Квантовый компьютер гугл 2021

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.

Как работает «детский» квантовый компьютер

Рабочее вещество квантовой системы SpinQ – это диметилфосфит (dimethylphosphite). Оно представляет собой тетраэдрическую молекулу, в состав которой входят по одному атому фосфора, водорода кислорода, а также две группы CH3O. При комнатной температуре это вещество принимает форму бесцветной жидкости.

По утверждению, Discover Magazine, диметилфосфит идеален для использования в небольших квантовых компьютерах, потому что атомы фосфора и водорода связаны друг с другом и достаточно близки, чтобы взаимодействовать, плюс ими также можно управлять независимо друг от друга.

Специалисты SpinQ поместили несколько капель диметилфосфита в жидком виде в небольшую герметичную емкость, а ее саму разместили в центре магнитного поля. Притом, в отличие от квантовых компьютеров 30-летней давности, в новинке SpinQ не используются сверхпроводящие магниты, поскольку для отвода от них тепла пришлось бы строить гигантскую систему охлаждения. В этом суперкомпьютере разработчики отдали предпочтение постоянным магнитам, способным создавать магнитное поле силой до 1 тесла.

Для квантовых вычислений магнитное поле должно быть очень равномерным. Для выполнения этого условия команда использовала метод, называемый «шиммингом» (shimming), который генерирует другое магнитное поле, способное нейтрализовать любые неоднородности в более сильном поле.

В использовании диметилфосфита и мощных постоянных магнитов и заключается секрет миниатюрности и дешевизны нового квантового компьютера SpinQ. Для управления спинами (кубитами) его необходимо подключить к обычному ПК с установленным на него специализированным ПО.

Несмотря на то, что устройство SpinQ обрабатывает только два кубита, оно способно выполнять ряд типичных квантовых вычислений. Например, оно может реализовать версию алгоритма Гровера, который может выполнять поиск в базе данных быстрее, чем классический поисковый алгоритм.

Что случилось

Google объявил о достижении квантового превосходства. В сентябре доклад об этом уже появлялся на сайте NASA, но тогда его просто удалили, а Google отказался комментировать ситуацию.

Это способность квантовых компьютеров справляться с задачами, которые не под силу суперкомпьютерам.
Обычные компьютеры оперируют битами, которые принимают значение 1 или 0. При этом программист точно знает текущее состояние бита.
Квантовые компьютеры оперируют кубитами — это квантовые частицы, которые могут находиться в суперпозиции. То есть, они могут быть одновременно и 0, и 1. Таким образом квантовые компьютеры работают со всеми возможными состояниями одновременно. Это позволяет им справляться с задачами быстрее, чем это делают суперкомпьютеры.
В случае с Google 53-кубитный квантовый компьютер Sycamore за 200 секунд справился с вычислениями, на которые самый мощный суперкомпьютер потратил бы 10 000 лет.

Исследователи создали квантовый регистр, состоящий из 20 запутанных кубитов⁠ ⁠

Исследователи создали квантовый регистр, состоящий из 20 запутанных кубитов Google, Квантовая механика, Квантовый компьютер, Кубит, Технологии

Разработки в области квантовых вычислений ведутся по всему миру уже достаточно долгое время. О коммерческой реализации квантового компьютера до сих пор не было и речи, не считая обещаний IBM выпустить такой к 2022 году. Но в любом случае, сейчас уже мало кто сомневается, что такой компьютер рано или поздно все же выпустят.

Для начала напомним, что квантовые компьютеры, в отличие от традиционных, оперируют не битами, а кубитами, в которых хранится не дискретное состояние «0» или «1», а их суперпозиция. Если говорить упрощено, это умение находиться сразу в обоих состояниях (условно говоря, «1» и «0») одновременно, но только до тех пор, пока такое состояние не будет измерено. Лучшим объяснением этого явления является знаменитый кот Шрёдингера, который, находясь в закрытом ящике с распадающимся атомным ядром и емкостью с ядовитым газом, является и живым и мёртвым одновременно. Более детально о квантовых компьютерах и квантовом интернете мы рассказывали здесь.

Но вот на днях стало известно о еще одном достижении в этом области. Группа исследователей из Германии и Австрии создали квантовый регистр из 20 запутанных кубитов. Он способен хранить в себе более миллиона квантовых состояний одновременно. И хотя для реализации и демонстрации квантового превосходства – решения проблем, справится с которыми сегодняшние суперкомпьютеры не могут в принципе – этого все еще недостаточно, само себе достижение – еще один маленький шаг к созданию полноценных квантовых систем.

Для создания этого регистра исследователи поместили 20 ионов кальция в специальную электростатическую ловушку. Электрическое поле этой ловушки выстроило ионы в одну прямую линию, а второе, боковое электрическое поле, поместило эти ионы на расстоянии 5 микрон друг от друга. Каждый ион кальция имеет один валентный электрон, направление вращения которого и определяло квантовое состояние иона-кубита.

Запутывания пар кубитов на квантовом уровне увеличивает до четырех число квантовых состояний, в которых может находиться эта пара, а добавления к паре еще одного кубита, удваивает этот показатель. Таким образом, цепочка из 20 запутанных кубитов может содержать 220 или 1 048 576 значений.

Цифра кажется внушительной, но такой разрядности еще крайне недостаточно для реализации сложных квантовых операций, все этапы которых выполняются одновременно. Для нормального функционирования квантовому регистру необходимо не только содержать в себе данные, но и весь набор инструкций для их обработки. С учетом этого, квантовый регистр, обеспечивающий достаточную функциональность, должен состоять минимум из нескольких тысяч запутанных кубитов.

На следующем этапе ученые попытаются повторить подобный «трюк» с 50 ионами. При этом, сложность интерпретации набора собранных данных увеличится на порядки. Это, в свою очередь, потребует еще большей точности при настройке запутанных кубитов и использования новых методов для контроля их квантового состояния.

Бег за лидерами

— Конкуренция в «квантовом» мире жесткая или жестокая?

— Скажу так: в лоб тяжело, конечно, конкурировать. Например, Китай сейчас собирается потратить на очередной квантовый центр 11 миллиардов долларов. Германия, Япония, не говорю уж о США, тоже тратят гигантские суммы на развитие квантовых технологий. У нас экономика всего 2 процента от мировой, поэтому позволить себе суммы, как в Китае или США, мы просто не в состоянии. Однако программа по созданию КК у нас тоже запущена. Мы догоняем всех. Бежим за лидерами и стараемся не отстать от основной группы.

— Честно? Как создать 100-кубитный прототип квантового компьютера к 2024 году — мы понимаем. А вот как выйти в лидеры в этой области — пока нет.

— Канадская фирма D-Wave объявила недавно, что любой желающий может купить ее квантовый компьютер за 15 миллионов долларов. Может, вам стоит прицениться, надо же с чего-то начинать.

— Прицениваться не к чему (улыбается). Это опять-таки не компьютер, а симулятор. Хотя, не спорю, какие-то квантовые эффекты в его работе есть. Но о чем это говорит? Гонка ускоряется, и бежать нам надо, как у Высоцкого «Я на десять тыщ рванул, как на пятьсот. «

«Они ученые, исследующие новые миры» — коренной американский индеец рассказал о встречах со «звездными людьми»

Для коренных индейцев понятие «Звездные люди» не просто миф, а повседневная реальность. Инопланетяне начали посещать индейцев еще в глубокой древности и между ними и индейцами установилась нерушимая связь, которая продолжается и в наши дни.

Сегодня я хочу рассказать Вам историю рассказанную коренным индейцем по имени Рассел. Он заслуженный ветеран войны во Вьетнаме, выросший в религиозной школе-интернате, подвергшийся там жестокому обращению, но именно тогда на контакт с ним впервые вышли «Звездные люди»:

Это было в интернате. Мне было около семи лет. Священник отвел меня в часовню. Он сказал мне встать на колени. Он сказал, что я должен оставаться там весь день, если я не научусь говорить по-английски. Когда священник ушел, я услышал, как он запирает дверь.

Я помню, насколько солеными были мои слезы, и я волновался, что мне придется пописать прямо здесь, стоя на коленях, когда внезапно за окном часовни появился свет и появилось существо.

Сначала я подумал, что меня спасает один из старших мальчиков. Но вместо этого, как я узнал, это был не старший мальчик, а звездный путешественник. Он поднял меня, прижал к себе, и мы прошли сквозь стену, как будто ее там не было. Он помог мне сбежать.

Они были похожи на роботов. Больше похожи на жуков, чем на земных мужчин, но я был так счастлив, что не был в часовне, вдали от тех монахинь и священников, что мне было все равно. Сам дьявол мог бы отвести меня в ад, и я был бы счастлив.

Думаю, эти звездные путешественники наблюдали за школой. Может, мой старик был прав. Он много раз рассказывал мне о них, я слушал, но воспринимал наши легенды, просто, как легенды. Они действительно следят за нами. Во всяком случае, они научили меня контролю над разумом. Они помогли мне научиться жить с болью и выживать в изоляции.

После того первого инцидента я больше никогда не чувствовал боли. Я мог бы стоять на коленях в течение 58 часов на полу этой часовни, плюнуть в лицо священнику и простоять еще 48 часов. Я просто ничего не чувствовал. Когда я поехал во Вьетнам, где меня схватили и пытали, я не чувствовал боли. Я научился отделять себя от своего тела и не чувствовать боли.

Думаю, Звездные люди меня чувствовали на расстоянии. Они знали, когда стресс и боль становились для меня слишком сильными. Вот тогда они приходили. Я всегда уходил с ними охотно не потому, что они мне особенно нравились, а потому, что мог уйти из более неудобной ситуации.

