Квантовый компьютер всё ещё не выходит, зато получилось много других интересных штук

    Михаил Лукин — наш соотечественник и специалист по квантовой физике. В прошлом месяце он впервые за последние 20 лет читал доклад на русском языке, рассказывая в Digital October о сути своей работы.



    Михаил занимается квантовыми компьютерами: пока, собственно, компьютер не получается, зато получается много других интересных практических применений среди которых высокоточные сенсоры и сверхточные часы.

    Что вообще творится в квантовой физике сейчас?


    Чтобы объяснить суть происходящего в этом направлении науки, стоит вспомнить историю лазера. Изначально лазер был изобретён как своеобразная научная игрушка: удивителен, но совершенно не имел практического применения. Лет десять подряд после его изобретения учёные шутили, что это ответ, который ищет свою задачу. Что было после – вы знаете: задач нашлось целое море, причём одна из самых больших – это передача данных по оптоволоконным системам, составляющим, по сути, физическую сущность Интернета.

    В настоящий момент у квантовых физиков есть несколько подобных «игрушек», каждая из которых является достаточно интересной вещью с точки зрения фундаментальной науки, но пока не имеет ярко выраженного практического применения. Вот пример: сейчас нужно около 1000-2000 атомов, чтобы закодировать один бит. По закону Мура через 10 лет потребуется всего один атом для кодирования такого же объёма информации. Классическая природа отойдёт в сторонку и за дело примутся квантовые физики, которые уже с нетерпением смотрят на возможные инвестиции оценивают перспективы.

    Может ли отдельный атом хранить информацию? В теории – да. Ядро и электрон вроде бы отдельные части, всё, по идее, похоже на старые принципы хранения данных на жестких дисках, но просто лежит уровнем ниже… но в квантовом мире перенос обычных процессов не работает. По сути, мы упираемся в фундаментальный предел.

    Волшебное слово «невозможно»


    Если хранить данные классическим образом не выходит, нужны новые механики. Именно ими занимается Михаил и группа его коллег. Понимание того, что нужны новые процессы обработки данных, открывает новые перспективы:

    Электроны и ядра имеют маленький магнитный момент – спин. Можно представить, что электрон или ядро крутиться вокруг своей оси и из-за этого вращения у него появляется некая полярность, у него появляется магнитный момент. Этот магнитный момент можно рассматривать как некую магнитную память. В этом случае единичку можно закодировать в магнитик, который будет смотреть вверх, а нолик – в магнитик, который будет смотреть вниз. Вот, это самое простое свойство позволяет нам закодировать классический бит информации. Оказывается, что это магнитное свойство частиц, оно, как бы, квантовый объект. Квантовые законы описывают поведение частиц на таких маленьких размерах. Оказывается, что мы не только можем записать ноль и единичку, также мы можем записать то, что между ними, то есть мы можем записать так называемую суперпозицию (комбинацию) 0 и 1. Это можно себе представить, как магнитик, который будет повернут не наверх или вниз, а как магнитик, который повернут куда-то в сторону. Это очень важное свойство квантовых систем, которое позволяет закодировать не просто классический бит, а, так называемый, квантовый бит информации.




    Если приложить законы квантовой механики, например, к столу к этому, то, в принципе, по этим законам, возможно, создать состояние этого стола такое, что он будет находиться у меня в Кембридже и одновременно в Москве в Digital October.


    Упрощая, один квантовый объект (подобно кошке Шредингера) может отдавать два разных набора данных в один момент времени. Это открывает возможности не только для построения накопителей нового типа, но и позволяет использовать квантовые объекты для создания процессоров нового типа. Возможно закодировать сразу несколько возможных состояний в один бит позволяет перерабатывать информацию с очень высокой степенью распареллеливания. Эта идея квантового ускорения, которая является главной идеей в развитии квантовых компьютеров.

    Главная проблема на текущий момент с квантовыми компьютерами — эти ячейки просто адски чувствительны ко внешним возбуждениям. Соответственно, пока одна группа учёных пытается как-то стабилизировать микромир, вторая группа использует эти свойства и делает сенсор нового поколения, превосходящей по чувствительности всё то, что было возможно в мире масштабов сотен и тысяч атомов.

