Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Российские ученые изготовили и испытали первый в нашей стране сверхпроводящий кубит. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Суперпозиция кубита может быть представлена вероятностной функцией |ψ, которая зависит от амплитуды кубита в гильбертовом пространстве α и β. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха.
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. Особенно на фоне последних новостей из IBM об открытии квантового вычислительного центра IBM Quantum Computing Center в Нью-Йорке на базе пяти 20-кубитных и одной 53-кубитной системы. «Пять тысяч кубитов» звучат гораздо ярче, чем сообщение о недавнем эпохальном.
Анонсирован выпуск первого в мире квантового компьютера с более чем 1000 кубитов
Куби́т — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. Сейчас 16 кубитов есть на нескольких платформах, при этом наибольшую вычислительную мощность демонстрирует ионный процессор.
Что такое кубит?
В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах. Кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака). К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. В 2013 году мы произвели первичные измерения полученных в Германии кубитов (кубит – элемент сверхпроводниковой микросхемы, сделанный из сверхпроводника – тонких пленок алюминия). Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение.
Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии
Что же предлагают создатели компьютеров будущего? В привычном для нас процессоре информация представлена в виде последовательности нулей и единиц, так называемых битов. Физически это контакты транзисторов. Так называемом кубите. Это значит, что он может быть немножечко 0, но в основном единицей.
В основном 1 и немножечко 0. Это дает нам большие возможности, мы можем закодировать больше информации в меньшем объеме». В качестве примера можно привести человека. В случае обычного компьютера он может находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс.
В квантовом же мире с некоторой вероятностью человек может находиться в Москве, Владивостоке, на Шри-Ланке или в Дубае. Такими свойствами, расширяющими возможности, могут обладать ионы, фотоны, атомы цезия, лития или рубидия.
В результате сложений волн вероятностей, как и на обычных волнах, возникает интерференция, которая позволяет влиять на состояние кубита, меняя вероятность получения в нём того или другого значения ноля или единицы. После всех вычислений и преобразований результирующая волновая функция вероятности при прочтении кубита превращается в ноль или единицу, и уже не отличается от бита.
Применение квантовых вычислений Как видно из предыдущего объяснения, применять квантовый компьютер для обычных вычислений нет никакого смысла. А вот для определённого круга задач, где работа с вероятностями состояний вместо конкретных состояний на порядки повышает производительность, квантовый компьютер практически незаменим. Например, дешифрование на классическом компьютере занимает на порядки больше времени, чем само шифрование. Подчас дешифрование вообще невозможно в разумные сроки.
Тогда используются квантовые алгоритмы, которые дают некий наиболее вероятный ключ дешифровки и открывают им дешифрованные данные. Ключ можно быстро проверить повторным шифрованием данных и сравнением результата, и если результат повторной шифровки не совпал с оригиналом, значит ключ оказался ошибочным, и квантовые алгоритмы запускаются заново. Как видите, никто не собирается с помощью квантовых компьютеров управлять ядерными реакторами, это было бы самоубийством. Но моделировать ядерные реакции в научных целях вполне можно.
Там вероятности появления ошибок поглощаются и взаимоуничтожаются большой массой однотипных вычислений, и не оказывают никакого влияния на общий результат.
Сегодня поговорим о недавнем анонсе килокубитного квантового компьютера и разберёмся, ознаменовал ли он начало новой эры квантовых вычислителей. Конкретно, компания заявляет о вычислителе с 1225 атомными ловушками, из которых 1180 хранят кубиты.
Подобного рывка в развитии квантовых вычислений следовало ожидать. Однако, в развитии своих аппаратных разработок IBM сконцентрирована на одном архитектурном направлении — кубитах на основе сверхпроводников. Данная архитектура, безусловно, относится к наиболее развитым, но из-за малого времени жизни кубита с таким устройством задача масштабирования квантовых компьютеров со сверхпроводящей архитектурой сталкивается с большим количеством технических сложностей.
Другой перспективной архитектурой является использование в качестве кубита электронных подуровней атома в магнито-оптической ловушке. Кубиты данной архитектуры обладают большим временем жизни и меньше подвержены сторонним воздействиям, что потенциально упрощает масштабирование. Именно данную архитектуру используют специалисты Atom Computing в новом вычислителе.
Обратной стороной атомной архитектуры является сложность взаимодействия кубитов. Подобно тому, как любая классическая программа может быть представлена с использованием простейших логических элементов: И, ИЛИ, НЕ, квантовая программа составляется из набора элементарных квантовых гейтов, реализованных в вычислителе аппаратно.
Не может соперничать с традиционными компьютерами. Для этого нужны системы с многими тысячами, а возможно, миллионами кубит. Но если уже собрали вычислитель из сотен кубитов, почему нельзя, как в конструкторе ЛЕГО, объединить десятки тысяч, миллионы?
Руслан Юнусов: Собрать, конечно, можно, но есть проблема - надежность. И она сейчас является ключевой. Чем больше мы хотим объединить кубитов, тем сильней они влияют друг на друга. Как следствие, начинают вылезать ошибки. Понятно, что нам нужны точные, безошибочные вычисления.
Кроме того, в отличие от работы кремниевого устройства квантовые состояния довольно неустойчивые. Для защиты от разных внешних воздействий необходимы специальные условия. Все это дает повод скептикам утверждать, что собрать одновременно много кубитов и обеспечить надежность, безошибочную работу такой большой системы никогда не удастся. Либо одно, либо другое. Но с таким же упорством скептики заявляли, что никогда не удастся достичь квантового превосходства, а это произошло.
Важно, что таких примеров становится все больше. Ключевой вопрос Квантовая криптография обеспечит полную защиту информации. Фото: iStock У лидеров собраны системы из сотен кубитов, движутся к тысячам, у нас 16. Грустная цифра. Руслан Юнусов: Год назад, когда у нас было 4 кубита, а у них сотни, я бы признал, что мы сильно отстаем.
Сейчас ситуация кардинально иная. Важно, что мы не только достигли 16 кубитов, главное - есть четкое понимание, как к концу 2024 года выйти на сотню, а затем и на тысячи кубитов. А также достичь квантового превосходства. На самом деле число кубитов - не самоцель. Как я уже говорил, надо иметь не просто много кубитов, а много хороших кубитов.
Например, ионный процессор одного из наших зарубежных коллег всего на 20-30 кубитах бьет системы с сотнями кубитов. И мы знаем, как из наших 16 сделать такую же точную систему. Реализовав "дорожную карту", рассчитанную до конца 2024 года, значительно сократим отставание от лидеров. Сейчас разрабатывается новая концепция на период 2025-2030 годов. Лидеры обещают к 2030 году создать квантовый компьютер, который сможет решать самые разные практические задачи.
А что планируем мы? Руслан Юнусов: Говорить об этом еще рано, работа над концепцией только началась. Ее разрабатывают многие институты, вузы и корпорации. Крайне важно, что мы ощущаем полную поддержку со стороны государства. Все понимают значение этих работ для страны, для ее безопасности и суверенитета.
Квантовые вычисления для всех
В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. «В области производства квантовых компьютеров всё идёт в соответствии с графиком, 20 кубитов нам обещает Росатом показать в конце этого года.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
Подобная пространственная конфигурация, как показали последующие опыты, позволила ученым продлить типичное время работы кубитов на базе квантовых точек более чем на два порядка. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей. В то время как кубиты имеют четыре значения, в нейронных сетях их несравненно больше, а образуемые ими структуры намного разнообразнее, чем entanglement. Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит.
От бита к кубиту. Создание квантовых компьютеров сулит необыкновенные перспективы
Кубитам также характерно неприсущее битам явление квантового запутывания: состояние одного такого элемента связано с состоянием другого независимо от расстояния между ними. Потенциально эти свойства позволяют реализовывать параллельные вычисления и эффективнее классических систем работать с большими объемами информации. Но режим квантового превосходства пока не был достигнут никем — такое устройство могло бы обогнать классические компьютеры в решении большинства задач. Для достижения превосходства требуется машина с 50—60 кубитами и, что важно, достаточно малой декогеренцией, то есть в состоянии, при котором ничто извне не будет мешать кубитам находиться в квантовой запутанности между собой.
Здесь, в частности, и возникает сложность в реализации полноценного квантового компьютера. Дело в том, что сами по себе кубиты очень чувствительны к окружающей среде и воздействию шумов.
Абсолютно любое свойство объекта отныне можно описать одной такой жирной функцией взаимодействия этих волн друг с другом. Как в телевизор приходят радиоволны и получается картинка на экране, так же наши волнушечки могут собраться по какой-то формуле и сделать Олега. Фотоны света отражатся от волн Олега и так его себе видим. Но реален ли сам Олег? Тут лучше не торопиться. Можете вернуться к посту вечером. Суперпозиция — всего лишь вероятность Объясняя, что за фигня такая ваша «суперпозиция», все вспоминают байку с Котом Шредингера, закрытого в коробке со случайно взрывающейся колбой смертельного яда.
Страшилка с котом уже лет 50 используется в школьной программе и авторы большей части статей, что я читал, тоже её обожают, даже несмотря на то, что она не даёт читателю никакого понимания как всё это реально можно использовать на практике. Пора прекратить шутить шутку 100-летней давности. Люди в 21 веке могут себе позволить среднее образование и понять тему чуть глубже. Предлагаю поговорить о суперпозиции как будто мы люди с айфонами, а не крепостным правом. Потому вместо кота мы возьмем монетку :D Когда мы раскручиваем или подбрасываем её в воздух — она находится в суперпозиции орла и решки. Да, «как бы» одновременно. Только поймав монетку мы получаем один из результатов нашего измерения. Не поймаем — не узнаем. В чем же драматическая разница с так нелюбимым нами котом?
В том, что внутри монетки всегда есть чёткие вероятности её падения орлом или решкой. Но если мы зададимся целью немного «подкрутить» фокус себе на пользу — мы можем сделать монетку из разных сплавов или как-то притягивать одну из сторон магнитом. Отныне всегда, когда слышите про суперпозицию, представляйте себе именно такую подброшенную монетку. Суперпозиция — не загадочный феномен «одновременности», а чёткое и простое отношение двух вероятностей Находясь в «суперпозиции», монетка не просто для нас «как бы одновременно орел и решка», она имеет две вполне стабильные и известные нам вероятности выпадения одного и другого. Всё это уже намного удобнее использовать на практике, не правда ли? Вероятности мы умеем складывать, умножать, творить другие непотребства, в отличии от мертвых котов. Поэтому и дальше, когда мы будем говорить о квантовых битах, про которые все говорят, что они «одновременно 1 и 0», забейте на это и представляйте себе их как монетки. Каждый бит-монетка имеет строгую вероятностью быть прочитанным как 1 и строгую вероятность 0. Компьютер же может управлять этими вероятностями прямо в полёте пока не прочитает сам бит.
Прочитали бит — поймали монетку. Очень удобно. Если вы поняли монетки — вы уже наполовину поняли квантовый компьютер, поздравляю. Простите, я должен был использовать этот каламбур. Представим себе, что мы распилили нашу монетку вдоль. Как печеньки Oreo. Получилось две монетки — одна только с орлом, вторая только с решкой. Пустая сторона разреза нас щас не интересует. Не подглядывая где какая, мы подбрасываем обе новых монетки в воздух переводим в суперпозицию, как мы теперь знаем.
Монетки начинают вертеться в воздухе и не падают потому что они теоретические! Тут квантовый физик скажет, что между монетками создана запутанность. Русская терминология лажает, потому лучше дополнительно запомнить английское слово — Entanglement. Оно встречается чаще. Всё это означает некую «зависимость», «спутанность» или просто «связь» состояний двух монеток. Как видите, никакой магии пока нет, законы физики мы не нарушали, на митинг не выходили. Мы упаковываем одну из наших новых прикольных крутящихся монеток в коробку и отправляем её своему знакомому в другой город. А еще лучше на другую планету или в соседнюю галактику. Теперь мы оба имеем по монетке, но понятия не имеем орел нам достался или решка.
Кажется, пришло время посмотреть. Звучит тупо, да? Вот только Эйнштейн не был доволен такой фигнёй. Монетки находились далеко друг от друга, так? Но результат чтения одной моментально повлиял на значение второй, так? Значит мы только что нарушили теорию относительности и передали информацию быстрее скорости света. На этот раз без штрафа, но я выпишу вам предупреждение. Но есть и хорошие новости: мы научились создавать системы из двух частиц, которые вот так моментально при чтении одной гарантируют нам значение другой. Мы называем такие половинки «запутанными» друг с другом.
Такой вот физически нерушимый IF. Кубит Подойдём к настоящим квантовым вычислениям.
Впечатляет, конечно. Особенно, когда вы показывали, что вычисления в обычном режиме, на современных суперкомпьютерах занимали бы чуть ли не столетия, а на квантовых результат достигается за часы или дни, — это, конечно, впечатляет», — оценил разработку Владимир Путин. Проект разработки квантового компьютера был запущен в 2019 году, над ним работали учёные из Российского квантового центра и физического института им. Лебедева РАН при координации Росатома.
Вы не можете точно сказать, что она сейчас вам показывает — орла или решку, всё вращается, ничего не понятно, остановите это кто-нибудь.
Но стоит вам только «прихлопнуть» монетку на ладони, всё становится ясно. Точно так же ведёт себя и кубит — пока вы не воздействуете на него измерительным прибором, он так и будет пребывать сразу во всех состояниях между нулём и единицей. Звучит странно, но это одна из главных заповедей квантовой механики. Вокруг суперпозиции вообще ведётся много споров в научных кругах — взять хотя бы знаменитый парадокс кота Шрёдингера, который то ли жив, то ли мёртв, то ли вообще живёт сразу в нескольких параллельных вселенных. Читайте также: Кот Шрёдингера: что это за эксперимент и в чём его смысл Мало нам суперпозиции — чтобы вычисления совершались, кубиты должны быть связаны между собой. И если в обычной машине эту роль берут на себя токопроводящие дорожки, в квантовой нас выручает квантовая спутанность. Например, в лабораторных условиях мы можем получить несколько фотонов в спутанном состоянии — и тогда, где бы эти фотоны ни оказались, хоть на разных концах Вселенной, они будут связаны между собой.
Если изменить состояние одной, тут же изменятся и другие спутанные с ней частицы. Звучит совсем как магия, но это реальный физический закон: с его помощью учёные научились телепортировать квантовое состояние на многие километры. Чем квантовый компьютер лучше обычного Благодаря тому, что кубиты находятся сразу в нескольких состояниях и связаны между собой, квантовые машины могут параллельно перебрать сразу все варианты решения — в отличие от обычных компьютеров, которые перебирают варианты последовательно и довольно медленно. Можно условно сравнить это с калейдоскопом: если с обычным компьютером вам нужно покрутить прибор, чтобы получить разные картинки, то квантовый уже давно всё «покрутил» и сложил в одно большое полотно — осталось как-то достать из него нужный фрагмент. И здесь уже начинаются сложности — дело в том, что квантовые компьютеры выдают не точные результаты, а вероятностные, то есть приближённые к реальности. Поэтому для их интерпретации нужны особые, квантовые алгоритмы. Такие алгоритмы уже существуют — но заточены они на решение узких математических задач, а потому мало применимы в реальной жизни.
Переложить реальные человеческие задачи на квантовый язык непросто — отчасти поэтому такие машины ещё нескоро станут массовыми. Другая сложность — декогеренция. Это когда частица теряет свои свойства при столкновении с внешним миром. Дело в том, что суперпозиция — штука тонкая, и нарушить её может буквально что угодно: от солнечной бури до изменения климата. Поэтому здесь не получится просто накрыть всё медной крышкой и замазать термопастой — надо искать изоляцию посерьёзнее : Разработка такой изоляции — отдельный технологический вызов. Пока что единственный рабочий способ — охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы защитить её от внешних воздействий. Делается это обычно с помощью жидкого азота, ионных ловушек или магнитного поля, а потому такая система охлаждения выглядит весьма увесисто.
А ещё — довольно сложны в производстве.