Фундаментальная асимметрия квантовой обработки информации: мы отправляем десятки бит управления, а получаем ровно один бит результата. Разберём каждый этап, каждую операцию, каждый элемент.
Каждый дополнительный гейт вносит ошибку ε ≈ 1.6% на ibm_fez. Fidelity падает экспоненциально: F = (1-ε)depth. Это Теорема 4 ТЦИ, подтверждённая на R²=0.91.
★ Depth=50 — порог ТЦИ (Golden Rule #6). Ниже — надёжная зона. Drug Auth работает при depth=3 (F≈96%). Quantum Walks при depth=5700 → полный шум.
Quantum Bit. Минимальная единица квантовой информации. В отличие от классического бита (0 или 1), кубит может быть в суперпозиции обоих. Физически: два энергетических уровня атома, фотона или сверхпроводящего контура.
ОСНОВАОдновременное нахождение в нескольких состояниях с разными амплитудами. α и β — комплексные числа. |α|²+|β|²=1. НЕ означает «и 0 и 1 одновременно» — означает «амплитуда вероятности ненулевая для обоих».
СВОЙСТВОBloch Sphere. Геометрическое представление состояния одного кубита. Любое чистое состояние = точка на поверхности сферы единичного радиуса. θ (полярный) определяет вероятности, φ (азимутальный) — фазу.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯУнитарное преобразование. Матрица 2×2 с условием UU†=I (обратимость). Геометрически — поворот на сфере Блоха. Аналог логического элемента в классике, но обратимый и непрерывный.
ОПЕРАЦИЯПеревод абстрактных гейтов в нативный набор конкретного процессора. IBM Heron R2: {Rz, SX, X, CZ}. Как перевод с одного языка на другой. opt_level=3 — максимальная оптимизация глубины.
КОМПИЛЯЦИЯГенератор произвольных сигналов. Преобразует цифровые параметры гейтов в аналоговые микроволновые импульсы. DAC (цифро-аналоговый преобразователь) 16-bit при 4.5 GS/s. Ключевое звено между цифрой и квантом.
АППАРАТУРАХолодильник разбавления. Охлаждает до 15 мК (-273.135°C) — в 200 раз холоднее космоса. Используется смесь He³/He⁴. 5 температурных этажей: 300K → 50K → 4K → 800mK → 15mK. Без него — мгновенная декогеренция.
СРЕДАTransmission-line shunted plasma oscillation qubit. Тип сверхпроводящего кубита IBM/Google. Джозефсоновский переход (два сверхпроводника через тонкий изолятор) + шунтирующий конденсатор. Частота ~5 GHz.
АППАРАТУРАПотеря квантовых свойств при взаимодействии со средой. T₁ — время релаксации (|1⟩→|0⟩). T₂ — время дефазировки (фаза «расплывается»). Главный враг. Ограничивает глубину схемы до ~50 гейтов на ibm_fez.
ВРАГDispersive readout. Резонатор (LC-контур, 6-7 GHz) связан с кубитом. Состояние кубита сдвигает частоту резонатора. Readout-импульс «прощупывает» эту частоту. ADC оцифровывает отклик → IQ-демодуляция → дискриминатор → 0 или 1.
ИЗМЕРЕНИЕIn-phase / Quadrature. Двумерное пространство для представления демодулированного сигнала. Каждое измерение = точка (I, Q). |0⟩ и |1⟩ образуют два кластера (blob'а). Дискриминатор проводит между ними границу решения.
АНАЛИЗФундаментальный предел: из d-мерной квантовой системы нельзя извлечь более log₂(d) классических бит за одно измерение. Для кубита (d=2): max 1 бит. Не баг, а фича — квантовые алгоритмы «концентрируют» нужный ответ.
ЗАКОНОдно выполнение квантовой схемы: подготовка → гейты → измерение. Результат = 1 бит (для 1 кубита). Для статистики нужно много shots (обычно 1024-8192). Каждый shot независим — кубит «обнуляется» между ними.
ПРОЦЕДУРАГистограмма результатов всех shots. Для N кубитов — до 2N возможных исходов. Пример (1 кубит, 1024 shots): {"0": 512, "1": 512}. Отсюда вычисляем P(0)=512/1024=0.5. Это наша оценка |α|².
ДАННЫЕОбратное преобразование: U† · U = I. Аксиома 4 ТЦИ. Если закодировать данные (U), а затем применить обратное (U†), кубит должен вернуться в |0⟩. Если P(|0⟩) ≈ 1 → данные подлинные. Это основа Drug Auth (62.6σ).
ТЦИСложение амплитуд вероятности. Конструктивная: амплитуды складываются → вероятность растёт. Деструктивная: амплитуды вычитаются → вероятность падает. Главный ресурс квантовых алгоритмов — «усиливает» правильные ответы.
МЕХАНИЗМθ (тета) — полярный угол (0 до π). Определяет вероятности: при θ=0 кубит в |0⟩, при θ=π — в |1⟩.
φ (фи) — азимутальный угол (0 до 2π). Определяет относительную фазу. Невидим при одиночном измерении, но влияет на интерференцию.
Измерение — проекция на ось Z. Коллапс в |0⟩ (северный полюс) или |1⟩ (южный полюс). Вероятности: P(0)=cos²(θ/2), P(1)=sin²(θ/2).
Параметров нет — только код операции (~2 бита). Матрица фиксирована. X, Y, Z, H, S, T. На IBM: native gates = {X, SX, Rz, CZ}. Все остальные раскладываются через них.
Из ТЦИ: «X-gate = нативный (depth 1). Binary encoding — минимальный depth» (Golden Rule #9). Именно поэтому Drug Auth достигает 62.6σ при depth=3.
Угол(ы) задаются с конечной точностью DAC (16-20 бит). Rx(θ), Ry(θ), Rz(θ), U(θ,φ,λ). Непрерывные повороты на сфере Блоха.
Из ТЦИ: «Phase encoding: Ry(θ)·Rz(φ) — стандарт ТЦИ. θ = arccos(feature), φ = 2π·feature» (Golden Rule #18). Каждый признак = точка на сфере Блоха.
Поворот на π вокруг оси X. Аналог классического NOT: |0⟩ ↔ |1⟩. Меняет местами амплитуды α и β. Матрица: [[0,1],[1,0]]. Самосопряжённый: X† = X, поэтому X·X = I (тождественный).
ТЦИ: основной гейт бинарного кодирования. Drug Auth 62.6σ на depth=3. X-gate = нативный на Heron R2 (blow-up 1.0×).
Вход: 2 бита | Блох: (θ,φ) → (π−θ, π+φ) | IBM: нативныйПоворот на π вокруг оси Y. Одновременно переворачивает бит И фазу. Y = iXZ. Матрица: [[0,−i],[i,0]]. |0⟩ → i|1⟩, |1⟩ → −i|0⟩.
Физика: редко используется напрямую, но важен теоретически как генератор поворотов вокруг Y.
Вход: 2 бита | Блох: (θ,φ) → (π−θ, −φ) | IBM: SX + RzПоворот на π вокруг оси Z. Фазовый переворот: |1⟩ → −|1⟩, |0⟩ → |0⟩. НЕ меняет вероятности. Матрица: [[1,0],[0,−1]]. Невидим при одном измерении в Z-базисе!
Важно: Z = Rz(π). На IBM: виртуальный гейт (сдвиг фазы в софте, 0 ns, 0 ошибок).
Вход: 2 бита | Блох: (θ,φ) → (θ, φ+π) | IBM: виртуальный (бесплатный)Создаёт суперпозицию: |0⟩ → (|0⟩+|1⟩)/√2, |1⟩ → (|0⟩−|1⟩)/√2. Переводит Z-базис в X-базис. Матрица: (1/√2)[[1,1],[1,−1]]. H² = I.
ТЦИ: ключевой гейт для QRNG (Эксп. #10): H|0⟩ → мера → идеальный генератор случайных чисел. NIST 6/6 тестов PASS.
Вход: 2 бита | Блох: π вокруг (X+Z)/√2 | IBM: Rz(π/2)·SX·Rz(π/2)Поворот на π/2 вокруг оси Z. |0⟩ → |0⟩, |1⟩ → i|1⟩. Квадратный корень из Z: S² = Z. Матрица: [[1,0],[0,i]]. Член группы Клиффорда.
Физика: S = Rz(π/2). Используется в разложении многих гейтов. На IBM: виртуальный.
