Квантовый бит или кубит. Что такое кубиты для квантовых компьютеров
Биты квантового мира
Конечная цель этого соревнования заманчива и амбициозна: квантовые алгоритмы сулят существенный выигрыш в скорости решения нескольких весьма ограниченных, но очень важных и насущных задач — от информационной безопасности до моделирования новых материалов и лекарственных соединений. Интерес к области подогревают и все увеличивающиеся объемы инвестиций, причем как на государственном уровне (США, Китай, Россия, Австралия, Великобритания), так и со стороны частных компаний (IBM, Intel, Microsoft). Количество действующих лиц, лабораторий, исследовательских институтов и стартапов начинает зашкаливать, сориентироваться в потоке ежедневно поступающих новостей становится все труднее. Давайте разбираться.
Для начала попробуем наглядно объяснить смысл этих самых так часто встречаемых слов (если он вам и так прекрасно известен, смело прыгайте на три абзаца вперед). Итак, квантовый бит, или, как его часто сокращенно называют, кубит, — это аналог классического бита в квантовом мире. Квантовым миром мы будем называть любые объекты и явления, происходящие на масштабах, где законы классической физики перестают работать и к ним на смену приходят законы квантовой физики. Обычно требуется только для очень-очень маленьких объектов — элементарных частиц, атомов, молекул. На больших масштабах квантовые эффекты размазываются и плавно переходят в законы привычной нам ньютоновской физики (хотя и здесь есть, конечно, исключения, а сама граница такого перехода активно исследуются на переднем крае науки).
С классическом битом мы все знакомы довольно неплохо как минимум на практике — это нули и единички, которыми оперируют наши компьютеры; орел и решка, выпадающие при подбрасывании монетки; выключатели света, которые так сложно бывает найти в темноте. Всех их объединяет возможность находиться в одном из двух состояний, и определить его не составляет особого труда. Берем и проверяем: горит лампочка или нет? Квантовый же бит — объект гораздо более необычный.
С базовыми состояниями у него все в порядке: там их также два и обозначать их можно тоже как «0» и «1». Но, будучи квантовым объектом, кубит находится в любой их (или всех сразу) комбинации — суперпозиции — до тех пор, пока мы не захотим его измерить. Тогда он неизбежно должен принять одно из базовых состояний, причем с определенной вероятностью, описываемой коэффициентами суперпозиции. Суперпозиция — понятие квантового мира и на привычный нам язык переносится с большой натяжкой. Но мы все же попытаемся.
Иллюстрация: Снежанна Мажекенова / chrdk.
Представьте надутый шар, имеющий подобно нашему земному шару два полюса — северный и южный. Полюсы — это базовые состояния кубита, а каждая точка на поверхности шара — одно из бесчисленного множества суперпозиций этих базовых состояний (похожая модель в физике называется сферой Блоха). Положим, вы хотите узнать, в какой именно суперпозиции находится кубит. Для этого вы просите друга взять указательным и большим пальцами правой руки северный полюс, а левой руки — южный. Сами вы берете в руки иголку и быстрым движением проделываете в шарике дырку. Тот лопается и обвисает в руке вашего товарища безжизненной резиновой тряпочкой. Ее-то мы и наблюдаем: если остатки шарика висят в правой руке вашего друга, то измеренное значение кубита — «0», а если в левой — «1».
Увы, одного такого измерения для определения коэффициентов суперпозиции недостаточно — для этого нужно набрать статистику, то есть провести достаточно большое количество одинаковых измерений. В каких-то измерения шарик будет схлопываться к южному полюсу, в каких-то — к северному. Отношение количества таких случаев к общему числу измерений дает нам вероятность получения при каждом измерении «0» или «1». Эти вероятности в сумме дают единицу (либо «0», либо «1» мы явно измерим) и являются квадратами тех самых коэффициентов суперпозиции, о которых мы говорили выше.
Еще одна особенность кубитов (как и любых квантовых объектов) — запутанность (entanglement), то есть возможность образовывать связанные состояния, в которых измеренное состояние одного кубита автоматически определяет состояние другого. При этом в таких связанных состояниях может участвовать любое количество кубитов, и с каждым новым кубитом количество базисных состояний системы увеличивается в два раза. Что уж говорить про суперпозицию, образованную этими базисными состояниями! С каждым новым кубитом она обрастает двумя новыми измерениями, и, уже начиная с двух кубитов, изобразить ее наглядно нет никакой возможности (а вы попробуйте представить себе четырехмерную сферу!). Хорошая новость в том, что зачастую можно разложить состояние многокубитной системы на сумму состояний отдельных кубитов, и тогда его можно наглядно представить в виде набора сфер. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций.
В теории все звучит довольно красиво. Всю эту красоту описал еще в 1982-м знаменитый Ричард Фейнман, но где в реальности взять кубиты? В общем-то, для этих целей подойдет любая квантовая система с двумя базисными состояниями (их может быть и больше, мы всегда можем ограничиться использованием только двух).
Первыми кандидатами на роль реального кубита, с легкой руки все того же Фейнмана, стали кванты света — фотоны, базисными состояниями которых является их поляризация — направление колебаний распространяющегося в пространстве электромагнитного поля. Подходящая для кубитов поляризация может быть вертикальной или горизонтальной (поле колеблется вверх-вниз или влево-вправо), либо круговой (по часовой стрелке или против).
Реализовать кубиты на фотонах ученые смогли, однако не сразу, поэтому первыми экспериментально измеренными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные электромагнитные ловушки ионы бериллия (в качестве состояний такого кубита выступали колебания отдельного иона в потенциальной яме ловушки).
Захваченные в электромагнитные или оптические ловушки ионы и атомы получили активное развитие в течение следующих двух десятилетий и к настоящему моменту являются одними из главных платформ для квантовых вычислений. На них были успешно запущены многие квантовые алгоритмы, а количество кубитов в таких процессорах и симуляторах составляет несколько десятков. Эту платформу развивают немало лабораторий по всему миру, а сделать из нее коммерчески доступный квантовый компьютер намерены несколько международных стартапов (IonQ, Q-Ctrl). Более того, в нескольких работах были предложены различные масштабируемые архитектуры для создания квантовых процессоров с сотнями захваченных ионов. Однако работать с такими системами можно только в установках с ультравысоким вакуумом, предварительно охладив частицы до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля с помощью лазерного охлаждения.
Вслед за фотонами в ловушках на сцену вышли кубиты, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и использующие спины атомных ядер во внешнем магнитном поле для кодирования состояний кубитов. Экспериментально при таком подходе логические операции совершаются не над отдельными спинами, а над совокупностью всех молекул в используемом веществе (в первоначальных экспериментах — жидкости). Это вносит определенные сложности в манипулирование большим числом таких квантовых состояний, так как количество взаимодействующих друг с другом молекул в рабочем объеме вещества может достигать сотен триллионов. Поэтому, даже несмотря на то, что были созданы многокубитные квантовые процессоры на ЯМР-кубитах (вплоть до 12 кубитов) и продемонстрирована возможность запускать на них квантовые алгоритмы, дальнейшего развития жидкостные ЯМР-кубиты не получили из-за сложностей с масштабированием таких систем до десятков и сотен кубитов.
Тем временем активно развивались альтернативные физические платформы для квантовых вычислений. Так, в конце 90-х годов несколькими научными группами в Японии, CША и Нидерландах были созданы и измерены первые сверхпроводящие кубиты, которые к этому дню выбились в явные фавориты кубитной гонки. По сути, они представляют собой микросхемы из сверхпроводника (чаще всего — алюминия) со специальными элементами — джозефсоновскими переходами (предложенными в 60-х годах английским физиком Брайаном Джозефсоном и представляющими собой наноразмерные разрывы в сверхпроводнике). Сверхпроводящий ток, циркулирующий в таких микросхемах, ведет себя как один большой квантовый объект и обладает ровно двумя необходимыми базисными состояниями, определяемыми либо направлением тока по или против часовой стрелки, либо количеством носителей заряда (пар электронов, или, как их обычно называют, куперовских пар) на отдельных элементах микросхем.
У сверхпроводящих кубитов немало преимуществ. Прежде всего, это искусственные квантовые объекты, которые можно произвольным образом размещать на чипах и изготавливать с помощью хорошо отлаженных за время кремниевой революции процессов промышленного масштаба, применяемых при производстве микроэлектроники. Такие кубиты гораздо проще — и привычнее для hardware-индустрии — изготовить и управлять ими тоже понятнее, чем многочисленными молекулами, атомами или ионами. Это отчасти решает задачу масштабирования таких систем до сотен или тысяч кубитов, необходимых для создания квантового компьютера достаточной мощности. Увы, просто поместить сотню сверхпроводящих кубитов рядом недостаточно — нужно еще обеспечить возможность управлять состоянием каждого из них, а также оградить каждый кубит от шума со стороны соседних кубитов, оставив возможность им взаимодействовать между собой нужным нам образом для выполнения логических операций.
Здесь уместно упомянуть о таком параметре кубитов, как время жизни (или время когерентности), в течение которого кубит способен сохранять заданное квантовое состояние. Этот параметр определяет промежуток времени, когда над кубитом можно выполнять логические операции, то есть исполнять на нем квантовый алгоритм. Очевидно, что каждый шаг алгоритма требует определенного времени на исполнение, обычно порядка десятков наносекунд. Следовательно, чтобы совершать какие-либо полезные вычисления, время жизни кубитов должно достигать десятков микросекунд (напомним, что нано- и микро- отличаются в тысячу раз). И все бы ничего, но из-за своих размеров, в тысячи раз превышающих размеры типичных квантовых объектов (электронов, ядер атомов), первые сверхпроводящие кубиты демонстрировали времена когерентности от десятков до сотен наносекунд. Потребовались десятки лет научной и инженерной работы многих лабораторий по всему миру над улучшением сверхпроводящих схем, материалов и процессов фабрикации, чтобы сделать сверхпроводящие кубиты достаточно долгоживущими. На сегодняшний день лучшие сверхпроводящие кубиты имеют время жизни, близкое к сотне микросекунд.
Еще одним, на этот раз трудноустранимым недостатком сверхпроводящих кубитов является необходимость охлаждать их до сверхнизких температур (порядка десятых долей градуса Кельвина выше абсолютного нуля). Для этого приходится помещать их в специальные холодильники — криостаты, работающие на смеси жидкого гелия, что существенно увеличивает размеры, сложность и стоимость экспериментальных установок. Тем не менее на текущий момент сверхпроводящие кубиты однозначно лидируют в кубитной гонке: их развитием занимается не только множество лабораторий по всему миру (в том числе и в России), но и международные корпорации, среди которых как ветераны эпохи «железа», IBM и Intel, так и левиафан современности Google, взявший под свое крыло группу Джона Мартиниса из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. За окончательное лидерство прямо сейчас, судя по всему, бьются именно IBM и Google: первые совсем недавно заявили о том, что уже создала 50-кубитный прототип (хотя конкретного отчета — научной статьи — об этом пока не появилось даже на сайте с препринтами), а группа Мартиниса продемонстрировала, что их схема достаточно стабильна, чтобы не «поплыть» при масштабировании. Им в затылок дышат несколько высокотехнологичных стартапов (Rigetti Computing, Quantum Circuits, SeeQC).
Но вернемся к хронологии появления на свет разных типов кубитов. В середине 2000-х вслед за теоретическими работами стали появляться экспериментальные оптические схемы, где квантовое состояние кодировалось с помощью фотонов в волноводах, приводимых во взаимодействие с различными оптическими элементами. Такие фотонные чипы изготавливались из широко используемого в микроэлектронике кремния и могли быть запрограммированы на исполнение произвольного квантового алгоритма. Однако трудности с масштабированием на текущий момент делают такие системы более привлекательными с точки зрения квантовых коммуникаций, нежели для использования в квантовых вычислениях.
Некой эволюцией жидкостных ЯМР-кубитов можно считать кубиты на твердотельных дефектах в кристаллах. Такие дефекты не только встречаются в кристаллической решетке многих материалов в природе, но и могут быть изготовлены с помощью облучения бездефектного материала пучком заряженных частиц в нужных местах через предварительно изготовленную маску. Особая электронная структура этих дефектов позволяет им реагировать на облучение светом (обычно лазерным лучом) и испускать флуоресцентное излучение с большей длиной волны. Именно благодаря этому свойству такие дефекты получили название центров окраски (color centers). При этом состояние электронов в дефекте может быть использовано в качестве базисных состояний кубитов, позволяя реализовать таким образом новый тип квантовых процессоров. Наиболее перспективными дефектами с точки зрения квантовых вычислений стали азотные дефекты в алмазах, а также фосфорные дефекты в кремнии. За последние десять лет на них были реализованы многокубитные операции и продемонстрирована работа квантовых алгоритмов.
Такие системы обладают рядом важных преимуществ. Прежде всего, так как дефект прочно сидит внутри кристаллической решетки, нет нужды удерживать его внешними электромагнитными полями, как в случае с ионами, а также охлаждать его до низких температур. И при комнатной температуре он продолжает оставаться подлинно квантовым объектом, а потому демонстрирует долгое время жизни, доходящее до нескольких миллисекунд. Именно поэтому кубиты на твердотельных дефектах дают надежду на то, что квантовые компьютеры не «застрянут» на этапе гигантских исследовательских установок, а смогут однажды стать доступным, компактным прибором. Для этого, конечно, ученым и инженерам еще предстоит решить немало сложностей, возникающих при масштабировании систем таких кубитов. Прежде всего — их контролируемое взаимодействие друг с другом, не приводящее к уменьшению времени когерентности отдельных кубитов. Пока что это проблема не решена, что ограничивает вычислительную мощность квантовых процессоров на твердотельных дефектах несколькими кубитами.
Довольно близкими родственниками «дефектных» кубитов являются так называемые квантовые точки, которые чаще всего являются искусственными квантовыми объектами. Обычно они представляют собой слои специально подобранных полупроводников с подведенными к ним электрическими контактами, создающими потенциальную яму для электронов в полупроводнике, в которую они захватываются подобно ионам в электромагнитных ловушках кубитов «фейнмановского» типа. А спины захваченных в потенциальную яму электронов могут быть использованы в качестве базисных состояний кубитов со временем жизни порядка микросекунд и возможностью совершать над ними очень быстрые наносекундные операции. Процесс создания квантовых точек довольно неплохо налажен полупроводниковой индустрией, однако масштабирование таких систем до многокубитных процессоров пока остается под вопросом.
Наконец, самой свежей платформой для квантовых вычислений можно считать кубиты на майорановских фермионах, ставку на которые сделала корпорация Microsoft, объединившая усилия нескольких научных групп. Майорановские фермионы — довольно экзотические объекты (к примеру, их можно считать одновременно материей и антиматерией), которые были предсказаны итальянским физиком Этторе Майорана еще в 30-х годах прошлого века. Однако обнаружить их экспериментально оказалось не так-то просто. Лишь пару лет назад, благодаря прогрессу в фабрикации наноструктур, были изготовлены микросхемы из сверхпроводников и полупроводниковых нанопроволок, в которых удалось увидеть характерное для майорановских фермионов поведение. К настоящему времени на таких кубитах еще не были продемонстрированы логические операции, не говоря уже о квантовых алгоритмах, однако этого можно ждать в самом ближайшем будущем. Интерес к данному типу кубитов обусловлен не только возможностью изготовлять их на чипах, но и их возможностью сохранять квантовое состояние в течение длительного времени без каких-либо дополнительных ухищрений (так называемая топологическая защищенность состояний). Кроме того, недавняя теоретическая работа подтвердила возможность масштабирования систем таких кубитов до полноценного квантового компьютера.
Безусловно, приведенный выше список нельзя считать исчерпывающим перечнем платформ для квантовых вычислений, однако он дает вполне неплохое представления о текущей ситуации в области. А в следующих статьях мы подробно обсудим необходимые шаги для построения квантового компьютера, устройство канадской компании D-Wave, использующее квантовый отжиг, и разберем первоочередные задачи, в решении которых квантовый компьютер должен произвести прорыв. Оставайтесь с нами.
chrdk.ru
Квантовый бит или кубит!
Использование квантовой системы с двумя уровнями энергии для решения сложных вычислительных задач было впервые предложено в 1981 году знаменитым физиком Ричардом Фейнманом во время его речи на конференции “Physics of Computation”, проводившейся в Массачусетском Технологическом Институте. Годом позже его речь была напечатана в журнале “International Journal of Theoretical Physics”, а еще через год-другой, чуть менее известный физик, Стивен Визнер в своей статье “Conjugate Coding” ввел в обращение термин "кубит" (QuBit - квантовый бит). С тех пор кубит был лелеемой квантовыми теоретиками мечтой, которая, благодаря прогрессу микро- и нанотехнологии, начала находить свое физическое воплощение около двадцати лет назад.
Что же такое "квантовый бит" и чем он отличается от обычного, классического? Предлагаем взглянуть на картинку ниже. Классический бит, используемый в привычных всем компьютерах, может принимать значения либо "0", либо "1". У квантового бита в принципе нет определенного значения до того, как мы его измерили. Принято говорить, что он находится в определенном "состоянии". Как уже говорилось выше, состояния у кубита два, назовем их 
и 
(эти странные скобки ученые договорились использовать, чтобы отличать состояния от обычных чисел 0 и 1). И тут начинается самое странное: в общем случае кубит находится не в одном из этих основных состояний, а в некоторой их суперпозиции 
, которая и дает изображенную на картинке ниже сферу.
Классический и квантовый бит
Очень удобно представлять себе состояние кубита в виде единичного вектора, исходящего из центра сферы, конец которого лежит на ее поверхности. Пробегая все возможные состояния, конец этого вектора и дает множество значений, которые может принимать отдельный кубит. Но на этом дело не заканчивается: при измерении кубита мы, в результате, все равно получим либо "1", либо "0" - проекцию состояния кубита на вертикальную ось! Но происходить это будет вероятностным образом, т.е. мы будем чаще получать "0" или "1", в зависимости от того, выше или ниже экватора сферы лежал вектор состояния кубита. А если вектор состояния лежит в экваториальной плоскости сферы, то мы будем в половине измерений получать "1", а в половине "0".
Будущий квантовый компьютер
В своей оригинальной статье Фейнман предложил использовать в качестве кубитов привычные всем фотоны, а в качестве двух энергетических состояний кубитов – вертикальную и горизонтальную поляризацию фотонов. В дальнейшем были предложены многие другие физические реализации кубитов: спины ядер и электронов, квантовые точки, NV-центры в алмазах, захваченные ионы и атомы, сверхпроводящие кубиты на джозефсоновских переходах и др. Каждая из данных реализаций обладает своими достоинствами и недостатками, определяемыми ее физической сущностью. А в следующей статье мы более подробно рассмотрим самую технологически развитую и многообещающую реализацию - сверхпроводящие кубиты.
P.S. если вам понравилась статья, вступайте в наше сообщество Вконтакте, подписывайтесь на нас и рассказывайте друзьям!
Похожее
makeitquantum.ru
что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
В течение практически полувека компьютеры непрерывно увеличивали свои вычислительные возможности за счёт всё большей и большей миниатюризации производства транзисторов — своеобразных элементарных кубиков, из которых состоят процессоры. Каждые два года количество транзисторов на кристалле процессора увеличивалось в два раза: если Intel 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов, то в 2010 году процессоры перешагнули рубеж в миллиард транзисторов. Стремительный рост заметно затормозился только в 2012 году. Человечество вплотную подошло к пределу, за которым работа транзистора должна учитывать атомарность вещества и квантовые эффекты. Но квантовые эффекты несут с собой не только сложности для миниатюризации транзисторов, но и совершенно необычные и неожиданные возможности.
Биты перешли в кубиты: что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.
Что такое квантовые компьютеры?
Работа любого современного вычислительного устройства основана на обработке информации. Информация в компьютерах представляется в виде набора нулей и единиц — так называемых битов. Если, например, вы хотите сложить два числа, компьютер сначала представляет каждое из них в виде уникальной последовательности 0 и 1, а затем пропускает через специальное устройство, которое производит операцию сложения. Если вам нужно сложить два других числа, то компьютер создаёт два новых набора битов и снова пропускает их через то же устройство.
Компьютеры, которые были бы способны использовать квантовые свойства вещества, могли бы работать значительно быстрее. Дело в том, что микрообъекты, например отдельные атомы, могут находиться в особом состоянии квантовой суперпозиции, не встречающемся в нашем мире больших предметов. При квантовой суперпозиции объект в некотором смысле находится сразу в двух состояниях. Иначе говоря, если бы атом вёл себя как обычный объект, то он мог бы находиться или в состоянии покоя, или в состоянии возбуждения (например, немного колебаться). Но атом может находиться и в неком промежуточном состоянии, в котором он одновременно и покоится, и колеблется. Это состояние и называется квантовой суперпозицией состояний покоя и возбуждения.
Если мы обозначим состояние покоя как 0, а состояние возбуждения — как 1, то атом в квантовой суперпозиции оказывается способным хранить сразу два значения вместо одного. А значит, если мы будем проводить с ним какие-то операции, то эти операции будут производиться одновременно и с 0, и с 1. В такой системе за один раз можно, например, вычислить сразу три суммы: 0+0, 0+1 и 1+1. Если же таких атомов много, то с ними можно за раз произвести столько однотипных вычислений, сколько требуется.
За счёт этой особенности квантовые компьютеры должны намного эффективнее обычных компьютеров справляться с задачами, в которых требуется перебор большого количества значений. Примером такой задачи является, например, взлом неизвестного кода. Это сделало бы крайне уязвимыми все существующие защиты от несанкционированного доступа.
Например, злоумышленник, обладающий квантовым компьютером, с лёгкостью смог бы получить доступ к любой банковской карте или счёту. Именно поэтому многие банки сейчас активно исследуют возможности квантовой криптографии, которая должна прийти на смену обычной криптографии и за счёт законов квантовой физики гарантирует, что в случае попытки взлома вы как минимум тут же о ней узнаете и сможете оперативно предотвратить возможный вред.
Но к сожалению, на данный момент существует не так много задач, для которых квантовые компьютеры могли бы действительно быть более эффективными, чем компьютеры обычные. Чтобы задействовать квантовые эффекты в полной мере, нужны специальные алгоритмы, а в подавляющем большинстве случаев такие алгоритмы или невозможны в принципе, или настолько сложны, что пока не разработаны. Поэтому, даже если квантовый компьютер будет создан в ближайшем будущем, он будет или узконаправленным, как знаменитый D-Wave, или будет работать не намного быстрее обычного компьютера. Существует, однако, одна область, в которой приход квантовых вычислений может совершить мини-революцию. Эта область — химия.
Квантовые симуляторы
Углубление нашего понимания того, как мир устроен на уровне атомов и молекул, и возникновение в начале XX века квантовой механики привели к коренному изменению химии как науки. До этого химия была по большей части эмпирической наукой, которая основывалась не на строгих теоретических моделях, а на многочисленных опытных данных. Существовали определённые правила, по которым можно было пытаться предсказывать исход новых химических реакций, но эти правила были далеки от совершенства и в лучшем случае давали только грубое приближение, а зачастую предсказывали совершенно неверный результат. Единственным способом проверить, будет ли та или иная потенциально полезная реакция работать, было непосредственное проведение эксперимента. И если в неорганической химии в силу её большей простоты это ещё как-то работало, то в химии органических веществ большинство открытий совершалось или случайно, или в результате долгой кропотливой работы по перебору большого количества реагентов.
В 1920-е годы учёные создали квантовую физику — инструмент, который в принципе позволяет рассчитывать результаты химических реакций на бумаге. Проблема, однако, заключается в том, что точный расчёт даже в простейших случаях требует совершенно немыслимых временных затрат. И даже развитие компьютерных технологий не позволило в полной мере решить эту проблему. Задачу квантового расчёта того, как двигаются молекулы, — а именно это требуется для химических реакций — относят к классу экспоненциально сложных. На практике это означает, что такие задачи не могут быть решены ни сейчас, ни в каком-либо обозримом будущем при поступательном развитии технологий вычислений.
Поэтому для расчёта химических реакций применяются приближённые методы. Сначала они были относительно простыми и не очень точными, но со временем их точность повышалась, а сложность росла. Их изучением и развитием занимается вычислительная квантовая химия. Сейчас каждый год собираются огромные конференции, на которых тысячи учёных делятся последними достижениями в этой области. И хотя компьютеры могут уже очень многое — вплоть до предсказания эффективности действия инновационного лекарства — последнее слово, как и 100 лет назад, остаётся за экспериментами.
Однако в последние годы то тут, то там в сообществе учёных, занимающихся квантовой химией, слышатся фразы: «Пройдёт несколько лет, и мы потеряем работу. Все вычисления будут делать квантовые симуляторы, и будут делать их точнее и быстрее, чем мы». Чего же так боятся квантовые химики?
Идея квантовых симуляторов восходит к статье знаменитого физика Ричарда Фейнмана, опубликованной в 1982 году. В ней нобелевский лауреат высказал относительно простую мысль. Если у нас будут квантовые компьютеры, то есть компьютеры, которые совершают вычисления по квантовым законам, то было бы вполне естественно в первую очередь использовать их для вычислений, связанных с квантовыми системами, — в частности, для вычислений в квантовой химии.
И действительно, как показали дальнейшие исследования, это возможно. И более того, такие вычисления смогут в полной мере задействовать уникальные возможности квантовых компьютеров, то есть они будут выполняться значительно быстрее, чем на компьютерах обычных. Это позволит решать задачи точного расчёта химических реакций за разумное время и заменить дорогостоящие прямые эксперименты на более дешёвые вычисления.
Более того, одна из проблем квантовых компьютеров — разрушающее действие окружающей среды, не позволяющее подолгу сохранять квантовую суперпозицию, — в квантовых симуляторах может быть использовано для пользы дела. Ведь реальные квантовые системы тоже находятся в окружении других тел, которые точно так же разрушают квантовые эффекты в них. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора.
Применение квантовых симуляторов
Сейчас уже созданы первые, самые простые квантовые симуляторы. Так, в 2010 году группа экспериментаторов из Квинслендского университета в Австралии и Гарвардского университета в Кембридже (США) сообщила, что им удалось рассчитать свойства самой простой молекулы — молекулы водорода — с достаточной для химиков точностью при помощи квантового симулятора, кубиты которого были основаны на «частицах» света — фотонах.
Молекула водорода пока остаётся основным объектом, который исследуют на квантовых симуляторах, но сами симуляторы при этом с каждым годом улучшаются. Работа ведётся в нескольких направлениях. Во-первых, учёные пробуют разные реализации квантовых симуляторов. В качестве кубитов могут быть использованы охлаждённые до сверхнизких температур атомы, отдельные электроны или ядра некоторых атомов, сверхпроводящие кольца или, как в работе 2010 года, фотоны.
Каждая из этих реализаций имеет свои особенности. Например, системы на охлаждённых атомах требуют больших и относительно дорогих установок, хотя и удобны с точки зрения управления состоянием кубитов. Системы на основе ядер, управляемых при помощи эффекта ядерного магнитного резонанса, относительно просты, но, наоборот, не обладают достаточной гибкостью управления. Этой проблемы лишены системы, основанные на электронах, пойманных в так называемые квантовые ямы в полупроводниках. Именно они являются сейчас одним из наиболее перспективных направлений с точки зрения технологичности и дешевизны производства. В некоторых приложениях более удобны системы на основе сверхпроводящих колец, которые, однако, имеют относительно большой размер, и поэтому вряд ли удастся создать их с большим количеством кубитов.
Другое направление, в котором развиваются современные исследования квантовых симуляторов, — разработка более эффективных алгоритмов, в том числе алгоритмов, способных исправлять или как минимум подавлять неизбежные в подобных системах ошибки. Ну и, конечно, улучшаются методы работы с кубитами: увеличивается время их работы, возрастает гибкость настройки квантовой системы и количество контролируемых параметров.
Всё это уже в скором времени приведёт к тому, что квантовые симуляторы начнут применять к реальным сложным ситуациям, к химическим веществам и реакциям, которые в данный момент неподвластны даже самым точным нашим расчётам. И хотя предсказать, насколько масштабной окажется эта революция, невозможно, вряд ли могут быть сомнения в том, что современная химия претерпит серьёзные изменения, а многим учёным придётся радикально поменять тематику своих исследований.
https://russian.rt.com/science/article/347086-kvantovye-kompyutery-stimulyatory
dayofru.com
Квантовые вычисления - это... Что такое Квантовые вычисления?
3 кубита квантового регистра против 3 битов обычного
Квантовый компьютер — гипотетическое[1]вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.
Содержание понятия «квантовый параллелизм» может быть раскрыто так: «Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счет того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно» [1].
Под квантовой запутанностью, которую называют также «квантовой суперпозицией», обычно понимается следующее: "Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определенный промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: «распад» и «не распад», /…/ но в квантовой механике у атома может быть некое объединенное состояние — «распада — не распада», то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется «суперпозицией» [2].
Базовые характеристики квантовых компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров.
Теория
Кубиты
Идея квантовых вычислений, впервые высказанная Ю. И. Маниным[3] и Р. Фейнманом[4] состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, 2L-мерное гильбертово пространство состояний. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит может выполнять параллельно 2L операций.
Предположим, что имеется один кубит. В таком случае после измерения, в так называемой классической форме, результат будет 0 или 1. В действительности кубит — квантовый объект и поэтому, вследствие принципа неопределённости, может быть и 0, и 1 с определенной вероятностью. Если кубит равен 0 (или 1) со стопроцентной вероятностью, его состояние обозначается с помощью символа |0> (или |1>) — в обозначениях Дирака. |0> и |1> — это базовые состояния. В общем случае квантовое состояние кубита находится между базовыми и записывается, в виде , где |a|² и |b|² — вероятности измерить 0 или 1 соответственно; ; |a|² + |b|² = 1. Более того, сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, аналогичное классическому результату.
Пример:
Имеется кубит в квантовом состоянии В этом случае, вероятность получить при измерении| 0 | составляет | (4/5)²=16/25 | = 64 %, |
| 1 | (-3/5)²=9/25 | = 36 %. |
Приведем для объяснения два примера из квантовой механики: 1) фотон находится в состоянии суперпозиции двух поляризаций; измерение раз и навсегда коллапсирует состояние фотона в таковое с определенной поляризацией; 2) радиоактивный атом имеет определенный период полураспада; измерение может выявить то, что он еще не распался, но это не значит, что он никогда не распадется.
Перейдем к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базовые квантовые состояния: |00>, |01>, |10> и |11>. И наконец, общее квантовое состояние системы имеет вид . Теперь |a|² — вероятность измерить 00 и т. д. Отметим, что |a|²+|b|²+|c|²+|d|²=1 как полная вероятность.
В общем случае, системы из L кубитов у неё 2L классических состояний (00000…(L-нулей), …00001(L-цифр), … , 11111…(L-единиц)), каждое из которых может быть измерено с вероятностями 0—100 %.
Таким образом, одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые она может принимать, в отличие от классического бита. Это и обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений.
Вычисление
Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берется система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством базовых квантовых операций. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера.
Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система дает результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счет небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.
С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней.
Чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов. Пока в природе их не существует.
Алгоритмы
- Алгоритм Гровера позволяет найти решение уравнения за время .
- Алгоритм Шора позволяет разложить натуральное число n на простые множители за полиномиальное от log(n) время.
- Алгоритм Дойча — Джоза позволяет «за одно вычисление» определить, является ли функция двоичной переменной f(n) постоянной (f1(n) = 0, f2(n) = 1 независимо от n) или «сбалансированной» (f3(0) = 0, f3(1) = 1; f4(0) = 1, f4(1) = 0).
Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение».
