Сердце Вселенной: что объединяет квантовые компьютеры и черные дыры

3 Августа 2019

МОСКВА, 3 августа - Что такое квантовый компьютер и из чего он состоит? Далеко не все вычислительные машины имеют право на такое название. Почему это так и для чего необходимым подобные установки, объясняет Кристофер Монро, профессор Университета Мэриленда и один из ведущих шахматистов в глобальной квантовой гонке.

Российский квантовый центр регулярно проводит в Москве крупные международные конференции, посвященные развитию квантовых технологий и их применению на практике. В ее работе принимают участие не только ведущие исследователи, но и представители крупного российского и зарубежного бизнеса и представители власти.

В этом году на конференции выступили лидеры трех научных команд, лидирующих в создании сложных квантовых вычислительных систем. Помимо Михаила Лукина, профессора Гарвардского ситета (США), который впервые заявил о создании рекордно мощного 51-кубитного компьютера на бывшей конференции, в ней участвовали профессоры Кристофер Монро и Хармут Невен.

Монро, работающий сегодня в Университете Мэриленда (США), создал аналогичную по производительности машину почти одновременно с его российско-американским коллегой, используя подобные, но несколько иные принципы. 2 апреля, 16:27Квантовый компьютер Михаила Лукина решил первую серьезную задачу

Он рассказал о том, в какую сторону развивается эта система, чем она отличается от конкурентов и, где пролегает граница между истовыми квантовыми компьютерами, полностью надежными этому термину, и вычислительными системами, которые построены на базе классических принципов. Квантовое достоинство

Я далеко не всегда занимался квантовыми вычислениями. Моя научная карьера началась с того, что я занимался созданием атомных часов, построенных на базе запутанных состояний. Когда я увидел знаменитый алгоритм Шора, то понял, что мы на самом деле выполняем квантовый компьютер. Это примитивное наблюдение заставило меня, как и многих других коллег, заняться их разработкой, — отметил ученый.

Квантовые микрокомпьютеры представляют собой особые вычислительные зачисления, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе каталог значений между нулем и душой.

Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — традиционный и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. 18 декабря 2018, 14:09Ученые из России разрубили на части демона Максвелла

Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к арифмометрам, логарифмическим линейкам и аналоговым микрокомпьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности. Существуют и гибридные подъезды, сочетающие в себе черты и тех и других машин. К их числу, как считает Монро, можно отнести и компьютер Михаила Лукина.

Наши подходы с Мишей в чем-то похожи — мы используем лазерные системы для того, чтобы управлять взаимодействиями квантовых логических вентилей. При этом ключевое различие между нами и причина того, отчего мы заметно опередили его группу, заключается в том, что наши кубиты гораздо стабильнее, — объяснил профессор.

По словам Монро, это связано с тем, что ячейки памяти в его машине построены на базе ионов малоземельного металла иттербия, чье состояние не меняется, если жонглировать ими при помощи лазерных лучей. Квантовый компьютер Лукина, в свою очередь, сформированный на базе так называемых атомов Ридберга, не защищенных от подобных воздействий.

Они представляют собой атомы рубидия-87 или других щелочных металлов, чей свободный электрон был отодвинут на огромное расстояние от ядра при помощи особых лазеровых или радиоволновых импульсов. Из-за этого размеры атома увеличиваются примерно в миллион раз, что превращает его в кубит, но, как объяснил Монро, не позволяет передвигать его, не деформируя эту конструкцию и не разрушая квантовые состояния.

Отсутствие подобных проблем у ионов, по словам американского физика, позволило его команде создать не гибридный, а полностью управляемый квантовый компьютер, чьими кубитами ученые могут манипулировать прямо в ходе ведения вычислений. 3 августа 2016, 20:00Физики сделали первый программируемый квантовый компьютерМеждународный персонал ученых заявил о создании первого перепрограммируемого квантового вычислительного устройства, работу которого можно менять, не внося изменений в его физическую архитектуру.

К примеру, еще три года назад, задолго до создания более крупных машин, Монро и его группа заявили, что им пошло создать первый перепрограммируемый квантовый калькулятор, состоявший из пяти клеток памяти. Эта скромная машина, благодаря высокой гибкости ее работы, позволила физикам сделать на ней сразу несколько квантовых программ.

В частности, им пошло запустить на этом мини-компьютере методы Дойча — Йожи, Бернштейна — Вазирани, а также создать квантовую версию преобразований Фурье, краеугольного камня криптографии и ее взлома.

Эти успехи, а также сложности в удержании большого числа ионов в ловушках, как отмечает Монро, нарвали его на мысль, что квантовые вычислительные системы следует выпускать не монолитными, а модульными. Иными словами, серьезные квантовые компьютеры будут представлять собой не единое целое, а своеобразную сеть, состоящую из множества однотипных и достаточно просто устроенных модулей. Несовершенство вакуума

Подобные системы, как отметил американский профессор, уже существуют, однако пока не используются в прототипах квантовых компьютеров по одной простой причине — они работают примерно в сто раз медленнее, чем сами кубиты. Тем не менее он считает, что эта проблема вполне разрешима, так как имеет инженерный, а не научный характер.

Столь большие задержки объединённым с тем, что атомы испускают фотоны в произвольных направлениях, и мы далеко не сразу улавливаем их, из-за чего нам приходится ждать. Эти проблемы можно решить, приблизив оптику к атому и интегрировав ее в чип. Все это не выходит за грани реальности, и рано или поздно нам придется это сделать, когда мы выйдем на рубеж в несколько сотен кубитов, — продолжает научный.

8 февраля, 19:19Выходец из России выяснил, как ускорить аналоговый квантовый компьютер

Еще одна потенциальная проблема, которая будет мешать работе монолитных или просто крупных квантовых компьютеров, заключается в том, что вакуум, как выразился Монро, не идеален. В нем всегда присутствует небольшое число молекул, каждая из которых может столкнуться с атомными кубитами и помешать их работе.

Условно говоря, если у вас есть один кубит, то он будет скрещиваться с молекулами, присутствующими в вакууме, примерно раз в час. Если вы ведете в этот момент вычисления, то на вашем квантовом микрокомпьютере появится нечто вроде синего отражателя смерти. Но если схватить 60 ионов, то тогда такие ошибки будут происходить уже каждую минуту. Если вычисления будут длиться дольше, то у нас появятся огромные проблемы, — объясняет профессор.

Единственный способ это преодолеть — еще сильнее охладить квантовый микрокомпьютер, максимально приблизившись к полному нулю. Команда Монро пока этим не занимается, так как число кубитов в их машине невелико, однако в будущем эту проблему обязательно придется решить.

Модульный подход, как ожидает американский профессор, будет еще одним из способов решения такой проблемы, так как позволит разбить компьютер на множество независимых друг от друга частей, содержащих относительно небольшие количества кубитов. В теории он будет работать не так быстро, как монолитная машина, но при этом позволит обойти проблему несовершенного вакуума, поскольку модули будет проще охлаждать и контролировать. 2 декабря 2018, 08:00Квантовая Вселенная: можно ли превратить космос в гигантский микрокомпьютер

Когда приспеет это время? Как ожидает Монро, в ближайшие три-пять лет будут созданы машины, включающие в себя несколько сотен кубитов. Они будут который способным исполнять несколько десятков тысяч операций, и для их должности не потребуются экстремальные системы охлаждения или системы коррекции ошибок.

Подобные машины смогут решать многие сложные утилитарные задачи, однако они не будут полноценными компьютерами в традиционном смысле этого слова. Для этого потребуется нарастить число кубитов и научить их самостоятельно выправлять ошибки в своей работе. На это, по миросозерцанию физика, уйдет еще несколько лет.

Пока нам не нужно исправлять ошибки в работе нашей машины, так как они случаются очень малого, и мы не можем проводить вычисления достаточно долго, чтобы вероятность их появления послужила достаточно высокой. То же самое касается машины Михаила, — отметил исследователь.

Финишная прямая гонки

Первые сложные квантовые вычислительные машины, как полагает Монро, будут построены на основе ионных или атомных технологий, так как все остальные варианты кубитов, в том числе и перспективные полупроводниковые ячейки парамнезии, еще не достигли идентичного уровня развития.

Пока это все институтские лабораторные эксперименты. Эти кубиты нельзя использовать для создания долгожданных логических элементов. Поэтому я соглашусь с Михаилом в том, что нашим коллегам из Австралии, Intel и других коллективов придется решить много утилитарных проблем, прежде чем они смогут создать полноценную вычислительную систему, — отмечает физик. 21 февраля 2017, 13:27Ученые впервые устроили гонку квантовых микрокомпьютеров

Как обусловить победителя в этой квантовой гонке ? Два года назад Монро и его коллеги попытались звездануть ответ на этот вопрос, организовав первое сравнительное тестирование квантовых компьютеров. В качестве соперника для первой версии своей машины они избрали квантовый компьютер конторы IBM, созданный на основе сверхпроводящих кубитов.

Для их сравнения преподаватели и программисты из Университета Мэриленда подготовили первый набор квантовых бенчмарков — простых алгоритмов, допускающих оценить и точность, и скорость работы этих компьютеров. Тест не выявил прямого чемпиона — компьютер Монро и его команды выиграл в точности, но проиграл в скорости должности машине IBM.

