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

Гений чистой пустоты Гений чистой пустоты

Как Франческо Сбарро создал колесо без оси

Наука и жизнь
Трое в лодке: на ком лежит ответственность за кибербезопасность Трое в лодке: на ком лежит ответственность за кибербезопасность

Кто виноват в том, что хакерам удалось провести успешную кибератаку?

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
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
Рыцарь правосудия (к 180-летию со дня рождения А. Ф. Кони) Рыцарь правосудия (к 180-летию со дня рождения А. Ф. Кони)

Всю свою сознательную жизнь Анатолий Кони посвятил защите

Дилетант
Как Наталья Кремнева потеряла слух и зрение и создала журнал для слепоглухих людей Как Наталья Кремнева потеряла слух и зрение и создала журнал для слепоглухих людей

Как Наталья Кремнева, несмотря на инвалидность, запустила свое медиа

Forbes
Кто такие зомби Кто такие зомби

Эволюция от послушных рабов к агрессивной нежити

Вокруг света
Как снять защиту записи флешки: избавляемся от ошибки «диск защищен» Как снять защиту записи флешки: избавляемся от ошибки «диск защищен»

Как снять защиту записи с флешки usb, если диск защищен?

CHIP
Летящие над водой Летящие над водой

Одна из самых интересных технологий, переживающая настоящий ренессанс – фойлы

ТехИнсайдер
7 фильмов про близнецов, которые стоит увидеть хотя бы единожды 7 фильмов про близнецов, которые стоит увидеть хотя бы единожды

Фильмы, которые показывают невероятную химию между близнецами

Maxim
Миллионы за штопку дырок Миллионы за штопку дырок

За год белые хакеры обнаружили более 6000 уязвимостей в российских IТ-системах

Ведомости
Актеры на стиле Актеры на стиле

Восемь советских артистов, которые вдохновляли своими оригинальными образами

Лиза
Как экономить на лекарствах Как экономить на лекарствах

Разбираемся, как не тратить много денег в аптеке, но покупать все необходимое

Лиза
Закупились отечественным Закупились отечественным

Госзакупки российских автомобилей выросли на 9% в 2024 г.

Ведомости
Обеденная зона Обеденная зона

Пять ошибок, из-за которых тебе некомфортно за столом

Лиза
Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет

В Гебель-Эльба, Египет, впервые за 5000 лет встретили пятнистую гиену

N+1
Редевелопмент и жизнь Редевелопмент и жизнь

Где ставить запятую во фразе «консервировать нельзя реконструировать»?

Собака.ru
Начни с себя Начни с себя

В чем разница между любовью к себе и эгоизмом?

Лиза
Маменькин престол Маменькин престол

Существовала ли в действительности папесса Иоанна?

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
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 зарабатывать больше: 5 лайфхаков и 3 задания Как зарабатывать больше: 5 лайфхаков и 3 задания

Непросто найти человека, которого не волнует вопрос «Где взять больше денег?»

Psychologies
«Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча «Твин Пикс», «Синий бархат», «Малхолланд-драйв»: главные фильмы и сериал Дэвида Линча

Фильмы (и один сериал), которые нужно увидеть чтобы понять, кто такой Дэвид Линч

Forbes
Бородатый анекдот Бородатый анекдот

«Почему, чёрт возьми, развалился Советский Союз?»

Дилетант
Архипанки Архипанки

Представители архитектурной молодежной сцены, устраивающие реновацию смыслов

Собака.ru
Двухминутная процедура по уходу за ногтями, которую надо делать каждый день: советы дерматолога Двухминутная процедура по уходу за ногтями, которую надо делать каждый день: советы дерматолога

Регулярный уход за ногтями — ключ к их быстрому росту и красоте. Как это делать?

VOICE
В ушах и носу млекопитающих нашли новую скелетную ткань — липохрящ В ушах и носу млекопитающих нашли новую скелетную ткань — липохрящ

Группа ученых из десяти стран открыла липохрящ — новую скелетную ткань

N+1
Разгруженные железные дороги Разгруженные железные дороги

С 2022 г. в России начался процесс активного перестроения логистических цепочек

Ведомости
Иван Краско Иван Краско

Когда началась война, патриарху сцены Ивану Краско было 11...

Собака.ru
Оклады все ближе к МКАДУ Оклады все ближе к МКАДУ

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

Ведомости
Открыть в приложении