Вход: 2 бита | Блох: (θ,φ) → (θ, φ+π/2) | IBM: виртуальныйПоворот на π/4 вокруг Z. T = S1/2. |1⟩ → eiπ/4|1⟩. Матрица: [[1,0],[0,eiπ/4]]. НЕ член группы Клиффорда!
Фундаментально: {H, T} = универсальный набор. Без T — лишь Clifford (симулируемо классически). T делает вычисления по-настоящему квантовыми.
Вход: 2 бита | Блох: (θ,φ) → (θ, φ+π/4) | IBM: виртуальныйКвадратный корень из X: SX² = X. Поворот на π/2 вокруг X. Единственный физический гейт на IBM Heron R2 (кроме X). Все остальные однокубитные гейты реализуются через Rz·SX·Rz.
IBM: один калиброванный импульс ~160 ns. Вся точность QPU определяется качеством этого импульса. SX error ~ 0.03% на ibm_fez.
Вход: 2 бита | Длительность: ~160 ns | IBM: НАТИВНЫЙ (физический импульс)Поворот на угол θ вокруг оси X. Rx(π)=X, Rx(π/2)=SX. Матрица: [[cos(θ/2), −isin(θ/2)], [−isin(θ/2), cos(θ/2)]]. Непрерывный параметр θ задаётся с конечной точностью DAC (16-20 бит).
Вход: 2 + 16–20 бит (код + угол θ) | IBM: Rz + SX + RzПоворот на угол θ вокруг оси Y. Меняет вероятности |0⟩ и |1⟩ без добавления относительной фазы. Матрица: [[cos(θ/2), −sin(θ/2)], [sin(θ/2), cos(θ/2)]]. P(|0⟩) = cos²(θ/2).
ТЦИ: стандарт фазового кодирования (Аксиома 1). θ = arccos(feature). Каждое инженерное значение кодируется как Ry(θ)|0⟩. Drug Discovery r=0.9991.
Вход: 2 + 16–20 бит | IBM: Rz + SX + Rz | ТЦИ: основнойПоворот на угол θ вокруг оси Z. НЕ требует физического импульса на IBM — просто сдвиг фазы в программе. Время выполнения = 0 ns. Ошибка = 0. Матрица: [[e−iθ/2, 0], [0, eiθ/2]].
ТЦИ: вторая компонента фазового кодирования. Rz(φ) добавляет азимутальный угол: φ = 2π·feature.
Вход: 2 + 16–20 бит | IBM: ВИРТУАЛЬНЫЙ (0 ns, 0 ошибок!)Три параметра: θ (полярный), φ (фаза перед), λ (фаза после). Любое состояние достижимо одним U-гейтом. U(θ,φ,λ) = Rz(φ)·Ry(θ)·Rz(λ) = Rz(φ+π/2)·SX·Rz(θ+π)·SX·Rz(λ−π/2).
IBM: раскладывается в 2 SX-импульса + 3 виртуальных Rz. Максимум что можно задать одному кубиту.
Вход: 2 + 48–60 бит (код + 3 угла по 16-20 бит)Проективное измерение в вычислительном базисе {|0⟩, |1⟩}. Коллапс волновой функции: |ψ⟩ = α|0⟩+β|1⟩ → |0⟩ с P=|α|², или |1⟩ с P=|β|². Необратим. Уничтожает суперпозицию навсегда.
IBM: readout-импульс (~1 мкс) → резонатор → ADC → IQ-дискриминатор → классический бит. Readout fidelity ~99.5%.
Выход: 1 бит (результат) | IBM: ~1 мкс | Fidelity: ~99.5%Ничего не делает. Нужен для выравнивания по времени в многокубитных схемах. Idle = декогеренция.
Вход: 0 бит (неявный)Управляющий компьютер. Генерирует квантовую схему (circuit), оптимизирует, транспилирует в набор native gates целевого процессора. Отправляет задание на QPU.
ВВОДПоследовательность гейтов — абстрактное описание алгоритма. Записывается в OpenQASM или внутреннем IR фреймворка (Qiskit, Cirq). Информация: ~100+ бит для типичной однокубитной цепочки.
ВВОДПреобразует абстрактные гейты в native gate set процессора. IBM: {Rz, SX, X, CX}. Оптимизирует глубину и количество гейтов. Может добавить или удалить биты.
ОБРАБОТКАГенератор произвольных сигналов. Преобразует цифровые параметры гейтов в аналоговые микроволновые импульсы. Типичный DAC: 16-бит при частоте ~4-5 ГГц. Ключевое звено между цифрой и квантом.
ОБРАБОТКАОхлаждает кубиты до ~15 мК (millikelvin). При такой температуре тепловой шум не мешает квантовым состояниям. Без него кубит не работает — декогеренция мгновенна.
СРЕДАДвухуровневая квантовая система. Типы: трансмон (сверхпроводящий, IBM/Google), ион в ловушке (IonQ), спин электрона (Intel), фотон. Хранит состояние |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩.
ЯДРОКубит одновременно в состояниях |0⟩ и |1⟩ с амплитудами α и β. Не означает «оба сразу» — означает «амплитуда вероятности обоих исходов ненулевая».
СВОЙСТВОАмплитуды могут складываться (конструктивно) или вычитаться (деструктивно). Это главный ресурс квантовых алгоритмов — усиление «правильных» ответов и подавление «неправильных».
СВОЙСТВОПотеря квантовых свойств при взаимодействии со средой. T₁ (релаксация): ~100 мкс. T₂ (дефазировка): ~50-150 мкс. Главный враг квантовых вычислений. Ограничивает глубину схемы.
ПОТЕРЯОтправка readout-импульса и анализ ответного сигнала. Резонатор связан с кубитом — частотный сдвиг зависит от состояния. Дискриминатор классифицирует: 0 или 1. Fidelity: ~99%.
ВЫВОДОдин бит: 0 или 1. Для восстановления распределения вероятностей нужно повторить эксперимент ~1000-10000 раз (shots). Каждый shot — независимое измерение.
ВЫВОДДля полной реконструкции состояния |ψ⟩ нужно измерять в 3 базисах (X, Y, Z) × N shots. Итого ~3000-30000 повторений. Каждое повторение = 1 бит → но суммарно реконструируем θ и φ.
АНАЛИЗ| Сценарий | Биты на входе | Что происходит | Биты на выходе | Соотношение |
|---|---|---|---|---|
| Минимальный Один фиксированный гейт (X) |
~2 бита Код операции |
Bit-flip: |0⟩ → |1⟩ | 1 бит | 2:1 |
| Hadamard + измерение Простейшая суперпозиция |
~2 бита Код гейта H |
|0⟩ → (|0⟩+|1⟩)/√2 → коллапс | 1 бит (случайный) |
2:1 |
| Один параметрический гейт Ry(θ) |
18–22 бита Код + угол θ (16-20 бит) |
Поворот на θ вокруг Y | 1 бит | ~20:1 |
| Universal gate U(θ,φ,λ) Произвольное состояние |
50–62 бита Код + 3 угла |
Любое преобразование | 1 бит | ~56:1 |
| Цепочка из 5 гейтов Типичная однокубитная схема |
100–150 бит 5 × (код + параметры) |
Последовательность поворотов | 1 бит | ~125:1 |
| Импульсный уровень Pulse-level control |
1000+ бит Waveform samples |
Прямое микроволновое управление | 1 бит | ~1000:1 |
| Полная томография 3 базиса × 10000 shots |
~60 бит (U + базис) × 30000 |
Реконструкция ρ | 30000 бит (суммарно) |
→ θ,φ |
Внутри кубита «живёт» квантовое состояние, описываемое двумя непрерывными параметрами (θ, φ) — теоретически бесконечная информация. Но теорема Холево строго доказывает: из одного кубита невозможно извлечь более 1 классического бита за одно измерение.
Это не баг — это фича. Квантовые алгоритмы используют суперпозицию и интерференцию для параллельной обработки, а затем «усиливают» правильный ответ так, что один бит измерения содержит именно нужную информацию.
1. Квантовая схема (logical):
• 8 кубитов × 2 гейта (encode + decode) = 16 гейтов
• Каждый гейт X = 2 бита (код операции)
• Итого логических: 32 бита
2. После транспиляции (opt_level=3):
• X — нативный гейт Heron R2 (blow-up = 1.0×)
• Depth = 2 (encode) + 1 (barrier) + 2 (decode) = depth ~3
• Транспилированная схема: ~40 бит
3. Импульсы на QPU:
• X-gate = один SX-импульс + виртуальный Rz
• SX: 160 ns × 720 samples × 16 bit = 11,520 бит / импульс
• 5 активных кубитов × 2 импульса: ~115,200 бит
4. Метаданные + сеть:
• QPY, Job ID, backend, shots=8192, opt_level=3
• 2 схемы × payload: ~20,000 бит
1. Сырые измерения:
• 2 схемы × 8192 shots × 8 кубитов
• = 2 × 8192 × 8 = 131,072 бита
• (но реально 2 × 8192 = 16,384 8-bit строки)
2. Counts (гистограмма):
• Authentic: {"00000000": 6639, "00000001": 201, ...}
• Tampered: {"00000000": 328, "10000100": 412, ...}
• 28 = 256 возможных исходов × 2 схемы
• JSON: ~8,000 бит
3. Job метаданные:
• job_id, timestamps, backend_info, execution_spans
• ~16,000 бит
4. Полезный результат:
• P(|0⟩⊗8) auth = 0.8105
• P(|0⟩⊗8) fake = 0.0400
• 2 числа float32 = 64 бита
Каждый shot = строка из 8 бит (для 8-кубитной схемы): "00000000", "10000100", "01010101"... За 8192 shots это 8192 строк. Для аутентичного лекарства ~81% строк = "00000000". Для подделки — хаос.
131,072 битАгрегация: {"00000000": 6639, "00000001": 201, "00000010": 189, ...}. До 28=256 ключей. Это то, что ты обычно видишь в результатах. Сжатие: 8192 строки → ~100 пар.
~8 KB JSONExecution spans: когда Job встал в очередь, когда начал выполняться, сколько длился каждый shot, общее QPU-время. Для биллинга: каждый Job тратит ~0.5-5 сек QPU (из 600 сек/месяц на Free).
~1 KBТекущие ошибки: gate_error per qubit (0.003-0.02), T1 (50-300 мкс), T2 (30-200 мкс), readout_error (0.005-0.03). Это фон, на котором измерения интерпретируются. Дрейфует каждые 1-24 часа.
~5 KBИз counts → P(|0...0⟩) = count("00000000") / total_shots. Sigma = (P_auth - P_fake) / sqrt(σ²_auth + σ²_fake). Вердикт: sigma > 3 → AUTHENTIC. В нашем случае 62.6σ — разделение космического масштаба.
вычислениеВсё сохраняется: timestamp, backend, shots, job_id, transpiled_depth, counts, P-values, sigma, verdict. По рекомендации ТЦИ: «Результаты сохранять в JSON с timestamp, backend, shots, job_id» (Golden Rule #28).
~15 KBВход: ~20 KB классических данных уходят на IBM Cloud → транспилируются → преобразуются в импульсы (~14 KB waveform) → физически воздействуют на кубиты ~200 наносекунд.
Выход: ~160 KB данных возвращается — но из них:
• 131,072 бита — сырые измерения (8192 × 8 кубитов × 2 схемы)
• ~8 KB — агрегированные counts (гистограмма)
• ~8 KB — метаданные Job (timing, backend, калибровка)
• 128 бит — вычисленные P-values (2 числа float64)
• 1 бит — финальный вердикт: AUTHENTIC или TAMPERED
Воронка: 160,000 бит входа → 200 наносекунд квантовой обработки → 1,280,000 бит сырого выхода → 1 бит решения. Квантовый процессор — это не вычислительная машина в привычном смысле. Это оракул: задаёшь сложный вопрос, получаешь короткий ответ.
Минимум: ~2 бита — один фиксированный гейт (X, H, Z). Только код операции.
Типично: 32–64 бита — один-два параметрических гейта с углами θ, φ (каждый угол кодируется 16-20 битами точности DAC).
Максимум: 1000+ бит — при импульсном управлении (pulse-level), где каждый sample огибающей — число с плавающей точкой.
Где |G| — размер native gate set, bparam — бит на параметр (16-20 для DAC).
Всегда: 1 бит за одно измерение. Это фундаментальный закон квантовой механики (теорема Холево).
Множественные shots: Повторяя эксперимент N раз, получаем N бит. Но каждый запуск — независим и требует повторной подготовки.
Томография: ~30000 бит (3 базиса × 10000 shots) для реконструкции полного состояния, но это 30000 отдельных экспериментов.
Для d=2 (кубит) максимальная доступная классическая информация = 1 бит.
Один кубит — это информационная воронка. Мы вкладываем десятки (или тысячи) классических бит для подготовки квантового состояния, но извлекаем ровно 1 бит. Сила квантовых вычислений не в объёме выходной информации, а в том, что правильно сконструированная интерференция концентрирует вероятность на нужном ответе. 1000 бит управления → 1 бит, но это правильный бит.
1. JSON-payload задания:
Квантовая схема в формате QPY / OpenQASM: ~800 байт = 6,400 бит
2. Метаданные:
Backend target, shots=1024, optimization_level, session_id: ~400 байт = 3,200 бит
3. HTTP-обёртка:
Headers, auth token, TLS: ~2,000 байт = 16,000 бит
4. После транспиляции на сервере IBM:
Для 1 кубита с H-гейтом → native: Rz(π/2) + SX + Rz(π/2)
Это 3 гейта × ~20 бит параметров каждый: ~60 бит
5. Импульсы (pulse schedule):
SX = 1 калиброванный импульс ~160 ns @ 4.5 ГГц
Rz = виртуальный (0 физических импульсов, сдвиг фазы в программе)
Итого DAC samples для SX: ~720 samples × 16-bit = ~11,520 бит
1. Сырые измерения (1024 shots):
Каждый shot = 1 бит (0 или 1)
1024 shots × 1 бит = 1,024 бита
2. JSON-результат:
Счётчики: {"0": 512, "1": 512}
Метаданные, timing, execution info: ~4,000 бит
3. Полезная информация:
Распределение вероятностей: P(0)≈0.5, P(1)≈0.5
Для описания нужно: ~32 бита (два float16)
4. Один shot (минимум):
Если бы мы запустили shots=1:
Результат = 1 бит
Вот реальный поток бит, который уходит НА один кубит (параметры импульса SX):
↑ ~11,520 бит управления (720 DAC samples × 16 bit каждый)
А вот что приходит ОБРАТНО от одного кубита за один shot:
Давление воды = количество бит, которые ты отправляешь для управления кубитом. Чем сложнее схема — тем сильнее давление.
Простой кран (гейт X): повернул ручку на 1 щелчок = 2 бита
Навороченный смеситель (U-гейт): крутишь 3 ручки с точностью до градуса = 60 бит
Промышленный насос (pulse control): программируешь форму волны = 11,000+ бит
Вода в ведре = результат измерения. Какой бы мощный поток ни был, ведро вмещает ровно одну каплю: 0 или 1.
Но! Если ты подставишь 1024 ведра по очереди (shots), то по тому, сколько из них полные (1) и пустые (0), ты восстановишь силу потока (вероятность).
Парадокс: Внутри крана «плещется океан» (суперпозиция), но через узкое горлышко (измерение) просачивается ровно 1 капля.
Твой код отправляется по HTTPS на серверы IBM. Там он проходит очередь, транспилируется в native gates процессора (Rz, SX, X, ECR), оптимизируется и преобразуется в расписание импульсов (pulse schedule).
AWG (Arbitrary Waveform Generator) — цифро-аналоговый преобразователь генерирует микроволновые импульсы. 16-bit DAC при частоте дискретизации 4.5 GS/s. Каждый гейт SX = ~160 ns импульс = 720 samples × 16 bit. IQ mixer модулирует на несущую частоту кубита (4.5-5.5 GHz).
Коаксиальные кабели проходят через 5 температурных этажей криостата: 300K → 50K → 4K → 800mK → 100mK → 15mK. На каждом этаже аттенюаторы и фильтры ослабляют тепловой шум. Drive lines несут управляющие импульсы, flux lines — подстройку частоты, readout lines — сигнал считывания.
Слой резонаторов считывания — LC-контуры с частотой 6-7 GHz, ёмкостно связанные с кубитами. Состояние кубита (|0⟩ или |1⟩) сдвигает резонансную частоту резонатора. Readout-импульс «прощупывает» эту частоту. Purcell-фильтры предотвращают утечку энергии кубита через резонатор.
Сердце процессора. Трансмон = сверхпроводящий контур с джозефсоновским переходом (Josephson junction). При 15 mK его два нижних энергетических уровня образуют кубит: |0⟩ (основное) и |1⟩ (возбуждённое). Микроволновый импульс на резонансной частоте (~5 GHz) поворачивает состояние на сфере Блоха. Время жизни: T₁ ~ 100 мкс, T₂ ~ 150 мкс.
Отклик от резонатора усиливается квантовым усилителем (TWPA/JPA) при 15 mK, затем HEMT при 4K. ADC оцифровывает сигнал. IQ-демодуляция даёт точку на IQ-плоскости. Дискриминатор классифицирует: blob ближе к центру «0» или «1»? Fidelity: ~99.5%.
Ты отправляешь: ~6,400 бит через сеть → транспилируется в ~60 бит логических параметров → генерируется ~11,520 бит аналогового управления (DAC samples) → преобразуется в микроволновый импульс длительностью ~160 наносекунд.
Ты получаешь: 1 бит за shot. При 1024 shots = 1024 бита. Но каждый бит — результат отдельного полного цикла «подготовка → эволюция → измерение».
Соотношение: На каждый полученный бит ты тратишь ~11,580 бит управления. Это как написать письмо на 1,500 слов, чтобы получить ответ «да» или «нет».
Кубит медленнее, ошибочнее, короткоживущий, не копируемый, огромный, и работает при -273°C. Зачем? Потому что N кубитов описывают пространство из 2N амплитуд. 50 кубитов = 250 > 1015 комплексных чисел — больше, чем весь RAM на Земле.
Интерференция позволяет обрабатывать все 2N вариантов «параллельно», а затем усилить правильный ответ. Это не параллелизм в классическом смысле — это интерференция амплитуд, физический феномен без классического аналога.
| N кубитов | Пространство 2N | Бит входа | Бит выхода | Fidelity | Эксперимент ТЦИ |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | ~60 | 1 | ~99% | SWAP-test MAE 1.24% |
| 8 | 256 | ~500 | 8 | 95.8% | Drug Auth 62.6σ, QSeal 254σ |
| 17 | 131,072 | ~1,000 | 17 | 79.2% | Fidelity scaling |
| 28 | 268,435,456 | ~1,700 | 28 | 50.0% | Граница случайного шума |
| 50 | 1.1 × 1015 | ~3,000 | 50 | 0.4% | Hamiltonian: классически НЕПРОВЕРЯЕМ |
| 100 | 1.3 × 1030 | ~6,000 | 100 | — | QRNG: 819,200 бит за 1 shot |
| 156 | 9.1 × 1046 | ~10,000 | 156 | — | ibm_fez максимум (Heron R2) |
Где ε = 0.007-0.016 (per-gate error rate), n = число кубитов, 2n = roundtrip (encode + decode). При 8 кубитах fidelity ≈ 95.8% — production-ready. При 28 кубитах — уже 50% (монета).
N кубитов хранят 2N амплитуд, но при измерении дают ровно N бит. 100 кубитов: 1030 комплексных чисел внутри → 100 бит наружу. Квантовый алгоритм должен «сжать» ответ в эти N бит через интерференцию.
Квантовая операция над кубитом потребляет ~1 аттоджоуль (10−18 Дж) — энергию одного микроволнового фотона. Это в 10,000 раз меньше классического транзистора.
Но чтобы кубит вообще работал, криостат непрерывно потребляет ~15 кВт. Это как запустить один калькулятор, но для его работы нужна электростанция.
Аналогия: чтобы написать одну букву пером, тебе нужно 0.001 Дж. Но чтобы перо работало, нужно содержать целую космическую станцию с вакуумом и охлаждением.
QPU время (ibm_fez):
• Drug Auth (#06): ~0.5 сек QPU = ~7.5 кДж (криостат)
• QSeal (#15): ~5 сек QPU = ~75 кДж
• Полная серия ТЦИ: 246 Jobs × ~2 сек = ~500 сек
• Общее QPU-потребление: ~7,500 кДж ≈ 2 кВт·ч
IBM Free Plan:
• 600 сек QPU / месяц
• ~$0/эксперимент (спонсируется IBM)
• Реальная стоимость QPU-часа: ~$1,000-10,000