2025 Квантовые компьютеры

1. Квантовые компьютеры

Лекция и презентация Ливак Е.Н.

2. Немного истории

1900 год - Макс Планк: гипотеза о том, что энергия испускается и
поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями)
Нильс Бор
Альберт Эйнштейн
Вернер Гейзенберг
Эрвин Шрёдингер
Квантовая
физика
(в том числе
изобретение
транзистора, лазера)
1980-1981
Юрий Манин
Ричард Фейнман
Идея о неэффективности
моделирования квантовых систем на
классическом компьютере
1998 – первый квантовый компьютер
на 2 кубитах

3. Квантовая терминология

Носитель информации
Классический компьютер – ток
(наличие/отсутствие, уровни напряжения – биты)
Квантовый компьютер - квантовые объекты
Операции
Классический компьютер – логические операции
Квантовый компьютер – квантовые вентили (преобразуют входные состояния
кубитов на выходные по определённому закону)
Для проведения вычислений квантовые объекты должны быть
соединены в квантовую систему

4. Квантовая терминология

Квантовый объект — объект микромира (квантового мира), который
проявляет квантовые свойства:
Имеет определенное состояние с двумя граничными уровнями
Находится в суперпозиции своего состояния до момента измерения
Подбрасывание монеты: во вращении не видим результат (одновременно и
орел, и решка). Остановили - измерили
Запутывается с другими объектами для создания квантовых систем
Монета: орел, решка
Жонглирование многими монетами, сталкиваются, результат зависит от
столкновений
Выполняет теорему о запрете клонирования (нельзя скопировать
состояние объекта)
Пока монеты летят, вращаются, стакиваются, мы не можем создать копию
системы

5. Кубит (Qubit, q-bit, от quantum bit, кьюбит)

В граничных состояниях он
реализует похожие
на 0 и 1 состояния
|0> и |1>
в суперпозиции представляет
собой вероятностное
распределение над своими
граничными состояниями
a|0> + b|1>
такое, что a^2+b^2=1
a, b – амплитуды
вероятностей

6. Квантовая суперпозиция - свойство квантовых объектов принимать все значения, которые являются комбинацией основных

При этом квантовая природа позволяет объекту находиться во всех этих
состояниях одновременно
Графическое представление кубитов в состоянии суперпозиции
и взаимодействия друг с другом
Комикс мем «Там Квантовая суперпозиция Тут

7. Квантовая запутанность

явление, при котором квантовые состояния
двух или большего числа объектов
оказываются взаимозависимыми
Две частицы не запутаны, если «независимы», то есть знание
о состоянии одной из них не даёт нам информации о
состоянии другой
две частицы запутаны, если информация об одной из них
улучшает наши знания о состоянии другой
Сильно запутаны, если знания о состоянии одной позволяет
нам точно знать состояние другой

8. Квантовое превосходство (quantum supremacy) квантовое преимущество (quantum advantage)

Способность квантовых компьютеров (устройств) решать
задачи, недоступные классическому компьютеру
Октябрь 2019 г компания Google заявила о решении с помощью квантового
компьютера с 53-кубитным процессором Sycamore задачи, непосильной для
самого современного классического суперкомпьютера
термин «квантовое превосходство»
предложил физик Джон Прескилл в
2012 году для формализации
прогресса в области квантовых
вычислений
Квантовое превосходство
наступает в тот момент, когда
квантовый компьютер сможет
провести вычисление,
недоступное для классического,
вне зависимости от того,
существует ли у результата
практическая значимость

9.

КАКИЕ СЛОЖНОСТИ
необходимо преодолеть создателям
КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ?

10. СЛОЖНОСТИ

НАЙТИ / ВЫБРАТЬ объекты
микромира в качестве кубитов
УДЕРЖАТЬ систему кубитов во
взаимодействии как можно дольше
? количество кубитов

11. Кандидаты на роль кубита – любая частица с 2 базисными состояниями:  фотон, нейтральный атом или ион ………

Кандидаты на роль кубита –
любая частица с 2 базисными состояниями:
фотон, нейтральный атом или ион ………
первыми экспериментально измеренными кубитами стали в 1995
году захваченные в специальные электромагнитные ловушки
ионы бериллия
базисные состояния - колебания отдельного иона в потенциальной яме
ловушки
За ионами последовали
ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи
кванты света — фотоны
базисные состояния - их поляризация (направление колебаний распространяющегося в
пространстве электромагнитного поля)
кубиты, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса
используют спины атомных ядер во внешнем магнитном поле для кодирования состояний кубитов
Ультрахолодные атомы

12.

Наиболее перспективными для реализации
в ближайшем будущем квантовых компьютеров
считаются четыре платформы:
сверхпроводниковые цепочки,
фотоны,
атомы
ионы

13. Основные параметры кубитов, пригодные для построения квантовой системы

время их жизни
как долго будет храниться хрупкое квантовое состояние
сколько вычислительных операций можно выполнить с кубитом, пока он не
«умер»
количество кубитов, которые можно заставить
работать сообща
Требуются сотни-тысячи-миллионы кубитов, работающие «вместе»
(однако кубиты не любят «соседствовать» и «противятся» этому, катастрофически
уменьшая время своей жизни)
«Квантовые объекты необычайно хрупки и уязвимы. Малейшее внешнее воздействие разрушает
квантовое состояние, в котором находится кубит. Поэтому кубиты требуют изоляции от внешнего мира,
вакуума и охлаждения почти до абсолютного нуля, и все равно в их работе то и дело возникают ошибки.»
Собрать тысячи и тем более миллионы таких капризных элементов в управляемую и отказоустойчивую
систему - сложная задача

14. Достижения разработчиков квантовых компьютеров

Октябрь 2019 - Google (США)
Впервые в мире показано квантовое
превосходство
53-кубитный процессор Sycamore (55 ?)
Сверхпроводниковые цепочки
Увеличение количества кубитов в квантовом процессоре
не связано напрямую с повышением его мощности

15. Квантовое превосходство – 2: Китай

Китайские физики вторыми в мире достигли квантового
превосходства октябре 2021
Квантовый суперкомпьютер Jiuzhang (Цзючжан) - 2, 66 кубит
Носители квантовой информации - фотоны, число фотонов - 113
Первый вариант квантового компьютера под кодовым названием
«Zuchongzhi 2.1» имел 66 кубитов (76 фонов).
Центр математики и вычислительных наук Цзу Чунчжи
Его вычислительная сложность более чем в миллион раз превышает
процессор у квантового компьютера Google Sycamore на 55 кубитах,
работал на сверхпроводниках.

16. Фотонный квантовый вычислитель Цзючжань (Jiuzhang) University of Science and Technology of China (Шанхай) 

Фотонный квантовый вычислитель
Цзючжань (Jiuzhang)
University of Science and Technology of China (Шанхай)

17. Достижения разработчиков : квантовые процессоры IBM

Eagle (Орел) со 127 кубитами
Eagle - третий квантовый процессор IBM
представила в ноябре 2021 года
В 2019 = 27-кубитный Falcon ("Сокол"),
В 2020 - 65-кубитный Hummingbird ("Колибри")
Osprey IBM с 433 кубитами (четвертый, 2022)
-
передовой квантовый процессор
для представления состояния на процессоре Osprey обычному
компьютеру потребуется больше битов, чем атомов во Вселенной
-
IBM Quantum Condor с 1.121 кубитом (квантовый процессор
общего назначения представлен в декабре 2023 )
Система из трех процессоров Heron по 133 кубитов каждый (декабрь 2023) (зато
рекордно низкая частота ошибок, ниже, чем у предыдущего процессора)
Компания заявляет, что это находится близко к так называемому «квантовому преимуществу»
(напомню - точке, в которой квантовые компьютеры смогут превзойти классические
компьютеры)

18.

17 ноября 2021 г (на следующий день после анонса 127-кубитного
процессора компании IBM)
стартап QuEra Computing Inc. объявил, что закончил работу над
квантовым компьютером из 256 кубитов

19. Квантовые компьютеры на основе ионов

Самым мощным квантовым вычислителем является квантовый
компьютер в 56 кубитов компании Quantinuum (лидирующая
международная компания, в сфере квантовых вычислений)
Самый мощный квантовый вычислитель на ионах создан в Китае
(май 2023)
Россия входит в число мировых лидеров сферы квантовых
технологий (создан и представлен 50-кубитный ионный квантовый
компьютер)
Июль 2023 – 16-кубитный на ионах
Февраль 2023 – 20-кубитный
На 2024 год только шесть стран, включая Россию, обладают квантовыми
компьютерами на ионах в 50 кубитов и более

20.

Специализированные квантовые компьютеры
направлены на решение одной конкретной
специфической задачи, например, задачи оптимизации.
Примеры - квантовые компьютеры D-Wave.
Универсальные квантовые компьютеры
способны реализовать произвольные квантовые
алгоритмы (Шора, Гровера, и т.д.).
Примеры – компьютеры IBM, Google

21. Эффективность

Квантовый компьютер не является заменой
классическому, так как классический по-прежнему
эффективен в решении различных классов задач
Квантовые вычисления эффективны для решения четырех
видов основных задач:
имитационного моделирования,
оптимизации,
машинного обучения,
криптографии

22. Государства и основные игроки на рынке квантовых компьютеров

«В 2016-17 годах страны начали принимать программы по развитию
квантовых технологий с существенными бюджетами»
США (IBM, Google, Honeywell, стартапы Rigetti и IonQ представили уже достаточно
надежные квантовые системы с десятками кубит).
Китай (с 2016 начал национальный мегапроект по развитию квантовой связи и
вычислений. За 15 лет бюджет поддержки разработок - около $1 млрд. С 2012 года в
стране работает коммуникационная квантовая сеть, а в 2016 году Китай запустил первый в
мире квантовый спутник).
В январе 2021 года Китай установил новый мировой рекорд протяженности квантовых
линий связи: общая длина наземных и спутниковых сегментов составила 2,6 тыс. км
в начале 2020 года Alibaba объявила о выпуске 10-кубитового квантового облачного
компьютера
Крупные европейские игроки - Великобритания, Германия, Нидерланды
Германия планирует создать Мюнхенскую квантовую долину

23. Государства и основные игроки на рынке квантовых компьютеров

ЯПОНИЯ (с 2019 г)
В 2019 году Fujitsu создала вычислитель, работающий по принципу квантового отжига 8 192
кубитами. Он до сих пор крупнейший в мире, активно используется различными
компаниями для решения сложнейших задач оптимизации.
Южная Корея
Samsung в 2020 году представил «квантовый смартфон» Galaxy Quantum. Внутри
смартфона, который стоит около $500, установлен квантовый чип (производства
швейцарской IDQuantique) с уникальным генератором случайных чисел. Он позволяет
добиться шифрования данных на таком уровне, что смартфон невозможно взломать даже
при целенаправленной атаке.
Канада, Сингапур, Тайвань, Израиль
Россия (квантовые вычисления, квантовые коммуникации, квантовые сенсоры)
общий бюджет примерно в 58,8 млрд руб. ($753,6 млн)
50-кубитный ионный квантовый компьютер в 2023

24. Основные игроки на рынке квантовых компьютеров

IBM
Google
Honeywell
Стартап IonQ
Стартап PsiQuantum
Intel
Microsoft
Стартап QuEra

25. «В 2021 году человечество находится на пороге второй квантовой революции. Первая состоялась в начале XX века и привела к

появлению
лазеров, транзисторов, ядерного оружия, мобильной телефонной связи,
интернета, МРТ-сканеров, светодиодных ламп и многих уже привычных
вещей»
«Объем рынка квантовых вычислений по итогам 2020 года достиг $5,6 млрд»
«рынок квантовых компьютеров …пока невелик — в 2020 году он составил $320 млн»
«расходы увеличиваются и продолжат расти в будущем (ежегодный рост на уровне
33,7%)»
«Рынок квантовых компьютеров будет активно расти и в 2024 году достигнет $830 млн»
«Кубиты имеют несколько различных реализаций: полупроводниковые, на ионах в
ловушках, оптические, топологические и т. д. ….. трудно сказать, какое решение станет в
будущем стандартным. В появлении стабильной отрасли квантовых компьютеров
сомневаться не приходится» (Боб Соренсен (Bob Sorensen), главный аналитик по
квантовым вычислениям в исследовательском институте Hyperion Research (США)
«квантовые технологии станут более широко применяться в ближайшие 4–5 лет и
предложат 50-кратный прирост производительности в сравнении с традиционными
системами» (Hyperion)

26. Современный квантовый компьютер

27. Современный квантовый компьютер

28. Современный квантовый компьютер

29. Проблема ошибок

Кубиты сильно зависят от внешних воздействий: изменения
температуры, шума, незначительных колебаний.
Из-за этого они ошибаются.
В квантовых процессорах с небольшим количеством кубитов
такие ошибки не всегда критичны, но, когда речь идет о мощных
чипах, ошибки накапливаются и это делает их непригодными для
вычислений.
Поэтому важнейшей технической задачей для создателей
квантовых компьютеров становится сокращение числа ошибок в
мощных квантовых процессорах до того значения, при котором
система сохраняет свою устойчивость и работоспособность

30. Резюме простыми словами (источник - https://habr.com/ru/sandbox/191266/)

Квантовые компьютеры — это устройства, которые используют особенности
квантовой механики для выполнения вычислений.
Они отличаются от классических компьютеров тем, что вместо битов
(единиц информации, которые могут принимать значения 0 или 1) они
оперируют кубитами (квантовыми битами, которые могут находиться в
суперпозиции двух состояний одновременно).
Благодаря этому квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи
намного быстрее и эффективнее, чем классические.
Квантовые компьютеры существуют в реальности, но пока что они
находятся на ранней стадии развития.
Самый мощный квантовый компьютер (процессор) на данный момент — это
IBM Quantum Condor с 1121 кубитом, который был представлен в 2023 году.
Однако этот компьютер не доступен для широкого использования и работает
только в лабораторных условиях.

31. Облачные сервисы

Платформа IBM Quantum Experience предоставляет
возможность воспользоваться квантовыми
процессорами корпорации
(quantum.ibm.com - в нашей стране пока запрещен доступ)
Amazon Braket предоставляет доступ к квантовым
компьютерам разных производителей (D-Wave, IonQ и
Rigetti).
Квантовые вычислительные ресурсы Microsoft и ее
партнеров доступны на платформе Azure Quantum
azure.microsoft.com
эти сервисы позволяют только разрабатывать и тестировать квантовые алгоритмы

32. Это интересно

[Forbes] 9.12.2024 в сфере квантовых
вычислений произошло действительно
значительное событие - подразделение Google
Quantum AI представили Willow — квантовый
чип мощностью 105 кубит
Нет, исследователи не продемонстрировали в
работе новый квантовый компьютер
Специалисты компании применили метод
квантовой коррекции ошибок, при котором
несколько физических кубитов объединяются в
один логический кубит.
Для проверки способностей чипа перед ним была
поставлена задача, на решение которой у обычного
компьютера ушло бы 10 септиллионов лет (число с 24
нулями) - срок, во множество раз превышающий
историю нашей вселенной. А Willow справился с ней за
пять минут. Этот опыт доказал, что кубиты могут
сохранять устойчивость, даже если их число в
процессоре превышает сотню — за предыдущие 30 лет
работы над квантовыми компьютерами достичь таких
результатов еще никому не удавалось.
Компания Cisco объявила о
создании прототипа
специализированного сетевого
квантового чипа для генерации
запутанных фотонов.
Изделие даёт возможность
масштабировать квантовые системы
и объединять множество квантовых
компьютеров с небольшим
количеством кубитов в единую
распределённую систему.
становится возможным создание
масштабируемых квантовых датацентров, способных координировать
работу большого количества
квантовых компьютеров и
миллионов их кубитов для решения
самых сложных проблем

33. Новые идеи

В Колорадо (США) реализуется научный
проект по созданию специализированной
подземной лаборатории на глубине 1,5 км
для квантовых исследований — Colorado
Underground Research Institute (CURIE).
Основная идея проекта – использование
геологического экрана для снижения
уровня фонового излучения и
электромагнитных помех. Именно эти
факторы затрудняют проведение
экспериментов с квантовыми системами, в
которых стабильность и точность
измерений напрямую зависят от внешней
среды. Размещение лаборатории на
глубине позволяет изолировать
оборудование от влияния космических
лучей и радиочастотного шума
06.05.2025
Специальная теория относительности
может быть использована для создания
нового типа квантового компьютера, а
такой подход позволит применять
машинное обучение для углубления
нашего понимания квантового мира.
Теория специальной относительности
Альберта Эйнштейна описывает, как
движение со скоростью, близкой к
скорости света, влияет на восприятие
пространства и времени.
Т. Рик Перш из Института теоретической
физики «Периметр» и его коллеги
считают, что релятивистские эффекты
могут помочь в разработке особого вида
квантового компьютера. Они построили
наиболее полную и детальную на
сегодняшний день математическую
модель для его создания
23.04.2025

34. Это интересно

Компания Microsoft объявила о революции в
сфере квантовых вычислений. Специалисты
компании разработали и воплотили в «железе»
абсолютно новый принцип кубитов, который
ранее никем не был реализован. В основе
квантового процессора Majorana 1 («Майорана
1») задействованы гипотетические частицы —
фермионы Майораны. Интересно, что у этой
разработки можно обнаружить российские и даже
советские корни.
Фермионы Майораны существуют лишь в теории.
Эти частицы ещё не были зарегистрированы в
экспериментах, и их обнаружение будет
равнозначно получению Нобелевской премии по
физике. Пока же это мечта и цель многих учёных.
Значит ли это, что Microsoft всех обманула? И да,
и нет. В последние годы физики научились
создавать квазичастицы, близкие по свойствам к
фермионам Майораны. Это облака из
сверхохлаждённых электронов, которые
называют «модами нуль-энергии».
Ученые из тайваньского университета NTHU
изобрели самый маленький в мире квантовый
компьютер. Его размер сопоставим с размером
обычного системного блока.
Для вычислений используется одиночный фотон.
Компьютер может выполнять факторизацию
простых чисел в соответствии с алгоритмом
Шора и способен кодировать информацию
Октябрь 2024
Фотоны могут поддерживать стабильные
квантовые состояния при комнатной температуре
Это свойство позволяет снизить затраты энергии
в сравнении с другими типами квантовых компьютеров,
кубиты в которых очень чувствительны
к внешним воздействиям и легко теряют свою суперпозицию.
Для этого им нужно обеспечить очень низкую температуру
(порядка -273℃) и изоляцию от электромагнитных полей.
Это требует специального оборудования
и большого количества энергии.