Почему фотонный компьютер будет в десятки тысяч раз быстрее электронного. Фотонный компьютер


В саровском ядерном центре разработали уникальный фотонный суперкомпьютер

03:2303.07.2018

(обновлено: 05:45 03.07.2018)

178501847

МОСКВА, 3 июл — РИА Новости. Уникальный оптический суперкомпьютер, который имеет огромные преимущества перед традиционными ЭВМ, разработан в Российском федеральном ядерном центре — Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (предприятие госкорпорации "Росатом" РФЯЦ-ВНИИЭФ в Сарове), разработка уже запатентована, сообщили РИА Новости в РФЯЦ-ВНИИЭФ.

Cкриншот сайта Центра общественной информации Балаковской АЭС. Архивное фотоСрок эксплуатации второго блока Балаковской АЭС продлен на 26 лет

Речь идет о так называемой фотонной вычислительной машине (ФВМ), в которой вычислительные процессы "построены" на взаимодействии импульсов лазерного излучения, а не на работе электронных компонентов, как в обычных ЭВМ. Такая ФВМ состоит из электрической и "световой" частей. Машинный код (то есть набор инструкций) переводится в лазерные импульсы. Кванты света, фотоны, по волноводам попадают в фотонный процессор, где происходит взаимодействие лазерных импульсов, и над ними совершаются такие же логические операции, как и в электронно-вычислительных машинах. Далее лазерные лучи покидают процессор и возвращаются в электронную часть компьютера, где оптическая информация вновь преобразуется в электрическую и оказывается доступной пользователю.

Как пояснил автор разработки, главный научный сотрудник Института теоретической и математической физики (ИТМФ) ВНИИЭФ Сергей Степаненко, фотонные вычислительные машины нужны для решения задач, которые не под силу "полупроводниковым" суперкомпьютерам.

По его словам, применение фотонных технологий позволяет в десятки или сотни тысяч раз уменьшить количество энергии, необходимой для достижения одинаковой производительности с нынешними ЭВМ.

"Если для супер-ЭВМ потребуется здание площадью с футбольное поле, то такая производительность может быть достигнута ФВМ, которая помещается в поллитровой кружке и отводимое тепло составляет около сотни ватт — меньше, чем у кипятильника", — пояснил Степаненко.

Создать фотонную вычислительную машину специалисты разных стран пытаются давно, но до практических воплощений в силу разных причин дело не доходило. Во ВНИИЭФ предложили новую схему реализации принципа работы ФВМ, благодаря которой, в частности, преобразования между световой и электрической частями компьютера выполнялись бы как можно реже, потому что они требуют много времени и энергии.

Графеновая атомная структура. Архивное фотоДостижения атомной науки в России: от лечения рака до искусственного разумаНаивысшая производительность фотонного процессора, придуманного во ВНИИЭФ, для самой сложной для полупроводниковой вычислительной машины операции умножения может составить до 50 петафлопсов, а пиковая мощность такого процессора составит лишь 100 ватт (для сравнения, производительность современных электронных процессоров такой же мощности составляет порядка всего лишь 5 терафлопсов, то есть в десять тысяч раз меньше). При этом производительность ФВМ можно резко повысить, уменьшая длину световой волны.

Что касается конкретных задач, которые можно было бы решать с помощью фотонных вычислительных машин, то это, например, задачи по изучению генетических особенностей людей, что важно для медицинских приложений.

ria.ru

Фотонный компьютер | Информационное общество в Челябинской области

За долгие годы исследований ученым удалось изобрести электронно-вычислительную машину, названную в итоге квантовым компьютером, которая по своей мощи во множество раз превосходит стандартные ЭВМ обычного образца. Над всем этим работали четыре независимые группы исследователей, приехавших с Болеарских островов. Сейчас описания можно найти в некоторых журналах, например, Science, а также в архиве университета Корнелл.

Фотонный компьютер содержит в себе микрочип, на котором расположены стеклянные волноводы, пересекающиеся между собой. На ввод оборудования подаются одиночные фотоны, а затем детектируются при выходе. В зависимости от перекрещивания фотонов и их взаимодействия друг с другом зависит в итоге, в какие выходы они попадут. Этот процесс можно смоделировать с помощью простого компьютера, но только когда фотоны в маленьком количестве. Когда оно увеличивается, то в разы возрастает сложность данной задачи. Когда число фотонов достигает 25, становится проще измерить данный результат на 400 каналах, чем пытаться его вычислить.

Ученые акцентируют внимание на том, что полученное изобретение представляет собой по сути квантовый компьютер, где при помощи фотонов, которые взаимодействуют между собой, происходят вычислительные операции.

Компьютер решает поставленною перед ним задачу при моделировании взаимодействия фотонов, как вычисление перманента матрицы. Такая же задача «физически» решается в фотонном компьютере. Стоит отметить, что перманентом матрицы является функция, взятая от ееэлементов, которая используется в комбинаторике и дискретной математике. Формула определителя матрицы выглядит также, как для перманента, где все минусы заменяются на плюсы. Вычисление перманента по сравнению с определителем является сложнейшей задачей с точки зрения вычислений.

Но и у такого прорывав науке, как создание фотонного компьютера, сейчас есть некоторые недостатки. Компьютер пока имеет достаточно узкую специализацию, а именно решает только одну задачу. Основная задача, с которой на сегодняшний день устройство прекрасно справляется – это вычисление перманента. Разработчики говорят, что главное, на чем сейчас стоит удерживать внимание — это изучение потенциальных возможностей данного устройства.

При проектировании более привычных устройств квантового типа обычно используютионизированные атомы, которые собираются в сложно запутанные системы. При помощи спинов, которые периодически изменяются, ученые проводят в них вычислительные операции. Очень большим и серьезным отличием квантовых изобретений от обычных классических компьютеров, несомненно, является их способность одновременно пребывать в разных состояниях, поэтому все вычисления на них так же осуществляются в один и тот же промежуток времени, а не последовательным путем, то есть идут параллельно, имея скорость 1 Гб/сек. Компьютер был протестирован двумя тестовыми заданиями, где он должен был распознать речь человека и предугадать неопределенность временных рядов, то есть их хаотичность. Результаты прохождения тестовых заданий фотонный компьютер выдал, имея минимальную погрешность и затратив при этом энергии в 200 раз меньше, чем привычный нам ЭВМ, работая на высокой скорости.

  Полученный результат на фотонном компьютере в итоге носит вероятностный, неточный характер. Говорить о востребованности, широком и массовом применении сейчас не стоит. Вероятнее всего, что такое устройство будет использоваться для анализа массовых данных статистики, например, таких, как финансовый рынок.

www.inf74.ru

Насколько мы близки к созданию квантового компьютера?

Гонка в самом разгаре. Ведущие компании мира пытаются создать первый квантовый компьютер, в основе которого лежит технология, давно обещающая ученым помочь в разработке дивных новых материалов, идеальном шифровании данных и точном прогнозировании изменений климата Земли. Такая машина наверняка появится не раньше чем через десять лет, но это не останавливает IBM, Microsoft, Google, Intel и других. Они буквально поштучно выкладывают квантовые биты – или кубиты – на процессорном чипе. Но путь к квантовым вычислениям включает много больше, чем манипуляции с субатомными частицами.

Кубит может представлять 0 и 1 одновременно, благодаря уникальному квантовому явлению суперпозиции. Это позволяет кубитами проводить огромное количество вычислений одновременно, значительно увеличивая вычислительную скорость и емкость. Но существуют разные типы кубиты, и не все они создаются одинаковыми. В программируемом кремниевом квантовом чипе, например, значение бита (1 или 0) определяется направлением вращения его электрона. Однако кубиты чрезвычайно хрупкие, и некоторым нужна температура в 20 милликельвинов – в 250 раз холоднее, чем в глубоком космосе, – чтобы оставаться стабильными.

Конечно, квантовый компьютер – это не только процессор. Этим системам нового поколения потребуются новые алгоритмы, новое программное обеспечение, соединения и куча еще не изобретенных технологий, извлекающих выгоду из колоссальной вычислительной мощи. Кроме того, результаты вычислений нужно будет где-то хранить.

«Если бы все не было так трудно, мы бы уже сделали один», говорит Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию в Intel Labs. На выставке CES в этом году Intel представила 49-кубитовый процессор под кодовым названием Tangle Lake. Несколько лет назад компания создала виртуальную среду для испытаний квантового ПО; она использует мощный суперкомпьютер Stampede (в Техасском университете) для имитации 42-кубитового процессора. Однако, чтобы на самом деле понять, как писать ПО для квантовых компьютеров, нужно моделировать сотни или даже тысячи кубитов, говорит Кларк.

Scientific American взял у Кларка интервью, в котором тот рассказал о разных подходах к созданию квантового компьютера, почему они такие хрупкие и почему вся эта затея занимает так много времени. Вам будет интересно.

Чем квантовые вычисления отличаются от традиционных?

Распространенная метафора, которая используется для сравнения двух видов вычислений, — это монетка. В традиционном компьютерном процессоре транзистор либо «орел», либо «решка». Но если спросить, какой стороной смотрит монетка, когда крутится, вы скажете, что ответом может быть и то и другое. Так устроены квантовые вычисления. Вместо обычных битов, которые представляют 0 или 1, у вас квантовый бит, который одновременно представляет и 0, и 1 до тех пор, пока кубит не перестанет вращаться и не войдет в состояние покоя.

Пространство состояний – или способность перебирать огромное число возможных комбинаций – в случае с квантовым компьютером экспоненциально. Представьте, что у меня в руке две монеты и я подбрасываю их в воздух одновременно. Пока они вращаются, они представляют четыре возможных состояния. Если я подброшу три монеты в воздух, они будут представлять восемь возможных состояний. Если я подброшу в воздух пятьдесят монет и спрошу у вас, сколько состояний они представляют, ответом будет число, которое не сможет рассчитать даже самый мощный суперкомпьютер мира. Триста монет – все еще относительно небольшое число – будет представлять больше состояний, чем атомов во Вселенной.

Почему кубиты такие хрупкие?

Реальность такова, что монеты, или кубиты, в конечном итоге прекращают вращаться и коллапсируют в определенное состояние, будь то орел или решка. Цель квантовых вычислений состоит в том, чтобы поддерживать их вращение в суперпозиции в множестве состояний длительное время. Представьте, что у меня на столе крутится монетка и кто-то толкает стол. Монетка может упасть быстрее. Шум, изменение температуры, электрические флуктуации или вибрация – все это может помешать работе кубита и привести к утрате его данных. Один из способов стабилизировать кубиты определенных типов – поддерживать их в холодном состоянии. Наши кубиты работают в холодильнике размером с бочку на 55 галлонов и используют специальный изотоп гелия для охлаждения почти до температуры абсолютного нуля.

Как разные типы кубитов различаются между собой?

Существует не меньше шести или семи различных типов кубитов, и примерно три-четыре из них активно рассматриваются для использования в квантовых компьютерах. Разница в том, как манипулировать кубитами и заставить их общаться между собой. Нужно, чтобы два кубита общались между собой, чтобы проводить большие «запутанные» расчеты, и разные типы кубитов запутываются по-разному. Описанный мной тип, который требует чрезвычайного охлаждения, называется сверхпроводящей системой, которая включает наш процессор Tangle Lake и квантовые компьютеры, построенные Google, IBM и другими. Другие подходы используют осциллирующие заряды пойманных ионов – удерживаемых на месте в вакуумной камере лазерными лучами – которые выступают в роли кубитов. Intel не разрабатывает системы с пойманными ионами, потому что для этого нужно глубокое знание лазеров и оптики, нам это не под силу.

Тем не менее мы изучаем третий тип, который называем кремниевыми спин-кубитами. Они выглядят точно как традиционные кремниевые транзисторы, но оперируют одним электроном. Спин-кубиты используют микроволновые импульсы для контроля спина электрона и высвобождения его квантовой силы. Эта технология сегодня менее зрелая, чем технология сверхпроводящих кубитов, однако, возможно, имеет гораздо больше шансов масштабироваться и стать коммерчески успешной.

Как добраться до этого момента отсюда?

Первый шаг – сделать эти квантовые чипы. В то же время мы провели моделирование на суперкомпьютере. Чтобы запустить квантовый симулятор Intel, нужно порядка пяти триллионов транзисторов для моделирования 42 кубитов. Для достижения коммерческой досягаемости нужно порядка миллиона кубитов или больше, но, начав с симулятора вроде этого, можно построить базовую архитектуру, компиляторы и алгоритмы. Пока у нас не появятся физические системы, которые будут включать от нескольких сотен до тысячи кубитов, непонятно, какого рода программное обеспечение мы сможем на них запускать. Есть два способа нарастить размер такой системы: один – добавить больше кубитов, что потребует больше физического пространства. Проблема в том, что если наша цель – создать компьютеры на миллион кубитов, математика не позволит их хорошо масштабировать. Другой путь – сжать внутренние размерности интегральной схемы, но такой подход потребует сверхпроводящей системой, а она должна быть огромной. Спин-кубиты в миллион раз меньше, поэтому мы ищем другие решения.

Помимо этого, мы хотим улучшить качество кубитов, что поможет нам протестировать алгоритмы и создать нашу систему. Качество относится к точности, с которой информация передается со временем. Хотя многие части такой системы улучшат качество, самые большие успехи будут достигнуты благодаря разработке новых материалов и улучшению точности микроволновых импульсов и другой управляющей электроники.

Недавно Подкомитет по цифровой торговле и защите прав потребителей США провел слушания о квантовых вычислениях. Что законодатели хотят знать об этой технологии?

Есть несколько слушаний, связанных с разными комитетами. Если взять квантовые вычисления, можно сказать, что это технологии вычислений следующих 100 лет. Для США и других правительств вполне естественно интересоваться их возможностью. У Евросоюза есть план на много миллиардов долларов по финансированию квантовых исследований по всей Европе. Китай прошлой осенью анонсировал исследовательскую базу на 10 миллиардов долларов, которая займется квантовой информатикой. Вопрос ведь в чем: что мы можем сделать как страна на национальном уровне? Национальная стратегия квантовых вычислений должна быть в ведении университетов, правительства и промышленности, работающих совместно над разными аспектами технологии. Стандарты определенно необходимы с точки зрения коммуникаций или архитектуры программного обеспечения. Рабочая сила также представляет проблему. Сейчас, если я открываю вакансию эксперта по квантовым вычислениям, две трети заявителей, вероятно, будут не из США.

Какое влияние могут оказать квантовые вычисления на разработку искусственного интеллекта?

Как правило, первые предлагаемые квантовые алгоритмы будут посвящены безопасности (например, криптографической) или химии и моделированию материалов. Это проблемы, которые принципиально неразрешимы для традиционных компьютеров. Тем не менее есть масса стартапов и групп ученых, работающих над машинным обучением и ИИ с внедрением квантовых компьютеров, даже теоретического. Учитывая временные рамки, необходимые для разработки ИИ, я бы ожидал появления традиционных чипов, оптимизированных специально под алгоритмы ИИ, которые, в свою очередь, окажут влияние на разработку квантовых чипов. В любом случае ИИ определенно получит толчок из-за квантовых вычислений.

Когда мы увидим, что рабочие квантовые компьютеры решают реальные проблемы?

Первый транзистор был создан в 1947 году. Первая интегральная схема – в 1958 году. Первый микропроцессор Intel – который вмещал около 2500 транзисторов – вышел на свет только в 1971 году. Каждая из этих вех была разделена более чем десятилетием. Люди думают, что квантовые компьютеры вот уже за углом, но история показывает, что любые достижения требуют времени. Если через 10 лет у нас будет квантовый компьютер на несколько тысяч кубитов, это определенно изменит мир так же, как его изменил первый микропроцессор.

hi-news.ru

Почему фотонный компьютер будет в десятки тысяч раз быстрее электронного. Фото | Мнения

Наиболее распространенный сейчас метод обработки и передачи информации основан на кремниевых технологиях. При этом информация передается за счет потока электронов. Однако эта технология имеет свои ограничения. Размер современных электронных устройств достиг нескольких десятков нанометров и приближается к своему критическому значению, поскольку на таких масштабах все большую роль начинают играть квантовые явления. Кроме того, в таких миниатюрных элементах выделяется гигантское количество тепла. Например, современный суперкомпьютер потребляет мощности порядка сотен мегаватт, что, конечно, очень много.

Альтернативой электронным вычислениям являются фотонные, в которых для передачи и обработки информации используют уже не электроны, а фотоны.

Фотоны — это кванты электромагнитного излучения. В отличие от электронов они не имеют ни заряда, ни массы покоя. Ожидается, что использование фотонов позволит существенно продвинуться в скорости обработки информации, увеличив ее как минимум на четыре порядка.

Это связано с несколькими обстоятельствами. Фотоны, кроме того что не обладают массой покоя, могут распространяться со скоростями порядка скорости света (около 300 000 км/с). Кроме того, фотоны, соответствующие оптическому диапазону, позволяют передавать огромные массивы данных за счет того, что эти волны имеют большую частоту. Так, частота волн оптического диапазона составляет 1015 Гц, что позволяет организовать большое количество каналов связи.

Для того чтобы в световую волну вложить необходимую информацию и передать ее, требуется как-то воздействовать на поток фотонов. В этом заключается одна из проблем нанофотоники, с которой в электронике сталкиваются не так остро. Электроны ведь обладают зарядом, что позволяет воздействовать на них при помощи внешних электрических или магнитных полей — в результате такого воздействия электроны изменяют свое движение, что позволяет передавать сигналы. На фотоны так просто воздействовать нельзя. Если световой луч распространяется по вакууму, то траектория его движения не изменится даже при наличии электрических или магнитных полей.

Существуют разные методы решить эту проблему. Например, если распространять фотоны через какой-нибудь материал, то на них станет возможно воздействовать при помощи электрического или магнитного поля. Этим занимаются такие разделы современной оптики, как электрооптика и магнитооптика.

Конечно, нанофотоника сталкивается не только с проблемой управления излучением, но и с проблемой создания миниатюрных источников излучения, фактически миниатюрных лазеров. В этом направлении тоже делаются шаги, проводятся активные исследования. Недавно были продемонстрированы так называемые спазеры. Это лазеры, основанные на возбуждении плазмонных колебаний. Плазмонами называются гибридные колебания, которые одновременно включают в себя колебания фотонов и электронов металла. Эти источники тоже могут быть очень перспективны для создания оптических микросхем и наносхем, которые можно будет потом использовать в оптических компьютерах.

Сегодня основной задачей нанофотоники является создание элементной базы, которая потом будет использована для обработки и передачи информации в оптических компьютерах.

Компании IBM и Fujitsu уже продемонстрировали первые гибридные процессоры, которые используют как оптические, так и электронные технологии.

Тем не менее следует ожидать, что в ближайшем будущем удастся сконструировать не кремниево-фотонный процессор, но устройство, в котором информация полностью передается и обрабатывается за счет фотонных потоков.

Конечно, необходимо учитывать не только быстродействие устройства, но и экономическую составляющую. Пока сделать кремниевый чип гораздо проще и дешевле. Однако развитие технологий позволяет с оптимизмом смотреть в будущее и ожидать, что спустя какое-то время оптические устройства станут экономически оправданны. На этом этапе относительная доля фотонных устройств существенно вырастет и рынок кремниевых устройств сократится.

Тем не менее вряд ли стоит ожидать полного вытеснения кремниевых устройств фотонными.

Скорее всего, сохранится большое количество областей применения, где будут не нужны рекордные скорости и уже привычные нам кремниевые технологии окажутся более удобными.

www.forbes.ru

Росатом намерен создать 100-кубитный квантовый компьютер

15:5203.07.2018

(обновлено: 16:22 03.07.2018)

2028243

ГОРКИ, 3 июл — РИА Новости. Создание в ближайшие годы 100-кубитного квантового компьютера – это цель Росатома, заявил глава госкорпорации Алексей Лихачев.

Телепортация человекаЗа гранью: физик рассказал, как обойти законы квантовой механики

"Наша цель на сегодняшний день, а мы являемся центром компетенции проекта "Цифровая экономика" Российской Федерации по квантовым направлениям, выйти в ближайшие годы на 100 кубит", — сказал Лихачев на встрече с премьер-министром РФ Дмитрием Медведевым.

По его словам, в Росатоме ожидают, что эта разработка точно войдет в число топовых. Такая работа идет, и в госкорпорации на этот счет имеются определенные амбиции, сказал Лихачев.

Со своей стороны Медведев подчеркнул, что квантовые исследования – это мейнстрим в научном мире, и к этому приковано внимание большого количества научных школ.

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее в своей работе квантовомеханические эффекты. Считается, что квантовые компьютеры будут иметь колоссальные преимущества перед традиционными ЭВМ с точки зрения расчета сложных систем и декодирования сколь угодно сложных шифров.

Научный сотрудник лаборатории в Российском квантовом центре в технопарке СколковоКвантовые технологии. В погоне за безопасностью

Росатом, Фонд перспективных исследований и министерство образования и науки РФ весной 2016 года подписали трехстороннее соглашение по созданию и поддержке совместных лабораторий, где будут разрабатываться технологии, необходимые для создания российского универсального квантового компьютера, который поможет решать задачи обороноспособности России, а также найдет применение в ключевых отраслях экономики и промышленности.

Головной организацией этого проекта "Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов" является предприятие ядерного оружейного комплекса Росатома "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Духова" (ВНИИА, Москва).

ria.ru

Физики разработали фотонный квантовый компьютер: Наука и техника: Lenta.ru

Физики разработали квантовый компьютер, вычислительная мощность которого при масштабировании способна во много раз превзойти способности классических ЭВМ. Результаты четырех независимых групп исследователей по созданию сходных устройств появились в журнале Science и архиве Корнельского университета, кратко суть публикаций пересказывает Nature News и Science Now.

Устройство состоит из расположенных на микрочипе нескольких стеклянных волноводов, несколько раз перекрещивающихся между собой. Одиночные фотоны подаются на ввод устройства и детектируются на его выходе.

То, в какие выходы попадут фотоны, зависит от их взаимодействия между собой в местах перекрещивания. Это взаимодействие можно довольно просто смоделировать на обычном компьютере, но только до тех пор, пока фотонов очень мало. С ростом их числа вычислительная сложность такой задачи возрастает экспоненциально. При 25 фотонах на 400 каналах измерить получившийся результат становится уже проще, чем его вычислить.

Ученые обращают внимание на то, что созданное оптическое устройство является фактически квантовым компьютером, вычисления в котором проводятся при помощи взаимодействия фотонов. При моделировании поведения фотонов компьютер решает задачу вычисления перманента матрицы - та же самая задача в созданном оптическом устройстве решается "физически". Перманент матрицы - это функция от элементов этой матрицы, используемая в дискретной математике и комбинаторике. Формула для перманента выглядит как формула для определителя матрицы, в которой все минусы заменены на плюсы. В отличие от определителя вычисление перманента является крайне сложной с вычислительной точки зрения задачей.

Главным недостатком созданного устройства является его узкая специализация для решения одной задачи. Пока "компьютер" способен справляться только с одной задачей - вычислением перманента, но авторы подчеркивают, что главное при его создании - показать потенциальные способности устройства.

Для создания более привычных квантовых компьютеров обычно используются ионизированные атомы, собранные в квантово запутанные системы. Вычисления в них проводятся при помощи изменения спинов. Ключевым отличием квантовых устройств от классических является то, что они способны одновременно находиться в нескольких состояниях, поэтому вычисления в них проводятся одновременно, а не последовательно, и полученный результат имеет вероятностный характер.

lenta.ru

Битва технологий: сможет ли квантовый компьютер заменить ПК

08:0012.09.2017

(обновлено: 17:04 19.09.2017)

3238413217

МОСКВА, 12 сен — РИА Новости. Немногие области науки могут похвастаться наличием таких жарких споров, как квантовая информатика. Одни ученые активно занимаются исследованиями и предлагают новые решения, другие упорно пытаются найти недостатки, доказав невозможность существования универсальных квантовых компьютеров. Недостаток современных ПК очевиден — рано или поздно будет достигнут минимально возможный размер классического транзистора, и на этом прогресс остановится.

Иллюстрация закона Мура

Основа таких компьютеров — бит, объект, который может находиться в двух взаимоисключающих состояниях: либо "0", либо "1". Бит может изменяться в зависимости от напряжения полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то состояние бита — логическая "1", а если меньше, то логический "0". Память компьютера представляет собой массив битов, а все вычисления — определенные операции, изменяющие состояния битов.

Квантовый компьютер использует принципиально иной метод расчетов на основе кубитов. В отличие от битов, они могут находиться в двух логических состояниях одновременно.

Сравнение элемента персонального компьютера — бита и элемента квантового компьютера — кубита

Такое состояние квантовой системы называется суперпозицией. Вычислительная мощность квантовых компьютеров вырастает относительно классической транзисторной схемы за счет реализации большего числа операций в единицу времени.

Существует много вариантов технической основы для создания кубитов. Первый вариант — микроскопические сверхпроводящие кольца, в котором логическое состояние зависит от направления тока по кольцу (ток в такой системе может одновременно течь как по часовой стрелке, так и против). Второй вариант — атомы, охлажденные до температуры в несколько кельвин ("0" и "1" — это разные энергетические состояния атомов). Третий — ловушки на ионах.

Схема кубита на ионной ловушке

Количество кубитов — это только одна характеристика квантового компьютера. Есть еще много других параметров: как долго могут существовать кубиты, насколько легко ими управлять, воспроизводятся ли результаты вычислений, можно ли масштабировать систему до больших размеров?

Компьютер в Гарварде из 51 кубита способен решать только одну задачу — изучение определенных явлений в квантовой многочастичной модели. Для решения другой задачи придется существенно модифицировать его. Максимальное число кубитов, из которого сделан репрограммируемый квантовый компьютер, способный решать разные задачи, пока равно 16. Создавшая его компания IBM заявила, что компьютер уже использовался для проведения 300 000 экспериментов с квантовыми вычислениями ее пользователями при помощи облачных сервисов.

IBM-квантовый компьютер на 16 кубит

Итак, прогнозы скептиков, считающих, что квантовый компьютер не сможет работать вообще, не сбылись. Конечно, существующие системы пока не являются универсальными, то есть способными решать любую задачу и демонстрировать в ряде задач ускорение, которое недоступно классическим компьютерам, благодаря квантовым эффектам.

Но несмотря на воодушевление приверженцев квантовых компьютеров, последние имеют свои слабые места. Во-первых, квантовые состояния хрупки настолько, что любое возмущение (измерение состояния системы) может привести к разрушению состояния. Так достоверность расчетов оказывается под вопросом, и нужно собирать отдельные системы для проверки их работы. Второй минус заключается в возможности потери информации.

Дальнобойные кубиты, созданные австралийскими физикамиАвстралийские физики создали первые "дальнобойные" кубиты

При существовании двух (или нескольких) кубитов, находящихся в одинаковых квантовых состояниях, вероятность потери бита информации стремится к нулю. Однако в противном случае, при разных квантовых состояниях, между ними происходит взаимодействие, приводящее к потере одного бита. Очень сложно создать большую квантовую систему, элементы которой будут достаточно хорошо взаимодействовать между собой и при этом будут достаточно хорошо защищены от окружения, которое может разрушить суперпозицию кубитов.

Исследователи признают, что на данный момент квантовый компьютер не подходит для рядового пользователя. Да и оправдана ли будет цена квантовых компьютеров для домашнего пользования? Нужна ли будет его вычислительная мощность для просмотра фильмов и поддержки интернета?

Вычислительный центр

Наверняка квантовые компьютеры заменят нынешние суперкомпьютеры в исследовательских лабораториях, станут незаменимыми для моделирования сложнейших физических процессов. Но станут ли они заменой ПК у нас дома и оправдана ли будет эта замена? Можно предположить, что у нас в домах будут стоять гибриды квантовых и классических компьютеров, но как это будет точно, сейчас сказать не может никто.

"Я полагаю, что создание квантового компьютера разделит историю человечества на две эпохи: до и после. Кстати, у России есть возможность составить достойную конкуренцию самым технологически развитым странам в квантовой гонке. Возможности квантового компьютера не только приведут к колоссальному технологическому скачку, но и дадут ответы на фундаментальные вопросы. Так что это на самом деле технология будущего. И приближается оно быстрее, чем кажется", — комментирует научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров.

ria.ru


Читайте также
  • Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
    Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
  • Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
    Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
  • Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
    Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
  • Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
    Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
  • Найден источник водородных газов для нашей Галактики
    Найден источник водородных газов для нашей Галактики