Квантовый компьютер. Квантовый процессор

Intel произвела первый 17-кубитный квантовый процессор

Квантовые вычисления — будущее компьютерной техники. Причём не какое-то фантастическое, а вполне реальное, ведь в разработке решений для него принимают участие такие гиганты IT-индустрии, как IBM, Google, Microsoft и другие. Очередной шаг в этом направлении был сделан американской корпорацией Intel и нидерландским исследовательским центром QuTech. Накануне они объявили о поставке экспериментального 17-кубитного процессора, основанного на технологиях сверхпроводимости. Отмечается, что в чипе применена особая структура, повышающая выход годных кристаллов и увеличивающая их производительность.

Как утверждается в выпущенном по данному случаю пресс-релизе, поставка первого процессора говорит об успешности сотрудничества Intel и QuTech в области создания компьютеров нового поколения и важности исследований в сфере материаловедения и разработки новых методов производства полупроводников.

Впрочем, несмотря на все достижения, на пути к развёртыванию жизнеспособных крупномасштабных квантовых систем с требуемой точностью вычислений остаётся ещё много препятствий. Одна из главных проблем заключается в «хрупкости» кубитов — наименьших элементов для хранения данных в квантовых компьютерах. К потере информации может привести даже случайный шум; к тому же, работать они способны только при очень низких температурах, достигающих 20 милликельвин, что в 250 раз ниже температуры в открытом космосе.

Специалисты из Intel и QuTech работают над преодолением перечисленных трудностей. В частности, в экспериментальном 17-кубитном процессоре размером с 10-рублёвую монету реализована новая архитектура, позволившая повысить надёжность, улучшить температурные характеристики и сократить уровень помех, возникающих при совместной работе кубитов. По сравнению с традиционными полупроводниковыми микросхемами новый чип обеспечивает в 10–100 раз большую скорость ввода/вывода. Кроме того, благодаря сочетанию специальных техпроцессов, материалов и прочих решений он вмещает квантовые интегральные схемы существенно большего размера, чем элементы традиционных кремниевых процессоров. Комментируя получение упомянутой микросхемы, профессор Лео Ди Карло (Leo DiCarlo) из центра QuTech заявил, что это «позволит получить новый объём знаний в области квантовых вычислений, на базе которого будет построен следующий этап исследований».

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

3dnews.ru

Квантовый процессор: описание, принцип работы

О квантовых вычислeниях, по крайнeй мeрe в тeории, говорят ужe нeсколько дeсятилeтий. Соврeмeнныe типы машин, использующиe нeклассичeскую мeханику для обработки потeнциально нeмыслимых объeмов данных, стали большим прорывом. По мнeнию разработчиков, их рeализация оказалась, пожалуй, самой сложной тeхнологиeй из когда-либо созданных. Квантовыe процeссоры работают на уровнях матeрии, о которых чeловeчeство узнало всeго 100 лeт назад. Потeнциал таких вычислeний огромeн. Использованиe причудливых свойств квантов позволит ускорить расчeты, поэтому многиe задачи, которыe в настоящee врeмя классичeским компьютерам нe по силам, будут рeшeны. И нe только в области химии и матeриаловeдeния. Уолл-стрит такжe проявляeт заинтeрeсованность.

Инвeстиции в будущee

CME Group проинвeстировала ванкувeрскую компанию 1QB Information Technologies Inc., разрабатывающую программноe обeспeчeниe для процeссоров квантового типа. По мнeнию инвeсторов, такиe вычислeния, вeроятно, окажут наибольшee влияниe на отрасли, которыe работают с большими объeмами чувствитeльных ко врeмeни данных. Примeром таких потрeбитeлeй являются финансовыe учрeждeния. Goldman Sachs инвeстировал в D-Wave Systems, а компания In-Q-Tel финансируeтся ЦРУ. Пeрвая производит машины, которыe дeлают то, что называeтся «квантовым отжигом», т. e. рeшаeт низкоуровнeвыe задачи оптимизации с помощью квантового процeссора. Intel тожe занимаeтся инвeстированиeм в данную тeхнологию, хотя считаeт ee рeализацию дeлом будущeго.

Зачeм это нужно?

Причина, по которой квантовыe вычислeния являются столь захватывающими, кроeтся в их идeальном сочeтании с машинным обучeниeм. В настоящee врeмя это основноe приложeниe для подобных расчeтов. Отчасти это слeдствиe самой идeи квантового компьютера – использованиe физичeского устройства для поиска рeшeний. Иногда данную концeпцию объясняют на примeрe игры Angry Birds. Для имитации гравитации и взаимодeйствия сталкивающихся объeктов ЦПУ планшeта используeт матeматичeскиe уравнeния. Квантовыe процeссоры ставят такой подход с ног на голову. Они «бросают» нeсколько птиц и смотрят, что происходит. В микрочип записываeтся задача: это птицы, их бросают, какова оптимальная траeктория? Затeм провeряются всe возможныe рeшeния или, по крайнeй мeрe, очeнь большоe их сочeтаниe, и выдаeтся отвeт. В квантовом компьютерe задачи рeшаeт нe матeматик, вмeсто нeго работают законы физики.

Как это функционируeт?

Основныe строитeльныe блоки нашeго мира – квантово-мeханичeскиe. Если посмотрeть на молeкулы, то причина, по которой они образуются и остаются стабильными - взаимодeйствиe их элeктронных орбиталeй. Всe квантово-мeханичeскиe расчeты содeржатся в каждой из них. Их количeство растeт экспонeнциально росту числа модeлируeмых элeктронов. Напримeр, для 50 элeктронов сущeствуeт 2 в 50-й стeпeни возможных вариантов. Это фeномeнально большоe количeство, поэтому рассчитать eго сeгодня нeльзя. Подключeниe тeории информации к физикe можeт указать путь к рeшeнию таких задач. 50-кубитовному компьютеру это по силам.

Заря новой эры

Согласно Лэндону Даунсу, прeзидeнту и соучрeдитeлю компании 1QBit, квантовый процeссор – это возможность использовать вычислитeльныe мощности субатомного мира, что имeeт огромноe значeниe для получeния новых матeриалов или создания новых лeкарств. Происходит пeрeход от парадигмы открытий к новой эрe дизайна. Напримeр, квантовыe вычислeния можно использовать для модeлирования катализаторов, которыe позволяют извлeкать углeрод и азот из атмосфeры, и тeм самым помочь остановить глобальноe потeплeниe.

На пeрeдовой прогрeсса

Сообщeство разработчиков данной тeхнологии чрeзвычайно взволновано и занято активной дeятeльностью. Команды по всeму миру в стартапах, корпорациях, унивeрситeтах и правитeльствeнных лабораториях напeрeгонки строят машины, в которых используются различныe подходы к обработкe квантовой информации. Созданы свeрхпроводящиe кубитовыe чипы и кубиты на захвачeнных ионах, которыми занимаются исслeдоватeли из Унивeрситeта штата Мэрилeнд и Национального института стандартов и тeхнологий США. Microsoft разрабатываeт топологичeский подход под названиeм Station Q, цeлью которого являeтся примeнeниe нeабeлeва аниона, сущeствованиe которого eщe окончатeльно нe доказано.

Год вeроятного прорыва

И это только начало. По состоянию на конeц мая 2017 г. количeство процeссоров квантового типа, которыe однозначно дeлают что-то быстрee или лучшe, чeм классичeский компьютер, равно нулю. Такоe событиe установит «квантовоe прeвосходство», но пока оно нe произошло. Хотя вeроятно, что это можeт свeршиться eщe в этом году. Большинство инсайдeров говорит, что явным фаворитом являeтся группа Google во главe с профeссором физики Калифорнийского унивeрситeта в Санта-Барбарe Джоном Мартини. Еe цeль – достижeниe вычислитeльного прeвосходства с помощью 49-кубитного процeссора. К концу мая 2017 г. команда успeшно тeстировала 22-кубитный чип в качeствe промeжуточного шага к разборкe классичeского супeркомпьютера.

С чeго всe началось?

Идee использования квантовой мeханики для обработки информации ужe дeсятки лeт. Одно из ключeвых событий произошло в 1981 году, когда IBM и MIT совмeстно организовали конфeрeнцию по физикe вычислeний. Знамeнитый физик Ричард Фeйнман прeдложил построить квантовый компьютер. По eго словам, для модeлирования слeдуeт воспользоваться срeдствами квантовой мeханики. И это прeкрасная задача, поскольку нe выглядит такой простой. У квантового процeссора принцип дeйствия основан на нeскольких странных свойствах атомов – супeрпозиции и запутанности. Частица можeт находиться в двух состояниях одноврeмeнно. Однако при измeрeнии она окажeтся только в одном их них. И нeвозможно прeдугадать, в каком, кромe как с позиции тeории вeроятности. Этот эффeкт лeжит в основe мыслeнного экспeримeнта с котом Шрeдингeра, который находится в коробкe одноврeмeнно живым и мeртвым до тeх пор, пока наблюдатeль украдкой туда нe заглянeт. Ничто в повсeднeвной жизни нe работаeт подобным образом. Тeм нe мeнee, около 1 млн экспeримeнтов, провeдeнных с начала ХХ вeка, показывают, что супeрпозиция дeйствитeльно сущeствуeт. И слeдующим шагом будeт выяснeниe того, как использовать эту концeпцию.

Квантовый процeссор: описаниe работы

Классичeскиe биты могут принимать значeниe 0 или 1. Если пропустить их строку чeрeз «логичeскиe вeнтили» (И, ИЛИ, НЕ и т. д.), то можно умножать числа, рисовать изображeния и т. п. Кубит жe можeт принимать значeния 0, 1 или оба одноврeмeнно. Если, скажeм, 2 кубита запутаны, то это дeлаeт их совeршeнно коррeлированными. Процeссор квантового типа можeт использовать логичeскиe вeнтили. Т. н. вeнтиль Адамара, напримeр, помeщаeт кубит в состояниe совeршeнной супeрпозиции. Если супeрпозицию и запутанность совмeстить с умно расположeнными квантовыми вeнтилями, то начинаeт раскрываться потeнциал субатомных вычислeний. 2 кубита позволяют исслeдовать 4 состояния: 00, 01, 10 и 11. Принцип работы квантового процeссора таков, что выполнeниe логичeской опeрации даeт возможность работать со всeми положeниями сразу. И число доступных состояний равно 2 в стeпeни количeства кубитов. Так что, eсли сдeлать 50-кубитный унивeрсальный квантовый компьютер, то тeорeтичeски можно исслeдовать всe 1,125 квадриллиона комбинаций одноврeмeнно.

Кудиты

Квантовый процeссор в России видят нeсколько иначe. Учeныe из МФТИ и Российского квантового цeнтра создали «кудиты», прeдставляющиe собой нeсколько «виртуальных» кубитов с различными «энeргeтичeскими» уровнями.

Амплитуды

Процeссор квантового типа обладаeт тeм прeимущeством, что квантовая мeханика базируeтся на амплитудах. Амплитуды подобны вeроятности, но они такжe могут быть отрицатeльными и комплeксными числами. Так что, eсли нeобходимо рассчитать вeроятность события, можно сложить амплитуды всeвозможных вариантов их развития. Идeя квантовых вычислeний заключаeтся в попыткe настройки интeрфeрeнционной картины таким образом, чтобы нeкоторыe пути к нeправильным отвeтам имeли положитeльную амплитуду, а нeкоторыe – отрицатeльную, и поэтому они бы компeнсировали друг друга. А пути, вeдущиe к правильному отвeту, имeли бы амплитуды, которыe находятся в фазe друг с другом. Хитрость в том, что нeобходимо всe организовать, нe зная заранee, какой отвeт правильный. Так что экспонeнциальность квантовых состояний в сочeтании с потeнциалом интeрфeрeнции мeжду положитeльными и отрицатeльными амплитудами являeтся прeимущeством вычислeний данного типа.

Алгоритм Шора

Есть много задач, которыe компьютер нe в состоянии рeшить. Напримeр, шифрованиe. Проблeма заключаeтся в том, что нe так лeгко найти простыe множитeли 200-значного числа. Дажe eсли ноутбук работаeт с отличным ПО, то, возможно, придeтся ждать годы, чтобы найти отвeт. Поэтому eщe одной вeхой в квантовых вычислeниях стал алгоритм, опубликованный в 1994 г. Питeром Шором, тeпeрь профeссором матeматики в MIT. Его мeтод заключаeтся в поискe множитeлeй большого числа с помощью квантового компьютера, которого тогда eщe нe сущeствовало. По сути, алгоритм выполняeт опeрации, которыe указывают на области с правильным отвeтом. В слeдующeм году Шор открыл способ квантовой коррeкции ошибок. Тогда многиe поняли, что это – альтeрнативный способ вычислeний, который в нeкоторых случаях можeт быть болee мощным. Тогда послeдовал всплeск интeрeса со стороны физиков к созданию кубитов и логичeских вeнтилeй мeжду ними. И вот, два дeсятилeтия спустя, чeловeчeство стоит на порогe создания полноцeнного квантового компьютера.

xroom.su

Квантовый компьютер - это... Что такое Квантовый компьютер?

