Что такое квантовый компьютер: Квантовые компьютеры: что это и для чего нужны

В конце марта 2021 года портал Smart Energy International опубликовал статью о том, как компании топливно-энергетического комплекса (ТЭК) используют квантовые технологии для решения бизнес-задач. Одно из применений таких разработок заключается в прогнозировании объемов потреблений электроэнергии. 22 июня 2023 года американские учёные из Калифорнийского технологического института сообщили о разработке новой технологии хранения информации в квантовых компьютерах. Речь идёт о переводе электрических квантовых состояний в звуковые волны. Первая квантовая революция произошла во второй половине XX века и привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии – мобильной телефонной связи и интернета.

Она является частью проекта квантовой коммуникационной линии протяженностью в 2 тысячи километров, создание которой началось в 2013 году. Ранее похожий эксперимент был поставлен в Германии, однако на самолете находился источник фотонов, а не приемник. По словам физиков, именно в новой постановке эксперимента ключ можно будет успешно генерировать для связи между спутником и самолетом. Преимущество использования спутника в отсутствии естественных помех между отправителем и получателем, например, гораздо более разреженная среда. Для реализации подобных протоколов связи необходимо наладить квантовую коммуникацию между отправителем и получателем.

В далёком 1997 году обычный пользовательский компьютер сумел обыграть действующего чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова. Машине удалось сделать это благодаря тому, что она изучала 200 миллионов различных вариаций ходов за одну секунду. Пока же на данном этапе развития многие заказчики предпочитают использовать удалённый доступ для осуществления необходимых им квантовых вычислений.

Для уменьшения воздействия окружающей среды в Toshiba создали метод, называемый двухдиапазонной стабилизацией. Он предполагает передачу данных посредством двух сигналов, один из которых компенсирует быстро меняющиеся отклонения, а второй предназначен для более точной настройки фазы. Так, инженеры достигли возможности качественно передавать информацию на расстоянии до 600 км. Результаты эксперимента помогут усовершенствовать высокоскоростные квантовые сети. При этом понадобятся улучшения для создания полноценного устройства, в частности интеграция источников фотонов с памятью[1]. Таким образом удалось продемонстрировать новый способ хранения неклассического света с большой временной полосой пропускания.

Как устроен квантовый компьютер

Для выполнения вычислений на квантовом компьютере необходимо привести во взаимодействие несколько кубитов, причем таким образом, чтобы они образовали единую квантовую систему. Затем этой системе надо позволить развиваться по законам квантовой механики и спустя определенное время выяснить, в какое состояние она пришла. Интересующимся сферой квантовых вычислений хорошо известно — основная проблема, с которой сталкиваются создатели квантовых вычислительных систем — необходимость сохранения квантового состояния кубитов в течение длительного времени. Хрупкое квантовое состояние может нарушаться вмешательством любого, из достаточно большого набора внешних факторов, от которых отгородиться полностью не получается принципиально.

Этот материал поможет вам разобраться в кубитах, их физических платформах и алгоритмах, по которым функционирует квантовый компьютер. Из этой статьи вы также узнаете, каким образом моделируются квантовые системы, позволяющие выходить далеко за пределы науки. Для демонстрации технологии исследователи изготовили простое устройство, состоящее из девяти кубитов, упорядоченных в виде матрицы 3 на 3 элемента.

Как заявил ранее академик Китайской академии наук Пань Цзяньвэй, все системы спутника работают исправно. Отмечалось, что «Мо-цзы» после трехмесячного тестирования на орбите, будет сдан в эксплуатацию во второй половине ноября. До этого Пань Цзяньвэй также заявил, что Китай может к 2030 году создать глобальную сеть квантовой связи. Microsoft намерена создать «топологический» квантовый компьютер с двухмерными частицами, называемыми энионами, образующими трехмерные переплетения с двумя пространственными измерениями энионов и временем.

До конца не совсем понятен потенциал и возможности, которые могут предложить квантовые вычисления. Устранение их недостатков является одной из первоочередных задач, что позволит использовать квантовые вычисления в будущем еще более эффективно. Основным элементом такого компьютера является квантовый процессор.

