Квантовые технологии

Криптохомячкам посвящается ...

Алгоритм Гровера представляет собой обобщённый, независящей от конкретной задачи поиск, функция которого представляет "чёрный ящик" f: {0,1}^n to {0,1}^n, для которой известно, что EXISTS!w:f(w)=a, где a — заданное значение.

Считаем, что для f и заданного a можно построить оракул Uf: { |w> to |1>, |x> to |0> if |x> != |w> }

Алгоритм Гровера достаточно прост

1. Задаём в регистре (массиве кубитов) начальное значение H|0>
2. Повторяем несколько раз (исходя из оценки) пару трансформаций над регистром
   
   • Отражение от решения Uw: { |w> to -|w>, |x> to |x> if |x> != |w> } или Uw = I-2|w><w|
   • Отражение от s=H|0> Us = 2|s><s|-I
3. Забираем нужное решение из регистра (с большой долей вероятности, что оно правильное)

Применим этот алгоритм для решения задачи нахождения ключа шифра Цезаря ...

В прошлой части мы рассмотрели, как выглядят квантовые цепи с традиционными логическими операциями над данными. Сегодня мы рассмотрим два классических квантовых алгоритма, которые дают существенный выигрыш в производительности по сравнению с классическими алгоритмами решения этих задач.

Нобелевскую премию по химии в 2023 году получили сразу три учёных за одно открытие. Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов удостоились высшей научной награды за открытие и синтез квантовых точек — полупроводниковых нанокристаллов с уникальными оптическими и электронными свойствами. Квантовые точки находят или в скором времени найдут применение в самых разных сферах: от производства дисплеев до солнечной энергетики и биомедицины. Мы изучили десяток научно-популярных статей и обзоров, чтобы разобраться, что необычного в этих точках, как их открыли, как используют и планируют использовать уже в ближайшем будущем. 

Биномиальное распределение с параметрами n и p в теории вероятностей — распределение количества «успехов» в последовательности из n независимых случайных экспериментов, таких, что вероятность «успеха» в каждом из них постоянна и равна p.

Рассмотрим случай, когда p=0.5 - это делается только для упрощения примера.

В этом случае, согласно теории, вероятность выпадения исхода k на вероятностном пространстве из целых чисел равно P(k)=C(k,n)/2**n, где C(k,n) = n!/(k!(n-k)!) - коэффициент бинома Ньютона.

Поставим перед собой цель - сформировать в массиве кубитов, который мы будем рассматривать как регистр из нескольких кубитов, состояние SUM SQRT(C(k,n))|k>

От философов-антиреалистов, эзотериков и богословов часто можно услышать проповеди на тему ограниченности научных методов и о существовании за пределами физического мира иных планов бытия, которые нематериальны и не могут быть познаны экспериментальным путём. Но они не в курсе, что наука уже много лет занимается изучением контрфактуалов - «потусторонних» событий, происходящих не в нашей вселенной, но тем не менее подчиняющихся известным физическим законам. Учёные постоянно открывают новые способы «взломать» классическую физику и ставят умопомрачительные эксперименты, результаты которых заставляют нас пересмотреть традиционные определения реальности. Практика показывает, что природа познаваема и содержит в себе всё необходимое для роста знания, главное – задавать ей правильные вопросы. Как измерить светочувствительную бомбу, не подрывая её? Как провести вычисление, не включая компьютер? Как увидеть, не глядя, и узнать о событии, которое не произошло? Как подсмотреть за котом Шрёдингера и воскресить его? Как отменить коллапс волновой функции? Наконец, как осуществить настоящую телепортацию без локального обмена информацией? Если обычная квантовая телепортация, запутанность и туннелирование уже не кажутся вам чем-то удивительным, готовьтесь к настоящим чудесам. В этой статье я разберу пять экспериментов, о которых вы вряд ли слышали, но результаты которых действительно взрывают мозг.

Основными элементами квантового компьютера являются квантовые биты и квантовые вентили. Квантовые вентили, в свою очередь, аналогичны обычным логическим вентилям, которые используются для обработки информации на обычных компьютерах. Квантовые вентили выполняют операции с квантовыми битами, изменяя их состояние в соответствии с логической функцией. Квантовые вентили могут быть реализованы на основе различных физических систем, например, на основе квантовых точек или сверхпроводников. 

Квантовые биты и квантовые вентили работают вместе, чтобы выполнить сложные квантовые вычисления. Например, с помощью квантовых вентилей можно создавать квантовые схемы, которые могут выполнять алгоритмы факторизации больших чисел или решения задач оптимизации. Кроме того, квантовые вентили также могут использоваться для создания квантовых версий классических алгоритмов, таких как алгоритм Шора для факторизации больших чисел. 

Так как кубит можно представить вектором в двумерном пространстве, то действие вентиля можно описать унитарной матрицей, на которую умножается соответствующий вектор состояния входного кубита. Однокубитные вентили описываются матрицами размера 2 × 2. 

Вот, например, схема с одним кубитом, инициализированным состоянием |0〉, которая выполняет одну операцию, X, а затем измеряет кубит.            

В научно‑популярных СМИ широко обсуждается такое явление как «квантовая запутанность». Его суть в том, что несколько элементарных (и не только) частиц могут «запутаться» при взаимодействии и каким‑то образом синхронизировать свои параметры, находясь на большом расстоянии друг от друга. Как бы нарушая при этом один из основных постулатов нашей Вселенной — невозможность передачи информации быстрее скорости света.

Существует ряд гипотез, которые пытаются как‑то это объяснить, но единого мнения по ним нет до сих пор. В этой публикации я рискну предложить свою гипотезу, которая будет исходить из анализа возможностей восприятия Мира субъектами. То есть, по моему мнению, для объяснения многих явлений и процессов Мира важно не только изучать сами эти явления и процессы, но также понимать, как они могут восприниматься на субъективном уровне.

Приходилось ли вам когда-нибудь наблюдать, как материальный предмет проходит сквозь стену или телепортируется с места на место? Скорее всего нет, если это не были трюки какого-нибудь иллюзиониста. Кто-то скажет, что такие феномены в принципе невозможны, и будет неправ. На самом деле телепортация и туннелирование – экспериментально подтверждённые явления, происходящие в микромире. Но мы с вами как образованные люди знаем, что чёткой границы между микро- и макромиром не существует. Законы квантовой механики вполне распространяются и на ту реальность, которую мы воспринимаем своими органами чувств. Тогда почему мы до сих пор не умеем мгновенно перемещаться в любую точку земного шара и преодолевать непреодолимые преграды? Некоторые эзотерики утверждают, что человек способен сам овладеть соответствующими сверхспособностями, и никакие квантовые технологии ему для этого не нужны. В данной статье я объясню, что мешает нам самостоятельно освоить телепортацию и помогут ли нам в этом деле искусственные «костыли» вроде квантовых компьютеров.

В представлении гуманитария квантовая физика – чисто теоретическая наука, изучающая устройство мира на самом фундаментальном уровне и бесконечно далёкая от нашей жизни. Лишь немногие знают, что мы уже пользуемся квантовыми технологиями каждый день. Без квантовой физики не было бы современной электроники (компьютеров, смартфонов, планшетов, бытовой техники), высокоскоростного интернета и спутниковой навигации. Но кремниевые полупроводники, интегральные схемы, компакт-диски, флеш-память, оптоволоконные кабели, светодиоды, солнечные панели, МРТ, электронные микроскопы, лазеры, атомные часы, ядерное и термоядерное оружие, атомные электростанции, даже не освоенный ещё термоядерный синтез – всё это продукты первой квантовой революции, теоретические основы которой были заложены ещё в 20-е-30-е гг. XX века. Теперь же пришло время второй квантовой революции, вызванной появлением технологий, позволяющих манипулировать отдельными квантовыми частицами и управлять их состоянием. Локомотивом этой революции станет квантовый компьютер, о котором и пойдёт речь в данной статье.

Привет! Собрали новости про квантовые исследования, искусственный интеллект и новые проекты.

В России создали наносенсоры для бесконтактных замеров температуры в открытом космосе

Российские ученые создали светящиеся наночастицы, которые можно применять для высокоточных замеров сверхнизких температур. Эти наносенсоры идеально подходят для проведения бесконтактных измерений температур в открытом космосе, Наносенсоры разработала группа российских физиков под руководством научного сотрудника Санкт-Петербургского государственного университета Ильи Колесникова. Наночастицы из оксидов ванадия и лютеция с вкраплениями ионов неодима обладают люминофорными свойствами: они способны поглощать падающее на них инфракрасное излучение и повторно излучать его.

