previous up next index search
Previous: 4.7.13 Искусственный интеллект    UP: 4.7 Прикладные сети Интернет
    Next: 4.7.15 Устройства памяти

4.7.14 Квантовые компьютеры

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Впервые о возможности создания квантового компьютера высказался в 1959 году физик Ричард Фейнман. В начале 1980-х начала формироваться концепция квантового компьютера.

Квантовый компьютер представляет собой устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и перепутывания для передачи и обработки данных.

В первом полугодии 2011 года появились сообщения о коммерческой версии 128-кубитового квантового компьютера стоимостью около 10 млн. долларов США (D-Wave). Такой компьютер размещается в криостате при температуре порядка 10 милли Кельвинов. Компьютер занимает площадь 10 кв. метров. Он умеет распознавать фотографии известных достопримечательностей. Позднее появилась версия D-Wave Two (512 кубит). Теоретически эквивалентная производительность квантовых компьютеров может достигать квадрильона операций в секунду. Экзотическим материалом в квантовом чипе D-Wave является ниобий, который при достаточно низкой температуры становится сверхпроводником. Ниобий расположен в виде колец, через которые ток может протекать по часовой стрелке, против неё или смешанно, в обоих направлениях - соответствуя, по словам Роуза (Джорджи Роуз (Geordie Rose) - основателя и технического директора компании D-Wave), "0", "1" или в суперпозиции двух значений в квантовом бите информации (кубите), на которых базируются квантовые вычисления. Чип представляет собой последовательность металлических дорожек на кремниевой подложке; подложка здесь та же самая, которая используется для любого полупроводникового процесса, но сверху расположены слои металла, разделённые изолятором. Перед нами полностью металлическое магнитное устройство, где вся информация хранится в виде направлений течения тока по металлическим петлям и переходам. Смотри D-Wave Orion: первый квантовый компьютер. Новейшие версии квантового компьютера могут работать при температуре 500 милликельвин (квантовый отжиг происходит при температуре 20 милликельвин). Идет разработка компьютера на 1000 кубит. Сегодняшняя технология позволяет создать машину на 8000 кубит. Машину на 500 кубит в 2014 году надеется создать компания Google.

Хотя версия D-Wave Systems квантового компьютера и не считается хорошей (она не является истинным квантовым компьютером), но данный вариант развивается и демонстрирует улучшающиеся характеристики (см. "D-Wave quantum computers: Cheat sheet", Nick Heath, July 3, 2018). Компьютеры D-Wave работают при температуре жидкого гелия, сегодня они стоят 15млн. $, и приобретены Lockheed Martin, правительством США, Google и NASA. Исследования компании Google показали, что приобретенная ею машина в 100 миллионов раз быстрее традиционного копьютера. D-Wave компьютеры используются в исследованиях искусственного интеллекта.

Основатель компании D-Wave Джорджи Роуз в 2013 году заявил, что через 15 лет появятся компьютеры, которые превзойдут людей по интеллекту. Но истинно квантовые компьютеры, как утверждает Дэвид ди Винченцо, появятся только около 2035 года.

Рис. 1. Квантовый процессор D-wave

Рис. 2. Квантовый компьютер компании D-wave

Следует иметь в виду, что компьютеры типа D-wave, вообще говоря, не являются квантовыми, так как не используют перепутанных состояний.

Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых |0> и |1> (обозначения Дирака), но при этом может находиться и в их суперпозиции, то есть в состоянии A|0> + B|1>, где A и B — комплексные числа, удовлетворяющие условию |A|2 + |B|2 = 1 [1]. Наглядно это может быть представлено с помощью сферы Блоха.

Рис. 3. Сфера Блоха

При любом измерении состояния кубита он случайно переходит в одно из своих собственных состояний. Вероятности перехода в эти состояния равны соответственно |A|2 и |B|2, то есть косвенно, по наблюдениям за множеством кубитов, мы всё-таки можем судить об исходном состоянии системы.

Кубиты могут быть связаны друг с другом, то есть на них может быть наложена ненаблюдаемая связь, выражающаяся в том, что при всяком изменении над одним из нескольких кубитов остальные меняются согласованно с ним. Иными словами, совокупность запутанных между собой кубитов может интерпретироваться как заполненный квантовый регистр. [1].

Если рассмотреть в качестве примера возможность расчета свойств атома меди (29Cu) , то для этого нужно решить уравнение Шредингера. Волновая функция зависит от 88 независимых переменных. Но даже взяв грубую сетку с 10 узлами по каждой переменной, нужно провести моделирование для 1088 узлов, что недоступно никакому компьютеру ни сегодня, ни в сколь угодно отдаленном будущем. Это в 100 миллионов раз больше числа элементарных частиц во вселенной (1080). Пример взят из доклада Владимира Петровича Гердта (ОИЯИ). А на квантовом копьютере такой расчет может быть выполнен за полиномиальное время.

Рис. 4. Области эффективности компьютеров разного типа

Центральный овал соответствует проблемам, которые можно решать с помощью традиционных компьютеров. Смотри также: https://developer.ibm.com/open/events/dw-open-tech-talk-qiskit-and-quantum-computing/.

Для построения квантового компьютера появляются новые возможности (см. "Diamonds may be quantum computing's new best friend", Katherine Noyes, IDG News Service, April 8, 2016). Исследователи в MIT (Paola Cappellaro etc.) предполагают использовать азотные вакансии в кристаллах алмаза. При помещении кристалла алмаза в сильное магнитное поле спины электронов в центрах вакансий могут быть ориентированы вверх, вниз или характеризоваться квантовой суперпозицией этих состояний. Управление квантовыми объектами осуществляется микроволнами. Такая технология может стабилизировать работу системы.

Производительность квантового компьютера экспоненциально увеличивается по мере роста числа кубитов.

Компания IBM намерена предоставить в облаке всем желающим 5-кубитный квантовый компьютер (см. "IBM's quantum processor comes out of hiding", Agam Shah, IDG News Service, May 3, 2016). Ожидается, что доступ к компьютеру будет бесплатным (в ОИЯИ уже ведут рачеты на этом компьютере). Данная модель будет иметь некоторые преимущества перед компьютером компании D-Wave и может использоваться для целей моделирования. Ведется разработка универсального квантового компьютера, пригодного к широкому кругу задач. Сходную задачу пытается решить компания Google.

Криптозащита в самое ближайшее время может стать слишком слабой (см. "Twisted qubits: NSA quantum computer gonna take your sister's crypto", Richi Jennings, January 03, 2014). Газета Washington Post сообщила, что АНБ США разрабатывает квантовый компьютер, который сможет легко подбирать ключи к любому современному шифру. Программа разработки называется "Penetrating Hard Targets” и стоит 79,7 млн $. По прогнозам это, тем не менее произойдет после 2022 года.

Появление настоящих квантовых компьютеров сделает современную криптографию беспомощной, но одновременно откроет возможности новой квантовой криптографии, характеристики которой фантастичны.

Компания IBM предлагает универсальный квантовый компьютер (IBM Q systems) в качестве облачного сервиса (см. "IBM readies quantum as a service", Cliff Saran). В первом полугодии 2017г IBM расcчитывает завершить разработку прикладного программного обеспечения. Новый квантовый компьютер IBM имеет 50 кубит, смотри "IBM's new Q program to include a 50-qubit quantum computer", Agam Shah, IDG News Service, March 5, 2017. Компания D-Wave создала квантовый компьютер на 2000 кубит (2000Q). Но научная общественность не считает компьютеры D-Wave истинно квантовыми компьютерами.

В Канаде разработаны 6-кубитовые квантовые процессоры (см. "Less is more for Canadian quantum computing researchers", Peter Sayer, IDG News Service, July 3, 2017). Исследователи создали чип, способный формировать пару многоцветных фотонов, что позволяет манипулировать двумя квантовыми цифрами, каждая из которых может принимать 10 значений. Идея операций с квантовыми цифрами принадлежит российским ученым. (июль 2016г). Компания Google надеется получить квантовый компьютер на 49 кубит к концу текущего года.

На IV международной конференции по квантовым технологиям в Москве (2017г) сообщено, что российский физик из Гарварда Михаил Лукин (один из основателей Российского квантового центра) создал квантовый компьютер на 51 кубит. Он и его коллеги из Гарварда и Массачусетского технологического института создали и успешно провели испытания программируемого квантового компьютера.

Михаил Лукин считает, что не удастся создать квантовые компьютеры на 1000 кубит и более. Причина не в технологии, а в физике - нестабильность смешанных состояний, но даже такой результат может предоставить возможности, нереализуемые на традиционных машинах.

На персональном компьютере с памятью 32ГБ можно смоделировать квантовый компьютер на 30 кубит.

Основные квантовые алгоритмы

  1. Разложение на множители десятичного числа к с n=k•ln(10) – числом двоичных знаков.
  2. Лучший классический алгоритм (общий метод решета числового поля) требует экспоненциального числа операций.

    exp[(64/9)1/3n1/3(ln(n))2/3]

    Квантовый алгоритм Шора (1994) требует только n2ln(n)ln(ln(n)) операций.

  3. Поиск записи в неотсортированной базе данных с N записями
  4. Классически потребуется O(N) шагов, в среднем N/2.. Квантовый алгоритм Гровера (1996) находит запись за O(SQRT(N)) шагов

  5. Решение систем линейных уравнений

Пусть заданы n×n разреженная матрица A с числом обусловленности к и n-мерный вектор b. Тогда для решения системы уравнений Ax=b (x и b - вектора) классическому алгоритму нужно O(n2÷3SQRT(k)) операций, а квантовому HHL алгоритму (A.W.Harrow, A.Hassidim, S.Lloyd, Phys. Rev. Lett. vol. 15, № 103, pp. 150502, 2009) только O(ln(n) k2) операций.

На сегодня (ноябрь 2017) существует около 60 квантовых алгоритмов.

Компания Microsoft намерена использовать криогенную память для своих будущих квантовых компьютеров (см. "Microsoft's cool quantum computing plan embraces cryogenic memory", Agam Shah, IDG News Service, April 18, 2017). Разработки ведутся совместно с Rambus, начиная с конца 2015г. Память будет работать при темпертуре ниже минус 1800 Цельсия.

Компания Microsoft надеется создать персональный квантовый компьютер (см. "Microsoft bets on quantum computing to crack the world's toughest problems", Nick Heath, November 9, 2017). Собственно это будет двухскоростной компьютер, одна из скоростей соответствует быстродействию традиционного компьютера, вторая (квантовая) - в триллион раз выше. Одной из важных проблем является передача данных из кубитов квантового компьютера в традиционный формат. Квантовый компьютер Microsoft должен быть охлажден до температуры 40К. Пока проводится моделирование квантового компьютера на традиционном. Для моделирования 32 кубит требуется память 32 ГБ.

Исследователи Microsoft, соревнуясь с Alphabet, IBM и др., продвинулись в разработке коммерческого квантового компьютера (см. "Microsoft inches closer to commercially-viable quantum computing", Jonathan Greig, March 29, 2018). Утверждается, что надежно работающий квантовый компьютер с 50-100 кубитами по вычислительной мощности превзойдет любой существующий традиционный компьютер. Компания Alphabet на ежегодном заседании американского физического общества в лос-Анжелесе, что их квантовый компьютер "Bristlecone" имеет 72 кубита против 50 кубит у IBM. Microsoft рассчитывает использовать в своих разработках майорановские фермионы, что, как они надеются, позволит иметь более низкий уровень ошибок.

На рис. 5 представлена структура современного квантового компьютера (управляющий традиционный компьютер на рисунке не показан).

Рис. 5. Структура квантового компьютера (середина 2017)

Так как традиционные компьютеры вышли на уровень насыщения по своим рабочим хараетеристикам, в гонку по созданию квантового компьютера включается все больше компаний (см. "Which companies are leading the Quantum race?", Dan Swinhoe, on March 05 2018). Среди этих фирм D-Wave (370 патентов), IBM ( Quantum Experience, 200 патентов), Microsoft (AI, AR, Cloud, Quantum, 250 патентов), Intel (49-qubit, 100 патентов), Northrop Grumman (200 патентов), Google (70 патентов). Разумеется, этот список не является полным, смотри распределение патентов в области квантового компьютинга по странам мира на рис. 6. Среди участников гонки кроме упомянутых выше находится Alphabet Inc.’s Google - 72 кубит, Intel - 49 кубит, Microsoft, Rigetti Computing, Zapata Computing (см. Who’s developing quantum computers?, James A. Martin, Network World, May 23, 2018). IBM Q Network объединяет в себе 500 предприятий, исследовательских лабораторий и академических институтов (см. также "What’s quantum computing [and why enterprises need to care].").

Рис. 6. Распределение патентов в области квантового компьютинга по странам мира

Брюс Шнайер - главный технолог по проблемам безопасности ЕС призвал сообщество телекоммуникаций готовится появлению мощных квантовых компьютеров (см. "Security community urged to prepare for quantum computing", Warwick Ashford, 30 May 2018). Появление квантовых компьютеров приведет к тому, что многие криптотехнологие, широко используемые сегодня, станут неэффективными. Известно, что Китай инвестирует огромные суммы в разработку квантовых компьютеров и средств криптозащиты и взлома. Хорошей новостью считается то, что симметричная критозащита окажется устойчивой против использования квантового компьютинга за счет частой смены ключей. Квантовые компьютеры сделают неэффективными алгоритмы RSA и Эль Гамаля.

Примерно в 1500 школах по всему миру (2018г) начали обучать работе с квантовыми компьютерами.

Технологии создания квантовых компьютеров

Вакуумные ловушкиКвантовые точкиСверх-проводящий элементФотоны и тополо-гические кубитыВакантные места в алмазной решётке
Время до декогеренции (в секундах)> 10000.030.00005-10
Точность работы99.9 %99.9 %99.4 %-99.2 %
Количество сцеплённых кубитов14220-6
ПлюсыОчень стабильная работа
Наивысшие достигнутые результаты
Стабильная работа
Построена на существующей технологии
Работает быстро
Построена на существующей технологии
Может работать при комнатной температуреМожет работать при комнатной температуре
МинусыРаботает медленно
Требуется большое количество лазеров
Очень мало кубитов
Требует сильного охлаждения
Легко коллапсирует
Требует сильного охлаждения
Пока существует только в виде теоретической моделиСложно образовывать сцепленные кубиты
Компании, работающие над образцомION QIntelGoogle
IBM
QCI
Microsoft
BELL Labs
Quantum Diamond Technologies

Некоторые WEB-ссылки

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%83%D0%B1%D0%B8%D1%82
  2. Quantum wave mixing and visualisation of coherent and superposed photonic states in a waveguide A. Yu. Dmitriev, R. Shaikhaidarov, V. N. Antonov, T. Hönigl-Decrinis, O. V. Astafiev, Nature Communications, 07 November 2017
  3. https://hi-news.ru/tag/kvantovye-kompyutery
  4. http://www.sciam.com
  5. https://www.idquantique.com
  6. https://www.idquantique.com/idq-co-founders-awarded-medal-innovation/
  7. http://www.fian-inform.ru/kvantovaya-fizika/item/87-cherez-100-let-izobretenie-kvantovyh-kompyuterov-budut-sravnivat-s-otkrytiem-ognya
  8. https://techcrunch.com/2017/11/10/ibm-passes-major-milestone-with-20-and-50-qubit-quantum-computers-as-a-service/
  9. https://newsroom.intel.com/news/intel-delivers-17-qubit-superconducting-chip-advanced-packaging-qutech/
  10. QC Roadmap http://qist.lanl.gov/
  11. https://newatlas.com/quantum-entanglement-satellite-distance-record/50071/

Previous: 4.7.13 Искусственный интеллект    UP: 4.7 Прикладные сети Интернет
    Next: 4.7.15 Устройства памяти