Квантовая телепортация
Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В простейшей схеме используются 4 кубита: источник, приёмник и два вспомогательных. Отметим, что в результате работы алгоритма первоначальное состояние источника разрушится — это пример действия общего принципа невозможности клонирования — невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. На самом деле, довольно легко создать одинаковые состояния на кубитах. К примеру, измерив 3 кубита, мы переведем каждый из них в базовые состояния (0 или 1) и хотя бы на двух из них они совпадут. Не получится скопировать произвольное состояние, и телепортация — замена этой операции.
Телепортация позволяет передавать квантовое состояние системы с помощью обычных классических каналов связи. Таким образом, можно, в частности, получить связанное состояние системы, состоящей из подсистем, удаленных на большое расстояние.
Применение квантовых компьютеров
Специфика применения
Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.
Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:
- необходимо обеспечить высокую точность измерений;
- внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.
Приложения к криптографии
Благодаря огромной скорости разложения на простые множители, квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма
Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений[5]. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки[6].
Реализации
Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[7].
В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам[8]. Данная демонстрация также вызвала определенного рода скепсис.
В декабре 2008 года компания организовала проект Распределенных вычислений AQUA@home(Adiabatic QUantum Algorithms) [9], в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.
См. также
Примечания
Литература
Ссылки
- Квантовый ликбез
- Квантовый компьютер и его полупроводниковая элементарная база
- Кафедра квантовой информатики факультета ВМК МГУ
- Лаборатория физики квантовых компьютеров Физикотехнологического института РАН
- Китаев,А., Шень, А., Вялый, М. Классические и квантовые вычисления
- QWiki(англ.) и Quantiki(англ.) — Wiki-ресурсы по квантовой информатике
- Язык программирования QCL для квантовых компьютеров(англ.)
- Курс «Современные задачи теоретической информатики» (лекции по квантовым вычислениям: введение, суперплотное кодирование, квантовая телепортация, алгоритмы Саймона и Шора)
- Gilles Brassard, Isaac Chuang, Seth Lloyd and Christopher Monroe. Quantum computing
- Beyond Bits: The Future of Quantum Information Processing Andrew M. Steane, Eleanor G. Rieffel
- InFuture.ru: Будущее квантовых компьютеров — в троичных вычислениях
- Валиев К. А. «Квантовые компьютеры и квантовые вычисления» УФН 175 3 (2005)
- Страничка проекта AQUA@home на сайте команды «Russia»
Wikimedia Foundation. 2010.
dikc.academic.ru
Разработан принципиально новый тип кубита для квантового компьютера
Международная группа ученых, состоящая из российских, британских и германских специалистов в области квантовых технологий, создала революционную технологию кубитов, основанную не на джозефсоновском переходе, представляющем собой разрыв в сверхпроводнике, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке. О своей работе исследователи поделились в журнале Nature Physics.
В мире пока нет универсальных квантовых компьютеров, способных справляться с любыми задачами, однако разрабатываемые методы и принципы вычислений уже сейчас позволяют решать сверхсложные задачи. Например, с помощью кубитов моделируют химические соединения и материалы, воссоздают механизм процессов фотосинтеза.
На данный момент существует несколько типов кубитов, но у каждого из них имеется недостаток, который снижает эффективность их работы. Например, созданные кубиты, способные работать в оптическом диапазоне, 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.
Новый тип кубита 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.
Алексей Устинов, являющийся соавтором новой работы, руководителем группы Российского квантового центра, заведующим лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», а также профессором Института технологий Карлсруэ, отметил, что сейчас удалось создать новый тип сверхпроводящих устройств, во многом аналогичных СКВИДу (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»).
СКВИД представляет собой сверхчувствительный магнитометр, основанный на джозефсоновских переходах и использующийся для измерения слабых магнитных полей. Однако интерференция в новом устройстве вызывается не магнитным полем, а электрическим, которое меняет электрический заряд на островке между двумя нанопроволоками. Эти нанопроволоки играют в устройстве роль джозефсоновских переходов, но при этом не требуют создания разрывов и могут быть изготовлены из одного слоя сверхпроводника.
Алексей Устинов отмечает: в данной работе удалось показать, что эта система может работать как зарядовый интерферометр.
«Если нанопроволоку разбить на два участка и сделать в центре утолщение, то, меняя затвором заряд на этом утолщении, можно фактически делать периодическую модуляцию процесса квантового туннелирования магнитных квантов через проволоку, что в этой работе и наблюдается», — прокомментировал ученый.
Это ключевой момент, доказывающий, что получен управляемый и когерентный эффект и что его можно применять для создания кубитов нового поколения. Также Устинов рассказал, что разработка обладает не меньшей функциональностью, чем предыдущие, но более проста в изготовлении. Новая технология может стать в основе принципа работы всего набора элементов сверхпроводящей электроники.
Другие статьи:
nlo-mir.ru
