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

Свержение Аполлона Свержение Аполлона

Как возник «лунный заговор» — главная теория фальсификации XX века

Вокруг света
Фридрих Шиллер Фридрих Шиллер

Почему Шиллера боялись трогать — не только же из-за трудностей перевода?

Дилетант
Мои инопланетяне! Мои инопланетяне!

Если они прилетели, природа сделала уверенный поворот к приходу весны

Наука и жизнь
Обманчивая красота чисел: почему не стоит так доверять цифрам при принятии решений Обманчивая красота чисел: почему не стоит так доверять цифрам при принятии решений

Как не попасть в ловушку чисел в мире, который состоит из них

Forbes
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
Простые вещи, которые делают нас человечнее Простые вещи, которые делают нас человечнее

Психолог Катерина Мурашова — про отсутствие эмпатии у современных детей

СНОБ
Два капитана: пенис и мозг — кто кем управляет? Два капитана: пенис и мозг — кто кем управляет?

Наличие пениса и мозга составляют правильный тандем всей мужской жизни

Maxim
Ксерокс, термос и аспирин: 10 названий брендов, которые стали именами нарицательными Ксерокс, термос и аспирин: 10 названий брендов, которые стали именами нарицательными

Эскалатор, пинг-понг, фрисби — слова, которые раньше были названиями брендов

ТехИнсайдер
Это наследственное Это наследственное

Разборки с братьями, сыновьями и даже внуками среди Рюриковичей

Дилетант
Диета «6 лепестков»: меню на каждый день, отзыв врача Диета «6 лепестков»: меню на каждый день, отзыв врача

Можно ли привести себя в форму всего за шесть дней?

РБК
Китайские кинематографисты: Российский кинорынок для нас очень важен Китайские кинематографисты: Российский кинорынок для нас очень важен

Джинг Ху и Диан Сонг — о том, почему Голливуд теряет свои позиции в Поднебесной?

Ведомости
Питаемся по циклу Питаемся по циклу

Составляя меню, можно ориентироваться на гормональный цикл

Лиза
Совы не то, чем кажутся: почему современное кино нельзя представить без Дэвида Линча Совы не то, чем кажутся: почему современное кино нельзя представить без Дэвида Линча

Как Линч стал одним из величайших режиссеров XX и XXI века

Forbes
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
По цене дубовой рощи и годового оброка: сколько стоили балы в Российской империи По цене дубовой рощи и годового оброка: сколько стоили балы в Российской империи

Как организовывали императорские и городские балы в XIX и XX веках?

Forbes
Трезвые разговоры в баре: Манойло и Канделаки Трезвые разговоры в баре: Манойло и Канделаки

Каково сниматься в адаптации турецкого сериала и как не разочаровать маму

СНОБ
После праздника После праздника

Как избавиться от последствий праздника?

Лиза
Под покровительством Ньёрда Под покровительством Ньёрда

Какой Njörd 30 Cabin во время теста? Об этом бренде пока знают немногие

Y Magazine
К гадалке не ходи: за последние четыре года продажи карт таро выросли в семь раз К гадалке не ходи: за последние четыре года продажи карт таро выросли в семь раз

Как и почему растет «гадательный» сегмент в тиражах издательств?

Forbes
Йога для двоих Йога для двоих

Йога для двоих – идеальный способ провести время вместе

Лиза
Трамп затеял perestroika Трамп затеял perestroika

Получится ли у Дональда Трампа перекроить правила мироустройства?

Монокль
Оклады все ближе к МКАДУ Оклады все ближе к МКАДУ

В России начала сокращаться разница в доходах москвичей и живущих в регионах

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

Высокий интеллект: что скрывается за этим термином?

Inc.
Вредные советы счастливой семье Вредные советы счастливой семье

Как прожить в браке пятьдесят лет и не пожалеть о нем?

Afternoon Seasons of life
Игорь Кузьмичев Игорь Кузьмичев

Экскурсия по локациям андеграундного Ленинграда от историка Игоря Кузьмичева

Собака.ru
Вредные советы Вредные советы

Какие ошибки способны превратить романтический вечер в кошмар?

Лиза
Между войной и Великой депрессией Между войной и Великой депрессией

Мир после Первой мировой войны продолжал меняться с непривычной людям скоростью

Вокруг света
Акцент на разумную бережливость Акцент на разумную бережливость

Торговые сети приспосабливаются к изменению потребительского поведения

Агроинвестор
Новая жизнь биткоина Новая жизнь биткоина

Почему государства проявляют все больше интереса к криптовалютам?

Монокль
Под прикрытием Под прикрытием

Как не стать невольным помощником преступников

Лиза
Открыть в приложении