Ученые впервые создали устойчивый к ошибкам квантовый компьютер. Как новая технология изменит науку и экономику?
Ученые из США научились исправлять ошибки квантового компьютера
Специалисты Университета Дьюка смогли решить фундаментальные проблемы, связанные с ошибками квантовых компьютеров. Авторы объединили несколько кубитов, с помощью которых работают машины будущего, так, чтобы они функционировали как единое целое, то есть образовали логический кубит. В данной конструкции один кубит содержит нужную информацию, а другие позволяют исправлять ошибки. Таким образом, вероятность квантовых ошибок может быть сведена к минимуму.
Машины будущего настолько сложны, что для работы с ними нужны особые языки и квалифицированные специалисты.
Квантовые компьютеры должны прийти на замену суперкомпьютерам
До изобретения квантовых компьютеров ученые полагались на суперкомпьютеры — устройства, отличающиеся от обычных ПК габаритами и наличием сотен, если не тысяч ядер центрального процессора. Однако для работы с определенными массивами данных обычные компьютеры даже с тысячами ядер не очень подходят. Компания IBM, которая создала около 20 квантовых компьютеров, объясняет недостатки классических машин особенностью строения.
В качестве примера приводится задача, когда нужно разместить несколько привередливых гостей за столами, и при этом есть только один оптимальный план рассадки. В случае, когда гостей пять, таких комбинаций 120. Если количество гостей увеличить до 10, то будет более трех миллионов комбинаций. Обычный компьютер начал бы решать задачу постепенно, обрабатывая каждую комбинацию, — на ответ ушло бы очень много времени. Квантовый компьютер создаст огромное многомерное пространство, в котором сможет вместить все варианты ответа и найти верный.
В Google, где также работают над квантовым компьютером, считают, что вычисления, на которые современные ПК потратят 10 тысяч лет, машина закончит за три с половиной минуты. Например, существует определенный список из одного триллиона значений, и нужно найти лишь один подходящий элемент. При условии, что на проверку каждого элемента дается миллисекунда, обычный ПК справится за неделю, квантовый — менее чем за одну секунду.
Классические устройства — даже если обеспечить их тысячами процессоров с десятком тысяч ядер — оперируют битами, то есть воспринимают информацию в двоичной системе. В этом случае данные принимают значения только в виде единицы или нуля. Квантовые машины производят вычисления с помощью кубитов, где информация может иметь значение одновременно и в виде единицы, и в виде нуля. Это означает, что кубиты, в отличие от битов, могут принимать различные значения одновременно и выполнять вычисления, которые обычный компьютер не способен совершить по своей природе.
Квантовые компьютеры планируется прежде всего применять в научной и финансовой сферах
В первую очередь эти продвинутые устройства можно использовать для проведения научных экспериментов. Например, можно моделировать поведение атомов и частиц, которое сейчас реально воссоздать лишь на очень сложном уровне, например, в Большом адронном коллайдере. Также квантовые компьютеры могут оперировать с гигантскими массивами данных, состоящими из миллионов элементов. По оценке ученого Лова Гровера, базу с миллионом единиц обычное устройство проанализирует за миллион шагов, квантовый компьютер потратит всего тысячу.
Уже упоминалось, что квантовые компьютеры оперируют кубитами, а значит, могут работать с огромным количеством данных одновременно. Например, такое устройство могло бы обычным подбором быстро взломать любое шифрование. Если посмотреть на ситуацию с другой стороны, то передовые компьютеры можно будет использовать для предотвращения взлома различных систем. Безусловно, квантовые компьютеры пригодятся при работе с искусственным интеллектом, который часто полагается на комбинаторную обработку очень больших объемов данных для более точного прогнозирования и принятия решений.
Вероятно, на ранних этапах применения квантовых компьютеров машины будут задействованы в финансовой сфере. Она отличается от многих тем, что охватывает огромные данные. Устройства могли бы выполнять сложные финансовые расчеты и моделировать движение рынка.
Ученые пока не смогли победить ключевые проблемы квантовых компьютеров
По словам физика Хуана Хосе Гарсиа Риполя, квантовые компьютеры нужны там, где обычные не смогут оперативно справиться с потоком информации. В классических вычислениях мы знаем, как решать проблему благодаря компьютерному языку, где машина принимает три значения — «и», «или», «не». В квантовых компьютерах значений и вероятностей гораздо больше. «Они работают по-другому. Квантовый компьютер не подходит для выполнения повседневных задач», — отмечает Риполь.
Инженеры отмечают, что при наличии классических задач использовать квантовый компьютер нецелесообразно. Во-первых, такие компьютеры крайне дорогие. В частности, финансирующая данный проект Google не раскрывает стоимость единицы будущего оборудования, но выделяет «миллиарды долларов» на его создание. Во-вторых, для работы с такими сложными устройствами нужны не только высококвалифицированные специалисты, но и особые условия. Для корректной работы система должна быть полностью изолирована: в ядрах практически отсутствует атмосферное давление и влияние магнитного поля Земли, температура минус 273 градуса по Цельсию.
В подобных девайсах также нельзя хранить большие объемы информации — они рассчитаны на вычисления. «Квантовые свойства компьютера разрушаются. Они работают в течение очень коротких периодов времени», — считает Риполь.
Источник
К — квантовая технология: зачем человечеству суперкомпьютер
Чтобы не отставать от современности и не упустить новые слова, подписывайтесь на подкаст в Apple Podcasts, «Яндекс.Музыке» и на Castbox. Ставьте оценки и делитесь в комментариях словами, без которых, как вам кажется, невозможно представить коммуникацию в XXI веке.
Что такое квантовые технологии
Квантовая технология — перспективная область физики, занимающаяся изучением квантовой механики и разработкой инноваций на основе кванта — неделимой частицы, атома или фотона. Привычные для нас смартфоны и плоские телевизоры — результат изучения квантовых технологий. Сейчас этот процесс еще не окончен: у этой области большой потенциал. Самое актуальное направление разработок — создание квантового компьютера, который можно будет использовать для изучения далеких планет или проведения сверхбыстрых расчетов. Помимо этого, квантовые компьютеры — мощный инструмент вычислений, ведь они могут, к примеру, за считанные секунды разложить числа в 30–40 знаков на простые множители и открыть доступ даже к самым защищенным данным.
Какие существуют области квантовых технологий
Существует несколько областей развития квантовых технологий.
- Квантовые коммуникации, занимающиеся созданием защищенных сетей связи. Кроме того, квантовые коммуникации — это потенциальная защита от атак, осуществляемых с использованием квантового компьютера.
- Квантовые сенсоры — область по разработке сверхточных и чувствительных датчиков, которые можно будет применять в медицине, системах спутниковой связи и археологии.
Что из квантовых технологий уже существует
Большинство разработок на базе квантовых технологий существуют только в лабораториях. В реальности подобное можно увидеть в Китае: в 2017 году там открыли квантовую линию связи между Пекином и Шанхаем. Годом ранее в том же Китае запустили первый квантовый спутник «Мо-цзы», основная задача которого заключается в создании канала связи между Пекином и Веной. Такой мост может быть полностью защищенным от хакерских атак.
Крупные корпорации тоже тестируют квантовые технологии. Например, в Microsoft начали тестировать сервис с облачным доступом к квантовым вычислениям Azure Quantum. Час работы в Azure Quantum строит от $10 до $900.
Источник
Учёные повернули время вспять внутри квантового компьютера
Ученые из РФ, США и Швейцарии заставили квантовый компьютер переместиться на долю секунды в прошлое, тем самым «нарушив» второй закон термодинамики, сообщает РИА Новости.
Одной из основ современной физики и космологии является концепция «стрелы времени», указывающей на то, что время в нашей вселенной движется в одном направлении (из прошлого в будущее) и «перемотать» его назад невозможно. Этот принцип ученые называют «вторым законом термодинамики», он считается нерушимым на всех уровнях вселенной.
Три года назад физик из Московского физтеха Гордей Лисовик и его коллеги обнаружили, что второе начало термодинамики может нарушаться на квантовом уровне. Ученые решили проверить, может ли время самопроизвольно обернуться вспять хотя бы для одной частицы, чьим поведением управляют законы квантовой физики.
Подсчеты показали, что электрон действительно может спонтанно оказаться в прошлом, вернувшись в то состояние, в котором он находился мгновение назад. Однако такие события, по словам Лисовика, могут происходить крайне редко, а то вовсе лишь один раз за всю историю существования вселенной, причем «перемотка» позволяет вернуться назад на 0,06 наносекунды.
Тогда ученые попробовали вернуть время вспять «вручную». Объединив два или три кубита, элементарных вычислительных модулей и ячеек памяти облачного квантового компьютера фирмы IBM, они заполнили их определенным набором чисел и начали манипулировать содержимым так, чтобы уровень хаоса в этой системе начал быстро нарастать. В определенный момент работой кубитов стала управлять другая программа, которая повела их от хаоса к порядку. В результате этого кубиты на мгновение вернулись в свое исходное состояние.
По словам физиков, подобная процедура завершалась успехом в 80% случаев для двух ячеек памяти, и только в половине случаев попыток для 3-х кубитов. Это не было связано с необъяснимыми причинами, причина – в ошибках самого компьютера.
Теперь команда Лисовика начнет работу над более эффективными алгоритмами «обращения времени», которые позволят манипулировать состоянием большего количества кубитов.
Источник
Презентация на тему: Физика современного компьютера
№ слайда 1 
Физика современного компьютераПрезентацию подготовил ученик 11 класса «А» МОУ Аннинский лицей Рыжиков Дмитрий
№ слайда 2 
КОМПЬЮТЕР — устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е. сложения, вычитания, умножения, деления и т.д. Сегодня компьютеры применяются для решения многочисленных и разнообразных других задач, таких, как обработка текста, графика и переработка больших массивов информации.
№ слайда 3 
Первые компьютеры появились в начале 20 века. Это были огромные машины, весом в несколько тонн и общими размерами с футбольное поле. С развитием компьютерной техники размеры машин становились все меньше, а их «способности» — всё больше.
№ слайда 4 
Переломным моментом в истории развития компьютера стало развитие микроэлектроники и изобретение микросхем, создание на их основе супербыстрого и очень маленького «мозга» компьютера — процессора. Интегральные схемы на материнской плате компьютера
№ слайда 5 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (интегральная электроника) — область электроники, связанная с созданием и применением в радиоэлектронной аппаратуре узлов и блоков, выполненных на интегральных схемах и микроминиатюрных конструктивно-вспомогательных изделиях (разъемах, переключателях и т. д.), часто с использованием различных функциональных приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, ионных, тепловых и др.), широко используется в компьютерной технике. Сформировалась в начале 60-х гг. 20 в. Развивается в направлении уменьшения размеров элементов, размещаемых на поверхности или в объеме кристалла (чипа) отдельных интегральных схемах (на 1990 для наиболее распространенных ИС — кремниевых — эти размеры доведены до 0,2-1 мкм), повышения степени их интеграции (до 107 элементов на кристалл), увеличения максимальных размеров кристалла (до 80-100 на квадратном миллиметре).
№ слайда 6 
Современный персональный компьютер Современный настольный компьютер обычно состоит из нескольких устройств. Основной частью любого ПК является системный блок. Для отображения компьютерной информации используется монитор, а для ввода информации и управления компьютером — клавиатура и мышь. Кроме этого, к компьютеру можно подключать множество дополнительных устройств: принтер, сканер, джойстик, колонки и т.д.
№ слайда 7 
№ слайда 8 
№ слайда 9 
Принципы работы компьютера При создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:Арифметическо-логическое устройство — для непосредственного осуществления вычислений и логических операций.Устройство управления — для организации процесса управления программ.Запоминающее устройство (память) — для хранения программ и информации.Внешние устройства — для ввода и вывода информации.Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
№ слайда 10 
№ слайда 11 
Физика современного компьютера Принцип работы мониторовПринцип работы магнитных носителей информацииДинамикиКлавиатура компьютера ЗаключениеПримеры использования компьютеров
№ слайда 12 
Принцип работы мониторов Принцип работы ЖК монитораПринцип работы ЭЛ монитораНаглядное сравнение мониторов
№ слайда 13 
Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
№ слайда 14 
Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи для настольных компьютеров.
№ слайда 15 
Принцип работы ЭЛ монитора Монитор состоит из электронно-лучевой трубки, блока питания и электронного блока управления лучом. Принцип действия монитора на базе электронно-лучевой трубки заключается в том, что испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом — люминофором, — вызывает его свечение. Направление пучка электронов задают также дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения. Электронный луч периодически сканирует экран, образуя на нем строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселей, образуя некоторое видимое изображение.
№ слайда 16 
Разрешающая способность монитора определяется числом пикселей, из которых и формируется изображение на экране. В случае цветного монитора имеются не одна, а три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного (R), зеленого (G), синего (B) — (Red, Blue, Green — аббревиатура "RGB"). Таким образом, каждая пушка "стреляет" по своей цели. Для этого в каждом мониторе имеется либо теневая маска, либо так называемая апертурная решетка . Теневая маска имеет систему отверстий, а апертурная решетка — систему щелей. В основном применяются кинескопы двух типов: плоско-прямоугольные (наиболее распространены) и вертикально-плоские. В плоско-прямоугольных кинескопах экраны на самом деле не плоские и не прямоугольные, выглядят такими по сравнению с обычными кинескопами за счет большого радиуса кривизны. В вертикально-плоских кинескопах экран действительно плоский по вертикали, по горизонтали имеет кривизну (как вырезанные из цилиндра). Шаг триад — это расстояние (в мм) между двумя ближайшими точками люминофора одного цвета свечения. Чем меньше шаг триад, тем выше потенциальная четкость изображения. Типичные значения для шага триад составляют 0,28 мм; 0,26 мм; 0,24 мм.
№ слайда 17 
Размеры монитора на основе ЭЛТ и жидких кристаллов
№ слайда 18 
Магнитные носители информацииHard driveLaser drive
№ слайда 19 
Принцип работы магнитных носителей информации. Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня егосоздания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрывательгрампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженныхна общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторонкаждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходиядо 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основныххарактеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некоторомфиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тембольше точность считывания информации, и тем больше может быть плотностьзаписи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидитетолько прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищаетдисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазормежду головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех .
№ слайда 20 
Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним.
№ слайда 21 
Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.
№ слайда 22 
Компьютерный компакт-диск В проигрывателях лазерных дисков и в компьютерах используются полупроводниковые лазеры . Малая расходимость лазерного пучка позволяет получать с помощью оптических систем очень узкие световые пучки, необходимые для записи и считывания информации с очень высокой пространственной плотностью.
№ слайда 23 
№ слайда 24 
КЛАВИАТУРА — основное устройство ввода информации в компьютер, представляющее собой совокупность механических датчиков, при давлении на клавиши замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры.Клавиатура компьютера очень похожа на клавиатуру обычной пишущей машинки. На ней имеются кнопки для всех букв алфавита (очень часто — нескольких алфавитов), отдельная цифровая клавиатура, а также специальные клавиши для управления компьютером. Некоторые клавиши и комбинации клавиш напрямую управляют работой компьютера. С ними нужно обходиться особенно осторожно.С помощью кабеля клавиатура соединяется с системным блоком. Бывают и беспроводные клавиатуры, которые связываются с компьютером посредством световых или радио-сигналов.
№ слайда 25 
Конденсаторы в клавиатуре компьютера
№ слайда 26 
Основной тенденцией развития клавиатур персональных компьютеров является повышение их эргономических качеств. После выявления у интенсивно работающих на клавиатуре пользователей профессиональных заболеваний кистей рук («туннельный» синдром лучезапястного сустава) появилась эргономичная клавиатура, которая имеет своеобразную изогнутую форму, позволяющую поддерживать локти в разведенном положении. Некоторые клавиатуры можно разделить на две половинки и разместить их на удобном расстоянии друг от друга.
№ слайда 27 
Без компьютеров было бы невозможно быстро обрабатывать рентгеноструктурные и ЯМР-данные, создавать сложные модели, отвечающие всему комплексу экспериментальных данных. Для построения адекватных моделей часто приходится анализировать свойства больших ансамблей молекул и частиц или поведение неравновесных систем. Строятся модели таких сложных феноменов и процессов организменного уровня, как научение и память, восприятие света и звука, кровообращение, мышечное сокращение, распределение в организме продуктов метаболизма. Разрабатываются методы предсказания трехмерной структуры макромолекул и моделирования флуктуаций, происходящих в этих структурах за времена порядка пикосекунд (триллионных долей секунды). Биофизики участвуют также в анализе нуклеотидных последовательностей ДНК, проводящемся в рамках международной программы «Геном человека».
№ слайда 28 
Компьютер и электронные средства связи составляют ядро современных систем накопления и поиска информации. Например, через настольный компьютер или другой терминал можно получить по телефону доступ к файлам местного или удаленного информационного центра и автоматически найти нужную информацию. Виды деятельности, требующие использования бумаги, такие, как чтение газет, написание писем и банковское дело, со временем будут заменены их электронными эквивалентами. Библиотека будущего будет содержать меньше бумаги – книг, каталожных карточек, журналов – и больше информации, просматриваемой электронным способом.
№ слайда 29 
Источник
На пороге квантового будущего
Что такое квантовые технологии и какими они бывают? Как они смогут изменить мир и обеспечить национальное развитие целых государств? Кто в мире толкает кванты вперед и на каком месте в этой гонке Россия? При чем тут крупнейшие банки и почему один из них (Газпромбанк) вложил в эту отрасль 1 млрд руб.? Обо всем этом — в материале «Ъ-Науки».
Что такое квантовые технологии
Открытие квантовой механики в начале XX века в конечном итоге подарило человечеству большинство технологий, которыми запомнилось то столетие: ядерное оружие, лазеры, ускорители частиц, МРТ, да и вся полупроводниковая электроника в целом — от транзисторов и светодиодов до компьютеров, мобильной связи и интернета. В основу всех этих технологий и устройств легло управление коллективными квантовыми явлениями — то есть такими, которые подразумевают взаимодействия на уровне потоков частиц, полей и различных сред.
Тот период развития физики и технологий принято называть первой квантовой революцией. К самому же концу XX века ученые научились управлять сложными квантовыми системами на уровне их самых базовых компонентов — то есть манипулировать отдельными атомами и даже элементарными частицами, например фотонами. И это открыло путь к эпохе второй квантовой революции, в самом начале которой мы сегодня живем.
«Квантовая физика однажды навсегда изменила повседневную жизнь людей. Об этом мало кто задумывался, но эра цифровых технологий, в которой мы живем, основана на достижениях в этой науке, ставших неотъемлемой частью нашей повседневности. Дальнейшее развитие квантовых технологий уже через пять-десять лет сможет привести к созданию устройств, которые до недавнего времени описывались лишь на страницах научной фантастики»,— уверен генеральный директор Российского квантового центра и руководитель проекта «Росатома» по созданию квантового компьютера Руслан Юнусов.
Квантовые мозги
Одной из ключевых технологий, которую, как ожидается, принесет современная революция в физике, станут квантовые вычисления. Речь идет о возможности выполнять вероятностные расчеты такой сложности, которая недоступна современным суперкомпьютерам.
Это должно послужить множеству прорывов в самых разных областях — от диагностики заболеваний и разработки лекарств (благодаря точному моделированию сложнейших химических реакций и биологических процессов) до оборонной, автомобильной и космической промышленности (то же моделирование откроет путь к новым материалам, возможностям автоматического управления и многому другому), не говоря уже о фундаментальной науке.
Обеспечить такой прорыв должны квантовые компьютеры. Теоретический базис этой технологии начал закладываться в 1970-х, первые лабораторные образцы стали появляться в конце 1990-х — начале 2000-х, а сегодня такие устройства начинают находить коммерческое применение.
Традиционный современный вычислитель, тот же процессор смартфона, содержит миллиарды регистров, каждый из которых в один и тот же момент времени может находиться лишь в одном из двух состояний — либо 0, либо 1. Регистры же квантового компьютера — так называемые кубиты — находятся, если говорить грубо, в обоих состояниях одновременно, что позволяет им выполнять вычисления в миллиарды раз быстрее. В качестве кубитов используются элементарные частицы или их искусственно созданные скопления — по сути, рукотворные атомы. Носимой ими информацией выступают их квантовые характеристики — в качестве условного примера можно привести спин электрона.
Создатели квантовых компьютеров встречают две главные инженерные сложности. Первая заключаются в том, чтобы заставить кубиты стабильно сохранять когерентное состояние — то есть существовать и хранить информацию. Вторая состоит в том, чтобы обеспечить слаженное функционирование как можно большего количества кубитов одновременно. Самые совершенные квантовые компьютеры сегодня содержат десятки кубитов, тогда как для революционного прорыва в производительности их потребуется на порядки больше — от тысяч до миллионов.
Квантовая безопасность
Еще одна технология, которая готовится изменить мир,— квантовая связь. Так называют передачу информации, закодированной в квантовых состояниях элементарных частиц. Осуществляется она путем квантовой телепортации — то есть передачи информации о квантовых состояниях запутанных пар частиц. Лабораторные эксперименты по этому направлению начали проводиться в 2000-х, а сегодня ведущие научные коллективы устанавливают квантовую связь между городами.
Преимущество такой связи — в ее абсолютной защищенности. Передаваемое сообщение попросту невозможно перехватить — этому препятствует сама природа явления квантовой запутанности, которое используется при передаче. Поэтому квантовые коммуникации смогут послужить решением серьезной проблемы, к которой приведет появление достаточно сильных квантовых компьютеров — дело в том, что они будут способны быстро взламывать любые «классические» алгоритмы шифрования. Это ставит под угрозу частную, корпоративную и национальную безопасность, поэтому квантовое будущее просто немыслимо без защищенной квантовой связи.
Наконец, еще одно важное направление, развивающееся параллельно с квантовыми вычислениями и связью,— квантовая сенсорика. Высокочувствительные сенсоры и детекторы, работающие на принципах квантовых явлений, не только необходимы для развития квантовой коммуникации, но и значительно улучшат возможности многих «классических» типов связи — вплоть до дальней космической. Те же устройства значительно повысят доступные человечеству точность и разрешение измерений в самых разных областях — от медицины и биотехнологий до астрономических наблюдений.
Квантовая долина
Один из самых совершенных на данный момент квантовых компьютеров создала компания Google — он называется Sycamore и включает 54 кубита (одновременно работают из них 53). В октябре 2019 года сотрудники компании опубликовали в Nature отчет о результатах эксперимента, в ходе которого Sycamore за 200 секунд справился с вычислениями, на которые у мощнейшего суперкомпьютера ушло бы 10 тыс. лет. Таким образом, Google первой в истории достигла «квантового превосходства» в лабораторных условиях.
«Мы собираемся сделать наши последние квантовые процессоры доступными для совместной работы научных исследователей всего мира, а также для компаний, которые заинтересованы в разработке алгоритмов и поиске практического применения квантовых вычислений. Кроме того, мы стремимся как можно скорее создать более совершенный квантовый компьютер, который сможет найти целый ряд ценных применений — от создания новых материалов для автомобилей и самолетов до разработки более эффективных лекарств»,— поделился планами доктор Маркус Хоффманн, отвечающий в Google за партнерства в области квантовых вычислений.
Китайский связной
Google и IBM конкурируют в развитии квантовых вычислений с Microsoft, Intel, Honeywell и другими крупными американскими IT-игроками. А вот в квантовых коммуникациях первенство пока что уверенно держат исследователи из Китая. В 2017 году Китайская академия наук запустила первый в мире спутник квантовой связи «Мо-Цзы», успешно обеспечивший межконтинентальный канал передачи между Пекином и Веной. В том же году китайские ученые запустили первую в мире квантовую оптоволоконную линию связи протяженностью свыше 2 тыс. км, соединившую Пекин и Шанхай.
Правда, оба канала используются исключительно для обмена ключами шифрования, поскольку способны передавать лишь очень малые объемы информации. Связано это с тем, что из-за инженерных сложностей на значительные расстояния удается успешно пересылать лишь очень небольшое количество запутанных частиц.
Впрочем, в феврале 2020 года научно-исследовательская группа под руководством Пан Цзяньвэя из Научно-технического университета Китая (г. Хэфэй) добилась прорывных результатов в повышении пропускной способности квантовой связи. Им удалось повысить число фотонов, успешно добирающихся до «адресата» по оптоволоконной линии в 50 км, с 1 из 100 000 000 000 000 000 (100 квадриллионов) до 1 из 100.
«Китай на сегодняшний день без сомнения является лидером в квантовой связи,— отмечает Юнусов.— Их недавние результаты по запутыванию частиц — это большой шаг к созданию квантовых ретрансляторов, необходимых для организации полноценного квантового интернета, в котором возможна защита всей передаваемой информации от взлома. Станет ли квантовый интернет глобальным явлением? Думаю, что да, но говорить об этом еще очень рано. Его время придет с развитием квантовых вычислений, когда такая сеть сможет решать не только вопросы безопасности, но и позволит соединять квантовые компьютеры».
Как в глобальное квантовое развитие включилась Россия
Хоть и с некоторым отставанием Россия сегодня включена в мировой квантово-механический тренд. Инициатива оперативно включиться в него исходила от представителей научного сообщества, объединенных в последние годы усилиями финансируемого Газпромбанком Российского квантового центра (РКЦ). Обеспечив тесное взаимодействие передовых ученых, государства и первых лиц бизнес-сообщества, именно он буквально «пролоббировал» квантово-технологическую повестку.
Еще 10–15 лет назад было довольно непросто представить, что Россия сможет конкурировать со всем миром в развитии квантовых технологий. Да, отечественные ученые и ученые с русскими корнями всегда были сильны в этой области, однако к 2000-м большинство таких специалистов разъехались по всему свету. Представители нового поколения исследователей и инженеров, выпускаемых российскими вузами, тоже в основном уезжали — они просто не видели серьезных перспектив на родине.
В 2010 году два выпускника МФТИ — профессор физики Гарвардского университета Михаил Лукин и основатель компании Acronis Сергей Белоусов — придумали способ исправить сложившуюся ситуацию. У них появилась идея создать в России небольшую, но при этом эффективную научную организацию, которая бы проводила квантовые исследования на мировом уровне, объединив ведущих российских ученых, работающих за рубежом в самых перспективных направлениях.
Так появился РКЦ, и сегодня эту организацию можно назвать лидером развития квантовых технологий в стране. Здесь собраны сильнейшие отечественные специалисты в этой области, что подтверждается как количеством их публикаций в ведущих изданиях (Nature, Science, El Mundo и др.), так и показателями цитируемости этих работ. В 2018 году 20% всех российских статей по физике, опубликованных в группе самых высокорейтинговых журналов (Nature, Science, Reviews of Modern Physics), принадлежали сотрудникам РКЦ. Всего же с 2012 года они опубликовали более 800 статей.
Центр объединяет более 200 специалистов, работающих в 15 научных группах, которые максимально широко охватывают передовые направления квантовой физики. Квантовые симуляции, интегрированная фотоника, магнитоплазмоника, когерентная микрооптика, прецизионные квантовые измерения, квантовое машинное обучение — это лишь малая часть областей, в которых сотрудники РКЦ за последние годы получили прорывные результаты, имеющие мировое значение.
Кто управляет квантовым развитием
РКЦ как организация — во многом уникальное для России явление. В первую очередь своей моделью управления. Деятельность центра контролируют сразу два коллегиальных органа: международный консультативный и попечительский советы.
Первый из них отвечает за научную деятельность в целом. Состоит он из ведущих ученых с мировым именем — таких, как нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле и пионер практической реализации квантовых компьютеров Петер Цоллер. Этому совету напрямую подчиняются так называемые Principal Investigators, стоящие во главе каждой из 15 научных групп. Возглавляет его один из основателей РКЦ Михаил Лукин.
Попечительский же совет включает лидеров бизнеса и миллиардеров из списка Forbes — в том числе главу компании «Евраз» Александра Абрамова, председателя совета директоров «Северстали» Алексея Мордашова и председателя правления Газпромбанка Андрея Акимова. Этот орган обеспечивает привлечение средств, помогает с коммерциализацией разработок, отвечает за связь с индустрией и правительством. Его возглавляет второй основатель РКЦ — Сергей Белоусов.
Именно за счет такой структуры управления достигается тесная и продуктивная связь между фундаментальной наукой, передовыми инженерными разработками, реальными рынками и национальным развитием.
Кто оплачивает наше квантовое будущее
РКЦ — полностью негосударственное учреждение, которое существует на грантовые средства и частные инвестиции. Первые вложения обеспечил инноцентр «Сколково» — в 2010 году РКЦ стал одним из его первых 15 резидентов и в 2011-м получил грант на 435 млн руб. В 2015 году крупнейшим частным партнером центра стал Газпромбанк, инвестировав в его проекты 230 млн руб.
«Газпромбанк — одна из первых организаций в России, кто инвестировал в квантовые технологии»,— говорит заместитель председателя правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс. По его словам, для банка сотрудничество с РКЦ — это «возможность присоединиться к решению одной из самых амбициозных технологических задач, создающей недоступные ранее вычислительные и инвестиционные перспективы».
«А кроме того, реализация столь масштабных фундаментальных проектов приводит к получению множества «побочных эффектов» в виде новых продуктов и идей, которые могут быть коммерциализированы. Это создает дополнительный потенциал для роста стоимости активов группы Газпромбанка за счет будущей монетизации проектов РКЦ»,— добавляет он.
За последние три года (2017–2019) объемы финансирования РКЦ составили почти 2 млрд руб. Около трети этой суммы — 682,8 млн руб.— пришлось на гранты, полученные на фундаментальные исследования от «Сколково», научных фондов, а также в рамках совместных проектов с МИСиС и Федеральной целевой программы Минобрнауки.
Остальные две трети — 1294 млн руб.— в прикладные разработки РКЦ и его коммерческих «спин-оффов» инвестировали частные партнеры. В частности, 870,7 млн руб. вложил Газпромбанк, в результате его суммарные инвестиции в квантовую повестку за все время превысили 1 млрд руб.
Рыночные технологии
В РКЦ занимаются не только фундаментальными и прикладными исследованиями, но и коммерциализацией новых технологий. В настоящий момент под крылом у центра развивается целых семь коммерческих «спин-оффов» — стартапов, разрабатывающих высококонкурентные продукты, основанные на практическом применении квантовых эффектов. Несколько таких стартапов уже начали поставки серийных продуктов.
Один из них — компания QRate, производящая оборудование для организации абсолютно защищенной квантовой связи на базе оптоволоконных сетей общего пользования. Тестируя коммерческое решение QRate, в 2016 году Газпромбанк организовал первую в стране квантово-защищенную линию связи. Она имела протяженность 30 км и связала московские офисы организации. В 2017-м аналогичной линией обзавелся еще один крупный клиент — Сбербанк.
«Квантовые коммуникации — фундамент квантового интернета,— напоминает Юнусов.— И в России уже есть положительные результаты. Установки для квантовой передачи данных QRate успешно прошли испытания в реальных условиях, с их помощью уже были реализованы сеансы видеосвязи между двумя и даже тремя точками».
Вторая такая компания — «Дефан», поставляющая высокочувствительные универсальные фотодетекторы. Эти устройства демонстрируются на крупнейших технологических выставках от Мюнхена до Лас-Вегаса и находят самое широкое применение — от лазерных сканеров и масс-спектрографов до лидаров и систем космической связи.
«Квантовые исследования уже становятся коммерческими проектами с понятной бизнес-логикой,— говорит Зауэрс.— Например, РКЦ в партнерстве с Nissan проводит исследование новых химических соединений, которые в перспективе могут стать ключом к созданию аккумуляторов нового типа для электромобилей. Такие проекты могут интересовать нас как инвесторов в технологичные компании и производства».
Приключения квантов в России
В России комплексным развитием квантовых технологий озабочены на самом высоком уровне — соответствующая «дорожная карта», представленная весной 2019 года «Росатомом», входит в состав национальной программы «Цифровая экономика». Карта рассчитана на срок до 2024 года и включает три направления: вычисления, коммуникации и сенсоры.
Реализацию этих направлений, подписав соответствующие соглашения о намерениях с правительством РФ, разделили между собой крупнейшие компании с государственным участием. Квантовыми вычислениями, то есть разработкой отечественного квантового компьютера, занялись в «Росатоме», квантовыми коммуникациями — в РЖД, а сенсоры взял на себя «Ростех».
Общий бюджет всех трех направлений на весь срок составляет более 43 млрд руб. Впрочем, по мировым меркам это не так уж и много. «Текущие вложения в квантовые технологии в целом в мире, по некоторым оценкам, превышают $10 млрд,— отмечает Дмитрий Зауэрс.— При этом, как и со всеми революционными технологиями, монетизация будет запаздывать на три-пять лет, а общий объем рынка квантовых технологий может достигнуть $18 млрд уже к 2024 году».
В настоящий момент РЖД и «Ростех» заняты подготовкой «дорожных карт» по своим направлениям, а «Росатом» такой документ представил уже к концу 2019-го. На сегодняшний день «дорожная карта» квантовых вычислений прошла все согласования с профильными министерствами и направлена на подписание в правительство РФ.
Создание квантового компьютера обойдется в 23,7 млрд руб. Более половины этих средств (13,3 млрд) будут внебюджетными, инвестиции ожидаются со стороны десятков ведущих российских компаний, заинтересованных в скорейшем внедрении у себя квантовых новшеств. Среди тех, с кем «Росатом» уже ведет переговоры,— Сбербанк и «Сбербанк-Технологии», Газпромбанк, «Газпромнефть», СИБУР и многие другие.
Разработкой квантового компьютера в «Росатоме» занимаются ученые ВНИИА им. Н. Л. Духова, МГУ им. М. В. Ломоносова, МФТИ, НИТУ МИСиС, НОЦ ФМН МГТУ им. Н.Э. Баумана, ФИАН, ряда академических институтов, а также РКЦ. Проект возглавляет генеральный директор РКЦ Руслан Юнусов. Он же руководил разработкой «дорожной карты» развития всех трех квантовых направлений, которую РКЦ осуществил совместно с НИТУ МИСиС, выиграв тендер «Росатома».
Существует целый ряд способов создания кубитов для квантовых компьютеров, и никто в мире не знает, какой из них окажется более эффективным. По этой причине работы в России ведутся сразу по четырем технологическим платформам, среди которых сверхпроводящие цепочки, ионы, нейтральные атомы и фотоны.
В конце прошлого года Дмитрий Зауэрс, выступая на форуме «Открытые инновации», высказал мнение, что российские квантовые технологии в части «железа» отстают от западных стран на пять-десять лет. Однако у России, по его оценкам, есть «все шансы наверстать отставание и даже перегнать конкурентов».
«Движение к квантовому компьютеру мы начинаем не с нуля: по всем основным четырем платформам в России существует определенный задел,— говорит Юнусов.— Есть прототипы одной-двух кубитных систем. В плане нашей «дорожной карты» — выйти на квантовое превосходство к 2024 году. Показать его мы хотим на реальной физической задаче — это будет шаг вперед по сравнению с тем, что есть сейчас в мире. Конечно, мы понимаем, что за следующие пять лет мир не будет стоять на месте, но наша задача — сильно сократить отставание в целом. В отдельных областях мы сможем выйти и на уровень мировых лидеров».
Источник