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
Чисто-начисто Чисто-начисто

7 неожиданных вещей которые можно мыть в посудомойке

Лиза
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
Выдох красоты: памяти Дэвида Линча Выдох красоты: памяти Дэвида Линча

О Дэвиде Линче, его темных очках и светлом будущем

РБК
Шлумбергеры в доме: долгая и интересная жизнь Шлумбергеры в доме: долгая и интересная жизнь

Шлумбергеры встречаются там во влажных горных лесах на высоте до 2800 м

Наука и жизнь
5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией 5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией

Замаскированная жесткость, которая причиняет мужчинам боль

Psychologies
Зонд Неймана Зонд Неймана

Серая слизь: сценарий апокалипсиса

Вокруг света
Чемпионы не в цене: почему инвестиционный фонд спонсирует малоизвестных теннисистов Чемпионы не в цене: почему инвестиционный фонд спонсирует малоизвестных теннисистов

Из присутствия на телетрансляциях можно выжать максимум по минимальной цене

Forbes
Казус Донского Казус Донского

Как завещание Дмитрия Донского привело к междусобице на Руси

Дилетант
Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога

Почему люди могут внезапно пропадать из круга нашего общения?

Psychologies
Поле битвы — спорт: почему в США сорвался запуск уникального стримингового сервиса Поле битвы — спорт: почему в США сорвался запуск уникального стримингового сервиса

Нюансы скандального дела Venu Sports и монополии медиаимперий

Forbes
Иллюминаты или провокаторы? 10 загадок необычного брака Бейонсе и Джея Зи Иллюминаты или провокаторы? 10 загадок необычного брака Бейонсе и Джея Зи

О браке Бейонсе и Джей Зи ходило множество разных мистических слухов...

VOICE
Под покровительством Ньёрда Под покровительством Ньёрда

Какой Njörd 30 Cabin во время теста? Об этом бренде пока знают немногие

Y Magazine
Исследование: зумеры не любят готовить, потому что это вызывает у них тревогу Исследование: зумеры не любят готовить, потому что это вызывает у них тревогу

Почему кулинарные навыки представителей Gen Z уступают старшим поколениям

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
Sarissa морская Sarissa морская

Я не припомню, чтобы на одну лодку обрушился такой ливень из десяти наград

Y Magazine
«Сделано в России»: 5 иностранных фильмов, снятых в нашей стране «Сделано в России»: 5 иностранных фильмов, снятых в нашей стране

Иностранные триллеры, ужасы и мелодрамы, снятые в России

ТехИнсайдер
Контролируя неравновесность Контролируя неравновесность

Программа для анализа CO₂ поможет в космосе и на Земле

Санкт-Петербургский университет
Какой он будет, постапокалипсис? Пять художников с позитивным прогнозом на «непрекрасное далеко» Какой он будет, постапокалипсис? Пять художников с позитивным прогнозом на «непрекрасное далеко»

О пяти авторах, которые попытались предопределить будущее

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 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
«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
Начни с себя Начни с себя

В чем разница между любовью к себе и эгоизмом?

Лиза
Тактильное искусство Тактильное искусство

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

СНОБ
Зеленые, черные, бесцветные: от чего зависит цвет винных бутылок? Зеленые, черные, бесцветные: от чего зависит цвет винных бутылок?

Почему вино хранится в бутылках разного цвета?

ТехИнсайдер
Между войной и Великой депрессией Между войной и Великой депрессией

Мир после Первой мировой войны продолжал меняться с непривычной людям скоростью

Вокруг света
Миллионы за штопку дырок Миллионы за штопку дырок

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

Ведомости
Спать надо всем Спать надо всем

Почему важно изучать сон водных млекопитающих?

Наука и жизнь
Эволюция, создавая жабры рыб, по той же программе создала уши человека Эволюция, создавая жабры рыб, по той же программе создала уши человека

Формирование ушей у млекопитающих следует той же программе, что и у жабр рыб

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
Открыть в приложении