Квантовые технологии

В прошлой части мы рассмотрели базовые понятия в квантовых вычислениях: кубиты, вероятности состояний, измерения.

Квантовые гейты

Итак мы подошли к той части, где программа должна не только хранить состояние в регистрах, но и как-то преобразовывать эти данные. В классическом компьютере все операции с регистрами памяти состоят из элементарных логических преобразований с битами. Например бит AND, принимает на вход два бита и выдает в качестве результата один бит, согласно таблице логической операции AND.

Квантовые компьютеры. С точки зрения традиционного программиста-математика.
Часть 1. Основы. Квантовый регистр.

О чем эта публикация

Имея более чем немалый опыт в традиционном программировании, я долгое время не касался темы квантовых компьютеров. Для меня это была какая то неизвестная магия. Безусловно, я знал теоретические основы, знал, какого рода задачи можно решать на квантовых цепях. Но не мог самостоятельно составить не только ни одной квантовой программы, даже разобраться в существующих квантовых алгоритмах не мог.

И вот, наконец, я закрыл этот пробел. И теперь, вспоминая, с каким непониманием я сталкивался, когда осваивал эту тему, захотел изложить ее так, чтобы тема была понятней с точки зрения опытного программиста. Конечно без математики тут никуда, нужно понимание линейной и комплексной алгебры. Поэтому, с точки зрения не просто программиста, а программиста-математика.

Многие теоретические курсы очень долго подводят к сути, накачивая нужной, но очень сложной теорией. Я попытался сократить этот период и как можно скорее перейти к сути, раскрывая нужную теорию по мере необходимости.

Информационная служба Хабра побывала на мероприятии «Форум будущих технологий». Форум проходил с 9 июля по 14 июля 2023 года в Москве. Как и с KuberConf 2023', я попал в последний вагон уходящего поезда. Форум представляет собой научно‑практические мероприятия в сфере квантовых технологий. Он собирает учёных, экспертов и представителей бизнеса из университетов, исследовательских центров РФ и некоторых других стран, работающих над созданием и внедрением решений на основе квантовых технологий. Форум проводится в рамках мероприятий Десятилетия науки и технологий в России, объявленного с 2022 года указом Президента РФ.

В 1921 году Отто Штерн приехал в город Франкфурт, где познакомился в уроженцем этого города и сотрудником местного университета Вальтером Герлахом, вместе с которым они в том же году и провели прославивший их опыт. Впоследствии выяснилось, что почти всю математику описывающую, спин отдельного электрона, можно вывести из этого эксперимента. Читая описание эксперимента, такой вывод совершенно не кажется очевидным. Хотя бы, например, с какой стати в математике спина электрона появляются комплексные числа?

Чтобы прояснить связь математики спина с экспериментом Штерна‑Герлаха (Ш‑Г) мной была сделана его программная модель. При описании спина электрона очень часто используется сфера Блоха. В программной модели эксперимент Ш‑Г, можно сказать, был совмещен со сферой Блоха. При таком подходе можно визуально увидеть геометрию некоторых соотношений описывающих спин электрона. Увидеть несколько интерактивных программ можно в браузере на сайте Bloch sphere online.

При создании данного сайта использовалась главным образом школьная математика. В основном тригонометрия и простейшие действия с комплексными числами, а также формула Эйлера. Также для понимания материала требуются первоначальные сведения о матрицах.

Как производится возведение числа в степень, когда в качестве показателя степени выступает матрица, рассматривается непосредственно в тексте на сайте.

При рассмотрении примеров из четвертой части требуется понимание того, чем являются собственные числа и собственные векторы. Но четвертая часть фактически является факультативным дополнением к первым трем частям и читать ее необязательно.

Какие инсайты выносит заинтересованный слушатель из выступления визионера? Ключ к решению проблем? Четкое объяснение текущей ситуации? Возможные перспективы? Главное, чему посвящено практически каждое выступление непререкаемого авторитета, – предсказание. В самое ближайшее время, вот-вот, буквально через пару лет, мир изменится до неузнаваемости. Как правило, благодаря “разрушительной силе технологий”, которая положит конец смыслу человеческой жизни. Реже - по другим причинам. 

Проходит несколько лет, и, вспоминая о лекции очередной знаменитости, мы вдруг обнаруживаем ошибки, или что мир не изменился. Нет, появилось много нового, но сам мир как был несовершенным, так и остался. Для успеха по-прежнему требуются знания, а не только навыки гугления. Для личного счастья – любовь. А универсального решения проблем по-прежнему не существует. И не предвидится. А потом мы снова слушаем очередного гуру и снова узнаем, что вот-вот все поменяется.

Одной из технологических основ общества XXI века, несомненно, является «Закон Мура», строго говоря, физическим законом не являющийся. Это эмпирическое наблюдение, впервые сформулированное Гордоном Муром (1929 — 2023) в 1965 году и затем уточнённое в 1975 году — о том, что при существующем темпе развития аппаратного обеспечения число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается. Этот знаменитый «закон» действительно исправно работал на протяжении XX века и с определёнными оговорками продолжает работать и сегодня. В настоящее время на смену закону Мура постепенно приходит закон Хуанга, точнее описывающий тенденции роста производительности вычислительных систем. Поскольку Гордон Мур практически всю карьеру провёл в корпорации Intel, его тезис можно считать маркетинговой стратегией в производстве микросхем, которой следовали производители, и эта тенденция жёстко зависит от развития фотолитографии. Но у закона Мура оказались интересные следствия, проявившиеся при попытке его обойти или продлить, о которых я кратко расскажу в этой статье.

Я объясняю экспериментальные результаты проверки теоремы Белла супердетерминизмом. Далее я показываю, как такая Вселенная может возникнуть и быть совместимой с субъективным опытом свободы воли.

Квантовые вычисления всегда считались «иллюзорным понятием», хотя мир ждал от них «квантовой магии». Шансы на то, что магия свершится до 2040 года, были небольшими. Но сейчас квантовые компьютеры — революционная вещь, которая уже доступна в виде услуги.

Если вы уже уже представили себе, как решаете загадки вселенной на собственном квантовом компьютере, то не спешите. На самом деле это не так просто. Несмотря на то, что QCaaS уже появились, получить доступ к ним не так легко, как может показаться.

1. Статистический ансамбль

Предположим для начала, что элементарные частицы ведут себя как обычные шарики и посмотрим, что при этом получается, а потом сравним с поведением по законам квантовой механики. Например, внизу на гифке 1 показано излучение такой частицы-шарика гораздо более массивной частицей. Процесс аналогичный излучению фотона атомом можно сказать или вылету электрона из атомного ядра, только с точки зрения классической физики.

Протокол телепортации квантовой энергии предложен в 2008 году и по большей части был проигнорирован. Но сегодня два независимых эксперимента показали, что он работает. 15 лет назад физик-теоретик из Университета Тохоку в Японии Масахиро Хотта предположил, что вакуум можно заставить что-то нам дать.

4 октября 2022 года Шведская королевская академия наук решила присудить Нобелевскую премию по физике 2022 года Алену Аспекту
из Парижа, Джону Ф. Клаузеру из Калифорнии и Антону Цейлингеру из
Вены «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику».

У вопроса, на который отвечали ученые богатая история. Обрисуем ее крупными мазками.

Меня искренне восхищает то, как Крис Бернхардт рассказывает про квантовые вычисления в своей книге. На мой дилетантантский взгляд, объяснение неравенства Белла в его исполнении – лучшее, что можно найти сейчас в интернете без доступа к телу кафедры квантовой физики. Я бы хотел пересказать его изложение, так что если вы уже читаете книгу – смело пропускайте эту статью.

Квантовые компьютеры – идея еще 1980-х, а всерьез за ними бегают последние два десятка лет, ибо они могут решать недоступные для обычных вычислительных машин задачи. Некоторые алгоритмы факторизации (разложения числа на простые множители, привет криптографии), поиска или оптимизации работают на квантовых компьютерах принципиально лучше, чем на обычных. Более того, они куда эффективнее обычных машин в различных квантовохимических расчетах, интересных ученым для предсказания химических свойств соединений или физических свойств материалов. На опытных квантовых компьютерах уже удавалось проводить такие расчеты для простых, фактически модельных соединений и материалов. Я собираюсь немного рассказать про необходимые для квантовых компьютеров материалы и степень пригодности их к промышленному производству на данный момент.

Спойлер: россказни про «вот сейчас мы разработаем квантовые компьютеры, и нужда в микроэлектронном производстве отпадет» – неправда.

Новый результат показывает, что квантовая информация теоретически может быть защищена от ошибок точно так же, как и классическая информация.

Экспертиза нашей компании традиционно лежала в теме «классической» криптографии, но свою первую статью в блоге мы хотим посвятить инновационной теме и разработкам, которыми особенно гордимся — квантовому распределению ключей и системам их доставки.

В 2018 году незаметно прошла новость о том, что российские ученые запатентовали идею фотонного компьютера. В основе лежат патенты Полуэктова А.О. и Степаненко С.А. В 2021 году в докладе Сергея Степаненко  было заявлено, что при наличии квалифицированных кадров и 300-400 человеко лет, цель создания фотонного компьютера может быть достигнута. Предлагаю стенограмму доклада.