Чем квантовый компьютер лучше классического?

Наука и жизньHi-Tech

Кубиты любят тишину

Беседу ведёт Виктория Смирнова.

50-кубитный квантовый компьютер.

В 2024 году группа учёных из Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) и Российского квантового центра (РКЦ) разработала 50-кубитный квантовый компьютер, на сегодняшний день — самый мощный в России квантовый компьютер на ионной платформе. Однако 50 кубитов — это много или мало? Чем квантовый компьютер лучше классического и чем ионная платформа отличается от других перспективных платформ?

На эти и другие вопросы отвечают разработчики российского 50-кубитного квантового компьютера, кандидаты физико-математических наук Илья Заливако и Александр Борисенко.

— Хотелось бы начать с самого главного: что такое квантовый компьютер?

Илья Заливако: Чтобы понять, что такое квантовый компьютер, нужно для начала определить, что такое классический компьютер. Это такая машина, которая работает с битами — элементарными ячейками хранения информации. Они могут принимать значения нуля и единицы, и дальше компьютер умеет выполнять с ними какие-то операции: складывать, вычитать и так далее.

Квантовый компьютер — это идеологически похожая вещь. Но в отличие от классического компьютера, он работает с более сложными элементами — кубитами. Они могут принимать не только значение нуля и единицы, но и суперпозиционные состояния, то есть одновременно быть и нулём, и единицей. Мы передаём квантовому компьютеру инструкцию, что с этими кубитами делать, и из этого получается некий квантовый алгоритм.

Илья Заливако, научный сотрудник лаборатории «Распределённые квантовые технологии для задач машинного обучения» ФИАН, ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ. Фото предоставлено отделом по связям с общественностью ФИАН

— А какие операции вы проводите на квантовых компьютерах? Можно ли базовые задачи, которые мы выполняем на обычных компьютерах, решать на квантовом компьютере?

Александр Борисенко: Если учитывать, что кубит — это расширение бита, то, имея много кубитов, мы можем выполнять и классические вычисления с помощью квантового компьютера. Но в этом нет необходимости. Если мы хотим использовать именно свойства кубитов, нужно строить алгоритмы, которые будут использовать свойства квантовой запутанности и суперпозиции. Поэтому классические вычисления практически не выполняют на квантовых компьютерах, в этом нет преимуществ.

Что же можно запускать на квантовом компьютере? Теоретики и алгоритмисты уже давно придумывают задачи, которые подходят для запуска на квантовых компьютерах. Если в какой-то момент не будет реализован классический алгоритм, который окажется лучше квантового, — можно говорить о том, что достигнуто так называемое квантовое превосходство. Однако для того, чтобы добиться этого квантового превосходства, нужно большое количество кубитов. Если же их количество относительно небольшое, как у нас, то это интересно для научных и исследовательских работ, когда придумываются малокубитные алгоритмы, использующие новые подходы.

И. З.: Идея в том, что квантовый компьютер надо применять для тех задач, для которых нет эффективных алгоритмов на классическом компьютере: если нам нужно перемножить числа, то можно взять классический компьютер. Он дешёвый, простой, у всех есть. А вот если нужно, например, разложить большое число на множители, то классический компьютер с этим справляется неэффективно, а квантовый компьютер может это сделать потенциально быстрее.

— Вы говорите, что такое количество кубитов, как у вас, — это мало, а сколько тогда много и вообще к чему вы стремитесь?

А. Б.: Много — это более ста кубитов. Если мы получим более ста хороших кубитов, то потенциально сможем решать что-то практически значимое быстро. Но стоит отметить, что важно не только большее количество кубитов, но и их качество. Необходимо около двухсот хороших кубитов, чтобы получить ускорение по времени. Количество — характеристика важная, потому что если у вас мало кубитов, даже если они идеальные, вы сможете смоделировать такую систему и на классическом компьютере. Для этого не нужен большой и сложный механизм в виде квантового компьютера. Поэтому количество надо растить, но важно всегда соблюдать баланс между точностью и количеством. Мы планируем через несколько лет, в идеале уже через четыре года, сделать такой компьютер, у которого будет большое количество кубитов и они будут качественными. Чтобы двигаться к этой цели, сейчас мы будем использовать меньшее количество кубитов и улучшать их качество, что позволит нам запускать более сложные квантовые алгоритмы. В планах развиваться в этих направлениях параллельно и растить по очереди оба показателя.

Александр Борисенко, научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН, ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ. Фото предоставлено отделом по связям с общественностью ФИАН

— Что такое хорошие кубиты?

А. Б.: Операции делятся на однокубитные и двухкубитные. Достоверность однокубитных и двухкубитных операций — это то, с какой вероятностью ты можешь выполнить единичную операцию и получить ожидаемый результат. Однокубитная операция производится на одной двухуровневой системе, а двухкубитная — на нескольких кубитах. Они позволяют запутывать состояния кубитов. Это свойство квантовой физики, когда состояния кубитов больше нельзя рассматривать по отдельности, только как единое целое. То, с какой вероятностью ты подготавливаешь это состояние, будет описывать качество этих кубитов. Обычно эта вероятность вычисляется в процентах, например, девяносто девять и какое-то количество девяток после запятой. Хочется иметь процент, приближенный к ста, чтобы ошибка была десять в минус четвёртой — десять в минус пятой степени. И если вот таких кубитов будет больше ста—двухсот, тогда уже алгоритмисты порадуются. Это первое свойство хороших кубитов.

И. З.: Второе свойство — это время когерентности. Кубиты гораздо более хрупкие, чем классические биты, поэтому нам нужно, чтобы система была изолирована от внешнего мира. При этом нам нужно всё-таки как-то с ней взаимодействовать, чтобы уметь ею управлять. Такой баланс очень сложно соблюсти, когда всё окружение пытается как-то воздействовать на систему, разрушить её, внести декогеренцию. Поэтому важная характеристика квантового компьютера — время когерентности, то есть как долго квантовое состояние сохраняется нетронутым.

— А как вообще выглядят кубиты? Это некие детали?

А. Б.: В нашем случае этими детальками являются ионы изотопа иттербия-171. Что это такое? От атома иттербия оторвали один электрон — получили ион, который захватывается в специальную радиочастотную ловушку. Когда захваченных ионов несколько, они выстраиваются в цепочку. Каждая светящаяся точка на экране — это одиночный ион, в нашем случае 25 ионов, а вокруг них вакуум, ничего нет. Мы стараемся сделать так, чтобы на них ничего не действовало, не вызывало декогеренцию.

Изображение захваченных в ловушку ионов иттербия, выведенное на экран.

— Получается?

И. З.: Мы начали работать над квантовым компьютером в 2020 году. Смогли довольно быстро включиться в квантовую гонку, посмотреть, что уже сделано в мире, и попытаться собрать наилучшие практики в этой области. Свои подходы тоже разрабатывали и некоторые интересные из них реализовали в нашей системе. Самая важная — кудиты. Что такое кудиты? У иона есть электрон, он может «летать» по разным орбитам. Когда он «летает» по одной орбите — это «нолик», а когда по другой — «единичка». Используя больше таких «орбит», мы в ионе кодируем двухуровневую систему, это и есть кудиты. Таким образом, каждая светящаяся точка, которую вы видите на экране, — это целых два кубита.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Гений чистой пустоты Гений чистой пустоты

Как Франческо Сбарро создал колесо без оси

Наука и жизнь
Как CJM помогает бизнесу нанимать сотрудников Как CJM помогает бизнесу нанимать сотрудников

Как CJM позволяет выявлять ключевые барьеры на пути соискателя к вакансии

Inc.
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле

Что вы знаете о золоте?

ТехИнсайдер
Чудесная Чудесная

В созвездии Кит расположилась одна из самых удивительных звёзд нашего неба, Мира

Наука и жизнь
Ныряющий «воробей» Ныряющий «воробей»

Почему необычную птаху, проводящую часть жизни под водой, назвали оляпкой?

Наука и жизнь
Спасти мир от самого себя Спасти мир от самого себя

Непростая история одного из создателей атомной бомбы

Наука
Домашний оазис Домашний оазис

Утонченный современный интерьер по мотивам ар-деко

SALON-Interior
Транспорт будущего Транспорт будущего

Вот уже шесть лет мы пишем про летающие автомобили и стоим рядом с прототипами

ТехИнсайдер
Магия вкуса Магия вкуса

Едем в Туркменистан за гастрономическими впечатлениями

Лиза
9 хаков для уборки, которые не работают 9 хаков для уборки, которые не работают

Несколько мифов о наведении чистоты, о которых давно пора забыть

VOICE
Третье дыхание Третье дыхание

Уникальная профессия на стыке агронауки и арт-театра – садовая археология

Afternoon Seasons of life
Ляйсан Утяшева: «Мой идеальный день должен начинаться с объятий мужа и завтрака с детьми» Ляйсан Утяшева: «Мой идеальный день должен начинаться с объятий мужа и завтрака с детьми»

Мы сами способны выбирать оттенки, которыми будем писать картину своей жизни

Караван историй
Рост цен без сюрпризов Рост цен без сюрпризов

Росстат опубликовал данные по инфляции по итогам 2024 г.: рост цен составил 9,5%

Ведомости
Любимые напитки кинозлодеев Любимые напитки кинозлодеев

Попытка погружения в тему алкогольных предпочтений злодеев вызвала у нас шок

Maxim
«Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча «Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча

Фильмы (и один сериал), которые нужно увидеть чтобы понять, кто такой Дэвид Линч

Forbes
Герман на холме Герман на холме

Поколениями немцы пытались представить, от кого Арминий мог освободить Германию

Дилетант
Облака над сушей уменьшили нисходящее длинноволновое излучение Облака над сушей уменьшили нисходящее длинноволновое излучение

Еще один природный механизм, противостоящий потеплению

N+1
Что такое «синдром ВДА» и с какими проблемами сталкиваются взрослые дети алкоголиков Что такое «синдром ВДА» и с какими проблемами сталкиваются взрослые дети алкоголиков

Какие психологические сложности приходятся решать людям с синдромом ВДА

Forbes
Розовый ягуар, бэтмобиль и еще 8 самых красивых машин 2024 года: настроение точно поднимется Розовый ягуар, бэтмобиль и еще 8 самых красивых машин 2024 года: настроение точно поднимется

Топ-10 самых интересных проектов в автомобильном дизайне за 2024 год

ТехИнсайдер
Страна для путешествий Страна для путешествий

Внутренний турпоток в России в 2024 г. достиг исторического максимума

Ведомости
Как перестроить компанию, которая не перестраивается Как перестроить компанию, которая не перестраивается

Почему перемены нужны предприятиям?

Inc.
Разум и чувства Разум и чувства

Может ли наука помочь сделать голову ясной, а сердце — стойким?

Afternoon Seasons of life
Как в соборе Святого Маврикия впервые сфотографировали скрытые фрески Средневековья Как в соборе Святого Маврикия впервые сфотографировали скрытые фрески Средневековья

Скрытые от глаз на протяжении столетий средневековые фрески собора в городе Анже

ТехИнсайдер
«Я все для него делаю, а он!»: 10 способов самообороны от манипуляций «Я все для него делаю, а он!»: 10 способов самообороны от манипуляций

Хотите инструкцию, какие принять меры против манипуляций?

Psychologies
Old but gold: как и почему растет рынок технологий для пожилых людей Old but gold: как и почему растет рынок технологий для пожилых людей

Продукты и услуги для старшего поколения — глобальный тренд

Forbes
Как завести отношения с помощью сайтов знакомств: 4 шага Как завести отношения с помощью сайтов знакомств: 4 шага

Найти отношения через сайты знакомств можно, но придется запастись терпением

Psychologies
Остановить мигрень Остановить мигрень

Приступы повторяются в самый неподходящий момент? Попробуем победить мигрень

Лиза
Как увидеть парад планет 21 января 2025 года? Интересные факты и простой ответ! Как увидеть парад планет 21 января 2025 года? Интересные факты и простой ответ!

Шесть планет встанут в ровный ряд на небе, — и вот как их можно увидеть!

ТехИнсайдер
«Порочная королева»: как мораль XVI века приводила женщин на казнь за измену мужу «Порочная королева»: как мораль XVI века приводила женщин на казнь за измену мужу

Отрывок из романа «Порочная королева» о жене Генриха XVIII, Кэтрин Говард

Forbes
Открыть в приложении