Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен. Твердотельный квантовый чип справился с первыми задачами

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.

Начало продаж своего 2000-кубитного квантового компьютера D-Wave 2000Q и уже продала первую модель за 15 миллионов долларов.

Покупателем стала фирма Temporal Defense Systems, занимающаяся вопросами кибербезопасности. Джеймс Буррел (James Burrell), технический директор TDS, говорит , что компания планирует использовать D-Wave 2000Q для разработки новых решений защиты от угроз и идентификации киберпреступников.

Система от D-Wave хранит данные, используя кубиты. Они кодируют информацию нулем, единицей или обоими состояниями одновременно, в отличие от традиционных систем. По этой причине D-Wave способен управлять огромными комбинациями состояний, что позволяет более эффективно решать определенный класс задач.

D-Wave представили свой квантовый компьютер публике еще в сентябре прошлого года, заявив, что новое решение будет содержать 2 тысячи кубитов. Это в два раза больше, чем у квантового компьютера предыдущего поколения - D-Wave X2, запущенного в августе.

D-wave 2000Q представляет собой так называемый адиабатический компьютер, работающий по принципу квантового отжига .

Это квантовая система из большого числа компонентов и контролируемых параметров. Охлаждая её до очень низкой температуры (компьютер предыдущей модели функционировал при температуре в 15 милликельвинов - порядка -273 °C), разработчики предполагают, что система достигает минимальной энергии, и затем, медленно меняя заданные параметры, используют законы квантовой механики для перевода системы из исходного состояния в новое состояние минимальной энергии за счет квантового туннелирования.

В качестве особенности нового D-Wave приводится возможность настраивать частоту отжига отдельных кубитов для повышения производительности. Также новый компьютер сочетает квантовые и классические алгоритмы работы для оптимизации выборки результатов вычислений.

В интервью для N+1 Алексей Устинов, руководитель группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре, рассказал, для чего можно использовать D-Wave. Одна из сфер применения - оптимизация функции затрат.

У вас имеется много параметров, много целей. Скажем, вам нужно посетить миллион клиентов в разных местах, при этом оптимизировав дорогу, расходы, время и так далее.

В пресс-релизе представители D-Wave отметили , что 2000Q способен решать более сложные проблемы по сравнению с предшественником. Также более высокая производительность должна подстегнуть развитие таких сфер, как кибербезопасность, машинное обучение, биотехнологии. В компании отмечают, что специализированные алгоритмы могут выполняться в 1 тыс. и даже 10 тыс. раз быстрее, чем на классических серверах.

При этом D-Wave не только поставляет решения для своих клиентов, но и предлагает арендовать мощности квантовой машины для удаленной работы.

P.S. А вот о чем еще мы пишем в нашем блоге:

Наука не стоит на месте и, казалось бы, то, что считалось вчера мистикой сегодня неоспоримая реальность. Так и сейчас, мифы о параллельных мирах могут стать обычным фактом в дальнейшем. Считается, что к этому утверждению помогут прийти исследования в области создания квантового компьютера. Лидерство занимает Япония , более 70% всех исследований приходится на эту страну. Сущность этого открытия больше понятна тем, кто так или иначе связан с физикой. Но большинство из нас оканчивало среднюю школу, где в учебнике 11 класса раскрываются некоторые вопросы квантовой физики.

С чего все начиналось

Напомним, что начало положили два основных открытия, за которые их авторы удостоились Нобелевской премии. В 1918 году Макс Планк открыл квант, а Альберт Эйнштейн в 1921 году фотон. Идея создания квантового компьютера зародилась в 1980 году , когда было доказано об истинности квантовой теории. А идеи начали воплощаться в практику только в 1998 году . Массовые, и при этом достаточно результативные работы, проводятся только в последние 10 лет .

Основные принципы понятны, но с каждым шагом вперед возникает все больше проблем, разрешение которых занимает достаточно много времени, хотя этой проблемой занимается очень много лабораторий во всем мире. Требования к такому компьютеру очень большие, так как точность измерений должна быть очень высокой и нужно свести к минимуму количество внешних воздействий, каждое из которых будет искажать работу квантовой системы.

ЗАЧЕМ НУЖЕН КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР?

На чем основана работа квантового компьютера

Все, в большей или меньшей степени, имеют понятие, как работает обычный компьютер. Смысл его заключается в использование двоичного кодирования, где наличие определенного значения напряжения принимается за 1, а отсутствие 0. , выраженное 0 или 1, считается битом. Работа же квантового компьютера связана с понятием спина. Для кого физика ограничивается школьными знаниями, могут утверждать о существовании трех элементарных частицах и о наличии у них простых характеристик, как масса и заряд.

Но ученые-физики постоянно пополняют класс элементарных частиц и их характеристик, одним из которых является спин. И определенное направление спина частицы принимается за 1, а обратное ему за 0. Это схоже с устройством транзистора. Основной элемент будет уже называться квантовым битом или кубитом. В качестве него могут выступать фотоны, атомы, ионы, ядра атомов.

Главным условием здесь является наличие двух квантовых состояний. Изменение состояния определенного бита в обычном компьютере не ведет к изменению других, а вот в квантовом компьютере изменение одной введет к изменению состояния других частиц. Этим изменением можно управлять, и представьте, что таких частиц сотни.

Представьте только, во сколько раз возрастет производительность такой машины. Но создание целостного новейшего компьютера – это только гипотеза, предстоит большая работа физиков в той области квантовой механики, которая называется многочастичной. Первый мини квантовый компьютер состоял из 16 кубитов . В последнее время выпущены компьютеры с использованием 512 кубитов, но и они уже используются для повышения быстроты выполнения сложнейших операций вычисления. Quipper – язык разработанный специально для таких машин.

Последовательность выполняемых операций

В создании компьютера нового поколения выделяют четыре направления, которые отличаются тем, что выступает в роли логических кубитов:

1. направление спинов частиц, составляющих основу атома;
2. наличие или отсутствие куперовской пары в установленном месте пространства;
3. в каком состоянии находится внешний электрон;
4. различные состояния фотона.

А теперь рассмотрим схему, по которой работает компьютер. Для начала берется какой-нибудь набор кубитов и записываются их начальные параметры. Выполняются преобразования с использованием логических операций, записывается полученное значение, являющееся результатом выдаваемым компьютером. В роли проводов выступают кубиты, а преобразования составляют логические блоки. Такой процессор был предложен Д. Дойчем , который в 1995 году смог создать цепочку способную выполнять любые вычисления на квантовом уровне. Но такая система дает небольшие погрешности, которые можно немного уменьшить, увеличив количество операций задействованных в алгоритме.

Как Работает Квантовый Компьютер?

Чего достигли

Пока разработаны только два типа квантовых компьютеров, но наука не стоит на месте. Работа обеих машин строится на квантовых явлениях:

1. связано со сверхпроводимостью. При его нарушениях наблюдается квантование ;
2. основано на таком свойстве как когерентность. Быстрота вычисления таких компьютеров увеличивается вдвое по сравнению с количеством кубитов.

Второй тип из рассмотренных считается приоритетным в области создания квантовых компьютеров.

Достижения различных стран.

Если вкратце, то достижения последних 10 лет значительные. Можно отметить созданный в Америке двухкубитный компьютер с программным обеспечением. Им же оказалось под силу выпуск двухкубитного компьютера с кристаллом алмаза. В роли кубитов применялось направление спина частиц азота, его составляющих: ядра и электрона. Чтобы обеспечить весомую защиту была разработана очень сложная система позволяющая давать результат с 95% точностью.

ICQT 2017. Джон Мартинис, Google: Квантовый компьютер: жизнь после закона Мура

Для чего все это нужно

Уже говорилось о создании квантовых компьютеров. Эти компьютеры не являются результатом того к чему стремились, но своего покупателя они нашли. Американская компания Lockheed Martin , специализирующаяся в области обороны заплатила 10 млн. долларов. Их приобретение способно находить ошибки сложнейшей программе, установленной на истребителе F-35 . Google с помощью своего приобретения хочет запустить программы для машинного обучения.

Будущее

В разработке квантового компьютера очень заинтересованы крупные компании и государство. Оно приведет к новым открытиям в области разработки криптографического алгоритма. Будет это на руку государству или хакерам решит время. Но работа по созданию и распознаванию криптоключей будет выполняться моментально. Решатся много проблем, связанных с банковской картой.

Сообщения будут передаваться с огромной скоростью и не будет проблем связаться с любой точкой на земном шаре, а может даже за ее пределами.

Такой компьютер поможет сделать , особенно в расшифровке генетического кода. Это приведет к разрешению многих медицинских проблем.

И, конечно же, приоткроет дверь в страну мистических тайн, параллельных миров.

Нас ждут сильнейшие потрясения. Все к чему мы привыкли, является только частью того мира, которому уже дали название Квантовой реальности. Выйти за рамки материального мира помогут , которые и составляют принцип работы квантового компьютера.

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: