Квантовые технологии

Многие считают, что сложнее классической физики может быть только квантовая. Однако куда сложнее изучать системы, которые находятся, так сказать, на стыке этих двух миров. Если в квантовую систему добавлять все больше и больше частиц, то она начнет терять свои квантовые свойства и превращаться в более классическую. Этот процесс именуют квантово-классическим переходом. Чтобы изучить такую систему, классических компьютеров будет недостаточно, потому ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили свой собственный алгоритм, который в сопряжении с квантовыми компьютерами из пары сотен кубитов сможет разгадать тайны квантово-классического перехода. Как работает алгоритм, почему меньше формул значит лучше и какое применение сего алгоритма на практике? Об этом и не только мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Вселенная задач, проверяемых компьютером, выросла. Благодаря какому секретному ингредиенту это произошло? Из-за квантовой запутанности.

Представьте, что некто пришёл к вам и заявил, что у него есть оракул, способный раскрыть сокровенные тайны вселенной. Вы могли бы заинтересоваться этим, но вам тяжело было бы в это поверить. Вы бы хотели придумать способ подтвердить, что оракул говорит правду.

Такова основная проблема информатики. Некоторые задачи слишком сложно решить за разумное время. Но их решения просто проверить. Учитывая это, специалистам по информатике хочется знать: насколько сложной может быть задача, решение которой всё ещё можно проверить?

Оказывается, что ответ на этот вопрос: практически невообразимо сложной.

История квантовой криптографии началась не с технологий связи, а с попытки решить совершенно другую задачу — создать деньги, которые невозможно подделать.

Стивен Визнер из Колумбийского университета в 1983 году предложил создать квантовые банкноты государственного образца, которые нельзя скопировать даже в том случае, если у желающего сделать это есть типографское оборудование и бумага, при помощи которых изготавливался оригинал. Вероятность изготовления точной копии оригинала, защищенного квантовыми технологиями, стремится к нулю.

Мы все знакомы с различными супергероями и их уникальными способностями, хотим мы того или нет. Потому вопрос о том, какую бы вы хотели иметь суперспособность, не такой и редкий. Кто-то хотел бы быть невероятно сильным, как Халк, кто-то — быстрым, как Флеш, а кто-то не отказался бы от суперспособности Бэтмена — денег. А вот те, кто хоть раз находился в пробке длиной от Марса до Венеры, все бы отдали за возможность телепортироваться. Концепция телепортации звучит весьма увлекательно с точки зрения научной фантастики, однако в реальности эта суперспособность также существует, но наделены ею далеко не люди. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Йокогамского университета (Япония) смогли телепортировать информацию внутри алмаза. Как ученые это сделали, каким боком тут квантовая физика, и что это значит для будущего технологий хранения данных? Ответы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Мощность квантового компьютера измеряется в кубитах, базовой единице измерения в квантовом компьютере. Источник.

Я делаю фейспалм после каждого прочтения подобной фразы. До добра это не довело, начало садиться зрение; скоро придется обращаться к Meklon.

Думаю, пора несколько систематизировать основные параметры квантового компьютера. Их несколько:

1. Количество кубитов
2. Время удержания когерентности (время декогеренции)
3. Уровень ошибок
4. Архитектура процессора
5. Цена, доступность, условия содержания, время амортизации, инструменты программирования, и т.д.

Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel, с одним из квантовых процессоров компании. Фото; Intel

• Квантовые компьютеры — чрезвычайно захватывающая технология, подающая надежды на создание мощных вычислительных возможностей для решение ранее неразрешимых проблем.
• Эксперты утверждают, что IBM лидировала в области квантовых вычислений, поэтому Google, Intel, Microsoft и множество стартапов находятся под ее влиянием.
• Инвесторов привлекают стартапы в области квантовых вычислений, в их числе IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems и Rigetti, которые смогут изменить этот рынок.
• Однако, есть загвоздка: современные квантовые компьютеры, как правило, не так мощны и не так надежны, как существующие сегодня суперкомпьютеры, а также им требуются особенные условия для запуска и загрузки.

Парадоксы и загадки квантовой физики будоражат умы ученых уже давно. Сегодня на основе необычных свойств квантовых частиц строятся новые приборы и устройства, которые могут по своим характеристикам многократно превосходить классические аналоги.



С рассказом о событиях в “Квантовой отрасли” перед сотрудниками Acronis выступил научный руководитель группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ Алексей Федоров. В этом посте мы приводим расшифровку его лекции о квантовых технологиях с дополнениями, чтобы поделиться полезными и интересными данными с подписчиками Acronis на Habrahabr.

Если живешь среди сумасшедших, надо и самому научиться быть безумным

Вы когда-нибудь пробовали «научиться быть безумным»? Нетривиальная задачка. Даже нормальной методики не найдешь, ибо каждый сходит с ума по-своему. Моя первая попытка: теория заговора. Теория не предполагает практики, а значит не придется много работать. Опять-таки, при любом раскладе никто не пострадает.


Итак, еретическая теория: через 5 лет Пейдж и Грин решат, кто будет главным в Google, и сделают это с помощью игры. У каждого из них есть группа исследователей. Команда AlphaGo со своими боевыми нейросетями натянула соперников в Го. Оппоненты вынуждены были искать новые методы, и таки обнаружили инструмент тотального превосходства: квантовые вычисления.

Можно ли использовать Квантовые Вычисления для игр? Легко. Покажем для примера, что игра «охотник на лис» может быть «решена» за 6 ходов. Ради правдоподобности ограничимся 15 кубитами (онлайн-редактор quirk больше пятнадцати не эмулирует), ради простоты проигнорируем ограничения архитектуры процессора и коррекцию ошибок.

Принято считать, что физик-аспирант не должен касаться некоторых научных задач даже самым кончиком длинного копья — в особенности это относится к пробелам в основаниях квантовой теории. Эти задачи столь сложны, что нет ни малейшего шанса на прогресс. Эти задачи столь туманны, что нет ни малейшего шанса убедить кого-либо обратить внимание на прогресс. Пример такой задачи — роль квантовой физики в формировании сознания.


Credit: dailygalaxy.com

В этих играх сочетаются квантовая запутанность, бесконечности и невозможность подсчёта вероятности выигрыша. Но если исследователи сумеют раскусить их, они откроют нам глубокие секреты математики.

В 1950-х четверо военнослужащих армии США, увлекавшихся математикой, использовали примитивные электронные калькуляторы для расчёта оптимальной стратегии игры в блэкджек. Их результаты были позднее опубликованы в журнале американской статистической ассоциации, и описывали наилучшие решения, которые может принимать игрок в любой ситуации в игре.

Однако такая стратегия, которую любители азартных игр позже окрестят «правилами» [the book], не гарантирует победы игроку. У блэкджека, а также пасьянса, шашек или множества других игр, есть определённый «потолок» по проценту игр, в которые игрок может выиграть – даже если он будет каждый раз играть идеально.

На практике на квантовых компьютерах нельзя запускать многие программы, предназначенные для классических компьютерах, поскольку они не умеют выборочно забывать информацию. Новый алгоритм умножения показывает, как можно обойти эту проблему

Классические биты – чёрно-белые, а квантовые немного сложнее

Когда мне было 9, родители купили новый компьютер. Он практически по всем статьям был лучше старого, кроме одного: на нём не запускались мои любимые гонки. Помню, как я думал – зачем нужен новомодный компьютер, если он не запускает мою самую любимую программу?

Та же проблема есть и у квантовых компьютеров. В теории они способны на всё, на что способен классический. На практике их квантовость делает практически невозможным запуск некоторых наиболее важных классических алгоритмов.

Материал, описанный ниже, является результатом совместной работы с преподавателями ТУ Ильменау в рамках местного курсового проекта (Advanced Research Project). Опыт интересный, но и не лишенный определенных сложностей. Делали мы этот проект (и ещё один) вместе с моей тогда ещё невестой — да, так вот нам повезло и учиться вместе, и поехать на стажировку в Германию. По правде сказать, эту часть работы делала в большей степени именно она, но популяризировать эту тему хочется мне.

Итак, однажды мы назначили встречу, чтобы выбрать тему научной работы...

Всем привет!

Примерно в течение последнего полугода издательство активно прорабатывает тему квантовых вычислений и их практической применимости. Долго не удавалось найти достойную статью для перевода по этой интереснейшей теме, пока такая статья не появилась в блоге Oracle. Публикация послужит отличным введением и в программные, и в аппаратные, и в сугубо естественнонаучные проблемы этой новой парадигмы, поэтому — читать обязательно.

Ранее мы показывали наш фаблаб и лабораторию киберфизических систем. Сегодня вы сможете посмотреть на оптическую лабораторию физико-технического факультета Университета ИТМО.

Один из первых квантовых симуляторов продемонстрировал загадочное явление: ряд атомов, который периодически возвращается к упорядоченному состоянию. Физики наперегонки пытаются объяснить происходящее.

Тающее мороженое не подвержено спонтанному замерзанию. Однако один из квантовых симуляторов постоянно возвращается в упорядоченное состояние после достижения системой равновесия.

Пройдёт достаточно времени, и даже в самой прибранной комнате возникнет беспорядок. Одежда, книги и бумаги покинут своё упорядоченное состояние и рассеются по полу. И, что раздражает, эта тенденция к беспорядку отражает закон природы: беспорядок стремится расти.

Если, к примеру, вы вскроете баллон аквалангиста под давлением, молекулы воздуха внутри него вылетят наружу и разлетятся по комнате. Поместите кубик льда в горячую воду, и молекулы воды, замёрзшие в упорядоченной кристаллической решётке, разорвут свои связи и рассредоточатся. При смешивании и распределении система стремится к равновесию с окружающей средой, что называется термализацией.

Квантовое самоубийство мне не нравится. Мне вообще не нравятся всякие там убийства-самоубийства. А вот полмиллиона долларов «из ничего» я бы заполучил в собственность охотно. А Вы?..

Весна в самом разгаре, последний снег практически везде растаял и воцарилось долгожданное тепло. Теплолюбивые люди наконец-то начинают снимать с себя вязаные свитера, шарфы и шапки, а моржи уже вовсю разгуливают в шортах и майках. Тем временем в одной из лабораторий университета Вены царит собачий холод и ученые тому чрезвычайно рады, ибо по-другому исследовать квантовые эффекты наночастиц крайне сложно. Если без литературных оборотов, то сегодня мы познакомимся с практическим испытанием нового метода охлаждения левитирующей наночастицы посредством ловушки из оптического резонатора. Зачем и как ученые заморозили наночастицу практически до абсолютного нуля, насколько действенен их метод и что он может привнести в изучение квантовых эффектов? Ответы на эти и другие вопросы мы найдем в докладе исследовательской группы. Поехали.

Переосмыслить концепцию задачи тяжело, но результат стоит того

Примечание автора: я знаю, что неправильно вычислил перенос Брэгга как в классическом, так и в квантовом случае; однако, это достаточно близко к правде для того, чтобы понять разницу между программированием классического и квантового компьютера.

Время: где-то в 2018 году. Место: тухлый канал в Слаке.

«Ты знаешь Python?»

Вопросы Джона Тиммера, научного директора Ars Technica, иногда могут застать врасплох. Если бы в Слаке можно было пропитывать буквы осторожностью, то мой ответ «Да» просто сочился бы ею.

Оказывается, что D-Wave решила дать всему миру доступ к своему квантовому оптимизатору через API. Ars пригласили его опробовать, но нужно было знать Python. Я был готов на это.

Эксперты по кибербезопасности годами били тревогу: хакеры присматриваются к электрической сети США. И эта угроза не гипотетическая – группа лиц, якобы связанных с российским правительством, получила удалённый доступ к компьютерам энергетических компаний – так, по крайней мере, сообщили из Министерства внутренней безопасности в прошлом марте. В некоторых случаях хакеры могут даже напрямую отправлять команды оборудованию, то есть, отключить электричество в домах потребителей. Чтобы защититься от хакеров, электростанциям нужно обеспечить лучшую безопасность.

Одна группа физиков считает, что нашли средство: электростанции с квантовым шифрованием.

«Большая волна в Канагаве» — гравюра на дереве японского художника XIX века Кацусики Хокусая

В начале марта D-Wave Systems объявила о выходе их нового компьютера, работающего на принципе квантового отжига. В новой машине сделано несколько технических усовершенствований, а также значительно изменено физическое расположение компонентов. Что это означает? Вместе с онлайн-ресурсами компании D-Wave, устройство, приближающееся к состоянию полезного, начинает обретать форму.

Делаем гладкий компьютер

Перед тем, как добраться до вкусной начинки, сначала надо погрызть краешек печеньки – то есть, узнать, а что же такое квантовый отжиг? Большая часть компьютеров работает прямолинейно: чтобы сложить два числа, создаём набор логических вентилей, которые осуществят сложение. Каждый из вентилей выполняет набор своих, чётко определённых операций на входных данных.