В России создан первый кубит для квантового компьютера. Квантовый компьютер в россии

Квантовые компьютеры на сверхпроводниковых процессорах намерены создать ученые в России - Наука

МОСКВА, 3 августа. /ТАСС/. Процессоры для квантовых компьютеров на основе сверхпроводниковых материалов начали разрабатывать ученые МФТИ совместно с коллегами из других институтов. Об этом ТАСС сообщил руководитель лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, профессор Университета Лондона Олег Астафьев.

Элементарной ячейкой квантовых компьютеров является квантовый бит - кубит. В роли кубитов могут выступать, например, обычные атомы, на основе которых можно разрабатывать квантовые компьютеры. Однако они обладают рядом недостатков - они крайне неустойчивы к внешним воздействиям, в них сложно осуществлять обмен информацией и сложно интегрировать в большие схемы. В качестве альтернативы ученые МФТИ совместно с коллегами из МИСиС, Российского квантового центра, МГТУ имени Баумана и других институтов в 2015 году создали "искусственный атом" или сверхпроводниковый кубит, основанный на технологии сверхпроводников.

"С 2015 года мы продвинулись в улучшении качества сверхпроводниковых кубитов. И сейчас начинаем интегрировать кубиты и собирать на их основе простейшие квантовые процессоры - сердце будущего квантового компьютера. По нашему убеждению, совпадающему с распространенным в мире мнением, сверхпроводниковые квантовые системы более перспективны, чем любые другие системы. Например, мы можем разработать и изготовить микросхему точно так же, как в микроэлектронике изготавливают микросхемы для традиционных компьютеров", - пояснил профессор Астафьев в ходе Первой международной конференции по сверхпроводящим квантовым технологиям, которая проходит в Москве.

По его словам, сейчас в мире разрабатываются несколько квантовых многокубитных процессоров, включая процессоры на атомах (оптические квантовые компьютеры). Важный рубеж - это процессоры из нескольких десятков кубитов, так как, теоретически, такой квантовый компьютер превзойдет по мощности вычислений в решении задач определенного класса существующие компьютеры, в том числе и суперкомпьютеры. Однако пока существующие квантовые процессоры не являются универсальными вычислительными устройствами - скорее их можно назвать прототипами, на которых отрабатываются технологии для будущих квантовых компьютеров, сказал профессор Астафьев.

Квантовый компьютер - одна из самых обсуждаемых тем в науке и технологии за последние годы, это гипотетическое устройство на стыке информационных технологий и квантовой физики. В современных компьютерах единицей информации является бит, который может находиться в одном из двух возможных положений - ноль или единица. Единица информации в квантовом компьютере - кубит - в свою очередь может находиться в так называемом состоянии суперпозиции, то есть быть и нулем, и единицей одновременно. Это позволяет выполнять операции над большим количеством чисел одновременно (квантовый параллелизм), значительно ускорить вычисления, решать задачи, которые требуют астрономически большого времени даже на современных суперкомпьютерах.

Квантовая революция

Профессор Астафьев отметил, что ученые МФТИ также рассчитывают постепенно увеличивать число кубитов, приближаясь к пороговой величине в несколько десятков кубитов, начиная с которой классические компьютеры не смогут конкурировать с квантовыми. Однако, когда будет достигнут определенный уровень технологии, то собственно для производства квантового компьютера потребуются индустриальные партнеры, так как "квантовый компьютер в первую очередь нужен не для науки, а для того, чтобы изменить нашу повседневную жизнь". По словам ученого, подобный интерес со стороны бизнеса есть.

"Если будет создан квантовый компьютер, то это приведет к революции в решении массы задач. Во-первых, в финансовой сфере - это абсолютная защита информации, любой банк в этом заинтересован. Для логистических или транспортных компаний, например, для РЖД, - это оптимизация грузовых потоков. Это очень сложная задача, и человек не может в настоящее время рассчитать оптимальные пути перевозки грузов из-за огромного количества вариантов. Это и поиск новых материалов, когда можно будет заранее сказать, какие химические свойства будут у такого-то материала. И так далее", - пояснил Астафьев.

По его мнению, Россия постепенно догоняет мировых лидеров в сфере квантовых технологий. Лидерами в этой отрасли, как отметил Астафьев, можно считать компанию Google, которая для создания своего квантового компьютера наняла профессора Джона Мартинса, одного из лучших в мире специалистов по сверхпроводящим кубитам.

Кроме того, в некоторых странах в настоящее время запущены национальные программы по квантовым исследованиям. Например, правительство Нидерландов и Швеции выделили на эти цели гранты по €100 млн. Также сильные коллективы работают в этой сфере в США, Канаде, Японии, Китае. В Китае, в частности, принимается программа по разработке квантового компьютера на $10 миллиардов.

Первая международная конференция, посвященная квантовым сверхпроводящим процессорам, на базе которых создаются квантовые компьютеры, проходит в Москве с 30 июля по 3 августа. Конференция, организованная совместно НИТУ "МИСиС", МФТИ и Российским квантовым центром. В мероприятии принимают участие 39 докладчиков из 14 стран: России, Нидерландов, Германии, Финляндии, Швеции, Швейцарии, США, Греции, Австрии, Франции, Канады, Великобритании, Японии и Китая.

tass.ru

Квантовый компьютер в России – миф или реальность?

Библиографическое описание:

Боршевников А. Е. Квантовый компьютер в России – миф или реальность? [Текст] // Актуальные вопросы технических наук: материалы Междунар. науч. конф. (г. Пермь, июль 2011 г.). — Пермь: Меркурий, 2011. С. 8-10. URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/4/889/ (дата обращения: 13.08.2018).

В данной статье рассмотрено положение в мире в области физической реализации квантового компьютера. Проведена оценка достижений в данной области. Сопоставлена ситуация по реализации квантового компьютера в мире и в России. Статья служит для оценки, перспективы создания высокопроизводительного квантового компьютера в стране, а также выделении основных путей по реализации.

Введение.

На данный момент, в области физики, информатики и многих других наук, возникает вопрос о физической реализации устройства, которое в теории превосходит по вычислительным способностям современные ЭВМ - квантового компьютера. Конечно же, исследования в данной области ведутся во многих странах. Страна, которая первой реализует данное устройство, сделает невероятный рывок науке. В некоторых зарубежных странах есть уже реализованные образцы квантового компьютера. Возникает вопрос: «А на каком уровне находятся исследования в области создания квантового компьютера в России, относительно наработок в этой же области, в мире?». Ответ на этот вопрос, безусловно, важен.

Квантовый компьютер в России – миф или реальность?

Для начала надо разъяснить: что такое квантовый компьютер, как он устроен, и какие задачи он способен выполнять?

Квантовый компьютер — это гипотетическое вычислительное устройство, использующее специфически квантовые эффекты и намного превосходящее по своим возможностям любую классическую вычислительную машину.

Введем понятие квантового бита (кубита) и установим его связь с классическими битами.

Пространство состояний квантовой системы, состоящее из координат, моментов, поляризаций, спинов и т. д. различных частиц, есть гильбертово пространство волновых функций. Для квантовых вычислений нам понадобятся только конечномерные квантовые системы, и для этого будет достаточно рассмотрения комплексных векторных пространств со скалярным произведением.[1]

Идея квантовых вычислений состоит в том, что квантовая система из n двухуровневых квантовых элементов имеет 2n линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, представляет собой 2n-мерное гильбертово пространство состояний. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту в этом пространстве. Таким образом, состоянием квантовой системы является точка в 2n-мерном пространстве состояний. Каждому из возможных классических состояний объектов сопоставим базисный вектор этого векторного пространства и обозначим его, например, следующим образом |011...1> , предполагая, что первый бит содержит 0, второй содержит 1, и так далее. Здесь под обозначением кет-вектора |x> понимается, что x есть квантовое состояние.

Основу квантовых вычислений представляет такое понятие как кубит (q-bit, quantum bit). Квантовый бит или кубит — это вектор единичной длины в 2-мерном комплексном векторном пространстве, в котором зафиксирован некоторый базис: {|0> , |1>}. Ортонормированный базис |0> и |1> может соответствовать |→> и |↑> поляризациям фотона или состояниям «спин вверх», «спин вниз» электрона. Когда речь идёт о кубитах и квантовых вычислениях вообще, базис {|0> , |1>}, для которого проводятся все рассуждения, выбирается заранее. Будем далее считать, если особо не оговорено обратное, что этот базис одновременно является базисом измерения.

В квантовых вычислениях базисные состояния обозначаются |0> и |1> , чтобы «соответствовать» значениям классического бита 0 и 1. Но, в отличие от классического бита, кубиты могут находиться в суперпозиции |0> и |1> например, a|0> + b|1> где а и b комплексные числа, такие что |a|2 + |b|2 =1 . В случае с поляризацией фотона, если такая суперпозиция измеряется в базисе {|0> , |1>}, то вероятность того, что измерение даст |0> равна |a|2 , а вероятность того, что измерение даст |1> равна |b|2 .

Хотя квантовый бит может находиться в бесчисленном множестве суперпозиций состояний, путём измерения из него можно извлечь только один бит классической информации. Измерение кубита заменяет его состояние базисным. Так как каждое измерение приводит только к одному из двух состояний, т. е. к одному из базисных векторов измерительного устройства, то, как и в классической теории, есть только два возможных исхода. Измерение меняет состояние, поэтому очевидно, что состояние не может быть измерено по двум различным базисам. Более того, квантовые состояния нельзя клонировать, т.е. кубит невозможно измерить двумя способами даже косвенно, например, скопировав кубит и измеряя его копию по базисам, отличным от первоначального.

Эти же закономерности верны и для множества кубитов. В классической физике возможные состояния системы из n частиц, в которой состояние каждой частицы задается вектором в 2-мерном пространстве, образуют 2n-мерное векторное пространство. Однако в квантовой системе общее пространство состояний гораздо больше: система из n кубитов имеет пространство состояний размерности 2n. Именно этот экспоненциальный рост пространства состояний в зависимости от числа частиц даёт экспоненциальное преимущество в скорости вычислений на квантовых компьютерах в сравнении с классическими. Это обусловлено тем, что в классической системе из n частиц пространства состояний каждой частицы соединяются декартовым произведением, тогда как квантовые состояния соединяются тензорным произведением. Суперпозицию состояний такой системы будем записывать:

, где амплитуды aiявляются комплексными числами, причем

, |Si> базисные векторы этого гильбертова пространства. [2, стр. 1-35]

Схематически структура квантового компьютера показана на рис. 1. Квантовую часть компьютера составляют n кубитов. К каждому из них может быть приложено селективное воздействие импульсами резонансного внешнего переменного поля. Включение генераторов полей и адресация их излучения на данный кубит осуществляется под управлением классического компьютера. Изменения состояния кубитов изображается вдоль горизонтальных линий в виде последовательности однокубитовых и двухкубитовых операций. До того как "запустить" вычислительный процесс на квантовом компьютере, все n кубитов должны быть приведены в состояние |0>. Эта процедура носит название "инициализация". Ввод данных и исполнение алгоритма совершаются применением однокубитовых и двухкубитовых операций. По завершении алгоритма результат вычисления будет записан в конечном квантовом состоянии кубитов. Чтобы "считать" результат, необходимо провести квантовое измерение состояния кубитов.[3, стр. 688-695 ]

Рис. 1. Схема квантового компьютера.

Основные задачи, которые может выполнить квантовый компьютер:

Квантовый компьютер способен решать задачи, которые решались бы на классическом компьютере за экспоненциальное время, за полиномиальное время. В то же время установлено, что многие алгоритмы, выполняемые неплохо на классических компьютерах, не ускоряются на квантовом. [5]
Разработан эффективный алгоритм факторизации целых чисел, реализуемый с помощью квантового компьютера (алгоритм Шора), который в свою очередь дискредитирует надежность шифрсистемы RSA. [2, стр. 63-87] [6]
Квантовые компьютеры имеют широкие перспективы в моделировании. [7]

Перейдем теперь к рассмотрению исследований по физической реализации квантового компьютера за границей.

Квантовые компьютеры на явлении ядерного магнитного резонанса реализованы в Оксфорде (Англия) и Стэнфорде (США), опыты по реализации квантового компьютера на ионах в ловушках выполняются в Институте стандартов США с участием специалистов ведущих фирм США. [7]

В эксперименте 2001 года, выполненном группой Исаака Чуаня (Isaac Chuang), был продемонстрирован квантовый компьютер, состоявший из одной молекулы, кубитами, в которой были ядра входящих в нее атомов (семь штук). Воздействуя на эти ядра радиоимпульсами, удалось реализовать квантовый алгоритм факторизации – число 15 было разложено на простые множители. [8]

В США в Национальном институте стандартов и технологий создан 2-х кубитный программируемый квантовый компьютер.[9]

Особое место в физической реализации квантового компьютера занимает канадская компания D-Wave. Канадская частная компания D-Wave продемонстрировала 13 февраля 2007 года 16-кубитный адиабатический квантовый компьютер D-Wave Orion. Однако данная реализация оставляет слишком много вопросов.[8] В виду этого, демонстрация 11 мая 2011 года компанией D-Wave квантового компьютера D-wave One с 128 кубитным процессором вызывает сомнение. [12]

Как видно, зарубежные страны достаточно глубоко занимаются вопросом создания квантового компьютера и у них есть определенные достижения в этой области.

А какие же достижения в этой области в России?

В России исследования по физической реализации квантового компьютера не поставлены на должный уровень. В стране данной проблемой занимаются в основном в теоретическом аспекте. [4] Наши ученые участвуют в зарубежных проектах по реализации квантового компьютера. Однако на данный момент не создано ни одного квантового компьютера, реализующего алгоритм или моделирующий процесс. В России есть кафедры, которые посвящены этому вопросу, но нет ни одной реальной разработки. [10] [11] Разработка реализации квантового компьютера существует только в плане Российской Академии Наук. [13 ,стр. 74]

Выводы.

На данный момент Россия отстает от стран запада в области физической реализации квантового компьютера. В то же время, в стране проводится глубокое теоретическое исследование данного вопроса. Основной задачей для государства является поддержка научных исследований в данной области. Создание квантового компьютера будет способствовать скачкообразному развитию квантовой физики, информационной безопасности, квантовой криптологии, квантовой теории информации и других.

Литература:

Рифель Э, Полак В. Основы квантовых вычислений // ACM Computing Surveys, V. 32, №3, сентябрь 2000.
Mermin N. D. Quantum computer science // Cambridge university press, 2007
Валиев К.А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография // Вестник Российской Академии Наук, том 70, № 8, 2000
Валиев К.А, Кокин А.А. От квантов к квантовым компьютерам. // Природа, 2002, №12. с.28–34.
Ozhigov Y. Quantum computers speed up classical with probability zero // 1998
Shor P.W. Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring // 1994
Газета Московского физико-технического института «За Науку» // №1473
Левкович-Маслюк Л. D-Wave: кубитное шоу с моралью // Компьютера, №9 , март 2007
Barras С. First universal programmable quantum computer unveiled // NewScientistTech, 2009
http://qi.cs.msu.su
http://www.ras.ru
http://www.dwavesys.com
План фундаментальных исследований Российской академии наук на период до 2025 года.

Основные термины (генерируются автоматически): квантовый компьютер, Россия, физическая реализация, квантовая система, кубит, область, бит, гильбертово пространство, векторное пространство, RSA.

Российские ученые создали сверхпроводящий кубит — Российская газета

Ученые Российского квантового центра, МФТИ, МИСиС и Института твердого тела РАН создали первый в России сверхпроводящий кубит. Это основной элемент будущих квантовых компьютеров, которые сулят революцию в вычислительной технике, по скорости и производительности превзойдут самые мощные современные суперкомпьютеры. Кроме того, для квантовых компьютеров не существует тайны информации. Они смогут расшифровать любые секретные коды, в том числе и потенциальных противников.

В чем принципиальное отличие квантового компьютера от традиционного? Они работают по разным законам. Современный - по законам классической механики Ньютона, квантовый - по законам квантовой механики, созданной целой когортой лауреатов Нобелевской премии, в частности, Эйнштейном, Дираком, Планком, Бором. В классическом компьютере единицей информации является Бит, который может принимать значение 1 или 0. Бит реализован в простом транзисторном переключателе, у которого два положения 0 и 1. Из сотен тысяч таких "рубильников" собираются процессор, память и контроллеры. Их можно переключать со скоростью несколько миллиардов раз в секунду. Однако размеры современных транзисторов уже настолько малы, что производительность не удается существенно поднять из-за нежелательных квантовых эффектов.

Квантовые компьютеры способны кардинально изменить ситуацию. Минимальная единица информации в нем и есть кубит. В отличие от классического переключателя, который может находиться только в одном из состояний, кубит, благодаря законам квантовой физики, "живет" сразу в двух состояниях 0 и 1. В результате вместо традиционных двух битов в квантовом компьютере действия будут проводиться над суперпозицией уже четырех состояний 00, 01, 10 и 11. Отсюда и его преимущество в скорости и мощности вычислений.

Но это в теории компьютер из нескольких тысяч кубитов может легко превзойти любой современный суперкомпьютер. А пока сложнейшей задачей является само создание этого главного элемента машины. До сих пор российские ученые работали с кубитом, который был изготовлен в Германии. И вот теперь у нас есть собственная ячейка для хранения информации.

Это настоящий прорыв отечественных ученых. По сути, создан искусственный атом. У него, как и у природного электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, излучая фотоны. Каждый уровень - информационное состояние, которое можно использовать в вычислениях.

- Кубит - это кольцо размером один микрон с множеством нанометровых разрезов, - сказал корреспонденту "РГ" сотрудник МИСиС Кирилл Шульга. - Такое сложнейшее инженерное сооружение создается с помощью высоких технологий, в частности, фотолитографии и электронной литографии. Одна рисует часть схемы светом, другая электронами.

Столь ювелирную работу можно выполнить только с помощью уникальной техники, которая сегодня имеется в разных научных организациях России. Именно поэтому у российского кубита несколько отцов.

- Этот вычислительный инструмент позволит достичь научных результатов, которые пока не получал никто в мире", - отметил руководитель научный группы из МФТИ Олег Астафьев. А, по мнению профессора Технологического института Карлсруэ и руководителя лаборатории в МИСиС Алексея Устинова, эта работа свидетельствует, что в России теперь есть технологии и команды ученых, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров.

rg.ru

Квантовый компьютер преодолеет кризис электроники :: Общество :: РБК

Фото: phoi.ifmo.ru

Квантовые технологии постепенно становятся мэйнстримом в сфере разработки компьютеров и средств передачи информации на расстояние. Государства и корпорации вкладывают в такие программы миллиарды долларов. О том, как эта сфера развивается в мире и в России, в интервью РБК Петербург рассказал генеральный директор малого инновационного предприятия «Квантовые коммуникации» Артур Глейм. Его компания, которая в 2017 году была номинирована на премию РБК Петербург, сумела найти коммерческое применение научным разработкам в области квантовых коммуникаций.

УСКОРИТЕЛЬ НОВОГО ТИПА

— В чем вы видите перспективность квантовых технологий?

— Они добавляют принципиально новые свойства вычислительным, коммуникационным системам. Рост мощности традиционных вычислительных систем стал заметно замедляться, несмотря на огромные усилия, которые прикладываются в этом направлении. Это происходит потому, что электронные технологии приблизились к пределу своих возможностей. Достигнуты максимальные частоты передачи информации, минимальные размеры микросхем — расстояние между их элементами нельзя сделать меньше 9 нм, поскольку эта величина уже сравнима с размерами атомов, где действуют иные физические законы. Квантовые технологии не имеют такого ограничения и потому позволяют серьезно, на порядки, повысить скорость обработки информации.

— На каком этапе развития сейчас находятся квантовые технологии? Квантовый компьютер уже создан? Информация СМИ на этот счет противоречива…

— Разработкой квантового компьютера занимается несколько университетских научных центров и IT-компаний, в том числе крупных, таких как Google, IBM, Intel. Канадская компания D-Wave Systems была первой, кто несколько лет назад объявил о создании квантового компьютера. Компания даже начала его продавать, параллельно продолжая совершенствовать технологию. В 2017 году она выпустила на рынок очередную модель — 2000-кубитный квантовый компьютер D-Wave 2000Q. [см. Справку — ред.]. Российский Квантовый центр в Сколково недавно объявил о создании 51-кубитового квантового компьютера. Но это все не настоящие квантовые компьютеры, в лучшем случае прототипы.

Чем квантовый компьютер отличается от обычного

Квантовый компьютер отличается от обычного методом обработки информации, что обусловлено использованием эффектов квантовой физики (а не классической, как в обычных компьютерах). Обычный компьютер обрабатывает информацию «последовательно», а квантовый — «параллельно». Это означает, что обычный решает поставленную задачу методом последовательного перебора (просмотра, анализа) элементов информационного массива. Квантовый обрабатывает эти элементы одновременно. Это свойство радикально (на порядки) увеличивает скорость обработки информации.

Вычислительные элементы квантовых компьютеров построены на основе квантовых объектов — ионов, охлажденных атомов или фотонов, способных находиться в суперпозиции нескольких физических состояний, что позволяет им одновременно, то есть за один такт, делать сразу множество вычислений. Сколько элементов информационного массива квантовый компьютер может одновременно обрабатывать, зависит от его мощности. Мощность квантового компьютера характеризуется особым параметром — количеством связанных между собой «кубитов» (qbit: q — квантовый, bit — принятое в IT обозначение единицы количества информации). Кубит — это основной элемент квантового компьютера.

Принципиально важно не просто число кубитов у компьютера, но их связанность между собой. По этой причине компьютер, с большим числом кубитов может оказаться менее мощным, по сравнению с другим, у которого кубитов меньше, зато все они связаны. Для полноценной работы квантового компьютера необходима также адекватная архитектура: квантовая память, коммуникационные каналы связи между отдельными элементами компьютера (материнской платой, памятью и т.п.).

— Согласны ли Вы с прогнозами специалистов, что полноценный квантовый компьютер появится уже лет через 5, максимум 10?

— Мировые гиганты энергично занялись этой темой, так что прорыв не за горами. Но вряд ли они управятся за 5 лет. Скорее — за 10.

— А что тормозит процесс?

— Прежде всего, необходимо добиться наиболее эффективной работы процессора на базе кубитов. Для этого надо решить ряд технологических задач. Во-первых, нужно обеспечить достаточно большое время жизни кубитов в связанном состоянии, потому что связь кубитов между собой весьма непрочна и ее нужно укреплять. Во-вторых, рабочая среда для кубитов должна быть сверхпроводящей (для таких сред получены наилучшие результаты), причем, температура рабочей среды должна быть очень низкой — доли кельвина. Обеспечить это очень непросто.

Помимо процессора, для полноценной работы компьютера необходима адекватная архитектура. В частности, квантовая память, коммуникационные каналы связи между отдельными элементами компьютера (материнской платой, памятью и т.п.).

Все эти условия еще не созданы ни одним из разработчиков, так что полноценного квантового компьютера пока не существует, а есть только прототипы.

— Какими характеристиками должен обладать квантовый компьютер, чтобы он мог решить задачу, непосильную современным компьютерам?

— Кардинально изменит отрасль компьютер с 1000 связанных кубитов. Такой процессор позволяет решать задачи, которые невозможно решать никакими существующими средствами в обозримые сроки (хотя бы за несколько лет) и за разумные финансовые затраты. В частности, такой квантовый компьютер способен разложить весь объем кодов современного интернета за срок, порядка одного года. Эта задача сейчас не по силам ни одной из современных традиционных вычислительных систем.

ЗАЩИТА УЖЕ ЕСТЬ

— Квантовые технологии используются не только в компьютер

www.rbc.ru