Принципиально новые типы компьютеров
Обновлено: 04.07.2024
Ученые Института физики Тартуского университета нашли способ разработать оптические квантовые компьютеры нового типа. Центральное место в открытии занимают ионы редкоземельных элементов, которые обладают определенными характеристиками и могут действовать как квантовые биты. Это дало бы квантовым компьютерам сверхбыструю скорость вычислений и лучшую надежность по сравнению с более ранними решениями. Об этом сообщает Optics Communications.
Читайте «Хайтек» в
В то время как в обычных компьютерах единицами информации являются двоичные цифры или биты, в квантовых компьютерах единицами измерения являются квантовые биты или кубиты. В обычном компьютере информация в основном переносится электричеством в ячейках памяти, состоящих из полевых транзисторов, но в квантовом компьютере, в зависимости от типа компьютера, носителями информации являются гораздо более мелкие частицы, например ионы, фотоны и электроны.
Информация о кубите может нести определенную характеристику этой частицы (например, спин электрона или поляризацию фотона), которая может иметь два состояния. Хотя значения обычного бита равны 0 или 1, в квантовом бите возможны также промежуточные варианты этих значений. Промежуточное состояние называется суперпозицией. Это свойство дает квантовым компьютерам возможность решать задачи,
Исследователи Института физики Тартуского университета показали, что микрокристаллы, синтезированные на основе смешанных оптических кристаллических матриц фторидов, легированных эрбием, празеодимом и некоторыми другими ионами редкоземельных элементов, могут работать как кубиты, обеспечивающие сверхбыстрые оптические квантовые вычисления.
«При выборе ионов большое значение имеют их электронные состояния с очень разными свойствами. Они должны иметь по крайней мере два состояния, в которых ионное взаимодействие очень слабое. Эти состояния подходят для основных квантово-логических операций с отдельными квантовыми битами. Кроме того, необходимо состояние или состояния, в которых ионное взаимодействие является сильным — они позволяют выполнять квантово-логические операции с двумя или более кубитами. Все эти состояния должны иметь длительное время жизни (милли- или микросекунды), и между этими состояниями должны быть разрешены оптические переходы».
Профессор Владимир Хижняков, член Эстонской академии наук
Ученые говорят, что до сих пор обнаружение таких электронных состояний редкоземельных ионов не считалось возможным, и поэтому ученые не искали среди них такие состояния, подходящие для кубитов. До сих пор в основном спиновые состояния атомных ядер изучались на роль кубитов. Однако их частота в миллион раз ниже, чем частота квантовых битов. Вот почему также квантовые компьютеры созданы на основе этих кубитов. И они будут значительно медленнее, чем компьютеры с квантовыми битами на основе электронных состояний.
Сверхбыстрый рабочий цикл позволит преодолеть одно из основных препятствий на пути создания квантовых компьютеров. Кубиты очень чувствительны к своему окружению, поэтому любое вмешательство окружающей среды может привести к ошибкам в квантовых вычислениях.
«Время когерентности кубитов, то есть продолжительность чистого квантового состояния, очень короткое. Чем быстрее цикл вычислений, тем меньше помех со стороны окружающей среды в работе кубитов».
Профессор Владимир Хижняков, член Эстонской академии наук
Установлено, что метод спектрального прожигания дырок, ранее разработанный в Институте физики Тартуского университета, может быть использован для выбора набора кубитов в микрокристалле, выступающем в качестве экземпляра компьютера. По словам Хижнякова, на сегодняшний день это один из самых мощных методов оптической спектроскопии, который позволяет находить в микрокристалле те ионы, которые наиболее подходят для использования в качестве компьютерных кубитов.
Хотя до реально работающего квантового компьютера еще далеко, но исследователи лаборатории лазерной спектроскопии Тартуского университета приступили к созданию пилотного прототипа квантового компьютера на основе нового метода. По словам исследователей, они находятся в преддверии презентации работы основных элементов квантового компьютера нового типа.
К омпьютерные технологии неустанно развиваются. Обычные смартфоны теперь способны выполнять задачи, на решение которых в прошлом требовалась мощность огромных вычислительных машин. Впрочем, человечество стоит на пороге куда более масштабного технологического скачка. Он произойдет с появлением полноценного квантового компьютера. Всего за несколько минут он сможет решить задачу, на которую даже у самых мощных суперкомпьютеров уйдут десятилетия и даже столетия вычислений. Пока существуют только прототипы квантовых компьютеров, однако технологии с каждым годом совершенствуются. «Лента.ру» и Homo Science рассказывают, что такое квантовые технологии и каким образом они могут изменить мир.
Одним из первых о создании квантового компьютера заговорил американский физик Ричард Фейнман в 1982 году. По мысли ученого, такие машины способны моделировать сложные квантовые системы, например, атомы, что не по силам обычному, классическому компьютеру, которому для этого требуется колоссальный объем вычислительных ресурсов. Стало ясно, что квантовые компьютеры — хотя на тот момент не существовало даже их прототипов — способны на то, на что не способны даже мощнейшие суперкомпьютеры.
В 1996 году американский математик Лов Гровер предложил квантовый алгоритм решения задачи перебора, который теоретически способен ускорить поиск внутри гигантских баз неупорядоченных данных. Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — того же самого явления, что стало основой для магнитно-резонансных томографов. Годом позже было показано, что ЯМР-компьютеры не имеют никакого преимущества перед обычными компьютерами, поскольку в них не реализуется особый феномен, называемый квантовой запутанностью.
Пока одни ученые искали алгоритмы, которые можно реализовать на квантовом компьютере, другие занимались физической реализацией квантовых вычислений. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура продемонстрировал рабочий кубит на основе сверхпроводников.
Технологии стремительно развивались, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода, что слишком сложно для классических компьютеров. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления способны привести к полезному результату.
Спустя десять лет, в 2019 году, Google объявила о достижении квантового превосходства: всего за 200 секунд их компьютер выполнил серию вычислений, на которую у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет. А всего через год о достижении квантового превосходства сообщили китайские ученые: их компьютер на запутанных фотонах Jiuzhang за 200 секунд решил задачу, которая потребовала бы у самого мощного суперкомпьютера до 2,5 миллиардов лет вычислений.
Сейчас уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению полноценных квантовых компьютеров: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений.
В России дорожная карта развития квантовых вычислений разработана совместными усилиями Росатома и Российского квантового центра.
На создание квантовых компьютеров и облачной платформы для доступа к ним планируется потратить 23,6 миллиарда рублей.
Квантовое превосходство — это свойство квантовых компьютеров решать задачи, которые не способны решить классические компьютеры за обозримый период времени. Сейчас ученые рассматривают это достижение больше как доказательство принципа, чем то, что может повлиять на будущую коммерческую жизнеспособность таких вычислений.
В России под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория, куда вступили различные научные организации, включая Фонд «Сколково», Российский квантовый центр и профильные научные институты. Целью лаборатории является создание квантовых процессоров на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Квантовое превосходство может быть временным и не исключает появления более эффективных алгоритмов, ускоряющих вычисления классическими компьютерами, поэтому любое заявление о достижении квантового превосходства вызывает скепсис у специалистов и подвергается тщательной проверке. Когда Google опубликовала результаты вычислений квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер способен решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью — за два с половиной дня.
Страны вкладывают огромные суммы в развитие квантовой отрасли. Китай создал новый центр квантовых исследований (National Laboratory for Quantum Information Sciences) стоимостью 10 миллиардов долларов; Евросоюз разработал генеральный план развития квантовых технологий и планирует потратить на это около миллиарда евро; США, в соответствии с законом о национальной квантовой инициативе, выделили 1,2 миллиарда долларов на развитие проектов в этой области за пятилетний период. Однако для достижения полезной вычислительной производимости, вероятно, понадобятся машины, состоящие из сотен тысяч кубитов.
Классические компьютеры выполняют логические операции, используя биты — единицы информации, принимающие значение либо «0», либо «1». В квантовых вычислениях для этого используются кубиты, представляющие собой квантовое состояние объекта, например, фотона. До момента измерения квантовое состояние является неопределенным, то есть оно находится в суперпозиции двух возможных состояний — «0» или «1». Суперпозиция одного объекта может быть связана с суперпозициями других объектов, то есть можно сконструировать между ними логические отношения, подобные тем, что существуют на основе транзисторов в классических компьютерах. Однако квантовые системы трудно поддерживать в состоянии суперпозиции достаточно долго, поскольку квантовое состояние нарушается (система декогерирует) в результате взаимодействия с окружающей средой.
