Вы все привыкли к нашим компьютерам: утром читаем новости со смартфона, днем работаем с ноутбуком, а вечером смотрим фильмы на планшете. Все эти девайсы объединяет одно - кремниевый процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Принцип работы таких транзисторов достаточно прост - в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг - если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо - будет 01110. И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций. Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много - мы теряем на эти вычисления время.

Принцип работы квантовых компьютеров

Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения:

Квантовый компьютер - вычислительное устройство , которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.

Понятнее явно не стало. Квантовая суперпозиция говорит нам о том, что система с какой-то долей вероятности существует во всех возможных для нее состояниях (при этом сумма всех вероятностей, разумеется, равна 100% или 1). Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах - если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. 9999 в двоичной системе имеет вид 10011100001111, то есть для его записи нам нужно 14 бит. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами - мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу - и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ (искусственный интеллект? Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ.


Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема - как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто - мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет - ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии. И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность. Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом (говоря научным языком - если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной). Как это выглядит на пальцах? Допустим, у нас есть две коробки, в которых лежит по бумажке. Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки (или частицы), квантовая система рушится - неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты.

Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц (где находятся их вторые «половинки» мы знаем). Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» - узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты - просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится - мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке.

Возникает вопрос - раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли - как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным.

Домашний квантовый компьютер

Ну и последний вопрос - раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые - почему мы ими не пользуемся? Проблема банальна - невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум (отсутствие других частиц), температура, максимально близкая к нулю по Кельвину (для сверхпроводимости), и полное отсутствие электромагнитного излучения (для отсутствия влияния на квантовую систему). Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема - это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом - при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день - это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов.

Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам:


Но все же такие устройства оказываются ощутимо (в тысячи раз) мощнее обычных ПК, что можно считать прорывом. Однако заменят пользовательские устройства они ох как не скоро - для начала нам нужно или научиться создавать условия для работы таких устройств дома, или же наоборот, «заставить» работать такие устройства в привычных нам условиях. Шаги во втором направлении уже были сделаны - в 2013 году был создан первый двухкубитный квантовый компьютер на алмазе с примесями, работающий при комнатной температуре. Однако увы - это всего лишь опытный образец, да и 2 кубита - маловато для вычислений. Так что ждать квантовых ПК еще очень и очень долго.

Квантовые компьютеры обещают настоящую революцию, причем не только в вычислениях, но и в реальной жизни. Медиа пестрят заголовками про то, как квантовые компьютеры уничтожат современную криптографию, а мощность искусственного интеллекта, благодаря им возрастет на порядки.

За последние 10 лет квантовые компьютеры прошли путь от чистой теории до первых работающих образцов. Правда, до обещанной революции предстоит пройти еще немалый путь, да и ее влияние в итоге может оказаться не таким всеобъемлющим, как представляется сейчас.

Как работает квантовый компьютер

Квантовый компьютер – устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Основным элементом в таких вычислениях является кубит, или квантовый бит. За всеми этими словам кроется довольно сложная математика и физика, но если их максимально упростить, то получится примерно следующее.

В обычных компьютерах мы имеем дело с битами. Бит - единица измерения информации в двоичной системе. Он может принимать значение 0 и 1, что очень удобно не только для математических операций, но и для логических, так как нулю можно сопоставить значение «ложно», а единице – «истинно».

Современные процессоры построены на базе транзисторов, полупроводниковых элементов, которые могут пропускать, либо не пропускать электрический ток. Иначе говоря, выдавать два значения 0 и 1. Точно также во флеш-памяти транзистор с плавающим затвором может хранить заряд. Если он есть, мы получаем единицу, если его нет – ноль. Аналогичным образом работает и магнитная цифровая запись, только носителем информации там является магнитная частичка, либо имеющая, либо не имеющая заряд.

При вычислениях мы считываем из памяти значение бита (0 или 1) и затем пропускаем ток через транзистор и в зависимости о того, пропускает он его или нет, получаем на выходе новый бит, возможно, имеющий другое значение.

Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. В отличие от обычного бита он находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть имеет значение и 0, и 1, и любые их сочетания в любой момент времени. Если в системе находится несколько кубитов, то изменение одного также влечет за собой изменение всех остальных кубитов.

Это позволяет одновременно просчитывать все возможные варианты. Обычный процессор с его бинарными вычислениями, фактически просчитывает варианты последовательно. Сначала один сценарий, потом другой, потом третий и т.д. Чтобы ускорить, начали применять многопоточность, запуская вычисления параллельно, предвыборку, чтобы предугадывать возможные варианты ветвления и просчитывать их заранее. В квантовом компьютере это все делается параллельно.

Отличается и принцип вычислений. В каком-то смысле квантовый компьютер уже содержит все возможные варианты решения задачи, нашей задачей только является считать состояние кубитов и... выбрать из них правильный вариант. И вот тут начинаются сложности. В этом и заключается принцип работы квантового компьютера.

Создание квантового компьютера

Какой будет физическая природа квантового компьютера? Добиться квантового состояния можно только у частиц. Кубит не построишь из нескольких атомов, как транзистор. Пока эта проблема до конца не решена. Есть несколько вариантов. Используются зарядовые состояния атомов, например, присутствие или отсутствие электрона в обычной точке, сверхпроводящие элементы, фотоны и т.д.

Столь «тонкие материи» накладывают ограничения и на измерения состояния кубитов. Энергии крайне малые, необходимы усилители, чтобы прочитать данные. Но усилители могут оказывать воздействия на квантовую систему и менять ее состояния, впрочем, не только они, но даже сам факт наблюдения может иметь значение.

Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами. Те в свою очередь ведут за собой изменения всей системы. Задача выбрать из ее состояний правильное, дающее результат вычислений. При этом может быть сколь угодно много состояний, максимальное приближенных к таковому. Соответственно, точность таких вычислений почти всего будет отличаться от единицы.

Таким образом, для полноценного квантового компьютера нужны значительные достижения в физике. Кроме того, программирование для квантового компьютера будет отличаться от существующего сейчас. Наконец, квантовые компьютеры не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но в состоянии ускорить решения тех, с которыми они справляются. Правда, опять же не все.

Счет на кубиты, кубитный квантовый компьютер

Постепенно проблемы на пути к квантовому компьютеру снимаются. Первые кубиты были построены еще в начале века. Процесс ускорился в начале десятилетия. Сегодня разработчики уже в состоянии произвести процессоры с десятками кубитов.

Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone в недрах Google. В марте 2018 года компания заявила, что смогла построить 72-кубитный процессор. На каких физических принципах построен Bristlecone Google не сообщает. Однако считается, что для достижения «квантового превосходства», когда квантовый компьютер начинает превосходить обычный, достаточно 49 кубитов. Google удалось выполнить это условие, но уровень ошибок в 0,6% пока выше требуемого в 0,5%.

Осенью 2017 года IBM объявила о создании прототипа 50-кубитового квантового процессора. Он проходит тестирование. Но в 2017 году IBM открыла свой 20-кубитовый процессор для облачных вычислений. В марте 2018 года была запущена меньшая версия IBM Q. Ставить эксперименты на таком компьютере могут все желающие. По их результатам уже вышло 35 научных работ.

Еще в начале 10-летия на рынке появилась шведская компания D-Wave, которая позиционировала свои компьютеры как квантовые. Она породила множество споров, так как объявляла о создании 1000-кубитных машин, в то время как признанные лидеры «ковырялись» всего лишь с парой кубитов. Компьютеры шведских разработчиков продавались по цене в $10-15 миллионов, так что проверить их было не так просто.

Компьютеры D-Wave не являются квантовыми в прямом смысле этого слова, но используют некоторые квантовые эффекты, которые можно применять для решения некоторых задач оптимизации. Иначе говоря, не все алгоритмы, которые могут быть выполнены на квантовом компьютере, получают на D-Wave квантовое ускорение. Google приобрела одну из систем шведов. В результате ее исследователи признали компьютеры «ограниченно квантовыми». При этом выяснилось, что кубиты сгруппированы кластерами по восемь, то есть их реальное число заметно меньше, чем декларируемое.

Квантовый компьютер в России

Традиционно сильная школа физики позволяет внести существенный вклад в решение физических проблем для создания квантового компьютера. В январе 2018 года россияне создали усилитель сигнала для квантового компьютера. Учитывая, что своей работой усилитель сам по себе способен влиять на состояние кубитов, уровень генерируемого им шума должен мало отличаться от «вакуумного». Это и удалось российским ученым из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и двух институтов РАН. Для создания усилителя использовались сверхпроводники.

В России также создан квантовый центр. Это негосударственная исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В том числе она занимается проблемой создания кубитов. За центром стоит бизнесмен Сергей Белоусов и профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Под его руководством в Гарварде уже был создан 51-кубитовый процессор, который некоторое время до анонса Bristlecon был самым мощнейшим квантовым компьютером устройством в мире.

Развитие квантовых вычислений стало частью госпрограммы «Цифровая экономика». В 2018-20 года на работы в этой сфере будет выделяться господдержка. Планом мероприятий предусмотрено создание квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах. После этого будет решаться вопрос дальнейшего масштабирования данной технологии.

Кроме того, до 2020 года в России собираются опробовать еще одну квантовую технологию: построение кубитов на нейтральных атомах и заряженных ионах в ловушках.

Одной из целей программы является создание устройств квантовой криптографики и квантовых коммуникаций. Будут созданы центры распределения квантовых ключей, которые будут их раздавать потребителям – банкам, дата-центрам, отраслевым предприятиям. Считается, что полноценный квантовый компьютер может за считанные минуты сломать любой современный алгоритм шифрования.

В итоге

Итак, квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится раньше следующего десятилетия. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.

Судя по тому, что на физическом уровне квантовые компьютеры имеют несколько решений, которые отличаются технологиями и, вероятно, стоимостью, они не будут унифицированы еще лет 10. Процесс стандартизации может растянуться надолго.

Кроме того, уже сейчас понятно, что квантовые компьютеры и в течение следующего десятилетия, скорее всего, будут «штучными» и очень дорогими устройствами. Вряд ли они окажутся в кармане у простого пользователя, но списке суперкомпьютеров можно ожидать их появления.

Вероятно, что квантовые компьютеры будут предлагаться в «облачной» модели, когда их ресурсы смогут задействовать заинтересованные исследователи и организации.

Каждый желающий может воспользоваться квантовым компьютером May 14th, 2016

Помните недавний случай, когда Джастин Трюдо (Justin Trudeau) своей вдохновенной речью вызвал аплодисменты удивлённых журналистов и учёных во время, казалось бы, заурядной пресс-конференции.

Между тем, всё начиналось вполне безобидно: премьер выступал в Институте теоретической физики в Ватерлоо, провинция Онтарио (Perimeter Institute in Waterloo, Ontario), озвучивая намерение правительства увеличить финансирование этого научного центра.

Когда настало время вопросов из зала, один из журналистов предложил главе правительства объяснить принцип действия квантового компьютера.

Джастин начал так: «Несомненно, многие из вас умнее меня, но я точно знаю, что...

Обычные компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока), а квантовые - более комплексные машины, способные обрабатывать намного больший объём информации за один бит, чем обычные компьютеры. К тому же, квантовые компьютеры куда компактнее обычных собратьев».

Далее он подытожил: «Таким образом, в обычных компьютерах информация хранится в битах, а в квантовых - в кубитах. Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу, благодаря чему в теории квантовый компьютер может работать быстрее».

После того, как он закончил свой рассказ о принципах действия квантового компьютера, зал аплодировал ему стоя.

А что мы сегодня знаем по теме квантового компьютера?

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики, которую по праву можно назвать самым сложным разделом физики. Квантовая механика зародилась в начале 20-ого века, и изучает поведение квантовых систем и ее элементов. Квантовая частица может находиться в нескольких местах и состояниях одновременно, поэтому по определению квантовая механика полностью противоречит общей теории относительности. Но давайте не будем углубляться в науку, а вернемся к нашей главной теме — квантовому компьютеру.

В начале века выяснилось, что использование электрических схем для создания вычислительных устройств имеет свои границы, и все они практически были достигнуты. Сейчас же перед человечеством встают все новые и новые задачи, для решения которых классических компьютеров будет недостаточно. Самый простой пример такой задачи — это разложение больших чисел на множители. Для этой цели было построено большинство криптографических систем. Это покажется банальным но, если бы кому-то удалось быстро разложить большое число на простые множители, то для него стали доступны транзакции во всех банках мира.

Другая не менее важная задача, с которой современные компьютеры никогда не смогут справиться — это моделирование квантовых систем и молекул ДНК. Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание квантовых компьютеров — весьма перспективное решение, которое позволит решить эти и многие другие проблемы.

В настоящее время IBM пытается сделать что-то подобное: компания привлекает внимание обывателей к своему проекту, ведь её специалисты ведут разработку вычислительного устройства и высокоуровневого языка программирования для этого вида компьютеров. Они приглашают всех желающих поучаствовать в их работе.

Компания заявила о запуске первого облачного сервиса на основе экспериментального квантового процессора. Новая платформа называется Quantum Experience.

Предполагается, что онлайн-сервисом смогут пользоваться все желающие: студенты, энтузиасты-любители и даже серьёзные учёные. В настоящее время, чтобы получить доступ к облаку, необходимо подать заявку и получить допуск (его ещё могут и не дать!). Только получив допуск, пользователи смогут запускать алгоритмы и тесты. Словом, работать с кубитами.

Цель программы Quantum Experience - более детальное изучение возможностей платформы на базе 5-кубитного процессора и поиск новых способов применения квантовых вычислений. По сути, компания даёт в руки инструмент и возможности, а как их использовать, пользователь определяет уже сам.

«Прежде всего, это исследовательская программа, но мы не исключаем, что она может стать основой для создания действующего квантового компьютера». - Джерри Чоу (Jerry M. Chow), руководитель Группы по разработке экспериментального квантового компьютера при Исследовательском центре им. Томаса Уотсона (Experimental Quantum Computing Group at the IBM Thomas J. Watson Research Center).

В настоящее время компьютер в нью-йоркском исследовательском центре состоит из пяти кубитов, то есть квантовых битов. Однако, по словам специалистов IBM, эта «машина» ещё пока не способна заменить традиционные компьютеры.

В то же время они верят, что когда-нибудь им удастся создать 100-кубитный квантовый процессор, который будет способен обрабатывать широкий спектр алгоритмов, чтобы решать практически любые вычислительные задачи.

Элементная база квантового компьютера, созданного в IBM - вычислительные элементы (кубиты), выполненные из материала, обладающего свойством сверхпроводимости при температуре, близкой к 0°С.

Кроме того, вероятно, инженеры IBM нашли способ изолировать от внешних воздействий квантовую систему, которая используется в их устройстве, ведь необходимо, чтобы она сохраняла состояние квантовой когерентности достаточно длительное время, не меняя бесконтрольно своё квантовое состояние (когерентность - свойство компьютерных систем, в которых два или более процессора или ядра имеют доступ к общей области памяти).

Зачем всё это нужно?

У вас вполне может возникнуть резонный вопрос: для чего всё это вообще нужно? Дело в том, что, как полагают некоторые эксперты, использование квантового регистра для произведения расчётов, позволит значительно ускорить процесс обработки данных по сравнению с обычным регистром.

Таким образом, физическая реализация этой концепции, т.е построение квантового компьютера в виде реального физического прибора, является фундаментальной задачей современной физической науки.

Также необходимость в квантовом компьютере обусловлена надобностью проведения исследований методами физики сложных многочастичных систем, например, биологических.

Что касается целей IBM, то им это нужно, чтобы не потерять инициативу в борьбе с конкурентами на рынке инновационных технологий. Так, по словам представителей компании, со временем они выпустят онлайн-интерактивные пособия, чтобы помочь потенциальным заказчикам понять, чем квантовая система отличается от двоичной.

Что такое квантовый компьютер?

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году.

Принцип действия квантового компьютера: вычислительное устройство использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных, а его регистр основан на использовании кубита (квантового бита) - наименьшего разряда или наименьшего элемента для хранения информации в квантовом компьютере.

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний, то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех базисных состояниях. Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией данных».

Квантовую суперпозицию можно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени или не подвергнуться. 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».

Архитектура квантовых компьютеров

Любая классическая двухуровневая система, впрочем, как и квантовая, имеет основное (0) и не основное (1) базисные состояния. Примером классической двухуровневой системы является известный в микроэлектронике инвертор, осуществляющий операцию «НЕ»: в зависимости от того, заняты ли эти состояния с вероятностями, получаются логические состояния «0» или «1».

Таким образом, обычные компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока), а квантовые - более комплексные машины, способные обрабатывать намного больший объём информации за один бит, чем обычные компьютеры.

Совокупность квантовых приборов, используемых для построения квантовых информационных систем, можно назвать квантовой элементной базой, т.е. компьютером.

Отмечу, что по сравнению к квантовыми процессорами, элементная база современных информационных систем построена на лампах, транзисторах, фотоэлементах, являющихся классическими, в том смысле, что их параметры (ток, напряжение, излучение) являются классическими величинами (величины классической механики).

Классическая механика хорошо описывает системы макроскопических масштабов (то, с чем «имеют дело» обычные процессоры), но не способна описать все явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов.

В то же время квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред и других систем с электронно-ядерным строением, «поведение» которых является «движущей силой» квантового процессора.

Исправление ошибок — основная проблема квантовых компьютеров

Ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два главных уровня. Ошибки первого уровня присущи всем компьютерам, в том числе и классическим. К таким ошибкам относится непроизвольная смена кубитов из-за внешнего шума (например: космических лучей или радиации). С этой проблемой недавно удалось справиться специалистам из компании Google. Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулианом Келли создала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Остальные кубиты отвечают за сохранность информации, таким образом, сохраняя ее дольше, нежели с использованием единичного кубита. Однако основная проблема никуда не делась, остается второй уровень ошибок.

Кубиты изначально по своей природе нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Чтобы избавиться от этого, квантовый процессор нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов. Как это сделать? — пока остается загадкой. По словам экспертов, 99% мощности такого компьютера уйдет на исправления ошибок, и лишь 1% хватит для решения любых задач. Конечно, от ошибок не удастся избавиться полностью, но если минимизировать их до определенного уровня, квантовый компьютер сможет работать.

Кто ещё работает в этом направлении?

Платформа IBM не первый квантовый компьютер, доступный в сети для всех желающих. Так, меньше года назад, Google создала собственную лабораторию, которая занимается разработкой квантового компьютера на сверхпроводниках. Промежуточным результатом работы её специалистов стало создание онлайн-сервиса «Quantum Computing Playground», который является аналогом облака IBM.

источники

Мир на пороге очередной квантовой революции. Первый квантовый компьютер будет мгновенно решать задачи, на которые самое мощное современное устройство сейчас тратит годы. Какие это задачи? Кому выгодно, а кому угрожает массовое использование квантовых алгоритмов? Что такое суперпозиция кубитов, как люди научились находить оптимальное решение, не перебирая триллионы вариантов? Отвечаем на эти вопросы в рамках рубрики «Просто о сложном».

До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями - квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки - квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.

Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.

Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM

Дальше - больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер - тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности - от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников - материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы - они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.

Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин - компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.

Ричард Фейнман

Зависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо - привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.

Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.

Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты - нули и единички, - то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно - кубиты). Сам кубит - вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.

В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу - уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств - лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.

Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.

Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью - разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.

С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете - пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.

Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело - теоретически придумать кубит, и совсем другое - воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита - нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи - все они отвечали поставленным требованиям.

Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.

Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем

Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».

Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.

Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер - все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера - вопрос стратегической важности.

Не пропустите лекцию:

История вычислительной техники, которую мы сейчас называем просто сервер или компьютер, началась много веков назад. С течением времени и развитием технологий совершенствовались и компьютеры. Улучшалась производительность, скорость работы и даже внешний вид. Любой компьютер в своей основе реализует определенные законы естественных наук, таких как физика и химия. Углубляясь в любую из этих наук, исследователи находят новые и новые пути совершенствования вычислительных систем. Сегодня мы будем знакомиться с исследованием, нацеленным на реализацию применения фотонов в квантовых компьютерах. Поехали.

Теоретическая основа

Словосочетание «квантовый компьютер» уже перестало быть шокирующим, хоть и звучит как научная фантастика. Однако ничего фантастического в нем нет, по крайней мере с литературной точки зрения. Квантовый компьютер эксплуатирует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность. Простыми словами говоря, квантовая суперпозиция это явление, когда квантовые состояния системы взаимоисключаются. Если говорить не о частицах, о чем-то «покрупнее», то можно упомянуть кота Шредингера.

Немного про кота Шредингера

Данный теоретический эксперимент был описан самим Шрёдингером довольно подробно и сложно, в какой-то степени. Упрощенный вариант звучит так:

Есть стальная коробка. В коробке кот и механизм. Механизм - счетчик Гейгера с очень малым количеством радиоактивного вещества. Данное вещество так мало, что за 1 час может распасться 1 атом (а может и не распасться). Если это происходит, то считывающая трубка счетчика разряжается и срабатывает реле, освобождающее молоток, который висит над колбой с ядом. Колба разбивается, и яд убивает кота.

Иллюстрация эксперимента

Теперь пояснение. Мы не видим что происходит в коробке, мы не можем повлиять на процесс даже своими наблюдениями. Пока мы не откроем коробку, мы не знаем жив кот или мертв. Таким образом, утрируя, можно сказать, что для нас кот в коробке находится в двух состояниях одновременно: он и жив, и мертв.

Очень интересный эксперимент, раздвигающий границы квантовой физики.

Еще более необычным можно считать парадокс Вигнера. К всем вышеуказанным переменным эксперимента добавляются некие друзья лаборанта, что проводит данный эксперимент. Когда он открывает коробку и узнает точное состояние кота, его товарищ, находясь в другом месте, этого состояния не знает. Первый должен сообщить второму, что кот жив или мертв. Таким образом, пока все во Вселенной не будут знать точного состояния бедного животного, оно будет считаться и мертвым, и живым одновременно.

Что касается квантовой запутанности, то тут состояния двух или более частиц зависят друг от друга. То есть, говоря о тех же фотонах, если изменение спина одной частицы приводит к тому, что она становится положительной, то вторая автоматически становится отрицательной, и наоборот. При этом измерив состояние первой частицы, мы мгновенно лишаем вторую частицу состояния квантовой запутанности.

Оперирует квантовый компьютер не битами, а кубитами, отличающихся от первых тем, что одновременно могут находиться в двух состояниях - 0 и 1. Это позволяет обрабатывать информацию значительно быстрее.

С фотонами все чуть проще. Фотон это «частичка света», если говорить очень утрировано. Более научное определение это элементарная частица электромагнитного излучения, способная переносить электромагнитное взаимодействие.

Обратная сторона медали

Фотоны являются отличными переносчиками квантовой информации, однако отсутствие детерминистской* взаимосвязи фотон-фотон ограничивает их применение в квантовых компьютерах и сетях.

Детерминистские системы* это системы, процессы в которых взаимосвязаны таким образом, что можно отследить причинно-следственную последовательность. Другими словами, это системы, где входящие данные (к примеру задачи) полностью соответствуют исходящим данным (результат решения).

Данное исследование возможно и не состоялось бы вовсе, если бы не недавние открытия в области взаимодействия свет-материя посредством нейтральных захваченных атомов, которые позволили использовать оптические нелинейности* в однофотонном режиме.

Оптическая нелинейность* объясняется нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны. Наблюдать подобное можно при использовании лазеров, так как они могут генерировать луч высокой интенсивностью света.


Оптическая нелинейность на примере генерация второй оптической гармоники (second harmonic wave)

Данная техника сопряжена с проблемами реализации устройств в компактном виде, поскольку для ее реализации требуются весьма габаритные и крайне сложные в настройке лазерные ловушки. К тому же нейтральные атомы работают с низкой пропускной способностью.

Другой вариант, который также пока отложен в долгий ящик, это системы на базе нелинейной квантовой электродинамики. Поскольку такие системы работают исключительно в микроволновом режиме, а перевести их в оптический режим крайне проблематично.

Другие же исследователи решили копнуть еще глубже, практически буквально. Использование нанофотонных систем, в которых фотоны взаимодействуют с нанометровыми элементами (в данном случае с квантовыми эмиттерами) является весьма привлекательным способов реализации однофотонной нелинейности в компактных твердотельных устройствах. Однако пока что в подобных экспериментах используются эмиттеры, представленные двухуровневой атомной системой, ограниченной компромиссом между пропускной способностью и задержкой, что делает реализацию однотонных переключателей невозможной.

Как вывод, все предыдущие исследования имели определенные положительные результаты, которые, к сожалению, были сопряжены с теми или иными проблемами реализации или же взаимодействия систем.

Основы исследования

В данном же исследовании продемонстрирован однофотонный переключатель и транзистор, реализованные посредством сопряжения твердотельного квантового кубита и нанофотонного резонатора.

Одним из основных элементов эксперимента является спиновый кубит, состоящий из единственного электрона в заряженной квантовой точке* .

Квантовая точка* (или «искусственный атом») - частица полупроводника. Из-за крайне малого размера ее оптические и электронные свойства сильно отличаются от подобных у более крупных частиц.

Изображение №1а

На изображении 1а продемонстрирована структура уровня квантовой точки, включающая два основных состояния* с противоположными спинами, что формирует стабильную квантовую память. Эти состояния помечены так: |⟩ и |↓⟩ .

Основное состояние* - в квантовой механике это стационарное состояние, когда уровень энергии и другие величины не изменяются, с наименьшей энергией.

Также на изображении отмечены и состояния возбуждения* , которые содержат пару электронов и одну дырку* с противоположными спинами. Обозначаются так: |↓,⇑⟩ и |↓, ⇓⟩ .

Возбуждение* - обозначает переход системы из основного состояния в состояние с более высокой энергией.

Дырка* - квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Изображение №1b

Изображение 1b это снимок изготовленного нанофотонного резонатора, сделанный сканирующим электронным микроскопом. Посредством эксплуатации эффекта Фогта* было получено спин-зависимое соединение за счет применения магнитного поля (5.5 Тл) по плоскости устройства.

Фогта эффект* - возникновение двойного лучепреломления электромагнитной волны во время ее распространения в твердых телах.

За счет измерений кросс-поляризованной отражательной способности удалось также определить силу соединения (g ), скорость распада энергии нанофотонного резонатора (к ) и декогерентного дипольного перехода (y ):

• g /2π=10.7±0.2 ГГц
• к /2π=35.5±0.6 ГГц
• y /2π=3.5±0.3 ГГц

При этом g>к/4 - условие, определяющее что устройство перешло в режим сильной и стабильной связи.

Изображение №1с

На изображении 1с (сверху слева) графически продемонстрированы принципы работы однофотонного переключателя и транзистора. Как мы видим, если затворный импульс не содержит фотонов, то спин остается в положении «вниз». Если же присутствует один фотон, то спин переходит в положение «вверх». Как следствие спиновое состояние контролирует коэффициент отражения нанофотонного резонатора, тем самым изменяя поляризацию фотонов отраженного сигнала.

Вся последовательность импульсов показана на изображении 1с (снизу). Теперь давайте чуть подробнее о каждом шаге.

• В начале имеется квантовая точки в суперпозиции ее основного спинового состояния. Вычисляется с помощью формулы (|⟩ + |↓⟩)/√2 . Достигается это путем применения импульса инициализации для оптической накачки спина, что переводит его в состояние «вниз».
• Далее применяется оптический ротационный импульс, создающий спиновое вращение π/2.
• В течение некоторого времени (τ ) система свободно развивается.

  Если это время установить как целое число + половина периода процессии спина, тогда при отсутствии затворного фотона спин будет переходить в состояние (|⟩ - |↓⟩)/√2 , а второй ротационный импульс переведет спин обратно в состояние «вниз». Если же затворный фотон отражается от резонатора, то он формирует относительный π-фазовый сдвиг между состояниями «вверх» и «вниз», который отражает спин вдоль оси (x ) сферы Блоха* . Таким образом второй ротационный импульс будет переводить спин в состояние «вверх».

• Применяется еще один ротационный импульс, идентичный первому.
• Между этими двумя импульсами внедряется затворный импульс.

Сфера Блоха* - в квантовой механике используется как способ геометрического представления пространства состояния кубита.

• В конце процесса поле сигнала отражается от резонатора и подвергается вращению поляризации, которое напрямую зависит от состояния спина.

Изображение №2а

На графике выше продемонстрирован коэффициент пропускания сигнального поля, проходящего через поляризатор, в виде функции (τ) при отсутствии затворного импульса.

Контрастность пропускания определяется формулой: δ = Т up - T down

Где Т up и T down - коэффициенты пропускания поля сигнала в моменты перехода спина в состояние «вверх» (up ) и «вниз» (down ) с применением двух ротационных импульсов, соответствующих максимальному и минимальному значению коэффициента пропускания в колебании.

Константное значение δ = 0.24 ± 0.01. Оно сильно отличается от идеального из-за неточного состояния спина F = 0.78 ± 0.01 и из-за ограниченной кооперативности С = 2g 2 / ky = 1.96 ± 0.19.

Изображение №2b

График 2b демонстрирует случай, когда применяется 63-ps импульс, содержащий примерно 0.21 фотонов на 1 импульс, связанных с резонатором. Дабы убедиться в том, что один фотон регулирует коэффициент пропускания, были проведены измерения двухфотонного совпадения между затворным и сигнальным фотонами.

Зеленые точки - измеренный коэффициент пропускания сигнала, обусловленный обнаружением отраженного затворного фотона как функции (τ ).

Зеленая линия - числовое соответствие модели, отображаемой на графике 2а .

Вертикальная линия (а) на графиках 2а и 2b это обозначение состояния, когда спин подвергается полуцелому числу вращений вокруг сферы Блоха во время периода свободного развития. В такой ситуации затворный фотон приводит к тому, что поляризация сигнального поля начинает вращаться и перенаправляться через поляризатор.

Вертикальная линия (b) на графиках 2а и 2b это отображение второго рабочего состояния, при котором возможно выполнение операций переключения. В данном варианте наблюдается поведение обратного переключения, когда затворный фотон предотвращает вращение сигнального поля, тем самым уменьшая коэффициент пропускания.

В обоих случаях затворный импульс вызывает изменения коэффициента пропускания сигнала на 0.21 ± 0.02. Чтобы считать затворный фотон идеальным, этот показатель должен быть равен 0.24, как было определено в вычислениях, продемонстрированы на графике 2а . В случае с реальным экспериментом показатели хуже ввиду использования аттенуированного (с затухающим колебанием) лазера для создания затворного импульса, который, хоть и маловероятно, но может содержать несколько фотонов.

Изображение №2с

График выше отображает коэффициент пропускания в виде функции времени задержки (τ ), когда среднее значение сигнальных фотонов на 1 импульс выставлено на 4.4 ± 0.5 (вверху), 10.9 ± 1.2 (посередине), 23.0 ± 2.5 (снизу).

Зеленые точки - коэффициент пропускания, обусловленный обнаружением затворного фотона.

Оранжевые квадраты - коэффициент пропускания без затворного импульса.

Зеленые и оранжевые линии - числовое соответствие теоретическим моделям из графиков 2а и 2b .

Во всех случаях отчетливо наблюдается поведение переключения.

Подсчеты контраста переключения (ξ ) дали следующие результаты: 0.22 ± 0.03, 0.17 ± 0.02 и 0.12 ± 0.02, в соответствии с каждым графиком.

Основная проблема, связанная с контрастом переключения, это его снижение при увеличении числа сигнальных фотонов. Это обусловлено тем, что каждый сигнальный фотон может обратным образом воздействовать на спин через комбинационное рассеяние света (эффект Рамана* ). Это приводит к сбросу состояния внутренней квантовой памяти.

Эффект Рамана* - неупругое рассеяние оптического излучения, когда частицы сталкиваются, что приводит к изменению их состояния, формированию новых частиц, превращением в другие или рождением новых частиц.

Изображение №3

На графике 3а синие точки показывают измеренный контраст пропускания, когда затворного импульса нет, в виде функции среднего числа фотонов в сигнальном поле. Это показатель степени самостоятельного переключения, спровоцированного сигналом без затвора. Синими линиями обозначается численное соответствие данных экспоненциальной функции вида exp (-N s / N avg ) , где N avg это среднее число сигнальных фотонов, необходимых для изменения положения спина. Подсчеты показали, что N avg = 27.7 ± 8.3.

Еще одним важным свойством транзисторов является коэффициент передачи (G ). График 2b (синие точки) демонстрирует рост данного показателя. Исследователям удалось достичь G = 3.3 ± 0.4 при количестве фотонов N s = 29.2 ± 3.2.