Поиск

Международная группа ученых, состоящая из российских, британских и германских специалистов в области квантовых технологий, создала революционную технологию кубитов, основанную не на джозефсоновском переходе, представляющем собой разрыв в сверхпроводнике, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке. О своей работе исследователи поделились в журнале Nature Physics. В мире пока нет универсальных квантовых компьютеров, способных справляться с любыми задачами, однако разрабатываемые методы и принципы вычислений уже сейчас позволяют решать сверхсложные задачи. Например, с помощью кубитов моделируют химические соединения и материалы, воссоздают механизм процессов фотосинтеза. На данный момент существует несколько типов кубитов, но у каждого из них имеется недостаток, который снижает эффективность их работы. Например, созданные кубиты, способные работать в оптическом диапазоне, сложно масштабировать, в отличие от кубитов на сверхпроводниках, работающих в радиодиапазоне и основанных на так называемых джозефсоновских переходах. Каждый такой переход представляет собой разрыв сверхпроводника, а точнее, слой диэлектрика, через который туннелируют электроны. Новый тип кубита основан на эффекте квантового проскальзывания фазы – контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (порядка 4 нм толщиной) нанопроволоке, которая в обычном состоянии имеет довольно большое сопротивление. Алексей Устинов, являющийся соавтором новой работы, руководителем группы Российского квантового центра, заведующим лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», а также профессором Института технологий Карлсруэ, отметил, что сейчас удалось создать новый тип сверхпроводящих устройств, во многом аналогичных СКВИДу (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»). СКВИД представляет собой сверхчувствительный магнитометр, основанный на джозефсоновских переходах и использующийся для измерения слабых магнитных полей. Однако интерференция в новом устройстве вызывается не магнитным полем, а электрическим, которое меняет электрический заряд на островке между двумя нанопроволоками. Эти нанопроволоки играют в устройстве роль джозефсоновских переходов, но при этом не требуют создания разрывов и могут быть изготовлены из одного слоя сверхпроводника. Алексей Устинов отмечает: в данной работе удалось показать, что эта система может работать как зарядовый интерферометр. «Если нанопроволоку разбить на два участка и сделать в центре утолщение, то, меняя затвором заряд на этом утолщении, можно фактически делать периодическую модуляцию процесса квантового туннелирования магнитных квантов через проволоку, что в этой работе и наблюдается», — прокомментировал ученый. Это ключевой момент, доказывающий, что получен управляемый и когерентный эффект и что его можно применять для создания кубитов нового поколения. Также Устинов рассказал, что разработка обладает не меньшей функциональностью, чем предыдущие, но более проста в изготовлении. Новая технология может стать в основе принципа работы всего набора элементов сверхпроводящей электроники.

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) предлагают использовать «забытый» материал в качестве основы для высокоскоростного квантового Интернета. Речь идёт о формировании абсолютно защищённых квантовых каналов передачи данных, которые невозможно прослушать незаметно для отправителя и получателя. Безопасность в таких сетях будет обеспечиваться законами квантовой физики. Дело в том, что невозможно создать копию неизвестного квантового состояния без изменения оригинала. Иными словами, о любом вмешательстве в канал связи моментально становится известно, и незаметно украсть информацию не выйдет. Передавать данные лучше всего с помощью квантов света — фотонов, несущих квантовые биты. Однако сложность заключается в формировании системы, подходящей для практического использования. К примеру, квантовые точки хорошо работают только при очень низких температурах (около минус 200 °C), а ультрасовременные двумерные материалы, такие как графен, просто не могут часто излучать фотоны при электрическом возбуждении. Учёные МФТИ предлагают решить проблему за счёт использования уже забытого сегодня в оптоэлектронике материала — карбида кремния. Исследователи показали, как усовершенствовать карбид-кремниевый однофотонный светодиод, чтобы повысить скорость излучения фотонов до нескольких миллиардов в секунду. Это позволяет увеличить до более чем 1 Гбит/с скорость передачи информации по абсолютно защищённому каналу и сделать квантовый Интернет таким же быстрым, как классический.

Осуществление поиска по большим базам неупорядоченных данных является очень затратной операцией с точки зрения времени и ресурсов для классических компьютеров, но квантовые компьютеры, как ожидается, будут справляться с таким поиском намного быстрей за счет особенностей их функционирования и использования специальных алгоритмов. Из этих квантовых алгоритмов самым быстрым считается алгоритм поиска Гровера, предложенный еще в 1996 году. Это означает, что никакой другой квантовый алгоритм не сможет выполнить процедуру поиска быстрей, чем алгоритм Гровера. Однако, практическая реализация алгоритма Гровера на реальной квантовой вычислительной системе сама по себе является достаточно сложной задачей. Не так давно группа исследователей из университета Мэриленда, при поддержке американского Национального научного фонда, успешно реализовала алгоритм поиска Гровера на системе, использующей в качестве кубитов пойманные в ловушку ионы. Эта система состояла из трех кубитов, что позволяло ей производить поиск по базе, состоящей из 8 (2^3) элементов. При этом, алгоритм Гровера обеспечил поиск элемента за один, максимум за две итерации (прохода), показав результат, намного превосходящий даже теоретический показатель успешности для традиционных компьютеров. Классическим подходом к поиску в неструктурированной базе является прямой перебор. В большинстве случаев алгоритм выбирает любой из элементов базы случайным образом. Если выбранный элемент не является искомым, то все действия повторяются, а вероятность нахождения искомого элемента из восьми после второго прохода (итерации) равна 25 процентам. Алгоритм Гровера, с другой стороны, переводит квантовую систему в такое положение суперпозиции, когда в ней находятся сразу все 8 значений данных, среди которых находится и искомое значение. Затем алгоритм задействует особую функцию, называемую оракулом, которая по ряду критериев отмечает искомое значение. В результате такого "квантового" подхода теоретический показатель вероятности нахождения искомого значения сразу на первом проходе составляет 78 процентов, а на втором проходе эта вероятность составляет уже все 100 процентов. Это, в свою очередь, определяет малое время, требующееся для нахождения искомого значения. При практическом выполнении алгоритм поиска Гровера показал на первом проходе более низкое значение показателя успешности, которое оказалось гораздо ниже теоретического значения и составило 39 и 44 процента в зависимости от вида используемой функции-оракула. Тем не менее, такой показатель значительно превышает аналогичный показатель успешности обычных компьютеров. Исследователи так же проверили работу алгоритма поиска Гровера на наборах данных, содержащих по два правильных решения. В таком случае теоретические показатели успешности на первом проходе для классических и квантовых компьютеров составляют 47 и 100 процентов соответственно. И снова практический показатель успешности оказался ниже теоретического и составил 68 и 75 процентов для двух типов функций-оракулов. "В будущем мы собираемся реализовать алгоритм Гровера на большее количество кубитов, что позволит осуществлять поиск по базам данных больших объемов" - пишут исследователи, - "Помимо этого мы работаем над созданием новой квантовой системы, в которой будет реализован лучший уровень управления кубитами, которые, к тому же, будут качественней ограждены от нежелательных воздействий из окружающей среды. Это, в свою очередь, позволит такой квантовой системе продемонстрировать показатели успешности поиска решения, равные или близкие к теоретическим значениям".

Компания IBM продолжает двигаться во главе процесса по практической реализации квантовых вычислительных систем. Согласно официальному заявлению компании, в её недрах собран первый в мире прототип 50-кубитного квантового компьютера (процессора). Заявление IBM о первенстве можно оспорить. Летом этого года, например, в Российском квантовом центре представлен 51-кубитный квантовый компьютер, работа всех кубитов которого полностью когерентна (согласована), что важно для целостности полученных в ходе вычисления данных. Но поскольку терминология для квантовых вычислений только-только становится общепринятой на уровне индустриального стандарта, говорить о каждой системе можно только с позиций индивидуальной уникальности. До сравнения платформ дело ещё не дошло. Возвращаясь к квантовым платформам IBM, отметим, что коммерческий запуск 50-кубитной системы пока остаётся под вопросом, хотя испытания прототипа показали соответствие полученных характеристик значениям, добытым на действующих коммерческих квантовых компьютерах IBM Q. Иными словами, прототип работает также хорошо, как коммерческие системы IBM Q. Последние представлены 5-кубитным и 16-кубитным компьютерами, удалённый доступ к которым компания открыла в мае 2016 года. Через облачные сервисы IBM и соответствующее программное обеспечение (QISKit) с открытым кодом воспользоваться квантовым компьютером IBM Q могут все желающие. По словам IBM, за это время сервисом воспользовались свыше 60 000 пользователей со всего мира. На системе IBM Q поставлено свыше 1,7 млн экспериментов и выпущено 35 научных работ. Доступ к системе оформили 1500 университетов, 300 школ и 300 частных исследовательских лабораторий. До конца 2017 года компания введёт в эксплуатацию и сделает доступной 17-кубитную систему и в течение 2018 года доведёт мощность доступной пользователям квантовой вычислительной системы до 20 кубитов. Когерентное время для всех 20 кубитов составит 90 мкс, чего достаточно для надёжного определения квантовых значений. Добавление в систему поддержки каждого нового кубита (квантового бита) в геометрической прогрессии увеличивает производительность квантовых компьютеров (за счёт принципа суперпозиции, когда значение вычисления одновременно принимает состояние 0 и 1), чего нельзя добиться в случае классических вычислений. Считается, что производительность 50-кубитного компьютера уже не по зубам современным классическим суперкомпьютерам. Во всяком случае, с учётом разумного потребления энергии и стоимости работ. Следует понимать, что квантовые вычисления пока нацелены на решение специфических задач, таких как молекулярная химия, биология и криптография. Это поиск новых лекарств, расшифровка генома и создание новых материалов, хотя криптография обещает оказаться главенствующей в этом списке. Квантовые вычисления обещают в один день сделать ничем современные методы шифрования. Это ставит под удар национальную безопасность всех без исключения государств и представляется веской причиной создавать квантовые вычислительные системы и изобретать новые методы шифрования. Но это уже другая история.

В Фонде перспективных исследований (ФПИ) состоялось заседание межведомственной рабочей группы, на котором были утверждены приоритетные задачи в области квантового шифрования и вычислений для государственной власти и банков, сообщает РИА Новости со ссылкой на ФПИ. Также на заседании был рассмотрен порядок формирования перечня приоритетных проектов. В состав рабочей группы, созданной для разработки дорожной карты по развитию квантовых технологий в России, вошли представители организаций — потенциальных заказчиков, заинтересованных в развитии и внедрении квантовых технологий в конкретных областях. На заседании также был утвержден обновлённый состав экспертной группы по технологиям квантовой обработки информации. В неё вошли ведущие ученые в этой области, которые будут работать совместно с межведомственной рабочей группой. «Такое сотрудничество позволит перевести глобальные, в том числе государственные задачи, которые формулируют государственные учреждения и крупные организации-заказчики, в формат конкретных проектов с чётким техническим заданием», — говорят в ФПИ. Вопросы реализации приоритетных проектов в сфере квантовых коммуникаций будут в дальнейшем обсуждаться на проводимых ФПИ семинарах с участием учёных и представителей заказчиков.