Меню

Квантовые компьютеры — для чайников

Квантовые технологии. Модуль 4

Узнайте, как выглядит практическая реализация квантовых компьютеров

В этом модуле вы узнаете:

• как и из чего создают составные элементы квантовых компьютеров — кубиты;
• какие преимущества и недостатки есть у разных типов квантовых систем;
• как устроены и как создают самый распространенный тип кубитов — сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона;
• о конкретных попытках создания квантовых вычислительных устройств;
• о путях преодоления ошибок в квантовых устройствах.

Элементы квантовых компьютеров — кубиты — могут представлять собой самые разные объекты: холодные атомы, фотоны, дефекты в кристаллической решетке, но самым популярным и перспективным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Их использует для своих симуляторов компания D-Wave, на них основаны процессоры IBM и Intel.

Однако пока существующие квантовые вычислители — либо симуляторы, способные решать только одну задачу, либо экспериментальные компьютеры с небольшим количеством кубитов. Ни те, ни другие еще не способны показать результаты, однозначно свидетельствующие о том, что удалось достичь квантового превосходства, — рубежа, где квантовые компьютеры покажут, что им под силу задачи, которые либо вовсе недоступны для обычных компьютеров, либо требуют значительно больших ресурсов. Главное препятствие — декогеренция, потеря кубитами квантового состояния, и неизбежные вследствие этого ошибки.

Типы кубитов

Оглавление

Модуль 4. Практическая реализация квантовых компьютеров

Кубиты — квантовые биты, из которых строится квантовый компьютер, — можно создавать на базе очень разных физических объектов. Главное, чтобы система могла находиться в состоянии суперпозиции.

Это могут быть ультрахолодные атомы, сверхпроводящие квантовые цепи, фотоны и другие квантовые системы. У каждой из этих систем есть свои преимущества и недостатки.

На этой видеозаписи эксперты Сколтеха рассказывают, из чего можно создать квантовый симулятор:

Нейтральные атомы

В качестве кубита можно использовать атомы, в которых данные «кодируются» в состояниях электронов. Как было рассказано в предыдущих модулях, электроны в атомах находятся в дискретном наборе энергетических состояний и могут переходить с одного уровня на другой, поглощая или испуская фотон определенной энергии.

В состояниях атомов можно кодировать информацию — например, невозбужденное состояние атома можно считать «нулем» (обозначается как |0>), а «единицей» — возбужденное состояние (обозначается как |1>). Как любой другой квантовый объект, атом может находиться в суперпозиции этих двух состояний, а значит, может работать как кубит.

Для кубитов удобно использовать атомы с неспаренным электроном на внешней орбите, где возможны сверхтонкие (hyperfine) энергетические переходы (те же самые, что используются в атомных часах). Наиболее удобны здесь атомы цезия, лития или рубидия.

Однако создать массив таких атомов-кубитов, привести их все в нужное состояние и удержать в нем — непростая технологическая задача.

Прежде всего необходимо избавиться от лишнего тепла, поскольку тепловой шум не позволит контролировать состояния атомов. Для того чтобы довести кубиты до температуры, близкой к абсолютному нулю, используется лазерное охлаждение, то есть облучение лазером определенной длины волны, заставляющим атомы поглощать и испускать фотоны, что влияет на их момент и, следовательно, на температуру.

Вторая проблема — удержать атомы на месте. Ученые подвешивают их в оптических ловушках, представляющих собой серии скрещивающихся лазерных лучей, на пересечении которых образуются стоячие электромагнитные волны.

Во впадинах этих волн и «висят» атомы. Их квантовым состоянием управляют с помощью еще одного лазера.

Атомы в оптической решетке

При этом атомы оказываются в состоянии ультрахолодного ферми-газа, если они являются фермионами, то есть суммарный спин электронов и нуклонов в них оказывается дробным.

Если атомы являются бозонами (с целым спином), как, например, атомы цезия, то они переходят в состояние бозе-эйнштейновского конденсата (специфическое квантовое состояние вещества, в котором все множество составляющих его частиц начинает вести себя как единый квантовый объект, поскольку все они обладают одинаковыми — минимальными — параметрами).

Странное поведение конденсата можно наблюдать даже макроскопически — оно проявляет себя, например, в сверхтекучести жидкого гелия, в сверхпроводимости.

Поэтому газ ультрахолодных атомов используют в качестве квантового симулятора для решения задач моделирования и изучения сверхпроводимости, а также других сильно взаимодействующих систем.

Примером квантового симулятора на базе холодных атомов может служить созданное группой под руководством профессора Гарварда Михаила Лукина 51-кубитное устройство. С его помощью ученые моделировали хорошо известную квантовую систему — модель Изинга, обычно используемую для описания магнитных свойств системы.

Схема квантового симулятора Лукина

Кубиты на NV-центрах

Разновидностью «атомных» кубитов можно считать так называемые NV-центры (или «центры окраски») в алмазах.

В некоторых случаях в регулярной кристаллической решетке алмазов могут возникать дефекты — например, один из атомов углерода может быть замещен атомом азота. В этом случае рядом с азотом в кристаллической решетке возникает «пустое место», вакансия.

Такого типа дефекты и называют NV-центрами. Именно они придают некоторым кристаллам алмазов желтоватый оттенок.

Вакансия заполняется электроном, чьим спином можно управлять с помощью магнитного поля. И как любой другой квантовый объект, электрон в NV-центре может находиться в суперпозиции двух спиновых состояний, а значит, может играть роль кубита.

Главное преимущество «алмазных» кубитов — хорошая устойчивость, электроны в них могут удерживать нужное состояние несколько секунд, что очень много по сравнению с другими типами кубитов. Кроме того, они могут успешно работать даже при комнатной температуре, то есть не требуют, как другие кубиты, громоздкого криогенного оборудования.

Вместе с тем, пока больших установок на базе NV-центров не создано, речь идет об отдельных логических элементах.

Наноалмазы с центрами окраски чувствительны к давлению и температуре и сегодня играют большую роль в создании квантовых сенсоров, поскольку они очень компактны и могут мерить температуру в единичной клетке.

Похожим образом работают одиночные атомы фосфора в кремнии, которыми управляют с помощью инфракрасного лазера, — кремний прозрачен в инфракрасном диапазоне.

Хотя спиновые кубиты на базе холодных атомов, NV-центров и атомов фосфора в кремнии достаточно удобны (они вполне устойчивы к декогеренции, могут «выживать» иногда несколько часов), создание из них больших массивов кубитов может порождать сложности.

Дело в том, что для работы таких массивов необходимо «организовать» взаимодействие между электронами, например для формирования пространственной суперпозиции. Но для формирования этой суперпозиции необходимы расстояния менее 30 нанометров, что слишком мало даже для самых современных нанотехнологических методов.

Выходом может быть создание кубитов на базе молекул. В частности, физики сегодня экспериментируют даже с кубитами на базе органических молекул — пептидов.

Сверхпроводящие квантовые цепи

Хотя у кубитов на базе единичных атомов есть ряд преимуществ — в частности, некоторые из них обладают подавленной декогерентностью, или достаточно большой устойчивостью к шумам, — наиболее широко применяются в качестве кубитов системы на базе так называемых искусственных атомов. Главным образом это сверхпроводящие квантовые системы.

Такие системы, как и кубиты других типов, могут находиться в состоянии суперпозиции, однако имеют значительно бóльшие размеры, а для их изготовления могут использоваться стандартные для современной микроэлектроники технологии литографии и напыления.

Ключевым элементом таких сверхпроводниковых кубитов является джозефсоновский контакт размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Он представляет собой два слоя проводника (сверхпроводящего металла), разделенные тонким слоем диэлектрика, чаще всего оксида металла.

Прежде считалось, что сверхпроводящий ток не может преодолевать этот слой, однако в 1962 году Брайан Джозефсон обнаружил, что ток может течь через барьер диэлектрика.

Электроны (а точнее, куперовские пары) могут переходить из одного слоя металла в другой сквозь диэлектрический слой оксида благодаря квантовому эффекту туннелирования, и в закольцованном проводнике ток может течь бесконечно долго.

Состояние контактов Джозефсона очень чувствительно к магнитным полям, поэтому их используют в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров (SQUID).

Кроме того, состояние джозефсоновских контактов начинает квантоваться, то есть в состоянии кубитов появляются четко выраженные уровни, связанные с направлением циркулирующего тока (у потоковых кубитов), электрическим зарядом (зарядовые кубиты) или его фазой (фазовые кубиты). Управлять такими кубитами можно с помощью микроволнового излучения.

Технология создания сверхпроводящих кубитов

Обычно джозефсоновский переход формируется при помощи напыления алюминия на подложку кремния или сапфира через маленькие (с размерами от 30 до 300 нанометров) окошки — маску, сделанную при помощи электронной литографии.

Алюминий разогревается в вакуумной установке до высоких температур, испаряется и затем осаждается на подложке.

После напыления на подложку тонкого слоя алюминия (толщиной несколько десятков нанометров) он окисляется в кислородной атмосфере, и возникает слой диэлектрика, близкого по химической формуле к сапфиру. Затем сверху напыляется другой слой алюминия, формируя два металлических слоя сверхпроводника, разделенных туннельным барьером.

Источник



Квантовые компьютеры — для «чайников»

Объясняем на лампочках и котиках, что такое квантовый компьютер.

Осенью прошлого года компания Google заявила, что достигла квантового превосходства. Звучит как что-то сложное и не очень нужное простому пользователю? Не совсем так. Суть этой новости в том, что сотрудники Google с помощью специального квантового компьютера смогли решить задачу, с которой даже очень крутой суперкомпьютер за разумное время не справится. Впечатляет, не так ли?

Читайте также:  Организация производственного процесса и нужное оборудование

К тому же это имеет прямое отношение к безопасности ваших данных, ведь многие защитные механизмы в цифровом мире основаны как раз на том, что их нельзя взломать за разумное время. Давайте разберемся, что это за квантовый компьютер такой и стоит ли опасаться, что киберпреступники начнут пользоваться им для взлома.

Что такое квантовый компьютер

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue, хранят все в битах — так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

Бит можно сравнить с лампочкой, которая либо включена (единица), либо выключена (ноль). Файл, лежащий на диске, для компьютера выглядит как набор лампочек, из которых одни горят, а другие — нет. Если взять очень много таких лампочек, то, включив одни и выключив другие, можно собрать хоть фразу «тут был Альберт», хоть Мону Лизу.

Но когда устройство решает какую-то задачу, оно включает и выключает лампочки, постоянно записывая и стирая результаты промежуточных вычислений, чтобы они не забивали память. Это занимает время, так что если задача очень сложная, компьютер будет думать долго.

Квантовые компьютеры, в отличие от своих старших братьев, хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только «включаться» и «выключаться», но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.

Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства. Например, в Google утверждают, что их квантовая машина Sycamore за три с небольшим минуты провела вычисления, над которыми обычный суперкомпьютер в теории бился бы 10 000 лет! Вот это и называют серьезным термином «квантовое превосходство».

Квантовые компьютеры в жизни

Итак, квантовые компьютеры очень быстро решают очень сложные задачи. Но почему они тогда просто не вытеснили медленные классические системы? Дело в том, что эта технология еще молода, а состояние «моргающей лампочки» — очень нестабильное, и чем больше в системе кубитов, тем труднее его поддерживать. А доступность сложных вычислений зависит в том числе от количества кубитов: с помощью двух лампочек, пусть и очень крутых, Мону Лизу не нарисуешь.

Есть и другие проблемы, мешающие квантовым компьютерам полностью заменить предшественников. Вы помните, что они обрабатывают информацию принципиально иначе? Это значит, что и программы для них нужны совершенно другие. На квантовый компьютер нельзя просто взять и установить Windows — надо с нуля разрабатывать специальную квантовую ОС и специальные же квантовые приложения.

И хотя такие попытки уже предпринимают ученые и IT-гиганты, пока что квантовые компьютеры работают примерно как внешние жесткие диски — подключаются к обычным компьютерам и управляются через них. И используются они для решения узкого круга задач — например, для моделирования атома водорода или поиска по базам данных. А вот выйти в Интернет или посмотреть видео с котиками с помощью квантового компьютера не получится.

Тем не менее многие считают квантовые вычисления перспективными. Первая компания, продающая бизнесу квантовые компьютеры, появилась еще в 1999 году. Сейчас в это направление вкладываются крупные организации, такие как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская Toshiba и китайские Alibaba и Baidu. В 2019 году квантовыми технологиями заинтересовались и российские власти.

Правда, тут стоит оговориться: задача, которую решили в Google, не имеет никакой практической пользы, кроме демонстрации возможностей квантовых технологий. Погружаться в ее суть мы не будем, потому что это действительно сложно и не очень нужно обычному пользователю. Но если вы очень хотите убедиться в этом лично, описание задачи есть в отчете Google.

А еще не все согласны с утверждением Google про 10 000 лет. В IBM, например, уверены, что суперкомпьютер сможет решить эту же задачу пусть и не за три минуты, но всего за два с лишним дня. Хотя это, в общем-то, тоже ощутимая разница.

Квантовые компьютеры (пока) не угроза

Как видите, квантовые компьютеры до сих пор — скорее игрушка для ученых, чем потребительские устройства или инструмент взломщика. Что, конечно, не значит, что в будущем они не станут ближе к жизни (и опаснее). Впрочем, эксперты в области защиты данных уже сейчас готовят на них управу. Но об этом — в следующий раз.

Источник

Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер

Это прорыв в технологиях или очередной биткоин?

Сейчас много говорят о новых технологиях вычисления — в частности, то и дело звучат слова «квантовые вычисления», «квантовый интернет» и даже «квантовая криптография». Посмотрим, что это такое и нужно ли оно нам. Начнём с квантового компьютера.

Биты и кубиты

В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это реализовано так:

1. В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе: если его включить, вода польётся, если выключить — остановится.

2. В транзисторе вода — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке.

3. Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления.

4. Из-за того, что транзисторов очень много (миллиарды), а работают они очень быстро (близко к скорости света), транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления.

5. Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света.

Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.

Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует.

В квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке:

Источник

Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры

В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван квантовым превосходством — показателем, что суперкомпьютеры могут делать вычисления на недостижимых скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технологий.

Что такое квантовый компьютер

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.

Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.

Читайте также:  Базовые станции сотовой связи и их антенная часть

Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.

В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.

Когда у вас слишком много атомов, это похоже на большой лес. Было очень трудно контролировать один атом с помощью предыдущего. Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована: одновременно она должна оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм.

Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений

Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.

Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.

Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.

Что означает формулировка «квантовое превосходство»?

Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.

В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.

Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».

Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.

Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.

Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.

В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.

Как будут использоваться новые квантовые компьютеры?

Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.

Если допустить тот факт, что наличие квантового компьютера через некоторое время станет общественной нормой, в таком случае во всем киберпространестве не будет тайн, так как любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере.

Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.

Чем еще он может заниматься?

  • Базы данных и поиск по ним.

Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.

  • Приложения к криптографии.

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные широко применяемым криптографическим алгоритмом 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. Благодаря квантовому алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

  • Исследования в области искусственного интеллекта.

Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.

  • Молекулярное моделирование.

Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств

А что в России?

Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.

Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.

В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.

В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.

Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.

Источник

Что надо знать о квантовых вычислениях

Как связаны квантовые вычисления и квантовый компьютер, и как во всем этом разобраться?

Об эксперте: Руслан Юнусов, глава Национальной квантовой лаборатории.

Квантовые вычисления — самое загадочное и пока еще не изученное направление из всех квантовых технологий. Новые материалы для автомобилей и самолетов, лекарства от ранее неизлечимых болезней, мгновенная оптимизация сотен различных параметров — все это ожидают от квантового компьютера уже в ближайшее десятилетие.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым достичь двух квантовых явлений — суперпозиции и запутанности. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать оптимизационные задачи, недоступные сейчас для самых мощных компьютеров.

