Dünyanın ilk kuantum bilgisayarı. Rusya'da bir kuantum bilgisayar, efsane ya da gerçeklik

ABD ve Rusya'dan bir grup fizikçi, 51 kübit tabanlı programlanabilir bir kuantum bilgisayarı oluşturup başarıyla test etti. Bu, Indicator.Ru tarafından alınan Rus Kuantum Merkezi'nden yapılan bir basın açıklamasında bildirildi.

Birçok bilimsel grup şimdi evrensel bir kuantum bilgisayar yaratmaya çalışıyor ve birçok hükümet ve şirket bu projelere yatırım yapıyor. Bu tür bilgisayarların hesaplama elemanları - kübitler - kuantum nesneleri temelinde çalışır: iyonlar, soğutulmuş atomlar veya fotonlar, birkaç durumun süperpozisyonunda olabilen. Bu, kuantum bilgisayarların aynı anda, bir saat döngüsünde aynı anda birçok hesaplama yapmasına izin verir. Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların çözülmesi milyarlarca yıl sürecek görevlerle başa çıkabilecektir.

Kuantum bilgisayarların yetenekleri, kübitlerin sayısına bağlıdır. Halihazırda onlarca kübit bu tür bir kazanç sağlayabilir. işlem gücü, klasik bilgisayarlar için erişilemez. Bugün, John Martinis yönetimindeki Google şirketinin kuantum laboratuvarı, 49 kübitlik bir bilgisayar üzerinde deneyler planlıyor, IBM zaten 17 kübitlik bir cihazla deneyler yapıyor. 51 kübitlik bir bilgisayarın oluşturulması bu alanda ileriye doğru atılmış dev bir adımdır.

Harvard'da fizik profesörü ve Rus Kuantum Merkezi'nin kurucu ortağı olan Mikhail Lukin liderliğindeki Harvard Üniversitesi ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden bir grup bilim insanı, optik "cımbızlar" tarafından tutulan soğuk atomlara dayalı kübitler kullandı - özellikle organize lazer ışınları. Modern kuantum bilgisayarların çoğu, Josephson bağlantılarına dayanan süper iletken kübitlere dayanmaktadır.

Lukin ve meslektaşları, kuantum bilgisayarlarının yardımıyla, klasik bilgisayarların yardımıyla pratik olarak çözülemeyen birçok parçacıktan kuantum sistemlerinin davranışını modelleme problemini çözmeyi başardılar. Ayrıca, sonuç olarak, daha önce bilinmeyen birkaç etkiyi tahmin edebildiler ve bunlar daha sonra geleneksel bilgisayarlar kullanılarak test edildi.

Yakın gelecekte, bilim adamları bir kuantum bilgisayarla deneylere devam etmeyi planlıyorlar. Belki de bu sistemi, mevcut bilgi işlem makinelerinden daha iyi performans gösterebilecek kuantum optimizasyon algoritmalarını test etmek için kullanmayı deneyeceklerdir.

IV'te sunum yapan Lukin'e göre Uluslararası konferans Moskova'da kuantum teknolojileri üzerine (ICQT-2017) 14 Temmuz, çalışmanın sonuçlarını içeren bir makale yayınlanmak üzere kabul edildi ve Pazar günü arXiv ön baskı sunucusunda görünecek. 14 Temmuz akşamı Lukin, John Martinis tarafından halka açık bir konferanstan sonra gerçekleşecek olan ICQT konferansında açık bir tartışmaya katılacak.

14 Temmuz Cuma sabahı, Uluslararası Kuantum Teknolojileri Konferansı'nda, Rus Kuantum Merkezi'nin kurucularından ve Harvard Üniversitesi'nde profesör olan Mikhail Lukin, araştırma grubu tarafından tamamen programlanabilir 51-kübitlik bir kuantumun yaratılması hakkında konuştu. bilgisayar. İlk bakışta, bu sonuç, bu alanda ani bir atılım olarak adlandırılabilir - Google ve IBM gibi devler, bir kuantum bilgisayarında 50 kübit işaretine daha yeni yaklaşıyorlar. Daha dün arXiv.org ön baskı sunucusunda göründü Detaylı Açıklama deney. Editor kadrosu N + 1 ne olduğunu ve yeni kuantum bilgisayardan ne bekleneceğini anlamaya karar verdi.

Kısaca kuantum bilgisayarlar hakkında - evrensel ve evrensel olmayan

51 kübit bilgisayar nasıldır?

Fizikçilerin yarattığı sistemle ilgilenelim. yeni iş... Kübitlerin içindeki rolü, optik bir tuzakta yakalanan soğuk rubidyum atomları tarafından oynanır. Tuzağın kendisi bir dizi 101 optik cımbızdır (odaklanmış lazer ışını). Atom cımbız tarafından tutulur denge pozisyonu gradyan nedeniyle Elektrik alanı- Cımbızın odak noktasında bulunan maksimum elektrik alan şiddetine sahip bölgeye çekilir. Tüm cımbızlar sıralı olduğu için bilgisayarın tüm atom kübitleri de sıralanmıştır.

Rubidyum atomlarının her biri için "sıfır", onun temel, uyarılmamış halidir. “Bir” özel olarak hazırlanmış bir Rydberg eyaletidir. Bu, rubidyumun dış elektronunun çekirdekten çok uzakta olduğu (50., 100., 1000. yörüngede), ancak yine de onunla ilişkili olduğu uyarılmış bir durumdur. Büyük yarıçap nedeniyle, Rydberg atomları sıradan olanlardan çok daha büyük mesafelerde etkileşime girmeye (itmeye) başlar. Bu itme, 51 rubidyum atomundan oluşan bir sırayı güçlü bir şekilde etkileşime giren parçacıklar zincirine dönüştürmeyi mümkün kılar.

Kübitlerin durumlarını kontrol etmek için onları Rydberg durumuna uyarabilen ayrı bir lazer sistemi kullanılır. Yeni bilgisayarın ana ve en önemli özelliği, 51 kübitin her birine doğrudan hitap edebilme yeteneğidir. Ayrıca dolanık kuantum durumlarının gözlemlendiği daha karmaşık atom toplulukları da vardır (son zamanlarda bir fotonla etkileşimle dolaşmış yaklaşık 16 milyon atomumuz var) ve kuantum simülasyonları da yüzden fazla soğuk atom üzerinde gerçekleştirilmiştir. Ancak tüm bu durumlarda, bilim adamlarının sistemi doğru bir şekilde kontrol etme yeteneği yoktu. Bu nedenle yeni sisteme tam programlanabilir kuantum bilgisayar deniyor.

Kuantum bilgisayardaki her hesaplama, bir anlamda gerçek bir kuantum sisteminin simülasyonudur. Yeni çalışmanın büyük kısmı, iyi bilinen bir kuantum sisteminin - Ising modelinin - modellenmesine ayrılmıştır. Komşularıyla etkileşime giren sıfır olmayan dönüşlere (manyetik momentler) sahip bir parçacık zincirini (bu durumda) tanımlar. Ising modeli genellikle katılarda manyetizma ve manyetik geçişleri tanımlamak için kullanılır.

Deney aşağıdaki gibi yapılandırılmıştır. Parçacıklar önce soğutuldu ve optik cımbızla yakalandı. Bu olasılıksal bir süreçtir, bu nedenle ilk başta parçacık dizisi kaotikti. Ardından, bir dizi ölçüm ve düzeltme kullanılarak, zemin uyarılmamış durumda 50'den fazla soğuk atomdan oluşan hatasız bir dizi oluşturuldu. Bir sonraki aşamada optik cımbızlar kapatıldı ve aynı zamanda atomları Rydberg durumuna uyaran sistem açıldı. Bir süre, sistem van der Waals kuvvetlerinin etkisi altında gelişti - atomlar onlar için en "uygun" konumları işgal etti, ardından cımbız tekrar açıldı ve evrimin sonucu incelendi.

