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

Был ли аншлюс ГДР? Был ли аншлюс ГДР?

Читаем новый единый учебник всеобщей истории для 11 класса

Дилетант
Как исчезнет человечество? Топ-5 интересных гипотез о закате нашей цивилизации Как исчезнет человечество? Топ-5 интересных гипотез о закате нашей цивилизации

Какой может стать угроза, которая уничтожит наш вид?

ТехИнсайдер
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
Татьяна Буланова: «Что касается любви — бросаюсь в омут с головой, и будь что будет!» Татьяна Буланова: «Что касается любви — бросаюсь в омут с головой, и будь что будет!»

Я привыкла рассчитывать на себя, мне так проще

Коллекция. Караван историй
Из грибов и с грибами Из грибов и с грибами

Заморозка, сушка, соление, маринование — всё о блюдах из грибов, дарах природы

Наука и жизнь
Новая жизнь биткоина Новая жизнь биткоина

Почему государства проявляют все больше интереса к криптовалютам?

Монокль
Грозит ли насекомым вымирание? Грозит ли насекомым вымирание?

С насекомыми в Европе не всё благополучно, и вот почему

Наука и жизнь
Необычный психологический тест: выберите один из квадратов и узнайте, что беспокоит вас в данный период жизни Необычный психологический тест: выберите один из квадратов и узнайте, что беспокоит вас в данный период жизни

Что же волнует именно вас в данный момент? Простой психологический тест

ТехИнсайдер
Липецк: за рулем и пешком Липецк: за рулем и пешком

Как в Липецкой области мастера восстанавливают связь между прошлым и настоящим

Вокруг света
Житница и здравница Кавказа Житница и здравница Кавказа

Обзор АПК Ставропольского края

Агроинвестор
Третье дыхание Третье дыхание

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

Afternoon Seasons of life
Эсэсовский «Ватикан» Эсэсовский «Ватикан»

Как битва в Тевтобургском лесу стала основой германского национального мифа

Дилетант
Студенты перестали мечтать о быстрых головокружительных карьерах Студенты перестали мечтать о быстрых головокружительных карьерах

У российских студентов скорректировались приоритеты при выборе места работы

Ведомости
Начни с себя Начни с себя

В чем разница между любовью к себе и эгоизмом?

Лиза
Постельные сцены Постельные сцены

14 фактов о сне, которые сделают твои ночи комфортнее

Лиза
Почему вино традиционно продается в бутылках объемом 750 мл, а не ровно литр? Почему вино традиционно продается в бутылках объемом 750 мл, а не ровно литр?

Почему винные бутылки объемом 0.75 литра стали мировым стандартом?

ТехИнсайдер
Защита двойного назначения Защита двойного назначения

Щит для стабилизации космических аппаратов

Санкт-Петербургский университет
Вредные советы Вредные советы

Какие ошибки способны превратить романтический вечер в кошмар?

Лиза
Руфь Гринько «Комната утешения». Сказка как терапия Руфь Гринько «Комната утешения». Сказка как терапия

Отрывок из повести-сказки, которая поможет пережить страшные времена

СНОБ
Почему средиземноморская диета так полезна для нас Почему средиземноморская диета так полезна для нас

Как простые изменения в вашем рационе могут стать путем к улучшению здоровья

ТехИнсайдер
Вечный рыцарь Вечный рыцарь

Тюрьма, безумцы и Христос: краткая история «Дон Кихота»

Weekend
Что получится, если скрестить автомобиль с коптером: концепт первой отечественной летающей машины Что получится, если скрестить автомобиль с коптером: концепт первой отечественной летающей машины

Футуристические идеи о летающем транспорте могут обрести материальную форму

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

Пять правил воспитания, которым обычно следуют родители-нарциссы

Psychologies
Новая жизнь Новая жизнь

Как прийти в себя после праздников за несколько дней

Лиза
Книжная полка: 7 книг аргентинских авторов, которые стоит прочитать Книжная полка: 7 книг аргентинских авторов, которые стоит прочитать

Как современные аргентинские авторы продолжают дело Борхеса и Кортасара

Правила жизни
Секрет паштета Секрет паштета

Паштет: критерии свежести и качества популярной закуски

Лиза
Вундеркинд, советский Гамлет, вестник апокалипсиса: каким был поэт Денис Новиков Вундеркинд, советский Гамлет, вестник апокалипсиса: каким был поэт Денис Новиков

Беседа с Борисом Кутенковым о судьбе поэта Дениса Новикова

СНОБ
Гингивит: десна болит Гингивит: десна болит

Что делать, если десны воспалились?

Лиза
Решиться стать родителями Решиться стать родителями

Радмила Хакова о том, как она пять лет готовилась к рождению дочери

Afternoon Seasons of life
Под прикрытием Под прикрытием

Как не стать невольным помощником преступников

Лиза
Открыть в приложении