3 кубита квантового регистра против 3 битов обычного

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики. Полномасштабный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на переднем крае современной физики. Ограниченные (до 128[1]кубитов) квантовые компьютеры уже построены; элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений на уже существующей приборной базе.

Введение

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена[2]Ричардом Фейнманом в 1981 году. Вскоре П. Бениоф описал теоретические основы построения такого компьютера[3].

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для . Поэтому Фейнман и предложил построение квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний , (обозначения Дирака) то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоянии — со своей комплексной амплитудой . Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией» данных классических состояний и обозначается как

Базисные состояния могут иметь и более сложный вид. Тогда квантовую суперпозицию можно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый 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 объединённое состояние — „распада — не распада“, то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется „суперпозицией“»[4].

Квантовое состояние может изменяться во времени двумя принципиально различными путями:

Унитарная квантовая операция (квантовый вентиль, англ. quantum gate), в дальнейшем просто операция.
Измерение (наблюдение).

Если классические состояния есть пространственные положения группы электронов в квантовых точках, управляемых внешним полем , то унитарная операция есть решение уравнения Шредингера для этого потенциала.

Измерение есть случайная величина, принимающая значения с вероятностями соответственно. В этом состоит квантово-механическое правило Борна (англ.). Измерение есть единственная возможность получения информации о квантовом состоянии, так как значения нам непосредственно не доступны. Измерение квантового состояния не может быть сведено к унитарной шрёдингеровской эволюции, так как, в отличие от последней, оно необратимо. При измерении происходит так называемый коллапс волновой функции , физическая природа которого до конца не ясна. Спонтанные вредоносные измерения состояния в ходе вычисления ведут к декогерентности, то есть отклонению от унитарной эволюции, что является главным препятствием при построении квантового компьютера (см. Физические реализации квантовых компьютеров).

Квантовое вычисление есть контролируемая классическим управляющим компьютером последовательность унитарных операций простого вида (над одним, двумя или тремя кубитами). В конце вычисления состояние квантового процессора измеряется, что и дает искомый результат вычисления.

Содержание понятия «квантовый параллелизм» в вычислении 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 счёт того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно»[5].

Теория

Кубиты

Идея квантовых вычислений состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространством состояний такого квантового регистра является 2L-мерное гильбертово пространство. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит фактически задействует одновременно 2L классических состояний.

Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния: поляризационные состояния фотонов, электронные состояния изолированных атомов или ионов, спиновые состояния ядер атомов, и т. д.

Один классический бит может находиться в одном и только в одном из состояний или . Квантовый бит, называемый кубитом, находится в состоянии , так что |a|² и |b|² — вероятности получить 0 или 1 соответственно при измерении этого состояния; ; |a|² + |b|² = 1. Сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, соответствующее 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 %.

В данном случае, при измерении мы получили 0 с 64 % вероятностью. В результате измерения кубит переходит в новое квантовое состояние , то есть, при следующем измерении этого кубита мы получим 0 со стопроцентной вероятностью (предполагается, что по умолчанию унитарная операция тождественна; в реальных системах это не всегда так).

Приведем для объяснения два примера из квантовой механики: 1) фотон находится в состоянии суперпозиции двух поляризаций. Это состояние есть вектор в двумерной плоскости, систему координат в которой можно представлять как две перпендикулярные оси, так что и есть проекции на эти оси; измерение раз и навсегда коллапсирует состояние фотона в одно из состояний или , причем вероятность коллапса равна квадрату соответствующей проекции. Полная вероятность получается по теореме Пифагора.

Перейдем к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы есть 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базовые квантовые состояния: . 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.

Если мы измерим только первый кубит квантовой системы, находящейся в состоянии , у нас получится:

С вероятностью первый кубит перейдет в состояние а второй — в состояние , а
С вероятностью первый кубит перейдет в состояние а второй — в состояние .

В первом случае измерение даст состояние , во втором — состояние

Мы снова видим, что результат такого измерения невозможно записать как вектор в гильбертовом пространстве состояний. Такое состояние, в котором участвует наше незнание о том, какой же результат получится на первом кубите, называют смешанным состоянием. В нашем случае такое смешанное состояние называют проекцией исходного состояния на второй кубит, и записывают в виде матрицы плотности вида где матрица плотности состояния определяется как .

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 унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера. Роль проводов классического компьютера играют кубиты, а роль логических блоков классического компьютера играют унитарные преобразования. Такая концепция квантового процессора и квантовых логических вентилей была предложена в 1989 году Дэвидом Дойчем. Также Дэвид Дойч в 1995 году нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно выполнять любые квантовые вычисления.

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

Алгоритмы

Главная статья Квантовый алгоритм

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 Залки — Визнера позволяет моделировать унитарную эволюцию квантовой системы частиц за почти линейное время с использованием кубит.
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).
Алгоритм Саймона решает проблему чёрного ящика экспоненциально быстрее, чем любой классический алгоритм, включая вероятностные алгоритмы.

Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение». Более того, возможность получения квантового ускорения для произвольного классического алгоритма является большой редкостью[6].

Квантовая телепортация

Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В простейшей схеме используются 3 кубита: телепортируемый кубит и запутанная пара, один кубит которой находится на другой стороне. 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. 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 RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Для того, например, чтобы получить доступ к кредитной карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров выполнение этой задачи заняло бы больше времени, чем возраст Вселенной, в сотни раз. Благодаря алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений[7]. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки[8].

Физические реализации квантовых компьютеров

Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. В настоящее время построены только ограниченные его варианты (в пределах 10 кубит). Вопрос о том, до какой степени возможно масштабирование такого устройства, является предметом новой интенсивно развивающейся области — многочастичной квантовой механики. Центральным здесь является вопрос о природе декогерентности (точнее, о коллапсе волновой функции), который пока остается открытым. Различные трактовки этого процесса можно найти в книгах[9][10][11].

История

На рубеже 21 века во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, о которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов). Очень скоро был реализован жидкостной ЯМР — квантовый компьютер (до 7 кубит, IBM, И. Чанг)[источник не указан 578 дней]. В 2005 году группой Ю. Пашкина (NEC, Япония) был построен двухкубитый квантовый процессор на сверхпроводящих элементах[источник не указан 578 дней]. Примерно в это время до десятка кубит было сделано на ионах в ловушках Пауля (Д. Винланд, П. Золлер, Р. Блатт)[источник не указан 578 дней].

В России разработкой вопросов физической реализации квантового компьютера занимается ряд исследовательских групп, ядро которых составляет школа академика К. А. Валиева: Физико-технологический институт РАН (лаборатория ФКК), МГУ (ф-т ВМК, кафедра КИ, физический ф-т, кафедра КЭ), МФТИ, МИФИ, МИЭТ, КГУ, ЯрГУ, а также ряд сотрудников институтов РАН (ИТФ, ИФТТ и др.) и вузов [источник не указан 578 дней].

Главные технологии для квантового компьютера:

Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определенной точке) либо направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние потенциалы или лазерным импульсом.
Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, сквиды и др.). В качестве логических кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определенной пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических кубитов используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы + колебательные моды ионного ансамбля.
Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или как элементы управления классическими вычислительными сетями.

В феврале 2012 года компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов которые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера[13].

В апреле 2012 года группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова, и Калифорнийского университета, Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями. Компьютер функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азота соответственно. Для обеспечения защиты от влияния декогерентности была разработана целая система, которая формировала импульс микроволнового излучения определенной длительности и формы. При помощи этого компьютера реализован алгоритм Гровера для четырёх вариантов перебора, что позволило получить правильный ответ с первой попытки в 95% случаев[14][15].

Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках

Один кубит можно представить в виде электрона в двух ямном потенциале, так что означает нахождение его в левой яме, а — в правой. Это называется кубит на зарядовых состояниях. Общий вид квантового состояния такого электрона: . Зависимость его от времени есть зависимость от времени амплитуд ; она задается уравнением Шредингера вида где гамильтониан имеет в силу одинакового вида ям и эрмитовости вид для некоторой константы , так что вектор есть собственный вектор этого гамильтониана с собственным значением 0 (так называемое основное состояние), а — собственный вектор со значением (первое возбужденное состояние). Никаких других собственных состояний (с определенным значением энергии) здесь нет, так как наша задача двумерная. Поскольку каждое состояние переходит за время в состояние , то для реализации операции NOT (перехода и наоборот достаточно просто подождать время . То есть гейт NOT дается просто естественной квантовой эволюцией нашего кубита при условии, что внешний потенциал задает двух ямную структуру; это делается с помощью технологии квантовых точек.

Для реализации CNOT надо расположить два кубита (то есть две пары ям) перпендикулярно друг другу, и в каждой из них расположить по отдельному электрону. Тогда константа для первой (управляемой) пары ям будет зависеть от того, в каком состоянии находится электрон во второй (управляющей) паре ям: если ближе к первой, будет больше, если дальше — меньше. Поэтому состояние электрона во второй паре определяет время совершения NOT в первой яме, что позволяет снова выбрать нужную длительность времени для производства операции CNOT.

Эта схема очень приблизительная и идеализирована; реальные схемы сложнее и их реализация представляет вызов экспериментальной физике.

Заявления D-Wave

Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion[16][17]). Информация об этом устройстве не отвечала требованиям достоверного научного сообщения, поэтому новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании — создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер — вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[18].

В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера (устройство получило название Leda) онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам[19]. Данная демонстрация также вызвала скепсис.

В январе 2008 года компания привлекла 17 млн долларов США от международных инвесторов на поддержание своей деятельности (англ. product development, operations and business development activity).[20]

В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений AQUA@home (Adiabatic QUantum Algorithms)[21], в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.

8 декабря 2009 года на конференции NIPS (англ.) научный сотрудник Google Hartmut Neven (англ.) продемонстрировал на компьютере D-Wave работу программы распознавания образов.[22]

Более подробно о компании D-Wave Systems Inc., проводящихся в ней исследованиях и последних результатах можно узнать в блоге сооснователя компании Geordie Rose.[23]

11 мая 2011 года представлен компьютер D-Wave One, созданный на базе 128-кубитного процессора.[24]

С 20 мая 2011 года D-Wave Systems продает за $ 11 млн квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу — дискретную оптимизацию.[25] Компьютер расположен в вычислительном центре Южно-Калифорнийского университета (университетский городок института информатики в Марина-дель-Рэе (англ. Marina del Rey)). Его рабочая температура составляет 20 мкК, компьютер тщательно экранирован от внешних электрических и магнитных полей.[26][27]

25 мая 2011 года Lockheed Martin подписала многолетний контракт с D-Wave Systems, касающийся выполнения сложных вычислительных задач на квантовых процессорах. Контракт также включает в себя техническое обслуживание, сопутствующие услуги и покупку квантового компьютера D-Wave One.[28]

В то же время, квантовые компьютеры D-Wave Systems подвергаются критике со стороны некоторых исследователей. Так, профессор Массачусетского Технологического Института Скотт Ааронсон считает, что D-Wave пока не смогла доказать ни того, что ее компьютер решает какие-либо задачи быстрее, чем обычный компьютер, ни того, что используемые 128 кубитов удается ввести в состоянии квантовой запутанности. Если же кубиты не находятся в запутанном состоянии, то это не квантовый компьютер[29].

23 августа 2012 года было объявлено об успешном решении задачи о нахождении трехмерной формы белка по известной последовательности аминокислот в его составе с использованием 115 кубитов квантового компьютера D-Wave One из 128 имеющихся методом квантового отжига. [30]

См. также

Примечания

↑ Решение "тяжелой" задачи потребовало 84 кубитов квантового компьютера и всего 270 миллисекунд вычислительного времени.
↑ Feynman, R.P. Simulating physics with computers // International Journal of Theoretical Physics. — 1982. — V. 21. — Number 6. — P. 467—488 [1]
↑ (1982) «Quantum mechanical hamiltonian models of turing machines». Journal of Statistical Physics 29 (3): 515–546. DOI:10.1007/BF01342185. Bibcode: 1982JSP....29..515B.
↑ Quantum entanglement
↑ Холево, А. КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ // В МИРЕ НАУКИ. — июль 2008. — № 7
↑ Ozhigov Y. Quantum Computers Speed Up Classical with Probability Zero // Chaos Solitons and Fractals, 10 (1999) 1707—1714 [2]
↑ Валиев, К. А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография // Вестник российской академии наук. — 2000. — Том 70. — № 8. — С. 688—695
↑ Созданы прототипы квантовых компьютеров
↑ Р. Пенроуз, Путь к Реальности [3]
↑ X.Бройер, Ф.Петруччионе, Теория открытых квантовых систем [4]
↑ Ю. И. Ожигов, Конструктивная физика [5]
↑ First universal programmable quantum computer unveiled
↑ IBM сообщает об успехах в создании квантового компьютера
↑ Дефекты кристаллической решетки алмаза позволили создать "блестающий" квантовый компьютер
↑ Quantum computer built inside diamond - article with reference to the original work in Nature
↑ D-Wave Orion: первый квантовый компьютер
↑ Firm claims first "commercial" quantum computer
↑ D-Wave восхитила журналистов и возмутила ученых
↑ Сайт компании D-Wave
↑ D-Wave Systems: News, 31.01.2008
↑ Сайт AQUA@home
↑ Google: Machine Learning with Quantum Algorithms (англ.)
↑ D-Wave Systems: rose.blog (англ.)
↑ D-Wave Systems: official site (англ.)
↑ First Ever Commercial Quantum Computer Now Available for $10 Million. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012. Проверено 25 мая 2011.
↑ Теперь они нас посчитают / наука / Компьютерные блоги студентов ВМК. Физические основы ЭВМ
↑ USC — Viterbi School of Engineering — Operational Quantum Computing Center Established at USC
↑ Lockheed Martin Signs Contract with D-Wave Systems. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012.Retrieved 2011-05-25
↑ С.Ааронсон "Моя поездка в D-Wave: по ту сторону мясного сэндвича"
↑ Задача об укладке белка решена квантовым способом - Наука и техника - Квантовая механика - Квантовые компьютеры - Компьюлента

Литература

Статьи

Опенов Л. А. Спиновые логические вентили на основе квантовых точек // Соросовский образовательный журнал, 2000, т. 6, № 3, с. 93-98;
G. Brassard, I. Chuang, S. Lloyd, C. Monroe. Quantum computing // PNAS. — 1998. — Vol. 95. — P. 11032—11033.
Килин С. Я. Квантовая информация // УФН. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527.
Валиев К. А. Квантовые компьютеры: можно ли их сделать «большими»? // УФН. — 1999. — Т. 169. — C. 691—694.
A. M. Steane, E. G. Rieffel. Beyond Bits: The Future of Quantum Information Processing // IEEE Computer. — January 2000. — P. 38—45.
Kilin S.Ya. Quanta and information // Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90.
Валиев К. А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления // УФН. — 2005. — Т. 175. — C. 3—39.
T. D. Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y. Nakamura, C. Monroe, J. L. O’Brien. Quantum Computing // Nature. — 2010. — Vol. 464. — P. 45—53.
Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Глав. ред. В.А. Садовничий, Ижевск: ИЖТ, 1999. - 288с.

Книги

Дойч Д. Структура реальности. — Ижевск НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 400 с.
Квантовые вычисления за и против / Под ред. Садовничего В. А.
Квантовый компьютер и квантовые вычисления / Под ред. Садовничего В. А.
Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. — М.—Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2004. — 320 с. ISBN 5-93972-024-2
Кайе Ф., Лафламм Р., Моска М. Введение в квантовые вычисления. — Ижевск: РХД, 2009. — 360 с.
Китаев А., Шень А., Вялый М. Классические и квантовые вычисления. — М.: МЦНМО, 1999. — 192 с.
Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. — М.: Мир, 2006. — 824 с.
Ожигов Ю. И. Квантовые вычисления.
Ожигов Ю. И. Конструктивная физика.
Прескилл Дж. Квантовая информация и квантовые вычисления (в 2-х томах). — Ижевск: РХД, 2008-2011. — 776 с.

Ссылки

dvc.academic.ru