Квантовый компьютер в России – миф или реальность

Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер

Сейчас много говорят о новых технологиях вычисления — в частности, то и дело звучат слова «квантовые вычисления», «квантовый интернет» и даже «квантовая криптография». Посмотрим, что это такое и нужно ли оно нам. Начнём с квантового компьютера.

В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это реализовано так:

1. В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе: если его включить, вода польётся, если выключить — остановится.
2. В транзисторе вода — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке.
3. Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления.
4. Из-за того, что транзисторов очень много (миллиарды), а работают они очень быстро (близко к скорости света), транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления.
5. Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света.

Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.

Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует.

В квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке:

Кубит может принимать все значения, которые видны на цветной сфере

Похожие статьи

Реализация квантовых вычислений в программе Excel

Квантовым аналогом бита выступает кубит (Q-бит, Quantum бит, квантовый бит), который представляет из себя квантово-механическую систему, обладающую двумя базисным состояниями: . В дираковской системе обозначений векторных величин используется.

Анализ проблем квантовой линии связи в криптографии

В этом случае соответствующее гильбертово пространство будет двумерным. Обычно, если не важна конкретная природа двухуровневой системы, её состояния обозначают 0 и 1. По аналогии с классическим битом такую систему называют кубитом, что “означает квантовый бит”.

Квантовые компьютеры: надежды и реальность | Молодой ученый

Ключевые слова:квантовые компьютеры, криптография, кубиты, безопасность, криптоключи, криптоалгоритмы, криптосистемы, алгоритмы, ключи, шифрование, вычисления

2) наличие или отсутствие куперовской пары в установленном месте пространства

Актуальный метод криптографий, основанный на квантовых.

Возможной в реализаций эта система стала после появления на рынке лавинных

После выполнения этих протоколов исходная строка битов укорачивается, однако гарантируется

Детектор предназначен для области электронной связи и квантовых измерений мощности.

Пост-квантовый алгоритм электронно-цифровой подписи на.

Реализация квантовых вычислений в программе Excel. кубит, квантовый компьютер, квантовый гейт, алгоритм Гровера.

криптография, RSA, ключ, квантовая криптография, канал связи, алгоритм, электронная подпись, защита информации, мировая война.

Философия и физика, связь сознания и квантовой механики

. сложной теории квантовой механики, действующей в Гильбертовом пространстве.

Похожие статьи. Квантовая парадигма в системе нового психологического знания.

. работы квантовых компьютеров, квантовой связи, квантовой криптографии и т. п. что.

История развития технологии квантовых точек | Статья в журнале.

Некоторые общие сведения о квантовых точках. Квантовая точка — фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны и дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям.

Квантовая парадигма в системе нового психологического знания

Поэтому квантовая теория наряду с другими физическими теориями занимает абсолютно особое место.

Таким образом, пространство это просто конструкция, дающая нашему

С точки зрения данного подхода мозг можно обозначить как нейро-квантовый компьютер.

Механизмы ослабления сигналов, используемых в процессах.

Рассмотрено поведение квантовых двухуровневых систем, перспективных для использования в качестве ячеек памяти (кубитов) в квантовых компьютерах и системах квантовой

Похожие статьи. Определение физических параметров радиационных процессов.

Мы знаем, что Google, IBM, Microsoft, Alibaba, Intel — все крупные IT-компании инвестируют в кванты, понимая, что это следующий шаг развития вычислительных технологий.

За счет ресурсов частного капитала им удается двигаться вперед очень быстро. Нам, чтобы их нагнать, нужно сфокусировать усилия в этом направлении.

— Однако в Nature писали, что квантовые компьютеры могли появиться чуть ли не в 2017 году. Сейчас 2020-й, их всё еще нет. Почему и чего, на ваш взгляд, человечеству не хватает: математических знаний, технологий, материалов?

— Почему сложно построить большой квантовый компьютер? С одной стороны, нам нужно очень много квантовых объектов, с другой, каждый из них мы должны индивидуально контролировать. И эти требования в реальных физических системах вступают в противоречие.

Есть системы, которые хорошо масштабируются, в них можно создать много кубитов , но контроль над каждым кубитом будет очень слабым. А есть системы, где каждая отдельная частица поддается нашему максимальному контролю, но создать много таких квантовых объектов проблематично.

Физика материалов

Привлечение к российским научным проектам нобелевских лауреатов — важный стратегический шаг на пути к тому, чтобы создать центр притяжения для молодых ученых, где бы концентрировался интеллектуальный потенциал страны. Этим сейчас и занимается МФТИ. Один из самых цитируемых физиков современности, профессор Манчестерского университета, нобелиат Константин Новоселов возглавил подразделение Физтеха, ориентированное на эксперименты с двумерными умными материалами. Это очень перспективное направление с большим потенциальным эффектом для микроэлектроники и техники. Ожидается, что такие материалы можно использовать в качестве основы нейроморфных компьютеров.

«Мы стремимся к тому, чтобы наши выпускники сохраняли контакты со своей альма-матер, как бы ни сложилась их судьба – будь то работа в крупных российских вузах или научных центрах за рубежом. Развитие научной диаспоры Физтеха служит и источником знаний, и катализатором новых проектов, не говоря об опыте, которые получают студенты, работая с учеными уровня Андрея Гейма и Константина Новоселова. Мы ведем переговоры и с другими выдающимися выпускниками. Согласно нашей стратегии, на Физтехе появятся порядка 30 лабораторий мирового уровня», – рассказал «Хайтеку» ректор МФТИ Дмитрий Ливанов.

Наноматериалами в России также занимается Курчатовский институт. Недавно физики синтезировали принципиально новый класс тонкого вещества — субмонослойные магнитные пленки. Они имеют толщину в один атом, но при этом сильно разряжены. Это самые тонкие искусственные магниты из тех, что когда-либо получалось создать в лаборатории. С этим открытием может быть связан толчок в развитии спинтроники (система, которая использует спин в качестве носителя информации в квантовых вычислениях). В процессе исследовательской работы физики Курчатовского института сотрудничали с Европейским центром синхротронных исследований, где есть уникальная ускорительная установка, позволяющая изучить свойства нановещества. Это вплотную подводит к разговору о состоянии ускорительной физики в России.

Применение квантовых компьютеров

В том же 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый (из многих) квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители. Удивительно, но даже для самых мощных современных компьютеров разложить длинное (в несколько сотен цифр) число на два простых множителя — невероятная по затратам времени задача. Именно на этом строятся самые современные системы шифрования и защиты информации. Шор же доказал, что квантовый компьютер, содержащий 1000 и более кубитов, взломает любой код буквально за секунды.

Вся хитрость в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не последовательно, как это делает обычный процессор, а одновременно. Скорость обработки информации при таком способе возрастает просто колоссально. Работа Шора показала лишь одну из сфер практического применения квантового компьютера. Возможности квантового взлома систем шифрования (в том числе в военной сфере) сразу привлекли в эту область разработок немалые ресурсы. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра. Не отстают от КНР также ЕС и США, собственные средства в квантовые разработки вкладывают и частные компании — такие как Google и IBM. Свой вклад в создание квантового компьютера вносит и Россия.

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.

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.

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.

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».