Идею квантового компьютера предложил советский ученый Юрий Манин почти 40 лет назад, потом ее более четко сформулировал Ричард Фейнман, а в 2019 году коллектив из Google заявил о достижении квантового превосходства или переломного момента, когда квантовый компьютер решил задачу, с которой не справились бы существующие технологии.
Исследователи использовали 53-кубитный процессор Sycamore, который за 200 секунд посчитал распределение вероятности нахождения кубитов в определенных состояниях. Самому мощному на тот момент суперкомпьютеру Summit на эту же задачу потребовалось бы 10 тысяч лет.
Это впечатляющий результат, хотя квантовые компьютеры до сих пор остаются, скорее инструментом для ученых, чем доступной разработкой. Однако испытать квантовые технологии, а заодно разобраться в этой технологии «на практике» можно уже сейчас. Рассказываем про несколько квантовых «песочниц».
Основы теории
В этой статье мы пройдемся «по верхам». Глубже погрузиться в квантовую логику поможет курс от «N+1» и программа «Физические основы квантовых вычислений» от СПбГУ.
Классические компьютерные вычисления связаны с понятием «бит», который может принимать значения 0 (элемент «выключен») или 1 (элемент «включен») . Никаких других опций не существует, и мы точно знаем, в каком состоянии находится бит.
В квантовых компьютерах вместо битов — кубиты. Эти частицы могут находиться не только в «точках» 0 и 1, но и в состоянии суперпозиции, то есть иметь любое из возможных значений, лежащих на поверхности сферы. Конечно, результат вычислений такой машины равен привычным простым значениям, однако в момент решения задачи состояние кубита может быть, например, 57% нуля и 43% единицы.
При этом кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили. Все квантовые частицы в компьютере связаны между собой, поэтому устройство может мгновенно перебирать все варианты решения той или иной задачи. Такая суперпозиция и обеспечивает высокую скорость квантовых компьютеров.
The Quantum Game
Начнем с обучающей программы. The Quantum Game — интерактивная площадка, которая в игровом формате объясняет строение квантовых компьютеров. Сервис принадлежит компании Quantum Flytrap. Она разрабатывает no-code решения для квантовых технологий.
Пользователи могут размещать на «игровом» поле основные компоненты квантового компьютера, число которых возрастает с каждым уровнем. The Quantum Game опирается на реальные симуляции подобных механизмов. Это дает возможность игрокам понять принципы квантовой физики.
Quantum Computing Playground
Это веб-приложение способно имитировать до 22 кубитов. В сервисе есть среда разработки, чтобы писать, компилировать и исполнять код, а также уже готовые примеры алгоритмов. Визуализация состояния кубитов показана в виде 2D или 3D диаграмм, где высота столбцов соответствует значению и фазе суперпозиции каждого кубита.
Площадка применяет модель квантовых гейтов или логических операций с кубитами, например, гейт Адамара. Воздействуя на кубит в состоянии 0, этот оператор переводит его в положение между состояниями 0 и 1. По той же логике, в результате действия гейта Адамара состояние кубита 1 переводит его в положение между состояниями 0 и 1, только в другой полусфере
Quantum Computing Playground призван объяснить пользователям принципы работы квантовых компьютеров, поэтому если вы давно хотели разобраться с «кубитными» вычислениями, обратите внимание на приложение от Google.
Quirk
Бесплатное программное обеспечение представляет из себя симулятор квантовых схем с соблюдением физической логики. Площадка хорошо подходит для изучения небольших систем и манипуляций с ними. Отображение состояний обновляется в реальном времени.
Quirk — площадка с открытым исходным кодом. Это позволяет всем желающим создавать и распространять собственные модификации. Например, автор проекта рассказал, что кто-то упростил изначальную версию и разработал Quirky для обучения старшеклассников. Кроме того, создатель площадки снял видео и написал очень подробный туториал по использованию своего сервиса.
IBM Quantum
В 2016 году IBM запустил бесплатный облачный сервис для удаленного доступа к настоящему квантовому «железу» компании. В первую же неделю в нем зарегистрировалось 7 тысяч пользователей, а к концу второй их число превысило 17 тысяч. Начиналось все с одного 5-кубитного компьютера, а сейчас в IBM Quantum имеется шесть устройств, доступных для всех желающих.
Систему уже активно используют, чтобы учить студентов, проводить вычисления для исследований и даже создавать игры. Пользователь Джеймс Вутон разработал настоящий квантовый морской бой. Статью перевели на русский редакторы издания Tproger.
Чтобы повторить игровой эксперимент или провести свой, нужно зарегистрироваться в системе IBM Quantum. После регистрации становятся доступны три «возможности». Во-первых, графический интерфейс Quantum Composer, где с помощью «квантовой партитуры» можно писать алгоритмы, а затем запускать их на реальном квантовом процессоре (кнопка «Setup and run» в правом верхнем углу) . Во-вторых, пространство Quantum Lab, которое дает возможность писать код в специальной среде Jupyter Notebook без установки на компьютер. И, наконец, библиотека Qiskit, загружаемая на собственное устройство пользователя.
Сервис IBM пользуется огромной популярностью, поэтому в интернете можно найти массу обучающих видео и даже примеры алгоритмов для Qiskit.
