Pierwszy komputer kwantowy na świecie. Komputer kwantowy w rosji, micie lub rzeczywistości

Grupa fizyków z USA i Rosji stworzyła iz powodzeniem przetestowała programowalny komputer kwantowy oparty na 51 kubitach. Zostało to zgłoszone w komunikacie prasowym Rosyjskiego Centrum Kwantowego, który otrzymał Indicator.Ru.

Wiele grup naukowych próbuje obecnie stworzyć uniwersalny komputer kwantowy, a wiele rządów i korporacji inwestuje w te projekty. Elementy obliczeniowe takich komputerów – kubity – działają w oparciu o obiekty kwantowe: jony, schłodzone atomy czy fotony, mogące znajdować się w superpozycji kilku stanów. Dzięki temu komputery kwantowe mogą jednocześnie, w jednym cyklu zegarowym, wykonywać wiele obliczeń jednocześnie. Komputery kwantowe będą w stanie poradzić sobie z zadaniami, których rozwiązanie zajęłoby klasycznym komputerom miliardy lat.

Możliwości komputerów kwantowych zależą od liczby kubitów. Już kilkadziesiąt kubitów może dać taki zysk w moc obliczeniowa, co jest nieosiągalne dla klasycznych komputerów. Dziś laboratorium kwantowe korporacji Google pod kierownictwem Johna Martinisa planuje eksperymenty na komputerze z 49 kubitami, IBM już eksperymentuje z urządzeniem 17-kubitowym. Stworzenie 51-kubitowego komputera to ogromny krok naprzód w tej dziedzinie.

Grupa naukowców z Harvard University i Massachusetts Institute of Technology kierowana przez Mikhaila Lukina, profesora fizyki na Harvardzie i współzałożyciela Rosyjskiego Centrum Kwantowego, użyła kubitów opartych na zimnych atomach, które były utrzymywane przez optyczne "pęsety" - specjalnie zorganizowane wiązki laserowe. Większość nowoczesnych komputerów kwantowych opiera się na nadprzewodzących kubitach opartych na kontaktach Josephsona.

Lukinowi i jego kolegom udało się rozwiązać za pomocą swojego komputera kwantowego problem modelowania zachowania układów kwantowych z wielu cząstek, który był praktycznie nierozwiązywalny za pomocą klasycznych komputerów. Co więcej, w rezultacie byli w stanie przewidzieć kilka wcześniej nieznanych efektów, które następnie przetestowano na konwencjonalnych komputerach.

W najbliższej przyszłości naukowcy zamierzają kontynuować eksperymenty z komputerem kwantowym. Być może spróbują wykorzystać ten system do przetestowania algorytmów optymalizacji kwantowej, które mogą przewyższyć istniejące maszyny obliczeniowe.

Według Lukina, który wygłosił prezentację na IV Międzynarodowa Konferencja o technologiach kwantowych w Moskwie (ICQT-2017) 14 lipca artykuł z wynikami prac został przyjęty do publikacji i ukaże się na serwerze preprintów arXiv w niedzielę. Wieczorem 14 lipca Lukin weźmie udział w otwartej dyskusji na konferencji ICQT, która odbędzie się po publicznym wykładzie Johna Martinisa.

W piątek rano, 14 lipca, na Międzynarodowej Konferencji Technologii Kwantowych, Michaił Łukin, współzałożyciel Rosyjskiego Centrum Kwantowego i profesor Uniwersytetu Harvarda, mówił o stworzeniu przez jego grupę badawczą w pełni programowalnego 51-kubitowego kwantu. komputer. Na pierwszy rzut oka taki wynik można nazwać nagłym przełomem w tej dziedzinie – tacy giganci jak Google i IBM właśnie zbliżają się do granicy 50 kubitów w komputerze kwantowym. Dopiero wczoraj na serwerze preprintów arXiv.org pojawił się szczegółowy opis eksperyment. Kadra edytorska N + 1 postanowił dowiedzieć się, co się stało i czego można się spodziewać po nowym komputerze kwantowym.

Krótko o komputerach kwantowych - uniwersalnych i nieuniwersalnych

Jaki jest komputer z 51 kubitami?

Zajmijmy się systemem stworzonym przez fizyków w Nowa praca... Rolę kubitów pełnią w nim zimne atomy rubidu schwytane w pułapkę optyczną. Sama pułapka to zestaw 101 pęsety optycznej (skupiona wiązka lasera). Atom jest trzymany pęsetą w pozycja równowagi ze względu na gradient pole elektryczne- jest przyciągany do obszaru o maksymalnym natężeniu pola elektrycznego, które znajduje się w ognisku pęsety. Ponieważ wszystkie pęsety są ustawione w jednej linii, wszystkie kubity atomowe komputera są również ustawione w jednej linii.

