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

«Очень приличный император» «Очень приличный император»

Римский император Диоклетиан: тот, кто променял власть на капусту

Дилетант
Юра Борисов номинирован на «Оскар»: в чем секрет успеха фильма «Анора» Юра Борисов номинирован на «Оскар»: в чем секрет успеха фильма «Анора»

Почему голливудский фильм «Анора» стал сенсацией в мире кинематографа

Psychologies
Земля. Прятки под мантией Земля. Прятки под мантией

Ядро Земли перестало вращаться, электромагнитное поле нашей планеты разрушается

Наука и жизнь
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
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
Тип привязанности и секс: есть ли связь? Тип привязанности и секс: есть ли связь?

Отсутствие надежной привязанности напрямую влияют на отношения с сексом

Psychologies
Балтийский путь Балтийский путь

В этот день жители Латвии, Литвы и Эстонии выстроили живую цепь

Дилетант
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
Добродетельные матроны Добродетельные матроны

У Цезаря и Антония было немало женщин помимо Клеопатры

Дилетант
Звуковое сопровождение Звуковое сопровождение

«Голос моря», стоячие волны, поющие пески, шепчущие стены и эхо

Вокруг света
Алексей Олейников: Хочу расследовать «Смерть чиновника» Чехова Алексей Олейников: Хочу расследовать «Смерть чиновника» Чехова

Писатель Алексей Олейников — об историческом детективе и антропологии

СНОБ
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
Микровселенные богатых династий: как возник итальянский Ренессанс Микровселенные богатых династий: как возник итальянский Ренессанс

Отрывок из книги Антонио Паолуччи «Итальянское искусство. 1000 лет истории»

Forbes
Трудности перевода Трудности перевода

Уже несколько лет верфи мира исследуют пути избавления от карбонового следа

Y Magazine
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
Бытовая нумерология: почему мы одержимы числами и чем опасен подсчет шагов и лайков Бытовая нумерология: почему мы одержимы числами и чем опасен подсчет шагов и лайков

Чем опасен непрерывный мониторинг здоровья и продуктивности?

Forbes
Альфа-самцы павианов потратили много энергии на поддержание альфа-статуса Альфа-самцы павианов потратили много энергии на поддержание альфа-статуса

Как ранг доминирования влияет на здоровье и физиологию животного

N+1
Катя Кабак. Единственное, чего можно с уверенностью ждать от жизни, — это изменений Катя Кабак. Единственное, чего можно с уверенностью ждать от жизни, — это изменений

Я давно поняла, что нет никакого смысла пытаться что-то объяснить. Зачем?

Караван историй
Открытие памятника Сталину Открытие памятника Сталину

Идея поставить памятник советскому вождю в Праге возникла в 1949 году

Дилетант
Грибной сезон Грибной сезон

Адаптогены на страже красоты: изучаем баночки и ищем правильные ингредиенты

Лиза
Микроагрессия может приводить к смерти: как она проявляется и почему так опасна? Микроагрессия может приводить к смерти: как она проявляется и почему так опасна?

Как распознать акты микроагрессии?

Psychologies
Мутации определяют ход биологических часов организма Мутации определяют ход биологических часов организма

Биологический возраст организма определяется накоплением случайных мутаций

ТехИнсайдер
Как в СССР создавали самолет для Сталина – дедушку «Борта №1» Как в СССР создавали самолет для Сталина – дедушку «Борта №1»

Как безопасно доставить через пол-континента вождя народов, боящегося летать

ТехИнсайдер
«Порез»: как девушки-подростки живут с ментальными расстройствами «Порез»: как девушки-подростки живут с ментальными расстройствами

Отрывок из романа «Порез» о долгом пути к преодолению душевных травм

Forbes
Разрешить себе жить Разрешить себе жить

Почему середина жизни — время, когда можно все, особенно в любви

Afternoon Seasons of life
Что делать, если мужчина не держит слово в отношениях Что делать, если мужчина не держит слово в отношениях

Он обещал встретиться в выходные и «слился», сославшись на форс-мажор?

VOICE
Иду на быт! 11 лайфхаков Иду на быт! 11 лайфхаков

Масштабный «разбор завалов»: расскажем, как сэкономить силы, время и нервы

Лиза
Стратегия успеха Стратегия успеха

Эффективные способы побороть застенчивость и стать увереннее в себе

Лиза
Первый в мире пациент, которого удалось спасти с помощью инсулина: история Леонарда Томпсона Первый в мире пациент, которого удалось спасти с помощью инсулина: история Леонарда Томпсона

История подростка, ставшего первым пациентом в мире, получившим укол инсулина

ТехИнсайдер
Вызов самой себе Вызов самой себе

Леонела Мантурова — о выборе профессии и умении не сдаваться перед сложностями

OK!
Открыть в приложении