Если вы посмотрите на английский термин (англ. quantum computing), то обнаружите, что квантовый компьютер по сути и есть будущий продукт тех самых загадочных квантовых вычислений. В целом квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.

Читайте также:  Одна интерактивная система – огромный ассортимент товаров

Технологии квантового направления физики — коммуникации и сенсоры — активно применяются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока лишь начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила квантовую линию связи, которая соединила Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Сенсоры сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.

Настоящее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Точкой отсчета первой считается открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этого направления физики появились лазеры и компьютеры, а с ними — интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые камеры и магнитно-резонансные томографы.

Чем квантовый компьютер отличается от обычного?

Поскольку ученые строят квантовые компьютеры на нескольких разных платформах (их мы обсудим чуть ниже), внешний вид таких машин также отличается друг от друга.

Современные квантовые компьютеры на сверхпроводниках внешне больше напоминают люстры в стиле стимпанк и функционируют при определенной температуре: для каждого уровня машины нужен собственный микроклимат. Если в помещении становится теплее или холоднее, вычислительная машина становится бесполезной. Для работы квантовых компьютеров применяют систему охлаждения на основе жидкого гелия. Сам компьютер заключен в цилиндрический корпус с насосами системы охлаждения. К этой конструкции подключен ряд традиционных компьютеров для решения задач. Внутри квантовый компьютер состоит из соединений и труб, которые передают сигналы в квантовый «мозг» машины.

Для решения любых алгоритмических задач квантовые компьютеры используют кубиты, которые при обмене информацией принимают значение 0 или 1. Однако в отличие от битов, кубиты могут одновременно находиться в состоянии 0 и 1, благодаря свойству квантовых объектов — суперпозиции. Именно это способствует ускорению решения задач на десятки порядков быстрее классических вычислительных машин.

Если классический компьютер разложит число с 500 десятичными знаками на простые множители за 5 млрд лет, то квантовый аналог в теории управится за 18 секунд.

Кубиты не перебирают последовательно все возможные варианты состояний системы, комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. Это свойство может применяться при поиске информации по базам данных, составлениях маршрута, моделировании поведения сложных молекул и синтезе материалов. Решение задач, для которых нужно перебрать сотни и тысячи вариантов, ускоряется во множество раз.

Сейчас многокубитные квантовые компьютеры стоят миллионы долларов, а их изготовление — сложный процесс. Квантовый компьютер сегодня — это установка, которая не предполагает персональное использование на дому. Чтобы работать с этим классом устройств, необходимо обладать специальными компетенциями и уметь раскладывать задачи на понятный машине язык.

Какие платформы обсуждаются в связке с квантовыми компьютерами?

Квантовые компьютеры строятся на четырех основных платформах: сверхпроводящих цепочках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. На самом деле платформ существует намного больше: еще есть интегральная оптика, квазичастицы (экситоны, поляритоны, магноны и др.), примесные атомы, молекулы, полупроводниковые квантовые точки и центры окраски. Один компьютер может быть создан на базе нескольких платформ. Все они могут работать отдельно друг от друга.

Квантовая платформа — это физический объект, похожий на чип, на котором размещается и сохраняется квантовое состояние кубитов.

Еще несколько лет назад все коммерческие вычислительные устройства работали исключительно на сверхпроводящих цепочках. В отличие от других типов кубитов они хорошо масштабируются, стабильны в работе, позволяют контролировать параметры и легче управляются. Однако сейчас мы видим, что международное квантовое сообщество стало все больше интересоваться ионами.

Первый коммерчески доступный квантовый компьютер на ионах представил в декабре 2018 года технологический стартап IonQ. Как заявили сами разработчики, построенная ими система способна выполнять более сложные вычисления, чем все существующие на рынке аналоги. А в конце 2020 года американская корпорация Honeywell заявила, что ей удалось создать наиболее точный квантовый компьютер на ионах. Вместе с тем, у этой технологии есть и недостатки: ионные компьютеры сложно масштабировать из-за аномального нагрева.

Также в тройку наиболее перспективных платформ для реализации универсального квантового вычислителя входят ультрахолодные атомы. Разработкой таких систем чаще всего занимаются академические институты и университеты — например, Институт прикладной физики Российской академии наук в Нижнем Новгороде.

Что такое облачная платформа для квантовых вычислений?

На сегодняшний день квантовые компьютеры и симуляторы функционируют только в лабораториях, и облачный доступ — единственный способ работы с ними для внешних заказчиков. Однако в перспективе использование облачной платформы также экономически более оправдано, чем приобретение дорогостоящего оборудования самостоятельно.

Microsoft запустила открытое тестирование собственного сервиса Azure Quantum, который предоставляет облачный доступ к квантовым вычислениям. Час работы с ним стоит от $10 до $900. При этом своего квантового компьютера у Microsoft нет. Система работает на решениях партнеров корпорации, например, компании Honeywell Quantum Solutions и IonQ.

Согласно дорожной карте по квантовым вычислениям, разработанной Госкорпорацией «Росатом» и экспертами из Российского квантового центра, российская облачная платформа будет создана в виде пилотного проекта до декабря 2022 года. В 2024 году платформа позволит совершать вычисления на российских квантовых компьютерах.

В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален?

Финансы

  • оптимизация инвестиционных портфелей;
  • предсказание финансовых кризисов;
  • предсказание кредитоспособности клиентов;
  • построение моделей кредитных рисков;
  • защита от мошенничества с помощью анализа истории транзакций;
  • распознавание мошеннических действий.

Все эти процессы существенно трансформируются благодаря вычислительной мощности квантовых компьютеров. Задачи будут решаться моментально, а не в течение часов и дней.

Медицина и фармацевтика

Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.

Логистика

Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.

Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.

Информационная безопасность

Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.

Даже высокозащищенные методы, основанные на криптографии с открытым ключом, могут запросто быть взломаны квантовым компьютером. Именно поэтому квантовые вычисления — это технология национальной безопасности, и государства, которые первыми построят высококубитный квантовый компьютер, получат практически совершенное технологическое оружие. Отсюда и квантовая гонка, и сотни миллиардов инвестиций в технологию.

Химическая промышленность

  • «Кванты» помогут создать новые композитные материалы для таких отраслей экономики, как авиастроение и химическая промышленность. Полученные составы улучшат функциональные свойства авиалайнеров, снизят их вес на 20–40% и повысят износостойкость;
  • применение квантовых сенсоров в производстве материалов позволит отследить критические деформации конструкций, снижая затраты на диагностику, технический осмотр и ремонтные работы.

Какие квантовые компьютеры уже есть в мире и в России?

Собственные квантовые компьютеры строят корпорации Google, IBM, Intel, а также компании поменьше — D-Wave и стартап Rigetti. Компания D-Wave создала машину для квантового отжига на 5 тыс. кубитах, которая превосходит прошлое поколение устройств по размеру, количеству связей между кубитами и скорости работы. Устройство является важным инженерным достижением, в будущем используемым для универсальных квантовых компьютеров. Национальные программы по разработке квантовых компьютеров также созданы и на уровне стран — в Евросоюзе, США, Китае и России.

«Квантового превосходства» в лабораторных условиях первой в мире достигла Google: компьютер Sycamore смог выполнить вычисление за 200 секунд, в то время как традиционный суперкомпьютер справился бы с этой операцией за 10 тыс. лет, описывал журнал Nature итоги эксперимента компании.

В России ученые работают над созданием квантового компьютера сразу на четырех платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Согласно утвержденной правительством нашей страны дорожной карте по квантовым вычислениям, первые отечественные квантовые вычислительные устройства появятся уже в 2024 году. Квантовый процессор на основе сверхпроводников будет состоять из 30 кубитов, на основе нейтральных атомов и ионов — из 100, фотонов — из 50.

Сегодня в России работают прототипы квантовых компьютеров с 2-10 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Отечественные компьютеры способны демонстрировать простейшие алгоритмы, решать задачи моделирования простейших молекул. Эти мощности соответствуют уровню развития квантовых вычислений QTRL-4 (метрика зрелости технологий квантовых вычислений, наивысшим уровнем в ней считается QTRL-9).

Источник