Квантовый компьютер Microsoft

Ожидается, что квантовые электронно-вычислительные машины скоро станут незаменимыми помощниками в финансовой сфере. Вычисления, производимые на подобной технике, предполагают глубокую аналитику данных, что открывает возможности для появления новых торговых и инвестиционных возможностей. Аналитики из Boston Consulting Group прогнозируют рост рынка до 850 миллиардов долларов уже к 2040 году. Такой прогноз основан на уверенности в том, что уже в ближайшие годы будут разработаны квантовые компьютеры, подходящие для решения коммерческих и пользовательских задач. Несмотря на то, что на сегодняшний день пока не созданы даже прототипы подобных машин, инвестиции в эту область привлекаются огромные. В Microsoft уверены, что знания, накопленные Microsoft Research достигли того уровня, который позволит создать настоящий прорыв в создании квантового компьютера.

И работа этой системы, точнее, работа корректирующего кода была проверена при помощи 90 тысяч специализированных вычислительных операций, что позволило собрать необходимое количество статистических данных. Созданный код коррекции ошибок работает за счет использования определенного пространственного расположения кубитов, которое чем-то напоминает шахматную доску. С начала XX века ученые разрабатывают методики шифрования и безопасной передачи информации. Они обладают двумя ключевыми недостатками — их можно взломать при приложении достаточных вычислительных мощностей (к примеру, квантового компьютера), или же информацию можно извлечь, «подслушав» её передачу по каналу данных.

Разработано устройство, позволяющее хранить квантовую информацию в звуковых волнах

Проект по созданию квантового компьютера Microsoft возглавляет Тодд Холмдал (Todd Holmdahl), ранее входивший в число руководителей команд разработчиков Kinect, HoloLens и Xbox. Сейчас он говорит о квантовых вычислениях, как о новом направлении в бизнесе, а не теоретических или исследовательских проектах. И он уверен, что именно Microsoft станет пионером в этой области, внедрив квантовые технологии в свои облачные платформы. В конце октября 2020 года Honeywell представила квантовый компьютер System H1, который имеет 10 кубитов. По сообщению американской компании, система обеспечивает удвоенную производительность за счет квантового объема, увеличенного до 128. Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений.

Об этом в конце января 2023 года сообщила газета Министерства науки КНР. 21 мая 2023 года компании Nvidia, Rolls-Royce и Classiq объявили о прорыве в области квантовых вычислений, который, как ожидается, приведёт к значительному повышению эффективности реактивных двигателей. Первые квантовые компьютеры напоминают старые громоздкие вычислительные системы, они поставляются в больших шкафах высотой в 10 футов (около 3 м) и объёмом в 700 куб. При этом размеры самого квантового чипа достаточно небольшие и сопоставимы с размерами ногтя большого пальца. Посредством моделирования специалистам удается оптимизировать городской транспортный трафик или потоки данных в сети.

• В работах приняли участие сотрудники Университета Сиднея и Базельского университета.
• Для реализации подобных протоколов связи необходимо наладить квантовую коммуникацию между отправителем и получателем.
• Компактная система сбора, наведения и отслеживания (APT) и модули QKD были разработаны и установлены на самодельный октокоптер, взлетный вес которого не превышает 30 кг.
• В конце октября 2020 года Honeywell представила квантовый компьютер System H1, который имеет 10 кубитов.

Поэтому одна из важных задач на пути к построению полноценного универсального квантового компьютера – реализация самостоятельной работы квантовых кодов коррекции ошибок. Их использование позволяет бороться с декогерентностью, восстанавливая квантовые состояния, уменьшая одновременно погрешность измерений. Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. Для получения «квантового превосходства» над классическим компьютером, необходимо задействовать 49 кубитов.

Индия выделила $1,12 млрд на развитие квантовых компьютеров

Отличительная черта квантового объекта – способность находиться одновременно в двух состояниях. Когда квантовый объект (кубит) находится в двух состояниях, говорят, что он в “суперпозиции”. Зато в поисковых задачах современные образцы квантовых компьютеров добились огромных успехов. Ровно 10 лет назад 128-кубитовый квантовый компьютер, разработанный компанией D-Wave, решил поставленную перед ним задачу – отыскал трёхмерную структуру белка по сотой известной последовательности его аминокислот.