    И что со всем этим делать?


    Теперь самое главное: как можно записывать информацию, считывать, каким образом перерабатывать информацию, сохраненную в отдельных атомах? Здесь используется пересечение лазерных технологий и резонансных методов (тех самых, которые используются при обследовании мозга в больницах). Первые исследования в этой сфере начались ещё в СССР, в частности, Владленом Летоховым, идеи которого определяют развитие науки до сих пор. В частности, он был изобретателем лазерного охлаждения: он придумал как использовать лазер для движения, детектирования и охлаждения атомов. Сейчас системы, в которых отдельные ионы сохраняются в вакуумной трубке в электромагнитных ловушках — одни из наиболее вероятных платформ для реализации квантовых компьютеров.


    Владлен Летохов

    Уже есть относительно большие по современным меркам квантовые компьютеры (прототипы), которые имеют 4 кубита и могут производить разнообразные вычисления. Уже понятно, что на основе этих исследований можно говорить о революции в области сенсоров, появлении контролируемых квантовых материалах, сверхбыстрой передаче данных и криптосистемах нового поколения. Можно ли будет собрать квантовый компьютер в реальности? Пока учёные просто не знают ответ на этот вопрос, но попытки продолжаются уже лет 15 – и если получится не компьютер, то ответы к другим задачам — точно.

    Например, квантовые сенсоры и атомные часы – это темы, которые уже сейчас разрабатываются с огромным прикладным уклоном. Например, атомные часы являются ключевым звеном и сети GPS и ГЛОНАСС. Самые точные атомные часы используют квантовые биты, которые закодированы в охлажденных ионах – аккурат такие, которые используют сейчас при создании квантового компьютера. Стоит улучшить точность на порядок – и появится возможность точной навигации, например – автотранспорта без водителей. Это пример глобальных последствий маленького научного достижения. Таких примеров сотни.

    Какие есть проблемы?


    Их сейчас две. Первая — экзотичность компьютеров. С увеличением размеров системы от прототипа до более-менее практически-допустимой схемы, всё становится сложнее: например, с вакуумными трубками возникает проблема одновременной изоляции и контроля, что нужно решать. Вторая проблема — это вопрос того, что делать с квантовыми компьютерами на практике: текущий уровень разработок предполагает очень серьёзную нестабильность, практически исключающую сколько-нибудь практическое применение за стенами лаборатории. Как и лазер в начале, это пока просто игрушка, которая обещает стать чем-то очень серьёзным.

    Отчасти задача решается. Михаил Лукин со своей командой смог создать квантовый бит, который использует спин отдельного ядра и работает при комнатной температуре. При этом состояние сохраняется макроскопически долгое время (дольше 1 секунды) — по меркам квантовой физики это всё равно что сто лет. Основная идея этой работы – использовать отдельные атомы, которые вживляются в алмазные образцы.

    Почему алмаз?


    Во-первых, он твёрдый. Во-вторых — уникальный полупроводник с большой шириной запрещенной зоны. Алмаз также очень хороший теплопроводник. В экспериментах используется два разных типа алмаза: выращенный кубик макроскопических размеров (много таких объектов – алмазная пыль). Они получаются очень чистыми, практически без примесей. Если добавить примесь, то она может, по существу, быть сравнима с отдельным изолированным атомом, таким, каким является отдельный ион в вакуумной трубке. Здесь разница в том, что атом сохраняется в твердотельной матрице даже при комнатных температурах. Используется атом азота, который замещает атом углерода в центре матрицы. Оказывается, что энергетически выгодно иметь пустое место: это одна из немногих примесей в алмазе и она имеет свойства, очень похожие на свойства иона.



    Почему? Потому что эта примесь излучает свет. Что показано тут – это чистый алмаз, в котором отдельные атомы светятся. У него тоже есть вот этот спин. Есть магнитный момент, про который я говорил уже раньше, в который можно закодировать магнитную квантовую информацию. Эти примеси можно создавать, начиная с чистого алмаза просто бомбардируя его ионами азота. Это пример такой, где сделано некое упорядочивание и образец, созданный на этом Nitrogen-Vacancy color center.



    Нанокристаллы алмаза

    То есть чтобы создать ядерный кубит, используется ядро из изотопов углерода. Алмазная решетка состоит из 2 изотопов углерода с атомными номерами 12 и 13. Только один из них имеет магнитный момент, только один из них имеет спин, и его можно использовать как кубит.



    Выращивается образец, который состоит, практически, исключительно из изотопа с атомным весом 12, и после этого он используется чтобы измерять отдельные ядерные магнитные моменты. Лазер фокусируется его на одном из его центров, затем замеряется количество испускаемого света, чтобы измерить соседние ядра. Количество света прыгает между 2 разными уровнями. Каждый из этих уровней соответствует определенной ориентации ядерного магнитного момента. Именно эта дискретность уровня света показывают, что эта система – квантовая система. Итак, у нас есть стабильная модель квантовой системы.

    Одна квантовая система может жить в одном состоянии целые минуты. Для того чтобы действительно сделать эту систему кубитом, нам нужно обеспечить суперпозицию состояний. Недавние измерения показывают нам, что можно сохранять эту квантовую память на протяжении нескольких секунд. Это очень важно: обычный кубит живёт от миллионной до миллиардной доли секунды. Михаил считает, что время жизни можно будет удлинить до минут, а может быть даже до часов.

    На стенде – круто, на бумаге тоже, но что дальше?


    Кубитами могут быть отдельные атомы азота. В алмазе они могут взаимодействовать между собой. Михаил пытается увеличить количество кубитов, чтобы создать новый процесс. Второй вариант развития событий — разработки квантового интернета, фотоны будут использоваться для передачи информации памяти локальному процессу.

    Одно из возможных приложений – это идея Стефана Бизнера, которая начала всю область квантовой информатики. В 69 году он предложил использовать квантовые биты, чтобы сделать, так называемые квантовые деньги. Идея квантовых денег заключается в следующем: если закодировать информацию в квантовом виде, её невозможно скопировать, но измерив правильным образом, можно подтвердить ее достоверность.

    Как работают квантовые деньги?


    У вас есть банкнота, и в этой банкноте есть несколько квантовых бит. Если кто-то захочет скопировать эту банкноту, ему придется измерить ориентацию всех квантовых битов. Если мы кодируем информацию в суперпозицию состояний, то невозможно понять, какое реальное состояние кубита было закодировано. В то же время банк, который закодировал информацию, знает, какое было направления кодировки и может подтвердить, что это настоящая банкнота.

    Это простая идея, но конце 60-х годов никто в неё не верил. Сам Визнер пытался опубликовать статью с описанием этой теории почти 10 лет. Сейчас эта идея – базис для направления работы в плане сохранения и передачи информации.

    Ещё приложения?


    Исследования показывает, что можно увеличить разрешение томографии до таких пределов, что можно видеть на отдельные атомы или молекулы. Команда Михаила собрала сканирующий сенсор из алмаза. На кончике размещается отдельный атом азота: измеряя свойства этого атома по методике, описанной выше, можно измерить локальное магнитное поле. В частности, в этом эксперименте было измерено магнитное поле, которое создается классическим жестким диском с разрешением порядка 3 нм. Более того, оказывается, что такие эксперименты можно делать даже внутри живущих организмов: можно измерять магнитные поля и делать магнитную томографию живых клеток с просто невероятным разрешением. Это, кстати, очень важно, например, для понимания работы мозга.

    Есть другие группы, работающие в этом направлении?


    Да, в России есть Scontel, плюс Михаил знает ещё как минимум команду, которая пытается сделать квантовый компьютер.

    Ссылки


    Digital October
    55,00
    Компания
    Поделиться публикацией

    Комментарии 33

      +2
      Круто.
        +7
        Если честно, то «круто» это слишком мелкое определение… Иногда оборачиваясь назад, кажется "батюшки, как невероятно я продвинулся в своих технических знаниях, какими высокотехнологичными сущностями я оперирую которые не доступны обычному человеку", но читая подобные статьи сидишь и думашь "мда, мой уровень знаний просто жалок в сравнении с этим"… И чувствуешь себя дикарем сидящим в пещере. =)))
          +1
          >>> какими высокотехнологичными сущностями я оперирую которые не доступны обычному человеку

          А ну-ка! :-)
            +1
            Вот тоже подумал, что наши дети будут считать всю нынешнюю кремниевую электронику каким-то пережитком прошлого. Ну, как это произошло с ламповыми машинами.
              0
              А для внуков кремниевые топоры и кремниевые компьютеры будут одинаковые ассоциации порождать :)
              0
              Ну да… Боюсь в недалеком будущем вычислительные мощности будут настолько велики, что адаптивные алгоритмы, да и вообще любые, кроме тупого перебора и решения задачи «в лоб» просто вымрут…
                +2
                Ну вы что-то уж совсем полную деградацию себе представляете =) Я более оптимистично настроен — программисты перейдут на новый уровень (как с асма на си перешли): программирование будет сводится к точным описаниям "вот тебе входные данные, а вот выходные должны быть вот такими, отклонения допускаются такие" и компьютер будет сам вычислять/создавать нужную последовательность оптимальных команд, циклов, ветвлений выдавая в итоге программу которая и будет выполнять преобразоване входных данных к выходным =) Программисты будущего будут учиться грамотно проектировать входные/выходные данные и не отвлекаться на промежуточные глупости типа «как написать программу», точно так же, как щас мы не паримся о том чтобы корректно загрузить конвейеры процессора — это задача компилатора )))
                  0
                  Интересные у Вас мысли :)
                  Время покажет, нам остается только быть зрителями рождения новой вехи в компьютерной истории
                    +2
                    Мне все же хочется быть не зрителем, а участником… но пока все эти кубиты, суперпозиции да неопределенности никак не влазят в мой двоично-настроенный мозг =)))
                    +1
                    Зачастую и сейчас к этому сводится, только создавать приходится самому — Юнит-тесты, TDD и т. п. как раз сводятся к «вот тебе входные данные, а вот выходные должны быть вот такими»
                      0
                      Вряд ли там будут циклы, ветвления и вызовы — скорее, что-нибудь вроде потомков современных FPGA, дающее высокую параллельность обработки и одновременно устойчивое к квантовым ошибкам на уровне отдельных битов. Instruction Pointer вообще кажется какой-то затычкой «от бедности» и тупиковой ветвью эволюции.
                0
                Вдохновляющая статья. Главное, что бы они продолжали работать.
                  0
                  > «пока, собственно, компьютер не получается»

                  Не очень понятно в свете заявлений IBM (http://habrahabr.ru/post/139056/). В IBM изрядно лукавят?
                    0
                    Но здесь обсуждаются конкретные достижения конкретного ученого и его команды. Разве нет?
                      +2
                      Возможно. Потому и хочется разобраться, квантовый компьютер в краткосрочной перспективе не получается только у них. Либо у IBM он в краткосрочной перспективе (ну, например, 1 год) тоже не получается. И это просто достаточно громкое заявление IBM, подразумевающее, что скорее всего, лет так через 5 они ожидают, что смогут делать квантовые компьютеры с определенными ограничениями.
                        +1
                        Вообще IBM вполне позволительно немного приврать, сих-то заслугами в мировой индустрии. Хотя с чего бы — у них ведь есть стабильное финансирование и никто не сомневается, что в лабораториях IBM все по последнему (и даже, скажем так, по следующему) слову. Поэтому сложно сомневаться в их словах :)

