самый мощный квантовый компьютер в мире 2021

Китайцы создали самый мощный в мире программируемый квантовый компьютер — в нём 56 кубитов

Команда исследователей из Университета науки и технологий Китая разработала программируемый квантовый компьютер на базе сверхпроводящих кубитов, который претендует на звание самого производительного в мире. Он за час справился с поставленной перед ним вычислительной задачей, тогда как у обычных классических компьютеров на её решение потребовалось бы более восьми лет. Учёные опубликовали результаты своей работы в репозитории научных трудов ArXiv.

Схема двумерного сверхпроводящего кубита-чипа. Изображение: Университет науки и технологий Китая

Разработка китайских исследователей получила название Zuchongzhi. Она представляет собой двумерный программируемый сверхпроводящий квантовый процессор, способный объединить до 66 кубитов. Для демонстрации его возможностей учёные из Поднебесной использовали 56 кубитов. Перед системой стояла задача по моделированию случайных квантовых цепочек (random quantum circuits) — совершению длинных последовательностей операций над кубитами и измерение результатов. Причём чем больше в системе кубитов, тем сложнее решение задачи. Получить такие же результаты на классическом суперкомпьютере будет крайне сложно из-за необходимости просчёта огромного числа возможных состояний, в которых может находиться система (два в степени равной числу кубитов).

«По нашим подсчётам с задачей по моделированию случайных квантовых цепочек Zuchongzhi справился за 1,2 часа, в то время как у самых мощных суперкомпьютеров в мире на неё уйдёт как минимум восемь лет», — указывают исследователи в своей статье. Учёные также отмечают, что их работа демонстрирует однозначное превосходство в вычислительной мощности над классическими компьютерами, которые не позволяют проводить подобные расчёты в разумные сроки.

Задача, которую решал китайский квантовый компьютер Zuchongzhi, примерно 100 раз сложнее, чем та, которую решал квантовый процессор Google Sycamore в 2019 году, который называли самым мощным в мире. Квантовая система Sycamore использовала 54 кубита, а Zuchongzhi — 56 и при этом продемонстрировала результат, доказывающий, что с увеличением числа квантовых битов производительность квантовой системы увеличивается в геометрической прогрессии. Таким образом новая китайская разработка является самым мощным программируемым квантовым компьютером в мире, и имеет потенциал для увеличения производительности (при активации всех доступных 66 кубитов).

К слову, та же команда китайских учёных в 2020 году продемонстрировала ещё один квантовый компьютер. Он работал на базе 76 фотонных кубитов и использовал сложную установку из лазеров, зеркал, призм, детекторов фотонов и не был программируемым, как Zuchongzhi или тот же Sycamore.

Источник

Ученые впервые создали устойчивый к ошибкам квантовый компьютер. Как новая технология изменит науку и экономику?

Специалисты Университета Дьюка смогли решить фундаментальные проблемы, связанные с ошибками квантовых компьютеров. Авторы объединили несколько кубитов, с помощью которых работают машины будущего, так, чтобы они функционировали как единое целое, то есть образовали логический кубит. В данной конструкции один кубит содержит нужную информацию, а другие позволяют исправлять ошибки. Таким образом, вероятность квантовых ошибок может быть сведена к минимуму.
Машины будущего настолько сложны, что для работы с ними нужны особые языки и квалифицированные специалисты.

До изобретения квантовых компьютеров ученые полагались на суперкомпьютеры — устройства, отличающиеся от обычных ПК габаритами и наличием сотен, если не тысяч ядер центрального процессора. Однако для работы с определенными массивами данных обычные компьютеры даже с тысячами ядер не очень подходят. Компания IBM, которая создала около 20 квантовых компьютеров, объясняет недостатки классических машин особенностью строения.
В качестве примера приводится задача, когда нужно разместить несколько привередливых гостей за столами, и при этом есть только один оптимальный план рассадки. В случае, когда гостей пять, таких комбинаций 120. Если количество гостей увеличить до 10, то будет более трех миллионов комбинаций. Обычный компьютер начал бы решать задачу постепенно, обрабатывая каждую комбинацию, — на ответ ушло бы очень много времени. Квантовый компьютер создаст огромное многомерное пространство, в котором сможет вместить все варианты ответа и найти верный.
В Google, где также работают над квантовым компьютером, считают, что вычисления, на которые современные ПК потратят 10 тысяч лет, машина закончит за три с половиной минуты. Например, существует определенный список из одного триллиона значений, и нужно найти лишь один подходящий элемент. При условии, что на проверку каждого элемента дается миллисекунда, обычный ПК справится за неделю, квантовый — менее чем за одну секунду.
Классические устройства — даже если обеспечить их тысячами процессоров с десятком тысяч ядер — оперируют битами, то есть воспринимают информацию в двоичной системе. В этом случае данные принимают значения только в виде единицы или нуля. Квантовые машины производят вычисления с помощью кубитов, где информация может иметь значение одновременно и в виде единицы, и в виде нуля. Это означает, что кубиты, в отличие от битов, могут принимать различные значения одновременно и выполнять вычисления, которые обычный компьютер не способен совершить по своей природе.

