Физики разработали метод коррекции ошибок, способный существенно повысить производительность квантовых компьютеров. Статья с описанием экспериментов опубликована в Nature 20 июля. Подробности — к старту флагманского курса по Data Science.
Квантовые технологии
Квантовые вычисления, алгоритмы и вот это всё
Постквантовая криптография как новый стандарт
Недавно NIST опубликовал итоги конкурса по разработке алгоритмов постквантовой криптографии. Были отобраны четыре алгоритма, из которых три относятся к схемам электронной подписи и один — к схемам инкапсуляции ключа. Вместе с нашими экспертами-криптографами разбираемся, какой вклад в развитие постквантовой криптографии могут внести эти алгоритмы, а также напоминаем про аналогичные российские разработки в этой области.
Что там с квантово-устойчивой криптографией
В начале июля институт NIST одобрил четыре защищенных алгоритма. В блоге T1 Cloud мы рассказываем про облачные технологии, разработку и информационную безопасность. Поэтому сегодня мы решили подробнее поговорить о новых алгоритмах — обсудить принципы работы, мнение сообщества и перспективы внедрения таких систем на практике.
Как это устроено: атомные часы
Привет Хабр! Сегодня у нас выходит статья в Nature Physics, в которой мы рассказываем про один интересный апгрейд для атомных часов. А нашу предыдущую работу по этой теме — в тот раз в самом Nature — даже упоминали пару раз на Хабре. Но то ли наш пресс-релиз оказался слишком сложным, то ли тема слишком специфичной, короче говоря, я из тех заметок вряд ли бы что-либо понял. Поэтому сегодня попробую простым языком рассказать про то, как устроены атомные часы и что интересного нас ждет в ближайшем будущем.
Оптические атомные часы в университете Токио. Credit: H. Katori
Истории
Фундамент квантового интернета: телепортация кубита
Интернет сейчас и интернет двадцать лет тому назад хоть и обладают общими чертами, но все же различны. То же самое можно сказать и любой другой технологии, которая продолжала совершенствоваться из года в год. Мы уже не пользуемся дискетами для хранения данных и не загружаем сайты по несколько минут через dial-up. Но, как говорится, нет пределу совершенства. Ученым из Делфтского технического университета (Нидерланды) удалось телепортировать кубит, что может стать основой для будущего квантового интернета. Как именно была реализована телепортация, где она была выполнена, и как именно это можно использовать для построения квантовых сетей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Близкое будущее квантового компьютера в наивных вопросах и ответах
В сфере создания квантовых компьютеров в 2023 году может произойти сразу несколько значимых событий. Ожидается, что именно в этом году появится первая коммерческая модель квантового компьютера, а также будет практически завершена работа над первым российским квантовым компьютером на ионах. Будет ли это означать уверенное достижение квантового превосходства, о котором уже заявили в Google, – большой вопрос. В гонке за кубитами участвуют сразу несколько стран, но победителя в этом научном и техническом соревновании может не оказаться. Несмотря на все успехи, наука очень далека от создания по-настоящему массовых квантовых вычислительных технологий. Мы собрали несколько наивных вопросов на этот счет и попросили ответить на них научного консультанта Artezio, доктора технических наук, профессора по кафедре прикладной математики и информатики Владимира Крылова.
Новая архитектура квантового процессора на кудитах: что это и где может применяться
Пару дней назад на Хабре появилась новость о том, что российские ученые получили патент на новую архитектуру квантового процессора. В новости говорилось о том, что в конце 2021 года коллектив ученых из Российского квантового центра разработал прототип компьютера с системой из 4 кубитов. При этом число ионов удалось оставить прежним.
Эта разработка довольно важная, так что о ней стоит рассказать подробнее. Все самое интересное, как всегда — под катом.
Просто космос! Главные молекулы Вселенной сквозь призму квантовой химии
Самые распространённые элементы во Вселенной -- это водород и гелий, поэтому молекулы, которые формируются из них -- это самые главные (в количественном соотношении) молекулы для всей вселенской астрохимии. В этом посте мы взглянем на них с точки зрения квантовой химии. Всем, кому не безразличны электроны и их жизнь, велком под кат :)
Книга «Танец с кубитами. Как на самом деле работают квантовые вычисления»
Прежде чем мы попробуем разобраться в том, как работают квантовые вычисления, придется обратиться к классике. И это нужно не только для сравнения. Я полагаю, что будущее — за гибридами классических и квантовых компьютеров.
Лучший способ усвоить что-то — начать с базовых принципов, а затем двигаться по восходящей. Это позволит вам самостоятельно рассуждать об осваиваемой теме, не полагаясь на механическое запоминание или ошибочные аналогии.
Планковские единицы: существует ли фундаментальный предел пространства и времени?
По поводу планковского масштаба в научно-популярных материалах творится большая путаница. Здесь сказывается основная проблема поп-физики: гуляя от дилетанта к дилетанту, суть вопроса деградирует с каждой итерацией. Выглядит это примерно так:
- Учёный в интервью оговаривается, что «длина Планка — это минимальное значимое расстояние», что является сильным упрощением.
- Журналисты и популисты передают фразу дальше, пока она не деформируется в «длина Планка — это как размер пикселя для Вселенной», что неверно.
- Учёные замечают ошибку и начинают поправлять, чтобы устранить недоразумение: «Планковская длина не похожа на размер пикселя для Вселенной. Это как раз тот масштаб, где квантовая гравитация становится актуальной». Что, безусловно, правильно, но…
- Научпоп пережёвывает это, пока понятие не трансформируется в «планковская длина никогда не была минимальным расстоянием, это заблуждение. Это просто масштаб, на котором наши нынешние теории разрушаются, и ничто не указывает на то, что мы не можем достичь меньших масштабов». Это звучит разумно, но неверно.
Так что будет полезным разобраться, откуда все-таки следуют эти единицы и, собственно, для чего они задают предел.
Ученые пытаются «заглянуть» в черную дыру
Энрико Ринальди, физик-исследователь из Мичиганского университета, использует квантовые вычисления и глубокое обучение для решения квантовых матричных моделей, которые могут описать гравитацию внутри черной дыры. Эти два метода моделирования проиллюстрированы изображением выше. Глубокое обучение представлено в виде графов из точек (нейронная сеть), а квантовая цепь в виде линий, квадратов и кругов (кубиты и вентили). Эти модели сливаются с каждой стороной искривленного пространства-времени, отражая тот факт, что из них возникают свойства гравитации. В данный момент Ринальди трудится в лаборатории теоретической квантовой физики при Институте физико-химических исследований RIKEN в Токио.
Разнообразие квантовых технологий: вычисления, сети, криптография, сенсорика
Говоря про квантовые технологии, чаще всего мы подразумеваем квантовые компьютеры. Однако сфера применения квантовых технологий гораздо шире. Например, уже протянуты многие тысячи километров квантовых сетей, несколько компаний заняты разработкой постквантовых алгоритмов шифрования, тестируются квантовые сенсоры для биомедицинских приложений
В День российской науки вспоминаем Tech Science Meetup от SuperJob, на котором руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МФТИ Алексей Федоров рассказал о том, что представляют собой квантовые компьютеры, об их светлой и темной сторонах и какую роль сейчас играют квантовые технологии в сфере ИТ.
Синтетические измерения. За 4D-реальностью
– Это научная фантазия, о которой слышали многие из нас, – проговорил советник по сельскому хозяйству. – Но разве её можно сделать реальностью? Я знаю, что наши физики уже научились манипулировать девятью из одиннадцати измерений микромира, но мы так пока и не представляем себе, с помощью какого пинцета можно встроить в протон интегральные схемы из макромира.
– Разумеется, это невозможно. Изготовить микроинтегральные схемы можно только в макромасштабе и только на макроскопической двумерной плоскости. А это значит, что мы должны развернуть протон в два измерения.
– Развернуть девятимерную структуру в два измерения? Какая же у нее тогда будет площадь?!
– Очень большая, – улыбнулся советник по науке. – Погодите немного и сами увидите.
"Задача трёх тел" (Лю Цы Синь)
Люди воспринимают пространство-время в четырёх привычных измерениях: три пространственных (глубина, ширина и длина) плюс время. В то время как большинство моделей Вселенной демонстрируют, что вся материя существует в пределах этих параметров, многие теории предполагают, что могут существовать всевозможные скрытые высшие измерения, которые скрыты за пределами нашего понимания.
Хотя человек не смог освободиться от своего четырехмерного опыта, учёные неплохо справляются с моделированием дополнительных измерений путем создания так называемых «синтетических измерений». Эти тривиальные экспериментальные концепции дают возможность имитировать виды более высоких измерений, исследуемых в некоторых моделях Вселенной, с использованием материалов более низких измерений, существующих в реальном мире.
Эннеракт (девятимерный гиперкуб)
Ближайшие события
Квантовые технологии: что реально с ними сейчас происходит в мире и в России
Квантовый процессор Google на базе массива из 54 кубитов.
Квантовые технологии стали своеобразным технологическим Святым Граалем. Все крупнейшие государства и компании вкладывают огромные деньги в разработку, но никто толком не понимает, как в финале будет выглядеть инфраструктура квантовых вычислений и что это даст. Текущая ситуация очень сильно напоминает историю с управляемым термоядерным синтезом, когда полноценный запуск состоится уже вот-вот, но надо немного подождать, пока мы решим новые возникшие проблемы. Часть технологий откровенно сырая, а часть работает уже сейчас.
