Физики из России и США создали первый 51-кубитный квантовый компьютер. Квантовый компьютер российский
Одобрено создание российских 50-кубитных квантовых компьютеров
Российский квантовый компьютер получил зеленый свет
Научно-технический совет Фонда перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект «Оптические системы квантовых вычислений». В период с 2018 по 2021 год в рамках этого проекта запланирована разработка демонстраторов 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.
Поручение о выполнении проекта «Оптические системы квантовых вычислений» передано кооперации российских организаций и ведомств под руководством Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Участие в проекте примут также Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Институт физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН, Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н.Л. Духова и Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана.
Российский консорциум для создания многокубитного квантового компьютера был сформирован в середине февраля 2018 г. В ходе Российского инвестиционного форума Внешэкономбанк, «ВЭБ Инновации», Фонд перспективных исследований, МГУ имени М.В.Ломоносова и АНО «Цифровая экономика» подписали соглашение о реализации комплексного научно-технического проекта по созданию в России многокубитного (не менее пятидесяти кубитов) оптического квантового симулятора на основе фотонных чипов и нейтральных атомов.
Особенности российских кубитов
Проект технического задания на создание отечественного 50-кубитного квантового компьютера впервые был представлен в начале апреля 2018 г. в клубе сквозных технологий АНО «Цифровая экономика» при участии потенциальных участников реализации проекта: ГК «Росатом», Сколтеха, «ВЭБ Инновации», АНО «Цифровая экономика», ФПИ, МГУ и других ведущих технических вузов и научных институтов страны.
Проект технического задания, в частности, определил основные требования к разработке оптического квантового симулятора на базе двух основных технологий реализации квантовых логических элементов: на основе фотонных чипов и нейтральных атомов.
Согласно техническому заданию проекта, также предполагается параллельная разработка алгоритмов для решения прикладных задач на квантовых компьютерах, в том числе, в области прогнозирования погоды и криптозащиты. Российская машина, в частности, также будет решать проблемы материаловедения, где требуется точное численное ресурсоемкое решение квантово-механической задачи многих тел.
Как заявлял ранее генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ), кандидат физико-математических наук Руслан Юнусов, создание в России квантового компьютера, который не уступит зарубежным аналогам, потребует инвестиций в размере более $100 млн.
По его словам, в настоящее время четыре американские компании - IBM, Microsoft, Intel и Google, ведут независимые работы над созданием квантовых компьютеров, при этом каждая компания вкладывает порядка $100 млн. Китайский интернет-гигант Alibaba выделяет на создание квантового компьютера $150 млн.
Квантовые вычисления в рамках программы «Цифровая экономика»
Работа над созданием 50-кубитных прототипов квантовых компьютеров является частью комплексного научно-технического проекта в области технологий квантовой обработки информации, соглашение о реализации которого принято в феврале 2018 г. Фондом перспективных исследований, «Внешэкономбанком», «ВЭБ-Инновациям», АНО «Цифровая экономика» и МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках реализации Дорожной карты развития в Российской Федерации технологий квантовой обработки информации.
Российский усилитель сигнала для квантового компьютера
В частности, план мероприятий программы «Цифровая экономика» по разделу «Формирование исследовательских компетенций и технологических заделов» содержит подраздел о развитии квантовых вычислений. Мероприятия, которые в будущем позволят создать в России полноценный квантовый компьютер, включают разработку квантовых вычислительных устройств и симуляторов на основе сверхпроводниковых кубитов (единица информации в квантовых компьютерах, квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах и демонстратора программируемого квантового вычислительного устройства на нескольких сверхпроводниковых кубитах.
Затем будет определена дальнейшая стратегия и тактика развития в России квантовых вычислений на основе сверхпроводниковых кубитов.
«При дальнейшем масштабировании в сторону квантового компьютера из нескольких десятков сверхпроводниковых кубитов устройства данного типа будут способны решать задачи, недоступные для решения на классических суперкомпьютерах, — говорится в документе. — К ним относятся, например, моделирование динами материалов. Дальнейшее масштабирование приведет к построению полноценного квантового компьютера». Кроме того, в документе говорится о разработке устройств квантовой криптографии и квантовых коммуникаций. Это позволит создать задел для квантозащищенной сети связи, не поддающейся дешифрации и взлому, — для силовых ведомств, банковского и корпоративного сектора.
В рамках программы будет разработана сеть, соединяющая магистральными волоконными линиями связи с квантовым распределением ключей пилотные объекты (ЦОДы, банки, отраслевые предприятия). Для достижения результата будут разработаны магистральный шифратор с квантовым каналом обновления ключей и прототип квантового ретранслятора (повторителя).
Технологии квантовых вычислений в России
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.
Считается, что квантовый компьютер с регистром из 50 полносвязных кубитов сможет продемонстрировать превосходство над классическими вычислительными системами. Решение практически значимых задач требует реализации регистра из 500-2000 полносвязных кубитов, при этом точность операций с кубитами должна превосходить 99,999%.
В настоящее время 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 определёнными преимуществами при улучшении тех или иных характеристик квантового компьютера.
В целом, квантовые технологии рассматриваются как одно из ключевых технологических направлений, способных в будущем существенно влиять на научно-технический, экономический и оборонный потенциал Российской Федерации.
В частности, методы квантовых вычислений потенциально обеспечивают радикальное ускорение решения ряда практических задач при моделировании свойств веществ, разработке материалов с заданными свойствами, расчете кинетики химических реакций, разработке новых лекарственных препаратов, оптимизации машинного обучения, поиске в неструктурированных базах данных, криптографическом анализе.
Впервые российские ученые Российского квантового центра, Московского физико-технического института (МФТИ), Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Института физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) создали кубит — элементарный объект для хранения данных в квантовом компьютере, в мае 2015 г. Для этого они использовали два сверхпроводника, разделенные тонким слоем диэлектрика.
Установка для получения кубита в российском квантовом центре
В октябре 2017 г. сотрудники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова представили новую теоретическую модель и действующую установку, позволяющую создавать компактные оптические элементы для чипов квантового компьютера.
Одной из важных характеристик светового пучка является поляризация, то есть направление плоскости распространения световой волны. Сведения о поляризации световой волны могут быть использованы в качестве дополнительной информации о состоянии света наряду с другими физическими характеристиками. Возможность управлять поляризационным состоянием значительно расширяет возможности оптических устройств. В частности, оптические элементы, позволяющие контролировать поляризацию света, могут использоваться в чипах квантовых компьютеров. С их помощью увеличивается число способов, которыми можно изменить состояние света. Другими словами, размерность полного преобразования.
«Основная цель работы – развитие методов управления поляризационным состоянием света на чипе. Использование поляризационных преобразований квантовых состояний света вкупе с пространственными преобразованиями позволяет эффективно увеличить размерность полного преобразования без существенного увеличения числа оптических элементов», – рассказал один из авторов исследования Иван Дьяконов, научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ.
Для создания устройства ученые использовали лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы. Этот метод называется фемтосекундной печатью (ФСП) и является наиболее быстрым и дешевым способом создания подобных устройств. В частности, с помощью ФСП создают волноводы – специальные каналы, по которым распространяется свет. Однако в волноводах, созданных при помощи такой техники, физические свойства распределены однородно по всем направлениям (такое свойство называется низкой анизотропией). Этот недостаток не позволяет создавать устройства компактных размеров. Ученым физического факультета удалось преодолеть эту сложность.
Исследователи описали теоретическую модель компактного поляризационного устройства, а также создали действующую экспериментальную установку, позволяющую реализовывать этот метод. Все этапы работы — от теоретического описания до обработки результатов эксперимента — были осуществлены сотрудниками физического факультета.
Горизонт практического применения квантовых вычислений
IBM впервые сообщила о создании рабочего прототипа 50-кубитного квантового процессора в ноябре 2017 г. Предыдущим достижением компании было создание прототипа 17-кубитного квантового компьютера, представленного в мае 2017 г.
Прототип 50-кубитного процессора IBM
В декабре 2017 г. о создании модели квантовой системы из 53 кубитов сообщили ученые из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST) США. Симулятор UMD-NIST был создан путем развертывания 53 отдельных иттербиевых ионов, удерживаемых на месте позолоченными острыми электродами.
Ожидается, что получаемые с помощью квантовых вычислений данные будут значительно превосходить по точности приближенные вычисления, используемые сегодня.
Согласно существующим прогнозам, создание квантовых вычислительных систем, обеспечивающих решение практически значимых задач, ожидается в 2025-2030 гг.
www.cnews.ru
Физики из России и США создали первый 51-кубитный квантовый компьютер
10:0014.07.2017
(обновлено: 18:29 16.02.2018)
5882721525
МОСКВА, 14 июл — РИА Новости. Российские и американские ученые, работающие в Гарварде, создали и проверили первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51 кубита. Устройство пока является самой сложной вычислительной системой такого рода, заявил профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин.
Физик сообщил об этом, выступая с докладом на Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017, которая проводится под эгидой РКЦ в Москве. Это достижение позволило группе Лукина стать лидером в гонке по созданию полноценного квантового компьютера, которая неофициально проходит уже несколько лет между несколькими группами ведущих физиков мира.
Ученые впервые устроили "гонку" квантовых компьютеров Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.
Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности.
Физик рассказал, как ученые превращают алмазы в квантовые компьютеры В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считалась команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.
Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая, как рассказал Мартинис РИА Новости, сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические "холодные атомы".
Как обнаружили российские и американские ученые, набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных "клеток" и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать пока самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.
Используя набор подобных кубитов, команда Лукина уже решила несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи "классических" суперкомпьютеров. К примеру, российские и американские ученые смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.
Физики из Канады и России создают многомерный квантовый компьютер Для проверки результатов этих вычислений Лукину и его коллегам пришлось разработать специальный алгоритм, который позволил провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.
В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Лукин не исключает, что его команда попытается запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA. По словам Лукина, статья с первыми результатами работы квантового компьютера уже была принята к публикации в одном из рецензируемых научных журналов.
ria.ru
Клуб интеллектуалов Newsland – комментарии, дискуссии и обсуждения новости.
В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, — это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит — это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.
«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, — рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. — Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».
Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, — полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. — Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».
newsland.com
В России создадут 50-кубитный квантовый компьютер
Фондом перспективных исследований МГУ, ВЭБ и рядом других российских организаций сформирован консорциум, целью которого является разработка квантового компьютера, состоящего не менее чем из 50 кубитов, заявляет пресс-служба «ВЭБ Инноваций». В то время как западные ученые уже демонстрировали установки с более чем 50 кубитами, российские специалисты до сих пор создавали только единичные кубиты. Но скоро это изменится.
«Фонд перспективных исследований, Внешэкономбанк, МГУ имени М. В. Ломоносова, компания «ВЭБ Инновации» и АНО «Цифровая экономика» в ходе Российского инвестиционного форума подписали соглашение о реализации научно-технического проекта по созданию многокубитного квантового компьютера», — говорится в сообщении.
Есть несколько типов квантовых компьютеров. Универсальные квантовые системы способны выполнять любые квантовые алгоритмы. В квантовых симуляторах квантовые объекты имитируют поведение реальных систем. Однако сложность допустимых вычислений во всех случаях зависит от количества задействованных в этих системах кубитов (квантовых битов). В отличие от обычных битов, кубит может находиться в суперпозиции нескольких состояний, что позволяет на квантовом вычислительном уровне выполнять одновременно множество вычислительных задач. Некоторые эксперты считают, что системы с 50 задействованными кубитами уже могут справляться с задачами, перед которыми пасуют даже мощнейшие современные суперкомпьютеры.
И все же пока квантовые компьютеры обладают преимуществом над классическими только в ограниченном диапазоне применений. Например, при работе с квантовыми алгоритмами, способными во много раз ускорить разложение чисел на простые множители (алгоритм Шора), поиске корней булевых функций (алгоритм Гровера) и так далее. Помимо этого, квантовые компьютеры позволяют эффективно предсказывать поведение реальных квантовых систем, например, молекул или электронов в кристаллах.К настоящему моменту международными командами созданы квантовые симуляторы на основе 53 кубитов и 50-кубитные универсальные квантовые компьютеры. В обоих случаях важно то, на базе каких физических объектов построены кубиты. Два наиболее популярных направления — сверхпроводящие джозефсоновские контакты и холодные атомы и ионы. Например, рекордно сложный 53-кубитный вычислитель построен на основе ионов иттербия, а в универсальных компьютерах чаще используются сверхпроводящие системы.
Что же касается будущей российской разработки, то, как указывается в соглашении, подписанном в ходе Российского инвестиционного форума Фондом перспективных исследований, МГУ имени М. В. Ломоносова, Внешэкономбанком, «ВЭБ Инновации» и АНО «Цифровая экономика», создаваться она будет на базе фотонных чипов и нейтральных атомов. Систему планируют использовать для нужд производства новых материалов и фармпрепаратов. Когда конкретно специалисты приступят к созданию компьютера, а также кто будет финансировать эту разработку, в документе не указывается.
Высокие технологии
comments powered by HyperCommentswww.nasha-strana.info
Ученые начинают "физическую" часть создания квантового компьютера
03:0701.06.2018
(обновлено: 13:20 01.06.2018)
3713333
МОСКВА, 1 июн — РИА Новости. Квантовый консорциум приступает к реализации "физической" части проекта по созданию многокубитного квантового компьютера, сообщили РИА Новости в компании "ВЭБ Инновации".
Физики точно вычислили время распада "свободных" нейтроновКак сообщалось ранее, научно-технический совет Фонда перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект по созданию в России квантового компьютера в 2018-2021 годах. В рамках проекта в 2018-2021 годах планируется разработка демонстраторов 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем. "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".
Физики впервые использовали квантовое "облако" для просчета опытовКак 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
За гранью: физик рассказал, как обойти законы квантовой механикиСоглашение 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.
ria.ru
Российский квантовый компьютер
За последние сто лет нам стало намного труднее верить физикам. Классическая механика приучила человечество к тому, что любые события окружающего нас мира можно описать относительно простыми формулами и предсказать с абсолютной точностью. Квантовая механика спутала все карты, ученые все чаще признаются, что ничего не знают, а научная картина мира напоминает запутанную сказку без картинок, написанную на непонятном языке высшей математики.
И все же, как бы невероятно это ни звучало, квантовый мир настолько реален, что его можно буквально потрогать руками. Нам в этом помогли специалисты Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» Евгений Глушков и Кирилл Шульга, которые работают над элементной базой квантового компьютера. Лаборатория была основана известным российским физиком Алексеем Устиновым на средства мегагранта Правительства РФ, при поддержке Российского квантового центра. Проводимые в ней исследования позволят нам использовать явления недоступного и неосязаемого квантового мира на практике для решения вполне макроскопических задач.
Чтобы разобраться, чем именно занимаются молодые ученые в их лаборатории, необходимо вскользь коснуться теории. Слово «вскользь» здесь как нельзя кстати. Ричард Фейнман когда-то сказал: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы ее не понимаете», и с тех пор мало что изменилось. Квантовым явлениям невозможно подыскать образные аналогии из привычного нам макромира, поэтому их трудно себе представить и осознать.
Квантовые свойства характерны для микроскопических объектов. Классический пример — элементарные частицы (электрон, фотон). Важнейшая для нас характеристика квантовых объектов — это способность находиться в суперпозиции. Если в привычном нам макромире вещь или есть, или ее нет, то квантовый объект может одновременно существовать во всех возможных состояниях и находиться во всех возможных местах.
Одна из самых наглядных интерпретаций суперпозиции — электронные облака из школьного курса химии. Эрвин Шредингер, один из основоположников квантовой механики, говорил об электроне, «размазанном» по пространству. Тем не менее можно говорить о вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства.
Бит классического компьютера может находиться лишь в двух состояниях: 0 и 1. Состояния квантового бита (кубита) — это все точки между 0 и 1, причем в суперпозиции (то есть одновременно во всех этих состояниях). На этом основан принцип квантового параллелизма — один из двух столпов квантовых вычислений. Если мы хотим, чтобы классический компьютер выполнил несколько операций за один такт, нам приходится использовать несколько ядер (читай — несколько компьютеров). Квантовый компьютер может обработать множество значений за один такт, так как параллельные вычисления заложены в самой природе квантового мира.
Однако при вычислениях мы общаемся с кубитом на обычном двоичном языке, задавая ему начальное состояние в виде одного из двух энергетических уровней. Преимущества начинают проявляться при взаимодействии двух и более кубитов. В игру вступает второй «столп», квантовая запутанность — явление, при котором квантовые состояния двух или более объектов оказываются взаимосвязаны.
Задав начальные состояния для нескольких кубитов и заставив их взаимодействовать, мы получаем смешанное состояние кубитов, и наше преимущество перед классическим компьютером начинает расти экспоненциально. К примеру, если регистр из двух классических битов за один такт побывает лишь в одном состоянии, то регистр из двух кубитов — в четырех. Из трех — в восьми, из четырех — в 16. 64-битный регистр даст 264 состояния за один такт.
Работа квантового алгоритма выглядит примерно так: мы задаем двоичные начальные состояния для группы кубитов, заставляем их взаимодействовать между собой в определенных комбинациях, производим над ними логические операции (вполне классические), а по окончании действия алгоритма считываем с них двоичные значения. Что происходит при взаимодействии кубитов друг с другом — вопрос, едва ли постижимый для нашего макроскопического мозга. Но именно этот этап дает квантовому компьютеру экспоненциальное преимущество в скорости.
Важно отметить, что, согласно постулатам квантовой механики, мы не можем измерить состояние квантового объекта, не разрушив это состояние. В момент измерения все взаимодействия теряют смысл (говорят о коллапсе волновой функции), а результат носит вероятностный характер. Поэтому квантовые вычисления по природе своей вероятностны. Тем не менее точность можно повысить до приемлемых значений, совершенствуя алгоритмы и увеличивая количество измерений.
Как пощупать квант
Невозможно не задаться вопросом, как же построить компьютер из квантовых объектов? Существует несколько способов наладить общение с квантовым миром, и один из них основан на эффекте сверхпроводимости.
Собственно кубит представляет собой кольцо из алюминия, который при температурах ниже 1,18 К начинает сверхпроводить. Само колечко размером 5−10 микрон вполне макроскопично: его можно рассмотреть в мощный оптический микроскоп. Однако при сверхпроводимости в нем образуются так называемые куперовские пары (два электрона, связанные фононным взаимодействием). Именно они и являются квантовыми объектами. Важнейшее свойство куперовских пар заключается в способности действовать совокупно, образовывая бозе-конденсат — особое агрегатное состояние вещества, в котором квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне.
Присмотревшись к изображению, полученному с помощью микроскопа, можно заметить, что в трех местах кольцо разрывается. Это джозефсоновские переходы. За открытие эффекта протекания сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника, Брайан Дэвид Джозефсон получил нобелевскую премию, и совершенно заслуженно. Именно на особенностях джозефсоновских переходов строится управление кубитом и считывание его состояния.
При протекании тока контакт начинает излучать электромагнитные волны. Возможен и обратный процесс — прием электромагнитных волн и соответствующее изменение энергетического уровня кубита. Мало того, достаточно длинный переход придает процессу некоторую дискретность: для того, чтобы изменить состояние кубита, необходимо послать строго определенное количество квантов магнитного поля. Таким образом, кубит реагирует строго на управляющие импульсы, а не на любое мало-мальское изменение электромагнитного поля.
Тем не менее кубит — это очень чувствительный объект, который необходимо защищать даже от самых слабых помех. Сам кубит располагается на подложке в окружении множества сверхпроводящих колечек. Это ловушки для вихрей Абрикосова — блуждающих квантов магнитного поля, возникающих в сверхпроводниках.
Подложка, содержащая кубит и ловушки, хорошо видна невооруженным глазом. На чипе располагается семь таких конструкций. Прямые линии, идущие к каждой из них, — это резонаторы. Они также сделаны из сверхпроводника и работают по принципу камертона — каждому резонатору свойственна своя частота.
Резонатор подходит вплотную к кубиту, но не касается его. Каждому состоянию кубита соответствует определенная частота магнитного поля, излучаемого джозефсоновскими переходами. Как только частота кубита приближается вплотную к частоте резонатора, между ними возникает связь. Резонатор захватывает часть энергии, и его частота слегка изменяется.
Этого вполне достаточно, чтобы зафиксировать искомое состояние кубита на спектроскопии.
Семь кубитов, расположенных на чипе, пока что никак не связаны между собой и, соответственно, не являются квантовым компьютером. Зато они позволяют проводить семь экспериментов одновременно. Каждый резонатор настроен на свою частоту и сообщает спектрографу информацию о своем кубите.
Космический холод
Сердце исследовательской установки, на которой проводятся эксперименты с кубитами, — криостат, способный создавать чудовищно низкие температуры в десятки милликельвинов. Столь низкие температуры необходимы не столько для создания сверхпроводимости (некоторые материалы демонстрируют нулевое электрическое сопротивление при температуре жидкого азота 77 К), сколько для оберегания кубита от температурных шумов. Ведь тепло — это не что иное, как энергия материалов, находящихся рядом. Этой энергии вполне достаточно, чтобы повлиять на состояние квантового объекта.
Для создания сверхнизких температур используется криостат последнего поколения на импульсных трубках. Искомое состояние достигается в несколько этапов. Сначала температура внутри прибора опускается до 4 К — температуры сжижения гелия. В резервуарах криостата находится смесь двух изотопов гелия — гелия-4 и гелия-3. Смесь начинает циркулировать в змеевике. В результате процеживания через узкий канал и последующего расширения ее температура падает ниже 2 К.
Смесь попадает в камеру растворения. Гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние, а гелий-3, оставаясь жидким, образует пленку на его поверхности. С одной стороны, гелий-3 начинает откачиваться с поверхности, а с другой — растворяться в гелии-4. Этот процесс эквивалентен интенсивному тепловому расширению, благодаря чему температура падает до сотых долей кельвина. Именно с камерой растворения соединяется кубит.
Цель работы Кирилла Шульги и Евгения Глушкова — со-здать совершенную технологическую среду для квантовых исследований. Явление квантовой сверхпроводимости позволило располагать кубиты на обычных чипах и управлять ими электрическим способом, в то время как другие методы физической реализации квантовых компьютеров требуют управления с помощью лазеров и даже отдельных фотонов. Квантовые исследования никогда не были так доступны, как сейчас.
Ученые борются за время жизни кубита, точнее его состояния. Если первые кубиты жили считаные наносекунды, то сегодня их состояние может оставаться стабильным в течение десятков микросекунд. Живучесть кубитов имеет критическое значение для квантовых вычислений — ведь и на придание им начальных состояний, и для работы алгоритмов, и для считывания показаний необходимо время. Большая стабильность позволит объединять больше кубитов и применять более сложные алгоритмы. А зависит время жизни, прежде всего, от степени защищенности кубита от внешних шумов.
Ближайшие эксперименты Евгения и Кирилла связаны с разработкой новых чипов, на которых кубиты смогут взаимодействовать между собой. Трудно представить, но именно физическое расположение кубитов на чипе может определить эффективность и гибкость их взаимодействия. Так что в захватывающей гонке за квантовым компьютером теперь можно делать ставки и на российскую команду.
Специальный инструмент
Бытует мнение, что квантовые вычислительные машины могут стать следующим поколением компьютеров с несравнимо большей производительностью и занять место в наших домах и офисах. Это не совсем так. Область применения квантовых компьютеров ограничена рядом специфических задач. Их стихия — задачи, связанные с перебором вариантов, и моделирование многовариантных систем. На сегодняшний день единственный квантовый алгоритм, воплощенный в реальном эксперименте, — это алгоритм факторизации (разложения на простые множители) Шора.
