Что такое кубиты для квантовых компьютеров

Что такое кубиты для квантовых компьютеров

Sasha Kononenko

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».

Евгений Глушков

Студент шестого курса МФТИ, инженер лаборатории искусственных квантовых систем, создатель и редактор ресурса Make It Quantum.

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.

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.

Первый российский кубит под электронным микроскопом

Квантовый процессор на девяти кубитах от Google

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.

Читайте также:  Как разогнать видеокарту nvidia geforce 8600 gt

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.

Содержание

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.

Читайте также:  Как узнать какие налоги я должен

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.

Читайте также:

Гость #1 1 3
Квантовые компьютеры могут быть созданы на базой обычных компьютеров

Специалист в IT-области Джеймс Вильямс высказал мнение, согласно которому квантовый компьютеры могут быть созданы на базе уже существующих персональных компьютеров. Это достаточно старый подход, который предполагает, что существующие на сегодняшний день микротранзисторы в процессоре, памяти компьютера, ячейки памяти на жестком диске можно использовать на уровне квантовых эффектов без каких-либо технических доработок. Это же касается и видео и аудиокарт.

То есть существующие технические средства могут получить многократно превышающую информационную вычислительную мощность и память. В этом случае, по его словам, достаточно поменять машинный уровень интерпретации данных. Например, для пользователя операционных систем Windows это будет выглядеть как установка дополнительного пакета к системе.

По его словам текущие средства достаточно чувствительны для этого.

Это открывает все возможности квантовых компьютеров: от фотореалистичных игр до построения искусственного интеллекта.
17:26 19.12.2018

kikiklo #2 0 3
Провал сговора производителей железа в занижении компьютерных мощностей и квантовых эффектов обычных компьютеров — возможность создания квантовых компьютеров на базе уже имеющихся

Крупные монополии-производители железа и софта, предчувствуя свой конец, вступив с сговор, многократно занижают показатели железа, вводят аппаратные и программные ограничения на возможности железа, не позволяя ему полностью раскрыть свои возможности. Например, это запрет умножения в процессорах. С недавнего времени информация по этому поводу множится в геометрической прогрессии, достаточно, вспомнить скандал с извинениями Aplle по занижению показателей смартфонов и суд между Aplle и Quallcomm в Германии.

По словам бывшего сотрудника AMD, давшего интервью NYT, понятия ядер процессоров в физическом смысле фикция. Более того, по его словам десять лет подряд под разными моделями производятся одни и те же по мощности процессоры, которые позднее «приобретают» разную «архитектуру», «количества ядер» и иные параметры для отвода глаз. С точки зрения технологий большинство современных процессоров не в квантовой интерпретации, о которой речь будет ниже, могут выдавать терабайты операций в секунду. Получается, что при «разблокировках» нет никакой разницы между между IntelP 3 и i7.

Не представляется экономически целесообразным и менять производимый продукт каждый три-пять лет.

Введение многообразия сокетов процессоров не несет никакой инженерной нагрузки, а призвано ввести препоны по взаимозаменяемости процессоров. Установлены препоны и в других областях. Например речь идет о том, чтобы процессор не брал на себя функции видеопроцессора (видеокарты), хотя обратное направление сейчас возможно. Аналогичные вяления происходили при введении программ ATI Tooll, которая позволяет добирать видеокарте видеопамять из оперативной. Ее разработка сопровождалась малозаметным, но напряженным скандалом в 2010 году. Производители пытаются вводить препоны во внедрении технологии ReRam, когда оперативная память может выполнять функции центрального процессора и видеопамяти.

Не развивается отрасль программных эмуляторов. Например, были известны случаи отказа в финансировании программ — эмуляторов аудио и видеокарт, заказ статей, представляющих такие программы в невыгодном свете.

Технология создания виртуальных ядер процессоров базируется на квантовых синергичных эффектах, протекающих в обычном компьютере. Ряд тестов показал прирост синергичной мощности в 240% при создании двух дополнительных виртуальных ядер на базе двух физических ядер <3>.

Производители тем самым пытаются ограничить предсказанный эффект Мантиуса, когда каждый элемент компьютера может быть заменен другим. Вершиной этой навязчивой, но провальной политики можно назвать выпуск консолей, которые ожидаемо и полностью провалились. Исследование, проведенное в США показало, что около 92% жителей США пользуются пиратским софтом. Для сравнения в Германии этот показатель немногим меньше и составляет 88%. И это не смотря на все попытки вводить различные технологии типа DRM. Только недавно антимонопольное ведомство США начало заниматься Aplle, Microsoft и другими монополиям.

Отмечается, что 94% программного обеспечения в мире не изучено потребителем или третьей стороной на программный код, что говорит о том, что конечный пользователь не имеет представления о том, что именно прописано в том или ином приложении. Данная информация до недавнего времени никак не обсуждалась в широкой прессе.

Еще в начале 2000-х году вышел целый ряд статей, которые описывают возможность построения квантового компьютера на базе уже имеющихся ПК, начиная с компьютеров 1995 года выпуска. Весь вопрос упирается в программную интерпретацию квантовых явлений в обычном компьютере. Прирост вычислительных мощностей и памяти в этом случае может достигать миллиардов раз. По словам Смита в конечном итоге это будет выглядеть «как патч к операцонной системе, который пользователь установит на свой персональный компьютер». Так на Ютубе был заблокирован канал пользователя Johns, которому удалось по его словам, запустить GTA5 на IntelP 2. При этом графические показатели были настолько потрясающими, что многие пользователи посчитали, что это скорее реально снятое под эту игру видео, но ни как не сама игра. Имеющаяся точность считывания микроинформации уже давно позволяет реализацию квантовой интерпретации на базе макрофизических процессов в компьютере.

Читайте также:  Asus geforce gtx 960 black edition

Искусственный интеллект на квантовой архитектуре (далее ИИ) по мнению ряда экспертов уже существует приблизительно с 2010 года, однако, специально ограничивается по функциям и не допускается до широкого потребителя. Некоторые разработчики подтверждают наличие среды ИИ-программиста, способного взаимодействовать с человеком на естественном языке путем устного общения. В данном случае это грозит проблемами определенным властным кругам и умирающим монополиям. Здесь достаточно вспомнить истерики Клинтон, Сороса и Маска по поводу ИИ. На экономическом форуме в Давосе, где сидит более вменяемая публика именно в связи с невозможностью далее удерживать новые технологии, заговорили о закрывающих технологиях и введении безусловного социального дохода уже с 2019 года. Имеется в виду, что в ближайшем будущем работы неминуемо лишиться 95% населения земли,так как автоматизация и компьютеризации просто сделает участие человека в них ненужным. Даже сейчас в перенаселенном Китае власти не могут игнорировать законы технологического развития и экономики и вводят роботизацию производственного процесса. Это не говоря уже о том, что, например, порядка 84% населения такой страны как Россия заняты в сфере услуг, но нематериального производства. На Западе этот показатель еще выше.

Внимание отвлекается на построение квантового компьютера в отдаленном будущем которое из года в год отодвигается, или же невозможности его компактной реализации. Так первые обещания можно отнести на 2000 год, когда было завялено что уже в 2010 году каждый будет иметь квантовый ПК у себя дома. Аналогичные обещания наблюдаются и сейчас, только срок отодвигается на 2030 год. Внимание к квантовым компьютерам подается в основном с точки зрения шифрования и шифрованной передачи данных, что не интересует 99% ни корпоративных и ни частных потребителей. Так армия США отказалась еще в 2016 году от финансирования исследований в этой области. По мнению экспертов несостоятельны и заявления о непригодности квантовых компьютеров из-за их вероятностной природы вычислений для повседневных нужд, так как пересчет вероятностей в схему «факт-нет факта» обыденное дело.
20:40 25.12.2018

В октябре прошлого года Intel объявили о релизе 17-кубитного чипа. Но уже спустя три месяца на CES 2018 компания продемонстрировала 49-кубитный квантовый чип Tangle Lake, который, как надеются ученые, станет важным компонентом в достижении квантового превосходства, так как теоретически 49-кубитный квантовый компьютер может превзойти по вычислительной мощности все суперкомпьютеры в мире (на некоторых задачах).

Об особенностях Tangle Lake и ситуации на рынке квантовых машин расскажем далее.

Квантовый компьютер для хранения информации вместо традиционных битов использует кубиты. Их работа основана на принципах суперпозиции и запутанности. Согласно принципу суперпозиции кубиты могут находиться в состоянии 1 и 0 одновременно, а запутанность позволяет квантовым состояниям объектов зависеть друг от друга. Это позволяет квантовым машинам решать некоторые задачи быстрее, чем классические компьютеры (немного о принципах работы квантовых компьютеров мы писали в наших прошлых материалах: этом и этом).

Физики предположили, что квантовый компьютер с 49-кубитами будет обладать большей производительностью, чем мировые суперкомпьютеры. Однако создание чипов такого класса довольно сложная задача. Кубиты — объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. При этом колебания температуры или сторонняя молекула могут легко нарушить суперпозицию — произойдет декогеренция.

Чтобы решить эту проблему физики создают коды устойчивые к ошибкам, используют низкие температуры и ловушки Пеннинга, разрабатывают новые алгоритмы и пр. Этим занимаются и в компании Intel.

Особенности чипа Intel

Новый чип Intel назван Tangle Lake в честь группы озёр на Аляске. Название служит отсылкой к низким температурам и «запутанности».

Устройство построено на базе предыдущей разработки Intel с 17 сверхпроводящими кубитами. Число 17 было выбрано не случайно: именно столько кубитов нужно, чтобы запустить квантовый код коррекции ошибок, который впервые продемонстрировала команда Google. Tangle Lake стал важным шагом для Intel, потому что 49 кубитов позволили исследователям улучшить код коррекции ошибок.

Кроме того Intel снабдила 49-кубитный чип технологией flip chip, чтобы транслировать сигналы с большей скоростью и меньшим количеством помех при тесном расположении контактов. Архитектура устройства строится с использованием контуров из сверхпроводящего металла, поэтому требует охлаждения до 20 мК. Однако Intel намерена повысить температуру в следующих разработках.

Развитие квантовой экосистемы

Компания Intel активно работает для того, чтобы первой создать рабочую квантовую систему. Майк Мэйберри (Mike Mayberry), глава Intel Labs, считает, что квантовые компьютеры смогут решать прикладные задачи и достигнут коммерческого успеха через 5–7 лет.

Поэтому Intel заключила партнерские отношения с QuTech и другими компаниями, чтобы разрабатывать и тестировать различные аппаратные и программно-аппаратные системы для квантовых вычислений. Потребность в большом количестве кубитов побудила компанию дополнительно направить инвестиции на разработку решений на основе спиновых кубитов.

Спиновые состояния электронов и атомных ядер рассматриваются на роль кандидатов в логические состояния кубитов. Спиновые кубиты меньше по размеру, чем сверхпроводящие, а также в теории должны быть более надежными. Поэтому их можно будет масштабировать быстрее и с меньшим количеством ошибок.

В Intel уже знают, как реализовывать спиновые кубиты в кремнии по 300-мм технологии и считают, что технология поможет ускорить разработку полноценной квантовой системы.

Помимо Intel на кремний обратили внимание и австралийские ученые: им удалось разработать концепцию flip-flop-кубитов («кубитов-перевертышей»). Flip-flop-кубиты представляют собой атомы фосфора, помещенные в кремний. Сам кубит состоит из спина электрона и спина атомного ядра фосфора. За счет электрического поля кубит меняет свое состояние: если вектор спина электрона направлен вниз, а атома — вверх, то это ноль, иначе — единица. Поэтому они называются кубиты-перевертыши. Ученые надеются представить систему из 10 flip-flop-кубитов к 2022 году.

Ситуация на рынке

Над квантовыми компьютерами работают и другие компании. Некоторые, например, D-Wave, уже продают готовые решения (однако отметим, что их решение работает по принципу квантового отжига).

Там же на CES 2018 команда IBM представила прототип 50-кубитного квантового компьютера, о разработке которого говорилось ещё в ноябре 2017, похожего на стимпанк-люстру. Система занимает 10 квадратных метров, а ее процессор нужно охлаждать до 10 мК, что на 10 мК ближе к абсолютному нулю, по сравнению с разработкой от Intel.

Молодая компания Rigetti также стремится к квантовому превосходству: одна из ключевых разработок стартапа — Forest 1.2, которая предоставляет доступ к 26-кубитной виртуальной машине.

Компания ID Quantique предлагает сервисы для защиты данных на основе квантового шифрования, а Qubitekk работает над созданием универсального квантового компьютера — компьютера, который можно будет запрограммировать произвольным образом для решения широкого спектра задач.

Ссылка на основную публикацию
Через какое время отключают сим карту мегафон
Часто можно слышать, что некоторые люди вместо одной сим-карты предпочитают пользоваться двумя или сразу несколькими. Это объясняется лояльной политикой компании...
Утилиты асус для ноутбука
Драйверы и утилиты от производителя для ноутбуков и нетбуков ASUS под операционную систему Windows 10 / 8.1 / 8 /...
Утилиты для виндовс 10 64 бит
Скачать антивирус NOD32 на компьютер Windows 10 бесплатно на русском языке для защиты ноутбука или ПК от вирусов и потенциального...
Через прямую l провести плоскость перпендикулярно данной
Не будет преувеличением утверждать, что построение взаимно перпендикулярных прямых и плоскостей наряду с определением расстояния между двумя точками являются основными...
Adblock detector