За последние годы уже несколько раз компании объявили, что достигли квантового превосходства – способности решать задачи, невыполнимые для классических компьютеров. В 2019 году Google опубликовала статью в Nature, заявив о достижении квантового превосходства на массиве из 54 кубитов. 3 декабря 2020 года уже китайские учёные сообщили о достижении квантового превосходства с новым суперкомпьютером Jiuzhang на запутанных фотонах. В этом исследовании за 200 секунд была решена задача, которая на обычных суперкомпьютерах решалась бы более 1,5 миллиардов лет.
При этом все пишут только о количестве кубитов в системе, но это далеко не единственная ключевая характеристика. Есть ещё как минимум две, не менее важные:
- Уровень ошибок – квантовые компьютеры отдают правильный результат вычислений с какой-то долей вероятности.
- Время удержания когерентности – вам не нужен квантовый компьютер на 300 кубитов, который потеряет свою квантовую когерентность раньше, чем вы начнёте вычисления.
Предлагаю пройтись по текущим достижениям в этой области. Посмотрим, почему РЖД стал крупнейшим квантовым оператором в России. А ещё попробуем понять, пора ли уже внедрять шифрование McEliece в TLS и паниковать или можно ещё немного подождать.
Перспективы использования квантовых компьютеров для расстановки элементов схем и трассировки соединений
Рассуждение в этой статье - по-прежнему офф-топ моей основной деятельности. Тем не менее, физика для меня гораздо ближе экономики, политики и истории, так что должно получиться лучше.
В рамках этой статьи будет рассмотрена разработка топологии интегральной схемы, что является итеративной задачей, а, значит, затраченное время будет меняться в зависимости от размера задачи.
Перспективы уменьшения временных затрат на такого плана задачи при помощи квантовых компьютеров и будут рассмотрены в рамках данной статьи. Относительно кратко и просто.
И ещё вопрос: имеет ли квантовый компьютер что-то общее с аналоговым компьютером?
Цифровая Вселенная
Базовые принципы построения модели Вселенной на основе предположения о существовании фундаментальных масштабов (квантов) основных физических величин.
Представляем Q# Formatter
За последние несколько лет, по мере развития Q#, его синтаксис развивался вместе с ним. Было внесено несколько изменений в синтаксис, которые привели к устареванию способов выполнения стандартных действий в Q#, таких как удаление круглых скобок вокруг условий цикла for. Чтобы помочь нашим пользователям обновлять свой код с помощью новейшего синтаксиса, мы добавили в QDK несколько новых функций.
Когда вы используете расширения Q# для Visual Studio или Visual Studio Code для редактирования кода Q# с устаревшим синтаксисом, рассматриваемый код будет подчеркнут зелеными волнистыми линиями, и будут доступны предложения для обновления синтаксиса. В прошлом у нас уже были предложения по обновлению каждого устаревшего фрагмента кода. В выпуске 0.21 мы добавили действие кода для обновления всего устаревшего синтаксиса в файле:
Цифровая Вселенная
Третья часть статьи "Цифровая Вселенная"
Квантовое представление выражений основных характеристик электрона. Алгебраические структуры в основании "элементарных" частиц и фундаментальных физических законов
Через 243 года «неразрешимая» головоломка Эйлера получила наконец решение с помощью странной физики кота Шредингера
В 1779 году швейцарский математик Леонард Эйлер придумал задачу: если в каждом из шести разных армейских полков есть по шесть офицеров различных званий, можно ли построить эти 36 офицеров в квадрат 6 на 6 так, чтобы в каждом ряду и в каждой колонне каждый полк и звание встречались лишь один раз?
Головоломка легко решается, когда есть пять званий и пять полков, или семь званий и семь полков. Но после безуспешных поисков решения для случая с 36 офицерами Эйлер пришел к выводу, что «такое расположение невозможно, хотя мы и не можем дать строгого доказательства этого». Более века спустя французский математик Гастон Тарри доказал, что действительно невозможно расположить 36 офицеров Эйлера в квадрате 6 на 6 без повторений. В 1960 году математики использовали компьютеры, чтобы доказать, что решения существуют для любого количества полков и рангов больше двух, за исключением случая шести.
И вот сегодня такое решение все же найдено, но не математиками, а физиками!
Цифровая Вселенная
Вторая часть статьи "Цифровая Вселенная", в которой пойдет речь об изменении некоторых фундаментальных "постоянных" и необходимостью корректировки в связи с этим космологических моделей.