Квантовые технологии

В сентябре компания Microsoft сделала ряд объявлений, связанных с сервисом Azure Quantum Cloud. Среди них была демонстрация логических операций с использованием самого большого количества кубитов с коррекцией ошибок.

«С апреля мы втрое увеличили количество логических кубитов», — сказала технический специалист Microsoft Криста Своре. «Так что мы ускоряемся на пути к сотне логических кубитов». Компания также нашла нового партнёра в лице Atom Computing, которая использует нейтральные атомы для хранения кубитов и уже продемонстрировала оборудование с более чем 1000 аппаратных кубитов.

В совокупности эти анонсы являются последним признаком того, что квантовые вычисления вышли из младенческого возраста и быстро продвигаются к созданию систем, способных надёжно выполнять вычисления, которые было бы непрактично или невозможно выполнить на классическом оборудовании. Мы побеседовали с сотрудниками Microsoft и некоторыми её партнёрами по аппаратному обеспечению, чтобы понять, что будет дальше, чтобы приблизить нас к полезным квантовым вычислениям.

В 2022 г. Нобелевскую премию по физике получила команда трех ученых: Алан Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за исследования в области квантовой запутанности, давших толчок развитию квантовой информатики. Тема эта очень интересна сама по себе и особенно интересна та мысль, которую А. Цайлингер продвигает в своих квантовых исследованиях.

Если вкратце, то Цайлингер и Ко показали, что квантовый мир принципиально невозможно описать классическими методами. Он другой. Принципиально. Это не просто наша уменьшенная реальность. Это, в некотором смысле, другая реальность, требующая и другой парадигмы мышления.

Как бы страшно это не звучало для некоторых, но по сути, Квантовая физика (КФ) - это, как говорил А.М. Семихатов, физика индетерминизма и вероятностей.

КФ носит вероятностный характер не потому что мы чисто технически не можем рассчитать всë, что нам нужно достаточно точно, а потому что квантовый объект находится в состоянии суперпозиции, и мы не можем в точности знать все его параметры не потому что у нас оборудование несовершенное, а потому что самих этих параметров как бы нет до измерения, их нет до тех пор, пока в ходе измерения не произойдет коллапс суперпозиции.

Квантовая запутанность - это феномен, с которого, во многом и начался почти 100 лет назад спор ученых, пытающихся еще удержаться в классической парадигме и ученых-"квантистов", ученых, скажем так, "нового поколения" (не по возрасту, а именно по парадигме мышления).

Ученые нового поколения заявили: нельзя измерить импульс и координату частицы одновременно. И дело тут не в измерительных приборах, а в самой реальности.

Группа исследователей из Quantinuum совершила значительный прогресс в создании квантового ИИ, представив первую масштабируемую модель квантовой обработки естественного языка (QNLP) — QDisCoCirc. Эта модель объединяет квантовые вычисления с ИИ, решая текстовые задачи, такие как ответы на вопросы, и открывает новые возможности для интерпретируемости и прозрачности в ИИ.

В отличие от традиционных «черных ящиков», где решения ИИ остаются непонятными, QDisCoCirc позволяет наблюдать внутренние квантовые состояния и связи между словами, обеспечивая прозрачность процесса принятия решений. Используя метод композиционного обобщения, эта модель эффективно обрабатывает большие наборы данных и может применяться в юриспруденции, медицине, финансах и других областях.

Хотя текущие квантовые процессоры ограничены по масштабам и точности, а исследование сосредоточено на упрощенных задачах, стремительное развитие квантовых технологий и амбициозные планы команды обещают значительные достижения в будущем.

В статье о том, как квантовые компьютеры могут изменить наше понимание и применение ИИ.

Решили составить для вас алфавит квантовых терминов. Чтобы было проще и веселее, добавили немного котиков. Приятного чтения!

А

Алгоритмы (квантовые)

Алгоритмы, использующие принципы квантовой физики для решения задач на квантовых компьютерах более эффективно, чем на классических. В офисе это можно сравнить с использованием новых, нестандартных способов решения проблем, которые на первый взгляд выглядят необычно, но доказывают свою эффективность, как поведение вашего кота, который находит необычные способы забавы.

Алгоритм Гровера

Допустим, вы ищете потерянный документ, который ваш коллега, торопясь уйти с работы пораньше, случайно засунул в папку из ста файлов. На классическом компьютере вам нужно просмотреть каждый файл, один за другим. Совсем не весело, согласитесь! С алгоритмом Гровера вы сможете обойтись всего лишь за √N проверок, то есть в вашем случае, вместо 100 проверок, вам нужно будет проверить лишь около 10 файлов.

Алгоритм Дойча

Представьте себе, что у вас в офисе есть два кота. Иногда вам нужно понять, кто из котов более активен - один кот может быть постоянно в действии (сбалансированный), а другой кот может быть ленивым и спокойным (константный). В классическом подходе вам придётся задавать каждому коту вопрос о его активности, чтобы выяснить отличия.

Мало того что наше восприятие искажено строго трёхмерным пространством (точнее не искажено, а работает только в нём), так ещё и это воспринимаемое нами трёхмерное пространство неоднородно — одно из измерений строго направлено (верх и низ) и задано гравитацией. Если вперёд и назад, влево и вправо зависит от нашего положения и, когда мы разворачиваемся, легко переходит одно в другое без каких‑либо когнитивных усилий и проблем в восприятии — то с верхом и низом так не происходит. Подвесь нас вниз головой, направь куда угодно в любом положении — верх останется верхом, а низ — низом. Мы будем двигаться именно вверх, стоя в поднимающемся лифте, и будем спускаться именно вниз, ныряя с аквалангом, хотя в обоих случаях мы движемся головой вперёд )

Понятно от чего так и зачем — мозг эволюционировал и родился в гравитации, но речь не об этом.

Говорят, есть ещё четвертое недо‑ или пере‑ измерение — время. Его мы воспринимаем ещё более направленным и постоянно в нём движемся.

В попытках порассуждать о восприятии только в трёхмерном пространстве, можно предположить о том, что в одномерном пространстве мы тоже мыслим, и привести в качестве примера как раз время. Но пространство предполагает возможности покоя и движения вдоль измерений в любом направлении (даже если измерение направлено в восприятии, например, гравитацией). С движением обратно во времени у нас всё сложно, с остановкой времени — ещё гораздо сложнее. Но пока закроем на это г̶л̶а̶з̶а̶ мозг и предположим, что ок — у нас есть в восприятии примеры трехмерного и одномерного (время) пространств. Но как быть с двумерным? Можете себе представить 2 разных ортогональных друг другу направления времени? Я — нет 🙂

Вопрос о природе сознания и его происхождении всегда занимал умы ученых, философов и исследователей. Как из сложного переплетения нейронных сетей и химических процессов возникает то, что мы называем сознанием? Одной из наиболее интригующих гипотез является предположение о том, что ключ к пониманию сознания может заключаться в квантовой неопределенности.

Многие исследователи предполагают, что человечество смоделировано вместе с остальной частью физической вселенной - эта идея является Гипотезой Симуляции ( Simulation Hypothesis). В этой статье мы не оцениваем доказательства за или против такого утверждения, а вместо этого задаем научный вопрос по информатике, а именно: можем ли мы взломать такую симуляцию? Более формально вопрос можно было бы сформулировать так: могут ли обычно разумные агенты (люди), помещенные в виртуальные среды, найти способ побега из них? Учитывая, что современная литература по сдерживанию ИИ дает утвердительный ответ (хотя ИИ не может быть сдержан в долгосрочной перспективе), мы приходим к выводу, что должно быть возможно вырваться из симуляции, по крайней мере, с помощью сверхразумного ИИ (AGI). Напротив, если побег из симуляции невозможен, сдерживание ИИ должно быть возможным. Наконец, в статье рассматриваются и предлагаются идеи для взлома симуляции и анализируются этические и философские вопросы такого начинания.

Новый электронный микроскоп может эффективно останавливать время, делая снимки событий, что длятся всего 1 аттосекунду. Это имеет смысл потому, что субатомный мир трудно визуализировать. И не только потому, что он невероятно мал, но и потому, что события в нем протекают с невероятной скоростью. Физикам из Университета Аризоны удалось собрать самый быстрый в мире электронный микроскоп, чтобы фиксировать события, длящиеся всего одну квинтиллионную секунды.

• Смерть массивной звезды от чёрной дыры стала крупнейшим и ярчайшим событием своего рода

• НАСА впервые продемонстрировало в космосе «ультрахолодный» квантовый датчик

• Учёные создали материал, способный измерять температуру наноразмерных объектов

• Данио-рерио используют удивительную стратегию для восстановления спинного мозга

• Учёные-любители заметили объект, движущийся со скоростью 1,5 миллиона км/ч

У меня хорошая новость для тех, кому надоело читать мои нудные лонгриды по квантовой теории и философии физики. В этой статье будет одна практика – квантовые эксперименты в домашних условиях, с минимальным бюджетом и без специального оборудования. Я решил снять и наглядно продемонстрировать, как построить квантовый компьютер своими руками и выполнить на нём квантовое вычисление - алгоритм Дойча. Всё, что я буду делать, вы сможете при желании воспроизвести у себя дома и убедиться, что это работает. Если у вас есть знакомые, которые сомневаются в квантовой механике и отрицают факт квантового превосходства, поделитесь с ними ссылкой на эту статью или видео, пусть посмотрят.

Каждый день мы пользуемся криптографическими схемами, не особо задумываясь об этом. Именно криптография обеспечивает защиту наших коммуникаций через интернет, включая все B2B, B2C и G2C взаимодействия. Без неё не было бы безналичных платежей и онлайн-торговли, электронных госуслуг и других современных технологий, способствующих развитию рынка и общества.

Криптография постоянно развивается на фоне появления новых угроз. С недавних пор к таким рискам добавились квантовые компьютеры, которые уже существуют в виде прототипов с небольшим числом кубитов. Если их удастся масштабировать, то многие классические схемы шифрования и электронной подписи утратят надёжность.  

Под угрозой окажутся банки, телеком, ритейл, коммерческая и государственная тайна. Удалённая работа, дистанционное обслуживание и многие бизнес-процессы станут попросту невозможны. Поэтому важно разрабатывать альтернативные криптографические схемы, которые базируются на принципиально других математических задачах. Это одно из направлений работы лаборатории криптографии компании «Криптонит». 

Сейчас во многих странах криптографы работают на опережение и разрабатывают постквантовые схемы, которые могут быть реализованы уже сейчас и останутся надёжными даже после наступления эры квантовых вычислений. Конечно, на эти перспективные схемы тоже возможны атаки, но важно трезво оценивать их практическую значимость. 

В качестве примера возьмём нашумевшую этой весной публикацию «Квантовые алгоритмы для задач на решётках», обсуждение которой в криптографическом сообществе продолжается до сих пор. По мере разбора препринта экспертами, отношение к целой группе постквантовых механизмов менялось от «всё пропало!» до «они снова выдержали суровое испытание».

Квантовый интернет — это передовая технология, основанная на принципах квантовой механики для передачи данных между узлами сети. В отличие от традиционных (классических) сетей, квантовый интернет использует квантовые состояния частиц для передачи информации. Это включает в себя использование явлений квантовой суперпозиции, запутанности и других квантовых эффектов.

История квантовых компьютеров насчитывает примерно 26 лет. В статье уважаемого @dionisdimetor на Хабре доступно изложена не только хронология развития этих устройств, но и объяснены и проиллюстрированы принципы квантовых вычислений, суть суперпозиции и её распада. В настоящее время область квантовых вычислений уверенно коммерциализируется: платформы для квантовых вычислений выносятся в облако, и к ним открывается доступ с обычных компьютеров. Среди заметных примеров — процессор Osprey с 433 кубитами от компании IBM, представленный в конце 2022 года и компьютер Borealis на 216 кубитов от канадской компании Xanadu Quantum Technologies, который в середине 2022 года был подключён к Интернету. Но в третьем десятилетии XXI века квантовые вычисления вплотную подошли к трудноразрешимой проблеме: как защитить кубиты от спонтанной декогеренции, возникающей под действием любого электромагнитного излучения, в частности, космических лучей и естественного радиационного фона. Об этом поговорим под катом.

А что если если квантовые вычисления невозможны потому что противоречат законам природы? Звучит как бред? Давайте попробуем порассуждать.

Актуальность исследования заключается в том, что существует идея вместо дорогих промышленных лазеров использовать лазерные диоды из DVD – привода для изучения явлений волновой и когерентной оптики в условиях школьной лаборатории.

Цель исследования – найти и реализовать условия устойчивой и стабильной генерации лазерного диода в одночастотном режиме для использования в голографических экспериментах.

Задачи:

1. Исследовать когерентные свойства излучения лазерного диода с мощностью излучения 40-120 мВт в зависимости от режимов его работы;

2. Измерить длину волны лазера и длину когерентности его излучения;

3. Найти условия устойчивой и стабильной генерации лазера в одночастотном режиме;

4. Разработать методику настройки режимов лазерного диода в устойчивом одночастотном режиме;

5. Сконструировать и изготовить экспериментальную голографическую установку на базе лазерного диода;

6. Изготовить с использованием лазерного диода в качестве источника когерентного излучения голограммы.

Объект исследования – полупроводниковый лазерный диод.

Предмет исследования – когерентные свойства лазерного диода.

Гипотеза исследования:

Для использовании лазерного диода в голографии следует обеспечить ему режим одночастотной генерации. Для этого надо найти оптимальный диапазон питающего тока и температуры. Большинство полупроводниковых лазеров красного излучения имеет длину когерентности порядка 3 – 5 мм. Но для некоторых лазерных диодов можно подобрать значения тока питания и температуры, при которых возникают условия одночастотной генерации, а длина когерентности может достигать десятков сантиметров.[1]

Квантовый компьютер — очень странное устройство, в основе которого лежит совершенно не укладывающаяся в голове многих людей абстрактная идея суперпозиции. И именно это делает такие устройства многократно более чувствительными к квантовым ошибкам, возникающим по разным причинам. Их исправление очень важно для создания практических квантовых компьютеров, которые смогут выполнять полезные вычисления. В противном случае ошибки быстро разрушат хрупкую квантовую информацию. Как же наука сегодня предлагает решать эту проблему?

Привет, меня зовут Алексей, занимаюсь популяризацией квантовых технологий, венчурными инвестициями, ищу решения практических бизнес-задач с помощью передовых технологий и оцениваю доходность перспективных проектов.

Эксперт компании «Криптонит» Игорь Нетай несколько лет назад выдвинул гипотезу, которая только сейчас подтвердилась в научном сообществе. Какая гипотеза и причём здесь квантовые компьютеры — рассказываем ниже.

Форум будущих технологий — ежегодное флагманское событие, на котором представляют технологии и инновационные научные разработки, определяющие вектор развития отраслей экономики на ближайшие годы. В этом году мероприятие было посвящено технологиям будущего в области медицины. Представленные на Форуме технологии позволили буквально заглянуть в будущее медицины, свои уникальные разработки представили ученые-генетики, иммунологи, онкологи, эпидемиологи. Большинство из технологий и разработок готовы к использованию в клинической практике уже в ближайшие годы. В рамках экспертных дискуссий большое внимание уделялось также повышению доступности инноваций для всех граждан страны.

В том числе на Форуме были рассмотрены применения квантовых технологий для биомедицины по направлению облачных квантовых вычислений, программно-аппаратным решениям для квантово­устойчивой защиты информации и квантовым сенсорам.

КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ

Современная эпоха информационных технологий привела к стремительному развитию компьютерных наук и вычислительной техники. В этом контексте квантовые вычисления представляют собой новаторскую область, которая имеет потенциал изменить общепринятые принципы обработки информации и решения сложнейших вычислительных задач. Квантовые вычислительные устройства основаны на особых принципах квантовой механики, где кубиты - единицы квантовой информации - могут находиться в суперпозиции основных состояний (нуля и единицы) благодаря явлению квантовой суперпозиции. А явление квантовой запутанности позволяет создавать и обрабатывать сложные состояния из нескольких кубит. Мощности современных суперкомпьютеров позволяют эмулировать квантовые компьютеры размером до 50-60 кубит, при этом отдельные квантовые компьютеры состоят уже из более чем 1000 кубит.

С незапамятных времён люди используют специальные языковые конструкции, чтобы говорить о прошлом и будущем – ненаблюдаемых частях реальности, которые доступны нам лишь в памяти и воображении. Но только в 80-е гг. XX века учёные догадались, что другие времена – это разновидность других вселенных. Прошлое и будущее – альтернативные версии настоящего, которое объективно не может быть одним моментом. Отрицание реальности этих альтернатив и выделение какого-то особого момента «здесь и сейчас» является проявлением солипсизма и пространственно-временного шовинизма. Все моменты и все места одинаково реальны и образуют блочную мультивселенную, вне которой не существует точки отсчёта, позволяющей проследить её эволюцию во времени. И ничто, включая наше сознание, не может перемещаться из одного момента в другой или из одной вселенной в другую. Быть в моменте – значит быть там вечно. Примерно так можно описать концепцию времени в квантовой теории.

В данной статье я рассказываю о внутренней структуре Мультивёрса, которая в действительности гораздо сложнее, чем на популярных изображениях с ветвящимися деревьями параллельных миров. Параллельные вселенные интерферируют на микроскопическом уровне, разделяя между собой неотличимые экземпляры элементарных частиц, но образуют на макроскопических масштабах относительно автономные истории, в некотором приближении подчиняющиеся законам классической физики. Оказывается, развитие событий в каждой отдельной истории зависит от того, какие ещё истории есть поблизости. Поэтому амплитуды вероятностей в квантовой теории отражают объективную меру «толщины» ветвей универсальной волновой функции, а не знание наблюдателя о системе. Также мы пересматриваем традиционные представления о причинно-следственных связях и физическом детерминизме, даём многомировое объяснение двухщелевого эксперимента с отложенным выбором и обобщаем три разных определения энтропии.

Квантовые компьютеры теоретически могут существенно изменить ландшафт майнинга криптовалют, и их использование в этой сфере может иметь значительные последствия. Давайте разберем, какие именно изменения могут произойти, и как они повлияют на криптоиндустрию.