Источник

Магистральную квантовую сеть продлят до Сочи в 2024 году

Магистральную квантовую сеть планируется продлить до Сочи в 2024 году. 

Кроме того, сеть будет продлена в 2024 году до Челябинска и Екатеринбурга. В текущем году квантовые сети соединят Москву, Воронеж, Ростов-на-Дону, Нижний Новгород, Арзамас и Казань. Общая протяженность сети превысит 2500 тыс. км.

Источник

Искусственный интеллект не только обеспечивает впечатляющую производительность, но и создаёт значительный спрос на энергию. Чем сложнее задачи, для решения которых он обучается, тем больше энергии он потребляет.

Виктор Лопес-Пастор и Флориан Марквардт, учёные из Института Макса Планка по изучению света в Эрлангене (Германия), предлагают метод, с помощью которого можно гораздо эффективнее обучать искусственный интеллект. Их подход основан на физических процессах вместо используемых в настоящее время цифровых искусственных нейронных сетей. Работа опубликована в журнале Physical Review X.

На Форуме будущих технологий Корпорация Росатом продемонстрировала самый мощный в стране 16-кубитный квантовый компьютер на ионах, на котором с помощью облачной платформы запущен алгоритм расчета молекулы. По прогнозам экспертов широкое практическое применение квантовых вычислений может начаться уже в 2025 году, а к 2030 году вне квантовое технологическое лидерство станет практически невозможным.

Так, например, в конце 2022 компания IBM установила рекорд по созданию самой большой квантовой вычислительной системы с процессором, содержащим 433 квантовых бита, или кубита. Теперь компания взяла курс на гораздо большую цель — 100 000-кубитную машину, которую она намерена создать в течение 10 лет к 2033 году.

Российские же учёные сделали ставку на кубиты из ионов, которые демонстрируют большее время когерентности и, следовательно, дают больше шансов на успешное завершение квантовых алгоритмов с меньшим уровнем ошибок.

Прототип четырёхкубитового компьютера на ионах был представлен в 2021 году. Затем учёные расширили платформу до использования кудитов вместо кубитов — это сродни увеличению разрядности каждого кубита, что позволяет наращивать производительность без увеличения числа физических кубитов. В этом году система разрослась до 16 кубитов, которую как раз и представили на форуме. В следующем году учёные обещают представить 20-кубитовый процессор.

Давайте попробуем разобраться, насколько работа с кудитами позволит сократить существующее технологическое отставание России в области квантовых вычислений, и чем кудиты отличается от кубитов.

В прошлых частях мы рассмотрели семейство квантовых гейтов: Инвертор, C-NOT, Адамара, инверсия фазы. Но, согласитесь, как-то не похожи они на привычные нам гейты классических компьютеров: AND, OR, XOR, NOT. Ну, ладно, с NOT это я хватил лишку, NOT это вполне тоже самое, что квантовый инвертор, который мы рассмотрели самым первым гейтом в прошлых частях.

А как быть с остальными? Можем ли мы как-то сделать, к примеру, квантовый AND?
И да, и нет. Как вы помните из второй части, квантовая операция обязана обладать двумя важными свойствами:

• свойство обратимости, которое мы рассматривали, что если применить операцию к квантовому регистру повторно, то регистр вернется в исходное состояние.

• свойство сохранения нормы, которое заключается в том, что сумма вероятностей всех возможных состояний должна быть 1. А значит сумма квадратов всех амплитуд должна быть 1.

Как вы, может, помните с первым свойством я в прошлых частях приврал. На самом деле, свойство обратимости заключается в том, что для каждой квантовой операции существует обратная квантовая операция, которую можно вычислить из исходной определенными математическими действиями. Нам просто до сих пор везло, что обратные операции для гейтов Адамара, инвертора, C-NOT и инверсии фазы являлись теми же самыми операциями. Поэтому я и приврал тогда, что обратимость операции, примененная дважды возвращает в исходное состояние. Нет, забудьте, это неправда. Теперь обратимость сформулируем следующим образом.

Алгоритм Дойча — алгоритм, разработанный Дойчем в 1985 году, и ставший одним из первых квантовых алгоритмов. В нём рассматривается функция булевая f(x) от одной переменной и требуется определить является ли она постоянной или сбалансированной.

Что нам говорит Википедия?

Алгоритму Дойча — Йожи достаточно однократного обращения к квантовому оракулу для достоверного решения задачи.

А джентельменам принято верить на слово, значит решим эту задачу, как первый опыт программирования на Q# ...

Привет! Собрали новости российских и зарубежных СМИ на тему компьютерных наук, искусственного интеллекта и исследований с квантовыми компьютерами.

В Ростовской области создают суперкомпьютер, работающий на частоте 1 трлн герц

Фотонный суперкомпьютер, создаваемый учеными Научно-исследовательского центра супер ЭВМ и нейрокомпьютеров в Таганроге в рамках научной программы НЦФМ, будет работать на частоте в 1 ТГц, или триллион герц. Самый быстрый на сегодняшний день электронный процессор работает на частоте 5 ГГц, а фотонный компьютер будет работать на частоте на три порядка больше - 1 ТГц. Это значит, что потенциально ученые смогут ускорить работу компьютера примерно в 300 раз.

 В МГУ открыли новый суперкомпьютер, решающий задачи ИИ

Компьютер с новой архитектурой, основанной на активном использовании графических процессоров, составит единый вычислительный кластер с суперкомпьютером «Ломоносов-2». Суммарная производительность нового суперкомпьютера составит 400 AI Петафлопс. Архитектура компьютерной системы была «вдохновлена» передовыми образцами реализованных проектов суперкомпьютеров в лучших университетах мира, а используемые технологии основаны на практиках и существующих разработках ведущих производителей.

Это второй материал с Форума будущих технологий. Изучая немногочисленные стенды на форуме, последним, к которому я пошёл, был стенд «Газпромбанка». Оказалось, что финансовая организация поддерживает несколько направлений, связанных с квантовыми технологиями. И возникла идея на примере взаимодействия банка и научных направлений рассказать, как обстоят дела с применением и разработкой квантовых технологий в России. Мне удалось поговорить с заместителем председателя правления «Газпромбанка» Дмитрием Зауэрсом и с начальником Центра стратегии и коммерциализации Департамента управления цифровыми и инновационными активами «Газпромбанка» Юрием Тарасовым.

Квантовые алгоритмы могут находить выход из лабиринтов экспоненциально быстрее, чем классические, за счет забывания путей, по которым они шли. Новый результат предполагает, что компромисс может быть неизбежен.  

Представьте, что вы посещаете лабиринт с друзьями. Вы вышли из выхода вскоре после входа и ждёте несколько часов, прежде чем появятся ваши друзья. Естественно, они спрашивают о пути, по которому вы шли — вы ведь можете проследить свои шаги и показать им путь, верно?

Неверно в мире, где правят странные законы квантовой физики. Двадцать лет назад исследователи квантовых вычислений разработали алгоритм, который использовал эти законы для прохождения опредёленного вида математического лабиринта намного быстрее, чем любой алгоритм, работающий на обычном классическом компьютере. Но за это ускорение приходится платить: быстрый квантовый алгоритм находит выход, но понятия не имеет, как он туда попал.

Исследователи давно задавались вопросом, неизбежен ли этот компромисс. Неужели невозможно быстро найти выход, не забыв дорогу?

В прошлой части мы рассмотрели двухкубитные гейты и построили какие то элементарные программы на двухкубитных гейтах.
Разберем некоторые полезные программы, которые состоят из двух или более разъединенных удаленных друг от друга частей, связанных между собой только предварительно запутанными кубитами и классическими средствами связи: телефоном, телеграфом, бумажным письмом и т.п. Например, один запутанный кубит отправляется на Луну, другой остается на Земле. Основной результат действия таких программ заключается в том, что предварительно запутанные кубиты, разделенные расстоянием, участвуют во взаимодействии с другими независимыми кубитами (взятыми уже на месте - на Луне и Земле), запутывая их в свою очередь, что в итоге такого взаимодействия получается общая связанная запутанная система, несмотря на разделенность расстоянием.

В прошлой части мы рассмотрели однокубитные гейты и построили какие то элементарные программы на однокубитных гейтах. Пришло время перейти к многокубитным преобразованиям.

Квантовые гейты в случае многокубитных операций

Можно также рассмотреть каждый гейт с точки зрения матрицы преобразования. Но такое описание слишком громоздко. Например состояние из двух кубит: