Алмазы для квантового компьютера. Над чем работают молодёжные лаборатории. Где используются квантовые технологии

Для ускорения роста Google в сотрудничестве с Volkswagen и Университетом Ватерлоо запустил TensorFlowQuantum, библиотеку с открытым исходным кодом для создания прототипов моделей квантового машинного обучения.

Со скоростью света. Как квантовые компьютеры изменят мир и жизнь россиян?

Компьютерные технологии постоянно развиваются. Обычные смартфоны теперь могут выполнять задачи, для которых раньше требовались огромные вычислительные мощности. Однако человечество находится на пределе гораздо большего технологического скачка. Это произойдет с появлением совершенного квантового компьютера. Квантовые компьютеры могут за считанные минуты решать задачи, для решения которых даже самым мощным суперкомпьютерам потребовались бы десятилетия или столетия вычислений. Пока существуют только прототипы квантовых компьютеров, но технология совершенствуется с каждым годом. ‘Лента.ру’ и HomoScience рассказывают, что такое квантовая технология и как она может изменить мир.

Первым, кто заговорил о создании квантового компьютера, был американский физик Ричард Фейнман в 1982 году. По словам ученого, эти машины могут моделировать сложные квантовые системы, такие как атомы, за пределами возможностей обычных классических компьютеров. Это требует огромного количества вычислительных ресурсов. Хотя в то время еще не было прототипов, стало ясно, что квантовые компьютеры могут делать то, что не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам.

В 1996 году американский математик Лав Гровер предложил алгоритм квантового поиска, который теоретически может ускорить поиск в огромных базах данных с использованием несекретных данных. Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью двухкубитного компьютера на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это то же самое явление, которое легло в основу магнитно-резонансной томографии. Год спустя было обнаружено, что ЯМР-компьютеры не применяют особое явление, известное как квантовая запутанность, и поэтому не имеют никаких преимуществ перед обычными компьютерами.

В то время как одни ученые искали алгоритмы, которые можно было бы применить к квантовым компьютерам, другие интересовались физическим применением квантовых компьютеров. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура представил функциональные кубиты на основе сверхпроводников.

Технологии быстро развивались, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два взаимосвязанных фотона для расчета энергии молекулярного водорода. Это очень сложно для классического компьютера. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления могут привести к полезным результатам.

Десять лет спустя, в 2019 году, компания Google объявила о достижении квантового превосходства. Всего за 200 секунд его компьютер выполнил ряд вычислений, на которые у суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. А всего год спустя о достижении квантового превосходства сообщили китайские ученые. Девятиглавый компьютер, оснащенный интерферирующими фотонами, за 200 секунд решил задачу, которую самому мощному суперкомпьютеру пришлось бы вычислять 2,5 миллиарда лет.

Уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению интегрированных квантовых вычислений. Разрабатываются новые стандарты, дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений.

В России дорожная карта развития квантовых вычислений была разработана совместно Росатомом и Российским квантовым центром.

Что такое квантовое превосходство

Квантовое доминирование — это свойство квантовых компьютеров, которое позволяет им решать задачи, которые классические компьютеры не могут решить за предсказуемое время. Сейчас ученые рассматривают это достижение как доказательство принципа, а не как нечто, что может повлиять на будущую коммерческую жизнеспособность этих компьютеров.

В России под эгидой Росатома была создана Национальная квантовая лаборатория, включающая различные научные организации, такие как Фонд «Сколково», Российский квантовый центр и специализированные научные учреждения. Цель лаборатории — создание квантовых процессоров на основе сверхпроводников, холодных лиц, фотонов и ионов. К 2024 году планируется построить квантовый компьютер размером от 30 до 100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.

К заявлениям о квантовом превосходстве эксперты и руководство относятся скептически, поскольку квантовое превосходство носит временный характер и не исключает появления более эффективных алгоритмов, ускоряющих классические компьютерные вычисления. Когда Google опубликовала результаты работы своего квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер может решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью за два с половиной дня.

Страна вкладывает значительные средства в развитие квантовой индустрии. Китай создал новую науку о квантовой информации (Национальный институт квантовой информации) — Европейский Союз создал общий план по квантовым технологиям и планирует потратить около 1 млрд евро в США. 1,2 млрд. на пять лет для развития проектов в этой области. Однако для двигателей, состоящих из сотен тысяч кубитов, может потребоваться полезная вычислительная производительность.

Как работают квантовые компьютеры

Классические компьютеры используют биты для выполнения логических действий — информационных единиц для получения значения ‘0’ или ‘1’. В квантовых компьютерах для этой цели используются биты cue, которые представляют квантовое состояние объекта, например, фотона. Квантовое состояние не может быть определено до тех пор, пока не будет произведено измерение. Другими словами, это избыток двух возможных ситуаций: «0» или «1». Наложение объектов может быть связано с наложением других объектов. Другими словами, между ними можно построить логические связи, подобные тем, которые основаны на транзисторах в классических компьютерах. Однако квантовые состояния нарушаются при взаимодействии с окружающей средой (система разобщена), что затрудняет поддержание квантовой системы в состоянии преодоления в течение длительных периодов времени.

Чтобы достичь квантового доминирования, необходимо использовать явление, известное как квантовый передатчик. Это происходит, когда две системы очень сильно связаны друг с другом, так что при получении информации одной системой, информация о другой системе предоставляется немедленно, независимо от расстояния между системами.

ХартмутНевен, директор лаборатории QuantumAILabs компании Google, предложил новые правила для прогнозирования прогресса квантовых компьютеров на ближайшие 50 лет. Он заявил, что возможности квантовых компьютеров вдвое экспоненциальнее, чем у классических компьютеров. Если бы классические компьютеры следовали этому принципу, ноутбуки и смартфоны появились бы в мире к 1975 году. Ученые создавали все более совершенные квантовые процессоры с более сложными квантовыми битами, и тот факт, что сами процессоры экспоненциально быстрее обычных, даже не оправдывал его правило. Компьютеры.

Закон Невена или закон Мура2.0 предсказывает, что по мере совершенствования квантовых чипов компьютеры будут становиться все быстрее и быстрее, способные решать задачи, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам на планете. Единственными серьезными проблемами квантовых информационных систем сегодня являются количество доступных кубитов и снижение коэффициента ошибок. Если закон Невена сработает, квантовые компьютеры покинут академические и исследовательские центры и будут доступны для коммерческого и другого применения в ближайшем будущем.

Когда квантовые компьютеры станут достаточно большими и будут содержать тысячи или миллионы кубитов, они смогут понимать сложные химические реакции и разрабатывать новые лекарства. Это, в свою очередь, приведет к разработке новых материалов и вычислений.

Доля исследователей до 39 лет — не менее 2/3

На сегодняшний день проведено 500 новых молодежных семинаров. По словам Валерия Фаркова, министра науки и высшего образования, одной из главных целей их создания является возвращение талантливых ученых из-за рубежа. В то же время в Россию вернулись не только наши соотечественники, но и молодые ученые из Индии, Китая, Италии и Ирана приехали в Россию, чтобы возглавить открытые исследовательские подразделения.

К 2024 году планируется создать еще 400 исследовательских центров, оснащенных самым современным оборудованием. Не менее двух третей исследователей будут моложе 39 лет. Сфера научных исследований будет очень широкой. Ученые будут работать в таких областях, как биология, генетика, медицина, математика, физика, химия, робототехника, экология, сельское хозяйство и экономика.

Севастопольский государственный университет

В 2021 году в университете открылся институт робототехники и интеллектуальных систем управления. Она посвящена разработке автономных подводных робототехнических систем в области математического обеспечения и программного обеспечения.

Одним из наиболее заметных и успешных проектов является пилотный комплекс подводной лодки с системами технического зрения. В настоящее время мы находимся на завершающей стадии представления проекта в министерство. Проект длился три года и достиг важных результатов. И самое главное, мы получили реальный опыт внедрения», — говорит Алексей Кабанов, руководитель института. ‘ScienceofSevSU.- Мы создали систему подводного видения, а наши партнеры — оператора подводной лодки. Мы применили алгоритмы, интегрировали их в этот комплекс и убедились, что они уже находятся в экспериментальном пуле. Алгоритм управления работает.

Алексей окончил Севастопольский государственный университет и защитил диссертацию в 2011 году. Он смог перестроить регулярный учебный практикум в студенческом конструкторском бюро, которое открыто тогда, когда это нужно студентам, а не в рамках программы. Он также смог оснастить их необходимым оборудованием — трехмерными принтерами, лазерами и сканерами.

Молодой ученый мечтает увидеть свой отдел и своих сотрудников на научной карте мира. Среди глобальных точек роста в области робототехники следует отметить Севастополь, — говорит Алексей Кампанов.

Кемеровский государственный университет

В 2021 году в Кемсу был открыт институт по насаждению технологически затрудненных экосистем. Его возглавляет Людмила Аляскина, молодой исследователь, член Кузбасского всемирного научно-учебного центра, которая также работает в национальной программе «Наука и университет».

Деятельность лаборатории связана с очисткой природной экосистемы района Кемерово (воздух и почва, разрушенные добычей углерода) от различных видов загрязнений (углеводороды, тяжелые металлы и т.д.). Команды ученых разрабатывают бактериальные системы, которые являются высокоэффективными растениями. Они необходимы для создания продукции, востребованной в секторах экологической биотехнологии и сельского хозяйства. Это биопрепараты для восстановления технологически нарушенных почв, биодеградация для роста растений и микробные составы, благоприятствующие развитию микроорганизмов в узких слоях почвы, прилегающих к корням сельскохозяйственных культур.

Такие исследования актуальны для Кузбасса. Высокие темпы промышленного развития в этом районе наносят значительный ущерб природному ландшафту. Территории, занятые отходами угольных шахт, лишены плодородных поверхностных почв. По оценкам экспертов, площадь нарушенных земель в Кузбассе составляет от 120 000 до 150 000 га. Разработка ученых будет способствовать как восстановлению территорий, нарушенных в результате добычи углерода, так и снижению углеродного следа предприятий, расположенных на данной территории.

В 2021 году в Кемсу был открыт институт по насаждению технологически затрудненных экосистем. Его возглавляет Людмила Аляскина, молодой исследователь, член Кузбасского всемирного научно-учебного центра, которая также работает в национальной программе «Наука и университет».

К — квантовая технология: зачем человечеству суперкомпьютер

Чтобы не пропустить новое слово о современности, подписывайтесь на подкасты на Apple Podcasts, Яндекс.Музыка и CastBox. Оцените и поделитесь в комментариях словами, которые вы считаете немыслимыми о коммуникации 21 века.

Что такое квантовые технологии

Квантовые технологии — это очень перспективная область физики, которая изучает квантовую механику и разрабатывает инновации на основе квантов — неделимых частиц, людей или фотонов. Смартфоны и плоские телевизоры, какими мы их знаем, являются результатом исследований в области квантовых технологий. Этот проект все еще продолжается. В этом секторе имеется большой потенциал. Наиболее высокотехнологичным является сектор исследований квантовых компьютеров, которые могут быть использованы для изучения далеких планет и выйти за рамки вычислений. Квантовые компьютеры также являются мощными вычислительными инструментами, поскольку они могут, например, анализировать 30-40-значные числа за секунды с точностью до первого фактора и получать доступ даже к самым конфиденциальным данным.

Существует несколько направлений развития квантовых технологий.

• Квантовые коммуникации, занимающиеся созданием защищенных сетей связи. Кроме того, квантовые коммуникации — это потенциальная защита от атак, осуществляемых с использованием квантового компьютера.
• Квантовые сенсоры — область по разработке сверхточных и чувствительных датчиков, которые можно будет применять в медицине, системах спутниковой связи и археологии.

Что из квантовых технологий уже существует

Большинство разработок, основанных на квантовых технологиях, существуют только в лабораторных условиях. Действительно, это очевидно в Китае, где в 2017 году было запущено квантовое соединение между Пекином и Шанхаем. Год назад Китай сам запустил свой первый квантовый спутник Sumiko. Его основная задача — установить коммуникационную связь между Пекином и Веной. Такой мост может быть полностью защищен от хакеров.

Крупные компании также тестируют квантовые технологии. Например, компания Microsoft начала тестирование AzureQuantum, сервиса для доступа к квантовым компьютерам через облако. Стоимость услуг Azure Quantum составляет от 10 до 900 долларов США в час.

Это не означает, что квантовые системы заменят современные компьютеры. Вместо этого они работают параллельно с обычными суперкомпьютерами, поскольку у каждого из них есть свои преимущества и выгоды.

Квантовое будущее

Страны всего мира, включая Китай, Канаду и США, объявили о многомиллионных и многомиллиардных исследовательских программах, направленных на развитие квантовых технологий и функций квантовых вычислений. Очевидно, что квантовые информационные технологии окажут огромное влияние на мир, но только сейчас мы начинаем понимать, как будет выглядеть квантовое будущее.

Когда квантовые компьютеры станут достаточно большими и будут содержать тысячи или миллионы кубитов, они смогут понимать сложные химические реакции и разрабатывать новые лекарства. Это, в свою очередь, приведет к разработке новых материалов и вычислений.

Разработка квантовых компьютеров позволит совершить научные открытия в области биологии, химии, медицины и транспорта.

В конечном итоге все эти данные позволят ученым оптимизировать алгоритмы в области искусственного интеллекта и машинного обучения, кибербезопасности и экономики, а также взломать коды, лежащие в основе безопасности современных систем связи.

Более того, некоторые исследователи считают, что в следующем десятилетии наконец-то появится искусственный интеллект. Интересно, что появление квантовых технологий также приблизит нас к новому пониманию природы, Вселенной и нас самих. И как вы думаете, приведут ли инновации в квантовой теории к первому? Ответы ждите здесь и в комментариях к этой статье.