Между прочим, для классического компьютера эта задача невыполнима за разумное время (сопоставимое с человеческой жизнью), и на этом строится большая часть современной криптографической защиты (электронные подписи, сертификаты подлинности сайтов, расчеты по кредитным картам). Если квантовый компьютер будет построен, все эти технологии отправятся на пенсию.
А был ли компьютер?
С 2011 года американская компания D-Wave продает квантовые компьютеры со 128-кубитным чипсетом. Однако в научном сообществе машину воспринимают скептически: компания не может доказать или не утруждает себя доказательством, что аппарат в действительности является квантовым компьютером. В частности, нет данных о том, что все 128 кубитов вовлечены в эффект квантовой запутанности. По некоторым сведениям, компьютер представляет собой объединение 8-кубитных чипов.
Кроме того, D-Wave — это, по сути, адиабатический квантовый компьютер, в котором не происходит перехода кубитов с одного энергетического уровня на другой. Вместо этого используются небольшие колебания нижнего состояния, в котором кубит более стабилен и в меньшей степени подвержен шумам. Адиабатический компьютер не позволяет реализовать основные квантовые алгоритмы, а использует лишь особые узкоспециализированные механизмы вычислений.
nauka-novosti.ru
Зачем мы делаем квантовый компьютер? Потому что классический себя исчерпал!
Человечество приближается к очередному технологическому рубежу, который изменит мир столь же кардинально, как приручение огня, изобретение колеса или открытие электричества. Последний раз подобный рубикон был пройден на глазах нашего поколения и был связан с появлением компьютеров. Сейчас, как утверждают ученые, мы находимся на расстоянии нескольких лет от очередной революции - появления квантового компьютера. И это не просто красивые слова: Евросоюз объявил о том, что инвестирует в программу "Квантовый флагман" 1 миллиард евро. Для сравнения это четвертая часть стоимости Большого адронного коллайдера - крупнейшей научной установки, которая когда-либо создавалась в истории цивилизации.
От того войдет ли Россия в число стран-победительниц квантовой гонки или проморгает очередной технологический скачок, во многом зависит наше место в новом мире. Оказаться на обочине было бы особенно обидно, потому что грубо говоря, две трети ведущих профессоров квантовой физики в мире имеют русские фамилии, хотя зачастую и работают в разных университетах планеты. Чтобы использовать этот наш потенциал, Российский квантовый центр собрал лучшие умы на конференции в Лондоне.
О том, зачем нужны народу квантовые технологии я поговорил с генеральным директором Российского квантового центра, кандидатом физико-математических наук Русланом Юнусовым.
- Руслан, для начала ответьте на наивный вопрос: а зачем вообще нужны квантовые компьютеры? Чем вас нынешние не устраивают? Ведь согласно закону Мура и так каждые два года мощности электронных устройств удваиваются, так почему бы новые задачи не решить, наращивая вычислительные способности классических ЭВМ?
- В самом начале закон Мура формулировался по другому: количество транзисторов удваивается каждые 1,5 года. Но сейчас прогресс замедляется и удвоение происходит уже каждые 2 года. А теперь давайте посмотрим на другие параметры, например, на тактовую частоту, которая определяет скорость работы компьютера. Здесь мы достигли потолка уже 10 лет назад. Если вспомнить, 30 лет назад у хороших устройств частота была 1 мегаГерц, спустя 20 лет мы достигли показателя 1 гигаГерц, то есть процессор стал работать быстрее в 1000 раз. А потом достигли 3 гигаГерц и наступила стагнация. Потому что мы добрались до физических пределов. Даже чисто теоретически тактовую частоту мы не можем увеличить выше 10 гигаГерц. Вот вам пример, когда технология упирается в какие-то физические пределы. Если посмотреть дальше, то буквально лет через пять мы упремся в другой барьер. Вы говорили, что согласно новой редакции закона Мура количество транзисторов в микросхемах должно удваиваться. И скоро мы подойдем к тому, что отдельный транзистор должен состоять из атомов. А это уже невозможно.
- Что же делать?
- Одно из решений это как раз квантовые компьютеры. Они позволят быстро решать некоторые задачи, которые вообще недоступны классическому компьютеру. Самое простое применение это взламывать коды, расшифровывать секретные сообщения. То, на что классическому компьютеру понадобится миллиарды лет, квантовый компьютер мощностью в 1000 кубит (кубит это элемент информации в квантовом компьютере, как бит в классической ЭВМ - авт.) сделает за минуты. Другое применение квантового компьютера это поиск данных в больших базах. Сейчас огромное количества данных просто сохраняются без обработки, в надежде, что когда-нибудь появятся большие вычислительные мощности, которые смогут эти данные проанализировать. Вот квантовые компьютеры смогут это сделать.
- Каковы шансы, что первый квантовый компьютер будет российским?
- Минимальны, потому что квантовый компьютер не появится за 1 день. Это же последовательность шагов: сначала надо сделать один кубит, потом 2, 10, 30... Уже при 300 кубитах можно решать круг задач, которые не под силу суперкомпьютерам. Сейчас мы ждем, что в ближайшие 3 года появятся универсальные компьютеры с 50 кубитами. Скорее всего, это произойдет в США или в Европе при участии американских компаний. Для сравнения в России запущен проект по созданию компьютера с 2 кубитами. То есть мы отстаем от ведущих игроков, но все-таки входим в круг стран, которые развивают эти технологии. Пока у нас уровень инвестиций несоизмерим. Одна только компания Google вкладывает в квантовые разработки 100 миллионов долларов, а у нас консорциум, который занимается двумя кубитами в сумме имеет гораздо меньше. Но тут как в марафоне: важно не только победить, но просто добежать. Потому что если ты финишировал хотя бы во второй волне, то получишь долю рынка. Сегодня адекватная задача для России – быть в группе лидеров.
- Можете оценить размер рынка? Насколько велик джек-пот, за который борются участники квантовой гонки?
- Называть цифры совершенно неблагодарное дело, но мы как-то оценивали, что рынок полупроводников и лазеров это порядка 3 триллионов долларов в год. Есть ожидания, что новый рынок будет не меньше. Когда квантовые технологии действительно войдут в каждый дом рынок будет совершенно гигантский.
- А что они могут принести в каждый дом? Какой прок обычному человеку от того, что квантовый компьютер решает мудреные научные задачки?
- Например, обычному человеку понравятся банковские карты, с которых невозможно украсть деньги. Эту абсолютную защиту дает квантовая криптография. Кстати такие защищенные коммуникации уже сейчас можно купить на Западе, а мы планируем иметь эти устройства к концу года. Квантовые компьютеры и квантовые симуляторы могут позволить найти материалы с новыми свойствами. Сегодня автомобиль весит 2 тонны, а будет весить... 20 килограмм. Его можно будет поднять рукой и поставить куда-нибудь на полку. С точки зрения физики никаких запретов здесь нет, но обычные компьютерные технологии не позволяют нам находить такие решения. А квантовый компьютер способен смоделировать материал с такими свойствами. Или сверхпроводимость при комнатной температуре. Над этой проблемой уже много десятков лет бьются, а решить не могут. А это вообще полностью перевернет нашу жизнь: мы забудем, что такое потери электроэнергии. Мы сможем создавать мощные магнитные поля, которые будут удерживать на весу «летающие» автомобили и поезда на магнитной подушке. Они будут перемещаться со скоростью самолета и стоить очень дешево.
- Вы говорите о сотрудничестве с западными партнерами. А что мы можем им предложить? Денег у нас не много. Есть сильные ученые, но многие из них сегодня работают в западных университетах...
- У нас, как ни странно, достаточно много ученых, которые успешно себя реализовали на Западе, но вернулись и запустили лаборатории в России. Такие проекты для нас поддерживать очень полезно. Тем самым создаются школы с мировым опытом внутри нашей страны.
www.kp.ru
