«Квантовый компьютер в сравнении с классическим — это атомная бомба в сравнении с калькулятором». Физик-теоретик Алексей Федоров — о значении квантового превосходства и роли российской науки в этой сфере
Почему о квантовых компьютерах говорят уже давно, а купить их мы до сих пор не можем? Как они будут взаимодействовать со слабым и сильным искусственным интеллектом и экологичны ли они? Что такое квантовое превосходство и чем оно похоже на магию Доктора Стрэнджа из «Мстителей»? Рассказывает Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, член научного совета Российского квантового центра, PhD.
— Вас назвали одним из главных конкурентов Илона Маска. Почему? Вы с ним работаете над разными научными задачами.
— Меня назвали не конкурентом, а одним из российских Илонов Масков. Я удивлен, что так много людей поняли это буквально. Конечно, это лишь аналогия, но, как мне кажется, она имеет право на жизнь. То, что сейчас происходит в квантовых технологиях, часто сравнивают с космической и ядерной гонкой, потому что в «квантах» заключен большой стратегический потенциал, в эту сферу вовлечено много людей; государства и частные компании заинтересованы в развитии технологий.
Но если говорить про общее между мной и Маском… Недавно я смотрел его старое интервью, там он сказал: «Я просто хочу сделать космические полеты доступными». Так вот, я и моя команда работаем над тем, чтобы квантовые технологии вышли за рамки академической области и превратились в целое поколение новых приборов и устройств, которое мы сможем использовать в ближайшее время. В этом смысле для меня работа Илона Маска — один из примеров того, как сложная технология может становиться всё более и более доступной, меняя тем самым наш мир.
— В какое ближайшее время? Россия ведь отстает в сфере квантовых технологий. В общем, когда нам, простым пользователям, ждать квантовые ноутбуки?
— Макбук и айфон, которые мы используем, в каком-то смысле являются квантовыми устройствами. Внутри них есть транзисторы, интегральные схемы, матрицы и другие механизмы, которые построены на принципах квантовой физики. Если бы в начале XX века квантовая физика не появилась, то таких приборов и технологий не было.
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.
Материалы по тегу «квантовый компьютер»
Инженеры НГТУ НЭТИ создали опытную партию первых отечественных криогенных СВЧ-усилителей, необходимых для проведения исследований, связанных с созданием квантовых систем обработки информации на сверхпроводящих кубитах
Группа ученых из Российского квантового центра продемонстрировала возможность масштабирования квантовых компьютеров, не наращивая количество квантовых носителей информации, а используя их дополнительные уровни
Предложенная теоретическая модель является наиболее эффективной из основных существующих концепций по созданию единиц памяти для компьютеров будущего
Группа исследователей под руководством преподавателя Института квантовых вычислений (IQC) выполнила первое в истории моделирование барионов — фундаментальных квантовых частиц — на квантовом компьютере. – пишет eurekalert.org.
Создание квантового компьютера – задача для ученых всего мира. Научный коллектив СПбПУ и МГУ сделал новый шаг в этом направлении – теоретические изыскания фактически полностью совпали с экспериментом
Директор ФИАН Николай Колачевский о квантовых вычислениях и отставании России
Можно ли с помощью суперкомпьютера создать полномасштабную модель человеческого мозга? Какое место в мировой гонке вычислений занимает Россия? Эти и другие темы мы обсудили с академиком РАН Игорем Каляевым
В МФТИ впервые в России создана квантовая интегральная схема на основе пяти сверхпроводниковых кубитов. Она является важным шагом на пути создания полномасштабных универсальных квантовых процессоров и симуляторов
Сверхпроводящие кубиты, квантовый компьютер и другие тайны серого коридора учебно-лабораторного комплекса МГТУ имени Баумана
Исследователю Сколтеха удалось приблизить перспективы квантовых вычислений, сделав открытие, доказывающее универсальный характер их вариационной модели
Ученые НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра и Технологического института Карлсруэ разработали квантовый сенсор, позволяющий обнаруживать дефекты в работе квантовых систем
Как устроен квантовый компьютер: принцип работы
После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение. Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера. Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу.
Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе.
Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко. Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц. Нетривиальная задача, не правда ли?
Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты. В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем (например QCL, Quantum computing language), но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений.
Модель гипотетического квантового компьютера от IBM (CeBIT 2018. Ганновер, Германия)
Существуют ли настоящие квантовые компьютеры?
— Они уже есть, и вполне настоящие. Их покупают и продают. Канадская компания «Ди-вэйв» (D-Wave) с 2011 года продает процессоры на нескольких сотнях и более кубитов. Одним из покупателей является аэрокосмическая корпорация «Локхид Мартин» (Lockheed Martin), приобретшая один из первых 128-кубитных процессоров за $11 млн. В начале прошлого года «Ди-вэйв» выпустила устройство с 2000 кубитов.
Правда, на стол в каждой отдельной семье квантовый компьютер поставить трудно — это ящик трехметровой высоты стоимостью $15 млн, внутри которого холоднее, чем в открытом космосе, нагретом реликтовым излучением до 2,725 Кельвина или -270,425 градусов по Цельсию. [Компьютер D-Wave работает при температуре -273 градуса по Цельсию, тогда как на орбите Земли средняя температура абсолютно черного тела составит +4 градуса — прим. Onliner.by]. И даже если оставить сомнения в истинной квантовости компьютера «Ди-вэйв», выгода от него — лишь для отдельных специализированных задач.
В начале прошлого года D-Wave выпустила устройство с 2000 кубитов, которое работает при температуре −273 градуса по Цельсию
В некоторых случаях речь идет о задачах по оптимизации функции затрат по принципу квантового отжига. Например, компании Google это позволило в одном из таких алгоритмов добиться в 100 млн раз большего быстродействия по сравнению с обычным компьютером.
А летом прошлого года группа физиков под руководством профессора Гарварда и сооснователя Российского квантового центра Михаила Лукина смогла создать 51-кубитный квантовый компьютер для моделирования квантовых систем, то есть квантовый симулятор. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — говорил Михаил Лукин в интервью РБК. Квантовый симулятор, по мнению американского ученого Кристофера Монро, это то, что можно запрограммировать под выполнение лишь определенного вида задач и со временем превратить в универсальный квантовый компьютер, когда станет возможно программировать симулятор произвольным образом. Михаил Лукин отмечает, что на данном этапе исследований грань между компьютером и симулятором очень размыта.
Компания Intel в октябре прошлого года объявила о выпуске экспериментального 17-кубитного квантового процессора. Разработчики утверждают, что применили новую архитектуру, которая позволила повысить надежность, улучшить температурные характеристики и изоляцию от помех из-за совместной работы кубитов.
Работы ведутся. Как в середине прошлого века ученые предполагали, что на весь мир хватит и пяти компьютеров, так в нынешнем столетии хочется надеяться, что и задач для квантовых компьютеров станет больше, и для их производства найдутся эффективные и масштабируемые технологии. Пока же есть загвоздки.
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».
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.
Квантовый компьютер что это такое
Каков принцип работы подобного ЭВМ? Если вкратце – то простой компьютер создаёт свои вычисления за счет битов. Бит может быть или нулём, или единицей. Нули с единицами выстраиваются в определённую позицию и создают цифры или другие знаки. Это чем-то похоже на азбуку Морзе. Суть — да или нет. Точка — тире. 0 — 1.
В квантовиках же принцип совершенно другой. Тут работают не биты, а кубиты. Подобные кубиты находятся в суперпозиции, т.е., кубит может в одно и тоже время быть и нулём, и единицей. Простые компьютеры выстраивают позиции, квантовики же вычисляют параллельно. За доли секунды. В Российском компьютере 51 кубит.
Попробую объяснить более понятно. Представьте, что в кинотеатре идёт интересный фильм. Вы сидите дома, и сами не можете понять, хотите вы увидеть этот фильм, или нет. То есть, в вас сразу присутствует и единица, и нуль. Но вот, вам позвонил ваш друг и предложил сходить на этот фильм. Вот теперь вы точно знаете, что желаете сходить на этот фильм. Другими словами, у вас теперь единица. Что-то похожее происходит и в системе, построенной на кубитах.
Глава шестая
Заключение
Краткосрочные последствия квантовых компьютеров иногда преувеличиваются. Существующие квантовые компьютеры необходимо будет увеличить в 1 миллион раз, прежде чем они станут актуальными для криптографии. Краткосрочные квантовые компьютеры пока не имеют гарантированных приложений, но моделирование для научных исследований выглядит многообещающим и может иметь серьезные экономические последствия. Квантовые датчики гораздо ближе к коммерческому развертыванию и могут обеспечить значительные улучшения в получении изображений на большом расстоянии, синхронизации и обнаружении электрических, магнитных и гравитационных полей как в коммерческих, так и в военных целях. QKD, в принципе, может улучшить защиту коммуникаций от подслушивания, но многие эксперты из США и Великобритании скептически относятся к тому, что это окажется полезным на практике. В дальнейшем более сложные формы технологии квантовой связи могут быть использованы для объединения в сеть квантовых компьютеров и датчиков, но эти сети все еще находятся на очень ранней стадии развития.
Соединенные Штаты, за которыми следуют Канада, Великобритания и ЕС, являются мировыми лидерами в области квантового зондирования и вычислений. Китай решил сосредоточить свои исследовательские усилия на квантовой связи и считается мировым лидером в этой области, потому что это единственная страна, которая запустила спутник QKD и проложила крупнейшую в мире сеть волоконно-оптических кабелей для QKD. Однако ни Соединенные Штаты, ни Китай не имеют явного лидерства в квантовых технологиях в целом. Комиссия США и Китая по обзору экономики и безопасности охарактеризовал квантовую информатику как область «тесной конкуренции» между двумя странами.