Они научили меня контролировать разум, и я научился использовать это против них. Вернее не против них, а стал это использовать в своих целях. Фактически, они сочли мою способность управлять разумом весьма интересной и я заставлял их делать что-то для меня.

Мы были в лагере для военнопленных. Очень мало еды. Я заставил их принести мне фрукты. В интернате у меня часто забирали еду. В лагере для военнопленных никому из нас не хватало еды, поэтому я настаивал, чтобы они принесли мне фрукты. Апельсины. Яблоки. Бананы. Именно тогда я узнал, что могу просто потребовать что-то и оно появлялось. Когда я думал, что мне нужен фрукт, он появлялся просто из воздуха.

Только за все это и я должен был что-то делать для них. Пройти медицинский осмотр. Позволить им собрать сперму и все необходимые образцы. Они проводили эксперименты с моими глазами и носом. Воздействовали на глаза разным жидкостями, разной степени яркостью света.

У них нет глаз, как у нас, или носа. Я думаю, они находят наши глаза очень интересными. У меня взяли много крови.

Они научили меня контролировать боль. Есть панели, и они помещают вас внутрь них. Панели перемещаются; одна часть движется в одном направлении, другая — в другом. Они движутся все быстрее и быстрее, пока вы не станете одним целым с панелями, и после этого вы не почувствуете боли.

Если бы я захотел, то мог бы попросить их забрать меня из плена и перенести в свою резервацию. Возможно, я мог бы выбрать этот путь. Но тогда я не думал об этом. Когда вы находитесь в лагере для военнопленных, с выживанием развивается дух товарищества.

Я никак не мог бросить своих друзей, и Звездные Люди не могли увести их всех в безопасное место. У них есть какие-то принципы не вмешиваться в жизнь, если это изменит ход истории.

Не думаю, что моя жизнь изменила бы историю, но был один парень, с которым я там был, который стал политиком. Другой стал генеральным директором большой компании. Так что, возможно, их спасение из того лагеря сделало бы их совсем другими людьми.

Я просто почему-то понял, что это не вариант и это не то, чего я хотел. То, что они пришли ко мне, было достаточным облегчением от того, что я был в плену. Они сделали это управляемым. Мое там пребывание.

Они похищают очень много людей. Я думаю, что они ученые, исследующие новые миры. Я даже не могу ответить чего в них больше — добра или зла.

Для меня они были добрыми. Я считал их хорошими, когда они спасали меня, но я видел и злую сторону. Я видел, как они причиняли боль людям, но не учили их контролировать боль. Похоже, им было все равно. Они причиняли людям неимоверную боль, но это не вызывало в них никаких эмоций или сопереживания.

Когда я был в армии, они несколько раз забирали всех солдат находившихся тогда в наших казармах. Они даже забрали наше оружие. Просто взяли и забрали всех с военной базы вместе со всем оружием.

Они все изучали. Оружие они никогда не оставляли у себя, исследовали, а затем все возвращали обратно на свои места.

Ко мне они относились совсем по другому чем к другим людям. Может потому, что я коренной американец и дед был прав, когда говорил, что у нас с ними особые отношения.

Когда нас вернули в казарму, никто из ребят не помнил об этом событии. Никто вообще ничего не помнил. Я всегда думал, что это странно. Однажды я сказал об этом одному парню.

Спросил неужели он вообще не помнит, что его забирали и делали с ним очень болезненные вещи и он спросил меня, пытаюсь ли я притвориться сумасшедшим, чтобы уйти со службы. Он сказал мне, что это не сработает. И посмеялся над моими словами.

Я считаю, что есть несколько рас из «других мест», которые посещают нашу планету. Я встречался только со «Звездными людьми», но есть и другие.

Гибридные системы наиболее перспективны

Наиболее перспективной технологией, по мнению специалистов, является гибридная, но для этого передаваемую информацию нужно постоянно конвертировать, например, превращать из микроволнового излучения в фотоны света. Система, предложенная учеными из НИТУ МИСиС и МФТИ, позволяет проводить эти преобразования относительно легко, с помощью электромагнитного поля.

Система со сверхсильным фотон-магнонным взаимодействием, предложенная специалистами, обладает силой взаимодействия около 350 Гц – прежние установки имели мощность всего около 100 Гц. Две сверхпроводящие пленки в ней разделены диэлектриком, внутрь помещается ферромагнетик – вещество, обладающее собственным упорядоченным магнитным полем. Электромагнитные волны внутри системы начинают взаимодействовать с ферромагнетиком, и в результате движение фотонов замедляется, что позволяет создать прочную фотон-магнонную связь.

Эксперты, однако, отмечают, что разработка стала настоящим вызовом для ученых, так как магнонные системы по своему размеру гораздо меньше фотонных, что затрудняет их разработку. Однако они гораздо лучше «управляются» с помощью магнитного поля и открывают широкие перспективы не только для создания квантовых суперкомпьютеров, но и для изучения фундаментальных законов физики.

Что случилось

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».