Кубит

Ученые из Университета 🇦🇺Сиднея смогли решить одну из главных проблем квантовых вычислений – разместить управляющий чип в непосредственной близости от кубитов при температуре всего 10 милликельвин. Ранее кремниевая логика отказывалась работать при таких низких температурах, из-за чего приходилось размещать ее вне охлажденной области, что приводило к задержкам передачи сигнала и тормозило масштабируемость системы.

Новый квантовый чип никак не влияет на когерентность (возможность кубитов находиться в суперпозиции), при этом он базируется на стандартной CMOS-логике. Управление кубитами ведется при помощи аналоговых компонентов, потребляющих всего 20 нВт/МГц. Общее энергопотребление не превышает 10 мкВт, что позволяет масштабировать систему вплоть до миллионов кубитов. Создание такого чипа – фундаментальный шаг к практическим квантовым вычислениям, которые будут недоступны классическим суперкомпьютерам.

Канал Осьминог Пауль

Есть полупроводниковые материалы, "богатые" электронами, а есть материалы "богатые" вакантными местами для размещения этих электронов. Если соединить друг с другом материал, обладающий большим количеством вакантных мест (или дырок) и материал, обладающий большим количеством носителей заряда (электронов), то в одно направлении ток будет проходить, а в другом нет. Получится полупроводниковый диод.

Если же комбинировать материалы по принципу электроны - дырки - электроны, то в таком тройном бутерброде получится управляемая область. Подача электрического тока на управляемую зону, где отсутствуют носители заряда, откроет эту область и позволит току протекать через транзистор. Тут можно было бы сказать, что бывают транзисторы p-n-p или n-p-n, но это сейчас не столь важно.

Стандартная схема из учебника

Базовый принцип материаловедения транзистора прост. Взять в транзисторный бутерброд такие материалы, которые обеспечат проводимость только если посредством подачи электрического тока на промежуточный слой будет происходить добавление электронов (или диаметрально противоположный вариант для другого типа полупроводника).

Основные материалы для транзисторов - германий и кремний. Для того, чтобы добиться «эффекта изобилия» дырок или электронов, основной материал легируется. Легирующими компонентами выступают обычно алюминий, галлий или индий. Логика, в общем-то, простая - добавить к атомам основного элемента "примесного кукушонка", который внедрится в кристаллическую решетку основы и привнесет новые свободные электроны в основной компонент (ну или перетянет себе те, что есть в относительно свободном состоянии, обладая большим количеством вакантных мест с выгодным энергетическим переходом).

Результат мы все знаем. Получается полупроводниковый транзистор, на базе которого можно собрать логическую ячейку. Всё просто по одной причине - по большому счёту, мы делаем обычный управляемый водопроводный кран с положениями да/нет и это ложится на привычные нам 1 и 0. 1 и 0, если помните - это и есть бит. Строго фиксированные значения.

Квантовое материаловедение

Квантовые компьютеры же известны тем, что технология не подразумевает работу с конкретными значениями. Тут нет 1 и 0. Вместо бита основным элементом становится ку-бит. Кубит интересен тем, что способен принимать весь диапазон значений от 0 до 1, причем с некоторой вероятностью. Скажем, в конкретный момент времени кубит может принимать значение «1» с вероятностью 30%. В итоге и алгоритм компьютера работает с вероятностными показателями.

Для осознания нужно хорошо понимать основы квантовой физики, но думаю достаточно будет уяснить, что кубит всегда находится во всех возможных состояниях сразу. Это и 0, и 1, со всеми сопутствующими вероятностями принятия 1 и 0.

Так проявляется квантовая суперпозиция - специфическое свойство, позволяющее квантовой частице принимать сразу все возможные состояния. Конкретное значение фиксируется благодаря эффекту наблюдателя - нужно измерить искомое свойство и тогда суперпозиция разрушится, а кубит примет одно из ожидаемых конкретных значений.

Вероятностное исчисление требует специальной логики построения алгоритма, который работает совсем не так, как в привычном нам случае. Как правило, квантовые алгоритм ориентированы на работу с какой-то одной хорошо описанной задачей. Например, прогнозирование изменения температуры какой-то природной зоны. Факт измерения кубита приведет к фиксации значения и завершению работы алгоритма.

Если мы сравнивали полупроводниковый транзистор с управляемым краном, то кубит - это нечто типа закрытого ящика, в котором может лежать что угодно и его содержимое определяется вероятностью. Открываешь ящик измерением и узнаешь результат. Если математически описать вероятность нахождения того или иного результата в ящике, то это можно использовать, как способ решения некоторой задачи.

И вот тут начинается самое интересное. А как и из чего сделать эту волшебную коробку с точки зрения материаловедения?

Если полупроводниковый компьютер работал как механическое устройство, то квантовые кубиты так сделать точно не выйдет. Вместо транзисторов изначально даже использовались механические клапана, поскольку значения было всего два и они были строго определены.

Но вот квантовый компьютер в механическом эквиваленте представить невозможно. Попробуйте сделать кран, который и открыт, и закрыт сразу. Почти кот Шрёдингера. Ящик с сюрпризом.

Оперировать тут необходимо квантовыми частицами, да ещё и в состоянии суперпозиции. Вот только что это с позиции материаловедения?

На самом деле, всё равно из чего сделать квантовый кубит. Главное, чтобы это что-то было в контролируемом состоянии суперпозиции. Состояние суперпозиции достигается у частиц при создании низких температур где-то рядом со значениями сверхпроводимости, когда вся термодинамическая активность замирает. Там же проявляется порой и эффект сверхпроводимости.

Технически кубиты могут представлять собой самые разные объекты. Холодные атомы, фотоны, дефекты в кристаллической решетке. Но самым популярным и удобным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона.

Джозефсоновский контакт - это тип соединения двух сверхпроводников через тонкий слой диэлектрика. Материалы можно выбрать разные. Сверхпроводящие контакты можно сделать хоть из алюминия, а прослойку изготовить из висмута-теллура-селена или оксида алюминия.

Через джозефсоновский контакт могут туннелировать куперовские пары электронов, ответственные за перенос тока в сверхпроводнике. Куперовская пара, если очень утрировать - это сам электрон и место для размещения этого электрона в сверхпроводнике. Посредством переноса пар проявляется квантовое туннелирование в джозефсоновском контакте.

Квантовое туннелирование, как мы помним - это эффект, при котором частица может проходить через барьер, когда ее энергия меньше, чем нужна для перепрыгивания высокого барьера. Процесс это вероятностный и при измерении можно фиксировать положение частицы относительно барьера. Мы помним, что квантовое туннелирование интересно тем, что всегда есть ненулевая вероятность оказаться внутри барьера ну или проявиться за ним. Остаётся измерить положение куперовской пары. Так и получается кубит.

Мы можем предполагать, что пара находится в момент измерения за потенциальным барьером с вероятностью 20%. Само собой, образно. Мы проверяем этот факт измерением и фиксируем кубит.

Джозефсоновские кубиты ведут себя подобно отдельным атомам: способны находиться в основном и в нескольких возбуждённых состояниях, занимать сразу несколько положений согласно суперпозиции, обмениваться энергией при помощи излучения и поглощения фотонов и даже моделировать режимы лазерной генерации.

Отметим, что это не единственный вариант подхода к созданию кубита. Но, пожалуй, он самый простой.

Принципиальное различие во всей этой схеме относительно полупроводника - сложные условия для поддержания суперпозиции. Именно это обстоятельство требует сохранение постоянной низкой температуры у системы.

Технически кубит (или квантовый процессор) представляет собой несколько тонких металлических пластинок, склеенных друг с другом тонким слоем диэлектрика. Сделать это просто. Сложно создать условия, соответствующие состоянию суперпозиции, инициировать это состояние частицы и сохранить длительное время. Поэтому, квантовый процессор - это небольшой металлический брусок, а вместе с системой охлаждения вся конструкция занимает пару комнат.

