По следам квантового компьютера…

1. Модуль «По следам квантового компьютера…» Введение в тему.

Фарберович
Олег Вениаминович
профессор, доктор физ.-мат. наук
TAU, Israel

2. Тель-Авивский университет факультет точных наук

3. Институт микроструктурной физики общества Макса Планка (г.Гаале, Саксония-Анхальт)

4. Квантовые вычисления (квантовый компьютер) в Израиле

• «Intel», «Nvidia», IBM
«Qualcomm», «Google»

5. Квантовые вычисления (квантовый компьютер) в Израиле

Разработки Nvidia в Израиле уже
крупнейшие за пределами США: это
научно-исследовательские центры в
Тель-Авиве, Иерусалиме, Раанане и БеэрШеве.
Intel Capital (Тель-Авив) –
специализируется, начиная от
производства кремниевых
компьютерных чипов до разработки
функций безопасности в транспортных
средствах, беспроводных телефонных
соединениях, дронах и облачных
технологиях, а также киберпространство,
искусственный интеллект

6. Квантовые вычисления (квантовый компьютер) в Израиле

• IBM - глобально интегрированное предприятие, работающее в 170 странах.
IBM в Израиле с 1972 года (Научный центр IBM в Израиле начинался в
Инженерном здании Техниона в Хайфе), ныне филиалы в Хайфе, Гиватаиме и
Беэр-Шеве.
Исследовательские лаборатории IBM Research сейчас включает следующие
основные направления: решение сложных задач в мире искусственного
интеллекта, гибридное облако, гибридные данные, квантовые вычисления
(изучение квантовых вычислительных устройств и их динамики под действием
квантового шума),
безопасность, блокчейн,
автоматизация процессов
для здравоохранения

7. Декел Меиром получил степень бакалавра в сфере компьютерной инженерии в Технионе (Хайфа, Израиль), а сейчас там же учится в

магистратуре по программе электротехнике с упором на квантовые
вычисления. Он работает в IBM Research (г Хайфа) с начала получения степени бакалавра, а в данный
момент со своими коллегами занимается разработкой
кода, который работает с квантовыми
компьютерами. По его словам, лучших результатов в этой области помогает добиваться слаженная
работа в команде и междисциплинарный подход!
• IBM
Research
Israel

8. Квантовые вычисления (квантовый компьютер) в Израиле

Израиль приступает к строительству центра квантовых разработок и созданию первого
квантового компьютера. Центр станет частью Израильской национальной квантовой
инициативы (INQI). К созданию квантового вычислителя привлекут зарубежные фирмы,
но координировать и развивать проект будет стартап из Тель-Авива – компания
Quantum Machines - это первая компания в мире, создающая аппаратное и программное
обеспечение, которое позволит использовать такие компьютеры.
- Ожидается, что Центр квантовых вычислений с системой из 50 кубитов начнёт работать
через год-полтора. Важнейшей особенностью израильского квантового компьютера станет то,
что это будет гибкая и модернизируемая система, в которой будут реализованы самые
передовые находки в области квантовых вычислителей, а количество кубитов будет постоянно
увеличивать до сотен и тысяч.
- Предполагается, что возможности
квантовых вычислений
обеспечат технологическую инфраструктуру
для израильской экосистемы, которая станет
лидером будущих разработок в области безопасности,
экономики, технологий, инженерии и науки

9. Модуль «По следам квантового компьютера…»

Протагонисты – основоположники квантовой физики
Основные понятия квантовой физики
Корпускулярная теория света
Волновая функция
Уравнение Шрёдингера
Квантовые вычисления. Квантовые компьютеры
Квантовые биты
Простой оператор для кубита и Гамильтониан Н
Оптические квантовые компьютеры, компьютеры на ионных ловушках и
полупроводниках
• Квантовые вычисления. Квантовые алгоритмы
• Возможности современных квантовых компьютеров: достижения
отечественных и зарубежных ученых в области квантовых вычислений
• Отчетный итоговый доклад с презентацией на заданную
популярную тему дискуссионного порядка в области квантовых
компьютеров

10. Введение в тему

• «Классическая физика» - изучает явления,
проходящие с телами, содержащими громадное
количество атомов
• К началу ХХ столетия появилась возможность
исследования отдельных атомов и молекул. Но
классическая физика не смогла объяснить
устойчивости атомов, тождественности
элементарных частиц, др. явления атомной физики.

11. 14 декабря - день рождения квантовой механики

В этот день 14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества
был представлен доклад под названием «К теории распределения энергии
излучения нормального спектра», где немецкий физик Макс Планк впервые
произнес слово «квант»(которые теперь принято называть фотонами), положив
начало новой отрасли.
Квантовая механика - теория, лежащая в основе объяснения свойств атомов,
молекул и атомных ядер. Начало было заложено работами де Бройля, Бора,
Дирака, Ферми, Шрёдингера, Гейзенберга

12. Квантовые революции

- «Первая квантовая революция» – первая половина 20 века
(полупроводниковые приборы, лазеры, транзисторы, ядерное
оружие, флеш-память, Большой адронный коллайдер,
светодиодные лампы, МРТ-сканеры, сканирующие туннельные
микроскопы) – основаны на управлении коллективными
квантовыми явлениями
- «Вторая квантовая революция» – вторая половина 20
века- на рубеже 21-го века (робототехника, Big Data,
искусственный интеллект) – технологии и приборы строятся
на способности управлять сложными квантовыми
системами на уровне отдельных частиц, например,
атомов и фотонов

13. Квантовые технологии (КТ) - технологии, основанные на высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами

Где востребованы?
-
национальная безопасность
информационные технологии
медицина
цифровая экономика
кибербезопасность
новые материалы
КТ делятся на ТРИ субтехнологии
- КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ (криптографическая защита
информации)
- КВАНТОВЫЕ СЕНСОРЫ И МЕТРОЛОГИЯ (измерительные приборы,
основанные на квантовых эффектах)
- КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ (квантовый компьютер – новый
класс вычислительный устройств, использующий для решения задач
принципы квантовой механики)

14. Как всё начиналось?

За годы до того как в мире появились
настоящие компьютеры…
- в конце 30-х гг. 20 века
английский математик, отец компьютерных наук,
Алан Тьюринг
показал, что различные проблемы могут быть
решены с помощью машин, если эти
проблемы/задачи могут быть выражены
посредством конечного числа операций
- в 1940 году американский математик
Норберт Винер предлагает использовать в ВМ
не десятичную, а двоичную систему исчисления
(любое число можно записать с помощью
только цифр 1 и 0, например, 2 запишется как 10,
а 9 как 1001).
«ДА» и «НЕТ»

15. …Более умные алгоритмы

-
-
-
-
в 1959-1967гг. электронные лампы были полностью заменены транзисторами. В
середине 60-х прошлого века появились так называемые интегральные схемы
С транзисторов началась игра в миниатюризацию
Даже если бы мы могли вечно использовать миниатюризирующие транзисторы,
существует ряд «трудных проблем», которые всегда будут на шаг впереди наших
компьютеров. Классические компьютеры выполняют вычисления с помощью
транзисторов. Однако новые задачи уже сложны для классических компьютеров, хотя
еще могут быть решены, но расчет времени становится нереальным. Это стимул для
ускоренного развития квантовых компьютеров. Нужна машина, способная решить любую
проблему.
Главная цель изучения квантовых алгоритмов последние 25 лет состояла в
том, чтобы попытаться понять, для чего могут быть использованы квантовые
компьютеры. Надо понимать, что ответ не очевиден.
Классический процессор выполнит расчет в наносекунду, но сохранит информацию на дни,
месяцы, годы вперед. Квантовый компьютер также выполнит вычисления в
наносекунду — но в лучшем случае сможет сохранить информацию в течение одной
сотой микросекунды. Квантовые компьютеры очень чувствительны к внешним
помехам

16. Квантовые вычисления

• 1994 г. американский математик Питер Шор предложил
алгоритм квантовых вычислений, сокращающий время поиска
простых множителей больших чисел,
что лежит в основе современного
шифрования и информационной
безопасности
В 2001 г. специалисты IBM
впервые продемонстрировали работу
этого алгоритма на квантовой машине
(доказав осуществимость алгоритма Шора)

17. Универсальный квантовый компьютер

• позволит
моделировать произвольную
квантовую систему
• выполнять квантовые
алгоритмы
• потреблять меньше энергии,
чем классические двоичные
• решать многие задачи
на несколько порядков
быстрее

18. Универсальный квантовый компьютер

двумерный лабиринт –
256 путей,
классический компьютер
должен пройти его
128 раз
квантовый компьютер
может идти по всем 256 путям
одновременно

19. Универсальный квантовый компьютер

Квантовый компьютер
Классический компьютер
• 8-кубитный квантовый
компьютер — все числа от
0 до 255.
• кубит («квантовый бит»)
способен принимать не
только одно из них, но и оба
значения сразу.
• 8-разрядный классический
компьютер cпособен
одномоментно представлять
только одно число от 0 до
255
- бит (двоичный разряд в
обычном компьютере)
может принимать
значение 0 или 1

20. Квантовые вычисления

• помогут оптимизировать инвестиционные
стратегии
• улучшить шифрование
• вывести на рынок
новые продукты
• выполнять квантовые
алгоритмы

21. Что такое квантовый компьютер?

• В основе принципы квантовой механики, НО нужно освоить новые приёмы:
точно управлять квантовыми системами,
сохраняя при этом их «странную» природу
• квантовые системы, такие как фотоны
и электроны, очень чувствительны
и нестабильны
• серьезное препятствие на пути
к созданию полноценных квантовых
компьютеров (вибрация, температура и др.
приводят к ошибкам)— недолговечность кубитов

22. ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ?

• Квантовые компьютеры начнут использоваться не сами по себе, а как
часть гибридного решения, где задачи будут назначаться наиболее
подходящей машине (квантовой или классической). Облачная
инфраструктура квантовых вычислений позволит объединять ресурсы
и даст эффект масштаба, что, в свою очередь, простимулирует спрос и
ускорит развитие
• они позволят намного быстрее выполнить привычные задачи, а часть
— откроет путь совершенно новым.

23. ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ?

• МОДЕЛИРОВАНИЕ (например, в химической реакции, в
которой участвуют 100 электронов с сильной корреляцией) Это откроет путь
новым, более энергоэффективным методам производства удобрений и других
химикатов
• ЭНЕРГЕТИКА (квантовые методы помогут в разработке более совершенных
реакторов, открывая возможности экологически чистой генерации энергии в
больших масштабах)
• Биология и медицина (возможности квантовых вычислений для создания
новых лекарств)

24. Рекомендуемая литература для вводного ознакомления с темой

• Л. И. Пономарев. Под знаком кванта. — изд. 2-е изд. исправ. и
дополн.- М., Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989
• Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики в 3-х томах. Том 3.
Квантовая физика.
(выделить основные понятия кв.физики: микрочастица
(корпусула), электрон, дырка, экситон, фотон, фотон,
куперовская пара, плазмон, квазичастицы, свободная
квантовая частица, принцип суперпозиции)
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике.
Квантовая механика.
• Крис Бернхард. Квантовые вычисления для настоящих айтишников
• M. A. Nielsen, I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum
Information (Cambridge Univ. Press, 2000)

25. ЗАДАНИЕ!!!

• на основе 3-5 источников (электронных/печатных)
подготовить сообщение тезисно (кратко)
(презентация не более 5-7 слайдов на 1 ученого):
- обозначить ключевые аспекты/дискуссионные моменты и прорывные
достижения научной деятельности в области квантовой физики данного
ученого
- выделить не только парадоксальность и новизну идей ученого в сфере
квантовой физики, но и сходство с моделями, характерными для
классической физики ( в чем состоит преемственность идей)
- обозначить вклад в мировую науку (за какое выдающееся открытие
вручена Нобелевская премия)
протагонисты: Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Луи де
Бройль, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг
Паули, Макс Борн, Альберт Эйнштейн, Лев Ландау, Николай Басов,
Александр Прохоров, Чарлз Таунс, Ричард Фейнман

26. Литература для общего ознакомления с темой «Протагонисты - основоположники квантовой физики»

• Л. И. Пономарев. Под знаком кванта. — изд. 2-е изд. исправ. и
дополн.- М., Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989
• Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое. 1989
• А.Б. Мигдал. Квантовая физика и Нильс Бор.
• Гейзенберг В., Шредингер Э. Дирак П.А.М. Современная квантовая
механика. Три нобелевских доклада. Л.-М.: Гостехиздат, 1934.
• Серия книг, 2015г.
• Наука. Величайшие теории. Макс Планк. Квантовая теория.
• Наука. Величайшие теории. Гейзенберг. Принцип неопределенности.
• Наука. Величайшие теории. Шрёдингер. Квантовые парадоксы
• Наука. Величайшие теории. Нильс Бор. Квантовая модель атома
• Альберт Эйнштейн. Леопольд Инфельд. Эволюция физики.

27. Контактные данные

• Фарберович Олег Вениаминович
доктор физ.-мат. наук, профессор (физик-теоретик)
основные научные интересы - фотоника, квантовые
компьютеры, спинтроника
Tel: +79204054725
e-mail: [email protected]
Skype: oleg.farberovich
WhatsApp, Telegram, Viber, Facebook - Oleg
Farberovich

28. Спасибо за внимание!