В первую очередь эти продвинутые устройства можно использовать для проведения научных экспериментов. Например, можно моделировать поведение атомов и частиц, которое сейчас реально воссоздать лишь на очень сложном уровне, например, в Большом адронном коллайдере. Также квантовые компьютеры могут оперировать с гигантскими массивами данных, состоящими из миллионов элементов. По оценке ученого Лова Гровера, базу с миллионом единиц обычное устройство проанализирует за миллион шагов, квантовый компьютер потратит всего тысячу.
Уже упоминалось, что квантовые компьютеры оперируют кубитами, а значит могут работать с огромным количество данных одновременно. Например, такое устройство могло бы обычным подбором быстро взломать любое шифрование. Если посмотреть на ситуацию с другой стороны, то передовые компьютеры можно будет использовать для предотвращения взлома различных систем. Безусловно, квантовые компьютеры пригодятся при работе с искусственным интеллектом, который часто полагается на комбинаторную обработку очень больших объемов данных для более точного прогнозирования и принятия решений.
Вероятно, на ранних этапах применения квантовых компьютеров машины будут задействованы в финансовой сфере. Она отличается от многих тем, что охватывает огромные данные. Устройства могли бы выполнять сложные финансовые расчеты и моделировать движение рынка.

По словам физика Хуана Хосе Гарсиа Риполя, квантовые компьютеры нужны там, где обычные не смогут оперативно справиться с потоком информации. В классических вычислениях мы знаем, как решать проблему благодаря компьютерному языку, где машина принимает три значения — «и», «или», «не». В квантовых компьютерах значений и вероятностей гораздо больше. «Они работают по-другому. Квантовый компьютер не подходит для выполнения повседневных задач», — отмечает Риполь.
Инженеры отмечают, что при наличии классических задач использовать квантовый компьютер нецелесообразно. Во-первых, такие компьютеры крайне дорогие. В частности, финансирующая данный проект Google не раскрывает стоимость единицы будущего оборудования, но выделяет «миллиарды долларов» на его создание. Во-вторых, для работы с такими сложными устройствами нужны не только высококвалифицированные специалисты, но и особые условия. Для корректной работы система должна быть полностью изолирована: в ядрах практически отсутствует атмосферное давление и влияние магнитного поля Земли, температура — 273 градуса по Цельсию.
В подобных девайсах также нельзя хранить большие объемы информации — они рассчитаны на вычисления. «Квантовые свойства компьютера разрушаются. Они работают в течение очень коротких периодов времени», — считает Риполь.

Источник

Вы из какой Вселенной?

Об этом рассказывает руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом» и глава недавно созданной в России Национальной квантовой лаборатории Р. Юнусов.

— Вот это вряд ли. Я, будучи студентом, наткнулся однажды на любопытный фантастический рассказ. В нем люди придумали совершенный искусственный разум, и оператор с надеждой спрашивает его: «Есть ли Бог?» Разум отвечает: «Теперь есть». После чего оператор сгорает в электрическом разряде.

Атомный «выстрел»

— А мы на каком месте с хвоста этой гонки?

— Ну, зачем так. В России есть программа, на которую выделено 24 миллиарда рублей. Через три года мы должны создать 100-кубитный прототип квантового компьютера, а также разработать софт и алгоритмы. Задача, конечно, грандиозная. Но выполнимая.

Чаша Грааля

— Известный итальянский ученый Томмазо Каларко, с которым сотрудничает ваша лаборатория, заявил, что никто в мире до сих пор не знает, как построить универсальный КК. Мы, дескать, даже не можем нормально транспортировать атомы. Руководитель квантовой лаборатории в США, в Гарварде, Михаил Лукин, выпускник, кстати, нашего Физтеха, и профессор Кристофер Монро из университета Мэриленда, напротив, уверены, что он появится в ближайшие 10 лет. Ваш прогноз?

— В ближайшие три года будут созданы прототипы КК, перешагнувшие рубеж в тысячу кубит. Тысячные кубитники намереваются сделать тот же Миша Лукин на «холодных» атомах, Кристофер Монро на ионах, француз Антуан Брауэрс на атомах, компания IBM на сверхпроводниках. Ориентировочно к 2030 г. использовать квантовый компьютер станет экономически выгодно. К этому времени появится и универсальный КК, и мощные квантовые симуляторы. Они будут применяться при разработке вакцин от большинства тяжелых болезней, того же рака, например, а также для создания уникальных материалов с новыми, фантастическими по сегодняшним меркам характеристиками. Это кардинально изменит транспорт, всю нашу жизнь. Если уходить от прогнозов к совсем фантастической футурологии, то когда-нибудь с помощью КК мы поймем, как устроена наша Вселенная и создадим модель новой Вселенной, нового мира. А заодно и новых людей. Вот тут и начнется самое интересное. (смеется).

— Сделаем такие же атомы с ножками, как мы сами. И с большими амбициями, что нехарактерно для атомов, поэтому экзамен на цивилизацию они тоже не пройдут. А можете поделиться своими соображениями по поводу модели Вселенной, загодя, так сказать? Вы же, наверняка, не раз об этом думали.

— Мне кажется, что мы вполне можем существовать в матрице. Эта теория очень хорошо согласуется и с нашей реальностью, и с законами квантового мира. Но так ли это, нам, вполне возможно, расскажет именно квантовый компьютер.

— То есть наш мозг додуматься до модели не в состоянии. Слабоват. Хотя многие ученые считают его чуть ли не самым загадочным объектом в той же Вселенной.

Бег за лидерами

— Конкуренция в «квантовом» мире жесткая или жестокая?

— Скажу так: в лоб тяжело, конечно, конкурировать. Например, Китай сейчас собирается потратить на очередной квантовый центр 11 миллиардов долларов. Германия, Япония, не говорю уж о США, тоже тратят гигантские суммы на развитие квантовых технологий. У нас экономика всего 2 процента от мировой, поэтому позволить себе суммы, как в Китае или США, мы просто не в состоянии. Однако программа по созданию КК у нас тоже запущена. Мы догоняем всех. Бежим за лидерами и стараемся не отстать от основной группы.

— Канадская фирма D-Wave объявила недавно, что любой желающий может купить ее квантовый компьютер за 15 миллионов долларов. Может, вам стоит прицениться, надо же с чего-то начинать.

— Прицениваться не к чему (улыбается). Это опять-таки не компьютер, а симулятор. Хотя, не спорю, какие-то квантовые эффекты в его работе есть. Но о чем это говорит? Гонка ускоряется, и бежать нам надо, как у Высоцкого «Я на десять тыщ рванул, как на пятьсот. «

— Там следующая строчка «. и спекся».

— Мы резвые, с хорошей тренировкой. Сдюжим.

Источник

Квантовые компьютеры в России и мире: как развивается технология

Облачные вычислители

Пионер отрасли, канадская D-Wave, в 2020 году начала предлагать работу с 5000-кубитовыми квантовыми компьютерами Advantage для бизнеса. С ними можно взаимодействовать через облако. Система способна разбивать большую задачу на части для решения классическим и квантовым способами. Однако такие компьютеры не являются универсальными, а используются для решения определенной задачи в качестве вычислителей.

Google после презентации Sycamore заявила, что потратит несколько миллиардов долларов на создание к 2029 году коммерческого квантового компьютера. Компания планирует предлагать свои услуги через облако. Google хочет создать машину на миллион кубитов, а ее текущие системы включают менее 100 кубитов.

Компактные решения

В январе 2019 года IBM объявила о выпуске Quantrum System One, первой в мире модели квантового компьютера для бизнеса. Устройство помещено в гладкий стеклянный корпус объемом 9 кубических футов.

Осенью 2020 года IBM представила дорожную карту развития своих квантовых компьютеров. Компания собирается в 2023 году создать квантовый компьютер с 1121-кубитовым процессором. Долгосрочная цель — построить квантовую систему на миллион кубитов. Компания считает, что появление систем с 1000 кубитами снимет ограничения для коммерческого использования квантовых систем.

В 2021 году IBM запустила первый Q System One за пределами США, в Германии. Это самый мощный коммерческий квантовый компьютер в Европе, который имеет процессор в 27 кубитов. Систему будет использовать научно-исследовательский институт Фраунгофера.

Контролируемые кубиты

Intel в январе 2018 года объявила о поставке тестового квантового процессора с 49 кубитами под названием Tangle Lake. Но более интересна работа другого подразделения компании, которое пытается разработать кубиты из традиционного кремния. Толщина таких кубитов составляет всего около 50 нанометров, или 1/1500 ширины человеческого волоса. Это открывает возможности для производства крошечных квантовых процессоров с миллионами кубитов, которые можно охлаждать почти до абсолютного нуля. Кстати, компания работает и над этим. Инженеры Intel совместно с компанией QuTech разрабатывают систему контроля «горячих» кубитов с температурой чуть больше –272,15ºC. Кроме того, Intel в 2019 году показала контроллер кубитов Horse Ridge, который может работать даже при очень низких температурах и выдерживает охлаждение до −269 ºC. Horse Ridge в будущем поможет масштабировать многокубитовые квантовые системы.

Дешевые системы

Система разработана для школ и колледжей и умеет оперировать только двумя кубитами. Поставки первых SpinQ уже идут в Тайвань, Гонконг и Осло. Разработчики надеются, что системы позволят ученикам понять базовые принципы работы квантовых вычислителей.

Амбициозные стартапы

Российские разработки

Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», рассказал, что в 2016 году при поддержке Фонда перспективных исследований стартовал первый в России проект по созданию квантовых информационных систем на основе сверхпроводящих кубитов. А в 2018 году начался пилотный проект по развитию двух других платформ квантовых вычислений: нейтральных атомов в оптических ловушках и интегральных оптических чипов.

Специалисты Национальной квантовой лаборатории в 2021 году сообщили о создании прототипа квантового компьютера совместно с РКЦ и ФИАНом. Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Сейчас ученые пытаются проводить на ионной платформе прикладные вычисления, моделируют и тестируют алгоритмы.

Они планируют создать действующий образец квантового процессора на сверхпроводниках к концу 2024 года.

Пятикубитный прототип процессора продемонстрировали также в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. Она уже прошла ряд испытаний. Тесты показали, что элементы схемы работают с заданными параметрами.

В июне 2021 года Российский квантовый центр, НИТУ «МИСиС», Университет ИТМО, МГТУ им. Баумана, Росатом и Институт Иоффе создали квантовый симулятор на основе массива из 11 сверхпроводящих кубитов.

Кроме того, ученые из Национальной квантовой лаборатории и Российского квантового центра совместно с исследователями из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали миниатюрные источники оптических гребенок. Их применение может произвести революцию во многих областях, где на данный момент используются лазеры: в медицине, здравоохранении, безопасности, телекоммуникациях и даже в умных городах.

Российские ученые работают и над специализированным облачным софтом. В апреле 2021 года Российский квантовый центр запустил универсальную облачную платформу квантовых вычислений, которая позволяет решать прикладные бизнес-задачи на квантовых процессорах без специальных знаний в квантовой механике. Свою собственную платформу представил и Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова.

«На сегодняшний день основным заказчиком квантовых технологий в России является государство — во многом это объясняется стратегической важностью квантов. Тем не менее, квантовые вычисления будут полезны бизнесу, обрабатывающему большое количество данных и решающему сложные расчетные задачи. Например, в области финансов и инвестиций, энергетики, транспорта, логистики, химии и фармацевтики», — подчеркивает Юнусов.

Источник

Китай заявил о создании квантового компьютера в 10 млрд раз быстрее машины Google

В Китае создали квантовый компьютер, который в 10 млрд раз быстрее проводит вычисления, чем прототип от Google, сообщило китайское государственное новостное агентство Xinhua. Результаты тестов компьютера группа китайских ученых опубликовала в журнале Science.

Квантовые компьютеры отличаются от обычных, даже суперкомпьютеров, своей громадной вычислительной мощностью. Они используют понятия квантовой механики и работают не с битами как единицей информации (0 или 1), а с кубитами — они могут одновременно быть и 0, и 1. Xinhua пишет, что это «серьезный вычислительный прорыв» для Китая и первый этап в достижении полномасштабных квантовых вычислений — так называемого квантового превосходства. Традиционные компьютеры не могут произвести те же вычисления за разумное количество времени.

Мощности китайского суперкомпьютера могут пригодиться в таких исследованиях и технологиях, как теория графов, машинное обучение и квантовая химия, пояснил Xinhua.

Суперкомпьютер в ходе тестов смог зарегистрировать в среднем 43 фотона, но это число доходило до 76. Скорость вычислений китайского компьютера можно оценить в 100 трлн раз выше, чем у самого быстрого существующего сейчас суперкомпьютера, написал Xinhua со ссылкой на ученых.

«Квантовый вычислительный прорыв — это как порог. Это доказывает, что если новый прототип квантового компьютера превосходит самый сильный традиционный в определенных задачах, то прорывы могут произойти и во многих других сферах», — заявил профессор Китайского университета науки и технологий Лу Чаоян.

Китайские ученые конкурируют с крупнейшими американскими корпорациями, в том числе Google, Microsoft и Amazon. Это еще один фронт в соперничестве США и Китая, пишет Bloomberg. В июне самым мощным суперкомпьютером в мире признали аппарат в Японии. В том же месяце американская компания Honeywell заявила, что разработала самый быстрый квантовый компьютер. В ноябре 2019 года «Росатом» объявил о запуске проекта по созданию отечественного квантового компьютера, на проект выделили 24 млрд рублей до 2024 года.

Источник