Fizikçiler, heyecan verici darbeden önce soğuk atomların ne kadar yakın olduklarına bağlı olarak farklı evrimsel sonuçlar gözlemlediler. Bunun nedeni, Rydberg atomlarının komşuların Rydberg durumlarına uyarılmasını baskılayabilmesidir (güçlü itme nedeniyle). Bilim adamları, evrimden sonra atomların, komşu Rydberg atomlarının her bir çifti arasında kesinlikle bir, kesinlikle iki veya kesinlikle üç sıradan atom olacak şekilde sıralandığı sistemleri gözlemlediler.

İlginç bir şekilde, serbest evrimden sonra oldukça düzenli yapıların oluşumu, 51 soğuk atomdan oluşan bir dizi durumunda bile çok yüksek bir olasılıkla gerçekleşti.

Bilim adamları evrim sürecinin nasıl gerçekleştiğini görmek için cımbızı açtılar ve sistemin farklı zaman noktalarında "fotoğraflarını çektiler". Bazı durumlarda, bir denge durumuna geçişin çok yavaş ilerlediği ortaya çıktı: sistem, birkaç durum arasında uzun bir süre salındı. Bu sonuç, analizde komşu ve takip eden komşu atomlar arasındaki etkileşimi içeren kaba klasik modelleme ile doğrulanabilir.

yararlı mı?

Bu, kuantum modellemenin gerçek bir yeni etki öngördüğü durumlardan biridir. Klasik bir bilgisayar kullanarak 51 soğuk atomlu bir sistemi doğru bir şekilde simüle etmenin imkansız olduğunu belirtmekte fayda var. Tüm olası durumlarını açıklamak için 2 51 bit RAM'e ihtiyacınız olacak (yaklaşık bir petabayt). Bu etki, yalnızca klasik bir bilgisayarda kaba modelleme ile doğrulandı.

Kuantum-kimyasal hesaplamalarda tam tersi bir durumun ortaya çıkması ilginçtir - klasik bilgisayarlar, karmaşık sistemlerin özelliklerinin yalnızca yaklaşık bir tahminini verir ve bunun için büyük hesaplama kaynakları harcar. Aynı zamanda bunların doğrudan analizi elbette kuantum sistemleri doğru bir sonuç verir.

Ve başka ne işe yarar?

Ön baskının sonunda, yazarlar geleneksel olarak yeni geliştirmenin faydalı olabileceği alanların bir listesini sunar. Bunlardan bazıları şöyle sıralanabilir: çok sayıda parçacıktan oluşan süperpozisyonların oluşturulması, spin sistemlerinde topolojik durumların incelenmesi. Fizikçiler ayrıca, algoritmanın, boyutları geleneksel bilgisayarların erişimini açıkça aşan sistemleri optimize etme problemlerini çözmek için çok uygun olduğuna dikkat çekiyor. Bu görevler, kimyasal reaksiyonların simülasyonunu ve eğitimi içerir.

Mikhail Lukin ve meslektaşları tarafından oluşturulan sistem şimdi bir kuantum simülatörü olarak çalışıyor - kendisine benzer sistemleri simüle ediyor. Bununla birlikte, fizikçilerin, ayrı ayrı Rydberg atom çiftleri üzerinde dolaşıklık oluşturmak için kullanılan mantıksal CNOT valfleri yaratmayı zaten başardıklarını belirtmekte fayda var. Bu nedenle, en basit algoritmalardan bazılarının yeni sistemde uygulanabileceğini söyleyebiliriz (örneğin, Deutsch'un algoritması veya çok küçük sayılar için Shor'un algoritması). Ancak bu aşamada bu algoritmalar kullanışlı olmayacaktır.

Mikhail Lukin (solda) ve John Martinis (sağda) - Google'da 49-qubit kuantum bilgisayar ekibinin başkanı

Rus kuantum merkezi

Bir anlamda, yeni cihaz klasik bilgisayarların erişemeyeceği sorunları çözme yeteneğine sahiptir - geleneksel bilgisayarlar tarafından doğru bir şekilde simüle edilemez. Ancak uygulamalı problemlerde zaten faydalı olan faydalı kuantum üstünlüğünden bahsetmek için henüz çok erken. Birçok bilim adamı, kuantum üstünlüğü yarışının artık uygulamalı hesaplama problemleri açısından yararlı hiçbir şey taşımadığına dikkat çekiyor.

Birkaç yıl önce optik kafeslerdeki atomlarla yapılan deneylerin klasik bilgisayarlar tarafından doğru modellemenin sınırlarını aştığını belirtmekte fayda var. Onlarca birbirine bağlı parçacık kullanırlar. Örneğin, onların yardımıyla, süperakışkanlık ve süperiletkenlik ile ilgili kuantum işbirlikçi fenomenler. Bu kuantum üstünlüğü mü?

Vladimir Korolev

Moskova'da RQC himayesinde düzenlenen Uluslararası Kuantum Teknolojileri Konferansı ICQT-2017 çerçevesinde, Harvard Üniversitesi'nden Profesör, Rusya Kuantum Merkezi'nin (RQC) kurucularından Mikhail Lukin, bir grup Rus Harvard'da onun liderliğinde çalışan Amerikalı bilim adamları, bugün var olan en karmaşık bilgi işlem sistemi olan 51 kübitten oluşan dünyanın ilk kuantum bilgisayarını oluşturup test ettiler.

Kuantum bilgisayarlar - çalışmalarında kuantum mekaniği yasalarının kullanılması nedeniyle gücü katlanarak artan özel bilgi işlem cihazları, kübitlerden - bellek hücrelerinden ve aynı zamanda sıfır ile arasında bir dizi değeri depolayan ilkel bilgi işlem modüllerinden oluşur. bir.

Bu tür cihazlar, klasik veya adyabatik yöntem kullanılarak geliştirilmiştir. İlkinin savunucuları, kübitlerin sıradan dijital cihazların çalıştığı kurallara uyacağı evrensel bir kuantum bilgisayar yaratmaya çalışıyor. Onunla çalışmak, mühendislerin ve programcıların bilgisayarları nasıl kontrol ettiğine benzer. Adyabatik bir bilgisayar oluşturmak daha kolaydır, ancak çalışma ilkelerinde geleneksel dijital cihazlardan ziyade 20. yüzyılın başlarındaki analog bilgisayarlara daha yakındır.

2016 yılında, Amerika Birleşik Devletleri, Avustralya ve birkaç Avrupa ülkesinden birkaç bilim insanı ve mühendis ekibi, yakın gelecekte böyle bir makine yaratacaklarını açıkladı. Bu nedenle, Google'dan John Martinis ekibi, analog ve dijital yaklaşım unsurlarını hesaplamalara birleştiren evrensel kuantum bilgisayarın alışılmadık bir "hibrit" versiyonunu geliştirdi.

Fizikçi Lukin ve RCC ve Harvard'daki meslektaşları, Google'dan bilim adamları olarak, süper iletkenler yerine egzotik "soğuk atomlar" kullanan, şu anda 22-bitlik bir bilgisayar makinesi üzerinde çalışan Martinis'in grubunu atladılar.

Örneğin, Lukin'in grubu, özel lazer "hücreleri" içinde tutulan ve ultra düşük sıcaklıklara soğutulan bir dizi atomun, oldukça geniş koşullar altında kararlılığı koruyarak bir kuantum bilgisayarın kübitleri olarak kullanılabileceğini keşfetti. Bu, fizikçilerin 51 kübit ile bugüne kadarki en büyük kuantum hesaplama cihazını yaratmasına izin verdi.

Bu tür bir dizi kübit kullanılarak, "klasik" süper bilgisayarların yardımıyla simüle edilmesi son derece zor olan birkaç fiziksel problem çözüldü. Bilim adamları nasıl davrandığını hesaplayabildiler büyük bulut parçacıklar birbirine bağlı ve içinde ortaya çıkan daha önce bilinmeyen etkileri tespit ediyor. Sistemdeki uyarımın sönümlenmesiyle, bilim adamlarının daha önce şüphelenmediği bazı salınım türlerinin neredeyse süresiz olarak kalabileceği ve tutulabileceği ortaya çıktı.

Bunun için çok kaba bir şekilde benzer hesaplamalara izin veren özel bir algoritma geliştirildi. geleneksel bilgisayarlar... Sonuçlar genel olarak tutarlıydı ve Harvard bilim adamlarının 51 kübitlik sisteminin pratikte çalıştığını doğruladı.

Bilim adamları ekibi, bir kuantum bilgisayarla deneylere devam etmeyi planlıyor. Lukin'e göre, Shor'un ünlü kuantum algoritmasını üzerinde çalıştırmaya çalışacaklar ve bu da en çok çatlamalarını sağlıyor. mevcut sistemler RSA algoritmasına dayalı şifreleme. Kuantum bilgisayarın sonuçları, hakemli bilimsel dergilerden birinde zaten açıklanmıştır.

Moskova'daki Uluslararası Kuantum Konferansı sırasında Rus bilim adamı Mikhail Lukin, bugüne kadarki en güçlü 51-qubit kuantum bilgisayarını sundu. 51 sayısı tesadüfen seçilmedi: Google uzun süredir 49 kübitlik bir kuantum bilgisayar üzerinde çalışıyor ve bu nedenle kumar bilimcisi olarak Lukin için bir rakibi atlamak bir prensip meselesiydi.

Rus Kuantum Merkezi'nin kurucu ortağı Sergei Belousov, "Bir kuantum bilgisayar çalışıyor, bir atom bombasından çok daha korkunç" diyor. - O (Mikhail Lukin) en çok kübitli bir sistem yaptı. Her ihtimale karşı. Açık şu an Bence bu, diğerlerinin iki katından daha fazla kübit. Ve 51 kübiti 49 değil, bilerek yaptı. Çünkü Google 49 yapacaklarını söyleyip duruyordu.”

Ancak, Lukin'in kendisi ve Google John Martinez'deki kuantum laboratuvarının başkanı, kendilerini rakip veya rakip olarak görmüyor. Bilim adamları, doğanın ana rakipleri olduğuna inanıyorlar ve asıl amaç, insanlığı yeni bir gelişme aşamasına ilerletmek için teknolojilerin geliştirilmesi ve uygulanmasıdır.

John Martinez, “Bunu bir yarış olarak düşünmek yanlış” diyor. - Doğayla gerçek bir yarışımız var. Çünkü kuantum bilgisayar yapmak gerçekten zor. Ve birinin böyle bir sistem oluşturmayı başarması sadece heyecan verici. büyük miktar kübitler. Şimdiye kadar, yapabileceğimiz maksimum sayı 22 kübit. Tüm sihrimizi ve profesyonelliğimizi kullanmamıza rağmen."

Bilim adamlarının çok şiddetli bir şekilde "rekabet ettiği" kübitlerin kendileri, aynı anda hem sıfırı hem de biri temsil eden bir hesaplama birimidir, normal bit ise ya biri ya da diğeridir. Modern süper bilgisayarlar diziler oluşturur ve kuantum bilgisayarlar sırayla hesaplamaları anında paralel olarak gerçekleştirir. Bu yaklaşım sayesinde, günümüzün süper bilgisayarlarının binlerce yılda başaracağı hesaplamalar, bir kuantum bilgisayar tarafından anında yapılabilir.

Harvard Üniversitesi'nde profesör ve Rus Kuantum Merkezi'nin kurucu ortağı olan Mikhail Lukin, “Bu, şimdiye kadar yaratılmış en büyük kuantum sistemlerinden biri” diyor. “Klasik bilgisayarların hesaplamalarla baş edemediği bir rejime giriyoruz. Küçük keşifler yapıyoruz, teorik olarak beklenmeyen yeni etkiler gördük, şimdi anlayabiliyoruz, anlamaya çalışıyoruz ama tam olarak anlayamıyoruz."

Şimdiye kadar, en güçlü kuantum bilgisayarların yaratıcıları bile, insanlığın neden bu kadar güçlü bilgisayarlara ihtiyaç duyacağını kesin olarak söyleyemez. Belki de onların yardımıyla temelde yeni malzemeler geliştirilecektir. Fizik veya kimya alanında yeni keşifler yapılabilir. Ya da belki de kuantum bilgisayarlar sonunda insan beyninin ve bilincinin doğasını tam olarak anlamamıza yardımcı olacak.

Rus Kuantum Merkezi direktörü Ruslan Yunusov, “Bilimsel bir keşif yapıldığında, yaratıcıları onun getireceği tam gücü temsil etmiyor” diyor. - İşte bir transistör örneği. Transistör icat edildiğinde, hiç kimse bilgisayarların bu transistör üzerine kurulacağını hayal etmemişti. Ve bilgisayarlar yaptıklarında, kimse hayatın ne kadar değişeceğini hayal etmemişti."

Harvard Üniversitesi'nden Mikhail Lukin'in grubunda çalışan Rus ve Amerikalı bilim adamları, bugün dünyanın en güçlüsü olan 51 kübitlik bir kuantum bilgisayarı yarattılar. Rus Kuantum Merkezi'nin (RQC) kurucu ortağı Profesör Lukin, Temmuz ayında Moskova'da RQC himayesinde düzenlenen Uluslararası Kuantum Teknolojileri Konferansı'nda (ICQT-2017) raporunda bunu duyurdu.

Belleğin prensip üzerine inşa edildiği klasik dijital bilgisayarların aksine ikili kod(0 veya 1, "evet" veya "hayır"), kuantum bilgisayarlar kübitler - kuantum bitleri temelinde oluşturulur. Ayrıca iki durumu (0 ve 1) kabul ederler, ancak kuantum özelliklerinden dolayı, kübit ayrıca süperpozisyon durumlarını da kabul eder, yani göreceli olarak konuşursak, karmaşık (sanal) sayılarla tanımlanan iki temel durum arasında birçok ara durumu kabul eder. Bu koşullar altında bir kuantum bilgisayarın gücünün ve hızının birkaç kat daha yüksek olduğu açıktır.

Tamamen çözmek için kuantum hesaplama kullanma fikri Matematik problemleri 1980 yılında Steklov Enstitüsü'nden Yuri Manin tarafından önerildi ve bir yıl sonra bir kuantum bilgisayar inşa etme ilkesi Richard Feynman tarafından formüle edildi. Ancak fikirlerini uygulamaya koyabilecek teknolojilerin ortaya çıkması on yıllar aldı.

Asıl sorun, kararlı çalışan kübitler yaratmaktı. Lukin'in grubu onlar için süper iletkenler değil, lazer tuzakları içinde ultra düşük sıcaklıklarda tutulan sözde soğuk atomlar kullandı. Bu, fizikçilerin 51 kübitlik dünyanın en büyük kuantum hesaplama makinesini yaratmalarına ve meslektaşlarını, Maryland Üniversitesi'ndeki Christopher Monroe grubunu (5 kübit cihaz) ve John Martinis'in Google'daki grubunu (22 kübit cihaz) atlamalarına izin verdi.

Mecazi olarak konuşursak, bir kübit bilgisayarın inşası sırasında fizikçiler dijitalden dijitale döndüler. analog cihazlar geçen yüzyılın ilk yarısı. Şimdi onların görevi, yeni bir kuantum düzeyinde dijitale geçmek. Lukin'in ekibi, "soğuk atomlara" dayalı bir dizi kübit kullanarak, klasik bilgisayarlarla simüle edilmesi son derece zor olan birkaç belirli fiziksel problemi çözebildi.

Yakın gelecekte, bilim adamları bir kuantum bilgisayarla deneylere devam etmeyi planlıyorlar. Profesör Lukin, kuantum mekaniği alanındaki salt bilimsel problemleri çözmenin yanı sıra, ekibinin Shor'un ünlü kuantum algoritmasını, daha önce mevcut şifreleme sistemlerinin güçsüz olduğu üzerinde uygulamaya çalışacağını da göz ardı etmiyor. Ancak yeni nesil bilgisayarların devrim yaratabileceği başka pratik alanlar da var. Örneğin, hava tahminlerinin doğruluğunu iyileştirmek için mevcut bilgi işlem cihazlarının açıkça yeterli gücünün olmadığı hidrometeoroloji.

Kuantum bilgisayarlar ilk adımlarını atıyorlar, ancak günümüz bilgisayarları kadar sıradan hale gelmeleri çok da uzak değil.