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
«Я в шаге от того, чтобы послать ее куда подальше»: история влюбленности, которая рушит дружбу подруг «Я в шаге от того, чтобы послать ее куда подальше»: история влюбленности, которая рушит дружбу подруг

Почему выдуманные романы могут сказаться не только на дружеских отношениях?

Psychologies
Город фестивалей Город фестивалей

1000 лет Суздалю – в чем сомневаются историки?

Вокруг света
Больше никакого мутного налета и жира: как отмыть стеклянные крышки кастрюль и сковород Больше никакого мутного налета и жира: как отмыть стеклянные крышки кастрюль и сковород

Как вернуть былую чистоту и блеск стеклянным крышкам?

ТехИнсайдер
Летящие над водой Летящие над водой

Всемирный конкурс лучших решений в области судов на подводных крыльях

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

Пять правил воспитания, которым обычно следуют родители-нарциссы

Psychologies
Лещина и фундук Лещина и фундук

Лещина, или орешник — род кустарников, подаривший нам фундук

Наука и жизнь
Кушать подано! Кушать подано!

Чем кормить птиц и белок зимой

Лиза
Искусство компромисса Искусство компромисса

Карл V: монарх, который искал компромиссов, а в итоге разочаровался во всём

Дилетант
Как проверить, что ИИ достиг уровня интеллекта человека Как проверить, что ИИ достиг уровня интеллекта человека

Как понять, на каком уровне развития находится искусственный интеллект?

ТехИнсайдер
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
Как ускорить копушу Как ускорить копушу

Как ускорить вашего копушу, не доводя до нервоза?

Лиза
ESA опубликовало 3 лучших изображения Меркурия, полученных спутником BepiColombo ESA опубликовало 3 лучших изображения Меркурия, полученных спутником BepiColombo

ESA/JAXA BepiColombo в шестой раз пролетел мимо Меркурия

ТехИнсайдер
В гроте Мандрен обнаружили 48 обломков костей архаичных людей В гроте Мандрен обнаружили 48 обломков костей архаичных людей

Ученые проанализировали больше тысячи фрагментов костей из грота Мандрен

N+1
Система Юпитера: Бешеная луна Система Юпитера: Бешеная луна

Гигантизм позволил Юпитеру сохранить свою систему регулярных лун в целости

Наука и техника
Вам письмо Вам письмо

История случайной встречи прабабушки Наталии Караваевой с женой Достоевского

Afternoon Seasons of life
Пока не стало слишком поздно: 60 важных вопросов, которые нужно задать родителям Пока не стало слишком поздно: 60 важных вопросов, которые нужно задать родителям

60 вопросов, которые пока еще не поздно задать своим родителям

Psychologies
Страна для путешествий Страна для путешествий

Внутренний турпоток в России в 2024 г. достиг исторического максимума

Ведомости
Исследование: какие напитки заставляют вас ходить в туалет чаще Исследование: какие напитки заставляют вас ходить в туалет чаще

Рейтинг из девяти напитков, которые заставят вас бежать в туалет

ТехИнсайдер
Фрэнсис Форд Коппола: «Я хотел сделать фильм, про который никто не мог бы сказать: “Нет, так нельзя!”» Фрэнсис Форд Коппола: «Я хотел сделать фильм, про который никто не мог бы сказать: “Нет, так нельзя!”»

Что для Фрэнсиса Форда Копполы значит его фильм «Мегалополис»

Правила жизни
10 черт, в которые влюбляются мужчины 10 черт, в которые влюбляются мужчины

Как происходит влюбленность у мужчин?

Psychologies
Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов

Детский снегоход: чем он отличается от обычного и как выбрать правильную модель

ТехИнсайдер
«Я все для него делаю, а он!»: 10 способов самообороны от манипуляций «Я все для него делаю, а он!»: 10 способов самообороны от манипуляций

Хотите инструкцию, какие принять меры против манипуляций?

Psychologies
Какую разницу в возрасте с партнером предпочитают мужчины и женщины: ответ психологов Какую разницу в возрасте с партнером предпочитают мужчины и женщины: ответ психологов

Правда ли: чем мы старше, тем больше стремимся заводить романы с молодежью?

Psychologies
Третье дыхание Третье дыхание

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

Afternoon Seasons of life
Как CJM помогает бизнесу нанимать сотрудников Как CJM помогает бизнесу нанимать сотрудников

Как CJM позволяет выявлять ключевые барьеры на пути соискателя к вакансии

Inc.
Испытание машин Испытание машин

Долговая нагрузка предприятий выросла из-за высокой ключевой ставки

Ведомости
Почему собаки тоже страдают от январской хандры Почему собаки тоже страдают от январской хандры

Собаки тоже могут чувствовать себя подавленными, ощущая январскую хандру

ТехИнсайдер
Эти популярные лекарства из вашей аптечки опасны уже в конце срока годности! Эти популярные лекарства из вашей аптечки опасны уже в конце срока годности!

Какие лекарства особенно опасны после истечения их срока годности?

ТехИнсайдер
Что будет с журналистикой в эпоху искусственного интеллекта? Узнайте мнение эксперта! Что будет с журналистикой в эпоху искусственного интеллекта? Узнайте мнение эксперта!

С какими рисками и возможностями столкнется журналистика с развитием ИИ?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении