Добрый день, друзья. У многих людей до сих пор существует стереотип, что в области компьютерных технологий наша страна в среде отстающих. Компьютеры и их комплектующие создаются на западе, а производятся в Китае и Таиланде. Но, это, мягко выражаясь – не совсем так.

Ученые по компьютерным технологиям из России предъявили всему миру своё новое детище. Данное изобретение в области компьютерных технологий должно перевернуть весь мир. А именно – квантовый компьютер. Этот ПК вычисляет в 1000000-ны раз быстрее, чем те ПК, которые находятся в крупнейших компьютерных корпорациях Земли. То, что наши ученые победители, приняли как факт иностранные коллеги.

Квантовик многим казался невозможным буквально еще год назад. Он настолько скоростной, что может перегнать все ПК, созданные в наше время. Его мощность такова, что она способна показать людям невероятные возможности, и разрушить большую часть систем безопасности, т.к. без особого труда взломает любую операционную систему.

Как заявил Сергей Белоусов, ген. директор Acronis, он же создатель квантового центра России – «Когда подобный компьютер начинает работать, он становится более опасным, чем атомная бомба.». Я с ним полностью согласен, люди ещё на знают всех возможностей подобного ПК.

Когда о том, что в России создаётся компьютер на основе кубитов, в данные проект России начали вкладываться такие гиганты, как Microsoft, Гугл, IBM, и крупнейший интернет магазин Алибаба. Сделать же квантовик смог профессор Михаил Лукин, который до этого работал в Гарварде, и ещё один человек из Квантового центра. Именно их команда и сделала мощнейший на сегодняшний день компьютер.

«Мы сделали самую скоростную систему на основе квантов из тех, которые были до этого. Наша команда вошла в тот этап, с которым обычные ЭВМ не в состоянии справиться. Сейчас, мы создаём небольшие открытия, и уже успели заметить детали, о возможности которых не подозревали даже в теории. Данные открытия даже мы не полностью понимаем», — говорит М. Лукин.

Разумеется, все из-за возможностей подобных компьютеров. Вычисления, которые обычный компьютер будет делать несколько тысяч лет, квантовик сделает за долю секунды.

Квантовый компьютер что это такое

Каков принцип работы подобного ЭВМ? Вкратце – простой компьютер создаёт свои вычисления за счет битов. Бит может быть или нулём, или единицей. Нули с единицами выстраиваются в определённую позицию и создают цифры или другие знаки. Это чем-то похоже на азбуку Морзе. Суть — да или нет. Точка — тире.

В квантовиках же принцип совершенно другой. Тут работают не биты, а кубиты. Подобные кубиты находятся в суперпозиции, т.е., кубит может в одно и тоже время быть и нулём, и единицей. Простые компьютеры выстраивают позиции, квантовики же вычисляют параллельно. За доли секунды. В Российском компьютере 51 кубит.

Попробую объяснить более понятно. Представьте, что в кинотеатре идёт интересный фильм. Вы сидите дома, и сами не можете понять, хотите вы увидеть этот фильм, или нет. То есть, в вас сразу присутствует и единица, и нуль. Но вот, вам позвонил ваш друг и предложил сходить на этот фильм. Вот теперь вы точно знаете, что желаете сходить на этот фильм. Другими словами, у вас теперь единица. Что-то похожее происходит и в системе, построенной на кубитах.

Что создал Лукин

Профессор со своей командой создали ОС, которая на данный момент имеет больше кубитов, чем в Американском аналоге. У американцев их пока 22. Как заявил С. Белоусов: — «Мы создали 51 кубит с запасом, чтобы наш компьютер оставался первым, так как представитель Гугл заявлял, что создаст ЭВМ, у которого будет 49 кубит».

Многие ученые верили, что самый скоростной ПК создаст Джон Мартинес. Он руководит одной из крупнейших на Земле квантовых лабораторий от Гугла. Воплотить в жизнь квантовый компьютер с 49 кубитами он собирался буквально месяца через три — четыре.

«Сейчас, в нашем компьютере имеется 22 кубита. Чтобы создать подобный компьютер, мы применили весь свой талант и профессиональный уровень.» — заявил Мартинес.

Джон и Михаил выступали в одном зале в Москве, на 4-й всемирной конференции по квантовым ПК. Однако, соперниками оба выдающихся изобретателя себя не считают. «Неверно пологать, что у нас с Россией гонка – заявил Мартинес – мы соперничаем с законами физики, так как, это очень трудно, воплотить в жизнь кубитный компьютер. Я в восторге, что кто-то сделал компьютер, у которого 51 кубит.» — заявил Мартинес.

Зачем нужны квантовые ЭВМ

На этот вопрос затрудняются ответить даже их изобретатели. Благодаря таким компьютерам, можно создать невероятные вещества, с новыми свойствами. Также, подобные компьютеры помогут открыть различные открытия в химии с физикой. Квантовик ближе прочих компьютеров к искусственному интеллекту.

С уважением Андрей Зимин

Группа ученых под руководством Михаила Лукина, физика из Гарварда и сооснователя Российского квантового центра (РКЦ), создала и успешно проверила программируемый квантовый компьютер на базе 51 кубита, став, таким образом, лидером среди участников квантовой гонки. Об этом рассказал сам Лукин, выступая с научным докладом на IV Международной конференции по квантовым технологиям в Москве (ICQT-2017).

Квантовые компьютеры - это вычислительные устройства, мощность которых увеличивается экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов - ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, которые могут хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.

Лукин пояснил, что он и его коллеги использовали кубиты на основе холодных атомов, которые удерживались оптическими «пинцетами» - специальным образом организованными лазерными лучами. Большинство современных квантовых компьютеров используют сверхпроводящие кубиты на основе контактов Джозефсона. Команде Лукина удалось с помощью своего квантового вычислителя решить задачу моделирования поведения множества связанных частиц, которая была практически нерешаема с помощью классических компьютеров.

Создать универсальный квантовый компьютер сейчас пытаются крупнейшие технологические корпорации, в том числе Google, IBM, Microsoft или китайский интернет-ретейлер Alibaba. Вычислительные элементы квантовых компьютеров – кубиты – строятся на основе квантовых объектов: ионов, охлажденных атомов или фотонов, способных находиться в суперпозиции нескольких состояний. Это позволяет квантовым компьютерам одновременно, за один такт, производить сразу множество вычислений. Квантовые компьютеры способны справляться с задачами, для решения которых классическим компьютерам потребовались бы миллиарды лет. В частности, с их помощью можно моделировать поведение сложных квантовых систем, создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, моделировать работу мозга.

Возможности квантовых компьютеров зависят от числа кубитов. Лишь несколько десятков кубитов могут дать такой выигрыш в вычислительной мощности, который недостижим для классических компьютеров. До этого момента лидером в неформальной гонке считалась лаборатория корпорации Google под руководством Джона Мартиниса. Компания планирует эксперименты на компьютере с 49 кубитами, IBM уже проводит эксперименты с 17-кубитным устройством. Таким образом, создание 51-кубитного компьютера - серьезный шаг вперед в этой области.

В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, - отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. - Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».

Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью - развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.

«Неправильно думать об этом, как о гонке, - справедливо считает Джон Мартинес. - Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита - это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».

Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, - это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит - это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, - рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. - Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».

Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, - полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. - Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».

Михаил Лукин (род. 1971) — один из самых титулованных ученых современности. Американский и российский физик, член Американской академии наук, профессор Гарвардского университета, выпускник МФТИ, один из основателей Российского квантового центра. Михаил Лукин встретился с редакцией журнала «За науку» в Бостоне и поговорил о Гарвардском образовании, Ландавшице, алмазных кубитах, экспериментах, теории и даже о ремонте физтеховских общежитий в студенческие годы. Публикация Ксении Цветковой в журнале "За науку", 2018. №3.

В Гарварде я преподаю один курс в семестр. В основном это спецкурсы для аспирантов, сейчас — электродинамика. Здесь несколько уровней: вводный — на уровне книги Парселла, я же преподаю более продвинутый — что-то среднее между Сивухиным и Ландавшицем. Ландавшица здесь знают, но не особо используют. По моему мнению, это хорошая книга, но немного устаревшая. Например, все современные курсы с самого начала используют формализм векторов бра и кет для описания квантовых состояний. Первый квантовый том Ландавшица об этом не упоминает. Чтобы получить степень бакалавра по физике, нужно пройти всего несколько курсов: механика, электричество, термодинамика и волны. При этом есть много курсов высокого уровня. Tе, кто идет в аспирантуру, берут аспирантские курсы еще в бакалаврские годы. Здесь нет потолка, если есть интерес.

В Гарварде число предметов намного меньше, чем на Физтехе в 1-й год обучения, — там их было, наверное, десять. В Гарварде их четыре в семестр, но при этом они более интенсивные и в них часто включают проекты, выполняемые в лаборатории. Говорят, что Физтех смоделирован по образу MIT, но я в этом не уверен. Калифорнийский технологический институт (Caltech) больше похож на Физтех. Там все берут вначале одни и те же курсы. В 1998 году невозможно было даже мечтать о том, чтобы стать профессором в Гарварде. Здесь есть довольно необычные постдоковские стипендии — полная свобода, делай что хочешь. У тебя нет своей группы, однако ты можешь выбрать, с какой группой работать, а можешь работать сам. Стипендию непросто получить, но если удастся — считай, стал свободным художником. Я получил одну из них.

За три года на позиции постдока мы стали развивать интересные идеи, в частности, придумали эксперимент по остановке света. Этот процесс позволяет когерентно записать информацию о фотонном импульсе в атоме, а потом считать. Мы не только развили теорию, но и сделали эксперимент на ее основе, который получил широкую известность. По окончании трехлетнего срока в 2001 году мне предложили позицию assistant professor. Моя группа раз в несколько лет начинает разрабатывать новое направление. Из-за этого наша лаборатория довольно необычная, потому что мы не работаем в какой-то одной области. Для ученого очень важно время от времени менять направление. Это поддерживает научную молодость, заставляет думать, изучать новые вещи.

30 человек из моих выпускников уже стали профессорами, хотя обычно малая часть аспирантов остается в науке, в основном идут работать в крупные компании. В целом я считаю, что уход ученого в компании тоже делает мир лучше. В 2004 году мы начали использовать алмазные примеси как кубиты. Тогда у меня была толковая работящая аспирантка, которая занималась теорией. Мы стали думать, как построить твердотельные квантовые компьютеры или квантовые сети. В какой-то момент она пришла ко мне и сказала: «Никто не будет читать наши теоретические статьи, нужно сделать эксперимент». Тогда я только начинал, у нас была всего одна маленькая комната-лаборатория, и мой коллега одолжил нам место — уголок в его лаборатории три на три метра. Как потом оказалось, это был исторический, счастливый уголок, потому что в нем было совершено много важных открытий. Мы построили там два маленьких эксперимента. В течение пяти лет было восемь статей в Science и Nature — так началась алмазная кубитная деятельность.

Есть легендарная история. В одном из московских институтов был найден алмазный образец с уникальными свойствами для экспериментов: он был очень чистый. Его разделили на четыре кусочка: два достались нам, два — Штутгарту, где работала другая группа. Долгое время все эксперименты делались именно с этим алмазом. Сейчас, конечно, уже можно вырастить искусственные алмазы, которые по чистоте превосходят russian magic diamond — магический русский алмаз. Квантовый компьютер — это очень интересная, открытая тема, все об этом думают, компании инвестируют. Есть два очень интересных момента, о которых люди забывают. Мы пока не знаем, сможем ли мы построить настоящий большой квантовый компьютер в миллион кубитов. Более того, даже если мы его построим, никто пока точно не знает, для чего же он может пригодиться. Но мы уже начинаем создавать системы достаточно большие, когерентные и программируемые — уже ясно, что они позволят нам уникальным образом изучать динамику сложных систем. Я уверен, в ближайшие годы мы найдем много новых приложений.

Мои родители — ученые. Папа работает на Физтехе, а мама математик. Мой отец оканчивал Физтех, мой брат оканчивал Физтех. При этом мои родители считали, что заниматься в жизни можно чем угодно, но для начала нужно получить хорошее образование. По их определению, хорошее образование — либо физика, либо, в крайнем случае, математика. В детстве я хотел заниматься кино. Ходил в детские киностудии, что-то снимал, даже получал какие-то призы. Долгое время не занимался физикой специально, даже активно боролся с родителями, однако в какой-то момент стал задумываться, что делать дальше. Для кино нужно было поступать во ВГИК, а это казалось практически невозможным. В момент слабости родители уговорили меня попробовать порешать задачки, и мне очень понравилось. В последний год школы я занимался у Виктора Ивановича Чивилева с кафедры общей физики. Это просто изумительный человек и преподаватель. Сейчас он тренирует олимпиадные команды, преподает очень интересно, интуитивно. Виктор Иванович привил мне интерес к решению задач, за последний год школы я подготовился к вступительным экзаменам. Когда я поступал на Физтех, решать задачи мне нравилось, но все равно не был уверен: наука — это мое или нет? На ФОПФ шли все, кто хотел заниматься наукой. Поэтому я решил, что кванты — это что-то более прикладное. Так я и оказался на ФФКЭ.

Была интересная история: мы после второго курса летом ремонтировали наше общежитие, «двойку». Говорят, что его построили немецкие военнопленные в конце 40-х — начале 50-х, с тех пор оно потихонечку рушилось, его пытались привести в порядок, но ничего хорошего не выходило. Мы вместе с Фёдором Золотарёвым и Сашей Парбуковым взялись и отремонтировали его по государственным расценкам, но при этом используя поступающих ребят. После этого один из «зачинщиков» ремонта Фёдор Золотарёв создал свою строительную компанию. Говорят, у него много известных физтехов потом работало. Что пожелать физтехам? Развиваться, найти себя, не следовать за толпой. Всегда искать новые решения и не бояться сложных задач. Тогда все будет хорошо.

В рамках Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017, которая проводится под эгидой РКЦ в Москве, профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин сообщил, что группа российских и американских ученых, работающих в Гарварде под его руководством, создали и протестировали первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51 кубита – самую сложную вычислительную систему из существующих на сегодня.

Квантовые компьютеры - особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе, состоят из кубитов – ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, хранящих в себе спектр значений между нулем и единицей.

Разрабатывают такие устройства классическим или адиабатическим методом. Сторонники первого пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с ним похожа на то, как инженеры и программисты управляют компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к традиционным цифровым устройствам.

В 2016 году несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они создадут такую машину в ближайшем будущем. Так, команда Джона Мартиниса из Google разработала необычный «гибридный» вариант универсального квантового вычислителя, которые сочетает в себе элементы аналогового и цифрового подхода к расчетам.

Физик Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические «холодные атомы».

Так, группа Лукина обнаружила, что набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных «клеток» и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать на сегодня самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.

Используя набор подобных кубитов были решены несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи «классических» суперкомпьютеров. Учёные смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, и обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.

Для этого был разработан специальный алгоритм, позволяющий провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.

Команда ученых намерена продолжить эксперименты с квантовым компьютером. По словам Лукина, они попытаются запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA. Результаты работы квантового компьютера уже описаны в одном из рецензируемых научных журналов.