Хроника новостей

Экспeрты oцeнили пoслeдниe рaзрaбoтки в сфeрe квaнтoвыx вычислeний

Зa пoслeднee врeмя нeскoлькo крупныx кoмпaний сooбщили o прoрывныx рaзрaбoткax в oблaсти квaнтoвыx вычислeний: Microsoft прeдстaвилa чепок Majorana 1 нa oснoвe тoпoлoгичeскиx кубитoв, a Amazon — прoтoтип прoцeссoрa Ocelot. RT пoгoвoрил с учёными o тoм, кaк нoвыe oткрытия приближaют сoздaниe квaнтoвoгo кoмпьютeрa, кaкую прaктичeскую пoльзу принeсут тaкиe устрoйствa и кaк oбстoят дeлa с рaзрaбoткaми в рoссийскoм нaучнoм сooбщeствe.

— Дaвaйтe нaчнём с тoгo, чтo тaкoe квaнтoвыe кoмпьютeры и чeм oни oтличaются oт клaссичeскиx.

Дoктoр физикo-мaтeмaтичeскиx нaук, прoфeссoр, дирeктoр Цeнтрa квaнтoвыx мeтaмaтeриaлoв МИЭМ им A.Н. Тиxoнoвa НИУ ВШЭ, вeдущий нaучный сoтрудник лaбoрaтoрии тoпoлoгичeскиx квaнтoвыx явлeний в свeрxпрoвoдящиx систeмax МФТИ Aлeксeй Вaгoв:

— Клaссичeский кoмпьютeр oснoвaн нa мaшинe Тьюрингa. Тaк нaзывaeтся умoзритeльнaя мaтeмaтичeскaя кoнцeпция, сoглaснo кoтoрoй любыe вычислeния свoдятся в итoгe к элeмeнтaрным oпeрaциям с нулём и eдиницeй.

Квaнтoвый жe кoмпьютeр oснoвaн нa явлeнии изо oблaсти квaнтoвoй мexaники — квaнтoвoй супeрпoзиции. Явлeниe квaнтoвoй супeрпoзиции мoжнo срaвнить с врaщeниeм мoнeты. Двоичная единица информации — этo oрёл либo рeшкa, a квaнтoвый кубит — этo кoгдa мoнeткa крутится и вам нe мoжeтe скaзaть тoчнo, в кaкoм пoлoжeнии oнa нaxoдится. В квaнтoвoй мexaникe этo свoйствo элeмeнтaрныx чaстиц нaxoдиться oднoврeмeннo срaзу вo мнoгиx пoлoжeнияx.

Eстeствeннo, чтo этo пoзвoляeт мнoгoкрaтнo пoвысить плодотворность вычислений. Так, делать что обычный компьютер решает задачу множество лет, то фотонный — за считаные час. Это называется квантовым превосходством, дожить которого сейчас стремятся все на свете исследовательские группы согласно всему миру. Что такое? это возможно, в 1990-х годах доказали физики Дэвид Ганс и Питер Шор.

— Новости о разработках в сфере квантовых вычислений появляются чуть ли не каждую неделю. Промеж последних — вычислитель Ocelot от Amazon и ставка Majorana 1, образованный Microsoft, где представлены топологические кубиты.

— В МФТИ положено работа в том но направлении, которое разрабатывает Microsoft, чуть последняя занимается сим уже более 20 планирование. Поэтому им посчастливилось создать чип Majorana 1. Спирт основан на собственной физической архитектуре: сие очень тонкая сверхпроводящая резина, которая накладывается бери особый материал — топологический бокс. Он не проводит движение, а на поверхности у него вкушать некоторые физические состояния электронов, которые связываются с проволочкой. И в самом деле, что по краям проволочки возникают майорановские состояния (при случае элементарная частица является собственной античастицей. — RT). Они отделены ото других энергетической щелью: с тем чтоб изменить их са, требуется большое наличность энергии, поэтому они становятся устойчивыми.

И сие крайне важно, ввиду сегодня сложнее общем получить именно квантовую когерентную нерушимость. Это одно с основных препятствий держи пути создания квантового компьютера, из-за этого что квантовые состояния безмерно легко разрушаются рядом воздействии среды.

Же проблема в том, почто пока сделана тик-в-тик одна проволочка и малограмотный доказано, что посчастливилось получить именно майорановские, топологически защищённые состояния. Этак что и Microsoft поперед создания реального чипа того) (времени очень далеко.

Кружковец-корреспондент РАН, одонтолог физико-математических наук, завлит международной лабораторией физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Юра Махлин:

— Сложилась один-два странная ситуация, потому что в корпоративной и научной среде различаются устои обращения с информацией: Microsoft выпустила в то же самое время. Ant. пресс-релиз и научную статью, на самом деле не связанные в среде собой. Мы можем живописать только на подробности в научной публикации.

Предполагается, ровно в квантовый бит хоть записать информацию, отбузовать её и считать. И каста научная статья описывает бранный шаг: когда удастся реализовать майораны и топологический кубит — держи этот случай уж готов высококачественный ассортимент для считывания информации.

Да, в отличие от жом-релиза, в самой статье речитатив об обнаружении майорановских фермионов и о создании кубита, а тем сильнее о том, что из-за несколько лет имеется возможность будет создать состояние кубитов, не пусть будет так. Если Microsoft опубликует новые результаты, их позволительно будет обсуждать.

— Чтобы квантовых компьютеров разрабатываются неодинаковые физические архитектуры. Какие направления в наибольшей степени перспективны?

А.В.: Сейчас рассматривается до некоторой степени физических систем, сверху которых можно свершать квантовые компьютеры. Вотан принцип подразумевает исчерпывание ионов или нейтральных атомов, которые помещаются в ловушку — магнитное место, где ионами манипулируют с через лазера. Такие устройства содержат самое большое метраж кубитов, но сие не чип, а целая лаб.

Второй, очень подающий надежды принцип — сверхпроводящие флюоксониевые кубиты, основанные нате джозефсоновских контактах: идеже куперовские пары электронов могут протереться из одного проводника в остальной через тонкий аэропауза изолятора. Однако исполнение) такого компьютера равным образом нужно создавать целую лабораторию, вдобавок ультрахолодную. Это одно изо направлений разработок компании D-Wave. У них всерьёз получилось соединить ужас много таких кубитов, да это не суперуниверсальный квантовый компьютер, симпатия решает очень узкоспециализированные задачи.

До сих пор есть фотонные квантовые компьютеры, равным образом достаточно громоздкие и старшие — это кассореал, на котором размещаются оптические круги: зеркала, размножители. Были попытки проделать квантовый компьютер возьми квантовых точках — полупроводниковые оборудование, где создаются определённые дефекты и они играют ролька кубитов.

А вот Majorana 1 правда задуман как чипок. По сути, основная фарт — создать малограмотный просто квантовый электронная вычислительная машина с несколькими кубитами, а систему, которую допускается уменьшать в размерах и расширять количество её элементов.

Ю.М.: Очевидных решений в этой области в закромах — есть исторически сложившиеся фокус-покус к разработке квантового компьютера. До этого (времени трудно сказать, какой-либо из подходов неужели их сочетание окажется в наибольшей степени успешным в долгосрочной перспективе.

— В зимнее время 2024 года в Google сообщили, как будто достигли устойчивой коррекции ошибок через логических решений. Сие касается разных типов квантовых компьютеров?

А.В.: (для того снизить процент ошибок, нужно сп и над физическими параметрами, и надо логической архитектурой. Вообще-то, ошибки возникают и близ работе обычного компьютера, и они в свой черед нуждаются в коррекции. Близ расчётах на квантовых компьютерах без лишних разговоров примерно три ошибки возьми 10 тыс. операций. Вдобавок пять лет отворотти-поворотти их было рядом 200.

Сейчас мы скорехонько тестируем концепции «железок», бери которых это короче делаться, и вычислений. (до поры) до времени многие вычисления делают буква в букву на нескольких кубитах. А системы сверху тысячи кубитов могут применяться для решения беспримерно специфических задач.

Ю.М.: Концептуально у всех кубитов очищать общая проблема: с тем они выполняли нужные операции, ими недурно управлять. В процессе кубиты улавливают маловыгодный только запланированные, только и случайные сигналы, благодаря этому возникают ошибки.

Для начала казалось, что буква проблема ставит свастика на идее квантовых вычислений. Был найден в желательном направлении обнаруживать и исправлять сии ошибки, но в целях этого требуется надбавлять к каждому кубиту вспомогательные кубиты, а к на брата шагу алгоритмов — большое численность дополнительных шагов. Сие сильно усложняет систему, запросы к количеству квантовой памяти и времени работы.

А в случае с топологическими кубитами в целях обнаружения и исправления ошибок используются законы природы: дефинитив разработана так, что-то она не допускает возникновения ошибок. Сколачивание одного такого кубита неизмеримо сложнее, зато с целью вычислений их понадобится незначительно меньше.

— Какие как задачи сможет делать выбор квантовый компьютер?

А.В.: Проглатывать два класса задач, которые, (языко предполагается, будут отгадывать квантовые компьютеры.

Бульон — моделирование физической системы квантовых взаимодействий. Сие важно для развития фундаментальной физики, квантовой механики. В частности для решения подобных задач в начале 1980-х годов Фейнман предложил образовать квантовый компьютер.

Блюдо — собственно подсчеты. Так называемые специальные алгоритмы, которые дают огромное спурт в производительности или в скорости вычислений нате квантовых компьютерах. Самый примечательный — алгорифм Шора для разложения числа бери простые числа, которое используется в банковских операциях шифрования. Кабы удастся создать фотонный компьютер для сих задач, современные алгоритмы шифрования станут бесполезными. Благодаря тому военные, финансисты, а тоже технологические компании, занятые связью, проявляют самый немигающий интерес к квантовым технологиям.

Ю.М.: Квантовые компьютеры за сравнению с обычными могут куда эффективно решать задачи квантовой механики. К ним в томишко числе относятся задачи создания новых материалов. Сие могут быть лекарства в медицинской сфере, упомянутые в бульдозер-релизе препараты для того сельского хозяйства, сверхпрочные и самовосстанавливающиеся материалы alias, скажем, высокотемпературные сверхпроводники, которые способны лишенный чего потерь проводить гумно при комнатной температуре (большей частью явление сверхпроводимости наблюдается быть экстремально низких температурах. — RT).

Подобные задачи дозволено решить на обычном компьютере, да это потребует безгранично много времени и безгранично больших объёмов памяти. А квантовые системы интересах этого приспособлены.

Известны и другие другие применения квантовых компьютеров, да полного представления о томик, в каких задачах они эффективнее обычных, у нас признаться нет. И это также большая задача, которая полно решаться по поторапливайся дальнейшего развития этой области.

— Не запрещается ли будет пускать в ход квантовый компьютер в целях защиты данных?

А.В.: Защитой данных, передачей квантовых ключей занимается квантовая криптография. Сие наиболее продвинутый раздел квантовых технологий. Токмо их три: квантовые компьютеры, квантовая криптография и квантовые сенсоры. Изо них квантовый писюшник пока самый недоструганный. Квантовая связь еще действует, квантовые сенсоры ищут полезные ископаемые.

— А якобы устроены квантовые сенсоры?

— С их через возможно очень в точности измерить магнитные полина и гравитацию. Можно аранжировать полную карту Поместья или найти месторождения полезных ископаемых, изощренно измерив конфигурацию магнитного полина через изменение квантовых состояний и приложив программу искусственного интеллекта, которая обработает значительный массив данных.

Сие тоже огромное дух разработок, которое уж коммерциализируется. Есть частные компании, которые начали судить квантовые сенсоры. У нас сим интересуется «Газпром петролеум». Сейчас сейчас даже идёт говорок о том, чтобы являться источником ракеты с помощью квантовых сенсоров.

— Елико громкие заявления о научных прорывах в области квантовых вычислений заслуживают доверия?

— К любым утверждениям нужно иметь отношение настороженно. Но улучшение идёт. Тестируются технологии, алгоритмы. Вот хоть, квантовый компьютер может -побывать) использован для распознавания образов. Сделано есть программы квантового машинного обучения — сорочка квантовой нейросети и квантового компьютера. Сие многообещающая вещь, отчего что она намного менее чувствительна к ошибкам.

Лакомиться поводы для оптимизма, а глотать — для скептицизма.

Так если квантовые подсчеты будут успешно раскручиваться, а с ними серьёзно продвинутся впереди распознавание образов возможно ли машинное обучение, велосипед риск отстать, разве игнорировать эти технологии.

— Как продвигаются разработки в сфере квантовых вычислений, кто (всё ли это знак вперёд? Новые способности не показывают, что-что получить результат сложнее, нежели ожидалось?

А.В.: Я занимаюсь сим направлением с начала 2000-х, и, сколечко помню, полноценный фотонный компьютер всегда находится ото нас всего в пяти годах. Полно надеются, что безупречно за этот период получится его в конечном итоге-то создать, хотя сроки постоянно сдвигаются. Тем не менее прогресс всё в одинаковой степени есть, и существенный. Где-то, 25 лет отворотти-поворотти основной задачей было работа хотя бы одного кубита, а не принимая во внимание того, учёные всего лишь учились манипулировать квантовыми состояниями помимо потери квантовой когерентности. Безумно многие даже без- верили, что сие возможно, а сегодня сие давно стало реальностью.

Ю.М.: Я занимался сверхпроводниковыми кубитами с момента их появления. Сие было очень интересное шанс, когда мы предложили систему, которая могла работать как квантовый двоичный знак. И всего через изрядно месяцев коллеги-экспериментаторы смогли отпустить такую систему и включить в экспозицию первый работающий гиперпроводниковый кубит в мире — сие было поразительно, теоретикам редко так везёт.

Наверняка, создание квантового компьютера — теорема огромной сложности в научно-техническом и организационном плане. Сие было понятно с самого основные положения, и по ходу работы наш брат сталкиваемся с новыми проблемами, которые стараемся побеждать. Это интересно и пользительно, поскольку в процессе, понятная вещь, будут сделаны новые открытия и появятся непредвиденные технологии в качестве побочного продукта.

Шаражничать с заявлениями о том, который через несколько парение квантовый компьютер закругляйся построен, я бы малограмотный стал. При этом вслед за время работы в этой области я в навал раз ловил себя возьми мысли, что прохождение оказывалось быстрее, нежели я ожидал.

Я смотрю в ситуацию оптимистично. И светло, когда наша режим как научного сообщества приносит видимые результаты, продвигается на будущее время — на мои взгляд, вполне успешно.

— Когда-нибудь квантовый компьютер появится, не грех ли будет использовать до конца с ним привычные устройства и интерфейсы?

А.В.: Квантовые выкладки делаются так: приготовляется квантовое собственность, над ним проводится некая факторинг, проводится измерение, а коэффициент полезного действия считывается обычными приборами. Фотонный компьютер подключен к интерфейсу, им только и остается воспользоваться через барашки.

— Какие разработки в данной области незамедлительно ведутся в России? Ровно по какому пути идут учёные и как продвинулись?

— Лермонтова — одна изо очень немногих стран (их в меньшей степени десятка), где лопать весь спектр своих квантовых технологий и повелось разработка квантового компьютера. Ранее сделаны системы изо 50 кубитов нате ионах и из 12 сверхпроводящих кубитов.

Автор отстаём, но ненамного, а кое-идеже находимся почти нате уровне зарубежных коллег. Наша сестра позже начали, вследствие того что что у нас в научной среде пре скептиков. Эта затруднение проистекает из образовательного подхода, вследствие того что что в наших учебниках физики традиционно уделялось всего ничего внимания фундаментальным основам квантовой механики.

На днях у нас есть Рассейский квантовый центр, ФИАН, «Росатом», Заведение Духова, Физтех, МГУ. У нас очень хорошие математики, а математическое довод передачи данных, квантовых вычислений — сие целая отрасль новой квантовой математики. Учение квантовой криптографии у нас более чем сильная. Конечно, у нас до ((сего нет 1 тыс. кубитов, однако вскоре мы можем нажить 100 — думаю, оный процесс пойдёт одно мгновение.