                        По этой причине, кстати, лично я и восхищаюсь учеными из стран СНГ, которые чего-то добиваются или действительно стремятся к этому — условия работы отличаются на порядок, но не смотря на это люди все равно продолжают работать.
                      0
                      Когда я смотрел лекцию Михаила Лукина, он там говорил, что (насколько помню) компьютеры из 50 кубит создать вполне возможно с существующими технологиями. А вот больше кубит на данном этапе технологий создать нельзя. Это если говорить именно про «чистые» квантовые компьютеры. Сейчас уже на рынке появляются первые, так называемые, квантовые компьютеры, но невозможно узнать, что у них лежит внутри.
                      К слову, он говорил, что для работы квантового сенсора, необходимо примерно 100-200 кубит производительности. И он вообще не уверен, можно ли создать квантовые компьютеры с тысячами кубит. В ближайшие несколько лет, скорее всего, будит найден ответ на этот вопрос.
                        0
                        D-Wave на своем сайте пишет, что они уже продают 128-кубитные схемы. Про технические характеристики удалось найти только, что «the processor is made up of 128 qubits, 352 couplers and nearly 24,000 Josephson junctions. The qubits are arranged in a tiling pattern to allow them to connect to one another.»
                      +5
                      Вот пример: сейчас нужно около 1000-2000 атомов, чтобы закодировать один бит. По закону Мура через 10 лет потребуется всего один атом для кодирования такого же объёма информации.

                      Мне кажется что до хранения бита информации в одном атоме — ещё очень далеко. Сейчас необходимость уменьшения размера бита продиктована в основном тем, что сейчас почти все носители информации хранят данные в 2D (на диске HDD/CD, в плоскости подложки микросхемы). Мне кажется человечество сначала научится хранить данные в 3D, ведь даже если предположить, например, что для кодирования бита нам требуется 100000 атомов, то максимальное кол-во информации которое можно сохранить в 1 грамме воды — 682121 Тбайт (исходя из молярной массы).
                        0
                        Научились хранит 1 бит в одном атоме (или его отсутствии — как перфокарта типа) ещё в 80-х, емнип. IBM точно в этом направлении работала и научились точно размещать атомы на подложке. Дело за малым — перенести это из лабораторий в промышленные масштабы.
                          0
                          Хранить то получилось, но на очень короткое время… К тому же любое даже небольшое взаимодействие может изменить состояние атома (прощай мобильность). Надёжность хранения тут очень небольшая, придётся очень постараться чтобы её повысить и тем самым вывести на промышленный уровень. Но пройдёт лет 50 и ёмкости в 2000 ТБайт на жёстком диске уже будет мало. Тут мы снова упираемся в фундаментальное ограничение, но на этот раз ещё более жёсткое — как хранить более бита в одном атоме?
                            0
                            Как-то это противоречит вашему предыдущему посту (про 682121 ТБайт в грамме воды). Или вы собираетесь ставить 2000ТБ диски на нанороботов?
                            А более 1 бита в атоме хранить легко: пусть протон означает «1», а нейтрон «0». Или, для устойчивости, пара «протон-нейтрон» — 1, а «нейтрон-протон» — 0. Вот только сможем ли мы уместить несколько таких пар в одном ядре с сохранением их информации?
                              0
                              Где же тут противоречие? 2000 Тбайт — это ёмкость жёсткого диска 3,5'' при хранении 1бит в 1 атоме (при условии что технология остаётся той же, данные хранятся так же в плоскости магнитного диска 1 ТБайт * 2000, где 2000 — кол-во атомов которые используются сейчас для хранения бита, цифра указана в статье).
                              682121 ТБайт — это ёмкость 1 г воды исходя из молярной массы при хранении одного бита в 100000 атомов (6*1023 / (18 * 100000) бит).
                              Про то что «легко» хранить это вы загнули, легко представить да не легко реализовать. Не очень понял, что вы будете использовать в качестве носителя информации? Изотопы? Кварки?
                                0
                                Просто «хранить информацию в 3D» выглядит намного реалистичнее, чем «хранить более 1 бита в атоме». И является менее фундаментальным ограничением.
                                При линейном размере элементов в 30 нм кристалл в 1 см3 будет содержать примерно 3*1016 элементов. Если 1% из них будут ячейками памяти, то 2000TB займут 50 см3 — это при том, что на 1 бит в такой схеме будет приходиться несколько миллиардов атомов. И когда дело дойдет до оптимизации этой схемы, возникнет огромный спрос на специалистов с опытом игры в MineCraft…
                                Реализовать хранение информации в ядрах? Да, при нашем уровне знаний и технологии нелегко. Понадобятся фемтомашины. И структурой будут либо изотопы (или как они называются — когда число нейтронов одинаково, но структура ядра разная?), либо просто ориентация ядра, либо какая-нибудь нуклонная решетка (смотрим в сторону бозе-эйнштейновского конденсата).
                        –4
                        >> Самые точные атомные часы используют квантовые биты, которые закодированы в охлажденных ионах – аккурат такие, которые используют сейчас при создании квантового компьютера. Стоит улучшить точность на порядок – и появится возможность точной навигации, например – автотранспорта без водителей.

                        Какой-то сумбур бреда.
                          0
                          Безусловно, статья очень интересная. Квантовые компьютеры с большой долей вероятности смогут заменить текущее представление об обмене информации.
                          Но, судя по достижениям и описании в статье, в теории и практике ученые не сильно продвинулись. По крайней мере все, что здесь изложено, нам читал в университете на лекциях профессор кафедры КТ И ФВЭ Хрусталев Олег Антонинович почти 10 лет назад. На самом деле круг задач, которые могут решать квантовые компьютеры, огромный класс — они уже в научной литературе подробно изложены. Вся загвоздка именно с практической реализацией. И если лазерам понадобилось всего 15-20 лет на то, чтобы теорию превратить не просто в практику, но и в промышленность, то с квантовыми компьютерами не все так просто. А очень хочется увидеть всю эту красоту и сверхвозможности еще на нашем веку :)
                            0
                            Хорошая статья.

                            Мне только не совсем понятно почему невозможно понять, какое реальное состояние кубита было закодировано в квантовых деньгах?
                            Ведь если бы кодируем некую суперпозицию состояний (насколько я понимаю — это значит задаём вполне конкретные и только нам известные коэффициенты перед этими состояниями), то при известном базисе состояний эту суперпозицию можно сколь угодно точно приблизить (проектируя состояние большое количество раз).
                            Конечно перед злоумышленником встаёт целый ряд проблем: найти базис состояний, вычислить коэффицинты и задать полученную суперпозицию. Но в принципе теоретически получается сломать и такую защиту можно. Или я что-то не так понял?
                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                              0
                              Откуда режиссеры фантастических фильмов(например «Звездные врата») знали наперед? У них компьютеры все на кристаллах. Может фильм не фантастический а документальный? ))
                                0
                                Половина фанов данного сериала задается этим вопросом
                                  0
                                  Просто люди с головой, как и половина научно-фантастических писателей. Но кто знает.))))
                                  0
                                  Интересно, а intel дает деньги на подобные исследования фундаментальным ученым?
                                    0
                                    На самом деле «много шума из ничего». Как не парадоксально, компьютер и гораздо более крутой, чем квантовый, но работающий, по-сути, на тех же принципах давно создан и уже успел оказаться забытым. Это — аналоговые вычислители, стровишиеся очень даже массово в 60-е годы на базе операционных усилителей. Они, решали ситемы ДУ со скоростью, которая даже современным цифровым вычислителям не снилась! Кстати, в связи с появлением аналоговых ПЛИС, интерес к ним начинает возрождаться.

                                    Но есть и ещё гораздо более родственное направление вычислительной техники, которое, по-сути, умерло из-за тех же сложностей, которые сейчас не может преодолеть квантовый вычислитель. Это — многоуровневая логика. В отличии от двоичной, здесь всё умерло ещё в 80-е года на попытках заставить электронную схему «зависать» хотя бы в третьем состоянии (а не только «включено-выключено», как в двоичном триггере). На самом деле, не смотря на переход на уровень микромира, создатели квантового компа идут ровно по тем же граблям с примерно тем же результатом.

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое