Квантовый компьютер

ТАМБОВСКОЕ ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ПРОМЫШЛЕННО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМЕНИ ГЕРОЯ РФ В.И. ЗАВОЛЯНСКОГО»

«Квантовый компьютер»

Выполнил обучающийся 1ТТД:

Кондаков Никита Сергеевич

Руководитель:

Ширяева Галина Борисовна

г. Мичуринск

Содержание

• Понятие о квантовом ЭВМ.
• Квантовый ЭВМ в жизни.
• Проблемы квантовых ЭВМ.
• Пути решения проблем.
• Принцип работы квантового ЭВМ.
• Квантовое превосходство.
• Квантовый компьютер в России 2022 год.

• Понятие о квантовом ЭВМ(компьютер )

Квантовая (волновая) механика  — фундаментальная физическая теория, которая описывает природу в масштабе атомов и субатомных частиц.

Квантовую физику тяжело понять — её математический аппарат почти невозможно перевести на «человеческий» язык. Но «потрогать» её проявления в повседневной жизни вполне реально: лазеры, флэшки, компакт-диски, интегральные схемы или графен — все эти технологии появились благодаря квантовой физике. Логично, что ее решили использовать и для вычислений — в квантовых компьютерах.

Квантовые компьютеры кардинально отличаются от обычных: они обрабатывают информацию на порядок быстрее, а памяти у них больше экспоненциально.

Чтобы объяснить, что такое квантовый компьютер и как он работает, нужно начать издалека и рассказать, как работает компьютер обычный. Работа обычного компьютера определяется двумя параметрами: памятью, скоростью вычислений. Память  — основная характеристика вычислительной системы. Компьютер умеет читать, писать и обрабатывать информацию, которая хранится в памяти. Компьютер выполняет простейшие операции: перемножения, вычитания, сложения чисел. Если выполнять эти операции много и быстро, то можно объединить их в программу, которая обрабатывает информацию. Так работают базы данных, поиск или нейронные сети. Здесь важна скорость вычислений или  скорость выполнения операций  (FLOPS). Есть еще третий (дополнительный) параметр —  детерминизм,  общая характеристика для всех вычислительных систем. Означает, что все машины работают по программе, которая однозначна — ноль всегда ноль, а единица это точно единица. Никаких иных толкований не предусмотрено и нет элемента неопределенности. Неопределенность можно внести только на уровне входных данных, например, случайными числами. Ввод может быть случайным, но программа всегда однозначно обрабатывает все входящие данные.

Как же работает квантовый ЭВМ?

Он работает иначе — по интуитивно непонятной логике. Как и обычный, он проводит вычисления, но в его основе лежат  законы квантовой механики . Классический мир и классическая механика детерминистичны. Это значит, что значение любого регистра памяти в компьютере всегда 0 или 1, а тарелка всегда либо целая, либо разбита. В квантово-механической системе нет такой четкости, а есть вероятность, которая определяет ее суть. Правильный вопрос здесь — какова вероятность, что тарелки разбились или целы, какова вероятность, что значения регистра 0 или 1?

Вероятность — первое важное понятие в квантовой механике . С точки зрения квантовой механики «тарелки Шредингера» одновременно и целые, и разбитые. Есть некая вероятность того, что они целые, и некоторая вероятность, что разбитые. Эта неопределенность и отражает реальный физический мир. На классическом уровне неопределенность маскирует наше незнание. Например, когда мы покупаем лотерейный билет «Спортлото», для нас появляется вероятность выиграть, потому что мы не знаем выигрышный номер. Для классической физики лотерея — это не вероятностный процесс. Всегда можно описать движение руки, которая запускает барабан, скорость и траекторию каждого шарика. Теоретически, можно угадать выигрышный номер (хотя практически — сложно). В квантовой механике даже  теоретически нельзя угадать , что произойдет в следующую секунду. Мы можем только предсказать это с точки зрения вероятности. Второе понятие —  принцип суперпозиции . Обычный бит находится только в значениях 0 или 1. В квантовых компьютерах нет обычных битов, а есть квантовые —  кубиты . Квантовый бит находится в состоянии 0 или 1 с какой-то вероятностью. Кубит может находиться одновременно в этих состояниях, притом в разных комбинациях — в суперпозиции этих состояний. Когда система (кубит) находится одновременно в состоянии 0 или 1, можно говорить только о вероятностях. Если состояний много, система одновременно находится во всех возможных состояниях, но с меньшей вероятностью для каждого. Это принципиально важно. В классической программе в каждый конкретный момент времени каждая строка программы работает с определенной ячейкой памяти.  В квантовой механике можно работать со всеми ячейками памяти одновременно .

Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue, хранят все в  битах  — так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.

Бит можно сравнить с лампочкой, которая либо включена (единица), либо выключена (ноль). Файл, лежащий на диске, для компьютера выглядит как набор лампочек, из которых одни горят, а другие — нет. Если взять очень много таких лампочек, то, включив одни и выключив другие, можно собрать хоть фразу «тут был Альберт», хоть Мону Лизу.

Но когда устройство решает какую-то задачу, оно включает и выключает лампочки, постоянно записывая и стирая результаты промежуточных вычислений, чтобы они не забивали память. Это занимает время, так что если задача очень сложная, компьютер будет думать долго.

Квантовые компьютеры, в отличие от своих старших братьев, хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов —  кубитов . Последние могут не только «включаться» и «выключаться», но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.

Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства. Например, в Google утверждают, что их квантовая машина Sycamore за три с небольшим минуты провела вычисления, над которыми обычный суперкомпьютер в теории бился бы 10 000 лет! Вот это и называют серьезным термином «квантовое превосходство».

• Квантовый ЭВМ(компьютер) в жизни .

Итак, квантовые компьютеры очень быстро решают очень сложные задачи. Но почему они тогда просто не вытеснили медленные классические системы? Дело в том, что эта технология еще молода, а состояние «моргающей лампочки» — очень нестабильное, и чем больше в системе кубитов, тем труднее его поддерживать. А доступность сложных вычислений зависит в том числе от количества кубитов: с помощью двух лампочек, пусть и очень крутых, Мону Лизу не нарисуешь.

Есть и другие проблемы, мешающие квантовым компьютерам полностью заменить предшественников. Это значит, что и программы для них нужны совершенно другие. На квантовый компьютер нельзя просто взять и установить Windows — надо с нуля разрабатывать специальную квантовую ОС и специальные же квантовые приложения. И хотя такие попытки уже предпринимают ученые и IT-гиганты, пока что квантовые компьютеры работают примерно как внешние жесткие диски — подключаются к обычным компьютерам и управляются через них. И используются они для решения узкого круга задач — например, для моделирования атома водорода или поиска по базам данных. А вот выйти в Интернет или посмотреть видео с котиками с помощью квантового компьютера не получится.

Тем не менее многие считают квантовые вычисления перспективными. Первая компания, продающая бизнесу квантовые компьютеры, появилась еще в 1999 году. Сейчас в это направление вкладываются крупные организации, такие как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская Toshiba и китайские Alibaba и Baidu. В 2019 году квантовыми технологиями заинтересовались и российские разработчики. Правда, тут стоит оговориться: задача, которую решили в Google, не имеет никакой практической пользы, кроме демонстрации возможностей квантовых технологий. В IBM, например, уверены, что суперкомпьютер сможет решить эту же задачу пусть и не за три минуты, но всего за два с лишним дня. Хотя это, в общем-то, тоже ощутимая разница.

• Проблемы квантовых ЭВМ

Проблемы:

• Чувствительность к окружению и взаимодействию с окружением.
• Накопление ошибок при вычислениях.
• Сложности с начальной инициализации состояний кубитов.
• Сложности с созданием многокубитных систем.

• Пути решения проблем

Для решения вышеуказанных проблем, в настоящее время используют следующие подходы и методы:

• Использование крио камер с низкими температурами

(10 мК (–273,14°C))(Для создания низких температур).

• Использование максимально защищенных от внешних воздействий процессорных блоков.

• Использование систем квантовой коррекции ошибок (Логический кубит).

• Использование оптимизаторов при программировании схем для конкретного процессора.

Также проводятся исследования, направленные на увеличение времени декогеренции (процесс нарушения когерентности), на поиск новых (и доработку известных) физических реализаций квантовых объектов, на оптимизацию схем коррекции и т.д.

• Принцип работы квантового ЭВМ

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально(возрастание величины, когда скорость роста пропорциональна значению самой величины) растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление. Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

• Шора (разложения числа на простые множители).
• Гровера (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных).
• Дойча-Йожи (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция).

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением. Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов:

сверхпроводниковые,

зарядовые, ионные ловушки,

квантовые точки и другие. 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.

Квантовые алгоритмы

• Алгоритм Шора – квантовый алгоритм факторизации (разложение числа на простые множители), позволяющий разложить число за время, используя логические кубиты. Был разработан Питером Шором в 1994 году. Число 15 было разложено на множители 3 и 5 при помощи квантового компьютера с 7 кубитами.
• Алгоритм Гровера – квантовый алгоритм решения задачи перебора, то есть нахождения решения уравнения. Был предложен американским математиком Ловом Гровером в 1996 году. Смысл алгоритма состоит в «усиление амплитуды» целого состояния за счёт убывания амплитуды всех других состояний.
• Алгоритм Дойча-Йожи – квантовый алгоритм, предложенный Дэвидом Дойчем и Ричардом Йожей в 1992 году. Алгоритм основывается на явлении квантовой запутанности и принципе суперпозиции, благодаря чему демонстрирует квантовое превосходство — значительно более эффективную работу в сравнении с известными классическими алгоритмами.

• Преимущества квантовых ЭВМ

• способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут решить.

• Фактически достижение квантового превосходства означает, что, например, факторизацию больших чисел по алогритму Шора можно решать за адекватное время, или можно эмулировать на квантовом уровне сложные химические молекулы, и так далее. То есть новая эпоха наступила.

Но в формулировке определения есть некоторая лазейка, которые классические компьютеры практически не могут решить ”. Фактически это означает, что если создать квантовый компьютер из 50+ кубитов и запустить на нем некоторую квантовую схему, то, как мы рассматривали выше, результат работы этой схемы невозможно будет симулировать на обычном компьютере. То есть  классический компьютер воссоздать результат работы такой схемы будет не в состоянии .

• Квантовый компьютер в России 2022 год

26 января 2022 года представители Госкорпорации «Росатом» сообщили, что до конца 2022 года представят Правительству проект второй дорожной карты по развитию квантовых вычислений. Главной задачей в период с 2025 по 2030 годы станет объединение первых квантовых процессоров в общую сеть и создание на ее базе квантового интернета.

Государство инвестирует в создание отечественного квантового компьютера значительные ресурсы, поскольку понимает, что квантовые устройства обеспечат технологическое лидерство во многих ключевых областях. На январь 2022 года прототипы квантовых процессоров создаются параллельно на ряде платформ одновременно — сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, — однако, возможно, в будущем мы сфокусируемся на одной или нескольких платформах, демонстрирующих наилучшие результаты, — подчеркнул  Максим Паршин.

Квантовые вычисления — это технология, реализованная в виде сложных систем, взаимодействующих друг с другом. Мы понимаем, что одна из важнейших задач десятилетия — научиться объединять квантовые вычислительные устройства, построенные на различных платформах, в единую комплексную систему. В долгосрочной перспективе квантовый интернет позволит в десятки и сотни миллионов раз ускорить производительность сегодняшних устройств, — прокомментировал  Руслан Юнусов.