Чтобы добиться квантового превосходства, необходимо использовать явление, называемое квантовой запутанностью. Оно возникает в случае, когда две системы настолько сильно связаны, что получение информации об одной системе немедленно даст информацию о другой — вне зависимости от расстояния между этими системами.
Хартмут Невен, директор Google Quantum AI Labs предложил новое правило, которое предсказывает прогресс квантовых компьютеров в ближайшие 50 лет. Оно гласит, что мощность квантовых вычислений испытывает двукратный экспоненциальный рост по сравнению с обычными вычислениями. Если бы этому принципу подчинялись классические компьютеры, то ноутбуки и смартфоны появились бы в мире уже к 1975 году. Невен обосновывал свое правило тем, что ученые создают все более совершенные квантовые процессоры с большим количеством запутанных кубитов, и при этом процессоры сами по себе экспоненциально быстрее традиционных компьютеров.
Закон Невена, или, как его еще называют, закон Мура 2.0, прогнозирует, что по мере совершенствования квантовых микросхем вычисления будут становиться все быстрее и смогут решать проблемы, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам на планете. Это лишь вопрос количества доступных кубитов и снижения частоты ошибок, которые представляют основную проблему современных квантовых информационных систем. Если закон Невена себя оправдает, то в ближайшем будущем квантовые компьютеры покинут пределы университетских и исследовательских лабораторий и станут доступны для коммерческих и других приложений.
Все больше крупных компаний разрабатывают квантовые компьютеры, обеспечивая доступ к ним через облачные технологии. Заказчиками могут быть университеты, исследовательские институты, а также различные организации, которые заинтересованы в том, чтобы протестировать возможные сценарии использования таких вычислений. Рынок пока невелик: по оценкам Hyperion Research , в 2020 году он составил 320 миллионов долларов, однако его ежегодный рост составляет почти 25 процентов.
Специалисты Boston Consulting Group предсказывают, что к 2040 году рынок вырастет до 850 миллиардов долларов. Этот прогноз основан на уверенности, что уже в ближайшие годы мир получит оборудование, подходящее для решения коммерческих и общественных задач. Даже отсутствие готовых прототипов не мешает инвестициям в начинающие стартапы. Например, PsiQuantum привлек 665 миллионов долларов на создание квантовых компьютеров на базе запутанных фотонов.
В настоящее время усилия ученых сосредоточены на двух направлениях: создании универсальных квантовых компьютеров для широкого круга задач и специализированных квантовых вычислителях. Как правило, коммерчески доступные системы имеют небольшое количество кубитов, однако в них используются принципы квантовой механики, ускоряющие вычисления. Одним из главных игроков на этом рынке является компания D-Wave Systems, чьи устройства уже включают в себя пять тысяч кубитов. В 2020 году D-Wave начала предлагать коммерческий доступ через облако к специализированным квантовым компьютерам Advantage с пятью тысячами кубитов, которые пока пригодны для решения сложных оптимизационных задач.
IBM представила коммерчески доступный IBM Quantum System One, пригодный для решения более широкого круга задач, в том числе моделирования материалов для систем хранения энергии, оптимизации портфелей финансовых активов и улучшения параметров стабильности в инфраструктуре энергоснабжения. Исследователи также стремятся использовать квантовый компьютер для того, чтобы раздвинуть границы глубокого обучения. Пока ведутся исследования, связанные с проверкой концепции, то есть демонстрации осуществимости квантовых вычислений в интересующих специалистов областях.
Одна из наиболее перспективных областей, на которую могут повлиять квантовые вычисления, — разработка систем искусственного интеллекта (ИИ). ИИ имеет дело с огромными объемами данных, а неточности в обучении нейронных сетей приводят к значительным погрешностям. Квантовые компьютеры могут улучшить алгоритмы обучения и интерпретации. Предприниматель в области ИИ Гэри Фаулер считает, что большую роль играет способность квантовых компьютеров выходить за рамки привычного двоичного кодирования. Это влияет как на объем анализируемой информации, так и на обработку естественного языка.
ИИ на базе квантового компьютера будет способен глубоко понимать и анализировать текст и речь. Это касается и распознавания образов, то есть искусственный интеллект может научиться видеть предметы и понимать, что находится перед ним, с той же точностью, что человек, и даже лучше. Улучшенное распознавание образов позволит медицинским работникам быстрее диагностировать и лечить заболевания по снимкам МРТ.
Некоторые специалисты считают, что сильный ИИ невозможен без квантовых компьютеров. Современные суперкомпьютеры не обладают мощностью для моделирования человеческого мозга с химическими взаимодействиями между отдельными частями нервных клеток. Даже с учетом закона Мура такие компьютеры не появятся и через миллион лет, однако полноценный квантовый компьютер поможет решить эту проблему.
Считается, что постквантовая криптография, которая неподвластна квантовым компьютерам, остается неуязвимой даже для самых мощных систем. Специалисты уже работают над решением этой задачи, и NIST (Национальный институт стандартов и технологий, США) разрабатывает новые стандарты защиты информации, которые будут опубликованы в 2022 году. В то же время подобная криптография требует огромных ресурсов, поэтому квантовые компьютеры могут помочь защитить то, что они же делают уязвимым. Однако уже сейчас существуют прототипы защитных протоколов будущего, доступные для тестирования. Полный переход к ним может затянуться на 15-20 лет.
Квантовые компьютеры способны привести к резкому прорыву в открытии и разработке новых лекарств, давая ученым и врачам возможность решать задачи, которые невозможно решить сейчас. Специалисты швейцарской фармацевтической компании Roche надеются, что квантовое моделирование ускорит разработку вакцин для защиты от инфекций, подобных COVID-19, лекарств от гриппа, рака и даже болезни Альцгеймера. Квантовое моделирование может заменить лабораторные эксперименты, чем снизит стоимость исследований и сведет к минимуму потребности в тестировании препаратов с участием животных и людей.
Квантовые компьютеры потенциально могут ускорить создание новых катализаторов для утилизации СО2 из воздуха или отработанных газов, которые не только сократят выбросы, но и позволят получать ценные нефтехимические продукты.
С помощью «квантового отжига» можно рассчитать траекторию движения каждой частицы воздушного потока над новым типом крыла, что может привести к изобретению новых технологий в аэродинамике. Подобный принцип можно использовать для решения задач оптимизации трафика в городе или потока данных в сети.
Международная группа ученых, состоящая из российских, британских и германских специалистов в области квантовых технологий, создала революционную технологию кубитов, основанную не на джозефсоновском переходе, представляющем собой разрыв в сверхпроводнике, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке. О своей работе исследователи поделились в журнале Nature Physics.
В мире пока нет универсальных квантовых компьютеров, способных справляться с любыми задачами, однако разрабатываемые методы и принципы вычислений уже сейчас позволяют решать сверхсложные задачи. Например, с помощью кубитов моделируют химические соединения и материалы, воссоздают механизм процессов фотосинтеза.
На данный момент существует несколько типов кубитов, но у каждого из них имеется недостаток, который снижает эффективность их работы. Например, созданные кубиты, способные работать в оптическом диапазоне, сложно масштабировать, в отличие от кубитов на сверхпроводниках, работающих в радиодиапазоне и основанных на так называемых джозефсоновских переходах. Каждый такой переход представляет собой разрыв сверхпроводника, а точнее, слой диэлектрика, через который туннелируют электроны.
Новый тип кубита основан на эффекте квантового проскальзывания фазы – контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (порядка 4 нм толщиной) нанопроволоке, которая в обычном состоянии имеет довольно большое сопротивление.
Алексей Устинов, являющийся соавтором новой работы, руководителем группы Российского квантового центра, заведующим лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», а также профессором Института технологий Карлсруэ, отметил, что сейчас удалось создать новый тип сверхпроводящих устройств, во многом аналогичных СКВИДу (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»).
СКВИД представляет собой сверхчувствительный магнитометр, основанный на джозефсоновских переходах и использующийся для измерения слабых магнитных полей. Однако интерференция в новом устройстве вызывается не магнитным полем, а электрическим, которое меняет электрический заряд на островке между двумя нанопроволоками. Эти нанопроволоки играют в устройстве роль джозефсоновских переходов, но при этом не требуют создания разрывов и могут быть изготовлены из одного слоя сверхпроводника.
Алексей Устинов отмечает: в данной работе удалось показать, что эта система может работать как зарядовый интерферометр.
Это ключевой момент, доказывающий, что получен управляемый и когерентный эффект и что его можно применять для создания кубитов нового поколения. Также Устинов рассказал, что разработка обладает не меньшей функциональностью, чем предыдущие, но более проста в изготовлении. Новая технология может стать в основе принципа работы всего набора элементов сверхпроводящей электроники.
Сегодня компания IBM официально представила новые квантовые процессоры и концепцию коммерческих квантовых компьютеров завтрашнего дня — машин Quantum System Two. По словам компании, она подошла к порогу, за которым начинается новый и удивительный мир квантовых вычислений, который превосходит все мыслимые возможности классических компьютеров. Дверь в этот мир ещё не открыта, но IBM уже знает, как это сделать.
127-кубитовый квантовый процессор IBM Eagle. Источник изображения: IBM
Решающим фактором входа в мир массовых квантовых вычислений стала разработка квантового процессора с числом сверхпроводящих кубитов, превышающим сто штук. Вопрос масштабирования для сверхпроводящих кубитов — это самое больное место, поскольку все они помещены в ограниченную по объёму криогенную установку и требуют подвода множества кабелей для управления и измерения квантовых состояний. Управляющая и измеряющая аппаратура также крупномасштабная, как и очень сложные цепи сопряжения с внешними системами интерпретации сигналов или, проще говоря, с обычными суперкомпьютерами, которые управляют квантовыми системами.
Управлять десятком–другим сверхпроводящих кубитов дело нехитрое, но когда их число переваливает за сотню и стремится к тысяче и больше — инженерная задача вместить всё это в разумный объём становится архисложной. В IBM эту задачу решили и представили концепцию масштабируемой квантовой системы Quantum System Two и концепцию машинных залов из множества таких систем.
Источник изображения: IBM
Но прежде скажем несколько слов о новом 127-кубитовом процессоре IBM Eagle. Архитектура размещения кубитов на одном из слоёв процессора Eagle наследует архитектуру Heavy-hex из чередующихся шестиугольников, которую IBM использовала в 27-кубитовых процессорах Falcon, на которых она сегодня производит квантовые компьютеры Quantum System One. На углах и гранях шестиугольников размещены кубиты, которые контактируют с двумя или тремя соседними кубитами и могут быть связанными с ними. Но 127-кубитовый процессор резко отличается от 27-кубитового тем, что он выполнен многослойным в одной упаковке.
Без многослойной конфигурации масштабирование было бы невозможным. Управляющие и измеряющие квантовые состояния линии разнесены на нескольких уровнях, что помогло добиться компактности. Также IBM перешла на мультиплексирование сигналов, тогда как раньше каждый кубит управлялся индивидуальным набором проводников и индивидуальными блоками электроники. Без всего этого перешагнуть 100-кубитовый рубеж было бы невозможно, заявляют в компании. Также предложенный путь открывает возможность быстро пройти 500-кубитовый и 1000-кубитовый рубеж, что выглядит просто фантастически.
Высокоплотное размещение кубитов и уплотнение интерфейсов позволило освободить достаточно много места в криогенной системе. Это подводит нас к новой концепции квантовой вычислительной стойки, которую в IBM назвали Quantum System Two. Компания IBM разрабатывает стойку совместно с инженерами компании Bluefors.
Компания Bluefors работает над созданием новой криогенной платформы с большим внутренним пространством для более мощного вспомогательного оборудования и удобства обслуживания системы. Как это будет выглядеть, представлено в видео выше, где также раскрывается концепция машинных залов на новой платформе.
В настоящий момент у IBM нет ни одной работающей системы нового поколения. Ожидается, что первая система Quantum System Two будет введена в эксплуатацию в 2023 году.
Читайте также: