вид создаваемых сейчас квантовых компьютеров разительно отличается от классических. Они похожи… на самогонный аппарат:

Квантовый компьютер 2

Такая конструкция, сотоящая из медных и золотых частей, змеевиков-охладителей и пр. характерных деталей, разумеется не устраивает его создателей. Одна из основных задач ученых сделать ее компактной и дешевой. Что бы это произошло, нужно решить несколько проблем.

Проблема первая — неустойчивость суперпозиций

Все эти квантовые суперпозиции очень «нежные». Как только на них начинаешь смотреть, как только они начинают взаимодействовать с другими объектами, так они сразу разрушаются. Становятся, как бы классическими. Это одна из самых важных проблем в создании квантового компьютера.

Проблема вторая — требуется сильное охлаждение

Второе препятствие — для достижения стабильной работы квантового компьютера. в том виде, какой имеем на сегодня, требуется его сильное охлаждение. Сильное, это создание аппаратуры, в которой поддерживается температура близкая к абсолютному нулю — минус 273 градуса по Цельсию! Поэтому сейчас прототипы таких компьютеров, со своими криогенно-вакуумными установками, выглядят очень громоздко:

Квантовый компьютер 3

Однако ученые уверены, что вскоре все технические проблемы будут решены и однажды квантовые компьютеры, обладающие огромной вычислительной мощью, заменят современные.

Переопределение безопасности

Скорость квантового компьютера также является серьезной проблемой в области шифрования и криптографии. Современные системы финансовой безопасности в мире основаны на факторизации больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение жизни Земли. Тем не менее квантовый компьютер может рассчитывать числа в разумный период времени.

С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечить небьющиеся функции безопасности. Они могут блокировать важные данные (например, онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с гораздо лучшим шифрованием.
Многие алгоритмы были разработаны для квантовых компьютеров — наиболее известными являются алгоритм Гровера для поиска в неструктурированной базе данных и алгоритм Шора для факторизации больших чисел.

Полуметаллы Вейля

Квантовые вычисления — штука уже сама по себе странная, но для того, чтобы заставить их работать, может потребоваться еще более странная технология. Ученые из Лундского университета в Швеции и компании IBM разработали новое устройство, названное полуметаллическим усилителем Вейля, которое, по их словам, может приблизить считывающую электронику к кубитам. Не беспокойтесь, если вы не знаете, что такое полуметалл Вейля. В этих материалах есть вещи, которые даже ученые, пытающиеся сделать из них устройства, не до конца понимают.

Что ученые про них знают, так это то, что эти материалы, такие как дифосфид вольфрама, проявляют чрезвычайно сильное, зависящее от температуры, магнитосопротивление при охлаждении до температуры ниже 50 кельвинов. Устройство, которое они смоделировали, имеет электрод затвора, который создает магнитное поле внутри полуметалла Вейля, заставляя его сопротивление переходить от крошечного к огромному за считанные пикосекунды. Подключение входного сигнала от кубита к устройству может создать усилитель с высоким коэффициентом усиления, который рассеивает всего 40 микроватт тепла. Это достаточно мало, чтобы усилитель мог находиться в той части холодильника, где находятся сами кубиты.

квантовые компьютеры, процесор, кубит, криогенная система, холодильник, охлаждение, электроника, микрореле

Играясь сопротивлением полуметалла Вейля, можно заставлять электроны проникать внутрь кристалла по определенным каналам. Это можно использовать как для передачи информации, так и для усиления сигнала.

Принципы работы квантового компьютера для чайников

Раз мы уж заговорили о квантовой физике, давайте немножко поговорим о ней. Я не буду углубляться в дебри друзья. Я ведь «чайник», а не квантовый физик. Лет сто назад Энштейн опубликовал свою теорию относительности. Все умные люди того времени удивлялись, как много в ней парадоксов и невероятных вещей. Так вот, все пародоксы Энштейна, описывающие законы нашего мира — просто невинный лепет пятилетнего ребенка по сравнению с тем, что твориться на уровне атомов и молекул.

Сами «квантовые физики», описывающие явления происходящие на уровнях электронов и молекул говорят примерно так: » Это невероятно. Этого не может быть. Но это так. Не спрашивайте нас, как это все работает. Мы не знаем, как и почему. Мы просто наблюдаем. Но это работает. Это доказано экспериментально. Вот формулы, зависимости и записи экспериментов.»

Так в чем же разница между обычным и квантовым компьютером? Ведь обычный компьютер тоже работает на электричестве, а электричество — это куча очень маленьких частиц — электронов?

Наши с Вами компьютеры работают по принципу или «Да» или «Нет». Если есть ток в проводе, это «Да»или «Единица». Если тока в проводе «Нет», то это «Ноль». Вариант значения «1 «и «0» есть единица хранения информации под названием «Бит».. Один байт это 8 бит и так далее и так далее…

Теперь представьте ваш процессор, на котором 800 миллионов таких «проводов» на каждом из которых за секунду появляется и исчезает такой вот «ноль» или «единица». И вы мысленно можете вообразить, как он обрабатывает информацию. Вы сейчас читаете текст, но на самом деле это совокупность нулей и единиц.

Путем перебора и вычислений Ваш компьютер обрабатывает Ваши запросы в Яндексе, ищет нужные до тех пор, пока не решит задачу и путем исключения не докопается до нужной Вам . Выводит на монитор шрифты, картинки в читаемом для нас виде… Пока надеюсь ничего сложного? А картинка — это тоже нули и единицы.

Представьте теперь себе друзья на секунду модель нашей солнечной системы. В центре Солнце, вокруг него летит Земля. Мы знаем, что она в определенный момент всегда находится в определенной точке пространства и через секунду она уже улетит на тридцать километров дальше.

Так вот, модель атома то же планетарная, там атом тоже вращается вокруг ядра. Но ДОКАЗАНО, друзья, умными парнями в очках, что атом в отличии от Земли одновременно и всегда находится во всех местах..Везде и нигде одновременно. И назвали они это замечательное явление «суперпозицией». Для того, чтобы познакомится поближе и другими явлениями квантовой физики, предлагаю глянуть научно-популярный фильм, где простым языком рассказывается о сложном и в довольно оригинальной форме.

Продолжим. И вот на смену «нашему» биту приходит квантовый бит. Его еще называют «Кубит». У него то же всего два исходных состояния «ноль» и «единица». Но, так как природа его «квантовая», то он может ОДНОВРЕМЕННО принимать все возможные промежуточные значения. И одновременно находиться в них. Теперь значения не надо последовательно вычислять, перебирать. долго искать в базе. Они известны уже заранее, сразу. Вычисления идут параллельно.

Первые «квантовые» алгоритмы для математических вычислений были придуманы еще математиком из Англии Питером Шором в 1997 году. Когда он показал их миру, все шифровальщики здорово напряглись, так как существующие шифры «раскалываются» этим алгоритмом за несколько минут.. Вот только компьютеров, работающих по квантовому алгоритму тогда еще не было.

С тех пор с одной стороны идет работа по созданию физической системы, в которой бы работал квантовый бит. То есть «железа». А с другой стороны уже придумывают защиту от квантового взлома и расшифровки данных.

А что сейчас ? А вот так выглядит квантовый процессор под микроскопом на 9 кубит от фирмы Google.

Неужели они нас обогнали? 9 кубит или по «старому» 15 бит, это не так много пока еще. Плюс дороговизна, масса технических проблем и короткое время «жизни» квантов. Но вспомните что сначала были 8 битные, потом появились 16 битные процессоры… Так будет и с этими …

Как в России планируют развивать квантовые технологии

— По поводу центра желаний ничего сказать не могу, но вообще нейрофизиологи проводят с помощью таких приборов очень тонкие исследования, которые позволяют определить, из какой зоны головного мозга идет аномальное возбуждение при эпилепсии. Это очень перспективное направление, так как магнитные поля, излучаемые головным мозгом, в миллионы раз слабее магнитного поля Земли и потому могут быть зарегистрированы только с помощью приборов на основе сверхпроводников. Однако пока они крайне дороги (стоят 1–1,5 млн долларов.— «О» ), для их работы требуется, чтобы датчики, джозефсоновские контакты, находились в сверхпроводящем состоянии. А это означает, что должна работать сложная и дорогая криогенная система.

— В 80-е вы делали первые в стране джозефсоновские переходы, что они собой представляли?

— Тогда мы их делали по довольно грубой технологии с помощью прокатного стана. Прокладывали между пластинками сверхпроводника тантала фольгу из меди и засовывали в вакуумный пресс. Получили «рекордную» толщину нормального металлического слоя, проводящую джозефсоновский ток (до 50 мкм). Для того чтобы мерить такие системы, нужна очень большая чувствительность по электрическому напряжению, поэтому на основе своего магнитометра и мостовой схемы (мостик Уинстона) мы сделали измерительный прибор пиковольтметр («пико» — одна триллионная часть.— «О» ).

— За эти работы вы получили престижную по тем меркам премию Ленинского комсомола с формулировкой «за выдающиеся достижения в области науки и техники».

— Да, мы наблюдали «термоэлектрический аналог эффекта Джозефсона». Это была почетная премия, но небольшая, поэтому мы в тот же день пошли отметить это событие в ресторан «Славянский базар», где она и осталась. Премию, кстати, получил целый коллектив за несколько различных эффектов, где было несколько людей, которые потом сыграли большую роль в развитии сверхпроводниковой электроники, например, замечательный физик-теоретик Александр Буздин, который сейчас работает в Бордо и с которым мы сотрудничаем. С ним мы сделали другую интересную работу, связанную с сосуществованием ферромагнетизма и сверхпроводимости. Это достаточно смелая идея, потому что эти два явления с точки зрения физики настоящие «враги». Мы придумали делать особые слоистые структуры из таких различных материалов, они теперь используются в сверхпроводящей электронике и квантовых технологиях.

В 1990-е я стал заведующим лабораторией сверхпроводимости в ИФТТ в Черноголовке, там мы воспитали много совершенно замечательных ребят, которые почти все съехали за границу. С ними, кстати, мы не поссорились, а наоборот, всегда поддерживали очень хорошие научные и личные отношения. Именно благодаря этому я стал заниматься созданием квантовых структур — кубитов. Прежде всего этому способствовал мой бывший ученик Алексей Устинов, который работал сначала в Италии и Дании, а потом в Германии (сейчас — директор Института физики в Карлсруэ и одновременно сотрудник Российского квантового центра и НИТУ «МИСиС».— «О» ). В итоге, когда в 2016-м благодаря Фонду перспективных исследований возник проект по разработке технологии обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов, оказалось, что я один из немногих ученых, занятых этой темой, который постоянно проживает в России.

Рязанов заведует лабораторией сверхпроводимости Института физики твердого тела РАН, работает главным научным сотрудником лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС»

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Сейчас это не очень модно произносить, но я, наверное, патриот. Есть замечательные места в мире, отличные лаборатории для работы, и нужно обязательно всюду ездить и общаться, но я очень радуюсь, когда люди возвращаются обратно в Россию. Так получилось, что квантовая тема сегодня собрала в России много замечательных умов, которые когда-то уехали из страны.

— А как вы оказались мэром Черноголовки? Тоже патриотизм?

— Эта идея стихийно возникла в годы перестройки среди ученых Черноголовки. Мы решили тогда, что городом должны управлять честные люди, имеющие отношение к науке. Договорились: будем занимать пост мэра по очереди один год. Я был первым и, к сожалению, последним. Года хватило, чтобы понять, насколько политика — грязное дело. За мной мэром стал некий управленец, к науке отношения не имеющий, который испортил весь наш идеальный план. Больше мы в эти игры не играли. А вместо нас в политику пришли олигархи.

— Вернемся к физике. Выходит, в 2016-м вам предстояло сделать квантовый кубит с нуля. И что удалось на настоящий момент?

— Мы, а это несколько взаимодействующих команд из семи институтов, разработали технологию создания сверхпроводящих однокубитных и двухкубитных схем и прототипа небольшого квантового процессора. Продемонстрировали однокубитные и двухкубитные квантовые логические операции, позволяющие создавать квантовую запутанность. При этом точность однокубитных операций превысила 99 процентов, точность двухкубитных — 90 процентов, что позволило продемонстрировать на двухкубитной схеме настоящий квантовый алгоритм Гровера — решение задачи перебора (это и сделал компьютер в МИСиС — «О» ). Алгоритм Гровера является основой для создания сверхбыстрых баз данных, работающих с огромными массивами данных и способных в считанные мгновения находить в них нужную информацию. Первый кубит, который мы сделали в 2016-м, жил менее одной микросекунды. А сейчас — порядка 50 микросекунд. На самом деле эта величина близка к той, которая сегодня достигнута в мире в реально используемых «пробных» процессорах, так что мы за три года сделали то, что в других странах создавали около двух десятков лет.

— Сколько нужно кубитов для полноценного квантового компьютера?

— Чтобы продемонстрировать реальное квантовое превосходство, надо собрать несколько десятков кубитов. Но проблема в том, что уже 30–50 кубитов обеспечивают такие решения, которые невозможно проверить на самом мощном современном компьютере. Сейчас Google представил 72-кубитный компьютер, для доказательства «квантового превосходства» им приходится делить всю структуру на небольшие кластеры, вычисления на которых возможно проверить на обычном мощном компьютере. Поэтому мы поставили для себя задачу остановится на том пределе, который проверяется на обычных самых мощных компьютерах, то есть примерно 20–30 кубитов. Это можно будет использовать для выполнения реальных задач, связанных с поиском новых материалов, в частности, для атомной промышленности.

— В этом году IBM впервые в мире открыла коммерческий доступ через облачный сервис к квантовому компьютеру IBM Q, который находится в штаб-квартире компании в Нью-Йорке. Что он собой представляет?

— В IBM создана такая 20-кубитная система, в которой кубиты имеют времена жизни несколько большие, чем 50 микросекунд. Ребята из нашей лаборатории пытались использовать этот сервис для вычислений в области материаловедения, но пока, надо признать, все работает довольно неважно. По крайней мере, эмуляция на обычном компьютере дает более точные результаты.

Чем отличается работа квантового компьютера от обычного

Работа квантового компьютера от обычного отличается в разы большей скоростью обработки данных. Понять это проще на простом примере. Допустим, нам нужно рассадить 3 человека за 2 столика в ресторане. Вариантов решения этой задачи всего 8 (2³). Эту задачу любой суперкомпьютер решит мгновенно.

Но, если задачу усложнить и предложить машине рассадить 100 человек в два банкетных зала, то вариантов ее решения становится огромное множество. Эта цифра будет выглядеть, как 2 в сотой степени. Это число, состоящее из 30 символов. Самому мощному суперкомпьютеру на обработку всех этих вариантов понадобится приблизительно 4,6х10³⁵ лет. Это неимоверно много. По сути, срок решения задачи сводится к бесконечности.

Получается, что задача вроде бы простая, рассадить 100 человек в два зала. Но вариантов ее решения существует такое множество, что решить ее с помощью привычных устройств невозможно. Квантовый супермощный компьютер способен решить эту задачу за секунды. В этом и есть его основное отличие от обычного.

Суть квантового компьютера конечно же состоит не в том, чтобы подобрать наиболее совместимую компанию для вечеринки. Задачи, которые ставятся перед этим устройством гораздо сложнее.

Вычисления с помощью ИИ и квантовых компьютеров

Нейросеть, обрабатывающая белки. Сверточная нейронная сеть может анализировать поведение органических молекул. Для этого исследователи из Стэнфордского университета преобразовали молекулу белка в воксельные каналы

Что именно должна вычислять сеть и как подготовить данные для ввода, по-прежнему определяется человеком. Если эта предварительная работа будет проведена, нейросети существенным образом ускорят развитие научных исследований. Уже сегодня они используются для исследований биологических и химических процессов. Нейронная сеть, разработанная Уэном Торнгом и Рассом Альтманом в Стэндфордском университете, — всего лишь один пример из многих. Эта сеть анализирует роль отдельных аминокислот в структуре белка (см. справа). Ученые выразили мысль, что их нейронная сеть затмила существующие до этого экспериментальные методы анализа.

Хассабис видит будущее AlphaGo Zero в разработке сверхпроводника, работающего при комнатной температуре, что могло бы стать стимулом не только для перехода на другие виды энергии. Однако молекулярный мир намного сложнее, чем доска для го, о чем напоминают не разделяющие оптимизма Хассабиса специалисты по материаловедению. С задачей совершить прорыв в области материаловедения на одном только ИИ не справиться. Валентин Станев, исследователь университета Мэриленда, считает, что эта сложная проблема «нерешаема без полноценных квантовых вычислений».