`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Квантовые вычисления: ступенька вверх

Статья опубликована в №5 (716) от 16 февраля

+55
голосов

Хотя создание квантового компьютера не рассматривается как близкая перспектива, исследования в этой области проводятся довольно интенсивно. Несколько интересных результатов было достигнуто в прошедшем году.

Тихо-тихо ползи
Улитка по склону Фудзи
Вверх, до самых высот.
Исса, сын крестьянина

Каков бы ни был квантовый компьютер, крайне желательно, чтобы в его производстве использовались существующие методы. Именно этот тезис был положен в основу исследований в Университете технологии в г. Делфт (Дания). Были изучены два типа кьюбитов: один на базе тонких сверхпроводящих колец и другой – на квантовых точках (напомним, что в квантовой точке движение частиц ограничено в трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме, поэтому квантовые точки называют также искусственными атомами, хотя они состоят из тысяч атомов).

Ученые впервые реализовали на двух кьюбитах на сверхпроводящих кольцах (рис. 1) вычисления с квантовым вентилем «управляемое НЕ» (Controlled-NOT, CNOT). CNOT переворачивает второй (целевой) кьюбит тогда и только тогда, когда первый кьюбит (управляющий) содержит логическую единицу. Классический аналог квантового вентиля CNOT – это XOR. Результат является важным, поскольку с помощью этого вентиля может быть реализовано любое заданное квантовое вычисление. Суть в том, что любая квантовая цепь может быть симулирована с произвольной степенью точности, используя комбинацию CNOT и ротаций единственного кьюбита.

Квантовые вычисления ступенька вверх
Рис. 1. Сверхпроводящее кольцо на чипе

Слова «впервые ... на сверхпроводящих кольцах» выделены неспроста. Дело в том, что в 2003 г. Джереми О'Брайен (Jeremy O'Brien) с коллегами из Квинслендского университета (Австралия) построили (тоже первый) квантовый вентиль CNOT на фотонах. Первая конструкция не могла служить строительным блоком квантового компьютера, поскольку была выполнена из обычных оптических компонентов, таких как зеркала и расщепители лучей, и занимала целую лабораторную скамью. В новой версии, представленной в 2008 г., группе удалось создать сотни вентилей CNOT в куске кремния размером около миллиметра. Для этого были использованы связанные волноводы – каналы микронной ширины в прозрачном кварце, которые удалось вырастить в кремниевой подложке. В 2009 г. команда сделала еще один шаг вперед, построив на базе имеющихся результатов устройство, выполнившее первые математические вычисления. Задача состояла в том, чтобы разложить число 15 на простые множители. В результате был получен ответ 3 и 5. Вычисления осуществлялись с применением алгоритма Питера Шора (Peter Shor), предложенного в 1994 г.

Продвинулась на пути построения квантового компьютера и команда исследователей Йельского университета, создавшая первый элементарный твердотельный квантовый процессор (рис. 2). Они также использовали двухкьюбитовую сверхпроводящую схему для выполнения простейших алгоритмов, таких как простой поиск, продемонстрировав впервые квантовую обработку данных с помощью твердотельного устройства.

«Наш процессор может выполнять только несколько очень простых квантовых задач, решение которых было продемонстрировано ранее с использованием кьюбитов на ядре, атомах и фотонах, – поясняет профессор прикладной физики Роберт Шелкопф (Robert Schoelkopf) из Йеля. – Но впервые эти операции стали возможны на полностью электронном устройстве, во многом подобном обычному микропроцессору».

Группа сконструировала два кьюбита на базе квантовых точек. Достижение, которое сделало двухкьюбитовый процессор возможным, заключалось в механизме внезапного переключения состояния кьюбитов, так что они обменивались информацией быстро и только тогда, когда исследователи хотели этого. В дальнейшем команда намерена работать над тем, чтобы увеличить время сохранения кьюбитами своего состояния. Это требуется для выполнения более сложных алгоритмов.

Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB, США) достигли успеха в управлении квантовыми состояниями электрона с помощью высокочастотного электромагнитного поля, что может оказаться полезным при разработке квантовых вычислений.

Исследователями была продемонстрирована возможность манипулировать квантовыми состояниям электрона, захваченного отдельными дефектами в кристалле алмаза посредством электромагнитного поля частотой несколько гигагерц. Это может помочь в создании квантовых компьютеров, которые для вычислений используют спины электронов.

С помощью волноводов в чипе на базе алмаза удалось создать магнитные поля достаточно большие, чтобы изменить квантовое состояние дефекта менее чем за одну миллиардную долю секунды. Микроволновая техника, используемая в эксперименте, аналогична той, которая применяется для формирования изображений с помощью магнитного резонанса.

Квантовые вычисления ступенька вверх
Рис. 2. Первый твердотельный двухкьюбитовый процессор, который похож на обычный компьютерный чип и способен выполнять простые алгоритмы

Основным достижением в этой работе является то, что она открывает новые перспективы в технике использования резонансных технологий. С помощью данного эксперимента ученые хотели выяснить практический предел скорости изменения квантовых состояний в алмазе. Результаты показали, что эта скорость превысила существующие предположения. «С точки зрения информационных технологий управление квантовыми системами еще мало изучено, – заметил проф. Дэвид Авшалом (David Awschalom) из UCSB. – Поэтому крайне интересно было обнаружить, что можно управлять квантовыми состояниями всего нескольких атомов на частотах, которые сравнимы с применяемыми в обычных ПК».

Разработки, выполненные в NIST

В прошедшем году исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST, США) были очень активны, поэтому их результаты выделены в отдельный раздел.

В июле они сообщили о том, что нашли способ управлять индивидуальными кьюбитами в квантовом процессоре без искажения данных, хранимых на соседних кьюбитах. Новый подход, в котором применялся поляризованный свет для создания «эффективных» магнитных полей, может приблизить построение реального квантового компьютера. Главной проблемой здесь является управление носителями данных, сохраняющее изоляцию от окружающей среды. Один из подходов предполагает в качестве кьюбитов использовать изолированные атомы рубидия. Каждый такой атом может находиться в одном из восьми разных энергетических состояний, так что задача заключается в том, чтобы выбрать два из них для представления логических 0 и 1. В идеале эти два состояния должны быть полностью нечувствительны к паразитным магнитным полям, которые могут разрушить суперпозицию (снять вырождение). Однако такие «устойчивые» состояния делают кьюбиты менее чувствительными к управляющим магнитным полям. «Это похоже на уловку-22, – говорит Натан Лундблад (Nathan Lundblad) из NIST. – Чем больше кьюбиты чувствительны к индивидуальному управлению, тем труднее добиться их корректной работы».

Чтобы решить проблему использования магнитных полей для управления индивидуальными атомами, сохранив невосприимчивость к паразитным полям, команда использовала две пары энергетических состояний в каждом атоме. Каждая пара подбиралась для выполнения специальной задачи. Одна применялась как память, тогда как другая – для вычислений. Хотя каждая пара была нечувствительна к паразитным полям, переход между состояниями «память» и «вычислитель» был управляем. При этом состояние «память» соседнего атома не возмущалось. Данный подход был продемонстрирован на массиве атомов, сгруппированных в пары, и к каждому атому пары можно было адресоваться индивидуально (рис. 3).

В начале августа появилось сообщение о том, что физики из NIST представили устойчивые операции по обработке информации на ионах. Эта работа преодолела существенные преграды в масштабировании технологии с использованием ионных ловушек.

В новой демонстрации исследователи неоднократно выполняли комбинированную последовательность из пяти операций квантовой логики и 10 транспортных операций при сохранении и управлении двоичными 0 и 1 на ионах, выполняющих роль кьюбитов в гипотетическом квантовом компьютере, и сохранении способности последовательно манипулировать информацией.

Квантовые вычисления ступенька вверх
Рис. 3. Оптическая решетка использует лазеры для разделения атомов рубидия (красные) для применения в качестве информационных «битов» в квантовом процессоре на нейтральных атомах – прототип устройств, которые конструкторы пытаются разработать для окончательного варианта квантового компьютера. Ученые из NIST изолировали и управляли пáрами атомов рубидия посредством поляризованного света

Новое исследование комбинирует ряд ранее достигнутых результатов и в то же время решает две хронические проблемы, которые были им присущи: охлаждение ионов после транспортировки, так что их легко разрушающиеся квантовые свойства могут быть использованы для последующих логических операций, и хранение значений данных на специальных состояниях ионов, устойчивых к нежелательным изменениям блуждающими магнитными полями.

Как результат, исследователи из NIST продемонстрировали в малых масштабах все требования к крупномасштабному квантовому процессору, базирующемуся на ионах. Ранее они могли выполнять последовательность процессов несколько раз, но теперь выполняют их все вместе и многократно: 1) «инициализация» кьюбитов к желаемым начальным состояниям (0 или 1); 2) сохранение кьюбита данных на ионах; 3) выполнение логических операций на одном или двух кьюбитах; 4) передача информации между различными зонами в процессоре; 5) считывание результатов с индивидуальных кьюбитов.

В эксперименте, выполненном в NIST, кьюбиты хранились на двух ионах бериллия, удерживаемых в ловушке с шестью различными зонами. Для перемещений ионов из одной зоны в другую использовалось электрическое поле, а для изменений энергетических состояний ионов применялись импульсы лазера специальной частоты и длительности. Ученые продемонстрировали повторяемую последовательность логических операций (четыре однокьюбитовых и одну двухкьюбитовую) на ионах и обнаружили, что частота появления ошибок не увеличивается при переходе от серии к серии, несмотря на перемещения кьюбитов на макроскопические расстояния (около 1 мм).

Исследователи применили в квантово-информационном процессе две ключевые инновации. Первая заключалась в том, что они использовали два иона магния для охлаждения ионов бериллия после транспортировки, обеспечив тем самым возможность продолжить выполнение логических операций без дополнительных ошибок вследствие нагревания в результате транспортировки. Сильное электрическое взаимодействие между ионами позволило охлажденному лазером магнию охладить ионы бериллия без искажения хранящейся информации. Такой метод охлаждения был применен впервые для двухкьюбитовых логических операций.

Другой значительной инновацией было использование трех разных пар энергетических состояний ионов бериллия, чтобы удерживать информацию в течение разных шагов процесса обработки. Это позволило сохранять состояния ионов, несмотря на разрушающее воздействие магнитных флуктуаций во время их транспортировки.

Эксперимент начался на двух кьюбитах, удерживаемых в разных зонах ионной ловушки, так что их состояниями можно было манипулировать индивидуально, выполняя однокьюбитовые логические операции и считывая результаты. Далее ионы были собраны в одной зоне ловушки для двухкьюбитовых операций, а затем снова разделены и перемещены в разные зоны для последующих однокьюбитовых операций. Чтобы оценить эффективность процессов, ученые выполнили эксперимент 3150 раз для каждого из 16 различных начальных состояний.

Квантовый процессор NIST работал с точностью 94% – оценка получена путем усреднения по всем итерациям эксперимента. Частота ошибок была одинаковой для каждого из двух последовательных повторений логической последовательности операций, демонстрируя, что операции изолированы от ошибок, которые могли быть вызваны транспортом ионов. Частота ошибок составила 6%, что еще далеко от порогового значения 0,01% для отказоустойчивых квантовых вычислений.

Квантовые вычисления ступенька вверх
Рис. 4. Демонстрация первого универсального программируемого процессора для потенциального квантового компьютера. Пара ионов бериллия, которые содержат данные, удерживаются в ловушке внутри цилиндра с правой стороны. На мониторе на заднем плане – цветные изображения двух ионов

Однако существуют и более приземленные проблемы: ученые успешно выполнили пять циклов логических операций и транспортировок, но попытка продолжить потерпела неудачу из-за отказа обычного компьютера, используемого для управления лазерами и ионами в квантовом процессоре.

До сих пор описываемые устройства могли решать очень узкий круг задач. Создание первого «универсального» программируемого двухкьюбитового квантового процессора, сообщение о котором появилось в ноябре, является существенным шагом на пути к квантовому компьютеру общего назначения.

Физики из NIST продемонстрировали устройство, способное выполнить любую программу, допускаемую законами квантовой механики (рис. 4). Процессор может служить модулем в квантовом компьютере будущего, который сможет решить ряд важных проблем, не поддающихся этому сегодня. Устройство способно выполнять программируемую обработку, обеспечивая ввод данных и непрерывность выполнения любой возможной двухкьюбитовой программы.

Команда из NIST также проанализировала квантовый процессор с помощью методов, используемых в традиционной теории вычислительных машин и электронике, создав диаграммы цепей обработки и математически определив 15 различных начальных значений и последовательностей операций обработки, необходимых для выполнения задаваемой программы. «Впервые продемонстрирован программируемый квантовый процессор более чем для одного кьюбита, – сказал Дэвид Ханнеке (David Hanneke), первый автор опубликованной в Nature Physics статьи. – Это является шагом навстречу конечной цели – выполнению вычислений на большом массиве кьюбитов. Идея в том, чтобы иметь много таких процессоров и соединить их вместе».

Представленный процессор хранит данные на двух ионах бериллия, которые находятся в электромагнитной ловушке и управляются с помощью ультрафиолетовых лазеров. Два иона магния в ловушке помогают охлаждать ионы бериллия.

Ученые могут манипулировать состояниями каждого кьюбита, включая получение состояния суперпозиции значений «1» и «0», самого существенного преимущества квантового мира. Они также могут зацеплять два кьюбита, квантового феномена, при котором пара частиц не теряет связь, даже если они физически разделены.

Исследователи из NISTвыполнили 160 различных программ на двух кьюбитах. Хотя имеется неограниченное количество возможных двухкьюбитовых программ, данный набор из 160 является достаточно большим и разнообразным, чтобы считать процессор «универсальным». Непосредственно выбор программ, которые исполнялись, был сделан с помощью генератора псевдослучайных чисел. Такой подход был выбран, чтобы избежать сдвига при тестировании процессора, в результате чего может оказаться, что некоторые программы работают лучше или дают большую точность, чем другие.

Кьюбиты на ионах являются одним из нескольких способов их создания. Если они смогут быть построены, то квантовые компьютеры нашли бы широкое поле применения в таких задачах, как взлом шифров и защита электронных транзакций. Вдобавок к использованию в качестве модуля в квантовом компьютере новый процессор может применяться как миниатюрный симулятор взаимодействия любой двухуровневой квантовой системы. Большие квантовые симуляторы могут, к примеру, помочь объяснить загадку высокотемпературной сверхпроводимости.

В статье указано, что каждая программа содержала 31 логическую операцию, 15 из которых изменялись в процессе программирования. Логическая операция в данном случае заключалась в правилах манипуляции одним или двумя кьюбитами.

Программы не могут выполнять легко описываемые математические вычисления. Можно сказать, что они включают разнообразные однокьюбитовые «вращения» и двухкьюбитовые зацепления.

Каждая программа работала точно в среднем 79% времени в объеме 900 запусков, которые длились по 37 мс. Чтобы оценить процессор и качество операций, ученые из NIST сравнили измеренные выходные данные программы с предсказанными теорией результатами. Они также выполнили дополнительные измерения на 11 из 160 программ, чтобы более полно реконструировать их работу, и двойную проверку выходных данных.

Как отмечено в статье, для решения более сложных проблем необходимо намного больше кьюбитов и логических операций. Значительной проблемой для будущего исследования будет снижение количества ошибок, возникающих в процессе выполнения последовательности операций. Требуется существенно увеличить точность программы, как для того чтобы достичь устойчивых к сбоям вычислений, так и уменьшения непроизводительной вычислительной нагрузки, необходимой для коррекции ошибок.

В заключение заметим, что данный обзор не претендует ни на полноту, ни на глубину. Его цель – дать представление о том, какие изыскания проводятся в этой области.

+55
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

устоявшаяся, в данной области исследований, русская научная терминология использует написание «КУБИТ»

Значит мы с вами читаем разную научную литературу

яндекс "кубит" - 18 тысяч страниц
яндекс "кьюбит" - 1182 страницы
искалось в кавычках

Спасибо за обзор, надеюсь, что у вас будет возможность регулярно освещать происходящее на квантово-компьютерном фронте.

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT