Как работают квантовые компьютеры: Квантовый компьютер: что это, как работает, возможности РБК Тренды

В ISARA создали коммуникационное решение с использованием квантовой связи. Существуя одновременно с традиционным интернетом для общего пользования, квантовый интернет может предложить новые уникальные возможности. Многие страны вкладывают в исследование квантовых технологий, и с предложением бюджета на 2021 год администрация Трампа стремится нарастить эти усилия. По заявлениям специалистов, созданная ими система индуцирует настолько сильные взаимодействия между фотонами, что можно наблюдать разницу между одной и двумя частицами. В результате, с применением квантового света можно проводить более точные измерения с повышенным разрешением, используя меньшее количество фотонов. Такой подход будет востребован в ряде областей, в частности, в биологической микроскопии, когда большая интенсивность света может повредить образцы или когда наблюдаемые особенности чрезвычайно малы.

Над разработкой ПО для квантовых компьютеров работают также 1QBit, Cambridge Quantum Computing, QSimulate, Rahko, Zapata и другие компании. Как решать эту задачу на обычном (супер)компьютере (или кластере) — понятно, что надо перебрать в цикле все возможные варианты. Если у нас мультипроцессорная система, то можно распараллелить расчет решений на несколько процессоров и потом собрать результаты. Собственно, такое поведение это именно то, что мы от компьютера и ждем. На текущем технологическом уровне развития физической реализацией бита для обычного компьютера выступает полупроводниковый транзистор, для квантового, как мы уже говорили, любой квантовый объект.

А квантовая операционная система, которая справилась бы с расчетами, слишком сложна для существующих машин. Поэтому Фейнман представил модель первого компьютера, который был способен создать и использовать квантовую систему. Квантовые электронно-вычислительные машины способны работать, используя традиционные алгоритмы. Однако в своей работе для получения максимально эффективных результатов они применяют квантовые алгоритмы, а также базовые принципы и законы квантовой механики (например, запутывание и суперпозицию).

Под

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

будущих сотрудников. Кроме того, квантовые вычисления помогают предприятиям развивать новые технологии и экологические проекты, а в будущем могут помочь и в принятии инвестиционных решений, отмечают эксперты. Китай поставил свой первый серийный квантовый компьютер, который можно использовать для решения практических задач. 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. Благодаря возможности выполнять очень сложные вычисления значительно быстрее, или даже моделировать эти лекарства на молекулярном уровне, квантовые компьютеры способны предоставить такой необходимый рост производительности и скорости.

Он основан на передаче одиночных фотонов, приготовленных в случайном состоянии («ноль» или «единица») и в случайном базисе (в вертикальной/горизонтальной или диагональной поляризации). При попытке злоумышленника измерить поляризацию фотона, произойдет изменение состояния последнего. Это удастся легко отследить отправителю и получателю и отбросить скомпроментированный ключ. В середине июля 2021 года голландский стартап QuantWare выпустил первый в мире коммерчески доступный сверхпроводящий процессор для квантовых компьютеров (QPU). Эксперты считают, что эта разработка может значительно ускорить революцию в области квантовых вычислений. Квантовая память является важной составляющей для создания квантовых сетей, совместимых с оптоволоконными линиями связи.

Квантовые вычисления будут полезны любой компании, где есть четкий, поэтапно организованный рабочий процесс. Компьютер ускорит тестирование бизнес-идей, поиск новых решений или расчеты, которыми занимались несколько сотрудников. В 2015 году учёные из Университета в Новом Южном Уэльсе создали первый в мире кремниевый квантовый элемент. В этом же году NASA совместно с компанией D-Wave выпустили первый в мире операционный квантовый компьютер.

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. 21 октября 2022 года японский автогигант Toyota и компания Fujitsu Limited сообщили о сотрудничестве в рамках проекта по внедрению технологии Fujitsu Digital Annealer на предприятиях по производству автомобилей.

Президент США Трамп выделил $1 млрд на 7 ИИ-институтов и 5 центров квантовых вычислений

Далее мы будем говорить об этих задачах и проблемах более подробно. Помимо алгоритмов есть устройство для управления и измерения состояний кубитов и механизм, отвечающий за коррекцию ошибок. Квантовые компьютеры являются сложными устройствами и требуют высокоточных настроек, а для управления ими нужные особые навыки. Из курса информатики мы знаем, что любая вычислительная техника основана на двоичной системе счисления. Это значит, что все данные переводятся в 0 и 1, и именно в таком виде хранятся в памяти.

В эти исследования вкладывается огромное количество средств, создаются специальные программы поддержки квантовых технологий. А недавно ко мне подошли коллеги и спросили “Ты понимаешь как работает квантовый компьютер? ” И тут я понял, что проблема со складыванием в голове целостной картинки есть не только у меня. Исходя из вышесказанного, легко сделать вывод о том, что квантовые вычисления могут быть крайне полезны в современной медицине и фармацевтике.

Например, в 2014 году IBM поставила под сомнение факт, что D-Wave использует квантовые эффекты. Дело дошло до того, что в 2015 году Google вместе с NASA купила один из таких квантовых компьютеров и после исследований подтвердила, что таки да, компьютер работает и вычисляет задачу быстрее, чем обычный. На фоне заявления Google о достижении квантового превосходства используя процессор с 53-мя кубитами, компьютеры и анонсы от компании D-Wave, в которых число кубитов исчисляется тысячами, несколько сбивает с толку. Ну действительно, если 53 кубита смогли достичь квантового превосходства, то на что же способен компьютер с 2048 кубитами?

До этого Пань Цзяньвэй также заявил, что Китай может к 2030 году создать глобальную сеть квантовой связи. В ноябре 2016 года стало известно о том, что Microsoft разрабатывает квантовый компьютер. Для этого компания сформировала отдельный исследовательский проект, который возглавил ветеран Microsoft Тодд Холмдал (Todd Holmdahl), входивший в число руководителей команд разработчиков Kinect, HoloLens, и Xbox. В Microsoft уверены, что знания, накопленные Microsoft Research достигли того уровня, который позволит создать настоящий прорыв в создании квантового компьютера. На вопрос о том, когда Microsoft сможет построить свой первый топологический кубит, Холмдал, которому сейчас 52 года, не дает точного ответа.

• Однако и на нескольких десятках кубитов некоторые вычислительные задачи идут в миллионы раз быстрее, чем на классических компьютерах.
• Компьютер работает с помощью квантовых алгоритмов, способных решать задачи, являющиеся математически сложными для классических вычислительных машин.
• В конце марта 2021 года Quantum Brilliance представила, как утверждает компания, первый в мире квантовый ускоритель на основе алмаза, который может работать при комнатной температуре.
• Компьютер использовался в Оксфордском университете, в исследовательском центре IBM и Калифорнийским университетом в Беркли вместе с сотрудниками из Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института.
• Для монеток это можно себе представить визуально — в зависимости от начальной скорости, угла подброса, состояния окружающей среды, в которой летит монетка, в каждый момент времени вероятность получить “орел” или “решку” разная.

Википедия указывает на то, что первым идею квантовых вычислений высказал в 1980 году наш ученый Юрий Манин. Но реально заговорили о ней только в 1981, когда небезызвестный Р. Фейнман в докладе на первой конференции по физике вычислений, проведенной в Массачусетском технологическом институте, отметил, что невозможно моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере эффективным способом. Он предложил элементарную модель квантового компьютера, который будет способен провести такое моделирование. Автор не является специалистом в квантовых вычислениях, и целевая аудитория статьи — такие же ИТ-шники, не квантовые специалисты, которые тоже хотят собрать в голове картинку под названием “Как работают квантовые компьютеры”. Из-за этого многие понятия в статье сознательно упрощены для лучшего понимания квантовых технологий на “базовом” уровне, но без совсем уж сильного упрощения с потерей информативности и адекватности.

Второе необычное свойство кубита — спутывание (взаимозависимость). Два любых кубита в квантовом компьютере всегда взаимосвязаны — и действия, выполняемые над одним, влияют на другой, даже если кубиты сильно удалены один от другого. Благодаря спутыванию каждый кубит, добавленный в квантовый компьютер (это возможно сделать программными методами), увеличивает вычислительную мощность машины в геометрической прогрессии. В квантовом компьютере используются квантовые биты, или кубиты; обычно это субатомные частицы, такие как электроны или фотоны. Кубиты «живут» по принципам квантовой механики, их свойства достаточно необычны, их можно даже назвать «суперсвойствами».

Анонс Origin Pilot — операционной системы для квантовых компьютеров

По оценкам Hyperion Research, в 2020 году рынок квантовой электронно-вычислительной техники составил всего 320 миллионов долларов, однако темп его роста каждый год стремится к показателю в 25 %. Эксперимент заключался в необходимости определения маршрута для марсохода из одной точки в другую. Результаты этого эксперимента доподлинно не известны, однако проект по созданию лаборатории искусственного квантового интеллекта начал реализовываться такими гигантами, как Google, NASA и D-Wave сразу после его завершения. Любой компьютер оснащён транзистором – электронным компонентом, который управляет высоким током с помощью низкого.

Компьютеры для разработки измерительных приборов облегчат процесс создания новых веществ и лекарств. Искусственный интеллект сегодня активно развивается, однако в этой области до сих пор остаётся большое число неохваченных областей. Современные роботы умеют передвигаться, распознавать материалы и формы, различать и выполнять простейшие команды, однако им очень сильно не достаёт тех факторов, которые могут сделать их по-настоящему умными. Решение поставленных задач поможет нам не только достигнуть высочайшего уровня развития в этой сфере, но и создаст техническую базу для решения сложнейших научных задач.

США увеличивают на 20% госрасходы на квантовые технологии

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. С увеличением или уменьшением температуры вычислительная машина становится бесполезной. Предотвратить перегрев помогает система охлаждения на основе жидкого гелия.

В установке были предприняты методы защиты от простейших атак, в том числе, «Троянских коней». 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. В июне 2020 года Honeywell сообщила о запуске, как утверждает компания, самого мощного квантового компьютера в истории. Систему уже начали использовать несколько клиентов, среди которых — банк JP Morgan Chase. 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.

Пути решения проблем

При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.

27 апреля 2020 года стало известно, что Администрация президента США Дональда Трампа при планировании государственного бюджета на 2021 год решила на 20% увеличить расходы на квантовую информатику до $237 млн. При этом затраты на научную деятельность в 2021 году в целом она сокращает на 10%. В конце марта 2021 года Quantum Brilliance представила, как утверждает компания, первый в мире квантовый ускоритель на основе алмаза, который может работать при комнатной температуре.

Основным элементом такого компьютера является квантовый процессор. 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. В последнее время в заголовках журналов все чаще можно увидеть квантовые компьютеры.

Чем квантовый компьютер превосходит обычный?

Процессор, изготовленный на производственных мощностях Intel, отличается уникальной структурой кристалла, позволяющей повысить выход годных кристаллов на пластине и добиться существенного прироста производительности. 5 декабря 2018 года Ford в рамках очередного проекта разработает для грузовых дизельных машин комплексные карты маршрутов, которые помогут поддерживать нормальную работу сажевых фильтров. В 2019 году компания получит доступ к Лаборатории NASA по изучению квантового искусственного интеллекта Quantum Artificial Intelligence Lab в Исследовательском центре Эймса (Ames Research Center) в Кремниевой долине. Россия занимает 9 место в мире по количеству патентов в сфере квантовых технологий, следует из совместного исследования Ростелекома, Иннопрактики и ФИПС. Квантовый интернет — это перспективная область, поэтому в США решили увеличить инвестиции в неё.

Единственный способ их поддержки в таком состоянии – пониженная до нуля Кельвина температуры. Бит можно сравнить с лампочкой, которая либо включена (единица), либо выключена (ноль). Файл, лежащий на диске, для компьютера выглядит как набор лампочек, из которых одни горят, а другие — нет. Если взять очень много таких лампочек, то, включив одни и выключив другие, можно собрать хоть фразу «тут был Альберт», хоть Мону Лизу.

Они создают компьютеры, которые действуют по одному или нескольким алгоритмам. Одно из решений данной проблемы было предложено компанией D-Wave, которая создала систему охлаждения компьютера, которая снижает температуру атомов практически до нуля, чтобы исключить негативное влияние внешних факторов. Всё, что обычный пользователь видит на экране персонального компьютера, является результатом подобных вычислений. Папки, изображения, документы – всё это представляет собой производные от простого математического сложения и вычитания, то есть включения и выключения тех самых кранов с электрическим током с высочайшей скоростью.