Проверка браузера перед переходом на сайт

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

Теория

Квантовый компьютер использует привычную вычислительным машинам двоичную систему счисления, «внутри» у него только нули и единицы. Однако термин «кубит» (q-bit, «бит» квантового компьютера) обозначает принципиальное отличие от бита: про состояние кубита в каждый момент времени нельзя сказать, что у него внутри — ноль или единица. Чтобы выяснить это, надо «снять» данные — открыть коробку с котом Шредингера и понять, жив кубит («1») или мертв («0»).

Аналогию «кубит как кот Шредингера» можно (и нужно) заменить несколько более сложной (хотя тоже примитивной) аналогией «кубит как электронное облако», то есть сфера, в каждой точке которой может находиться размазанный по орбите электрон. Эту сферу мысленно разрезаем (как пилой, пополам), чтобы «выловить» электрон в одной из двух получившихся полусфер. Практический смысл для конструктора квантового компьютера: если электрон в одной полусфере, значит, кубит на момент измерения находится в состоянии «1», если в другой — «0». До измерения кубит находится в так называемой суперпозиции: оба его возможных состояния смешаны (однако сумма вероятностей состояний равна 1). Едва измерение состояние кубита произошло — все кончено, как в детской игре «Замри!». Информация о предыдущей «жизни» кубита разрушается, как коробка, в которой сидел кот.

Квантовые вычисления обеспечиваются возможностью зафиксировать взаимосвязь совокупности (регистра) кубитов, находящихся в суперпозиции. Кубиты можно ввести в так называемое запутанное (общее, единое) состояние, когда измерение одного кубита фиксирует не только его состояние, но и состояние всех N-кубитов в регистре. Если N-кубиты в регистре запутаны, тогда одной операцией квантовый компьютер может сразу, одновременно, обработать 2N бит данных.

Это дает, во-первых, грандиозный рост размерности обрабатываемых данных: при N=50 регистр запутанных кубитов эквивалентен по объему хранимых данных 10 в 18-й степени бит. Во-вторых, позволяет решать упомянутые выше задачи, недостижимые для классических компьютеров.

Как собрать квантовый компьютер?

Итак, для создания функционального квантового компьютера требуется удерживать объект в состоянии суперпозиции достаточно долго, чтобы выполнять на нем различные процессы. К сожалению, как только суперпозиция встречается с материалами, которые являются частью измеряемой системы, она теряет свое промежуточное состояние в так называемой декогеренции.

Выходит, эти устройства должны быть способны защищать квантовые состояния от декогеренции, в то же самое время делая их легко читаемыми.

Квантовые состояния суперпозиции и запутанности чрезвычайно хрупки, и без правильной температуры и условий окружающей среды они быстро теряют свои качества и ведут себя хаотично. На данный момент квантовые компьютеры очень чувствительны: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к декогеренции и сбою системы.

Квантовые компьютеры сегодня очень чувствительны

В идеале, квантовые компьютеры должны защищать кубиты от внешних помех, либо физически изолируя их, сохраняя в прохладном состоянии, либо заряжая тщательно контролируемыми импульсами энергии. Дополнительные кубиты необходимы для исправления ошибок, которые проникают в систему.

Потребность в специализированном оборудовании является ключевой причиной того, что только страны, готовые инвестировать большие ресурсы, изучают квантовые вычисления. А так как наука стремительно развивается, рано или поздно физики своего добьются.

В работе 2020 года физики из Китая изложили три области применения квантовых технологий, которые пыталась разработать страна. Так, квантовые датчики могли бы обнаружить подводную лодку, скрывающуюся на глубине сотен метров под океаном, или направлять устройства, которые могли бы работать независимо в течение нескольких месяцев без сигнала GPS.

Технологии будущего уже здесь, осталось немного подождать

А еще квантовые вычисления могут помочь исследователям разрабатывать новые лекарства, моделируя более крупные и сложные молекулы намного быстрее. Нескольких сотен запутанных кубитов было бы достаточно, чтобы представить больше чисел, чем атомов во Вселенной!

Подробнее о новейших открытиях в области квантовой физики можно прочитать здесь.

А еще не забудьте подписаться на наш канал в Telegram, так вы точно не пропустите ничего интересного!

Призрак превосходства

Современная экономика немыслима без мощных компьютеров. При этом даже лучшие из них зачастую пасуют перед задачами, которые ставит жизнь. Выходом могут стать квантовые компьютеры, которые потенциально гораздо мощнее обычных. Это их свойство — пока существующее скорее в перспективе, чем на практике — называют квантовым превосходством (quantum supremacy) или квантовым преимуществом (quantum advantage).

Дело в том, что квантовые компьютеры иначе хранят и обрабатывают информацию. Классический компьютер имеет дело с битами. Бит имеет только два возможных состояния: 0 и 1, и переходит из одного в другое скачком. Бит похож на рубильник, который либо включен, либо выключен, и третьего не дано. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. Это позволяет ему хранить куда больше информации, чем бит. Если сильно упрощать, то можно представить кубит стаканом, в котором может быть любой уровень воды между «пуст» и «полон».

Идея квантовых вычислений была высказана еще в 1980-х. Однако настоящий интерес к ней возник в 1990-е, когда выяснилось, что квантовый компьютер мог бы взламывать самые надежные шифры. Речь идет о RSA-шифровании, которое широко используется для обмена финансовыми и другими конфиденциальными данными. Этот алгоритм основан на том факте, что два больших числа легко перемножить, но крайне трудно разложить произведение обратно на множители. Однако в 1994 году математик Питер Шор показал, что квантовый компьютер (тогда существовавший лишь на бумаге) справляется с такой задачей гораздо быстрее, чем классический. Тот, кто пренебрегает возможностями квантовых вычислений, рискует однажды обнаружить, что все его счета взломаны.

Однако до момента, когда банкам потребуется защита от квантовых взломщиков, еще далеко. Квантовый компьютер, который мог бы соперничать в производительности с обычным ноутбуком, должен иметь, по разным оценкам, от тысяч до миллионов кубитов.

Правда, уже сейчас раздаются заявления о достижении пресловутого квантового превосходства. Первой отметилась корпорация Google, заявившая в 2019 году, что ее 53-кубитное детище Sycamore за 200 секунд решило задачу, на которую у крупнейшего современного суперкомпьютера Summit ушло бы десять тысячелетий. Правда, конкуренты из IBM усомнились в этих цифрах. В 2020 году о достижении квантового преимущества сообщили китайские ученые. Однако, в обоих случаях имело место некоторое лукавство. Классическому компьютеру предлагали соревноваться с квантовым в моделировании квантовых явлений. Поскольку в квантовые машины эти явления встроены на уровне «железа», это было похоже на состязание в плавании между человеком и дельфином. Разумеется, в своей стихии дельфин победит даже олимпийского чемпиона. Но настоящее квантовое превосходство заключалось бы в безоговорочной победе во всех дисциплинах, включая бег и метание молота.

Все что вы хотели знать о кубитах, но боялись спросить

Квантовые вычисления — непростая тема. С просьбой объяснить, что это такое, мы обратились к ученому, который создает квантовые процессоры. Завлабораторией сверхпроводящих метаматериалов МИСиСа, руководитель группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре, профессор Алексей Устинов помог разобраться в том, какова материальная основа единицы квантовой информации — кубита — и как действуют процессоры на базе сверхпроводников.

СЛОВАРЬ

Кубит — квантовый разряд, наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два состояния — 0 и 1, но при этом может находиться в суперпозиции — может принимать одновременно оба значения.

Фотон — фундаментальная частица, квант электромагнитного поля. В виде фотонов испускается и поглощается электромагнитное излучение. Фотон имеет свойства как частицы, так и волны. У него нет ни электрического заряда, ни массы.

Физически кубит на базе сверхпроводников представляет собой пластинку из кремния, на которую нанесены две тонкие, меньше микрона, пленки алюминия. Между ними — диэлектрик из окиси алюминия. В этом месте находится джозефсоновский переход, или контакт, в котором происходит эффект Джозефсона: протекание сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Для удобства пластинка из кремния закрепляется на медной подложке.

Почему алюминий

Он становится сверхпроводником при температуре 1,2 К. В сверхпроводнике электрический ток течет без сопротивления — оно равно нулю.

Сверхпроводник по своим физическим свойствам становится системой, минимальная энергия которой хорошо определена, а следующее возможное значение энергии кольца с джозефсоновским переходом отделяется небольшой щелью. Такая система фактически имеет два уровня энергии. Это и есть материальная основа кубита — квантовая система с двумя уровнями энергии, которая нужна для того, чтобы делать вычисления.

