Квантовые компьютеры проблемы создания
Обновлено: 05.07.2024
Специалисты Университета Дьюка смогли решить фундаментальные проблемы, связанные с ошибками квантовых компьютеров. Авторы объединили несколько кубитов, с помощью которых работают машины будущего, так, чтобы они функционировали как единое целое, то есть образовали логический кубит. В данной конструкции один кубит содержит нужную информацию, а другие позволяют исправлять ошибки. Таким образом, вероятность квантовых ошибок может быть сведена к минимуму.
Машины будущего настолько сложны, что для работы с ними нужны особые языки и квалифицированные специалисты.
До изобретения квантовых компьютеров ученые полагались на суперкомпьютеры — устройства, отличающиеся от обычных ПК габаритами и наличием сотен, если не тысяч ядер центрального процессора. Однако для работы с определенными массивами данных обычные компьютеры даже с тысячами ядер не очень подходят. Компания IBM, которая создала около 20 квантовых компьютеров, объясняет недостатки классических машин особенностью строения.
В качестве примера приводится задача, когда нужно разместить несколько привередливых гостей за столами, и при этом есть только один оптимальный план рассадки. В случае, когда гостей пять, таких комбинаций 120. Если количество гостей увеличить до 10, то будет более трех миллионов комбинаций. Обычный компьютер начал бы решать задачу постепенно, обрабатывая каждую комбинацию, — на ответ ушло бы очень много времени. Квантовый компьютер создаст огромное многомерное пространство, в котором сможет вместить все варианты ответа и найти верный.
В Google, где также работают над квантовым компьютером, считают, что вычисления, на которые современные ПК потратят 10 тысяч лет, машина закончит за три с половиной минуты. Например, существует определенный список из одного триллиона значений, и нужно найти лишь один подходящий элемент. При условии, что на проверку каждого элемента дается миллисекунда, обычный ПК справится за неделю, квантовый — менее чем за одну секунду.
Классические устройства — даже если обеспечить их тысячами процессоров с десятком тысяч ядер — оперируют битами, то есть воспринимают информацию в двоичной системе. В этом случае данные принимают значения только в виде единицы или нуля. Квантовые машины производят вычисления с помощью кубитов, где информация может иметь значение одновременно и в виде единицы, и в виде нуля. Это означает, что кубиты, в отличие от битов, могут принимать различные значения одновременно и выполнять вычисления, которые обычный компьютер не способен совершить по своей природе.
В первую очередь эти продвинутые устройства можно использовать для проведения научных экспериментов. Например, можно моделировать поведение атомов и частиц, которое сейчас реально воссоздать лишь на очень сложном уровне, например, в Большом адронном коллайдере. Также квантовые компьютеры могут оперировать с гигантскими массивами данных, состоящими из миллионов элементов. По оценке ученого Лова Гровера, базу с миллионом единиц обычное устройство проанализирует за миллион шагов, квантовый компьютер потратит всего тысячу.
Уже упоминалось, что квантовые компьютеры оперируют кубитами, а значит, могут работать с огромным количеством данных одновременно. Например, такое устройство могло бы обычным подбором быстро взломать любое шифрование. Если посмотреть на ситуацию с другой стороны, то передовые компьютеры можно будет использовать для предотвращения взлома различных систем. Безусловно, квантовые компьютеры пригодятся при работе с искусственным интеллектом, который часто полагается на комбинаторную обработку очень больших объемов данных для более точного прогнозирования и принятия решений.
Вероятно, на ранних этапах применения квантовых компьютеров машины будут задействованы в финансовой сфере. Она отличается от многих тем, что охватывает огромные данные. Устройства могли бы выполнять сложные финансовые расчеты и моделировать движение рынка.
Мир стоит на пороге новой революции. Нет, это не революция в народе или в правительстве - это революция компьютерная. Совсем скоро нам придётся поменять всё представление о том, что мы называем электронно-вычислительными машинами. Почему? Сейчас расскажу.
Как работает обычный компьютер?
Компьютер - сложная система, но в основе лежит простой принцип. Если ток идёт по транзистору, это 1, а если не идёт, это 0. Ноль и единица - это биты, простейшие единицы информации. Из них формируются арифметические и логические операции (Сложение, вычитание, умножение, деление, а также "и", "или" и отрицание), а затем сложные математические вычисления, и графический интерфейс для нас с вами. ПК, ноутбуки, смартфоны - вот наследие всего двух битов.
Но когда-нибудь мы достигнем физического предела. Сегодня размер транзистора составляет 10 нанометров, и мы совсем скоро доберёмся до размеров атома. Что делать потом?
На помощь нам приходит квантовый мир. Он очень сложный и непонятный, и многие учёные до середины XX века просто не верили в существование фотонов, электронов и прочих частиц. Спустя 100 лет мало что поменялось - мы до сих пор не понимаем всей природы квантового мира. Но это не значит, что мы не можем использовать его себе на пользу!
Квантовый мир - таинственный и непонятный.
В создании квантового компьютера нам помогут две особенности квантовых частиц - суперпозиция и квантовая запутанность.
Суперпозицию легко понять на основе известного кота Шрёдингера. Этот учёный взял своего кота и посадил в коробку. При этом там лежала ампула с ядом, которая могла расколоться с шансом 50%. Мы не можем утверждать, что кот жив, но не можем также говорить, что он мёртв. До того, как мы посмотрим в коробку, кот жив и мёртв одновременно!
Мы не узнаем, жив ли кот, пока не посмотрим в коробку. Мы не узнаем, жив ли кот, пока не посмотрим в коробку.С частицами то же самое. Мы не можем заранее знать поляризацию (направление колебаний) фотона - горизонтальная она или вертикальная, мы узнаем, только если будем за ним наблюдать. До наблюдения фотон находится в суперпозиции!
Если мы примем вертикальную поляризацию фотона за 1, а горизонтальную - за 0, то фотон до наблюдения будет обладать сразу обоими значениями - и нулём, и единицей! Это немного выносит мозг, но это реальность для квантового мира.
Суперпозиция позволяет одному фотону, то есть кубиту нести сразу два значения - 0 и 1. Если мы возьмём два кубита, то сможем хранить сразу 4 значения. Если 3, то 8. Всего 20 кубитов заменяют 1 миллион бит, а 30 - уже миллиард бит. Представляете ли вы себе, каких высот могут достичь системы из десятков тысяч кубитов?!
Если же мы возьмём два фотона, то у них есть уникальное свойство - квантовая запутанность. Если поменять состояние одного фотона, то другой мгновенно также изменит своё состояние, даже если они будут на разных концах Вселенной! Таким образом можно вести параллельные вычисления - если один кубит уже рассчитал необходимые параметры, для другого эта необходимость отпадёт.
Параллельные экспоненциальные вычисления. Вот что такое квантовый компьютер.
Зачем он нужен?
Возможно, сейчас вы задаётесь вопросом: а зачем нужен квантовый компьютер, это ведь такая большая мощь? Ну, подобный вопрос задавали в 70-х Стиву Джобсу, когда он презентовал Apple I, первый персональный компьютер. Как мы видим, через 30 лет необходимость в таких вопросах отпала.
1. Продвижение науки.
Открытие новых лекарств, новые открытия в физике и химии, биохимии и медицине, решение многих математических проблем, возможность моделирования веществ с нужными свойствами чуть ли не из кусочка мела и карандаша. Вы скажете, что это невозможно, но уже скоро сами убедитесь в этом!
2. Создание собственной Вселенной.
Если нам всё же удастся создать стабильную систему из тысяч кубит, то почему бы не потратить всю её мощь на создание симуляции Вселенной - Матрицы, в которой существа даже не будут догадываться, что они живут в ненастоящей Вселенной? Сегодня это кажется нереальным, но даже компьютерные игры показывают, что это возможно. Достаточно сравнить их уровень сегодня и ещё 10 лет назад.
3. Создание Матрицы
Этот пункт вытекает из предыдущего. Если мы сможем создать собственную Вселенную прямо на домашнем квантовом компьютере, почему бы тогда не сделать самую реалистичную виртуальную игру под названием Матрица? Виртуальная реальность обретёт второе дыхание, ведь теперь на её стороне будет огромная мощь и максимальная детализированность!
Громила или сверчок, японский самурай или девушка-эльф - сможешь сам выбирать. кем хочешь быть! Громила или сверчок, японский самурай или девушка-эльф - сможешь сам выбирать. кем хочешь быть!4. Создание Искусственного Интеллекта.
Что, если для создания ИИ нужно просто много времени и вычислительной мощи? Тогда квантовый компьютер - идеальная капсула для выращивания компьютерного разума. Мы получим то, о чём мечтали десятилетиями - и всё благодаря кубитам.
5. Взлом всевозможных защищённых данных.
На сегодняшний день компании Google удалось создать 72-кубитный компьютер. До 2021 года эта цифра может увеличиться до 100 кубит. Что будет дальше - неизвестно. Возможно, уже к 2030-2040 годам мы сможем протестировать первые массовые квантовые компьютеры и создать свою мини-Вселенную. В любом случае, это будет незабываемо!
Сегодня квантовые технологии — модная тема, которая у всех на слуху, хотя мало кто понимает, что на самом деле стоит за этим термином. Но как близко человечество подошло к созданию и использованию таких технологий? Возникает масса вопросов. Возможно ли создать квантовый компьютер? И несут ли эти технологии потенциальную угрозу человечеству, как например, использование ядерной энергии?
Роман Душкин, директор по науке и технологиям Агентства Искусственного Интеллекта , поучаствовал в интереснейшей беседе в программе «Сретенский клуб» на канале «Вечерней Москвы» и попытался ответить на эти вопросы так, чтобы было понятно даже людям, далёким от темы.
Квантовые технологии вообще достижимы?
Не просто достижимы, а уже реализованы. Дело в том, что сегодня мы подходим ко второй квантовой революции. Первую успешно прошли и сейчас живём в постквантовом мире.
Лазер, магнитные диски, магнитно-резонансная томография качественно изменили нашу жизнь, когда произошла первая революция. Человечество подчинило себе мир на квантовом уровне в первый раз. И сегодня мы подступаемся к этой задаче во второй раз, уже на новой ступени.
Использование квантовых технологий сейчас и перспективы на будущее
Ключевая проблема с квантовыми системами в том, что они очень нестабильны. На них влияют даже малейшие, невидимые процессы. Малейшее взаимодействие с окружающей средой, и всё рассыпается.
Однако именно неустойчивость квантовых систем натолкнула учёных на мысль, что это свойство можно использовать во благо. И возникла идея квантовой сенсорики. С одной стороны, квантовые системы реагируют на малейшие изменения, с другой стороны они настолько малы, что их можно внедрить практически куда угодно. Например, в клетки человеческого тела, чтобы они регистрировали малейшие изменения.
Другое направление использования таких технологий — квантовое шифрование. На базе квантовых технологий создают надёжные каналы связи, полностью защищённые от взлома и прослушивания. В нашей стране серьёзно занимаются этой темой. Мы с гордостью говорим, что в России одна из лучших крипто-школ в мире.
Что касается создания именно квантового компьютера, это вопрос времени. Сложно сказать, сколько для этого потребуется временных и технологических ресурсов, по причинам, описанным выше. Но это будет прорыв на принципиально новый уровень развития в науке, медицине, во всех сферах нашей жизни. Главное, чтобы эти технологии использовались в сугубо мирных целях.
Смотрите видео интереснейшей беседы с участием Романа Душкина на сайте «Вечерней Москвы».
А вы уже применяете технологии ИИ в бизнесе? Эксперты Агентства Искусственного Интеллекта с удовольствием разработают индивидуальные программы искусственного интеллекта для вашей научной или коммерческой деятельности.
Мы всегда в курсе самых значимых событий в мире науки и информационных технологий. Подписывайтесь и следите за новостями на канале « Другая Фаза ».
Если хотите всегда первыми быть в курсе новостей в мире искусственного интеллекта и узнать больше о работе нашего агентства, подписывайтесь на наш инстаграм .
Спасибо, что дочитали! Не забывайте, пожалуйста, оценить запись лайком. Это вдохновляет нас на новые уникальные материалы для вас. До новых встреч!
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_image/image/65535695/Sycamore_Rainbow_cropped.max_1000x1000.0.jpg)
По мере того, как исследователи стремятся повысить производительность квантовых компьютеров, они сталкиваются с той же проблемой, что и многие люди после больших праздников: в холодильнике недостаточно места.
Современные процессоры для квантовых компьютеров должны работать внутри криогенных корпусов при почти абсолютном нуле (-273.15 градусов по Цельсию). Обеспечить температуры в несколько кельвинов сейчас не проблема, однако электроника, необходимая для считывания и контроля таких процессоров, просто не работает при таких температурах. Таким образом, эта дополнительная электроника должна находиться за пределами холодильника.
Для современных систем, имеющих не более нескольких десятков кубитов, все еще есть возможность подключить специальные кабели, идущих из «холодильника», чтобы установить соединение. Но в будущих систем с миллионами кубитов мест для подключения просто не хватит. Такие системы будут нуждаться в чипах управления с сверхнизким тепловыделением (чтобы почти не увеличивать температуру), которые смогут работать внутри криогенной установки. Инженеры представили некоторые потенциальные решения в декабре во время Международной конференции IEEE по электронным устройствам (IEDM) в Сан-Франциско. Они варьировались от привычных до действительно экзотических.
CryoCMOS
Чип Horse Ridge от Intel. Внешне похож на чипсет, чем он в принципе и является, кроме одной особенности — может работать при криогенных температурах.
Возможно, самый простой способ создания криогенных элементов управления квантовыми компьютерами — это модификация технологии CMOS, с помощью которой создают современные полупроводниковые интегральные схемы. Предложила такое решение компания Intel. Она представила криогенный CMOS-чип под названием Horse Ridge, который переводит инструкции квантового компьютера в базовые кубитные операции, которые он передает квантовому процессору в виде микроволновых сигналов.
Horse Ridge рассчитан на работу при температуре всего 4 градуса по Кельвину, что несколько выше рабочей температуры самого квантового процессора, но все еще она достаточно низкая, чтобы находиться с ним в одном холодильнике. Компания использовала достаточно старый 22-нанометровый производственный процесс FinFET для создания чипа, но транзисторы, составляющие схему управления, пришлось существенно переработать.
«Если вы возьмете транзистор и охладите его до 4 кельвинов, далеко не факт, что он будет работать», — говорит Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel. «Есть много фундаментальных характеристик устройств, которые зависят от температуры». Основная проблема тут в том, что при сверхнизких температурах сильно снижается ширина запрещенной зоны, то есть полупроводник становится обычным проводником, а, значит, никаких вычислений вести на нем не получится.
Микрореле
Микрореле, способные работать при сверхнизких температурах. Электромеханическое реле — это устройство, которое способно резко увеличивать значение какой-либо выходной величины (частоты, тока, напряжения) при определенном значении входной электрической величины.
В логических схемах транзисторы действуют как переключатели, но это не единственные устройства, которые способны делать это. Инженеры лаборатории Цу-Чжэ Кинг Лю в Калифорнийском университете в Беркли разработали микроскопические электромеханические реле в качестве альтернативы транзисторам с сверхнизким тепловыделением. Они были удивлены, обнаружив, что их устройства работают лучше при 4 градусах по Кельвину, чем при комнатной температуре.
При комнатной температуре такие реле страдают от некоторых механических особенностей. Во-первых, кислород из окружающего воздуха может вступать в реакцию с поверхностями электродов реле. Со временем эта реакция может сформировать слой оксида с высоким сопротивлением, ограничивающий способность микрореле проводить ток. Но при температуре в 4 кельвина кислород находится только в твердом состоянии, поэтому такая проблема решается сама собой.
Во-вторых, контакты в микроскопических реле имеют тенденцию спаиваться. Это проявляется в виде эффекта гистерезиса: реле размыкается при несколько ином напряжении, чем то, при котором оно замыкается. Но поскольку силы адгезии (межмолекулярного сцепления) уменьшаются при снижении температуры, гистерезис при 4 кельвинах в 20 раз меньше, чем при комнатной температуре.
«Мы и не подозревали заранее, что эти микрореле будут так хорошо работать при криогенных температурах», — говорит Лю, руководивший этим исследованием. «Оглядываясь назад, мы должны были это понять сразу».
Однопоточная квантовая логика
В RSFQ и его квантовой версии, логике SFQuClass, квантованные импульсы напряжения блокируются, передаются или маршрутизируются с помощью джозефсоновского эффекта. Он заключается в том, что через тонкий слой диэлектрика между двумя сверхпроводниками может течь сверхпроводящий ток. Этот же эффект используется во многих современных квантовых процессорах. В 2014 году физики из Университета Висконсин-Мэдисон впервые предположили, что эти импульсы могут быть использованы для программирования кубитов, и ученые Seeqc сотрудничают с ними с 2016 года.
Микросхема, которая использует эффект Джосефсона. Проводники в данном случае это белые квадратики, составляющие длинные ряды. А диэлектрик — это серое вещество между ними.
В настоящее время компания Seeqc разрабатывает целую систему с использованием этой технологии, куда войдет чип цифрового управления, исправления ошибок и считывания данных, рассчитанный на работу при 3-4 градусах по Кельвину, а также отдельная микросхема, рассчитанная на работу при 20 милликельвинах для взаимодействия с квантовым процессором.
Полуметаллы Вейля
Квантовые вычисления — штука уже сама по себе странная, но для того, чтобы заставить их работать, может потребоваться еще более странная технология. Ученые из Лундского университета в Швеции и компании IBM разработали новое устройство, названное полуметаллическим усилителем Вейля, которое, по их словам, может приблизить считывающую электронику к кубитам. Не беспокойтесь, если вы не знаете, что такое полуметалл Вейля. В этих материалах есть вещи, которые даже ученые, пытающиеся сделать из них устройства, не до конца понимают.
Что ученые про них знают, так это то, что эти материалы, такие как дифосфид вольфрама, проявляют чрезвычайно сильное, зависящее от температуры, магнитосопротивление при охлаждении до температуры ниже 50 кельвинов. Устройство, которое они смоделировали, имеет электрод затвора, который создает магнитное поле внутри полуметалла Вейля, заставляя его сопротивление переходить от крошечного к огромному за считанные пикосекунды. Подключение входного сигнала от кубита к устройству может создать усилитель с высоким коэффициентом усиления, который рассеивает всего 40 микроватт тепла. Это достаточно мало, чтобы усилитель мог находиться в той части холодильника, где находятся сами кубиты.
Играясь сопротивлением полуметалла Вейля, можно заставлять электроны проникать внутрь кристалла по определенным каналам. Это можно использовать как для передачи информации, так и для усиления сигнала.
Конечно, пока что такие сложные устройства не особо нужны, но скоро все изменится. Посудите сами: в конце 2001 года самый лучший квантовый компьютер был у IBM, и он имел всего 7 кубитов. В январе 2018 года Intel создала сверхпроводящую квантовую микросхему Tangle Lake с 49 кубитами, а октябре 2019 года Google создала 53-кубитный квантовый процессор Sycamore. Пройдет еще несколько лет, и число используемых кубитов пойдет на сотни, и тогда проблема взаимодействия с ними при криогенных температурах выйдет на передний план. Именно поэтому ученые уже сейчас придумывают способы ее решения.
Читайте также: