PrestaShop Theme

Блог о компьютерах, сетях, касперском, программном обеспечении

Блог системного администратора о сетях, компьютерах, передовых технологиях и многом ином
Квантовый компьютер - миф или реальность?

Квантовый компьютер — миф или реальность?

0
#

Хотя создание квантового компьютера не рассматривается как близкая перспектива, исследования в этой области проводятся довольно интенсивно. Несколько интересных результатов было достигнуто в прошедшем году.

 

Квантовый компьютер — основы теории

Каков бы ни был кванто­вый компьютер, крайне желательно, чтобы в его производстве использовались существующие методы. Именно этот тезис был положен в ос­нову исследований в Универ­ситете технологии в г. Делфт (Дания). Были изучены два типа кьюбитов: один на базе тонких сверхпроводящих колец и дру­гой — на квантовых точках (на­помним, что в квантовой точке движение частиц ограничено в трех направлениях и энергети­ческий спектр полностью дис­кретный, как в атоме, поэтому квантовые точки называют также искусственными ато­мами, хотя они состоят из тысяч атомов).
Ученые впервые реализовали на двух кьюбитах на сверхпро­водящих кольцах вы­числения с квантовым венти­лем «управляемое НЕ» (Cont-rolled-NOT, CNOT). CNOT пере­ворачивает второй (целевой) кьюбит тогда и только тогда, когда первый кьюбит (управ­ляющий) содержит логическую единицу. Классический аналог квантового вентиля CNOT — это XOR. Результат является важ­ным, поскольку с помощью этого вентиля может быть ре­ализовано любое заданное квантовое вычисление. Суть в том, что любая квантовая цепь может быть симулирована с произвольной степенью точ­ности, используя комбинацию CNOT и ротаций единственного кьюбита.
Слова «впервые …на сверх­проводящих кольцах» выделены неспроста. Дело в том, что в 2003 г. Джереми О'Брайен (Jeremy O'Brien) с коллегами из Квинслендского университета (Австралия) построили (тоже первый) квантовый вентиль CNOT на фотонах. Первая конс­трукция не могла служить стро­ительным блоком квантового компьютера, поскольку была выполнена из обычных опти­ческих компонентов, таких как зеркала и расщепители лучей, и занимала целую лабораторную скамью. В новой версии, представленной в 2008 г., группе удалось создать сотни вентилей CNOT в куске кремния размером около миллиметра. Для этого были использованы связанные волноводы -каналы микронной ширины в прозрачном кварце, которые удалось вырастить в кремние­вой подложке. В 2009 г. команда сделала еще один шаг вперед, построив на базе имеющихся результатов устройство, выпол­нившее первые математические вычисления. Задача состояла в том, чтобы разложить число 15 на простые множители. В результате был получен ответ 3 и 5. Вычисления осуществлялись с применением алгоритма Питера Шора (Peter Shor), пред­ложенного в 1994 г.
Продвинулась на пути пост­роения квантового компьютера и команда исследователей Йель-ского университета, создавшая первый элементарный твердотельный квантовый процессор. Они также использовали двухкьюбитовую сверх­проводящую схему для выпол­нения простейших алгоритмов, таких как простой поиск, про­демонстрировав впервые кван­товую обработку данных с по­мощью твердотельного уст­ройства.
«Наш процессор может вы­полнять только несколько очень простых квантовых задач, решение которых было продемонстрировано ранее с использованием кьюбитов на ядре, атомах и фотонах, — по­ясняет профессор прикладной физики Роберт Шелкопф (Robert Schoelkopf) из Иеля. — Но впер­вые эти операции стали воз­можны на полностью электрон­ном устройстве, во многом по­добном обычному микропро­цессору».
Группа сконструировала два кьюбита на базе квантовых то­чек. Достижение, которое сде­лало двухкьюбитовый процес­сор возможным, заключалось в механизме внезапного пере­ключения состояния кьюбитов, так что они обменивались ин­формацией быстро и только тогда, когда исследователи хо-тели этого. В дальнейшем команда намерена работать над тем, чтобы увеличить время сохранения кьюбитами своего состояния. Это требуется для выполнения более сложных алгоритмов.
Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB, США) достигли успеха в управлении квантовыми со­стояниями электрона с помо­щью высокочастотного элект­ромагнитного поля, что может оказаться полезным при разра­ботке квантовых вычислений.
Исследователями была про­демонстрирована возможность манипулировать квантовыми состояниям электрона, захва­ченного отдельными дефектами в кристалле алмаза посредством электромагнитного поля час­тотой несколько гигагерц. Это может помочь в создании кван­товых компьютеров, которые для вычислений используют спины электронов.
С помощью волноводов в чипе на базе алмаза удалось со­здать магнитные поля доста­точно большие, чтобы изме­нить квантовое состояние де­фекта менее чем за одну мил­лиардную долю секунды. Мик­роволновая техника,использу­емая в эксперименте, анало­гична той, которая применя­ется для формирования изоб­ражений с помощью магнит­ного резонанса.
Основным достижением в этой работе является то, что она открывает новые перспективы в технике использования резонансных технологий. С помощью данного эксперимента ученые хотели выяснить практический предел скорости изменения квантовых состояний в алмазе. Результаты показали, что эта скорость превысила су­ществующие предположения. «С точки зрения информацион­ных технологий управление квантовыми системами еще мало изучено, — заметил проф. Дэвид Авшалом (David Awscha-lom) из UCSB. — Поэтому крайне интересно было обнаружить, что можно управлять кванто­выми состояниями всего не­скольких атомов на частотах, которые сравнимы с применя­емыми в обычных ПК».

 

 

Разработки, выполненные в NIST — квантовый компьютер

 

В прошедшем году исследова­тели из Национального инс­титута стандартов и техноло­гий (NIST, США) были очень активны, поэтому их резуль­таты выделены в отдельный раздел.
В июле они сообщили о том, что нашли способ управлять ин­дивидуальными кьюбитами в квантовом процессоре без ис­кажения данных, хранимых на соседних кьюбитах. Новый под­ход, в котором применялся по­ляризованный свет для созда­ния «эффективных» магнитных полей, может приблизить пос­троение реального квантового компьютера. Главной пробле­мой здесь является управление носителями данных, сохраня­ющее изоляцию от окружающей среды. Один из подходов предполагает в качестве кью­битов использовать изолиро­ванные атомы рубидия. Каждый такой атом может находиться в одном из восьми разных энергетических состояний, так что задача заключается в том, чтобы выбрать два из них для представления логических О и 1. В идеале эти два состояния должны быть полностью нечувствительны к паразитным магнитным полям, которые мо­гут разрушить суперпозицию (снять вырождение). Однако такие «устойчивые» состояния делают кьюбиты менее чувс­твительными к управляющим магнитным полям. «Это похоже на уловку-22, — говорит Натан Лундблад (Nathan Lundblad) из NIST. — Чем больше кьюбиты чувствительны к индивидуаль­ному управлению, тем труднее добиться их корректной ра­боты».
Чтобы решить проблему ис­пользования магнитных полей для управления индивидуаль­ными атомами, сохранив невосприимчивость к паразитным полям, команда использовала две пары энергетических состо­яний в каждом атоме. Каждая пара подбиралась для выполне­ния специальной задачи. Одна применялась как память, тогда как другая — для вычислений.

Хотя каждая пара была нечувс­твительна к паразитным полям, переход между состояниями «память» и «вычислитель» был управляем. При этом состояние «память» соседнего атома не возмущалось. Данный подход был продемонстрирован на мас­сиве атомов, сгруппированных в пары, и к каждому атому пары можно было адресоваться ин­дивидуально (рис. 3).
В начале августа появилось сообщение о том, что физики из NIST представили устойчивые операции по обработке ин­формации на ионах. Эта работа преодолела существенные пре­грады в масштабировании тех­нологии с использованием ион­ных ловушек.

В новой демонстрации иссле­дователи неоднократно выпол­няли комбинированную после­довательность из пяти опера­ций квантовой логики и 10 транспортных операций при сохранении и управлении дво­ичными 0 и 1 на ионах, выпол­няющих роль кьюбитов в гипо­тетическом квантовом компью­тере, и сохранении способности последовательно манипулиро­вать информацией.
Новое исследование комби­нирует ряд ранее достигнутых результатов и в то же время ре­шает две хронические про­блемы, которые были им при­сущи: охлаждение ионов после транспортировки, так что их легко разрушающиеся кванто­вые свойства могут быть ис­пользованы для последующих логических операций, и хране­ние значений данных на специ­альных состояниях ионов, ус­тойчивых к нежелательным из­менениям блуждающими маг­нитными полями.
Как результат, исследователи из NIST продемонстрировали в малых масштабах все требова­ния к крупномасштабному квантовому процессору, бази-рующемуся на ионах. Ранее они могли выполнять последова­тельность процессов несколько раз, но теперь выполняют их все вместе и многократно: 1) «инициализация» кьюбитов к желаемым начальным состо­яниям (0 или 1);2)сохранение кьюбита данных на ионах; 3) выполнение логических опе­раций на одном или двух кью-битах; 4) передача информации между различными зонами в процессоре; 5) считывание результатов с индивидуальных кьюбитов.
В эксперименте, выполнен­ном в NIST, кьюбиты хранились на двух ионах бериллия, удерживаемых в ловушке с шес­тью различными зонами. Для перемещений ионов из одной зоны в другую использовалось электрическое поле, а для из­менений энергетических со­стояний ионов применялись импульсы лазера специальной частоты и длительности. Уче­ные продемонстрировали пов­торяемую последовательность логических операций (четыре однокьюбитовых и одну двух-кьюбитовую) на ионах и обна­ружили, что частота появления ошибок не увеличивается при переходе от серии к серии, не­смотря на перемещения кью­битов на макроскопические расстояния (около 1 мм).
Исследователи применили в квантово-информационном процессе две ключевые инно­вации. Первая заключалась в том, что они использовали два иона магния для охлаждения ионов бериллия после транс­портировки, обеспечив тем са­мым возможность продолжить выполнение логических опе­раций без дополнительных ошибок вследствие нагревания в результате транспортировки. Сильное электрическое взаимодействие между ионами позволило охлажденному ла­зером магнию охладить ионы бериллия без искажения хра­нящейся информации.Такой метод охлаждения был приме­нен впервые для двухкьюби-товых логических операций.
Другой значительной инно­вацией было использование трех разных пар энергетических состояний ионов бериллия, чтобы удерживать информацию в течение разных шагов про­цесса обработки. Это позволило сохранять состояния ионов, не­смотря на разрушающее воз­действие магнитных флуктуа­ции во время их транспорти­ровки.
Эксперимент начался на двух кьюбитах, удерживаемых в раз­ных зонах ионной ловушки, так что их состояниями можно было манипулировать индиви­дуально, выполняя однокьюби-товые логические операции и считывая результаты. Далее ионы были собраны в одной зоне ловушки для двухкьюби-товых операций, а затем снова разделены и перемещены в раз­ные зоны для последующих од­нокьюбитовых операций. Чтобы оценить эффективность процессов, ученые выполнили эксперимент 3150 раз для каж­дого из 16 различных началь­ных состояний.
Квантовый процессор NIST работал с точностью 94%- оценка получена путем усред­нения по всем итерациям экс­перимента. Частота ошибок была одинаковой для каждого из двух последовательных пов­торений логической последо­вательности операций, демонс­трируя, что операции изолиро­ваны от ошибок, которые могли быть вызваны транспортом ио­нов. Частота ошибок составила 6%, что еще далеко от порого­вого значения 0,01% для отка­зоустойчивых квантовых вы­числений.
Однако существуют и более приземленные проблемы: уче­ные успешно выполнили пять циклов логических операций и транспортировок, но попытка продолжить потерпела неудачу из-за отказа обычного компью­тера, используемого для управ­ления лазерами и ионами в квантовом процессоре.
До сих пор описываемые ус­тройства могли решать очень узкий круг задач. Создание пер­вого «универсального» про­граммируемого двухкьюбито-вого квантового процессора, сообщение о котором появи­лось в ноябре, является сущес­твенным шагом на пути к кван­товому компьютеру общего на­значения.
Физики из NIST продемонс­трировали устройство,способ­ное выполнить любую про­грамму, допускаемую законами квантовой механики . Процессор может служить мо­дулем в квантовом компьютере будущего, который сможет ре­шить ряд важных проблем, не поддающихся этому сегодня. Устройство способно выполнять программируемую обработку, обеспечивая ввод данных и непрерывность выполнения любой возможной двухкьюбито-вой программы.
Команда из NIST также про­анализировала квантовый про­цессор с помощью методов, ис­пользуемых в традиционной те­ории вычислительных машин и электронике, создав диаграммы цепей обработки и ма­тематически определив 15 раз­личных начальных значений и последовательностей операций обработки, необходимых для выполнения задаваемой про­граммы. «Впервые продемонстрирован программируемый квантовый процессор более чем для одного кьюбита, — ска­зал Дэвид Ханнеке (David Hanneke), первый автор опуб­ликованной в Nature Physics статьи. — Это является шагом навстречу конечной цели — вы­полнению вычислений на большом массиве кьюбитов. Идея в том, чтобы иметь много таких процессоров и соединить их вместе».
Представленный процессор хранит данные на двух ионах бериллия, которые находятся в электромагнитной ловушке и управляются с помощью ультрафиолетовых лазеров. Два иона магния в ловушке помогают охлаждать ионы бе­риллия.
Ученые могут манипулиро­вать состояниями каждого кьюбита, включая получение состояния суперпозиции зна­чений «1» и «О», самого сущес­твенного преимущества кван­тового мира. Они также могут зацеплять два кьюбита, квантового феномена, при ко­тором пара частиц не теряет связь, даже если они физи­чески разделены.
Исследователи из NISTBbi-полнили 160 различных про­грамм на двух кьюбитах. Хотя имеется неограниченное ко­личество возможных двухкью-битовых программ, данный набор из 160 является доста­точно большим и разнообраз­ным, чтобы считать процессор «универсальным». Непос­редственно выбор программ, которые исполнялись, был сде­лан с помощью генератора псевдослучайных чисел. Такой подход был выбран, чтобы из­бежать сдвига при тестирова­нии процессора, в результате чего может оказаться, что не­которые программы работают лучше или дают большую точ­ность, чем другие.
Кьюбиты на ионах являются одним из нескольких способов их создания. Если они смогут быть построены, то кван­товые компьютеры нашли бы широкое поле применения в таких задачах, как взлом шиф­ров и защита электронных транзакций. Вдобавок к ис­пользованию в качестве мо-дуля в квантовом компьютере новый процессор может при­меняться как миниатюрный симулятор взаимодействия любой двухуровневой кванто­вой системы. Большие кван­товые симуляторы могут, к примеру, помочь объяснить загадку высокотемпературной сверхпроводимости.
В статье указано, что каж­дая программа содержала 31 логическую операцию, 15 из которых изменялись в про­цессе программирования. Ло­гическая операция в данном случае заключалась в прави­лах манипуляции одним или двумя кьюбитами.
Программы не могут выпол­нять легко описываемые ма­тематические вычисления. Можно сказать, что они вклю­чают разнообразные однокью-битовые «вращения» и двух-кьюбитовые зацепления.
Каждая программа работала точно в среднем 79% времени в объеме 900 запусков, кото­рые длились по 37 мс. Чтобы оценить процессор и качество операций, ученые из NIST сравнили измеренные выход­ные данные программы с пред­сказанными теорией резуль­татами. Они также выполнили дополнительные измерения на 11 из 160 программ, чтобы более полно реконструировать их работу, и двойную проверку выходных данных.
Как отмечено в статье, для решения более сложных про­блем необходимо намного больше кьюбитов и логичес­ких операций. Значительной проблемой для будущего ис­следования будет снижение ко­личества ошибок, возникаю­щих в процессе выполнения последовательности операций. Требуется существенно увели­чить точность программы, как для того чтобы достичь устой­чивых к сбоям вычислений, так и уменьшения непроизводительной вычислительной нагрузки, необходимой для коррекции ошибок.
В заключение заметим, что данный обзор не претендует ни на полноту, ни на глубину. Его цель — дать представление о том, какие изыскания про­водятся в этой области.

Леонид Бараш
 


Оставить комментарий