В России разработан уникальный пятикубитовый квантовый компьютер. IBM сомневалась в возможностях россиян

В России разработан уникальный пятикубитовый квантовый компьютер. IBM сомневалась в возможностях россиян

Российские ученые создали первую отечественную пятикубитную интегральную схему для квантовых вычислений. Над ней работали специалисты МФТИ, и это полноценный российский прототип квантового процессора, который может использоваться в квантовом машинном обучении. Глава IBM Арвинд Кришна в начале 2020 г. открыто выразил сомнение, что Россия способна сделать прорыв в области квантовых вычислений.

В России разработана первая интегральная схема на базе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе. Ее создали специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) в Лаборатории искусственных квантовых систем (ЛИКС), и, как сообщили CNews представители вуза, эту разработку можно считать прототипом квантового процессора.

Разработчики этой многокубитовой системы в своем официальном сообщении утверждают, что она уникальна и полностью управляема. С их слов, даже на нынешней стадии разработки она может применяться в квантовом машинном обучении – отдельной области науки на пересечении квантовой физики и современных технологий обработки информации.

Созданная в лаборатории МФТИ, интегральная схема была изготовлена при участии сотрудников Центра коллективного пользования (ЦКП) (еще одно подразделение МФТИ). На момент публикации материала она прошла ряд испытаний, которые показали, что все ее элементы работают именно с теми параметрами, на которые рассчитывали разработчики.

ЭВМ – это

Сначала требуется узнать, что подразумевается под понятием «вычислительная техника». Это – важнейший компонент процесса выполнения различных действий вычислительного характера. Комплекс технических средств, ключевые функциональные элементы которых выполнены на электронных составляющих. Он предназначается для автоматической обработки информации в процессе решения информационных задач и математических вычислений.

Компьютер – это устройство/система, выполняющее конкретную, четко поставленную задачу, изменяемую последовательность операций. Последняя имеет название программы.

Сегодня нет строгого деления на ЭВМ и компьютеры. Эти слова – аналоги.

Классификация

ЭВМ можно разделить на несколько категорий. Сегодня основными видами соответствующих устройств считают:

• компьютерные системы;
• девайсы для управления сетями;
• автоматизированные средства проектирования, создания моделей и прогнозов;
• автоматизированные системы управления и обработки информации;
• устройства разработки программного обеспечения.

Представления о компьютерах сейчас сформировались весьма четкие. Даже дети работают с подобными устройствами. Но раньше ПК и ноутбуки были редкостью. Их история развития началась задолго до изобретения электричества.

Тьюринг и Цузе – кому принадлежит пальма первенства?

В ХХ веке задача создания вычислительной машины стала более чем актуальной: идущая полным ходом во всём мире индустриализация требовала выполнения множества сложнейших расчётов в самых разных сферах экономики. В Британии к 1936 году была создана вычислительная машина, которая стала прообразом для всех последующих поколений компьютеров. Её создателем стал математик Алан Тьюринг, который одновременно заложил основы информатики и программирования, став родоначальником целого древа компьютерных наук. Вычислитель Тьюринга получил название ACE (Automatic Computing Engine).

Практически одновременно, в 1936-38 году, сходное по конструкции и по заложенным в нём принципам устройство создал и немецкий изобретатель Конрад Цузе. Его вычислительная машина, использовавшая двоичное кодирование, называлась Z3, а несколькими годами ранее были собраны несколько более простые Z1 и Z2. Как и машина Тьюринга, аппарат Цузе был электромеханическим по принципу действия. И та, и другая машина впоследствии активнейшим образом использовались для армейских расчётов: как мы помним, на Европу тогда надвигалась самая большая война в истории человечества.

Следует сказать, что Тьюринг в значительно большей степени, чем Цузе, может считаться автором первого компьютера. Он был блестящим теоретиком и разработал ряд концепций создания компьютеров, которые были реализованы в будущем. Его идеи по поводу хранения компьютерных программ в памяти машины, шифратора голосовой речи и другие талантливые разработки впоследствии были воплощены в современных компьютерах.

Шарик Рубика

Относительно свежее изобретение Рубика, представленное широкой публике зимой 2009 года в Лондоне. Являет собой сферу с шестью разноцветными шариками внутри и, соответственно, шестью выемками на окружности. Цель — разместить все шарики в выемках, проведя их через имеющиеся внутри отверстия.

EDVAC

Уже вскоре Эккерт и Мосли приступили к следующему изобретению «EDVAC». Электронщики придумали, как сделать первую машину, которая будет осуществлять расчеты, не только используя перфокарты, но и опираясь на программы, находящиеся в её памяти.

Эти возможности стали доступными после создания и дальнейшего применения ртутных трубок. А с помощью двоичной системы был решен вопрос использования компьютерами огромного количества ламп и применения сложных алгоритмов вычисления.

Таким образом, компьютерная эра продвинулась ещё на шаг, устройство было собрано из следующих элементов:

1. Таймер.
2. Устройства, позволяющие запоминать информацию и производить сложные вычисления.
3. Устройство для приёма сигналов и дальнейшей передачи вычислительным модулям.
4. Устройство для распознавания информации на магнитной ленте.
5. Контролирующий работу ЭВМ осциллограф.
6. Временные регистры. В современном мире их называют «буферами обмена».

Компы, которые были предшественниками, уже не выглядели, как самые быстрые, когда появился EDVAC. Чтобы слаживать суммы, умножать и делить, ему было достаточно доли секунд, хотя он по-прежнему занимал достаточно большую площадь – около 46 кв. метров. Но количество ламп, по сравнению с ENIAC, уменьшилось на 14 000 штук, а мощность была увеличена до 50 кВт.

Интересный факт!

Прошло еще немного времени, и появилась первая игра в мире. Её назвали Spacewar, а её суть состояла в борьбе двух космических кораблей, которые стреляли друг в друга ракетами.

Как работает квантовый компьютер

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.

Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений. IBM уже представила программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q# и симулятор квантовых вычислений. Над разработкой ПО для квантовых компьютеров работают также 1QBit, Cambridge Quantum Computing, QSimulate, Rahko, Zapata и другие компании.

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

(разложения числа на простые множители) (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных) (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением.

Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.

Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).

Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.

Шариковая мышка

Как любая нужная и полезная техника, компьютерная мышь эволюционировала просто с невероятной скоростью. Первые громоздкие агрегаты вскоре сменились на более компактные шариковые мыши.

Выглядели они примерно так: достаточно большого размера корпус с привычными нам правой и левой кнопкой, иногда даже с колёсиком между ними, а снизу — прорезиненный шарик, чуть выступающим из основания устройства и перекатывающимся при движении мышкой.

Вращаясь, этот шарик передавал сигнал определённого направления движения двум роликам внутри устройства. Ролики же, в свою очередь, передавали его на специальные датчики, которые и «превращали» движение мышки в движение курсора на мониторе.

Работал этот механизм вполне исправно и довольно хорошо, но в нём, как и везде, имелись свои минусы и плюсы. В частности, шарик на мышках данного типа рано или поздно загрязнялся, и мышка, как следствие, начинала заедать. Бороться с этим можно было только одним способом: вынуть из мышки шарик, очистить его и затем поставить на место.

Несмотря на всю простоту, эта процедура отнимало некоторое количество времени и далеко не все умели или хотели её проделывать. По этой самой причине (а может были и другие) довольно скоро шариковые мыши эволюционировали до мышек с оптическим «приводом».

Первый электронный компьютер: ABC — 1942

Компьютер Atanasoff-Berry (ABC) был разработан и построен Джоном Винсентом Атанасоффом и его помощником Клиффордом Э. Берри. Это была первая машина, которая использовала конденсаторы для хранения (как в текущей оперативной памяти) и была способна выполнять 30 одновременных операций.

Азбука была разработана для решения систем линейных уравнений и была способна решать системы с 29 неизвестными. Компьютер не был программируемым, однако он был пионером в некоторых важных элементах современных вычислений, включая двоичные арифметические и электронные переключающие элементы.

Вселенная счисления

6 января 1945 года Конрад Цузе женился на Гизеле Брандес. Через несколько месяцев у них родился первенец, а в последующие годы — еще четверо детей. Но Цузе не был примерным семьянином, он был буквально одержим своим делом. Создатель первого универсального программируемого компьютера в мире получил на родине множество наград и почетных степеней. Он умер 18 декабря 1995 года в немецком Хюнфельде в возрасте 85 лет.

Его ранние разработки, погибшие во время бомбежек, были реконструированы. Модель Z1 Цузе восстановил сам, теперь она находится в Немецком технологическом музее в Берлине. Инженеры, работавшие с ним, воссоздали Z3 и отдали ее в Немецкий музей Мюнхена.

Часто можно встретить утверждение о том, что компьютер стал продуктом Второй мировой войны. В случае с Конрадом Цузе это не так. Z1 был создан до войны, а работа над Z3 затянулась потому, что Цузе в 1939-1940 годах призвали в армию, и он провел несколько месяцев на Восточном фронте. Деньги на его создание (как и на создание Z4) власти все-таки выделили — инженеру удалось убедить их в том, что машина будет незаменима для вычислений технических характеристик самолетов, но сделали это неохотно. По счастливой случайности то, что название четвертого экспериментального прототипа четвертой модели было схоже с кодовыми названиями ракет Вернера фон Брауна, Цузе удалось эвакуироваться из Берлина, сохранить и закончить разработку устройства.

Фото: Fabrizio Bensch / Reuters

В последние годы появляется множество работ, посвященных тому, не является ли наша Вселенная лишь комплексной имитацией, немыслимой программой. Цузе задумывался об этом гораздо раньше, еще в годы войны. «Внезапно мне пришла в голову мысль, что Вселенная могла быть зачата гигантской ЭВМ, работающей как релейный калькулятор, — а релейные калькуляторы содержат релейные цепи, — писал он в своих мемуарах. — Когда реле срабатывает, импульс проходит по цепи. Я подумал, что, вероятно, именно так движется квант света». Эта мысль накрепко укоренилась в его сознании, и через 30 лет он сформулировал теорию, получившую название «вселенная счисления».

Упоминания Цузе в современной прессе довольно редки, о нем нечасто снимают документальные фильмы за пределами Германии, а если это и происходит, его работу зачастую несправедливо называют «первым нацистским компьютером». Это утверждение не выдерживает никакой критики: первые ЭВМ Цузе были созданы практически на голом энтузиазме, да и потом нацистские функционеры не понимали ценности его работы.

Конрад Цузе никогда не был героем Сопротивления, но и не пытался стать госчиновником в нацистской Германии. Личная трагедия ученого заключается в том, что ранние его разработки были существенно более продвинутыми, чем у других пионеров, создававших ЭВМ в то время. Увы, о них за пределами страны, движущейся по пути самоуничтожения, практически никто не знал, а мировую известность его машины получили лишь через несколько лет после войны.