Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — технология, которая сегодня находится уже не за гранью фантастики, но еще не вошла в нашу жизнь. Пока что эти вычислительные устройства не покидают пределы лабораторий, но когда им это все же удастся, человечество получит на порядок более мощные устройства, которые смогут стать двигателем следующей промышленной революции.

Сегодня больше всего проектов квантовых компьютеров существует в США, однако есть такие высокотехнологичные разработки и в России. Сегодня мы расскажем про квантовый компьютер, который удалось создать исследователям из Московского института сталей и сплавов (НИТУ «МИСиС»). Проект по созданию российского квантового компьютера начался в 2016 году при поддержке Фонда перспективных исследований. Возглавили создание высокотехнологичного устройства сотрудники Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов.

В 2019 году ученые провели первые тесты прототипа квантового компьютера. Он состоит всего из двух кубитов, но уже поставил мировой рекорд: смог выполнить квантовый алгоритм Гровера с точностью на 3% выше предельной. А теперь пойдем по порядку и расскажем подробнее про устройство квантового компьютера. В обычном компьютере информация передается с помощью сигналов из комбинации нулей и единиц.

В квантовом компьютере сигналы передаются с помощью кубитов — квантовых аналогов битов. Главное отличие квантовой версии от обычной состоит в том, что она подчиняется законам квантовой физики. Благодаря этому, кроме нуля и единицы, кубит может находиться в третьем состоянии — суперпозиции первых двух. Находясь в суперпозиции, кубит принимает одновременно оба значения. Это свойство позволяет проводить параллельные вычисления двух различных потоков информации. При этом, чем больше в системе кубитов, тем она сильнее превосходит аналогичные «неквантовые» компьютеры.

Но при создании таких устройств возникает множество проблем. Например, они очень чувствительны к возмущениям в системе и требуют очень специфических условий — низких температур или специальной среды. На сегодняшний день физики придумали множество различных типов кубитов, но самым часто используемым и надежным являются кубиты на сверхпроводящих материалах.

Другие виды кубитов — на основе атомов и ионов — гораздо меньше, чем на основе частиц сверхпроводящих материалов. Из-за этого приборы, фиксирующие квантовые состояния, могут «потерять» такие кубиты. Российский квантовый компьютер построен на основе наночастиц алюминия диаметром в 300 микрометров. В более ранних разработках такие кубиты создавали из обычного алюминия, но российские исследователи выяснили, что более эффективным будет использование гранулированного материала. Такой материал имеет меньше дефектов, из-за которых стабильность квантового устройства может нарушиться.

Чтобы квантовый компьютер такого рода начал работать, необходимо охладить его до рабочей температуры в -273,15°C. Это примерно 10 микрокельвинов — всего на 0,01 градуса выше абсолютного нуля. Несмотря на такую низкую температуру, достичь ее с использованием современной техники не так уж и трудно. Однако поддержание таких условий требует серьезных затрат энергии. Поэтому сегодня исследователи по всему миру пытаются создать «горячие» кубиты. На данный момент их рабочую температуру удалось повысить лишь на один градус.

Российские исследователи использовали результаты множества своих экспериментов и данные, полученные другими научными группами, чтобы создать первый прототип квантового компьютера. Кроме того, они использовали ряд инновационных подходов и смогли создать работающую систему на двух кубитах. Но создать квантовый компьютер мало, надо еще заставить его работать.

Количество кубитов в нынешних квантовых компьютерах очень мало, поэтому запустить на них какую-то программу нельзя. Вместо этого исследователи довольствуются выполнением простых алгоритмов по вычислению значения какой-либо функции. Традиционно для тестирования квантовых вычислительных систем используют алгоритм Гровера. Он представляет собой классическую задачу перебора: вычислительному устройству нужно последовательно перебрать два в степени n вариантов, среди которых будет «ключ» к черному ящику. При этом черный ящик может давать ответы в виде нулей и единицы, показывая, какой из паролей верен.

Идеальный квантовый компьютер может решить эту задачу за одно обращение к черному ящику с вероятностью в 100%. До сих пор рекордным значением среди существующих компьютеров были 50% вероятности при одном обращении к функции. Российский квантовый компьютер, созданный физиками МИСиС, смог достичь отметки в 53% и поставить мировой рекорд.

Теперь исследователи хотят увеличить количество кубитов в своей системе. Это не так-то просто, учитывая, что с каждым новым элементом системы возрастает количество возможных ошибок. Тем не менее, ученые намерены увеличить размер квантового компьютера до нескольких десятков кубитов и протестировать на нем работу «полезных» квантовых алгоритмов, которые могли бы моделировать химические реакции и состояния молекулы. Для этого ученым также предстоит создать новые алгоритмы, позволяющие корректировать возникающие в процессе работы компьютера ошибки. Трудностей на этом пути остается еще много, но самый дорогостоящий и сложный этап — построение прототипа квантового компьютера — уже пройден.

Автор: Никита Шевцев

Источник: m.vk.com

Комментарии: