Квантовые компьютеры

— Вернусь к вопросу об оптимизации. Я слышал, что есть квантовый алгоритм, который позволяет искать экстремумы функций от целочисленного аргумента радикально быстрее, чем на классическом компьютере.

В.Р.: Скорее всего, это то, что называется «квантовым отжигом». Допустим, есть плоскость с буграми и ямами, ваш алгоритм ведет вниз, но может застрять в локальной яме, тогда вы взбалтываете систему и перепрыгиваете в более глубокую яму и так далее. Квантовый отжиг эффективней, чем классический, поскольку вам не обязательно прыгать через бугры — система может туннелировать через них и таким образом ходить между этими ямами — так быстрее.

Кроме того, единственные коммерческие системы, которые сейчас доступны для продажи/покупки, — это квантовые симуляторы фирмы D-Wave, они постоянно увеличивают число кубитов, сейчас дошли до 2000 или даже больше. Но до сих пор не ясно, какая часть из их процессов классическая, а какая — квантовая. Ведутся споры, и просвещенная публика не верит в то, что там всё происходит согласно утверждениям производителя.

О.А.: Да, фирма D-Wave начала раньше всех, когда еще никто не задумывался о коммерческом применении. Они очень быстро наращивают кубиты, но это совсем другое направление — симуляторное. А квантовости там, по-видимому, нет, и многие сомневаются в эффективности такого способа. Кроме того, там можно застрять в локальном минимуме, далеко от глобального, самого нижнего. В этом проблема.

 

В.Р.: Теперь, наверное, можно поговорить о том, будет — не будет работать. Квантовый процессор — это реальность. Я говорил, что реализован алгоритм Гровера и другие алгоритмы, но всё это на единичных кубитах. Пока рекорд — 53 кубита «Гугла», и надо было еще придумать задачу, которую можно решить на 53 кубитах и показать превосходство над классическими компьютерами. Коллеги придумали довольно необычную задачу — изучали некоторые квантовые распределения, что вряд ли пригодится на практике. По их заявлению, то, что в этом случае было сделано за три минуты, потребовало бы много-много лет на классических компьютерах, но это очень специфическая задача. К сожалению, сделать универсальный квантовый компьютер, который решал бы полезные задачи, пока нельзя, потому что в обычных компьютерах есть всякие методы работы над ошибками — коррекция.

На самом деле алгоритмы коррекции придуманы и для квантовых компьютеров, но они очень громоздкие. На каждый логический кубит для коррекции нужно навесить еще десяток проверяющих кубитов. На данный момент это невозможно. Продолжается поиск более эффективных алгоритмов коррекции, но на самом деле магистральная дорога сейчас другая — не биться над универсальными компьютерами, а разрабатывать квантовые симуляторы для задач, где вероятностный характер ответа не является критическим. Думаю, если в перспективе нескольких лет произойдет что-то существенное, то это будут практически полезные симуляторы. Олег как раз работает над симулятором, может, он что-то добавит?

О.А.: Да, я уже говорил о том, что симуляторы — интересное направление. Можно смотреть на кубиты с разных точек зрения. Это нелинейный элемент, который, например, позволяет эффективно решать задачи машинного обучения. Я бы сказал, что квантовыми компьютерами заниматься надо несмотря на то, что они, скорее всего, не будут построены в ближайшее время.

 

— Одно из направлений, где может быть достигнуто огромное превосходство квантовых компьютеров, — разложение больших чисел на простые множители. Это основа современной криптографии, и звучат опасения, что пропадет система шифрования, она будет легко ломаться. Очевидно, что эта задача требует достаточно высокого уровня квантовых компьютеров. Достижим ли такой уровень в обозримое время и нужно ли беспокоиться за криптографию?

В.Р.: На этот вопрос есть два ответа. Если речь о разложении на простые множители, то задача достижима. Есть алгоритм Шора, и я думаю, надо не так много кубитов, чтобы превзойти классические компьютеры. Но с развитием артиллерии развивается и броня. Говорят, что уже есть алгоритмы, которые не сводятся к разложению на простые множители.

 

Патент на квантовые компьютеры на основе кудитов выдан ученым в России

 

Российские ученые запатентовали свою разработку на родине и планируют подать заявку на международную защиту архитектуры созданного учеными процессора.

 

"Группа ученых из Российского квантового центра (РКЦ) получила патент на физическую реализацию квантового компьютера на основе кудитов – квантовых систем, способных одновременно находиться в более чем двух состояниях", – поделились в Российском квантовом центре.
Ученые хотят подать заявку и на международную защиту своей разработки в дельнейшем, а пока они получили защиту своих прав на компьютер в России до 2040 года.
Кудиты – это квантовые структуры, которые могут находиться сразу более чем в двух состояниях. Соответственно, информационный сигнал у такого компьютера может иметь больше значений, например, 0, 1 и 2. Самые простые кудиты называют кубитами.
Напомним, что в обычных компьютерах информация измеряется битами, и информационный сигнал может принимать значение только 0 или 1, на этих принципах строятся все вычисления.

 

В архитектуре процессора, которую запатентовали российские ученые, комбинируются два подхода, которые позволяют увеличить мощность вычислительной системы.
"Первый подход предполагает замену кубитов эквивалентным количеством кудитов, второй – использование дополнительных уровней кудитов вместо отдельных вспомогательных кубитов (анцилл) для выполнения промежуточных вычислений. Патент защищает оптимальный способ сочетания подходов, предложенный учеными", – пояснили ученые.

 

Intel выпустила серийный квантовый процессор Tunnel Falls

Компания представила чип под названием Tunnel Falls — это первый квантовый процессор с кремниевыми кубитами. Он был создан специально для научной работы в области квантовых вычислений, и отличается от существующих решений лучшими возможностями масштабирования.

При производстве новинки используются традиционные 300-миллиметровые кремниевые пластины с EUV-обработкой. Чип не бьёт рекордов по части производительности, но серийный выпуск позволяет сделать его доступным решением для исследовательских лабораторий.

В компании считают, что кремниевые спиновые кубиты — это наиболее перспективная технология: она позволяет изготавливать элементы в 1 млн раз меньше, чем другие типы кубитов (50 х 50 нм), что открывает возможности для дальнейшего масштабирования квантовых вычислений. С помощью Tunnel Falls можно разрабатывать новые методы работы с подобными процессорами, а также изучать основы кубитов и квантовых точек.
https://4pda.to/s/6vWSeuHqkcQSBt4FbScA6Y5H7az1ZS0.jpg [Image access forbidden: 403]
Intel уже сотрудничает с некоторыми исследовательскими группами, чтобы они могли изучать кубиты с помощью Tunnel Falls. Например, это лаборатория физических наук университета Мэриленда, Национальный исследовательский центр квантовых информационных наук, центр Qubit Collaboratory и университет Рочестера. Кроме того, Intel уже разрабатывает свой квантовый чип следующего поколения на базе Tunnel Falls. Ожидается, что он будет выпущен в 2024 году.

---

ток в отличие от классики я уже не соображаю, как это работает.... даже в принципе.... (

2021

Геннадий Красников, академик-секретарь отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН

---

«Ожидания от квантовых технологий уже сильно перегреты»

— Перспективы квантовых компьютеров — насколько вы оптимист в этой области?

— Под термин «квантовые технологии» уже очень многое подпадает, в том числе и наша микроэлектроника. Мы ее так до сих пор по традиции называем, хотя она уже стала наноэлектроникой и, по сути, она давно квантовая. Говоря о квантовых технологиях, мы не только учитываем квантово-механические эффекты, но и говорим об управлении квантовым состоянием. И на основе этого управления мы можем получить те или иные возможности в области передачи данных, криптографии, сенсоров, метрологии и так далее. В том числе есть такое важное направление, как «квантовые вычисления». Тема эта очень непростая и осложнена еще и тем, что ожидания результатов на протяжении десятилетий уже сильно «перегреты». Везде пестрят предсказания технологической революции, лозунги о «безусловном прорыве». Да, этим направлением нужно заниматься, но это непростой, сложный путь. Чем дальше мы будем по нему идти, тем больше потребуется инвестиций и больше времени, а это может вызвать отторжение и сокращение финансирования. Я этого серьезно опасаюсь и, когда веду научный совет РАН по квантовым технологиям, всем специалистам говорю: «Будьте аккуратны со своими обещаниями!» В обществе и в госструктурах может накопиться неудовлетворенность от отсутствия быстрых результатов, усталость от обещаний, и у нас по эффекту маятника произойдет существенный отток интереса и, соответственно, инвестиций в это перспективное направление.

Как говорил Ричард Фейнман в начале 1980-х, чтобы моделировать открытые квантовые системы, больше подходит компьютер, основанный на принципах квантовой механики. А сегодня перспективны различные «квантовые симуляторы» для открытых квантовых систем, и в ближайшее время именно здесь будут достижения. Можно будет моделировать новые материалы, делать более тонкие расчеты в области квантовой механики. Но с точки зрения решения задач по алгоритму Шора (факторизация простых чисел), который и дал толчок развитию этого направления еще в 1994 году, по квантовым компьютерам и квантовой криптографии, в ближайшее время они в полной мере решены не будут.

Беда в том, что появилось много активных научных деятелей, которые, пользуясь тем, что большинство чиновников в этой проблеме не совсем разбираются, пытаются желаемое выдать за результат. Их можно понять: это приносит им большие деньги на разработки. Но не нужно вводить всех в заблуждение по части технической стороны вопроса: немногие у нас могут найти разницу между «квантовым симулятором» и «квантовым компьютером», а она существенная! Так, в области квантовой криптографии уже сложилось ошибочное понимание, что все коммуникации, выстроенные с ее помощью, будут абсолютно защищены. Но не так все просто — и там еще есть уязвимости. А еще есть и «квантовые вычисления», которые, как утверждается, будто бы заменят обыкновенный компьютер. На самом деле это совершенно не так.

---