Сколько живет кубит

Чтобы проводить вычисления, необходимо управлять переходами с минимального уровня энергии на следующий и удерживать систему на этом уровне как можно дольше.

В отличие от обычных компьютеров, для сверхпроводниковых кубитов потеря кванта энергии — это потеря информации, то есть конец жизни кубита как единицы информации. Квантовая система теряет энергию легко: она улетучивается в пространство в виде фотонов или переходит в тепло — сверхпроводник нагревается, а энергия теряется.

Удержать кубит в возбужденном состоянии — большая технологическая и пока до конца не решенная проблема. В первых экспериментах в Японии в 1999 году кубит жил (удерживал энергию на верхнем уровне) лишь наносекунду. Благодаря исследованиям физиков всего мира за последние годы произошел экспоненциальный рост срока жизни кубитов. Сейчас они живут несколько десятков, иногда даже сотен микросекунд. Рост стал возможен благодаря тому, что ученые тщательно изолируют кубиты от окружения и воздействия неблагоприятных факторов.

Минимальный набор для квантового вычисления — пара кубитов, которая управляется двухкубитными вентилями. Вентили — логические операции по обработке информации («и», «или», «нет» и т. д.), они есть и в обычных компьютерах. Благодаря объединению фотон (читай — энергия и информация) не теряется, а передается от одного кубита к другому.

Переход с минимально возможного уровня энергии на следующий инициируется за счет воздействия на кубит коротким импульсом микроволн с частотой в несколько гигагерцев, что соответствует длине волны в несколько сантиметров. У таких волн энергия фотонов низкая (энергия излучения, напомним, обратно пропорциональна длине волны). Но температурные флуктуации (отклонение от среднего значения случайной величины) могут легко разрушить квантовую систему. Чтобы это не произошло, температура системы должна быть еще ниже, чем это необходимо для того, чтобы сделать алюминий сверхпроводником. Вместо 1 К требуется порядка 20 мК.

Создают и поддерживают такую температуру специальные холодильники, работающие на смеси изотопов гелия. В нашей стране такие есть во ВНИИА, МГТУ, МФТИ, МИСиСе и Российском квантовом центре.

Как избавиться от ошибок

Чтобы кубиты могли взаимодействовать, необходимо объединить их в цепи, по аналогии с транзисторами. Когда кубиты соединены в схему, работающую по алгоритму, в ней можно запустить сложное вычисление.

Создание цепей — задача не только математическая (надо написать алгоритм), но и аппаратная. Нужна электроника, которая может управлять взаимодействием множества кубитов. Для иллюстрации физики приводят такой пример: представьте, что у вас два капризных ребенка. Сложно ими управлять? Сложно, но возможно. А теперь представьте, что у вас их 50. Физикам, как и родителям, нужны все более сложные средства управления квантовыми «капризными детьми».

Помимо самого выполнения вычислений нужно, чтобы итог этих вычислений был корректным. В России безошибочность выполнения однокубитных операций (контролируемых изменений состояний кубитов) — 99,9 %, двухкубитных — 89 %, а точность считывания — 85–90 %. У Google, в лаборатории Джона Мартиниса в Университете Санта-Барбары, у однокубитных операций показатель тот же, у двухкубитных — 99,5 %. По точности считывания лидер с показателем 99 % — лаборатория IBM в Цюрихе.

Для обычных компьютеров задача избавления от ошибок уже решена, для квантовых решение только предстоит найти. Один из вариантов — создать логический кубит. «С помощью некоторых ухищрений (предлагаю не вдаваться в подробности) можно соединить несколько физических кубитов. Объединенные в систему физические кубиты теоретически могут жить бесконечно долго, потому что физические кубиты «умирают» (теряют информацию) в разное время. Здесь используется принцип двух наблюдателей: когда два наблюдателя смотрят на кубит, они одновременно заметят, что ошибка возникла. Как только возникает совпадение этих двух событий, мы говорим: да, произошла ошибка», — ​поясняет Алексей Устинов. Правда, пока ни одна из команд, работающих над квантовыми процессорами на сверхпроводниках, к решению этой задачи на практике не приблизилась.