Новые рекорды 2024 года в области квантовых компьютеров

По данным статьи, опубликованной 05.06.24. в новостной ленте сайта "quantum.com", новый 56-кубитный квантовый компьютер на захваченных ионах H2-1 от Quantinuum в 100 раз превзошёл показатели производительности предыдущего рекордсмена - установки Google Sycamore.

О квантовом компьютере Google Sycamore

Квантовый компьютер Sycamore был анонсирован компанией Google в 2019 году. Это первая в мире установка для квантовых вычислений, которая смогла доказательно продемонстрировать превосходство квантовых технологий над классическими полупроводниковыми компьютерами в решении определенных задач, известное под термином    «квантовое превосходство».

В архитектуре Sycamore используется 54 квантовых бита (кубита), которые могут находиться в двух состояниях одновременно. Благодаря этому он может обрабатывать большие объемы данных и решать сложные задачи гораздо быстрее, чем традиционные полупроводниковые компьютеры.

В частности, вычислитель Google Sycamore всего за 200 секунд выполнил задачу, на которую обычному суперкомпьютеру Summit с вычислительной мощностью 122,3 ПФлопс (совместная разработка IBM (серверные узлы), Mellanox (межсоединение) и Nvidia (графические ускорители), установлен в с Ок-Риджской национальной лаборатории, США), потребовалось бы 10 тысяч лет.

Специалистами Хотя это достижение и вызвало определенные споры, но в целом заявления Google выдержали испытание временем. В архитектуре Sycamore используется 54 квантовых бита (кубита), которые могут находиться в двух состояниях одновременно. Благодаря этому он может обрабатывать большие объемы данных и решать сложные задачи гораздо быстрее, чем традиционные полупроводниковые компьютеры.

Сравнение H2-1 от Quantinuum с Google Sycamore

В июне 2024 года компания Quantinuum объявила, что её новый 56-кубитный компьютер H2-1 превзошел Sycamore по квантовому превосходству в 100 раз (источник: quantinuum.com/news/weve-just-found-a-new-resource-efficient-way-to-set-up-calculations).

Квантовый компьютер H2-1 от Quantinuum – это система, разработанная в одноименной компании, которая специализируется на разработке квантовых технологий. Компания была основана в 2018 году в результате слияния канадской компании D-Wave Systems и британской компании Cambridge Quantum Computing.

Технические характеристики квантового компьютера H2-1 от Quantinuum

Специалисты Quantinuum применили метод случайной выборки целей (Random Circuit Sampling) и добилась значения линейного кросс-энтропийного теста (XEB) на уровне 0,35. Это значение значительно превосходит предыдущие показатели более чем 100 раз.  Квантовый компьютер H2-1, оснащенный 32 физическими кубитами, позволил формировать четыре логических кубита. Логические кубиты демонстрируют более высокую надежность по сравнению с физическими кубитами, из которых они состоят, что является критическим фактором для практической коррекции квантовых ошибок.

Коэффициент ошибок логической схемы квантового компьютера H2-1 составляет до 1/800 от коэффициента ошибок соответствующей физической схемы. Специалисты кпредпричтия Quantinuum утверждают, что другие компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, даже не приблизились к этому показателю.

Функционал коррекция ошибок защищает квантовую информацию от шума и декогеренции, позволяя квантовым компьютерам выполнять более длительные и сложные вычисления. Современные квантовые компьютеры имеют коэффициент ошибок от 1 до 0,1%, что, тем не менее,  гораздо выше, чем в классических полупроводниковых вычислениях.

Исследование, выполненное в  Quantinuum, подняло планку квантового совершенства до уровня, с которым не могут конкурировать классические суперкомпьютеры..

Компания Quantinuum провела серию вычислительных экспериментов на своем квантовом компьютере H2-1 в период с января 2024 по июнь 2024 года, по результатам которых было заявлено о достижении порога производительности по исправлению ошибок, до которого, по мнению многих экспертов, оставалось еще несколько лет. 

Анализ Quantinuum также показывает, что квантовый компьютер H2-1 выполняет RCS на 56 кубитах с предполагаемым снижением энергопотребления в 30 000 раз по сравнению с классическими суперкомпьютерами, что во многом и определит в будущем предпочтительность квантовых решений для широкого спектра вычислительных задач
 

Сравнение H2-1 от Quantinuum с Google Sycamore

В июне 2024 года компания Quantinuum объявила, что её новый 56-кубитный компьютер H2-1 превзошел Sycamore по квантовому превосходству в 100 раз (источник: quantinuum.com/news/weve-just-found-a-new-resource-efficient-way-to-set-up-calculations).

Квантовый компьютер H2-1 от Quantinuum – это система, разработанная одноименной компанией, которая специализируется на разработке квантовых технологий. Компания была основана в 2018 году в результате слияния канадской компании D-Wave Systems и британской компании Cambridge Quantum Computing.

Технические характеристики квантового компьютера H2-1 от Quantinuum

Специалисты Quantinuum и JPMorgan Chase применили метод случайной выборки целей (Random Circuit Sampling) и добилась значения линейного кросс-энтропийного теста (XEB) на уровне 0,35. Это значение значительно превосходит предыдущие показатели более чем 100 раз.  Квантовый компьютер H2-1, оснащенный 32 физическими кубитами, позволил формировать четыре логических кубита. Логические кубиты демонстрируют более высокую надежность по сравнению с физическими кубитами, из которых они состоят, что является критическим фактором для практической коррекции квантовых ошибок.

Коэффициент ошибок логической схемы квантового компьютера H2-1 составляет до 1/800 от коэффициента ошибок соответствующей физической схемы. Специалисты кпредпричтия Quantinuum утверждают, что другие компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, даже не приблизились к этому показателю.

Функционал коррекция ошибок защищает квантовую информацию от шума и декогеренции, позволяя квантовым компьютерам выполнять более длительные и сложные вычисления. Современные квантовые компьютеры имеют коэффициент ошибок от 1 до 0,1%, что, тем не менее,  гораздо выше, чем в классических полупроводниковых вычислениях.

Исследование, выполненное в  Quantinuum, подняло планку квантового совершенства до уровня, с которым не могут конкурировать классические суперкомпьютеры..

Компания Quantinuum провела серию вычислительных экспериментов на своем квантовом компьютере H2-1 в период с января 2024 по июнь 2024 года, по результатам которых было заявлено о достижении порога производительности по исправлению ошибок, до которого, по мнению многих экспертов, оставалось еще несколько лет. Компания опубликовала свои результаты, которое до настоящего времени (07.08.24.) не прошло независимое рецензирование.

Устройство и принципы работы квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для обработки информации. Они работают на основе квантовых битов, или кубитов, которые могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть одновременно быть нулем и единицей.

Это позволяет им обрабатывать гораздо больше информации, чем классические полупроводниковые компьютеры, которые работают на электронных битах, способных принимать только одно из двух возможных значений (0 или 1).

Обычно, кубитами выступают элементарные частицы, такие как электроны или фотоны, которые помещаются, например, в магнитное поле.

В отличие от обычных компьютеров, где информация хранится в виде двоичных чисел, квантовые компьютеры используют квантовые состояния для хранения и обработки информации. Эти состояния могут быть запутанными, что означает, что они связаны друг с другом даже на больших расстояниях. Квантовые компьютеры используют запутанность для выполнения операций, которые невозможны на классических компьютерах.

Запутанность – это явление, при котором два или более квантовых объектов остаются взаимосвязанными, даже когда они разделены большим расстоянием. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять параллельные вычисления, что значительно увеличивает их вычислительную мощность.

Однако, создание массовых квантовых компьютеров является сложной задачей, поскольку квантовые системы очень чувствительны к внешним воздействиям, таким как температура, вибрации и электромагнитные поля. Чтобы избежать потери информации, квантовые компьютеры должны работать при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, и быть защищены от внешних воздействий, что возможно обеспечить в настоящее время только в специальных лабораториях.

Современные квантовые компьютеры могут выполнять лишь несколько простых операций. Однако исследователи работают над созданием более мощных и надежных вычислительных систем, которые смогут решать сложные реальные задачи. К таким задачам относится: моделирование молекул и материалов, оптимизация логистических цепочек и разработка новых лекарств.

Текущее состояние и  достижения в области квантовых вычислений в России

Российские ученые не остались в стороне от передовых технологий и уверенно принимают участие во всемирной гонке гонке квантовых исследований.

Первый российский кубит был получен в 2015 году. В 2016 году под эгидой Министерства образования и науки был составлен специальный проект с традиционно длинным названием «Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов».

Исполнителями были назначены несколько ведущих технических вузов с финансовой поддержкой госкорпорации «Росатом». В качестве эксперимента в Татарстане была запущена первая квантовая сеть передачи данных.

Следующая новость относится уже к 2019 году. В мае было объявлено о плане развития квантовых технологий, который разработали совместно с экспертами Российский квантовый центр и МИСиС. Предполагалось, что к 2024 году Россия войдет в число стран-лидеров квантовых вычислений и займет 8% глобального рынка квантовых коммуникаций.

В 2021 году сотрудники ЦКП МФТИ и ЛИКС создали интегральную квантовую схему, которая позволяла полностью контролировать состояние пяти кубитов. Создание российской многокубитовой интегральной схемы стало возможным благодаря значительному улучшению контроля геометрических и электрических параметров туннельных контактов.

В 2021 году также был создан квантовый компьютер «на ионах» – прототип в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям, выполняемой «Росатомом».

Отечественным исследователям удалось разработать систему из четырех кубитов, не наращивая число ионов, а применив оригинальную технологию масштабирования квантовых процессоров с использованием многоуровневых носителей информации – кудитов.

В 2022 году сотрудники МФТИ и НИТУ «МИСиС» успешно использовали систему из четырех связанных друг с другом сверхпроводящих кубитов. Это было сделано для проведения большого числа однокубитных и двухкубитных операций с точностью 97,38%, что является достаточно высоким показателем.

В 2023 году было объявлено об открытии доступа к упомянутому выше универсальному квантовому компьютеру через облако, – об этом проекте объявили Российский квантовый центр и ФИАН им. П.Н. Лебедева. В ходе демонстрации физики удаленно запустили на процессоре алгоритм Гровера, используемый для поиска значения по неупорядоченной базе данных. А также запустили алгоритм Бернштейна-Вазирани, применяемый в решении задачи по нахождению n-битного числа. Удалось повысить точность однокубитных операций до 90%, двухкубитных – до 80%.

Ожидается, что к 2024 году доступ к российскому универсальному квантовому компьютеру на четырех кубитах будет предоставлен всем желающим. .

Квантовый компьютер способен  изменить индустрию вычислений во многих аспектах:

Криптография: Квантовые компьютеры могут взломать многие современные методы шифрования, что делает их потенциально опасными для безопасности данных. Однако они также могут использоваться для создания новых, более безопасных методов шифрования.

Финансы: Квантовые вычисления могут быть использованы для анализа финансовых данных и прогнозирования рыночных тенденций. Это может помочь инвесторам принимать более обоснованные решения и управлять рисками.
Медицина: Квантовые компьютеры могут быть использованы для моделирования молекулярных структур и процессов, что может привести к созданию новых лекарств и методов лечения.
Энергетика: Квантовые вычисления могут помочь в оптимизации энергосистем и разработке новых источников энергии.
Искусственный интеллект: Квантовые компьютеры могут ускорить обучение нейронных сетей и улучшить их способность к обработке больших объемов данных.

Стоит отметить, что квантовые компьютеры все еще находятся в стадии разработки и исследования, и их применение ограничено определенными областями.

.

Анализ Quantinuum также показывает, что H2-1 выполняет RCS на 56 кубитах с предполагаемым снижением энергопотребления в 30 000 раз по сравнению с классическими суперкомпьютерами, что подтверждает его как предпочтительное решение для широкого спектра вычислительных задач

Компания опубликовала свои результаты, которое до настоящего времени (07.08.24.) не прошло независимое рецензирование.

Устройство и принципы работы квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для обработки информации. Они работают на основе квантовых битов, или кубитов, которые могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть одновременно быть нулем и единицей.

Это позволяет им обрабатывать гораздо больше информации, чем классические полупроводниковые компьютеры, которые работают на электронных битах, способных принимать только одно из двух возможных значений (0 или 1).

Обычно, кубитами выступают элементарные частицы, такие как электроны или фотоны, которые помещаются, например, в магнитное поле.

В отличие от обычных компьютеров, где информация хранится в виде двоичных чисел, квантовые компьютеры используют квантовые состояния для хранения и обработки информации. Эти состояния могут быть запутанными, что означает, что они связаны друг с другом даже на больших расстояниях. Квантовые компьютеры используют запутанность для выполнения операций, которые невозможны на классических компьютерах.

Запутанность – это явление, при котором два или более квантовых объектов остаются взаимосвязанными, даже когда они разделены большим расстоянием. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять параллельные вычисления, что значительно увеличивает их вычислительную мощность.

Однако, создание массовых квантовых компьютеров является сложной задачей, поскольку квантовые системы очень чувствительны к внешним воздействиям, таким как температура, вибрации и электромагнитные поля. Чтобы избежать потери информации, квантовые компьютеры должны работать при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, и быть защищены от внешних воздействий, что возможно обеспечить в настоящее время только в специальных лабораториях.

Современные квантовые компьютеры могут выполнять лишь несколько простых операций. Однако исследователи работают над созданием более мощных и надежных вычислительных систем, которые смогут решать сложные реальные задачи. К таким задачам относится: моделирование молекул и материалов, оптимизация логистических цепочек и разработка новых лекарств.

Текущее состояние и  достижения в области квантовых вычислений в России

Российские ученые не остались в стороне от передовых технологий и уверенно принимают участие во всемирной гонке гонке квантовых исследований.

Первый российский кубит был получен в 2015 году. В 2016 году под эгидой Министерства образования и науки был составлен специальный проект с традиционно длинным названием «Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов».

Исполнителями были назначены несколько ведущих технических вузов с финансовой поддержкой госкорпорации «Росатом». В качестве эксперимента в Татарстане была запущена первая квантовая сеть передачи данных.

Следующая новость относится уже к 2019 году. В мае было объявлено о плане развития квантовых технологий, который разработали совместно с экспертами Российский квантовый центр и МИСиС. Предполагалось, что к 2024 году Россия войдет в число стран-лидеров квантовых вычислений и займет 8% глобального рынка квантовых коммуникаций.

В 2021 году сотрудники ЦКП МФТИ и ЛИКС создали интегральную квантовую схему, которая позволяла полностью контролировать состояние пяти кубитов. Создание российской многокубитовой интегральной схемы стало возможным благодаря значительному улучшению контроля геометрических и электрических параметров туннельных контактов.

В 2021 году также был создан квантовый компьютер «на ионах» – прототип в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям, выполняемой «Росатомом».

Отечественным исследователям удалось разработать систему из четырех кубитов, не наращивая число ионов, а применив оригинальную технологию масштабирования квантовых процессоров с использованием многоуровневых носителей информации – кудитов.

В 2022 году сотрудники МФТИ и НИТУ «МИСиС» успешно использовали систему из четырех связанных друг с другом сверхпроводящих кубитов. Это было сделано для проведения большого числа однокубитных и двухкубитных операций с точностью 97,38%, что является достаточно высоким показателем.

В 2023 году было объявлено об открытии доступа к упомянутому выше универсальному квантовому компьютеру через облако, – об этом проекте объявили Российский квантовый центр и ФИАН им. П.Н. Лебедева. В ходе демонстрации физики удаленно запустили на процессоре алгоритм Гровера, используемый для поиска значения по неупорядоченной базе данных. А также запустили алгоритм Бернштейна-Вазирани, применяемый в решении задачи по нахождению n-битного числа. Удалось повысить точность однокубитных операций до 90%, двухкубитных – до 80%.

Ожидается, что к 2024 году доступ к российскому универсальному квантовому компьютеру на четырех кубитах будет предоставлен всем желающим. .

Такой компьютер может изменить индустрию вычислений в нескольких аспектах:

• Криптография: Квантовые компьютеры могут взломать многие современные методы шифрования, что делает их потенциально опасными для безопасности данных. Однако они также могут использоваться для создания новых, более безопасных методов шифрования.
• Финансы: Квантовые вычисления могут быть использованы для анализа финансовых данных и прогнозирования рыночных тенденций. Это может помочь инвесторам принимать более обоснованные решения и управлять рисками.
• Медицина: Квантовые компьютеры могут быть использованы для моделирования молекулярных структур и процессов, что может привести к созданию новых лекарств и методов лечения.
• Энергетика: Квантовые вычисления могут помочь в оптимизации энергосистем и разработке новых источников энергии.
• Искусственный интеллект: Квантовые компьютеры могут ускорить обучение нейронных сетей и улучшить их способность к обработке больших объемов данных.

Стоит отметить, что квантовые компьютеры все еще находятся в стадии разработки и исследования, и их применение ограничено определенными областями.


По материалам сайтов "elec.ru" и "quantum.com" .