Как работает квантовый компьютер: Квантовый компьютер: что это, как работает, возможности РБК Тренды

23 декабря 2022 года обнародованы результаты исследования китайских учёных, говорящие о том, что RSA-ключи шифрования взломаны с помощью |квантовых компьютеров. Квантовая связь на основе дронов имеет потенциал для реализации мобильной квантовой сети, и распределение запутанности было продемонстрировано с помощью одного и двух дронов. Объем ежедневно создаваемых данных просто огромен, и современные компьютеры уже не всегда успевают за такими объемами.

Для высокой производительности и эффективного функционирования всех систем и внутренних устройств квантовой вычислительной техники необходима низкая температура. Для устойчивой работы квантового компьютера атомы должны находиться в стабильном состоянии. Единственный возможный способ для поддержания стабильности атомов – снижение их температуры до нуля Кельвина. Стабильная работа не является отличительной характеристикой квантовых электронно-вычислительных машин. Интерференция, любая разновидность вибрации способна нарушить вибрацию атомов, приводя к большому числу ошибок в расчётах и вычислениях.

Технологии первой квантовой революции применяются в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканерах, сканирующих туннельных микроскопах и т.д. Базой для вычислений такого типа служит кубит — система, в которой число частиц аналогично импульсу, а фазовая переменная (энергетическое состояние) – координате. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается. 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.

Банк впервые начал использовать квантовые вычисления для защиты от кибератак

Устройство хранения на основе ниобата лития, легированного ионами эрбия, интегрировано с оптоволоконными компонентами телеком диапазона. Это открывает путь для создания квантовых сетей на базе интегральных фотонных схем. 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. Кроме того, квантовая техника может обнаруживать дальние планеты, моделировать различные системы, строить точные прогнозы погоды, выявлять заболевания на ранних стадиях, а также помогать в разработке вакцин и лекарств. Для любой техники, работающей на электричестве, потребляемая мощность является решающим фактором для полноценного и эффективного функционирования.

• За счет этого получить результат обработки данных можно практически мгновенно.
• Квантовое оборудование может быть полезно и в области аэродинамики.
• В данной статье мы не будем подробно разбирать квантовые алгоритмы, в Сети много прекрасных материалов на любой уровень сложности, но кратко пробежаться по трем самым известным все-таки надо.
• Они охлаждают специальные контуры до сверхнизких температур, при которых появляется возможность получить майорановские фермионы.
• В каждый момент времени не только каждая из них находится в суперпозиции состояний, но эти состояния взаимно влияют друг на друга (монетки же сталкиваются).

Ну и еще почитайте обзор возможных физических реализаций кубитов от Andrew Daley,2014. Все технологически успешные страны в данный момент активно занимаются развитием квантовых технологий. В эти исследования вкладывается огромное количество средств, создаются специальные программы поддержки квантовых технологий. Единственный способ их поддержки в таком состоянии – пониженная до нуля Кельвина температуры.

Зачем нужны квантовые компьютеры

Поскольку правильных решений два, то квантовый компьютер будет выдавать нам равновероятно любое из этих возможных решений, и 0.5% (10/2000) ошибок, о которых мы поговорим позднее. Квантовый компьютер пока не может заменить более привычный суперкомпьютер, который успешно справляется с огромным пластом задач. До конца не совсем понятен потенциал и возможности, которые могут предложить квантовые вычисления.

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. Большинство специалистов согласны с тем, что квантовые компьютеры – это наш шанс справиться с вызовами 21 века.

• Подобные разработки делают имеющуюся сегодня систему защиты и обеспечения безопасности информационных данных абсолютно бесполезной.
• Еще в 80-х годах прошлого века ученые стали задумываться над поиском решения задачи, связанной с переборкой огромного количества данных в максимально короткие сроки.
• Однако ключ необходимо каким-либо образом передать между участниками связи.
• Обычный пользовательский компьютер способен осуществлять «N» число вычислений за «N» количество секунд.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). 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).

Заявление Google о достижении квантового превосходства

Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию. Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому.

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. В ноябре 2016 года стало известно о том, что Microsoft разрабатывает квантовый компьютер.

Классические компьютеры оперируют битами — это мельчайшая частица, так сказать, «атом» информации. Бит похож на переключатель — он может быть либо нулем (если выключен), либо единицей (если включен). Каждое приложение, веб-сайт или фотография состоит из миллионов таких битов. Использование двоичных разрядов упрощает представление данных и управление классическими компьютерами, но при этом ограничивает их потенциал для решения действительно сложных задач информатики. Ситуация осложняется еще и тем, что при совершении сложных вычислений необходимо использовать квантовые схемы коррекции ошибок, что тоже отъедает и время, и доступные кубиты. Ошибки считывания финального результата — как мы помним, результат квантовых вычислений нам представлен в виде вероятностного распределения ответов.

В случае городских сетей, это можно сделать с помощью оптоволоконных линий. Также распределение ключа между неподвижными объектами можно организовать «по воздуху», с помощью лазера и детектора. Эти подходы уже были реализованы — предельные расстояния составляют около нескольких сотен километров в обоих случаях.

Как применяют квантовые компьютеры сейчас

Такие вычисления могут производиться с высокой скоростью благодаря тому, что транзисторов огромное количество (несколько миллиардов), а скорость их работы приближается к значению скорости света. Но у этих потрясающих свойств есть, естественно, и обратная сторона. Квантовый компьютер чрезвычайно чувствителен — на него влияют мельчайшие сбои техники («железа») и даже изменения окружающей среды. Вибрации (от проходящего неподалеку трамвая), электрические помехи, перепады температуры или магнитные волны могут ослабить суперпозицию или даже ликвидировать ее. Для понимания — в этом разделе нисколько не умаляется достижение Google, инженеры действительно молодцы, а вопрос о том можно считать это реальным квантовым превосходством или нет, как уже говорилось ранее, скорее философский, чем инженерный. Но надо понимать, что достигнув такого вычислительного превосходства мы ни на шаг не продвинулись к возможности запускать алгоритм Шора на 2048-и битных числах.

Ну действительно, если 53 кубита смогли достичь квантового превосходства, то на что же способен компьютер с 2048 кубитами? Как мы уже говорили, кубит может быть представлен квантовым объектом, то есть таким физическим объектом, который реализует описанные выше квантовые свойства. То есть грубо говоря, любой физический объект, в котором есть два состояния и эти два состояния находятся в состоянии суперпозиции можно использовать для построения квантового компьютера.

Разработка позволит значительно увеличить скорость передачи информации по сравнению с одномодовым хранением (одномодовыми квантовыми каналами связи). С конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. В первой квантовой революции технологии и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями. Квантовый компьютер — средство вычислительной техники, где в основе работы центрального процессора лежат законы квантовой механики. Такой компьютер принципиально отличается от традиционных ПК, работающих на основе кремниевых чипов.

Незначительные изменения в окружающей среде, в том числе температурные колебания, могут спровоцировать расширение или сжатие кабеля, что приведет к уничтожению информации. 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.

Интересен и тот факт, что квантовый компьютер не может работать без обычных вычислительных машин. Последние нужны для его обслуживания и поддержания работоспособного состояния. Кроме процессора устройство включает и другие компоненты, например, квантовый регистр. Представьте классический регистр, находящийся только в одном из двух состояний, и квантовый, находящийся во всех положениях одновременно. За счет этого получить результат обработки данных можно практически мгновенно.

Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения. 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.