„Zero” dla każdego z atomów rubidu to jego stan podstawowy, niewzbudzony. „Jeden” to specjalnie przygotowane państwo Rydberg. Jest to taki stan wzbudzony, w którym zewnętrzny elektron rubidu znajduje się bardzo daleko od jądra (na 50., 100., 1000. orbicie), ale nadal pozostaje z nim związany. Ze względu na duży promień atomy Rydberga zaczynają oddziaływać (odpychać) na znacznie większe odległości niż zwykłe. To odpychanie umożliwia przekształcenie rzędu 51 atomów rubidu w łańcuch silnie oddziałujących cząstek.

Oddzielny system laserowy służy do kontrolowania stanów kubitów, zdolnych do wzbudzenia ich do stanu Rydberga. Główną i najważniejszą cechą nowego komputera jest możliwość bezpośredniego adresowania każdego z 51 kubitów. Istnieją również bardziej złożone zespoły atomów, w których obserwuje się splątane stany kwantowe (ostatnio mamy około 16 milionów atomów splątanych przez interakcję z jednym fotonem), a symulacje kwantowe przeprowadzono na ponad stu zimnych atomach. Ale we wszystkich tych przypadkach naukowcy nie mieli możliwości dokładnego kontrolowania systemu. Dlatego nowy system nazywa się w pełni programowalnym komputerem kwantowym.

Każde obliczenie na komputerze kwantowym jest w pewnym sensie symulacją rzeczywistego układu kwantowego. Większość nowej pracy poświęcona jest modelowaniu znanego układu kwantowego - modelu Isinga. Opisuje łańcuch (w tym przypadku) cząstek o niezerowych spinach (momentach magnetycznych) oddziałujących ze swoimi sąsiadami. Model Isinga jest często używany do opisu magnetyzmu i przejść magnetycznych w ciałach stałych.

Eksperyment miał następującą strukturę. Cząsteczki zostały najpierw schłodzone i wychwycone pęsetą optyczną. Jest to proces probabilistyczny, więc początkowo układ cząstek był chaotyczny. Następnie, korzystając z sekwencji pomiarów i poprawek, utworzono pozbawioną defektów macierz ponad 50 zimnych atomów w podstawowym stanie niewzbudzonym. W kolejnym etapie pęsety optyczne zostały wyłączone i jednocześnie włączono układ wzbudzający atomy do stanu Rydberga. Przez pewien czas układ ewoluował pod wpływem sił van der Waalsa – atomy zajmowały dla nich najbardziej „wygodne” pozycje, po czym pęsetę włączano ponownie i badano wynik ewolucji.

Fizycy zaobserwowali różne wyniki ewolucyjne w zależności od tego, jak blisko zimne atomy znajdowały się przed ekscytującym impulsem. Wynika to z faktu, że atomy Rydberga są w stanie tłumić wzbudzenie sąsiadów stanów Rydberga (z powodu silnego odpychania). Naukowcy zaobserwowali układy, w których atomy po ewolucji okazały się tak uporządkowane, że pomiędzy każdą parą sąsiednich atomów Rydberga znajdował się dokładnie jeden, ściśle dwa lub ściśle trzy zwykłe atomy.

Co ciekawe, powstawanie wysoko uporządkowanych struktur po wolnej ewolucji nastąpiło z bardzo dużym prawdopodobieństwem - nawet w przypadku układu 51 zimnych atomów.

Aby zobaczyć, jak przebiega proces ewolucyjny, naukowcy włączyli pęsety i „sfotografowali” system w różnych momentach. Okazało się, że w niektórych przypadkach ewolucja do stanu równowagi przebiegała bardzo powoli: układ długo oscylował między kilkoma stanami. Ten wynik może zostać potwierdzony przez przybliżone klasyczne modelowanie obejmujące interakcje między sąsiednimi i następującymi w analizie sąsiednimi atomami.

Czy to jest pomocne?

To jeden z tych przypadków, w których modelowanie kwantowe przewiduje prawdziwy nowy efekt. Warto zauważyć, że nie da się dokładnie zasymulować układu 51 zimnych atomów za pomocą klasycznego komputera. Aby opisać wszystkie możliwe stany, będziesz potrzebować 2 51 bitów pamięci RAM (około petabajta). Efekt ten został potwierdzony jedynie zgrubnym modelowaniem na klasycznym komputerze.

Ciekawe, że w obliczeniach kwantowo-chemicznych zachodzi dokładnie odwrotna sytuacja – klasyczne komputery podają jedynie przybliżone oszacowanie właściwości układów złożonych, wydając na to ogromne zasoby obliczeniowe. Jednocześnie bezpośrednia analiza tych układów kwantowych daje oczywiście dokładny wynik.

A do czego jeszcze jest przydatny?

Na końcu preprintu autorzy tradycyjnie podają listę obszarów, w których nowe opracowanie może być przydatne. Niektóre z nich można wymienić: tworzenie superpozycji składających się z dużej liczby cząstek, badanie stanów topologicznych w układach spinowych. Fizycy osobno zwracają uwagę, że algorytm doskonale nadaje się do rozwiązywania problemów optymalizacji systemów, których rozmiary ewidentnie przekraczają zasięg konwencjonalnych komputerów. Zadania te obejmują symulację reakcji chemicznych i trening.

System stworzony przez Michaiła Lukina i jego współpracowników działa teraz jako symulator kwantowy – symuluje systemy podobne do siebie. Warto jednak zauważyć, że fizykom udało się już stworzyć logiczne zawory CNOT służące do tworzenia splątania na poszczególnych parach atomów Rydberga. Można zatem powiedzieć, że w nowym systemie można zaimplementować niektóre z najprostszych algorytmów (na przykład algorytm Deutscha lub algorytm Shora dla bardzo małych liczb). Jednak na tym etapie algorytmy te nie będą przydatne.

Mikhail Lukin (po lewej) i John Martinis (po prawej) – szef zespołu zajmującego się 49-kubitowymi komputerami kwantowymi w Google

Rosyjskie centrum kwantowe

W pewnym sensie nowe urządzenie jest już w stanie rozwiązywać problemy niedostępne dla klasycznych komputerów - nie da się go dokładnie zasymulować przez konwencjonalne komputery. Ale jest za wcześnie, aby mówić o użytecznej przewadze kwantowej, która jest już przydatna w stosowanych problemach. Wielu naukowców wskazuje, że wyścig o supremację kwantową nie niesie teraz nic użytecznego z punktu widzenia stosowanych problemów obliczeniowych.

Warto zauważyć, że eksperymenty z atomami w sieciach optycznych już kilka lat temu przekroczyły granice dokładnego modelowania przez klasyczne komputery. Wykorzystują dziesiątki połączonych ze sobą cząstek. Na przykład z ich pomocą kwantowe zjawiska kooperacyjne związane z nadciekłością i nadprzewodnictwem. Czy to wyższość kwantowa?

Władimir Korolew

W ramach Międzynarodowej Konferencji Technologii Kwantowych ICQT-2017, która odbywa się pod auspicjami RQC w Moskwie, profesor Uniwersytetu Harvarda, współzałożyciel Rosyjskiego Centrum Kwantowego (RQC) Michaił Łukin powiedział, że grupa rosyjskich a amerykańscy naukowcy pracujący na Harvardzie pod jego kierownictwem stworzyli i przetestowali pierwszy na świecie komputer kwantowy, składający się z 51 kubitów - najbardziej złożony system obliczeniowy, jaki istnieje obecnie.

Komputery kwantowe - specjalne urządzenia obliczeniowe, których moc rośnie wykładniczo dzięki wykorzystaniu w swojej pracy praw mechaniki kwantowej, składają się z kubitów - komórek pamięci i jednocześnie prymitywnych modułów obliczeniowych, które przechowują zakres wartości od zera do jeden.

Takie urządzenia są opracowywane metodą klasyczną lub adiabatyczną. Zwolennicy pierwszego próbują stworzyć uniwersalny komputer kwantowy, w którym kubity będą przestrzegać zasad działania zwykłych urządzeń cyfrowych. Praca z nim jest podobna do tego, jak inżynierowie i programiści kontrolują komputery. Komputer adiabatyczny jest łatwiejszy do stworzenia, ale jego zasady działania są bliższe komputerom analogowym z początku XX wieku niż tradycyjnym urządzeniom cyfrowym.

W 2016 roku kilka zespołów naukowców i inżynierów ze Stanów Zjednoczonych, Australii i kilku krajów europejskich ogłosiło, że w najbliższym czasie powstanie taka maszyna. Tak więc zespół Johna Martinisa z Google opracował niezwykłą „hybrydową” wersję uniwersalnego komputera kwantowego, który łączy elementy analogowego i cyfrowego podejścia do obliczeń.

Fizyk Lukin i jego koledzy z RCC i Harvardu ominęli grupę Martinisa, która obecnie pracuje nad stworzeniem 22-kubitowej maszyny obliczeniowej, wykorzystującej egzotyczne „zimne atomy” zamiast nadprzewodników, jak to robią naukowcy z Google.

Na przykład grupa Lukina odkryła, że ​​zestaw atomów, utrzymywanych w specjalnych „komórkach” laserowych i chłodzonych do bardzo niskich temperatur, może być używany jako kubity komputera kwantowego, zachowując stabilność w dość szerokim zakresie warunków. Umożliwiło to fizykom stworzenie największego do tej pory urządzenia do obliczeń kwantowych z 51 kubitami.

Korzystając z zestawu takich kubitów, rozwiązano kilka problemów fizycznych, które są niezwykle trudne do symulacji za pomocą „klasycznych” superkomputerów. Naukowcy byli w stanie obliczyć, jak się zachowuje duża chmura cząstki połączone ze sobą i wykrywają nieznane wcześniej efekty powstające w ich wnętrzu. Okazało się, że wraz z tłumieniem wzbudzeń w układzie niektóre rodzaje oscylacji mogą pozostać i utrzymywać się praktycznie w nieskończoność, czego naukowcy wcześniej nie podejrzewali.

W tym celu opracowano specjalny algorytm, który pozwala na podobne obliczenia w bardzo przybliżonej formie na konwencjonalne komputery... Wyniki były zasadniczo spójne, potwierdzając, że 51-kubitowy system naukowców z Harvardu działa w praktyce.

Zespół naukowców zamierza kontynuować eksperymenty z komputerem kwantowym. Według Lukina spróbują na nim uruchomić słynny algorytm kwantowy Shora, który pozwoli im złamać większość istniejące systemy szyfrowanie oparte na algorytmie RSA. Wyniki działania komputera kwantowego zostały już opisane w jednym z recenzowanych czasopism naukowych.

Podczas Międzynarodowej Konferencji Kwantowej w Moskwie rosyjski naukowiec Michaił Łukin zaprezentował najpotężniejszy dotychczas 51-kubitowy komputer kwantowy. Liczba 51 nie została wybrana przypadkowo: Google od dłuższego czasu pracuje nad 49-kubitowym komputerem kwantowym, dlatego Lukin, jako naukowiec zajmujący się hazardem, musiał ominąć konkurenta.

„Komputer kwantowy działa, jest znacznie straszniejszy niż bomba atomowa” – mówi Siergiej Biełousow, współzałożyciel Rosyjskiego Centrum Kwantowego. - On (Michaił Lukin) stworzył system z największą liczbą kubitów. W razie czego. Na ten moment Myślę, że to ponad dwa razy więcej kubitów niż ktokolwiek inny. I celowo zrobił 51 kubitów, a nie 49. Ponieważ Google ciągle powtarzał, że zrobią 49. ”

Jednak sam Lukin i szef laboratorium kwantowego w Google John Martinez nie uważają się za konkurentów ani rywali. Naukowcy są przekonani, że natura jest ich głównym rywalem, a głównym celem jest rozwój technologii i ich wdrażanie, aby wprowadzić ludzkość na nowy etap rozwoju.

„Błędem jest myślenie o tym jako o wyścigu” – mówi John Martinez. - Mamy prawdziwy wyścig z naturą. Ponieważ naprawdę trudno jest zbudować komputer kwantowy. I to po prostu ekscytujące, że komuś udało się stworzyć system z takim duża ilość kubity. Jak dotąd 22 kubity to maksimum, jakie mogliśmy zrobić. Mimo, że wykorzystaliśmy całą naszą magię i profesjonalizm.”

Same kubity, w liczbie których naukowcy tak zaciekle „konkurują”, są jednostką obliczeniową, która jednocześnie reprezentuje zarówno zero, jak i jeden, podczas gdy zwykły bit to jeden lub drugi. Nowoczesne superkomputery sekwencje budujące, a komputery kwantowe wykonują z kolei obliczenia równolegle w jednej chwili. Dzięki takiemu podejściu obliczenia, których wykonanie dzisiejszym superkomputerom zajmą tysiące lat, mogą być wykonane natychmiastowo przez komputer kwantowy.

„To jeden z największych systemów kwantowych, jakie kiedykolwiek stworzono”, mówi Mikhail Lukin, profesor na Uniwersytecie Harvarda i współzałożyciel Rosyjskiego Centrum Kwantowego. „Wchodzimy w reżim, w którym klasyczne komputery nie radzą sobie z obliczeniami. Dokonujemy małych odkryć, widzieliśmy nowe efekty, których nie można było oczekiwać teoretycznie, które możemy teraz, staramy się zrozumieć, ale nie do końca rozumiemy.”

Jak dotąd nawet twórcy najpotężniejszych komputerów kwantowych nie potrafią powiedzieć z całą pewnością, dlaczego ludzkość będzie potrzebować tak potężnych komputerów. Być może z ich pomocą zostaną opracowane całkowicie nowe materiały. Nowe odkrycia można dokonać w dziedzinie fizyki lub chemii. A może komputery kwantowe w końcu pomogą nam w pełni zrozumieć naturę ludzkiego mózgu i świadomości.

„Kiedy dokonuje się odkrycia naukowego, jego twórcy nie reprezentują pełnej mocy, jaką ono przyniesie”, mówi Ruslan Yunusov, dyrektor Rosyjskiego Centrum Kwantowego. - Oto przykład tranzystora. Kiedy wynaleziono tranzystor, nikt nie wyobrażał sobie, że zbudowane zostaną na nim komputery. A kiedy budowali komputery, nikt nie wyobrażał sobie, jak bardzo zmieni się życie ”.

Rosyjscy i amerykańscy naukowcy z Uniwersytetu Harvarda, pracujący w grupie Michaiła Lukina, stworzyli 51-kubitowy komputer kwantowy, najpotężniejszy obecnie na świecie. Współzałożyciel Rosyjskiego Centrum Kwantowego (RQC), profesor Lukin, poinformował o tym w swoim raporcie na Międzynarodowej Konferencji Technologii Kwantowych (ICQT-2017), która odbyła się w lipcu w Moskwie pod auspicjami RQC.

W przeciwieństwie do klasycznych komputerów cyfrowych, w których pamięć zbudowana jest na zasadzie kod binarny(0 lub 1, „tak” lub „nie”), komputery kwantowe budowane na bazie kubitów - bitów kwantowych. Dopuszczają również dwa stany (0 i 1), ale ze względu na swoje właściwości kwantowe kubit dodatkowo dopuszcza również stany superpozycji, czyli umownie mówiąc, nadal istnieje wiele stanów pośrednich między dwoma stanami podstawowymi opisanymi przez złożone (wyobrażone) liczby. Jasne jest, że w takich warunkach moc i prędkość komputera kwantowego są o kilka rzędów wielkości wyższe.

Sam pomysł wykorzystania obliczeń kwantowych do samego rozwiązania problemy matematyczne zaproponowany w 1980 roku przez Jurija Manina z Instytutu Steklova, a rok później zasadę budowy komputera kwantowego sformułował Richard Feynman. Ale minęły dekady, zanim pojawiły się technologie, które mogły wcielić ich pomysły w życie.

Głównym problemem było stworzenie stabilnych działających kubitów. Grupa Lukina nie użyła do nich nadprzewodników, ale tak zwane zimne atomy, które są utrzymywane w pułapkach laserowych w ultraniskich temperaturach. Pozwoliło to fizykom stworzyć największą na świecie maszynę do obliczeń kwantowych składającą się z 51 kubitów i ominąć ich kolegów, grupę Christophera Monroe z University of Maryland (urządzenie z 5 kubitami) i grupę Google Johna Martinisa (urządzenie z 22 kubitami).

Mówiąc obrazowo, podczas budowy kubitowego komputera fizycy powrócili z cyfrowego do urządzenia analogowe pierwsza połowa ubiegłego wieku. Teraz ich zadaniem jest przejście do cyfryzacji na nowym, kwantowym poziomie. Używając zestawu kubitów opartych na „zimnych atomach”, zespół Lukina był już w stanie rozwiązać kilka konkretnych problemów fizycznych, które są niezwykle trudne do symulacji na klasycznych komputerach.

W najbliższej przyszłości naukowcy zamierzają kontynuować eksperymenty z komputerem kwantowym. Oprócz rozwiązywania czysto naukowych problemów z zakresu mechaniki kwantowej, profesor Lukin nie wyklucza, że ​​jego zespół spróbuje zaimplementować na nim słynny algorytm kwantowy Shora, przed którym dotychczasowe systemy szyfrujące są bezsilne. Istnieje jednak wiele innych praktycznych obszarów, w których nowa generacja komputerów mogłaby zrewolucjonizować. Na przykład hydrometeorologia, gdzie obecnie wyraźnie brakuje mocy istniejących urządzeń obliczeniowych, aby poprawić dokładność prognoz pogody.

Komputery kwantowe stawiają swoje pierwsze kroki, ale nie jest odległy czas, kiedy staną się one tak powszechne, jak dzisiejsze komputery PC.