Физики создали скоростную электронную "пушку" для квантового компьютера. Квантовый компьютер новости 2018


Создан "невозможный" материал для систем управления квантовыми компьютерами

07:4122.01.2018

(обновлено: 14:28 20.07.2018)

11593782

МОСКВА, 19 янв – РИА Новости. Международная группа российских и германских исследователей совершила прорыв в создании  материалов, обладающих недостижимыми в природе свойствами. Ученые Национального исследовательского технологического университета "МИСиС", Университета Карлсруэ (Германия) и Йенского института фотонных технологий (Германия) под руководством главы лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" профессора Алексея Устинова впервые в мире создали так называемые "зеркальные" кубиты, а также метаматериал на их основе. Это первый в мире квантовый метаматериал, который можно использовать в качестве элемента управления в сверхпроводящих электрических схемах. Результаты работы опубликованы в журнале "Nature Communications”.

Оборудование лаборатории Сверхпроводящие метаматериалы НИТУ МИСиС, занимающейся изучением метаматериалов и созданием квантового компьтераМетаматериалы: как создать материю с несуществующими свойствамиМетаматериалы – это вещества, свойства которых определяются не столько атомами, из которых они состоят, сколько тем, в какие структуры эти самые атомы собраны. Каждая такая структура (они получили название "мета-атом”) имеет размеры в десятки или даже сотни нанометров и обладает собственным набором свойств, исчезающих при попытке разделить её на составляющие.

До  недавнего времени одно из принципиальных отличий атомов от мета-атомов состояло в том, что свойства обычных атомов описывались уравнениями квантовой механики, а мета-атомов – классическими физическими уравнениями. 

Создание  кубитов (наименьших элементов для хранения информации в квантовом компьютере) привело к появлению потенциальной возможности сконструировать материал, состоящий из мета-атомов, состояние которых описывается только квантовомеханически. Правда, такая работа потребовала создания особенных кубитов.

Михаил Лукин, профессор Гарварда и сооснователь Российского квантового центраБольшая игра: как выходцы из России могут стать лидерами "квантовой гонки""Обычный кубит состоит из схемы, в которую входит три джозефсонских перехода, – поясняет научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" Кирилл Шульга. – А в состав зеркального входят пять переходов, симметричных относительно центральной оси. Зеркальные кубиты задумывались нами как более сложная система, нежели обычные сверхпроводящие кубиты. Логика тут проста: у искусственно усложненной системы с большим числом степеней свободы присутствует большее число факторов, которые могут влиять на её свойства. Меняя некие внешние параметры среды, в которой находится наш метаматериал, можно эти свойства включать и выключать, переводя зеркальный кубит из одного основного состояния с одними свойствами в другое". 

В ходе эксперимента оказалось, что весь метаматериал, состоящий из зеркальных кубитов, может переключаться между двумя режимами. В одном из режимов цепочка таких кубитов очень хорошо пропускает электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, при этом оставаясь квантовым элементом. В другом она поворачивает сверхпроводящую фазу на 180 градусов и запирает прохождение электромагнитных волн через себя. Важно, что при этом она остаётся квантовой системой. 

Микрофотография цепочки зеркальных кубитов. В нижней части – разрешение в 20 микрон на см, в верхней – 5 микрон на см. Кружочками обозначены джозефсоновские переходы, входящие в один зеркальный кубит.

"Получается, что при помощи магнитного поля такой материал можно использовать как управляющий элемент в системах передачи квантовых сигналов (отдельных фотонов) в цепях, из которых состоят развивающиеся сейчас квантовые компьютеры”, – комментирует инженер лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" Илья Беседин. – Это один из ключевых элементов в сверхпроводниковых электронных устройствах". Оборудование лаборатории Сверхпроводящие метаматериалы НИТУ МИСиС, занимающейся изучением метаматериалов и созданием квантового компьтераЭксперт: мы сделали шаг навстречу более компактной, быстрой электроникеТочно просчитать свойства одного зеркального кубита на обычном компьютере сложнее, чем обычного кубита. Усложнив такой кубит ещё в несколько раз, можно достигнуть предела сложности, уже близкого или превосходящего возможности современных электронных компьютеров. Такую сложную систему можно использовать как квантовый симулятор, то есть устройство, способное предсказать и смоделировать свойства некого реального процесса или материала.

Авторам исследования пришлось перебрать множество теорий, чтобы правильно описать процессы, происходящие в квантовом мета-материале. Итогом размышлений стала статья "Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits”, опубликованная в престижном журнале "Nature Communications”. 

 

ria.ru

Физики создали скоростную электронную "пушку" для квантового компьютера

МОСКВА, 4 июл – РИА Новости. Физики из Австралии создали сверхскоростную электронную пушку, способную управлять движением миллиардов одиночных электронов каждую секунду, что необходимо для создания квантовых компьютеров. "Инструкции" по ее сборке были опубликованы в журнале Nano Letters.

Модель атома"Заблудившиеся электроны" помогут ученым из РФ создать квантовый компьютер"Обретение полного контроля над движением электронов – крайне важный шаг для создания масштабируемых квантовых компьютеров. Конечно, мы умели управлять их поведением в макромасштабах еще 150 лет назад, однако на квантовом уровне они ведут себя совсем иначе", — заявил Джузеппе Теттаманци (Giuseppe Tettamanzi) из университета Аделаиды (Австралия).

Теттаманци и его коллеги из университета Нового Южного Уэльса уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного квантового компьютера. Так, в 2010 году они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 году — полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора-31.

В 2013 году они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100% точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго. В октябре 2015 года они сделали первый шаг к созданию первого кремниевого квантового компьютера, объединив два кубита в модуль, выполняющий логическую операцию ИЛИ. Два года назад им удалось защитить кубиты от помех, сделав большой шаг в сторону создания "рабочего" квантового компьютера.

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

Оставался один шаг – научиться объединять подобные кубиты, используя те же полупроводниковые технологии, что и сами ячейки квантовой памяти. Сделать это было крайне тяжело, так как "обычные" квантовые ячейки памяти могут взаимодействовать друг с другом лишь на небольшом расстоянии.

Австралийские физики обошли эту проблему, используя одиночные электроны в качестве переносчиков квантовой информации. Поведением подобных квантовых "гонцов" можно легко управлять, однако получить их не так просто – для этого необходимы электронные "пушки", способные испускать по несколько миллиардов частиц каждую секунду.

Их роль могут играть квантовые точки – искусственные "атомы" из кусочков полупроводника, внутри которых существует особая область, так называемая потенциальная яма. Попадая в нее, электрон может находиться только в определенных состояниях и обладать определенной энергией, благодаря чему его движением и поведением можно очень гибко управлять.

Так художник представил себе квантовый чип, разрабатываемый физиками из АвстралииФизики из Австралии близки к созданию первой квантовой микросхемы

В прошлом, как отмечает Теттаманци, ученые уже пытались создать сверхскоростные электронные "пушки" на базе квантовых точек. Они неплохо работают в тех случаях, когда число испускаемых ими частиц невысоко, однако при достижении "скорострельности" в миллион электронов в секунду их КПД и надежность резко падают.

Ученые из Аделаиды и Сиднея решили эту задачу, собрав квантовую точку из микроскопических кусочков алюминия, кремния и ряда других полупроводниковых материалов со специально подобранными свойствами, которые препятствуют побегу "лишних" электронов. Это позволило им достичь отметки в 2,5 миллиарда испускаемых электронов в секунду, не жертвуя индивидуальным контролем над движением каждой частицы.

Достижение подобного уровня "скорострельности" позволит физикам объединять даже самые недолговечные кубиты и использовать их сети для решения сложнейших задач, которые не под силу даже самым мощным компьютерам современности.

ria.ru

В начале 2018 года Google достигнет «квантового превосходства»

Компании и университеты во всем мире участвуют в создании квантовых компьютеров, но лидером в этой гонке остается Google. В мае IBM представила квантовый чип с 16 кубитами, который стал сенсацией и планировался к внедрению для квантовых компьютеров общего назначения. Затем вышло интервью с Джоном Мартинисом, главой подразделения Google по квантовым аппаратным средствам, в котором он сообщил, что у Google есть 22-кубитовый чип.

Квантовые чипы Google находятся в лаборатории компании в Санта-Барбаре, где их держат в специальных резервуарах, называемых криостатами. Сжатый гелий и жидкий азот, перекачиваемый из морозильного резервуара, охлаждают внутри криостата до —273,11 °C. Это необходимо для сохранения сверхпроводимости. Такая сложная и дорогая настройка означает, что Google и другие компании, скорее всего, будут продавать квантовые вычисления через облако за немалые деньги

Команду по разработке квантовых технологий в Google возглавляет Хартмут Невен, который ранее курировал самые инновационные проекты компании: от программного обеспечения для распознавания лиц до Google Glass. «На этом компьютере вообще нет транзисторов, — говорит Невен. — Это совершенно другой вид — настоящий уроженец мультивселенной».

Мощности стандартного и квантового компьютера настолько разнятся, что их с трудом можно сравнить. Так, имея на руках 300-битный классический чип, можно сделать калькулятор или несложный датчик для «умного» дома. Имея 300-кубитный квантовый чип, можно получить устройство с вычислительной мощностью, равной числу, которое записывается в виде двойки с 90 нулями. Это число больше, чем количество атомов во Вселенной.

На данный момент команда Невена в Южной Калифорнии готовится к запуску 49-кубитового чипа, который, как они надеются, откроет новый рубеж технологий, после которого компьютеры будут использовать немыслимо сложные естественные законы и перестанут пытаться перевести физический мир в условную бинарную систему.

Intel представила новый сверпроводниковый чип, который позволит создать квантовый компьютер. Исследовательские группы компании в США нашли способ производства 17-битовых чипов с особой архитектурой, которая позволяет им работать при более высоких температурах и уменьшает помехи во время передачи данных.

hightech.fm

Возможен ли квантовый компьютер? | Независимый альманах ЛЕБЕДЬ

      qubit3 Михаил Игоревич Дьяконов (1940 г.р.) — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Петербургского физико-технического института им. Иоффе, лауреат Государственной премии СССР, профессор университета Монпелье (Montpellier, France), член комиссии по борьбе со лженаукой.                 

  Введение, история вопроса. Идея квантовых вычислений была впервые высказана в несколько туманной форме русским математиком Юрием Маниным в 1980. В 1981 она была независимо предложена Ричардом Фейнманом. Поскольку из-за экспоненциального роста числа состояний численное моделирование даже не очень больших квантовых систем становится невозможным, Фейнман высказал идею, что эффективным такое моделирование может быть, если сам компьютер будет функционировать квантовым образом: «Природа не классична, и если вы хотите моделировать природу вам следует делать это квантово-механически, и, ей-Богу, это замечательная проблема, так как сделать это совсем непросто». Давид Дойч в 1985 году формально описал универсальный квантовый компьютер как квантовый аналог универсальной машины Тьюринга.

  • Идея квантового компьютера не привлекала заметного внимания, пока Питер Шор не предложил в 1994 г. алгоритм для идеального квантового компьютера, позволяющий разлагать на простые множители очень большие числа гораздо быстрее, чем на обычном компьютере[1]. Этот выдающийся теоретический результат вызвал взрывной интерес к идее квантовых вычислений и породил многие тысячи научных статей, в основном теоретических, которые до сих пор продолжают публиковаться c нарастающей скоростью.

    В течение последних 20 лет едва ли можно найти научно-популярный или даже серьёзный физический журнал, не касающийся проблем квантовых вычислений. Центры квантовой информатики открываются по всему Земному шару, и очень скоро счастливое королевство Бутан в Гималаях будет единственной страной лишенной подобного центра. Щедро раздаются деньги на развитие этого направления, учёные-энтузиасты и журналисты открывают перед обывателем сногсшибательные перспективы.  Многие исследователи считают необходимым оправдывать любые свои исследования указанием на их связь с проблемой квантовых компьютеров. Компьютерные математики  доказывают и публикуют новые теоремы, относящиеся к квантовым компьютерам в темпе одной статьи в день. Публикуется огромное количество предложений различных физических объектов, которые могли бы использоваться в качестве квантовых битов, или кубитoв. Гугл выдаёт  4 130 000 ссылок по запросу «quantum computing» и 69 300 ссылок на запрос «quantum computing with». Создается впечатление, что квантовые компьютеры ознаменуют новую   технологическую революцию 21 века.

    Когда мы получим работоспособный квантовый компьютер? Наиболее оптимистически настроенные эксперты говорят: «Через 10 лет». Другие называют 20 или 30 лет (примечательно, что эти предсказания остаются неизменными в течение последних 20 лет!), а наиболее осторожные говорят: «Не при моей жизни». Автор принадлежит к ничтожному меньшинству тех, кто отвечает: «Ни в каком-либо предвидимом будущем», и эта позиция разъясняется ниже.

    Идея квантовых вычислений состоит в хранении и обработке информации способом, принципиально отличным от используемого в обычном (классическом) компьютере, оперирующим с ансамблем микро-транзисторных переключателей между состояниями «включено»  -  «выключено».

    В каждый данный момент состояние классического компьютера описывается последовательностью (↑↓↑↑↓↑↓↓…), где ↑ и ↓ представляют биты информации, физически реализуемые как открытое  и запертое состояния данного транзистора. Для N транзисторов существует 2N различных состояний компьютера. Процесс вычисления состоит в последовательности переключений некоторых транзисторов между их ↑ и ↓ состояниями, в соответствие с заданной программой.

    В квантовом компьютере классический элемент с двумя состояниями заменяется на квантовый элемент с двумя базисными состояниями, называемый кубитом. Простейшим объектом такого рода является собственный угловой момент электрона – спин, с удивительным квантовым свойством обладания  только двух возможных проекций на любую ось: +1/2 и -1/2 (в единицах постоянной Планка). Для любой выбранной оси мы опять имеем два базисных квантовых состояний спина ↑ и ↓.

    Однако произвольное спиновое состояние описывается волновой функцией ψ = a↑+ b↓, где a и b – комплексные числа, удовлетворяющие условию нормировки |a|2 + |b|2 = 1, так что |a|2 и |b|2 являются вероятностями для спина оказаться в базисных состояниях  ↑ и ↓ соответственно.

    В отличие от классического бита, принимающего только одно из двух состояний ↑ и  ↓, кубит имеет континуум возможных состояний, определяемых квантовыми амплитудами a и b. Это свойство часто описывается несколько мистическим и пугающим утверждением того, что кубит может существовать одновременно в двух своих состояниях ↑ и ↓. (Это подобно утверждению, что вектор в плоскости xy, направленный под углом 450 к оси x, одновременно направлен по обоим направлениям x и y, - в некотором смысле верно, но не слишком содержательно).

    Два кубита имеют 22=4 базисных состояний: (↑↑), (↑↓), (↓↑), и (↓↓). Соответственно, они описываются волновой функцией ψ = a(↑↑) + b(↑↓) + c(↓↑) + d(↓↓) с четырьмя комплексными амплитудами a, b, c, и d. В общем случае N кубитов состояние системы описывается 2N комплексных  амплитуд, ограниченных только условием нормировки.

    В то время, как состояние классического компьютера с N битами в каждый данный момент совпадает с одним из 2N его возможных дискретных состояний, состояние квантового компьютера с N кубитами описывается значениями 2N непрерывных переменных – квантовых амплитуд.

    Обработка информации предполагается с помощью применения унитарных преобразований (quantum gates - квантовых переключений), которые изменяют эти амплитуды a, b, c, … точным и контролируемым образом.

    Число кубитoв, необходимое для построения полезной машины (т. е., такой, которая способна конкурировать с вашим лаптопом в решении некоторых специальных проблем, как например, разложения на простые множители очень больших чисел по алгоритму Шора), оценивается в пределах 103 − 105. Таким образом, число непрерывных переменных, описывающих состояние компьютера в каждый данный момент должно оцениваться числом, по меньшей мере,  21000 (~10300), которое много, много больше числа частиц во Вселенной (их, всего лишь, порядка 1080)!!!

    В этом месте нормальный инженер или экспериментатор теряют интерес. Возможные ошибки в классическом компьютере порождаются  ошибочными переключениями одного или нескольких транзисторов из закрытого состояния в открытое, или наоборот. Такие ошибки, конечно, очень нежелательны, но они могут быть преодолены сравнительно простыми методами дублирования.

    В сравнении с этой проблемой классического компьютера, выполнение сизифовой задачи контроля 10300непрерывных параметров представляется  абсолютно невообразимым.

    Однако теоретики квантовых компьютеров (КК) преуспели в создании  всеобщей веры в возможность реализации масштабных квантовых вычислений, апеллируя к знаменитой «пороговой теореме»: если ошибка на кубит - на переключение  не превышает некоторой заданной величины, то становятся возможными неограниченно длинные квантовые вычисления - ценой существенного увеличения числа используемых кубитов  (логический кубит реализуется с помощью нескольких физических кубитов). По счастью, число кубитов возрастает только полиномиально  с увеличением масштаба вычислений, так что общее число необходимых кубитов должно возрасти с N =103 всего лишь до N =106─109 (разумеется, с соответствующим возрастанием ужасающегo числа 2N непрерывных параметров, характеризующих состояние всей квантовой машины!!!).

    (В связи с этим Леонид Левин, профессор математики Бостонского Университета, сделал следующее остроумное замечание: «Какие мыслимые эксперименты могли бы доказать, что КК находится в заданном состоянии с требуемой точностью? Я готов предложить для этого ресурсы всей Bселенной, но не больше!)

    Дорожная карта панели экспертов ARDA. Шестнадцать лет назад, в 2002 году, по заданию агентства правительства США Advanced Research and Development Activity (ARDA) команда авторитетных экспертов в области квантовых вычислений выработала следующую «дорожную карту» (обновлённую в 2004 году), наметив цели на 5 и 10 лет:

    «К 2007 году:

    • Кодировать состояние логического кубита несколькими физическими кубитaми
    • Осуществить многократную коррекцию состояния логического кубита
    • Перенести состояние логического кубита на систему других физических кубитов с высокой надёжностью

    К 2012 году разработать конкатенациoнный[4] код квантовой коррекции      ошибок.»

    Цель 2007 года предполагала реализацию «порядка 10 физических кубитoв и множественных логических операций между ними», в то время как задачей 2012 года была реализация «порядка 50 физических кубитoв с обеспечением работы множества логических кубитoв в полном объеме операций, требуемых для свободного от ошибок КК с целью осуществления простого примера квантового алгоритма».

    В то время, как благосклонные судьи могли бы посчитать, что первые две цели 2007 года  к настоящему времени частично достигнуты, ожидания третьего пункта целей 2007 годa, а тем более, цели 2012 года, были решительно провалены. То же самое относится к некоторым прочим предсказаниям: «Когда масштабные квантовые компьютеры будут разработаны в ближайшие 5 или 10 лет, квантовoе моделированиe станeт областью приложения КК, которая сможет продемонстрировать свои решительные преимущества над классическими вычислениями».

    Экспериментальные исследования, связанные с идеями квантовых вычислений составляют лишь малую долю огромной литературы, посвящённой КК. Они представляют nec plus ultra современной экспериментальной техники, чрезвычайно трудоёмки и вызывают восхищение и уважение. Целью таких экспериментов служит доказательство возможности осуществлять квантовые операции, лежащие в основе идеи КК, а также продемонстрировать некоторые элементы квантовых алгоритмов. Число используемых кубитов меньше 10, обычно от 3 до 5.  Переход от 5 кубитов к 50 (задача, поставленная экспертами ARDA на 2012 год!) по-видимому порождает трудно преодолимые  трудности, и причины этого нужно понять.  Скорее всего, они связаны с тем простым фактом, что 25=32, в то время как  250=1 125 899 906 842 624.

    По контрасту с экспериментом, теория квантовых вычислений, резко доминирующая в КК литературе, не встречает, похоже, никаких трудностей, оперируя миллионами кубитов. Рассмотрены различные источники шумов и доказано (при определённых допущениях), что ошибки, порождённые «местными» источниками шумов, могут быть скорректированы с помощью тщательно разработанных и очень остроумных приёмов, включающих, среди прочих трюков, массовый параллелизм: многие тысячи операций должны быть применены одновременно к различным парам кубит, и многие тысячи измерений также должны быть осуществлены одновременно.

    Теория квантовых вычислений напоминает старый советский анекдот. Действие происходит во время второй мировой войны. Некий изобретатель с идеей высшей военной ценности добивается личного свидания со Сталиным, не доверяя бумажному докладу, поскольку не верит тогдашней криптографии (ещё не знакомой с квантовыми перепутанными состояниями).  Изобретатель докладывает:

    - Всё просто, товарищ Сталин! У Вас на столе будет три кнопки – зелёная, голубая и белая. Если Вы нажмёте зелёную кнопку – все наземные вражеские силы будут уничтожены. Если Вы нажмёте голубую кнопку, то все морские силы врагов будут утоплены. А вот если Вы нажмёте белую кнопку, то все военно-воздушные силы врага будут сбиты.

    Сталин: Это прекрасно, но как это сделать?

    Изобретатель: Ну, это дело Ваших инженеров. Моё дело подать идею.

    Дальнейшая судьба изобретателя неизвестна...

    Подобно этому эксперты ARDA провозглашают: «Было установлено, что при некоторых предположениях, а именно, если пороговая точность операции переключения может быть достигнута, то коррекция квантовых ошибок позволит квантовому компьютеру функционировать бесконечно долго».  Здесь ключевые слова «при некоторых предположениях», однако, эксперты не задаются вопросом, могут ли быть эти предположения осуществлены в реальном мире.

    Квантовый отжиг. Совершенно иной подход, инициированный компанией D-wave и подхваченный и разработанный компаниями IBM, Google, Microsoft и др., основан на использовании сверхпроводящих Джозефсоновских контактов в качестве кубитов при температуре жидкого гелия и ниже. В зависимости от некоторых параметров системы Джозефсоновские контакты могут играть роль как классических битов (и многие исследователи разрабатывают классические компьютеры на основе Джозефсоновской логики) так и квантовых кубитов.

    При этом НЕ имеется в виду тот квантовый компьютер, о котором идут разговоры в течение 20 лет, это устройство НЕ сможет разлагать большие числа на множители по алгоритму Шора и НЕ сможет производить поиск по базе данных, используя квантовый алгоритм Гровера. Скорее, оно предназначено для осуществления «квантового отжига». После начального приготовления любая система, классическая или квантовая, при низкой температуре будет релаксировать к своему основному состоянию. Численное или аналитическое вычисление основного состояния более или менее сложной квантовой системы – задача практически невыполнимая – именно поэтому Фейнман исходно выдвинул идею КК.

    Отсюда идея моделирования системы взаимодействующих кубитов с помощью эквивалентной системы сверхпроводящих квантовых контуров, базирующихся на контактах Джозефсона. Не предполагается производить квантовые вычисления с помощью квантовых операций, проблема квантовой коррекции ошибок также не возникает. Нужно просто замерить состояние системы (точнее, некоторых ее характеристик - малой части из огромного числа всех ее квантовых амплитуд) после отжига.

    Подобный подход совершенно разумен. Однако Гугл заявил, что 49-кубитовый сверхпроводящий чип в холодильнике при 10 милликельвинах (создание которого было --обещано к концу 2017 года) сможет превзойти классические машины и таким образом продемонстрировать «квантовое превосходство»).

    Это заявление представляется некоторым преувеличением. Упомянутый чип не будет представлять собой «квантовый компьютер», это будет  всего лишь некоторая специфическaя квантовая система (которая может быть вполне интересна сама по себе).

    Не вполне ясно, какая может быть практическая польза от этого. Однако такое моделирование может принести некоторое дополнительное знание о поведении больших и сложных квантовых систем. Другая высказанная идея состоит в том, что системы D-wave смогут дополнить  обычные классические компьютеры.

    Заключение. Практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, именно поэтому такие системы переходит из ведения микроскопической физики в область статистической физики. Представляет ли система из N = 103–105 квантовых спинов, необходимая чтобы превзойти классический компьютер в решении ограниченного числа специальных задач, достаточно большой в этом смысле? Сможем ли мы когда либо научиться контролировать 10300 (по меньшей мере) амплитуд, определяющих квантовое состояние такой системы?

    Мой ответ – нет, никогда.

  •  ДОБАВЛЕНИЯ К СТАТЬЕ из переписки по этой проблеме между членами комиссии по борьбе со лженаукой
  • Примечание редактора бюллетеня "В защиту науки" и председателя комиссии по борьбе со лженаукой Евгения Борисовича Александрова :
  • В начале 80-х годов прошлого столетия, т.е. около 35 лет назад, я был приглашен на одно из первых обсуждений проблемы квантового компьютера (КК) в вычислительный центр АН СССР. Приглашён в качестве физика-экспериментатора, известного своими первыми демонстрациями реальности суперпозиционных состояний, т. е., кубитов. Будучи допрошен идеологами КК  на предмет точности измерений базисных проекций моих кубитов, я гордо ответил, что точность может доходить до одной миллионной доли, что глубокое разочаровало вопрошающих. На мой вопрос, «а сколько надо?», я получил ответ, что это зависит от задачи. «Ну, если надо, например, факторизовать число с 20 десятичными знаками, то точность измерения компонент кубита должна иметь тот же порядок». С тех пор я потерял интерес к теме КК. Замечу дополнительно, что точность измерений громадного большинства физических величин не превышает 8-9 десятичных знаков и лишь в исключительной задаче измерения частоты достигает ныне пятнадцатого знака. (При этом, эта точность реализуется за время измерения порядка секунд, так что о высоком быстродействии мечтать не приходится).
  • Острый интерес к быстрой факторизации больших чисел связан с проблемой разгадки сложных шифров. Перспектива создания квантового компьютера ставит под угрозу основы классической криптографии, что, в свою очередь, породило бум работ по квантовой криптографии, недоступной ожидаемому могуществу квантового компьютера.
  • М.И.Дьяконов:Я думаю, что несмотря небывалую активность в течение 20 лет, история квантового компьютера приближается к своему концу, потому что 20 лет - это типичное время жизни большого пузыря в науке, потому что слишком много необоснованных обещаний было дано, потому что общество устало от почти ежедневных объявлений о новых «прорывах», поскольку все академические позиции в области квантовых вычислений уже заняты, потому что адепты квантовых вычислений стареют и становятся менее активными, в то время как молодое поколение ищет чего-то нового.

    Обсуждённые выше проблемы, как и другие, неупомянутые здесь, оставляют серьёзные сомнения относительно дальнейшей судьбы квантового компьютера.  Огромный разрыв между элементарными, но при этом очень трудными экспериментами,  с одной стороны, и крайне разработанной, но при этом довольно безответственной теорией, с другой стороны, не представляется скоро преодолимым. Кроме того, по-прежнему нет ясности в преимуществах гипотетических квантовых вычислений и стоят ли они усилий поколений исследователей и инженеров.

    Беспрецедентный уровень рекламы и необоснованных обещаний, сопровождающий эту эпопею, служит плохим признаком, как и великое множество безответственных в большинстве предложений осуществления «квантовых  вычислений с помощью…».

    Таким образом, перспективы квантовых вычислений представляются крайне сомнительными. Скептицизм – это нормальная и здоровая позиция в науке, в отличие от религии, и дело верующих дать убедительные доказательства того, что обещанное чудо рано или поздно случится.

     Валерий Лебедев:

    Dear Михаил Игоревич, ниже информация, о которой я не знаю что и думать Там не о теоретических  посылках, там говорится об  уже выпущенной модели авто с новым видом связи. Цена авто - 55 тыс. дол.Привожу из статьи самое главное:

    Южнокорейская машиностроительная компания СанЙонг (SsangYong Motor Company, четвёртый по величине производитель легковых автомобилей в Корее), оснастила свою модель кроссовера Future стационарным (пока!) кубитовым (квантовым) телефоном.

    Его создание стало возможным благодаря сотрудничеству учёных Физического факультета МГУ, а также корпорации Самсунг (Samsung Group), а также  Китайской академии наук, чей спутник «Мо-цзы» (Quantum Science Satellite (QSS), QUESS), предназначенный для квантовой передачи информации, функционирует на орбите с января 2017 года.объявивших в декабре 2017 года о создании рабочего прототипа,

    Сам новый сотовый телефон (пока по традиции его называют так) представляет собой двунаправленный (т.е. работающий и на приём, и на передачу) эффектор квант-кубитового поля, и обладает уникальными характеристиками.

    Так, данные при передаче кодируются в квантовых состояниях фотонов. Любая несанкционированная попытка изменить эти состояния приведет к тому, что они изменятся в соответствии с законами квантовой физики. Поэтому скрытно "подсмотреть" данные, передаваемые по квантовому каналу, нельзя. Собеседники неминуемо обнаружат, что их подслушивают по изменению состояний фотонов.

    Наконец, скорость передачи данных уже доходит до 2 000 Тбод (две тысячи миллиардов Кбит в секунду), что на несколько (!) порядков превосходит самые быстрые действующие на сегодняшний день сети.

    Новому средству связи не нужны вышки, ретрансляторы, физические каналы связи и прочие элементы современных сотовых сетей.

    Всё это уже в ближайшем будущем заменят 16 (12 рабочих и 4 резервных) спутника, которые и сделают ненужной всю эту громоздкую и устаревшую структуру. Каждый из спутников планируется оснастить 200-кубитовым блоком обработки данных на холодных атомах рубидия, созданным под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарварда.

    Конечно, статья в cont.ws - фейк, я навел справки.  Но ловко скроенный. Вообще этот cont.ws - источник ненадежный, ну его. Образовался в июле 2014 г. и все это время периодически козлит.

    И этот Михаил Лукин, проф. Гарварда и Сколково - тот еще фрукт. С этим Сколково совсем беда. Ну, если там завотделом интеллектуального прогнозирования был секстренер Рыбки Алекс  Лесли (сейчас сидящий в тюрьме Бангкока), то о чем говорить? Только о переименовании Сколково. Точнее, писать стоило бы так: Сколько? Во!

    С почтением ВЛ

     Валерий Лебедев:

    Михаил Игоревич, привожу еще одно сообщение.Компания Google построила квантовый процессор, в котором 72 сверхпроводниковых кубита объединены в двумерный массив.Пока что компания не раскрывает подробных характеристик построенного устройства, однако утверждает, что оно позволяет достичь квантового превосходства.Новую разработку компания представила на ежегодной встрече Американского физического сообщества в Лос-Анджелесе, кратко о ней сообщается в блоге компании.

    см. http://research.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

    qubit5

    Чтобы подтвердить свое заявление, ученые теоретически оценили, при каких условиях построенную систему нельзя будет смоделировать на классическом компьютере. Согласно с их расчетами, для этого в ее состав должно входить не менее 49 кубитов, «глубина» (circuit depth) должна превышать 40 кубитов, а вероятность ошибки в двухкубитном логическом элементе должна быть не выше 0,5 процента. Для построенного компьютера эти требования выполняются.

    см https://nplus1.ru/news/2018/03/06/google-72-qubit?utm_source

    С почтением, ВЛ

    Михаил Дьяконов:Michel Dyakonov Суббота, 3 марта 2018, 21:17 +03:00

  • Валерий Петрович, Quantum computing - это не лженаука в том смысле, что оно не противоречит установленным законам природы (как например, релиз-активность), и многие хорошие и настоящие ученые участвуют в этой деятельности. Сделаны очень трудные и красивые эксперименты (с 3-5 кубитами).Вся теоретичекая работа производится компьютерными математиками (computer scientists), как Peter Shor, предложивший знаменитый алгоритм, позволяющий (если все идеально) разлагать на множители огромные числа, недоступные для обычного компьютера.Подавляющее число этих математиков никогда в жизни не решили ни одной задачи по квантовой механике, не представляют себе, что такое эксперимент, и как и почему эксперимент может не полностью соответствовать теории. Они читают постулаты квантовой механики на первой страницы учебника и полагают, что этого достаточно.

    Сила квантового компьютера состоит как раз в том, что состояние системы из N кубитов характеризуются 2^N непрерывными параметрами - квантовыми амплитудами. Но в этом же состоит его слабость и большая уязвимость: поскольку любой непрерывный параметр не может иметь точного значения и подвержен неконтролирумым воздействиям.

    Наш обычный компьютер содержит N переключателей, имеющих два дискретных положения вкл/выкл. Если заменить эти переключатели на N элементoв с непрерывным множеством положений, ничего не получится. Тем более, если таких непрерывных элементов 2^N! (Здесь восклицательный знак НЕ означает факториал, но все равно дело плохо, если N=1000). И совершенно очевидно, что никакая коррекция ошибок не может помочь, когда речь идет о супер-астрономических количествах непрерывных величин.

    Лет 10 назад основатель D-wave (забыл фамилию) в частной переписке сказал мне, что разумеется gate model (описанная выше) никогда работать не будет, поэтому он идет другим путем. Этот другой путь сейчас становится очень популярным, он состоит в том, что создается искусственная квантовая система на основе джосефсоновских переходов, погруженная в жидкий гелий. Система живет по своим законам, и приходит в свое основное состояние (или близко к нему), после чего можно измерить некоторые наиболее интересные или легко измеряемые ee параметры (все измерить нельзя, их 2^N).

    Новый тренд состоит в том, чтобы продавать публике эту систему в качестве квантового компьютера. Однако эта система не может ничего вычислять (не может разлагать на множители большие числа по алгоритму Шора), она способна только симулировать сама себя. С тем же успехом можно в качестве КК продавать атомы свинца с их 92 кубитами!

    Я вкратце изложил содержание моей статьи, и я уверен, что эта точка зрения на КК будет через некоторое время признана всеми. Пока это не так. Нужно ли эту статью печатать - решать не мне.

    Для правильной работы КК нужно, чтобы 10^300 непрерывных переменных (квантовых амплитуд), которые определяют его состояние в каждый момент, имели бы заданные нами значения (с какой-то точностью, которая до сих пор не установлена) и изменялись по нашей воле в соответствии с определенной программой. Вот это, говорю я, невозможно.

    Почему? - Уж слишком их много (гораздо больше, чем частиц во Вселенной), за всеми не уследишь. Есть, конечно, и декогеренция, т.е. изменения этих амплитуд помимо нашей воли и намерений - за счет разного рода шумов.

    Что касается "квантового компьютера " Google и "квантового превосходства", я об этом упоминаю в моей статье. Строится искусственная квантовая система из 49, а теперь уже из 72, джозефсоновских переходов, которую можно перестраивать и некоторые из ее характеристик измерять (все ee 2^72 параметра измерить невозможно).

    Такая система автоматически симулирует сама себя. Это может быть интересно и полезно, но это НЕ квантовый компьютер, например, он не способен разлагать числа на множители.

    Валерий Лебедев:

    Михаил Игоревич, ваши аргументы как раз очень убедительны. Но и ГУГЛ представил работающую машину на выставке. Пусть это и не квантовый комп, раз не разлагает числа на множители, но тогда что это?

  • М.И. Дьяконов:Валерий Петрович, Вы спрашиваете: "Пусть это и не квантовый комп, раз не разлагает числа на множители,  но тогда что это?"

    Я не знаю. Все подробности - коммерческая тайна, так же как и у D-wave.Ясных объяснений, что эта машина умеет делать, пока нет.

    Как я понимаю, можно различными образами соединять между собой эти джозефсоновские переходы и таким образом получать различные искусственные квантовые системы, причем рассчитать их теоретически (или на обычном компьютере) невозможно - это уже слишком сложно.Никакой лженауки тут нет, все правда, но этот "компьютер" вычисляет только свое собственное состояние. Мы же можем измерить некоторые его характеристики.

    При удачном стечении обстоятельств, мы можем родить человека - безумно сложную (и в конечном счете квантовую) систему. Но стоит ли это описывать как создание квантового компьютера и/или достижения "квантового превосходства"?

    Михаил Дьяконов:  Уважаемый Александр Генрихович (Сергеев),

    Я хочу ответить только на один, возможно самый важный пункт в Вашем письме:

    Да, понадобятся миллионы физических кубитов, однако при этом вовсе не нужно будет непосредственно и точно измерять их совокупное состояние, а значит, «ужасающее число 2^N непрерывных параметров, характеризующих состояние всей квантовой машины» ужасает чисто умозрительно. Мы же научились описывать газы и кристаллы, состоящие из ~10^24 атомов, хотя с позиций лапласовского детерминизма решение такой задачи по зубам только сверхъестественным силам.

    Верно, что не нужно измерять 2^N непрерывных параметров. Однако абсолютно необходимо, чтобы эта совокупность параметров была под нашим контролем. Если эти параметры уплывут, и не будут в точности (с какой точностью - неизвестно, как сказано в моем тексте) равны тому, что предполагает чистая теория, то никаких квантовых вычислений не получится.

    Именно поэтому удается экспериментально получить удовлетворительные результаты с тремя кубитами (2^3=8) и не удается - с 10-ю и более (а для полезной машины нужно 1000 и более).

    Ваша аналогия с кристаллами и лапласовским детерминизмом неудачна. Мы успешно описываем макроскопические характеристики многочастичных систем (например, теплоемкость), для чего нам совершенно не нужно чтобы положение и скорость каждого атома были под нашим контролем . Наоборот, предполагается (совершенно справедливо), что эти параметры индивидуальных атомов случайны - с ограничениями, накладываемых только общими законами сохранения энергии, момента, и импульса всей системы.

    В противоположность этому, гипотетический квантовый компьютер никак не сможет работать, если 2^N его параметров будут случайными. Они должны  иметь  заданные нами значения и быть пoд нашим контролем, точно также, как транзисторы в Вашем лаптопе, которые нельзя себе представлять как газ, или кристалл при комнатной температуре - мы их контролируем и ими управляем.

    Хочу еще заметить, что обсуждаемый текст есть вольный перевод статьи заказанной мне американским журналом IEEE Spectrum (который Вы цитируете). Должна быть опубликована месяца черз 2-3. Возможно, это признак того, что направление ветра в этой области начинает меняться.

    Quantum computing - это не лженаука в том смысле, что оно не противоречит установленным законам природы (как например, релиз-активность), и многие хорошие и настоящие ученые участвуют в этой деятельности. Сделаны очень трудные и красивые эксперименты (с 3-5 кубитами).

    Вся теоретичекая работа производится компьютерными математиками (computer scientists), как Peter Shor, предложивший знаменитый алгоритм, позволяющий (если все идеально) разлагать на множители огромные числа, недоступные для обычного компьютера.Подавляющее число этих математиков никогда в жизни не решили ни одной задачи по квантовой механике, не предствляют себе, что такое эксперимент, и как и почему эксперимент может не полностью соответствовать теории. Они читают постулаты квантовой механики на первой страницы учебника и полагают, что этого достаточно.

    Сила квантового комьютера состоит как раз в том, что состояние системы из N кубитов характеризуются 2^N непрерывными параметрами - квантовыми амплитудами. Но в этом же состоит его слабость и большая уязвимость: поскольку любой непрерывный параметр не может иметь точного значения и подвержен неконтролирумым воздействиям.

    Наш обычный компьютер содержит N переключателей, имеющих два дискретных положения вкл/выкл. Если заменить эти переключатели на N элементoв с непрерывным множеством положений, ничего не получится. Тем более, если таких непрерывных элементов 2^N! (Здесь восклицательный знак НЕ означает факториал, но все равно дело плохо, если N=1000). И совершенно очевидно, что никакая коррекция ошибок не может помочь, когда речь идет о супер-астрономических количествах непрерывных величин.

    Лет 10 назад основатель D-wave (забыл фамилию) в частной переписке сказал мне, что разумеется gate model (описанная выше) никогда работать не будет, поэтому он идет другим путем. Этот другой путь сейчас становится очень популярным, он состоит в том, что создается искусственная квантовая система на основе джосефсоновских переходов, погруженная в жидкий гелий. Система живет по своим законам, и приходит в свое основное состояние (или близко к нему), после чего можно измерить некоторые наиболее интересные или легко измеряемые ee параметры (все измерить нельзя, их 2^N).

    Новый тренд состоит в том, чтобы продавать публике эту систему в качестве квантового компьютера. Однако эта система не может ничего вычислять (не может разлагать на множители большие числа по алгоритму Шора), она способна только симулировать сама себя. С тем же успехом можно в качестве КК продавать атомы свинца с их 92 кубитами!

    Я вкратце изложил содержание моей статьи, и я уверен, что эта точка зрения на КК будет через некорое время признана всеми. Пока это не так.

    Michel DyakonovLaboratoire Charles Coulombcc 070 Université Montpellier34095 Montpellier, France

     

     

  • lebed.com

    Ученые начинают «физическую» часть создания квантового компьютера

    РИА Новости. Квантовый консорциум приступает к реализации «физической» части проекта по созданию многокубитного квантового компьютера, сообщили в компании «ВЭБ Инновации».

    Квантовый процессор © Fotolia / Tomasz Zajda© Fotolia / Tomasz Zajda

    Как сообщалось ранее, научно-технический совет Фонда перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект по созданию в России квантового компьютера в 2018-2021 годах.

    «Старт проекта будет поэтапным: в настоящий момент запускается «физическая» часть, которую планируется реализовать на базе МГУ имени М.В. Ломоносова при участии МГТУ им. Н.Э. Баумана, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики, Физико-технического института РАН и других при поддержке ФПИ», — сказал представитель компании.

    По его словам, речь идет о разработке демонстратора оптического квантового симулятора на базе двух основных технологий реализации квантовых вычислителей: на основе фотонных чипов и нейтральных атомов.

    «Участники проекта отмечают, что часть технических задач может быть решена путем приобретения оборудования зарубежного производства, однако в приоритетном порядке будет рассматриваться возможность запуска дополнительных проектов по разработке и совершенствованию отечественной элементной базы (например, многоканальные однофотонные сверхпроводниковые детекторы уже производятся в России)», — рассказали в «ВЭБ Инновации».

    Как уточнили в компании, после подписания в феврале 2018 года пятистороннего соглашения о создании российского многокубитного квантового компьютера было уточнено техническое задание проекта. Так, свои предложения внесли научные коллективы МГТУ имени Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургского госуниверситета, Физико-технического института РАН, Сколковского института науки и технологий, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики и другие.

    «Параллельно будет происходить расширение консорциума, работающего над созданием российского многокубитного квантового компьютера, — к нему присоединятся новые участники из числа заинтересованных потребителей, научно-исследовательских организаций и институтов развития», — сообщили в «ВЭБ Инновации».

    По мере развития проекта российские ученые будут решать научные и прикладные задачи, необходимые для создания и дальнейшей эксплуатации квантового компьютера — например, задачу по разработке системы онлайн-доступа и программирования квантовых вычислительных устройств, по разработке фотонных детекторов и различных квантовых алгоритмов.

    Квантовый консорциум

    Соглашение о научно-техническом проекте по созданию многокубитного квантового компьютера было подписано в феврале 2018 года в ходе Российского инвестиционного форума в Сочи между Внешэкономбанком, компанией «ВЭБ Инновации», Фондом перспективных исследований, МГУ имени М.В. Ломоносова и АНО «Цифровая экономика». Соглашение стало основой для формирования квантового консорциума, предполагается, что такой формат взаимодействия позволит большому количеству российских научных коллективов, финансирующих организаций и потенциальных потребителей принять участие в реализации прорывных проектов в сфере квантовых технологий.

    Преимущества квантовых компьютеров основаны на том, что в них для представления данных используются не классические двоичные ячейки памяти, содержащие один бит информации, а так называемые «кубиты» (qubit, quantum bit), представляющие собой квантовые объекты, состояние которых подчиняется принципу квантовой суперпозиции и содержащие, таким образом, значительно большее количество информации.

    Мировым научным сообществом рассматриваются различные физические способы реализации кубитов: на основе сверхпроводниковых элементов, фотонов, ионов и нейтральных атомов в магнитооптических ловушках, примесных центров в полупроводниковых и диэлектрических структурах. Каждый из исследуемых способов обладает определенными преимуществами при улучшении тех или иных характеристик квантового компьютера.

    Источник: РИА Новости

    sci-dig.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