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

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
Сети финансовой поддержки: как люди выручают друг друга в условиях кризиса Сети финансовой поддержки: как люди выручают друг друга в условиях кризиса

Как работает неформальная экономика во времена нестабильности

Forbes
Млечный путь Млечный путь

Свиньи и дельфины — близкие родственники, а лошадь роднее собаке, чем корове

Вокруг света
Положительная мотивация: 4 совета, как войти в состояние потока и добиться поставленных целей Положительная мотивация: 4 совета, как войти в состояние потока и добиться поставленных целей

Как работает положительная мотивация и почему она нужна каждому из нас?

Psychologies
Камотли, он же батат Камотли, он же батат

Батат, сладкий картофель, — многолетняя травянистая лиана из семейства вьюнковых

Наука и жизнь
«Отец врет, берет кредиты и тратит на себя, а мать „сохраняет семью“ и жертвует собой»: треугольник Карпмана в жизни «Отец врет, берет кредиты и тратит на себя, а мать „сохраняет семью“ и жертвует собой»: треугольник Карпмана в жизни

На чем держится семья, если в ней проявляется чистый треугольник Карпмана?

Psychologies
«За антисоветскую агитацию и пропаганду» «За антисоветскую агитацию и пропаганду»

В 1987 году численность политических заключённых в СССР выглядела минимальной

Дилетант
Секрет безупречного внешнего вида: 3 устройства, которые избавят вещи от складок Секрет безупречного внешнего вида: 3 устройства, которые избавят вещи от складок

Есть три прибора, которые позволяют убрать складки на одежде без усилий

CHIP
Энергия на длинную дистанцию Энергия на длинную дистанцию

Сможет ли управляемый термоядерный синтез заменить углеводородное топливо

Наука и жизнь
Внутренняя коллекция Внутренняя коллекция

Химик и парфюмерный критик Матвей Юдов — о своих любимых ароматах

Afternoon Seasons of life
Обзор Suzuki SX4: плюсы и минусы, комплектации, вторичка Обзор Suzuki SX4: плюсы и минусы, комплектации, вторичка

Все о Suzuki SX4: поколения, есть ли полный привод, сколько стоит

РБК
7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег 7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег

Что действительно нужно для получения результата и своевременного омоложения

VOICE
Как итальянский Ренессанс повлиял на русскую и западную культуры Как итальянский Ренессанс повлиял на русскую и западную культуры

Насколько сильным оказалось влияние итальянского Возрождения на русскую культуру

Inc.
Как перестроить компанию, которая не перестраивается Как перестроить компанию, которая не перестраивается

Почему перемены нужны предприятиям?

Inc.
Жизнь альфа-самцов бабуинов трудна и коротка Жизнь альфа-самцов бабуинов трудна и коротка

Альфа-самцы бабуинов находятся в постоянном стрессе

ТехИнсайдер
Полный литий Полный литий

Есть ли способы продлить жизнь литиевому аккумулятору в мобильном телефоне?

Наука и жизнь
Обеденная зона Обеденная зона

Пять ошибок, из-за которых тебе некомфортно за столом

Лиза
Питаемся по циклу Питаемся по циклу

Составляя меню, можно ориентироваться на гормональный цикл

Лиза
Аx, белый теплоход… Аx, белый теплоход…

Astondoa Ax8 — моторная яхта-кроссовер из стеклопластика

Y Magazine
Когда растает лед: принесет ли глобальное потепление войну в Арктике Когда растает лед: принесет ли глобальное потепление войну в Арктике

Арктика может стать предметом не только споров, но и открытого столкновения

Forbes
От местечковой драмы до дела Бейлиса. Еврейское кино в царской России От местечковой драмы до дела Бейлиса. Еврейское кино в царской России

Еврейская культура оставалась заметной частью повседневной жизни миллионов людей

Дилетант
«Со мной может случиться только плохое»: 4 признака, что вы попали в ловушку вечного пессимизма «Со мной может случиться только плохое»: 4 признака, что вы попали в ловушку вечного пессимизма

Что такое эффект синей точки и почему он высасывает радость из нашей жизни?

Psychologies
Как обработать фото, будто вы сделали его на пленку? Сохраните этот простой метод! Как обработать фото, будто вы сделали его на пленку? Сохраните этот простой метод!

Как сделать цифровые снимки похожими на пленку: инструкция

ТехИнсайдер
«Все впереди»: о чем мечтают молодые взрослые — пациенты «Дома с маяком» «Все впереди»: о чем мечтают молодые взрослые — пациенты «Дома с маяком»

Как живут те, кому воплощать свои мечты в жизнь сложнее, чем большинству

РБК
Собраться с духами: чем японские и китайские сказки отличаются от европейских? Собраться с духами: чем японские и китайские сказки отличаются от европейских?

Что собой представляет фольклор Азии и как он отражается в современной культуре?

Правила жизни
Большие деньги под большой процент Большие деньги под большой процент

Россияне в 2024 г. открывали новые вклады и хранили на них все больше средств

Ведомости
Как снять защиту записи флешки: избавляемся от ошибки «диск защищен» Как снять защиту записи флешки: избавляемся от ошибки «диск защищен»

Как снять защиту записи с флешки usb, если диск защищен?

CHIP
Зрелые отношения: почему люди пенсионного возраста в России стали чаще жениться Зрелые отношения: почему люди пенсионного возраста в России стали чаще жениться

Какие факторы влияют на то, что в России пенсионеры предпочитают вступать в брак

Forbes
Желание женщины — закон: каким сегодня показывают секс в кино Желание женщины — закон: каким сегодня показывают секс в кино

Как «Плохая девочка» исследует тему эмоциональной близости через призму секса

СНОБ
Как понять, что у человека высокий интеллект Как понять, что у человека высокий интеллект

Высокий интеллект: что скрывается за этим термином?

Inc.
Открыть в приложении