Квантовые компьютеры история кратко

Обновлено: 02.07.2024

Вспомним, как развивались квантовые технологии, посмотрим, чего ученые и разработчики добились уже сейчас, а также выясним, когда квантовые компьютеры станут массово использовать на практике.

В октябре 2019 года в журнале Nature была опубликована статья исследователей компании Google, в которой говорится о достижении квантового превосходства. Квантовый компьютер компании смог за 3 минуты и 20 секунд выполнить расчет, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit (IBM) понадобилось бы 10 000 лет.

В IBM считают, что время выполнения задачи для обычного компьютера в Google сильно завысили, а с использованием оптимизации его реально снизить до нескольких дней. Но если заявленный результат близок к реальности, человечество сделало еще один шаг к недостижимой ранее скорости вычислений. Посмотрим, с чего все началось и куда движутся квантовые технологии.

Научные разработки: открытия и исследования, определяющие будущее квантовых вычислений

Автор: американский физик-теоретик Ричард Фейнман (Richard Feynman).

Впервые теоретически обоснована возможность использования квантовых эффектов для вычислений.

Автор: советский и американский математик Юрий Иванович Манин.

Впервые изложена идея квантовых вычислений.

Автор: американский физик-теоретик Ричард Фейнман (Richard Feynman).

Впервые предложена базовая модель квантового компьютера, способного моделировать эволюцию квантовой системы.

Автор: американские ученые из лаборатории IBM.

Первая экспериментальная демонстрация выполнения квантового алгоритма с использованием 2-кубитного квантового компьютера на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР-компьютер).

Первый 5-кубитный квантовый ЯМР-компьютер.

Авторы: немецкие ученые из Мюнхенского технического университета при содействии Siemens.

Первая экспериментальная демонстрация 5-кубитного квантового компьютера на базе технологии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-компьютер).

Первый работающий 7-кубитный квантовый ЯМР-компьютер.

Авторы: американские ученые из Стенфордского университета.

Созданный в IBM 7-кубитный квантовый ЯМР-компьютер был успешно использован для исполнения алгоритма Шора.

Первый работающий 2-кубитный квантовый процессор на сверхпроводниках.

Авторы: группа российских ученых во главе с Ю. Пашкиным при участии тайваньского ученого Джо-Шен Цая и японских ученых из NEC.

Работающий прототип первого 2-кубитного квантового процессора на сверхпроводящих материалах.

Первый квантовый байт.

Авторы: австрийские ученые из Института экспериментальной физики при Университете Инсбрука.

Директор: Алексей Акимов.

Российская негосударственная исследовательская организация. Занимается фундаментальными и прикладными исследованиями в области квантовой физики. Разработка сверхчувствительных сенсоров, оптических микрорезонаторов, квантовых кубитов.

Впервые в России создан сверхпроводящий кубит.

Первый работающий квантовый 50-кубитный компьютер.

Авторы: исследователи из лаборатории IBM.

Экспериментальный квантовый компьютер IBM на 50 кубитах смог удерживать квантовое состояние в течение рекордных для индустрии квантовых вычислений 90 микросекунд.

Квантовый процессор Google Bristlecone с рекордными 72 кубитами.

Авторы: разработчики из Google Quantum AI Lab.

Принципиально новый кубит на сплошной сверхпроводящей нано-проволоке.

Работа кубита основана на эффекте квантового проскальзывания фазы — контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (4 нм) нано-проволоке, которая в обычном состоянии имеет большое сопротивление.

Авторы: МГУ им. М.В. Ломоносова, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л. Духова и МГТУ им. Н. Э. Баумана.

В рамках проекта в период с 2018 по 2021 год планируется разработка 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.

Авторы: сотрудники стартапа IonQ при Университете Мэриленда (США).

Работа кубитов в системе IonQ базируется на квантовой природе атомов. Каждый кубит представлен отдельным атомом, удерживаемым лазерами. Два состояния кубита являются парой уровней энергии электронов. Кубиты управляются и измеряются с помощью специальных лазерных импульсов.

Окончательная редакция дорожной карты по развитию и внедрению квантовых технологий в России до 2024 года. На развитие квантовых вычислений в России предполагается выделить 51 млрд рублей.

Дорожная карта будет руководством к действию для российских институтов и индустрии до 2024 года. Мероприятия должны привести к появлению в России нескольких десятков стартапов в области квантовых технологий, на равных конкурирующих с компаниями из США, Евросоюза и Китая. При реализации описанных в карте мероприятий российские компании к 2024 году должны занять 8% мирового рынка квантовых коммуникаций с фокусом на экспорт в страны СНГ, БРИКС, Юго-восточной Азии и Латинской Америки.

Коммерциализация: квантовые системы для практического применения в науке и бизнесе

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Начало продаж первого коммерческого квантового компьютера D-Wave One по цене $11 млн.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Создана 1QB Information Technologies (1QBit) — первая в мире компания по выпуску ПО для квантовых вычислений.

Учредители: Google, NASA, D-Wave, USRA.

Лаборатория занимается решением задач машинного обучения и создания алгоритмов искусственного интеллекта с навыками самообучения.

Преодоление 1000-кубитного барьера с выпуском квантового компьютера D-Wave 2X. Одна из систем установлена в лаборатории NASA для исследований Google в области ИИ.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

IBM Research впервые открыла публичный доступ к облачному сервису квантовых вычислений IBM Quantum Experience.

Разработка: компания IBM.

Открытый доступ к экспериментам с квантовыми вычислениями на квантовом процессоре IBM Q через облачный сервис IBM Cloud.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Список покупателей квантового компьютера D-Wave 2000Q включает Temporal Defense Systems, Google и NASA. Репозиторий программных инструментов D-Wave с открытым кодом позволяет писать ПО для квантовых вычислений.

Разработка: компания IBM.

IBM позиционирует платформу IBM Q как решение для выпуска коммерческих квантовых вычислительных систем.

Разработка: британский офис Map Project Office и Universal Design Studio, производство компании Goppion для IBM.

Гибридная архитектура IBM Q System One на базе 20-кубитного квантового компьютера в сочетании с классическим ПК в едином корпусе. По данным IBM, система полностью готова для исследовательских и бизнес-приложений.

IBM открыла публичный доступ к мощностям 53-кубитного облачного квантового компьютера — самой крупной квантовой системе в коммерческом доступе.

Разработка: компания IBM.

Всего в Центре квантовых вычислений IBM работают 14 облачных квантовых систем, включая пять 20-кубитных. Мощности рассчитаны на обслуживание более 150 тыс. пользователей и порядка 80 институтов, исследовательских лабораторий и коммерческих клиентов, включая J.P. Morgan Chase, Mitsubishi Chemical и Mizuho Financial Group.

В России успешно протестирован прототип первого отечественного квантового компьютера на кубитах из сверхпроводников.

План запуска коммерческого квантового компьютера D-Wave Next Gen на базе процессора с более чем 5000 кубитов.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Новое поколение квантовых компьютеров D-Wave с топологией Pegasus, где каждый кубит связан с 15 другими кубитами. Топология Chimera в современных системах D-Wave обеспечивает связь кубита с шестью другими кубитами.

Планируется разработать четыре типа российских квантовых компьютеров размером от 50 до 100 кубитов. Стоимость проекта 24 млрд рублей.

Квантовые процессоры будут производиться в России с нуля, но отдельные комплектующие могут покупаться за рубежом, например лазеры или измерительная техника. Для компьютера планируется разработать облачную платформу с удаленным доступом — по примеру мировых корпораций.

Когда квантовые компьютеры будут применять массово: прогнозы в области квантовых вычислений

В 2022-2024 году

Джеффри Уэлсер (Jeffrey Welser), вице-президент IBM и глава исследовательского подразделения IBM Research в Альмадене, США, в июле 2019 года заявил, что «в ближайшие три-пять лет появятся квантовые компьютеры, достаточно мощные для коммерческого применения в химической промышленности для разработки новых полимерных материалов и полупроводников.

В 2023 году

Тодд Холмдал (Todd Holmdahl), вице-президент Microsoft по квантовым вычислениям, заявил в 2018 году, что в ближайшие пять лет появится большое количество стартапов и консалтинговых компаний, которые помогут бизнесу в решении их проблем с помощью квантовых вычислений. Прикладной квантовый компьютер появится и у платформы Azure.

В 2030-х годах

Прогноз Deloitte (TMT Predictions 2019): первые коммерческие квантовые компьютеры общего назначения появятся не ранее 2030-х годов. 2020-е годы с большой вероятностью будут временем прогресса в области квантовых вычислений, но 2030-е годы являются наиболее вероятным десятилетием появления развитого рынка квантовых компьютеров.

Никогда

М. И. Дьяконов, российский физик. Считает, что практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне
и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, поэтому нельзя создать квантовый компьютер, который превзойдет обычный.

tag. * * If you do not want to deal with the intricities of the noscript * section, delete the tag (from ). On * average, the noscript tag is called from less than 1% of internet * users. */-->

Политехникум

Квантовые компьютеры 1: Краткая история квантовой механики

Василий Панюшкин

Введение

Квантовый компьютер – это вычислительная машина, которая отличается от обычного компьютера тем, что напрямую использует квантово-механические особенности физического мира, такие как суперпозиция и запутывание, для проведения вычислений. Наиболее важной на сегодняшний день особенностью квантовых компьютеров, которая и стала причиной того, что на их исследования тратят большие деньги правительства и военные, является возможность выполнять с экспоненциально более высокой скоростью, чем на обычных компьютерах, криптографические алгоритмы. Если этой цели удастся достичь, большая часть механизмов шифрования, используемых сегодня для защиты информации в интернете, окажется абсолютно бесполезной. Впрочем, с таким же успехом квантовые компьютеры можно использовать для абсолютной защиты информации на уровне законов физики, а также для решения некоторых сложных вычислительных задач и моделирования физических систем на микроскопическом уровне.

Краткая история квантовой механики

История квантовой механики берёт своё начало 14 декабря 1900 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением. Планк предположил, что энергия излучения существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. В 1905 г. Альберт Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта — испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства.

Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда Луи де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом, в микромире стёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х. Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсоном в Англии.

Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Эрвин Шрёдингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. В 1926 году Шредингер вывел волновое уравнение, дающее математическое описание материи в терминах волновой функции.

Незадолго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир.

Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением.

Научные разработки: открытия и исследования, определяющие будущее квантовых вычислений

Автор: американский физик-теоретик Ричард Фейнман (Richard Feynman).

Автор: советский и американский математик Юрий Иванович Манин.

Впервые изложена идея квантовых вычислений.

Автор: американский физик-теоретик Ричард Фейнман (Richard Feynman).

Автор: американские ученые из лаборатории IBM.

Первый 5-кубитный квантовый ЯМР-компьютер.

Авторы: немецкие ученые из Мюнхенского технического университета при содействии Siemens.

Первый работающий 7-кубитный квантовый ЯМР-компьютер.

Авторы: американские ученые из Стенфордского университета.

Созданный в IBM 7-кубитный квантовый ЯМР-компьютер был успешно использован для исполнения алгоритма Шора.

Первый работающий 2-кубитный квантовый процессор на сверхпроводниках.

Работающий прототип первого 2-кубитного квантового процессора на сверхпроводящих материалах.

Первый квантовый байт.

Авторы: австрийские ученые из Института экспериментальной физики при Университете Инсбрука.

Директор: Алексей Акимов.

Впервые в России создан сверхпроводящий кубит.

Первый работающий квантовый 50-кубитный компьютер.

Авторы: исследователи из лаборатории IBM.

Квантовый процессор Google Bristlecone с рекордными 72 кубитами.

Авторы: разработчики из Google Quantum AI Lab.

Принципиально новый кубит на сплошной сверхпроводящей нано-проволоке.

Авторы: сотрудники стартапа IonQ при Университете Мэриленда (США).

Коммерциализация: квантовые системы для практического применения в науке и бизнесе

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Начало продаж первого коммерческого квантового компьютера D-Wave One по цене $11 млн.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Создана 1QB Information Technologies (1QBit) — первая в мире компания по выпуску ПО для квантовых вычислений.

Учредители: Google, NASA, D-Wave, USRA.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

IBM Research впервые открыла публичный доступ к облачному сервису квантовых вычислений IBM Quantum Experience.

Разработка: компания IBM.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Разработка: компания IBM.

IBM позиционирует платформу IBM Q как решение для выпуска коммерческих квантовых вычислительных систем.

Разработка: британский офис Map Project Office и Universal Design Studio, производство компании Goppion для IBM.

Разработка: компания IBM.

План запуска коммерческого квантового компьютера D-Wave Next Gen на базе процессора с более чем 5000 кубитов.

Разработка: компания D-Wave Systems (Канада).

Когда квантовые компьютеры будут применять массово: прогнозы в области квантовых вычислений

В 2022-2024 году

В 2023 году

В 2030-х годах

Никогда

М. И. Дьяконов, российский физик. Считает, что практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, поэтому нельзя создать квантовый компьютер, который превзойдет обычный.

Что такое квантовый компьютер

Привычные нам компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а наименьшей единицей хранения информации является бит. Он может принимать строго одно из двух значений: 0 или 1. При решении задачи ПК проводит множество последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени.

Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Для решения любых алгоритмических задач они используют квантовые биты — кубиты.

Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. В итоге та задача, на выполнение которой у обычного компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом компьютере за секунду.

В настоящее время усилия ведущих игроков сосредоточены в направлении разработки специализированных квантовых вычислителей для конкретной задачи (так делает D-Wave) и универсальных квантовых компьютеров для решения разных задач (IBM, Google).

Правда, в IBM оспорили утверждение Google. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Это позволил предположить теоретический анализ.

Юнусов рассказал, что перед отечественными разработчиками стоит задача к 2025 году построить квантовые процессоры на четырех основных платформах: сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, а также создать облачный софт, который позволил бы работать с этими процессорами удаленно, вне лабораторий. На реализацию дорожной карты предусмотрено финансирование в размере 23,7 млрд рублей.

Как работает квантовый компьютер

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

(разложения числа на простые множители) (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных) (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)

Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.

Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).

Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.

Чем квантовый компьютер превосходит обычный?

Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью.

Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой. А решение этой задачи позволило бы более грамотно выстраивать навигацию и планировать маршруты по всему миру, что удешевило бы и упростило перемещения людей и грузов. Подобного рода исследования уже проводит Volkswagen совместно с D-Wave и Google.

Квантовый компьютер способен обрабатывать огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения проблем в этих отраслях.

Наконец, квантовые системы способны найти новые методы шифрования и легко взламывать даже самые сложные шифры.

IBM Quantum уже работает с клиентами над решением подобных проблем. Компания помогает разработать новое поколение электромобилей на технологии квантовых батарей с Daimler; технологию снижения выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия экологичных материалов с ExxonMobil: ищет истоки зарождения Вселенной вместе с CERN. А Google использовала Sycamore для точного моделирования химической реакции.

Читайте также: