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

БИНТИ БИНТИ

Какие микробы больше всего интересуют исследователей и кому лучше спится?

Наука и жизнь
10 черт, в которые влюбляются мужчины 10 черт, в которые влюбляются мужчины

Как происходит влюбленность у мужчин?

Psychologies
Солнце в спирали Солнце в спирали

Стеллараторы — новые фавориты в гонке за будущую термоядерную энергетику

ТехИнсайдер
6 способов понять, что у вас высокий уровень кортизола 6 способов понять, что у вас высокий уровень кортизола

Неужели высокий уровень гормона стресса — распространенная проблема?

ТехИнсайдер
Чуковский. Версия для взрослых Чуковский. Версия для взрослых

О самом тиражируемом и самом недооцененном русском литераторе

СНОБ
Сериалы про космос от хороших до самых лучших Сериалы про космос от хороших до самых лучших

Расставляем самые интересные космические оперы в порядке нарастания класса

Maxim
Что делать бизнесу с фейками в сети Что делать бизнесу с фейками в сети

Со всеми фейковыми публикациями можно бороться по одной схеме

Inc.
Как взаимная поддержка помогает сохранить отношения. Отрывок из книги психотерапевта Как взаимная поддержка помогает сохранить отношения. Отрывок из книги психотерапевта

Как сострадание к партнеру и самому себе помогает качественно улучшить отношения

СНОБ
Он же памятник! Он же памятник!

Как петербургские девелоперы проводят ревитализацию промышленных территорий

Собака.ru
Тип привязанности и секс: есть ли связь? Тип привязанности и секс: есть ли связь?

Отсутствие надежной привязанности напрямую влияют на отношения с сексом

Psychologies
«История России языком дворянских гербов» «История России языком дворянских гербов»

Какое изображение можно считать гербом?

N+1
Тактильное искусство Тактильное искусство

Где искать интересную мебель и каким материалам отдать предпочтение в интерьере?

СНОБ
Домашний оазис Домашний оазис

Утонченный современный интерьер по мотивам ар-деко

SALON-Interior
Как мотивировать зумеров к обучению и развитию: советы психолога Как мотивировать зумеров к обучению и развитию: советы психолога

Как найти общий язык с зумерами, детьми и молодыми коллегами?

Psychologies
5 правил воспитания, которым следует родитель-нарцисс 5 правил воспитания, которым следует родитель-нарцисс

Пять правил воспитания, которым обычно следуют родители-нарциссы

Psychologies
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
«Они дают сильную эмоцию, вызов и некий элемент соревнования»: почему мужчины любят стерв «Они дают сильную эмоцию, вызов и некий элемент соревнования»: почему мужчины любят стерв

Можно ли построить крепкие отношения со стервой?

Psychologies
Йога для двоих Йога для двоих

Йога для двоих – идеальный способ провести время вместе

Лиза
Почему витамины обозначаются буквами, а группа В еще и цифрами? Почему витамины обозначаются буквами, а группа В еще и цифрами?

Когда и как были открыты витамины и почему получили именно такие названия?

ТехИнсайдер
«Всё необходимое для карри» «Всё необходимое для карри»

Как в Британии появились блюда с приправой карри

Наука и жизнь
Норма жизни: зачем министерству спорта 70 процентов занимающихся физкультурой Норма жизни: зачем министерству спорта 70 процентов занимающихся физкультурой

Что не так с методикой подсчетов спортивных граждан?

Forbes
«Сигма-сигма бой»: о чем эта песня и почему она стала хитом во всем мире? «Сигма-сигма бой»: о чем эта песня и почему она стала хитом во всем мире?

«Сигма-сигма бой» стала хитом на мировых стримингах. В чем секрет успеха песни

Psychologies
«Родился без кожи на ножках»: мотивирующая история о том, как мать особенного ребенка научилась жить полной жизнью «Родился без кожи на ножках»: мотивирующая история о том, как мать особенного ребенка научилась жить полной жизнью

Последние 10 лет жизнь Виктории Ключниковой была наполнена тяжелыми вызовами

Psychologies
Без единого шурупа Без единого шурупа

Механики СПбГУ на первой космической стройке

Санкт-Петербургский университет
Вернись, денежка! Вернись, денежка!

Как жертве мошенников добиться возврата украденного

Лиза
Что такое тест СМИЛ (MMPI) и для чего он нужен Что такое тест СМИЛ (MMPI) и для чего он нужен

Что такое тест СМИЛ и как его проходить правильно

РБК
Как CJM помогает бизнесу нанимать сотрудников Как CJM помогает бизнесу нанимать сотрудников

Как CJM позволяет выявлять ключевые барьеры на пути соискателя к вакансии

Inc.
Светлый ум Светлый ум

Первый в истории итальянской верфи Rossinavi катамаран

Y Magazine
Аналоги YouTube в России в 2025 году: 5 альтернативных сервисов Аналоги YouTube в России в 2025 году: 5 альтернативных сервисов

Какие аналоги видеохостинга могут стать конкурентами YouTube

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

Почему перемены нужны предприятиям?

Inc.
Открыть в приложении