Нужна система охлаждения и устройство, способное с помощью внешнего электромагнитного поля, резонансного к частоте перехода, создать суперпозиционное состояние между двумя соседними энергетическими уровнями в рассматриваемом кубите. Это сложные и технически сложные физические состояния объектов.

⚡ Друзья мои, если вам нравятся мои статьи, то лучшей поддержкой творчества будет подписка на мой тг-канал про Изобретения. Там регулярно выходят интересные тематические заметки про технику и способы развития мышления.

Развитие вычислительных технологий еще лет 50 назад шло рука об руку с экстраполяцией Гордона Мура. Однако, когда экстраполяция стала изживать себя, ей на смену пришли новые принципы развития технологий, обещающие прокачку как вычислительных устройств, так расширение области про биологию и сознание человека. Материалы о том, какие есть инструменты по работе с мозгом и психикой, публикуются также в телеграм канале Нейрохакинг.

Квантовый шум

Программа DARPA заявляет о прорыве в области квантовых вычислений. Программа «Оптимизация с помощью квантовых устройств промежуточных результатов с шумом» (ONISQ) создала первую в мире квантовую схему с логическими кубитами – квантовыми битами.

Статус квантовых компьютеров

Основанные на концепциях, которые кажутся магией или безумием, квантовые вычисления могут произвести революцию в вычислительных системах. Примерно на уровне революции повсеместной электрификации. И речь не только о самих вычислениях, но и о симуляции биологических процессов. Многообещающе выглядит система имитации синтеза дофамина в организме человека, принципы которой ложатся на нейросети.

Используя квантовые эффекты и достаточно сложные математические принципы, квантовые вычисления на несколько порядков превосходят классические алгоритмы и системы обработки данных. Развитие квантовых компьютеров способно раздвинуть границы искусственного интеллекта, биохимии, криптографии и это только верхушка айсберга.

Все это звучит очень привлекательно, но сейчас каждый новый шаг в развитии квантовых компьютеров сопровождается падением. Это не дает вывести квантовые вычисления за рамки экспериментальной фазы. И причина тому избыток шумов. В то же время медленные системы но без шумов предлагают потенциал по развертыванию систем имитации деятельности человеческого мозга в онлайн режиме.

Ошибок не совершает тот, кто лежит на диване

Вот так можно в одной статье подружить квантовые вычисления и философию Стэтхэма. Шутки шутками, но квантовые вычисления совершаются с очень высоким уровнем ошибок. И это нормально, учитывая природу этих вычислений. Если человек может закинуться фенотропилом, чтобы сознание прояснилось, то есть ли такой же инструмент для квантовых систем?

Ведь сам принцип квантового компьютера в том, что теперь нет двоичной системы, и вместо привычных единиц и нулей из классических вычислений, используемый счетный элемент может быть единицей, нулем или тем и другим одновременно, в одно и то же время.

В принципе, это нормально, так как каждый из нас может одновременно быть работником, семьянином, экспертом по ЛоРу Вархаммера, криптоанархистом и специалистом в геополитике. Важно не пытаться одновременно проявить свои качества, а скорее «адаптировать поведение» к конкретной среде, в которой находишься. Такой адаптацией процессоров и занялись в DARPA.

Навести резкость на квантовый шум

Одно из решений в том, чтобы превратить эти склонные к ошибкам процессоры, которые еще называют «шумные», во что-то более практичное. Решение кроется на стыке интеграции квантовых систем с классическими. В случае с DARPA это решение нащупывалось путем оптимизации. Чтобы собрать достаточно сбалансированную систему, в основе которой лежат ридберговские кубиты. Если упрощать, то эти кубиты помогают квантовой системой занимать только два состояния.