Авторы новой работы продемонстрировали принципиальную возможность квантового распределения ключа между летящим самолетом и наземной станцией. Для приема и передачи сигнальных фотонов физики использовали пару моторизированных телескопов. Приемник был установлен на самолете «Твин оттер», облетавшем наземную станцию по дуге или по прямой линии на высоте 1,6 километра. Номинальные расстояния между источником и приемником колебались от 3 до 10 километров. В установке были предприняты методы защиты от простейших атак, в том числе, «Троянских коней». В конце июня 2019 года стало известно о том, что ABN Amro первым среди банков начал использовать квантовые вычисления для борьбы с кибератаками.

D-Wave не является универсальным квантовым компьютером, хотя и может быть использован в качестве основы для его разработки. D-Wave — это 512-кубитная вычислительная машина на сверхпроводящих кольцах предназначенная для решения так называемых задач комбинаторной оптимизации, например анализа генома, вариантов сворачивания белков и т.п. Google будет использовать D-Wave для проектирования систем искусственного интеллекта, способного к самообучению.

Квантовые компьютеры могут быть очень полезны в области здравоохранения и фармацевтики. С помощью таких вычислительных машин учёные надеются решать задачи, которые неподвластны им сейчас. Исследователи известной фармацевтической компании из Швейцарии Roche считают, что квантовое моделирование способно помочь в разработке вакцин для защиты от распространённых инфекций и лекарств от таких заболеваний, как грипп и рак. И хотя такие попытки уже предпринимают ученые и IT-гиганты, пока что квантовые компьютеры работают примерно как внешние жесткие диски — подключаются к обычным компьютерам и управляются через них.

Принципиальное различие между современными компьютерами и вычислительными системами, с которыми мы взаимодействуем, заключается в огромной скорости и способе обработки информации на сервере. Создание подобных машин угрожает современным стандартам шифрования данных. На август 2019 г ожидается, что Rigetti, стартап по квантовым вычислениям, выпустит 128-кубитовую систему в 2019 году. В конце августа 2020 года Трамп выделил $1 млрд на создание семи

научно-исследовательских институтов искусственного интеллекта и пяти

исследовательских центров квантовых вычислений в течение пяти лет. Под

руководством Национального научного фонда и Министерства энергетики 12 междисциплинарных центров будут исследовать новые технологии и обучать

будущих сотрудников.

Сейчас в это направление вкладываются крупные организации, такие как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская Toshiba и китайские Alibaba и Baidu. В 2019 году квантовыми технологиями заинтересовались и российские власти. Сегодня известно множество компаний и организаций, работающих над разработкой квантовых компьютеров, – IBM, Microsoft, Intel, Google, Rigetti Computing. Эти компании сотрудничают с университетами и научными центрами по всему миру, чтобы улучшить технологии, необходимые для разработки и использования потенциала квантовых вычислений. Еще в 80-х годах прошлого века ученые стали задумываться над поиском решения задачи, связанной с переборкой огромного количества данных в максимально короткие сроки. Чуть позже появилась идея поиска способа получения нужной комбинации без перебора всех возможных вариантов.

Он состоит из кубитов, которые, в свою очередь, могут быть реализованы различными способами, например, на основе квантовых точек, сверхпроводников или ионов. Кубиты могут быть связаны друг с другом, образуя квантовые цепи, и управляться с помощью микроволновых импульсов. Обычный компьютер обрабатывает значения по отдельности, а квантовый в теории может обрабатывать сразу несколько. Иначе говоря, для решения одной и той же задачи обычному компьютеру потребуется значительно больше времени, чем квантовой системе. Уже сегодня она предлагает квантовые компьютеры, предназначенные для решения большого спектра задач в области энергетики и энергосбережения. Корпорация также активно занимается исследованием возможностей использования квантовых вычислений в различных научных и коммерческих областях.