Ученые создали принципиально новый кубит для квантового компьютера. Новости квантовый компьютер


Ученые создали принципиально новый кубит для квантового компьютера

18:2809.04.2018

(обновлено: 16:11 25.07.2018)

5924401

МОСКВА, 9 апр – РИА Новости. Ученые из НИТУ "МИСиС" и Российского квантового центра в сотрудничестве с исследователями МФТИ и Сколтеха, а также Университета Лондона и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания), Университета Карлсруэ и Института фотонных технологий (Германия) создали принципиально новый кубит, основанный не на джозефсоновском переходе, представляющем собой разрыв в сверхпроводнике, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке. Работа исследователей опубликована в Nature Physics.

Руководитель лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС профессор Алексей Устинов с коллегамиФизик: универсальный квантовый компьютер могут создать через 10 летНесмотря на то, что универсальный квантовый компьютер ещё не создан, принцип вычислений, заложенный в его основу, уже сейчас позволяет решать сверхсложные задачи. Например, в некоторых лабораториях при помощи кубитов моделируют химические соединения и материалы, воссоздают механизм процессов фотосинтеза. Поэтому так важно как можно скорее усовершенствовать основные элементы квантового компьютера, в частности, – главную вычислительную ячейку – кубит.  

Существует несколько подходов к созданию кубитов. Например, созданы кубиты, работающие в оптическом диапазоне. Однако их сложно масштабировать, в отличие от кубитов на сверхпроводниках, работающих в радиодиапазоне и основанных на так называемых джозефсоновских переходах. Каждый такой переход представляет собой разрыв сверхпроводника, а, точнее, слой диэлектрика, через который туннелируют электроны. 

Так художник представил себе сверхстабильный кубит при комнатной температуреФизики создали квантовый компьютер, разлагающий числа на множителиНовый кубит основан на эффекте квантового проскальзывания фазы – контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (порядка 4 нм толщиной) нанопроволоке, которая в обычном состоянии имеет довольно большое сопротивление. Впервые этот предсказанный в теории эффект наблюдал в эксперименте руководитель данной работы Олег Астафьев, сейчас он заведует лабораторией "Искусственных квантовых систем" МФТИ, является профессором Университета Лондона и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне. Его пионерская работа была опубликована в журнале Nature в 2012 году.

Как рассказал один из соавторов новой работы Алексей Устинов, руководящий группой Российского квантового центра и заведующий лабораторией "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС", а также являющийся в Германии профессором Института технологий Карлсруэ, – сейчас удалось создать новый тип сверхпроводящих устройств, во многом аналогичных СКВИДу (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — "сверхпроводящий квантовый интерферометр").

Алексей УстиновФизик: первые квантовые процессоры будут основаны на сверхпроводникахПо сути, СКВИД – это сверхчувствительный магнитометр, используемый для измерения слабых магнитных полей и основанный на джозефсоновских переходах. Только вместо магнитного поля интерференция в новом устройстве вызывается электрическим полем, меняющем электрический заряд на островке между двумя нанопроволоками. Эти проволочки играют в устройстве роль джозефсоновских переходов, при этом они не требуют создания разрывов и могут быть изготовлены из одного слоя сверхпроводника. 

Как отметил Алексей Устинов, в данной работе удалось показать, что данная система может работать как зарядовый интерферометр. "Если проволочку разбить на два участка, – говорит ученый, – сделать в центре утолщение, то меняя затвором заряд на этом утолщении можно, фактически, делать периодическую модуляцию процесса квантового туннелирования магнитных квантов через проволоку, что и наблюдается в этой работе". Это ключевой момент, доказывающий, что получен управляемый и когерентный эффект, и что его можно применять для создания кубитов нового поколения.

Лист липы в солнечном светеФизики применили квантовую симуляцию для расшифровки механизмов фотосинтезаСКВИД-технологии уже нашли свое применение в ряде медицинских сканирующих аппаратов, таких как магнитокардиографы и магнитоэнцефалографы, в приборах, улавливающих ядерный магнитный резонанс, а также в геофизических и палеогеологических методах разведки горных пород. 

По словам профессора Устинова, перед учеными стоит ещё много фундаментальных задач, связанных с изучением работы нового кубита. Однако уже сейчас понятно, что речь идет о кубитах, обладающих не меньшей, а может и большей функциональностью. Важно также и то, что новые кубиты более просты в изготовлении. На этом принципе может быть построен весь набор элементов сверхпроводящей электроники. 

ria.ru

Квантовый компьютер не зависит от стрелы времени

CC0 Creative Commons

Если вы посмотрите фильм от конца до начала, то вы, вероятно, запутаетесь, но квантовый компьютер этого не сделает. К такому выводу пришли исследователь Миле Гу из центра квантовых технологий (Cqt) Национального университета Сингапура и Наньянского технологического университета, а также другие ученые.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, международная команда ученых показывает, что квантовый компьютер в меньшей степени зависит от «стрелы времени», чем классический компьютер. В некоторых случаях, кажется, что квантовому компьютеру как будто вообще не нужно различать причины и следствия.

Новая работа вдохновлена ​открытием, сделанным почти 10 лет назад учеными Джеймсом Крачфилдом и Джоном Махони в Университете Калифорнии. Они показали, что многие статистические последовательности данных будут иметь встроенную стрелу времени.

Наблюдатель, который видит данные, воспроизводимые от начала до конца, как и кадры фильма, может моделировать то, что будет дальше, используя лишь скромный объем информации о том, что произошло раньше. Наблюдатель, который пытается смоделировать систему в обратном направлении, получает гораздо более сложную задачу — потенциально необходимо отслеживать на порядок больше информации.

Это открытие стало известно как причинная асимметрия. Она кажется интуитивно понятным — ведь моделирование системы, когда время идет назад, похоже на попытку вывести причину из следствия. Мы привыкли находить это более сложным, чем прогнозирование эффекта от причины. В повседневной жизни понимание того, что будет дальше, легче, если вы знаете, что только что произошло, и что произошло до этого.

Однако исследователи всегда были заинтригованы тем, чтобы обнаружить асимметрии, связанные с упорядочением времени. Это связано с тем, что фундаментальные законы физики неоднозначны относительно того, движется ли время вперед или наоборот, назад. «Когда физика не навязывает никакого направления во времени, откуда возникает каузальная асимметрия — дополнительные расходы памяти, необходимые для устранения причины и следствия?» спрашивает Гу.

Первые исследования причинно-следственной асимметрии использовали модели с классической физикой для генерации предсказаний. Крачфилд и Махони объединились с Гу и его коллегами чтобы выяснить, изменила ли квантовая механика ситуацию.

И они обнаружили, что это произошло. Модели, использующие квантовую физику, как доказывает команда, могут полностью уменьшить нагрузку на память. Квантовая модель, вынужденная эмулировать процесс в обратном времени, всегда будет превосходить классическую модель, эмулирующую процесс в будущем.

Эта работа имеет ряд глубоких последствий. «Самое захватывающее для нас — это возможная связь со стрелой времени», — говорят ученые. «Если причинная асимметрия встречается только в классических моделях, то это предполагает, что наше восприятие причины и следствия, и, следовательно, время, может возникнуть из применения классического объяснения событий в фундаментально квантовом мире».

Далее ученые хотят понять, как это связано с другими идеями времени.

Наиболее знаковой является термодинамическая стрела. Это происходит от идеи, что беспорядок, или энтропия, всегда будет увеличиваться — немного здесь и там, во всем, что происходит, пока Вселенная не закончится как один большой, горячий беспорядок. Хотя причинная асимметрия не совпадает с термодинамической стрелой, они могут быть взаимосвязаны. Классические модели, которые отслеживают больше информации, также генерируют больше беспорядка. Все намекает на то, что причинная асимметрия может иметь энтропийные последствия.

Больше информации: Jayne Thompson et al, Causal Asymmetry in a Quantum World, Physical Review X (2018). DOI: 10.1103/PhysRevX.8.031013 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

ab-news.ru

Физики создали первый программируемый квантовый компьютер

МОСКВА, 3 авг – РИА Новости. Международный коллектив ученых заявил о создании первого перепрограммируемого квантового вычислительного устройства, работу которого можно менять, не внося изменений в его физическую архитектуру, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Для того, чтобы компьютер мог быть в принципе полезным для нас, его пользователь не обязан знать то, что происходит внутри него. Мало кто из владельцев "айфонов" интересуется тем, что происходит внутри их телефона на физическом уровне. Наш эксперимент позволил высококачественным квантовым битам выйти на высокофункциональный уровень работы благодаря возможности их перенастройки на программном уровне", — заявил Кристофер Монро (Christopher Monroe) из университета штата Мэриленд (США).

Квантовый компьютер Монро и его коллег представляет собой набор из пяти связанных друг с другом кубитов на базе ионов иттербия, одного из самых популярных и хорошо изученных материалов для изготовления ячеек памяти и простейших вычислительных модулей подобных устройств.

Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря квантово-механическим эффектам и законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать те математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со временем жизни Вселенной.

Александр Ульянов и Александр Львовский проводят эксперимент в РКЦФизик: телепортация не остановит гонку между хакерами и шифровальщиками

Физики и инженеры достаточно давно научились создавать относительно стабильные кубиты, способные хранить в себе данные доли секунды или даже десятки секунд, однако объединение более двух кубитов в единое и взаимосвязанное целое оказалось более сложной задачей, чем это представляли ученые.

Монро и его коллеги решили эту проблему, объединив кубиты в своеобразную "пентаграмму" при помощи лазеров и магнитных полей. Управляя вспышками лазера и состоянием полей при помощи программы на обычном компьютере, ученые могут создавать новые связи между кубитами, "запутывая" их  на квантовом уровне, и менять уже существующие, разрушая имеющиеся связи.

Это позволяет реализовать любой алгоритм, для работы которого достаточно пять кубитов. Для решения подобной задачи команда Монро создала специальный компилятор, который "переводит" математический алгоритм в инструкции, понятные системе, управляющие работой квантового компьютера. В качестве демонстрации авторы статьи запустили на своем компьютере алгоритмы Дойча-Йожи, Бернштейна-Вазирани, а также создали алгоритм квантовых преобразований Фурье.

Так художник представил себе сверхстабильный кубит при комнатной температуреФизики создали квантовый компьютер, разлагающий числа на множители

По словам ученых, их разработка отличается крайне высокой надежностью – кубиты выдают правильный результат в 98% случаев и ошибаются лишь в 2% случаев. Это в принципе позволяет использовать подобные вычислительные устройства для решения практически значимых задач.

Конечно, пять кубитов хватает лишь для решения самых простых и тривиальных задач, однако, как комментирует открытие физик Стивен Бартлетт (Steven Bartlett) из университета Сиднея (Австралия), разрабатывающий полупроводниковые кубиты, это всего лишь первый прототип почти универсального квантового компьютера. Он поможет ученым понять, с какой скоростью смогут работать эти устройства, какие проблемы их ждут и решить массу других практических проблем, связанных с архитектурой таких вычислительных устройств.

Первый репрограммируемый квантовый компьютер

ria.ru

Учёные из России и США создали первый 51-кубитный квантовый компьютер

  1. Hi-News.ru
  2. Темы
  3. Компьютеры
  4. Учёные из России и США создали первый 51-кубитный квантовый компьютер

Физики из России и США совместно разработали и протестировали самый мощный в мире квантовый компьютер, основой которого является 51-кубитный чип. Группа, руководителем которой является один из основателей Российского квантового центра Михаил Лукин, работающий в Гарварде, обошла команду Google, которая всё ещё работает над созданием 49-кубитного чипа.

В ходе тестирования нового квантового компьютера учёные смогли решить целый ряд задач, требующих довольно больших затрат ресурсов даже от суперкомпьютеров. Например, российские и американские ученые смогли просчитать поведение большого облака частиц, связанных между собой, и обнаружили неизвестные ранее эффекты, которые возникают внутри него.

РИА «Новости» сообщает, что сейчас учёные намерены продолжить работу с квантовым компьютером. Так, Лукин планирует попытаться запустить на нём квантовый алгоритм Шора, с помощью которого можно взломать большинство систем шифрования на базе алгоритма RSA.

Учёные из России и США создали первый 51-кубитный квантовый компьютер Вячеслав Ларионов
ПриложениеHi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

Высший разум рекомендует:

hi-news.ru

Квантовый компьютер - новости и перспективы

По мнению американского физика Джона Арчибальда Уилера (John Archibald Wheeler, 1911- 2008), около 30% валового продукта США основана на успехах в области квантовой механики. На достижениях этой науки построена современная электроника, лазерные и нанотехнологии, атомная промышленность и качественно новые химические материалы. Несмотря на впечатляющие достижения этой отрасли, моделирование сложноорганизованных квантовых систем всё ещё является тайной за семью печатями.

Практикой доказано, что развитие ИТ растёт по экспоненте. Информационные технологии развиваются по закону Мура, который был открыт ещё в 1965 году сотрудником Intel Гордоном Муром (Gordon Earle Moore). Согласно закону, количество транзисторов в микросхеме удваивается каждые два года. Закон будет иметь силу и после 2020 года, когда на смену сегодняшним придут молекулярные, оптические и квантовые компьютеры.

Что такое квантовый компьютер?

Задачи квантовой физики очень сложные. Их невозможно смоделировать, применяя современные компьютеры. Для того, чтобы провести полномасштабное моделирование атома железа, нужно описать движение всех 26 электронов по трём осям: X, Y и Z. После несложных подсчетов, для моделирования необходимо рассчитать 1078 узлов. Но рассчитать движение даже не самого сложного атома нереально, так как ресурс для его расчёта сопоставим с ресурсом, необходимым для подсчета всех нейтронов и протонов во вселенной (уравнение Шрёдингера).

В качестве краеугольного камня для квантового компьютера принято считать двухуровневую квантовую систему — квантовый бит (кубит). Это могут быть электроны, фотоны, атомы, ионы и ряд других физических систем.Квантовая система взаимодействует с окружающей средой неконтролируемо. Это явление получило название декогерентизации. Для оценки качества и эффективности квантовых технологий используют квантовую томографию. Самым слабым местом в развитии квантовых технологий является отсутствие методов контроля квантовых процессов и состояний. Подобная методология является интерфейсом между разработкой элементов квантовых компьютеров и практическим воплощением. Для создания элементной базы будущих квантовых компьютеров сейчас исследуются изоляторы топографические. Установлено, что в этих материалах существуют так называемые квазичастицы или майорановские фермионы, которые в природе не существуют.

Перспективы квантовых компьютеров

На сегодняшний день квантовый компьютер топологически является наиболее перспективным. Эти компьютеры смогут моделировать очень сложные процессы. Не исключено, что через несколько десятков лет создание квантовых компьютеров будут сравнивать с изобретением колеса.

Главный научный сотрудник ФИАН Александр Виноградов высказался в том плане, что квантовые компьютеры обеспечат прорыв в производительности вычислений. Однако новые компьютеры пока не появились, хоть идее уже 30 лет.

it-lenta.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