RESEARCH IN THE FIELD OF QUANTUM INFORMATION TECHNOLOGIES, CONDUCTED BY THE LABORATORY OF QUANTUM COMPUTERS PHYSICS OF THE INSTITUTE OF PHYSICS AND TECHNOLOGY OF RAS
Квантовая информатика представляет собой новую, быстро развивающуюся область науки и технологии, основанную на использовании квантовых систем для реализации принципиально новых методов передачи сообщений и вычислений (квантовые каналы связи, квантовая криптография, квантовый компьютер). В настоящем обзоре рассматриваются научные исследования лаборатории физики квантовых компьютеров ФТИАН РАН с момента её создания в 1998 году по настоящее время. Описывается история создания лаборатории и история зарождения исследований по квантовым информационным технологиям в России. Дается характеристика основных научных направлений и достижений лаборатории. Quantum information science is a modern and rapidly developing fi eld of science and technology based on the use of quantum systems for realization of fundamentally new communication and computing methods (quantum communication channels, quantum cryptography, quantum computer). This review details the scientific research of the Laboratory of Quantum Computers Physics of IPT RAS conducted since its inception in 1998 to the present. The history of the Laboratory and the origins of research on quantum information technologies in Russia are described. The summary of the main scientifi c directions and achievements of the laboratory is presented.
Квантовая информатика представляет собой новую, быстро развивающуюся область науки и технологии, основанную на использовании квантовых систем для реализации принципиально новых методов передачи сообщений и вычислений (квантовые каналы связи, квантовая криптография, квантовый компьютер). В настоящем обзоре рассматриваются научные исследования лаборатории физики квантовых компьютеров ФТИАН РАН с момента её создания в 1998 году по настоящее время. Описывается история создания лаборатории и история зарождения исследований по квантовым информационным технологиям в России. Дается характеристика основных научных направлений и достижений лаборатории. Quantum information science is a modern and rapidly developing fi eld of science and technology based on the use of quantum systems for realization of fundamentally new communication and computing methods (quantum communication channels, quantum cryptography, quantum computer). This review details the scientific research of the Laboratory of Quantum Computers Physics of IPT RAS conducted since its inception in 1998 to the present. The history of the Laboratory and the origins of research on quantum information technologies in Russia are described. The summary of the main scientifi c directions and achievements of the laboratory is presented.
в связи с постоянной модернизацией различных сфер жизни общества необходимо отражать особенно значимые изменения в системе образования, чтобы подростки могли адаптироваться к новым условиям и успешно ориентироваться в них. В условиях постоянного технологического процесса особое внимание стало уделяться квантовым компьютерам и их развитию. В статье рассмотрены вопросы значимости изучения квантовых технологий в школах, причиной которых также стала необходимость предоставления обучающимся школ возможности развиваться, открывать новые границы в современном мире. Цель статьи – теоретическое обоснование интеграции нового материала о фундаментальных основах квантовых компьютеров в курс старшей школы в рамках уроков информатикии как следствиеанализ формирующихся качеств обучающихся. Новизна работы – определение возможностей дополнения рабочей программы по информатике новым разделом, изучающим технологию работы квантового компьютера и его практическое применение. В ходе написания статьи применялись теоретические методы исследования, такие как анализ и синтез, а также эмпирические методы: сравнение и интервьюирование. Результаты исследований показали, что отсутствие модернизации дисциплин в школах, в будущем может поспособствовать появлению проблемы отставания общества во многих сферах жизни. Поэтому целесообразно рассмотреть возможность включения в школьный курс нового раздела квантовых технологий, а в частности квантовых компьютеров, которые в настоящий момент получают все большее развитие. В рабочую программу по информатикепредложено включить такие темы, как "Введение в квантовую механику", "Принципы работы квантовых компьютеров", "Практическое применение квантовых компьютеров", "Квантовая аппаратура и ее основные элементы". due to the constant modernization of various spheres of society, it is necessary to reflect particularly significant changes in the education system so that adolescents can adapt to new conditions and successfully navigate them. In the context of a constant technological process, special attention has been paid to quantum computers and their development. The article discusses the importance of studying quantum technologies in schools, the reason for which was also the need to provide students with the opportunity to develop and open new frontiers in the modern world. The purpose of the article is a theoretical justification for the integration of new material on the fundamentals of quantum computers into the high school course within the framework of computer science lessons and, as a result, an analysis of the emerging qualities of students. The novelty of the work is the identification of the possibilities of supplementing the work program in computer science with a new section studying the technology of a quantum computer and its practical application. During the writing of the article, theoretical research methods such as analysis and synthesis were used, as well as empirical methods: comparison and interviewing. The research results have shown that the lack of modernization of disciplines in schools in the future may contribute to the emergence of the problem of lagging society in many areas of life. Therefore, it is advisable to consider the possibility of including a new section of quantum technologies in the school course, and in particular quantum computers, which are currently receiving increasing development. It is proposed to include such topics as "Introduction to quantum mechanics", "Principles of operation of quantum computers", "Practical application of quantum computers", "Quantum equipment and its basic elements" in the computer science work program.
В статье исследуется проблема обработки информации в квантовых системах с учетом присутствия квантового шума. Квантовый шум является одним из основных факторов, ограничивающих точность и эффективность квантовых вычислений и коммуникаций. Целью исследования является разработка и анализ квантовой модели, способной учитывать влияние квантового шума на обработку информации. Рассматри-ваются различные источники квантового шума, такие как шум нулевой точки, шум фо-тонов и шум квантовых измерений. Представлены основные концепции и методы для оценки и минимизации квантового шума, включая методы коррекции ошибок, контроль окружающей среды и оптимизацию квантовых состояний. Описывается разработанная квантовая модель обработки информации с учетом шума. Производится анализ влияния квантового шума на различные квантовые алгоритмы и протоколы. Также представле-ны результаты численных экспериментов, демонстрирующие эффективность предло-женной модели в условиях реалистического шумового окружения. Работа обобщает по-лученные результаты и даёт рекомендации по применению квантовой модели обработки информации с шумом в различных прикладных областях, таких как квантовые вычисле-ния, квантовая коммуникация и квантовые сенсорные системы. Работа имеет большое значение для развития практических квантовых технологий, позволяющих эффективно работать в условиях реальных шумовых режимов и повышать надежность и точность квантовых систем обработки информации. The article investigates the problem of information processing in quantum sys-tems, considering the presence of quantum noise. Quantum noise is one of the main factors lim-iting the accuracy and efficiency of quantum computing and communications. The aim of the study is to develop and analyze a quantum model that can consider the impact of quantum noise on information processing. The article discusses various sources of quantum noise, such as ze-ro-point noise, photon noise, and quantum measurement noise. Basic concepts and methods for estimating and minimizing quantum noise are presented, including error correction methods, environmental control, and optimization of quantum states. The article describes the developed quantum model of information processing considering noise effect. The influence of quantum noise on various quantum algorithms and protocols is analyzed. The authors present the results of numerical experiments, demonstrating the effectiveness of the proposed model in a realistic noise environment. The work summarizes the results obtained and puts forward recommenda-tions for the application of the quantum model of information processing with noise in various applied areas, such as quantum computing, quantum communication and quantum sensor sys-tems. The work is of significant importance for the development of practical quantum technolo-gies that allow efficient operation in real noise conditions and improve the reliability and accu-racy of quantum information processing systems.
Квантовые вычисления становятся трансформационной вычислительной парадигмой, способной революционизировать оптимизацию проектирования и автоматизацию в широком спектре научных и инженерных дисциплин.Однако для исследования и разработки квантовых вычислений требуются существенные объемы ресурсов, поэтому особое значение на сегодняшний день приобретают возможности имитации квантовых алгоритмов.Цель статьи заключается в проведении сравнительного анализа современных методов эмуляции квантовых вычислений в автоматизированных системах управления технологическим процессом.Методы исследования включают системный и сравнительно-аналитический подходы, а также методы моделирования и контент-анализа научных публикаций.Кроме того, применялись приемы теоретического обобщения и сравнительного анализа существующих подходов к эмуляции квантовых вычислений в автоматизированных системах управления технологическими процессами.В ходе исследования представлен критический анализ вычислительных подходов для решения NP-трудных задач в автоматизированных системах управления технологическим процессом.Детально описаны достоинства и недостатки, принципы работы, ограничения и область целесообразного применения таких методов, как матричная эмуляция (метод вектора состояния), эмуляция на основе тензорных сетей, моделирование на основе стабилизаторов (Клиффордовы схемы), гибридная эмуляция (вариационные алгоритмы), метод квантовых траекторий.Обобщены реальные примеры промышленной реализации квантовой эмуляции на основе материалов компаний -технологических лидеров отрасли.Полученные результаты позволили прийти к выводу, что доминирующими на сегодняшний день являются гибридные вариационные алгоритмы.В настоящее время они выступают в качестве стандарта для решения прикладных промышленных задач.Также наблюдается четкая специализация методов эмуляции по типу решаемых задач.
Исследуется роль квантовых вычислений в исследованиях в области медицинской физики с упором на их потенциал для повышения эффективности и точности вычислений и разработки новых подходов к лечению. Проведен тщательный анализ литературы последних достижений в области квантовых вычислений и их применения в медицинской физике. Тематические исследования рассмотрены для демонстрации практического применения и возможных преимуществ. Теоретические модели протестированы для прогнозирования будущего развития. Статистические данные о реализации квантовых вычислений собраны из многих источников, особенно об улучшении скорости и точности обработки в приложениях медицинской физики. Результаты показывают, что квантовые вычисления могут значительно повысить скорость обработки сложных методов моделирования и визуализации, при этом некоторые квантовые алгоритмы превосходят классические алгоритмы до 100 раз. Статистические результаты подтверждают перспективность квантовых вычислений. При планировании лучевой терапии квантовые вычисления продемонстрировали повышение точности расчета распределения дозы на 25%. Квантовые алгоритмы сократили время вычислений при молекулярном моделировании примерно на 40%, потенциально ускоряя разработку лекарств и индивидуальную терапию на 30%. Квантовые вычисления могут изменить медицинскую физику за счет увеличения вычислительных мощностей, что может привести к прогрессу в диагностике, планировании лечения и разработке лекарств.
АннотацияПостоянная актуализация информации о последних достижениях и современных разработках позволяет более качественно прогнозировать развитие направлений фундаментальной и прикладной наук, корректировать область научных изысканий.В статье проводится обобщение информации о новейшей области электронновычислительных машин квантовом компьютере.Рассматриваются основные принципы, отличающие квантовую вычислительную машину от классического компьютера.Приводится пример коммерческого производства квантовых компьютеров.Описываются продолжающиеся фундаментальные исследования в области совершенствования квантовых компьютеров.Материал статьи позволит, не вдаваясь в подробное изучение квантовой физики, составить представление о работе квантового компьютера и проблематике этой области и ознакомиться со всеми последними достижениями в рамках разработки мощнейшей вычислительной машины, в основе работы которой лежат принципы квантовых вычислений.
Сегодня квантовые технологии могут получить новый виток развития, что, наверняка, даст возможность получить решения для многочисленных задач, которые ранее не поддавались решению в рамках традиционных парадигм и вычислительных моделей.Все человечество стоит у порога так называемой второй квантовой революции, и ее краткосрочные и отдаленные последствия затронут практически все сферы жизни глобального общества.Свое непосредственное развитие получат такие направления и отрасли науки и техники, как материаловедение, нанотехнология, фармакология и биохимия вообще, моделирование хаотичных динамических процессов (ядерные взрывы, турбулентные потоки, погода и долгосрочные климатические явления) и т. д., а также решение любых задач, которые сводятся к перемножению матриц больших размеров (в частности, моделирование квантовых систем).Однако вместе с необычайными возможностями квантовые технологии несут с собой и определенные риски и угрозы, в частности слом всех информационных систем, основанных на современных достижениях криптографии, что повлечет за собой практически полное разрушение секретности, глобальный финансовый кризис из-за разрушения банковской сферы и компрометации всех каналов связи.Даже несмотря на то, что уже сегодня разрабатываются методы так называемой постквантовой криптографии, некоторые риски еще необходимо осознать, так как не все долгосрочные последствия могут быть просчитаны.Вместе с тем ко всему перечисленному надо быть готовым, в том числе при помощи подготовки специалистов, работающих в области квантовых технологий и понимающих все их аспекты, новые возможности, риски и угрозы.В связи с этим в настоящей статье приводится краткое описание текущего состояния квантовых технологий, а именно квантовой сенсорики, передачи информации при помощи квантовых протоколов, универсального квантового компьютера (аппаратное обеспечение) и квантовых вычислений, основанных на квантовых алгоритмов (программное обеспечение).Для всего перечисленного приводятся прогнозы развития в части воздействия на различные сферы человеческой цивилизации.