Ридберговские кубиты и прямая речь разработчиков

Ридберговские кубиты ценны однородностью свойств. Другими словами – каждый кубит неотличим от другого своим поведением. Это свойство не распространяется на другие платформы, такие как сверхпроводящие кубиты. У них каждый кубит уникален и, следовательно, не взаимозаменяем. Как и нейроны в мозге человека. Поэтому сохранение высокой работоспособности завязано не на наращивании количества нейронов, а на развитие и упорядочивание связей между ними.

Однородность ридберговских кубитов позволяет им быстро масштабироваться, а также позволяет легко манипулировать ими, и перемещать их с помощью лазеров в квантовой схеме. Не опасаясь каскада ошибок по всему чипу. Инновация здесь в том, что мы можем позволить себе динамическую реконфигурацию кубитов на квантовом чипе, без ограничений в последовательном запуске квантовых цепей.

Мы можем переносить целые коллекции кубитов из одной части схемы в другую с помощью лазерного пинцета. После чего запускаем операцию, получаем результат, а затем возвращаем кубиты в стартовую точку. Динамически реконфигурируемые и транспортабельные кубиты Ридберга открывают новые принципы и концепции для проектирования масштабируемых процессоров квантовых вычислений.

Доктор Мукунд Венгалатторе, менеджер программы ONISQ в Управлении оборонных наук DARPA.

Квантовый шум. Результаты подавления

Сейчас ученым DARPA удалось соединить 48 логических кубитов, но для достижения уровня сложности, необходимого для практических квантовых компьютеров, потребуется гораздо больше. Однако с новой методологией разработка займет гораздо меньше времени и ресурсов, чем предполагалось изначально. Первичные прогнозы указывали на то, что для создания отказоустойчивого квантового компьютера потребуются миллионы. Но теория трансгуманизма указывает на то, что развитие технологий опережает даже достаточно смелые прогнозы.

Если бы три года назад, когда стартовала программа ONISQ, кто-то только предположил бы, что ридберговские нейтральные атомы, речь про возбужденный атом с одним или несколькими электронами, имеющими очень высокое главное квантовое число, могут функционировать как логические кубиты, никто бы в это не поверил.

В DARPA поступили предусмотрительно, сделав ставку на потенциал этих менее изученных кубитов наряду с более хорошо изученными ионами и сверхпроводящими цепями. Как исследовательская программа, ONISQ дала исследователям свободу действий для изучения уникальных и новых функций, выходящих за рамки просто оптимизации. В результате команда под руководством Университета Гарварда смогла гораздо эффективнее использовать потенциал этих ридберговских кубитов и превратить их в логические кубиты, что стало важным открытием.

Доктор Гвидо Зуккарелло, технический советник DARPA.

Чего стоит квантовый шум и ридберговские кубиты?

Квантовый компьютер получил еще одно поле для возможной реализации. Что касается уровня шума, то каждый из нас обладает встроенной системой обучения, которая как раз работает в шумной среде данных. И именно благодаря этой системе мы зовемся людьми. Более того, уже ведутся исследования по интеграции органического материала на кремниевый чип. И результат впечатляет.

Кто знает, может именно за гибридными системами лежит дальнейшее слияние человеческого сознания и искусственных нейросетей, что поведет все человечество к Сингулярности… А что насчет этого думаете вы? Поделитесь мнением в комментариях.

Другие статьи, про сознание, мозг и перспективы его становления и развития выходят в телеграм канале Нейрохакинг.

В квантовой механике обычно рассматриваются маленькие частицы, такие как атомы или электроны. Здесь фотоны, отскакивающие от них, оказывают более значительное влияние, которым нельзя пренебречь. Чтобы выполнить какое-то измерение, нужно взаимодействовать с системой. Эти взаимодействия будут вносить возмущения в систему, поэтому и нельзя их игнорировать. При этом, как показали эксперименты с измерением спина электрона или с поляризацией света, важным оказывается не мощность воздействия (количество фотонов или сила магнитного поля), а сам факт и тип взаимодействия с системой, который оказывает влияние на систему. При этом если меняется тип измерения, результат будет случайным. И как показали физические опыты в случае с измерением квантовых объектов, таких как спин электрона, случайность результата не определена какими-то скрытыми начальными параметрами и является действительно случайной.

Классический компьютерный бит можно представить в качестве выключателя и лампочки, который имеет 2 состояния: есть свет или нет. При этом какие бы измерения мы не делали, результат будет один и тот же: свет либо есть, либо его нет. Если мы сначала спросим: есть ли свет и получим ответ "нет", то задав вопрос: "а может все-таки чуть-чуть он есть?" получим тот же ответ "нет" и в этом и в других случаях.

В случае с квантовым битом, если мы спросим: "а есть ли свет?", то в первый раз так же получим однозначный ответ: "нет". Если спросим тот же вопрос второй раз: "а есть ли свет?", то опять получим тот же самый ответ: "нет". Но стоит нам спросить: "а может все-таки чуть-чуть он есть?", т.е. изменив тип измерения системы, то сразу же на выходе мы получим случайный ответ, который может быть как "нет", так и "есть".

Поведение кубита можно проиллюстрировать экспериментом с поляризацией фотонов. Достаточно достать поляризующие фильтры, пропускающие сквозь себя только фотоны с определенной поляризацией, допустим вертикальной. Если поставить 2 и больше фильтра с одинаковым направлением поляризации последовательно, через них будет проходить примерно одинаковое количество света. Если поставить один фильтр вертикально, а второй - горизонтально, то свет в итоге через них проходить не будет. В этом случае мы задаем один и тот же вопрос: поляризация вертикальная? И в первом случае фильтр пропускает фотоны с вертикальной поляризацией, а во втором случае задерживает фотоны с вертикальной поляризацией, поэтому свет не проходит, само измерение одно и то же, насколько я понимаю.

Но если между ними поставить поляризационный фильтр, пропускающий свет поляризованный под 45 градусов, то в итоге через эти 3 фильтра будет проходить какое-то количество света. Так происходит, потому что фильтр в середине случайным образом влияет на результат следующего измерения: первый фильтр пропускает только вертикально поляризованные фотоны, но если мы измеряем: "а какие из этих фотонов имеют поляризацию 45 градусов?", то в результате самого факта измерения часть фотонов оказываются с нужной поляризацией, а если потом мы снова изменим вопрос: "а какая часть фотонов прошедшие через фильтр с поляризацией 45 градусов имеет поляризацию в 90 градусов?", окажется что случайное число фотонов имеет эту поляризацию и в итоге свет проходит через 3 пластины.

На текущий момент понимания темы у меня сложилась следующая аналогия. Запишу, чтобы в будущем обдумать. По сути квантовый кубит можно представить как отображение некоего континуума в дискретное состояние "да" или "нет". Приведу дурацкий пример: возьмем толпу женатых мужчин. И спросим их "изменили ли они своей жене?". Часть из них ответит "однозначно нет, не было и мысли". Другая часть ответит "однозначно да, факт был". Еще одна часть будет находиться, что называется в процессе: кто-то задумался, кто-то уже в поиске любовницы, а кто-то уже купил цветы и направляется на встречу, а еще часть уже расстегивает бюстгалтер. И ответ у этой части на вопрос "изменили ли они своей жене?" будет носить совершенно случайных характер, в частности будет зависеть и от того, кто спрашивает. Но результат будет либо "да", либо "нет". Да и сам факт того, что в процессе зададут этот вопрос может очень серьезно повлиять на результат.

Резюме: квантовый бит отличается от обычного компьютерного бита тем, что при взаимодействии с ним (измерении результата), необходимо учитывать влияние самого измерения на кубит. С обычным компьютерным битом факт измерения его состояния не оказывает никакого влияния на результат.