Зачем мы проводим подобные тесты? Они критически важны для проверки работоспособности квантовых компьютеров и разгадывания того, в какую сторону нужно двигаться, даже если наша система пока еще очень проста. В будущем, когда число кубитов в нашей машине значительно увеличится, мы вернемся к этому же набору алгоритмов и устроим те же проверки, — пояснил научный.

При этом Монро мыслит, что так называемое квантовое превосходство — создание квантового микрокомпьютера, поведение которого нельзя изучить другими методами — не будет каким-то серьезным научным или утилитарным достижением.

Проблема заключается в самом понятии. С одной стороны, наши эксперименты с пяти десятками кубитов, как и опыты Михаила, помогли вычислить те вещи, которые никак иначе нельзя просчитать. С другой стороны, это нельзя обозначить превосходством, так как мы не можем доказать, что это реально нельзя вычислить прочими способами. Квантовое превосходство рано или поздно появится, но лично я не собираюсь гнаться за ним, — сказал ученый. 29 ноября 2017, 21:00Ученые рассказали о секретах работы первого 51-кубитного компьютера

Еще одна сложность заключается в том, что мы пока не можем безупречного сказать, какие задачи смогут решать квантовые компьютеры и, где их применение будет наиболее небеспричинным и полезным. Для этого необходимо, чтобы и научная среда, и все общество в целом начало воспринимать похожие машины как доступный и универсальный инструмент.

Алгоритмы и железо не могут развиваться в отрыве друг от друга. Мало кто будет думать о создании новых программ, если у них не будет машин, на которых их можно будет проверить, и наоборот — без существующих алгоритмов почитай никто не будет создавать микрокомпьютеры. Пока алгоритмы впереди, но это вполне нормально, учитывая, что теория надлежащая опережать практику, — разжевал Монро.

Квантовые потаенны Вселенной

Еще одна проблема — пока научные могут заставлять кубиты совершать относительно небольшое число операций, прежде чем связи между ними рушатся. По этой причине увеличивать число ячеек памяти в машине не имеет смысла, так как ее производительность и возможности от этого не увеличатся.

Нельзя просто взять несколько сотен кубитов, собрать их в кучку и сказать — смотрите, у нас есть машина на несколько сот кубитов. Она должна быть который способной совершать несколько тысяч операций для того, чтобы считаться долгожданным квантовым компьютером, — выделил Монро.

По этой причине американский профессор не считает, что адиабатические вычислительные системы, подобные установкам фирмы D-Wave, можно называть квантовыми компьютерами. Их работа, по миросозерцанию физика, основывается на вполне классических физических принципах, не имеющих ничего общего с истовой квантовой механикой. 17 ноября 2017, 11:13Ученые подсчитали производительность компьютера размером с Вселенную

Несмотря на это, подобные аналоговые компьютеры актуального интересны с практической точки зрения. Можно просто взять несколько магнитов, прикрепить их к треугольной сетке и проследить за их поведением. Эти опыты не будут иметь ничего артельного с квантовой физикой, но они позволят провести некоторые сложные оптимизационные расчеты. Интерес трейдеров к ним есть, значит, это делается не зря, — продолжает профессор.

Какие командировки сможет решать настоящий квантовый микрокомпьютер? Как отметил Монро, за последние годы с его командой связались многие другие персоналы физиков. Они планируют использовать их машину для решения многих важных научных задач, которые нельзя просчитать на обычной вычислительной машине.

Мы наверни от опытов с атомами к космологии, изучению конденсированных состояний и физике черных дыр. Оказалось, что в нашей системе можно создать такие состояния, которые будут повторять то, что происходит с парой запутанных частиц, одна из которых падает в черную дыру. Иными словами, мы можем собрать квантовую цепь, которая поможет нам просчитать то, что происходит с материей и информацией внутри сингулярности, — рассказывает Монро.

Пока такие же опыты, как признал физик, можно нагревать и на обычных суперкомпьютерах. С другой стороны, уже в ближайшие годы число кубитов в квантовых машинах значительно вырастет, что сделает их должность непросчитываемой.

Это расширит их применимость и сделает подобные эксперименты одним из самых интересных и уникальных способов изучать самые крупные и таинственные объекты Вселенной, а также решать многие повседневные задачи, такие как поиск маршрутов или управление экономикой, заключает изыскатель. 24 ноября 2018, 11:00Рывок России: зачем в МГУ создали центр квантовых технологий

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Сердце Вселенной: что объединяет квантовые компьютеры и черные дыры

комментарии (0)

Другие интересные новости

Путин наградил Сергея Безрукова орденом