Кубиты? Кудиты? Скоро все будут разбираться!

 
 

После того, как в 1781году был выдан патент на паровую машину, мир ринулся в пучину ни на миг не прекращающейся технологической гонки. В наши дни развитие науки и техники полностью определяет облик цивилизации и само право этносов и государств на существование. Ярчайший пример: у Северной Кореи ядерное оружие есть, а у Ирана нет. Это и определило действия США в обоих случаях!


Американцы создали атомную бомбу в июле 1945года, а мы в августе 1949года. Истерзанная войной страна смогла вложиться ровно в четыре года.
Наша разведка «выпотрошила» все секреты американской бомбы, но гениальные советские учёные не стали слепо копировать наработанные технологии и пошли своим путём. Поэтому и первую атомную электростанцию, и первую водородную бомбу создали мы, а не они. Добавим плюсом спутник, 1957год, и Гагарина, 1961год. Мало ли, а вдруг кто запамятовал?!


Весной 2018года Россия продемонстрировала гиперзвуковое оружие. Но «истерзанные внутренними гражданскими конфликтами» США – сколько раз можно повторять  MAGA, это  не вульгаризированное  произношение самого популярного в Дагестане мужского имени, а политический лозунг  «Make America Great Again (Сделаем Америку снова великой)» - до сих пор «ответить на вызов времени» так и не смогли. А ведь уже восьмой год идёт!
 Феноменальную способность русских находить дешёвые решения дорогих проблем отмечали ещё генералы Вермахта.  Напомним о пресловутом, ставшим мемом грифельном карандаше,   который русские взяли в космос вместо баснословно дорогой американской шариковой ручки.


Подобное повторилось и в гонке квантовых технологий.


  В предыдущие годы США, Китай и ЕС вкладывали миллиарды в это   технологическое направление, демонстрировали мощные квантовые процессоры. У  нас же исследования пребывали на уровне лабораторных экспериментов, Россия   оставалась в тени лидеров.
Но за последнее время произошёл прорыв, который изменил правила игры. Мы не просто догнали лидеров, а предложили решения, способные дать России технологическое преимущество.
Вспомним скачок от дублирования атомной бомбы к лидерству в мирном атоме и создании водородной бомбы. Кстати, международный проект термоядерной электростанции  весь основан на советской технологии ТОКАМАК!
Директор Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), академик Николай Колачевский, в эксклюзивном интервью рассказал, как России удалось совершить этот технологический рывок и что ждёт квантовые вычисления в ближайшие годы.
 

Буквально несколько месяцев назад мы радовались тому, что в России создан 16-кубитный квантовый процессор с высокой стабильностью.   И вот уже  50-кубитный квантовый компьютер успешно прошёл тестовые испытания. Несмотря на то, что разработчики начинали практически с нуля, по итогам проекта они догнали зарубежных лидеров отрасли, а в чём-то даже обошли.

 
В чём принципиальное отличие квантового компьютера от обычного? Единицей информации в классическом компьютере служит бит — элемент, который может быть либо «включен», либо «выключен»,   в квантовом устройстве эту роль выполняет кубит, который может находиться в двух состояниях одновременно. Это и увеличивает его вычислительные мощности. Наиболее развитой технологией сегодня считается технология создания кубитов на основе сверхпроводниковых схем. Рекордсменом в этом классе считается 433-кубитный квантовый процессор «Quantum Condor» от компании «IBM».
Самый мощный российский квантовый компьютер  на днях  успешно прошел тестовые испытания.  У него не 433-кубита, а   50, но дело, как выяснилось, даже для квантовых технологий,  не в количестве!


В российском вычислителе в роли кубитов задействуют ионы,  цепочка из 25 ионов иттербия. Это заряженные атомы, ими заменили применяемые ранее сверхпроводящие материалы. Технология ионных кубитов основана на использовании электромагнитных полей для захвата одиночных ионов в пространстве. Эти частицы подвешены в некой ловушке и остаются практически неподвижными, что снижает внешние помехи и позволяет удерживать их квантовое состояние дольше, чем в других системах.
Ионы удерживаются лазерами и охлаждаются почти до абсолютного нуля. В таком состоянии кубитами управляют посредством лазерных импульсов. Квантовые алгоритмы – это последовательности таких воздействий.

Еще одно новшество – увеличение достоверности вычислений за счёт изменения архитектуры классических кубитов. Чтобы  понять, какой квантовый компьютер лучше, важно учитывать сразу несколько параметров. И количество единиц информации – кубитов – лишь один из них. В компьютере разработчиков из ФИАН  их меньше, чем у мировых лидеров. Но такое малое количество единиц информации окупается высокой достоверностью одно-кубитной и двухкубитной операций.

Наши специалисты – как  всегда, вот он русский творческий гений! -   не пошли проторенной дорогой за своими западными коллегами, а  создали  не простую куБитную, двухуровневую квантовую,  систему, а сразу четырехуровневую   куДитную, которая эффективней от двух до шести раз в зависимости от заложенных алгоритмов вычисления.
Для архитектуры кудитов   разработали и новый способ защиты ионов-кудитов от разрушения, и новые методы их охлаждения, фильтрации шумов лазера и ряд других инноваций.

Во время тестового испытания квантового компьютера впервые в России осуществили   так называемые алгоритмы Гровера, которые предполагают четырехкратную скорость поиска несортированных, неупорядоченных баз данных. В ходе эксперимента   при помощи квантового компьютера обучили нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр.
Помимо этого, учёные рассчитали структуру молекул гидрида лития, LiH, и водорода, H2,  и провели симуляцию ряда открытых квантовых систем, где применение кудитов дало существенный выигрыш. В общем, использовали задачи, которые в будущем позволят осуществлять реальные квантовые расчеты, к примеру, быстро распознавать лица в толпе, проверить ДНК, рассчитать точные прогнозы погоды. 
 
Но квантовая гонка в разгаре. Разработанный в  ФИАН квантовый компьютер – это не просто экспериментальный прототип,  а  полноценная платформа для проведения исследований и решения задач. Следующий этап развития системы связан с повышением точности операций и времени когерентности, то есть сохранения нужного состояния молекул.
Помимо этого,  изучаются новые подходы к использованию кудитов, где Россия   мировой лидер. Также осваиваются подходы к масштабированию устройств. Чтобы в будущем квантовыми компьютерами было удобно пользоваться, они должны быть более компактны, чем сейчас.

Напомним, в зарубежных аналогах квантовых ионных компьютеров от американских «IonQ», «Quantinuum» или от британской «Oxford Ionics» на один ион приходится только один кубит, поэтому масштабировать такие системы им будет намного сложнее, чем российским учёным, имеющим теперь двухуровневую квантовую систему.

 
К 2030 году российские квантовые компьютеры будут использоваться для решения практических задач, но не заменят классические компьютеры. Скорее, они будут функционировать в качестве сопроцессоров, выполняя специфические операции, где квантовые вычисления особенно эффективны. Это связано с тем, что производительность классических компьютеров также продолжает расти, и квантовые технологии будут дополнять их возможности, а не заменять   полностью.
Для достижения устойчивого лидерства необходимо продолжать развивать технологическую базу и инвестировать в микроэлектронику, которая играет ключевую роль во всех квантовых платформах. Это как движение на велосипеде:   только бросаешь крутить педали, сразу падение!

 
Квантовые компьютеры будут особенно полезны в областях, требующих сложных вычислений, таких как:
 Безопасность — квантовая криптография защитит данные от взлома, делая шифрование абсолютно надёжным.
Фармацевтика — квантовые компьютеры способны моделировать молекулы, ускоряя создание новых лекарств.
 Логистика — квантовые алгоритмы помогут оптимизировать маршруты перевозок, экономя миллиарды.
 Искусственный интеллект — новые вычислительные мощности позволят обучать ИИ быстрее и эффективнее.


  Успех в квантовых технологиях зависит от сочетания фундаментальных исследований, технологического развития и практического применения, а также от тесного взаимодействия между наукой и промышленностью.
Практически Россия по всем направлениям научного и технологического развития или безусловный лидер, как в ядерно-термоядерных разработках, или в когорте первых.    «Мы больше не догоняем, мы создаём будущее», — резюмирует академик Колачевский.
А кому не нравится, может «валить из этой страны» на все четыре стороны. Например, в Гренландию, там сейчас на  новых рудниках работяги понадобятся…
Мы же, поздравив себя с  тем, что Гондурас – это явно не о нас, как и «Верхняя Вольта с ракетами», заострим внимание на том, что индивиду эволюционно отмеряно строго определённое количество любви. И если он горячо любит чужую родину, то  на свою кроме ненависти вряд ли что останется.
За сим заканчиваю, Ваш ЛЕВ!