Российский квантовый компьютер 51 кубит

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.

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 делают кубиты и в чём сложность

Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью.

Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система.

Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.

Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный.

С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора.

Квантовый процессор на девяти кубитах от Google

Что же такое квантовый компьютер?

Это компьютер, использующий вместо классических битов (бинарных переменных, единичек и нулей) кубиты — состояния квантовой системы с двумя уровнями. В отличие от битов, кубиты могут находиться в состоянии 0, 1 и в суперпозиции 0 и 1.

— Помните мысленный эксперимент с котом Шредингера? Пока мы не откроем коробку, кот в ней и «жив», и «мертв» одновременно. Состояние кота в коробке и называется суперпозицией.

Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам делать параллельные, а не последовательные вычисления, что на порядок ускоряет работу в определенных алгоритмах. И чем больше в нашем процессоре связанных кубитов, тем больше информационное преимущество квантового компьютера над классическим, тем он потенциально мощнее и быстрее.

— В отличие от классических компьютерных битов и транзисторов, кубиты для своего физического воплощения требуют, как правило, отдельных квантовых систем с дискретными энергетическими уровнями и единичных квантов возбуждений.

Кубиты можно реализовать, например, с охлажденными атомами в ловушках, дефектами в нанокристаллах алмаза или сверхпроводящими контурами. Последние на современном этапе считаются самыми перспективными для построения квантовых компьютеров, поскольку сверхпроводящий контур-кубит, по сути, — объект почти макроскопический, размером в микрометры, доступный для манипуляций и массового изготовления.

Сверхпроводящие кубиты можно создавать на основе существующих методов литографии и помещать на чипы, не боясь, что они куда-нибудь сбегут как атомы. Так, в 2015 году Министерство образования и науки РФ сообщало о создании кубитов из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон: «Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров». Для печати кубита использовалась технология электронной и фотолитографии. Процесс этот весьма увлекательный и подробно расписан создателями в их блоге.

Квантовые компьютеры изменят мир и общество

Квантовые компьютеры способны привести к резкому прорыву в открытии и разработке новых лекарств, давая ученым и врачам возможность решать задачи, которые невозможно решить сейчас. Специалисты швейцарской фармацевтической компании Roche надеются, что квантовое моделирование ускорит разработку вакцин для защиты от инфекций, подобных COVID-19, лекарств от гриппа, рака и даже болезни Альцгеймера. Квантовое моделирование может заменить лабораторные эксперименты, чем снизит стоимость исследований и сведет к минимуму потребности в тестировании препаратов с участием животных и людей.

Квантовые компьютеры потенциально могут ускорить создание новых катализаторов для утилизации СО2 из воздуха или отработанных газов, которые не только сократят выбросы, но и позволят получать ценные нефтехимические продукты.

С помощью «квантового отжига» можно рассчитать траекторию движения каждой частицы воздушного потока над новым типом крыла, что может привести к изобретению новых технологий в аэродинамике. Подобный принцип можно использовать для решения задач оптимизации трафика в городе или потока данных в сети.

Ожидаются изменения и в финансовом секторе, где квантовые вычисления поспособствуют более глубокой аналитике и новым торговым возможностям, например, ускорению транзакций и обмена данными. Многие крупные банки, включая JP Morgan Chase, Goldman Sachs, BBVA Bank, Barclays, уже экспериментируют с квантовыми технологиями, чтобы оценить их роль в ближайшем будущем. Экспоненциально ускоренные вычисления могут иметь огромное значение для финансового моделирования, что изменит оценку инвестиционных проектов и повлияет на бизнес-стратегии. Компании, которые смогут позволить себе квантовый компьютер, обретут огромное конкурентное преимущество.

Источником дохода для компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, станут услуги удаленного доступа к их ресурсам. Хотя в будущем квантовые компьютеры получат широкое распространение, в настоящее время заказчики более склонны к тому, чтобы выполнять квантовые вычисления через облако, а не совершать рискованные инвестиции в дорогостоящее оборудование. Параллельно с этим будет расти предложение программных приложений для квантовых компьютеров, инструменты для разработки. Появятся специалисты, которые будут развивать инфраструктуру, используя мощь двух технологий — квантовых вычислений и искусственного интеллекта, изучение которых станет неотъемлемой частью учебной программы.

В России в рамках создания Национальной квантовой лаборатории на первом этапе планируют запустить образовательные проекты и заняться подготовкой высококвалифицированных кадров. Планируется создать устойчивую экосистему квантовых вычислений и вывести ее на международный уровень, что объединит представителей науки, бизнеса и инноваций. Все это поможет нашей стране достигнуть высокого уровня в этой сфере и значительно повысить скорость вычислений и решения сложнейших задач науки.

Все решения уже известны

Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.

Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.

Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.

Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию

Биты — убиты

— А вы можете объяснить для профана-гуманитария — в чем главное отличие квантового компьютера от обычного. На пальцах, что называется. Я постараюсь напрячь мозг…

— Давайте попробуем (улыбается). В обычном компьютере вся информация зашифрована в битах. 1 бит — 1 единица информации. А биты, в свою очередь, состоят из одних только нулей и единичек. Все, что содержится в вашем планшете, смартфоне, ноутбуке, тексты, фото, картинки — все зашифровано с помощью единиц и нулей. Которые — внимание! — могут составлять одномоментно лишь одно состояние, пусть даже и сложное. Для 10 битов, например, 1001101010.

В КК вся информация зашифрована в кубитах (к слову «биты» просто добавлена приставка «ку» — от английского слова quantum, что означает «квант»). В роли этих кубитов могут выступать или атомы редкоземельных металлов итербия, тулия, или частицы света фотоны, или ионы — заряженные атомы, «потерявшие» или, наоборот, «приобретшие» один или несколько электронов. Или просто электрические цепи в сверхпроводниках.

Все эти атомы или фотоны в квантовом мире могут быть там и тут одновременно. И единицей, и нулем. Это называется суперпозицией. Обычный компьютер оперирует только одним состоянием. А квантовый… У него возможных состояний 2 в той степени, сколько заложено в нем кубитов. Если кубитов 10, то он одновременно в 1024 состояниях, а если всего лишь 300, то 2 в 300-й степени — это больше, чем атомов во всей Вселенной, можете себе такое представить? КК «соображает» сразу на всех уровнях. Параллельно. Поэтому он всегда будет на голову выше любого обычного компьютера, пусть даже и с приставкой «супер». Можно и дальше углубляться в странные законы квантового мира, например, для КК нужна еще и квантовая запутанность. Слышали про такое?

— Ну, кто ж не знает про квантовую запутанность… Кстати, не так давно ученые из Шанхайского университета представили КК «Цзючжан», который, как они заявили, является на сегодняшний день самым мощным квантовым компьютером. Во время демонстрации он всего за несколько минут решил задачу по отбору проб гауссовских бозонов. Это я цитирую информационное агентство, не пугайтесь моей грамотности… С подобной задачей самый мощный современный суперкомпьютер справился бы только за 2,5 миллиарда лет. Получается — КК уже создан, гонка завершилась?

Именно компьютер на квантах нам расскажет, кто мы такие во Вселенной и как была создана она сама

— Что вы, только начинается. Китайский продукт — это не полноценный, не универсальный квантовый компьютер. Он так называемый симулятор, который предназначен лишь для демонстрации «квантового превосходства». Другими словами, «Цзючжан» делает на публике то, чего никогда не сможет сделать обычный суперкомпьютер, пусть даже с миллионами ядер. В прошлом году, кстати, Google представила свой прототип КК — Sycamore. Китайские ученые сообщили, что скорость вычислений их КК в 10 миллиардов раз выше, чем гугловского. Но последний уже программируется, то есть может решать разные задачи, а китайский нет. Что, конечно, никак не умаляет заслуг шанхайских ученых. К слову, один из руководителей программы, профессор Лю Чаоян сказал, что создание КК — это гонка не между странами, а между человечеством и природой. Очень точное замечание.

Ближе к человеку

Еще одна большая задача — программное обеспечение квантовых вычислений, которое выстраивает связь от квантового процессора к конечному потребителю. Для этого требуется несколько уровней сложнейшей математики. Первый уровень, который очень близок к физике, решает задачи, как на конкретной физической платформе реализовать операции: проанализировать, какие состояния наилучшим образом подходят для реализации, и, выбрав достаточное количество простых операций, построить из них универсальный набор квантовых логических элементов. Кроме того, необходимы методы оптимального управления состояниями квантового процессора, то есть нужно правильно построить систему и защитить ее от внешнего окружения. На этом этапе теоретики очень плотно общаются с экспериментаторами и интересуются, как работают кубиты, какие операции можно делать параллельно, а какие — обязательно последовательно, какие кубиты можно измерять, а какие — нет.

Дальше идут методы подавления и исправления ошибок. Из-за воздействия декогеренции — потери квантовой информации — возникают ошибки в ходе вычислений, и математически можно либо подавить их влияние на вычисления, либо вовсе их устранить. Это уже квантовые аналоги кодов коррекции ошибок в классических вычислениях. «В квантовом мире суперэффективных кодов коррекции ошибок пока нет, — утверждает профессор МФТИ, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Алексей Федоров, который и занимается теоретическим сопровождением проекта квантовых вычислений. — Это одна из больших задач».

На следующем уровне абстракции есть квантовый компьютер как ресурс, работающий с ошибками или без. И нужно понять, как построить квантовый алгоритм для решения конкретных задач. Как заставить эту квантовую магию работать? «Строить квантовые алгоритмы — настоящее искусство, — говорит Алексей,. — Их придумано не так много за последнее время — десятки. Это почти магия — заставить квантовую физику работать над решением конкретных задач».

На все это наслаивается более прикладная, но не менее интересная задача — как встроить все это в традиционные инструменты для разработки программного обеспечения? Потому что конечные пользователи систем вовсе не специалисты по квантовым вычислениям. Требуется создать набор библиотек или алгоритмов для традиционных средств разработки, чтобы специализированные задачи отправлялись на квантовые процессоры — QPU, как сейчас графика обрабатывается на специализированных графических процессорах — GPU. Имея такой инструмент, очень абстрагированный от реального «железа», можно максимально приблизиться к конечному пользователю.

Однако это еще не все. «Часть пользователей квантовых компьютеров — ученые, — говорит Алексей Федоров. — Для них нужно создать графическую и максимально приближенную к квантовому компьютеру среду разработки. Чтобы люди обучались и понимали, как работает квантовый компьютер. Чтобы они выбирали кубиты и делали с ними реальные логические операции».