Изображение: New-Science.ru
Квантовый компьютерный кубит способен работать в течение… 1,8 миллисекунды. При такой постановке дела приходится признать, что это очень мало. Однако эта производительность более или менее удвоила обычное время жизни кубита в работающем квантовом компьютере.
Создание работающего квантового компьютера… Эта идея в настоящее время является чем-то вроде святого Грааля в области вычислительной техники и привлекает исследователей со всего мира. Причина, по которой она вызывает такой интерес, заключается в том, что такой компьютер будет обладать беспрецедентной вычислительной мощностью. По всей вероятности, он будет способен в мгновение ока выполнять операции, которые обычные компьютеры выполняют с трудом. Однако сделать одну из таких машин работоспособной — тоже очень сложная задача.
По словам ученых из Йельского университета, сумев заставить кубиты работать в течение 1,8 миллисекунды, они совершили большой прорыв. Их исследование было опубликовано в журнале Nature. Чтобы лучше понять их, давайте рассмотрим концепцию компьютеров и кубитов и узнаем, почему их так трудно приручить.
Квантовый компьютер — это машина, позволяющая производить вычисления на основе принципов квантовой физики. Вкратце, квантовая физика — это наука, изучающая поведение материи и света на микроскопическом или атомном уровне. Изучая поведение материи на этом уровне, исследователи выявили совершенно новые физические принципы. Одним из таких принципов является «квантовая суперпозиция», которая стала одним из ключей к квантовым вычислениям. Говоря конкретным языком, «квантовая суперпозиция» — это принцип, который объясняет, почему что-то, как бы непонятно нам это ни казалось, находится в «двух состояниях одновременно».
В применении к вычислениям этот принцип может быть очень полезен: он позволяет использовать кубиты для вычислений. Что такое кубиты? Чтобы понять это, нам нужно вернуться к базовому определению компьютера. В «классическом» компьютере основной единицей информации является «бит». Он может находиться либо в состоянии «0», либо в состоянии «1». Именно совокупность этих «0» и «1» составляет коды, которые позволяют программировать компьютеры. В квантовом компьютере нет битов, а есть «кубиты», или квантовые биты. Именно здесь вступает в игру принцип суперпозиции. Благодаря этому принципу, кубиты могут быть и 0, и 1, и даже находиться в промежуточных состояниях: 01, 10, 11 и т. д. Именно благодаря этому наложенному состоянию квантовый компьютер может использовать столь значительную вычислительную мощность. Однако эта сила может быть и слабостью. Ведь кубиты очень чувствительны к внешним возмущениям.
В большинстве случаев это фактически атомы. В целом, для проведения квантовых вычислений необходимо изолировать атомы, из которых состоят кубиты, и в то же время позволить им взаимодействовать друг с другом. Но, несмотря на все принятые меры предосторожности, в квантовых расчетах очень быстро могут возникнуть ошибки. «Квантовые компьютеры по своей природе гораздо более чувствительны к возмущениям и поэтому, вероятно, всегда будут нуждаться в механизмах коррекции ошибок, поскольку в противном случае ошибки будут бесконтрольно распространяться в системе и информация будет потеряна», — объясняется в пресс-релизе Университета Инсбрука, посвященном методу коррекции ошибок.
Управляя ошибками по мере их возникновения, а не устраняя их, исследователи из Йельского университета смогли сохранить работоспособность кубитов на более длительный срок. Идея исправления ошибок, возникающих в квантовых компьютерах по мере их возникновения, не нова, и в последнее время исследователи активно работают над этой темой. Одним из ключей, который может сделать такое исправление возможным, является так называемая «избыточность». В классических вычислениях избыточность — это идея иметь несколько копий данных: когда происходит ошибка, два результата расходятся, и поэтому легко сделать вывод, что была допущена ошибка.
В квантовых вычислениях все немного сложнее. Согласно теореме о запрете клонирования (еще один принцип квантовой физики), невозможно «скопировать» квантовую информацию. Однако некоторым ученым уже удалось создать наборы операций, которые позволяют реализовать принцип избыточности: «избыточность может быть достигнута путем распределения логической квантовой информации в запутанном состоянии нескольких физических систем, например, нескольких отдельных атомов», — объяснила, например, группа австрийских исследователей, работавших над этой темой в 2022 году.
Однако, по словам исследователей из Йельского университета, это первый случай, когда такой принцип был применен в реальном времени во время эксперимента. И не зря: сам факт введения этих поправок в систему является источником дополнительных возмущений для кубитов, что может оказаться контрпродуктивным. «Впервые мы показали, что увеличение избыточности системы, активное обнаружение и исправление квантовых ошибок повышает устойчивость квантовой информации», — объясняет физик Йельского университета Мишель Деворет в своем заявлении. «Наш эксперимент показывает, что квантовая коррекция ошибок является реальным практическим инструментом».
Если этот метод и удалось сделать реальностью, то не благодаря крупному открытию. «Этот результат не является следствием одного открытия», — объясняет Владимир Сивак, исследователь из Google, ранее работавший в Йельском университете. «На самом деле это комбинация целого ряда различных технологий, которые были разработаны в последние годы и которые мы объединили в этом эксперименте». Конечно, впереди еще долгий путь, если учесть, что удвоение времени работы кубита составляет всего 1,8 миллисекунды. Однако этого недостаточно, чтобы поколебать энтузиазм ученых. «Наш эксперимент подтверждает фундаментальную гипотезу квантовых вычислений, и это заставляет меня с большим энтузиазмом относиться к будущему этой области», — говорит Владимир Сивак.
Создание работающего квантового компьютера… Эта идея в настоящее время является чем-то вроде святого Грааля в области вычислительной техники и привлекает исследователей со всего мира. Причина, по которой она вызывает такой интерес, заключается в том, что такой компьютер будет обладать беспрецедентной вычислительной мощностью. По всей вероятности, он будет способен в мгновение ока выполнять операции, которые обычные компьютеры выполняют с трудом. Однако сделать одну из таких машин работоспособной — тоже очень сложная задача.
По словам ученых из Йельского университета, сумев заставить кубиты работать в течение 1,8 миллисекунды, они совершили большой прорыв. Их исследование было опубликовано в журнале Nature. Чтобы лучше понять их, давайте рассмотрим концепцию компьютеров и кубитов и узнаем, почему их так трудно приручить.
Квантовый компьютер — это машина, позволяющая производить вычисления на основе принципов квантовой физики. Вкратце, квантовая физика — это наука, изучающая поведение материи и света на микроскопическом или атомном уровне. Изучая поведение материи на этом уровне, исследователи выявили совершенно новые физические принципы. Одним из таких принципов является «квантовая суперпозиция», которая стала одним из ключей к квантовым вычислениям. Говоря конкретным языком, «квантовая суперпозиция» — это принцип, который объясняет, почему что-то, как бы непонятно нам это ни казалось, находится в «двух состояниях одновременно».
В применении к вычислениям этот принцип может быть очень полезен: он позволяет использовать кубиты для вычислений. Что такое кубиты? Чтобы понять это, нам нужно вернуться к базовому определению компьютера. В «классическом» компьютере основной единицей информации является «бит». Он может находиться либо в состоянии «0», либо в состоянии «1». Именно совокупность этих «0» и «1» составляет коды, которые позволяют программировать компьютеры. В квантовом компьютере нет битов, а есть «кубиты», или квантовые биты. Именно здесь вступает в игру принцип суперпозиции. Благодаря этому принципу, кубиты могут быть и 0, и 1, и даже находиться в промежуточных состояниях: 01, 10, 11 и т. д. Именно благодаря этому наложенному состоянию квантовый компьютер может использовать столь значительную вычислительную мощность. Однако эта сила может быть и слабостью. Ведь кубиты очень чувствительны к внешним возмущениям.
В большинстве случаев это фактически атомы. В целом, для проведения квантовых вычислений необходимо изолировать атомы, из которых состоят кубиты, и в то же время позволить им взаимодействовать друг с другом. Но, несмотря на все принятые меры предосторожности, в квантовых расчетах очень быстро могут возникнуть ошибки. «Квантовые компьютеры по своей природе гораздо более чувствительны к возмущениям и поэтому, вероятно, всегда будут нуждаться в механизмах коррекции ошибок, поскольку в противном случае ошибки будут бесконтрольно распространяться в системе и информация будет потеряна», — объясняется в пресс-релизе Университета Инсбрука, посвященном методу коррекции ошибок.
Исправление ошибок без создания новых
Управляя ошибками по мере их возникновения, а не устраняя их, исследователи из Йельского университета смогли сохранить работоспособность кубитов на более длительный срок. Идея исправления ошибок, возникающих в квантовых компьютерах по мере их возникновения, не нова, и в последнее время исследователи активно работают над этой темой. Одним из ключей, который может сделать такое исправление возможным, является так называемая «избыточность». В классических вычислениях избыточность — это идея иметь несколько копий данных: когда происходит ошибка, два результата расходятся, и поэтому легко сделать вывод, что была допущена ошибка.
В квантовых вычислениях все немного сложнее. Согласно теореме о запрете клонирования (еще один принцип квантовой физики), невозможно «скопировать» квантовую информацию. Однако некоторым ученым уже удалось создать наборы операций, которые позволяют реализовать принцип избыточности: «избыточность может быть достигнута путем распределения логической квантовой информации в запутанном состоянии нескольких физических систем, например, нескольких отдельных атомов», — объяснила, например, группа австрийских исследователей, работавших над этой темой в 2022 году.
Однако, по словам исследователей из Йельского университета, это первый случай, когда такой принцип был применен в реальном времени во время эксперимента. И не зря: сам факт введения этих поправок в систему является источником дополнительных возмущений для кубитов, что может оказаться контрпродуктивным. «Впервые мы показали, что увеличение избыточности системы, активное обнаружение и исправление квантовых ошибок повышает устойчивость квантовой информации», — объясняет физик Йельского университета Мишель Деворет в своем заявлении. «Наш эксперимент показывает, что квантовая коррекция ошибок является реальным практическим инструментом».
Если этот метод и удалось сделать реальностью, то не благодаря крупному открытию. «Этот результат не является следствием одного открытия», — объясняет Владимир Сивак, исследователь из Google, ранее работавший в Йельском университете. «На самом деле это комбинация целого ряда различных технологий, которые были разработаны в последние годы и которые мы объединили в этом эксперименте». Конечно, впереди еще долгий путь, если учесть, что удвоение времени работы кубита составляет всего 1,8 миллисекунды. Однако этого недостаточно, чтобы поколебать энтузиазм ученых. «Наш эксперимент подтверждает фундаментальную гипотезу квантовых вычислений, и это заставляет меня с большим энтузиазмом относиться к будущему этой области», — говорит Владимир Сивак.