XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Квантовая механика основана на идее плюрализма, которого нет в механике классической. Суть его в том, что всякий объект реального мира должен (потенциально) представляться как набор (рой) его альтернативных копий, или, как мы будем говорить, экземпляров [6].

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного преимущества (квантового превосходства) над обычными компьютерами в ряде алгоритмов [1]. В огромной системе квантовых вычислений, множество отдельных квантовых компьютеров могут взаимодействовать, и передавать данные через квантовую сеть [2].

Квантовая сеть — коммуникационная сеть, защищающая передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики [2]. Квантовые сети формируют важный элемент квантовых вычислений и квантовых систем криптографии [2]. Они допускают перемещение квантовой информации между физически поделенными квантовыми системами. В распределённых квантовых вычислениях сетевые узлы в сети могут обрабатывать информацию, исполняя функцию квантовых вентилей. Безопасная передача данных может быть осуществлена при помощи алгоритмов квантового распределения ключей. В квантовых сетях, использующих в качестве среды передачи оптоволокно или свободное пространство, важную роль играет передача чистых квантовых состояний в виде фотонов на большие расстояния [2].

Устройство квантового компьютера, принцип работы

Рис.1.1 – Схема квантового компьютера со сверхпроводящими кубитами [3]

Кубит может быть представлен квантовым объектом, то есть таким физическим объектом, который реализует квантовые свойства. То есть грубо говоря, любой физический объект, в котором есть два состояния и эти два состояния находятся в состоянии суперпозиции можно использовать для построения квантового компьютера [5].

В частности, процессоры на основе таких кубитов используются в большей части коммерчески доступных квантовых компьютеров. Популярность сверхпроводящих кубитов связана с простотой их изготовления: технически они похожи на классические полупроводниковые микросхемы и поэтому производятся по уже отлаженным процедурам [3].

Сверхпроводники — это материалы, у которых при очень низкой температуре полностью исчезает электрическое сопротивление и появляются свойства диамагнетиков [3]. Состояние вещества в сверхпроводниках описывается именно квантовой механикой, классического объяснения сверхпроводимости не бывает. Большинство современных сверхпроводящих кубитов устроены по принципу колебательного контура: это электрическая цепь, состоящая из конденсатора, катушки индуктивности и наноразмерных разрывов (джозефсоновских переходов) [3].

Квантовый процессор размещён в огромном, заполненный вакуумом корпусе, снабженным защитой от любого радиоактивного и электромагнитного излучения. Все эти меры необходимы для защиты от декогеренции — потери кубитами возможности выполнять вычисления из-за взаимодействия с различными факторами внешней среды. Корпус подключен к холодильной установке, охлаждающей компьютер с помощью жидкости до очень низких температур, вплоть до –273 °С, стремясь к нулю кельвинов [3].

Поступившая в ходе работы квантового компьютера информация всегда проходит через усилители сигнала кубита. Кубиты имеют очень малую энергию, поэтому без усилителя очень сложно корректно считать данные. К тому же работа усилителя неизбежно добавляет различные шумы, изменяющие состояние квантовой системы. Поэтому одной из задач разработчиков является уменьшение шумов, создаваемых усилителем. Итак, главным компонентом квантового компьютера является конвертер аналогового сигнала в цифровой. Дело в том, что взаимодействовать с квантовой системой возможно только через интерфейс классических приборов. При считывании данных с кубитов их квантовое состояние коллапсирует до строго определенного, а затем переводится в классическую битовую строку, последовательность нулей и единиц, которая поступает в хранилище данных для дальнейшей обработки на обычном компьютере [3].

Квантовыми компьютерами на сверхпроводниках достаточно проблематично управлять. К каждому кубиту необходимо подвести высокочастотный провод, коаксиальный кабель, по которому можно посылать сигналы. Cоответственно, чем больше кубитов, тем больше проводов, которые нужно подсоединить к такой микросхеме, и при этом сигналы одного провода могут портить сигналы, передающиеся по соседним кабелям [3]. Такая трудность требует изысканных инженерных решений, помимо того, сверхпроводящие кубиты довольно серьезно уязвимы к декогеренции, именно из-за этого однажды на смену им могут прийти компьютеры, основанные на фотонах и линейных оптических элементах. В таких системах практически отсутствуют источники шума, кроме внутренних потерь на элементах, и они позволяют с легкостью создать десятки тысяч кубитов в запутанном состоянии уже на данном этапе развития технологий [3].

Примечание

Объем ежедневно создаваемых данных просто огромен, и современные компьютеры уже не всегда успевают за такими объемами [4]. Современные суперкомпьютеры по-прежнему слишком медленны для выполнения некоторых наиболее важных научных задач, например, тестирование воздействия новых лекарственных препаратов на молекулярном уровне [4]. Благодаря возможности выполнять очень сложные вычисления значительно быстро, или даже моделировать эти лекарства на молекулярном уровне, квантовые компьютеры способны предоставить такой необходимый уровень производительности и скорости. Множество экспертов согласны с тем, что квантовые компьютеры – это наш шанс совладать с вызовами 21 столетия.

Список литературы

1. Википедия, свободная энциклопедия, Квантовый компьютер [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 08.12.2022).

2. Википедия, свободная энциклопедия, Квантовая сеть [Электронный ресурс]. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 08.12.2022).

3. ПостНаука, проект о современной фундаментальной науке и учёных [Электронный ресурс]. URL:https://postnauka.ru/wtf (дата обращения: 08.12.2022).

4. TADVISER, государство, бизнес, технологии, статья - Квантовый компьютер и квантовая связь [Электронный ресурс]. https://www.tadviser.ru (дата обращения: 08.12.2022).

5. Хабр, как работают квантовые компьютеры. Собираем паззл. [Электронный ресурс]. URL:https://habr.com (дата обращения: 08.12.2022).

6. Ожигов Ю.И. Конструктивная физика 2: квантовый компьютер и управление сложными системами / Ю.И. Ожигов. - Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика. Издательство Регулярная и хаотическая динамика 2013. С. 182-185.