Similar presentations:
2024 Квантовые компьютеры
1. Квантовые компьютеры
Лекция и презентация Ливак Е.Н.2. Немного истории
1900 год - Макс Планк: гипотеза о том, что энергия испускается ипоглощается 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 информацииКлассический 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), которыйпроявляет 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 онреализует 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 этихсостояниях 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 состояниядвух 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) решатьзадачи, 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 СЛОЖНОСТИнеобходимо преодолеть создателям
КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ?
10. СЛОЖНОСТИ
НАЙТИ / ВЫБРАТЬ объектымикромира 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 (2021-2022 г) дляреализации в ближайшем будущем квантовых
компьютеров считаются четыре платформы:
сверхпроводниковые цепочки,
фотоны,
атомы
ионы
13. Основные параметры кубитов, пригодные для построения квантовой системы
время их жизникак 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 квантовогопревосходства 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 вычислительЦзючжань (Jiuzhang)
University of Science and Technology of China (Шанхай)
17. Достижения разработчиков : квантовые процессоры IBM
Eagle (Орел) со 127 кубитамиEagle - 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-кубитногопроцессора 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 квантовыйкомпьютер 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 компьютерынаправлены 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 заменойклассическому, 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 развитиюквантовых 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
IBMHoneywell
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
появлениюлазеров, 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. Резюме простыми словами (источник - https://habr.com/ru/sandbox/191266/)
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 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.