Квантовые компьютеры

квантовых клеточных авто¬матов - ККА. Квантовый клеточный автомат является обобщением авто¬мата Тьюринга для КК. Сформули¬рована гипотеза, гласящая, что каж¬дая конечным образом реализуемая физическая система может быть дос¬таточно хорошо смоделирована универсальной моделью квантовой вычислительной машины, исполь¬зующей ограниченное количество ресурсов. Для одного из предложенных типов ККА теоретически уже доказано, что он подходит для тако¬го моделирования и не противоре¬чит квантовой теории.

Пытаясь осуществить свой за¬мысел, ученые упираются в про¬блему сохранения когерентности волновых функций кубитов, так как потеря когерентности хотя бы од¬ним из кубитов разрушила бы ин¬терференционную картину. В на¬стоящее время основные усилия экспериментальных рабочих групп направлены на увеличение отно¬шения времени сохранения коге¬рентности ко времени, затрачивае¬мому на одну операцию (это отно¬шение определяет число операций, которые можно успеть провести над кубитами). Главной причиной по¬тери когерентности является связь состояний, используемых для ку¬битов, со степенями свободы, не участвующими в вычислениях. На¬пример, при передаче энергии элек¬трона в возбужденном атоме в по¬ступательное движение всего ато¬ма. Мешает и взаимодействие с ок¬ружающей средой, например, с со¬седними атомами материала ком¬пьютера или магнитным полем Зем¬ли, но это не такая важная проблема. Вообще, любое воздействие на ко¬герентную квантовую систему, ко¬торое принципиально позволяет получить информацию о каких-ли¬бо кубитах системы, разрушает их когерентность. Потеря когерентно¬сти может произойти и без обмена энергией с окружающей средой.

Воздействием, нарушающим когерентность, в частности, явля¬ется и проверка когерентности. При коррекции ошибок возникает сво¬его рода замкнутый круг: для того чтобы обнаружить потерю коге¬рентности, нужно получить ин¬формацию о кубитах, а это, в свою очередь, также нарушает когерент¬ность. В качестве выхода предло¬жено много специальных методов коррекции, представляющих так¬же и большой теоретический инте¬рес. Все они построе¬ны на избыточном кодировании.

Если в области передачи инфор¬мации уже созданы реально рабо¬тающие системы и до коммерческих продуктов осталось лишь несколько шагов, то коммерческая реализация квантового когерентного процессо¬ра - дело будущего. К настоящему времени КК научился вычислять сум¬му 1+1! Это большое достижение, если учесть, что в виде результата он выдает именно 2, а не 3 и не 0. Кроме того, не следует забывать, что и пер¬вые обычные компьютеры были не особенно мощны.

Сейчас ведется работа над дву¬мя различными архитектурами процессоров: типа клеточного ав¬томата и в виде сети логических элементов. Пока не известно о ка¬ких-либо принципиальных пре¬имуществах одной архитектуры перед другой. Как функциональ¬ная основа для логических эле¬ментов квантового процессора бо¬лее или менее успешно использу¬ется целый ряд физических явле¬ний. Среди них - взаимодействие одиночных поляризованных фо¬тонов или лазерного излучения с веществом или отдельными ато¬мами, квантовые точки, ядерный магнитный резонанс и - наибо¬лее многообещающий - объем¬ный спиновый резонанс. Процессор, постро¬енный на последнем принципе, в шутку называют «компьютером в чашке кофе» - из-за того, что в нем работают молекулы жидкости при комнатной температуре и ат¬мосферном давлении. Кроме этих эффектов есть довольно хорошо развитая технология логических элементов и ячеек памяти на джозефсоновских переходах, которую можно при соответствующих ус¬ловиях приспособить под коге¬рентный процессор.

Теорию, описывающую явле¬ния, лежащие в основе первого типа логических ячеек, называют квантовой электродинамикой в по¬лости или резонаторе. Кубиты хра¬нятся в основных и возбужденных состояниях атомов, расположен¬ных некоторым образом на равных расстояниях в оптическом резона¬торе. Для каждого атома исполь¬зуется отдельный лазер, приводя¬щий его в определенное состояние с помощью короткого импульса. Взаимовлияние атомных состоя¬ний происходит посредством об¬мена фотонов в резонаторе. Ос¬новными причинами разрушения когерентности здесь служат спон¬танное излучение и выход фото¬нов за пределы резонатора.

В элементах на основе ионов в линейных ловушках кубиты хра¬нятся в виде внутренних состояний пойманных ионов. Для управле¬ния логикой и для манипулирова¬ния отдельными кубитами также используются лазеры. Унитарные преобразования осуществляются возбуждением коллективных кван¬тованных движений ионов. Источ¬никами некогерентности является спонтанный распад состояний ио¬нов в другие внутренние состояния и релаксация в колебательные сте¬пени свободы.

Сильно отличается от двух пре¬дыдущих «компьютер в чашке ко¬фе». Благодаря достоинствам данного метода этот ком¬пьютер является наиболее реаль¬ным претендентом на то, чтобы достигнуть разрядности 10 бит в бли¬жайшее время. В компьютере на кол¬лективном спиновом резонансе ра¬ботают молекулы обычных жидко¬стей (без всяких квантовых вывертов типа сверхтекучести). В качестве ку¬битов используется ориентация ядерных спинов. Работа логических ячеек и запись кубитов осуществля¬ется радиочастотными электромаг¬нитными импульсами со специаль¬но подобранными частотой и фор¬мой. В принципе, прибор похож на обычные приборы ядерного маг¬нитного резонанса (ЯМР) и исполь¬зует аналогичную аппаратуру. Жиз¬неспособность этого подхода обес¬печивается, с одной стороны, очень слабой связью ядерных спинов с окружением и, потому, большим временем сохранения когерентно¬сти (до тысяч секунд). Эта связь ос¬лаблена из-за экранирования ядер¬ных спинов спинами электронов из оболочек атомов. С другой стороны, можно получить сильный выход¬ной сигнал, так как для вычислений параллельно используется большое количество молекул. «Не так уж сложно измерить спин четвертого ядра у какого-то типа молекул, если у вас имеется около числа Авогадро (~1023) таких молекул», - говорит Ди Винченцо (Di Vincenzo), один из исследователей. Для определения результата непрерывно контроли¬руют излучение всего ансамбля. Та¬кое измерение не приводит к потере когерентности в компьютере, как было бы в случае использования толь¬ко одной молекулы.

Ядерные спины в молекулах жидкости при комнатной темпера¬туре хаотически разупорядочены, их направления равномерно рас¬пределены от 0 до 4. Проблема записи и считывания кажется не¬преодолимой из-за этого хаоса. При воздействии магнитного поля спины начинают ориентироваться по полю. После снятия поля через небольшое время система снова приходит к термодинамическому равновесию, и в среднем лишь около миллионной доли всех спинов остается в состоянии с ориентацией по направлению поля. Однако бла¬годаря тому, что среднее значение сигнала от хаотически направлен¬ных спинов равно нулю, на этом фоне можно выделить довольно слабый сигнал от «правильных» спинов. Вот в этих-то молекулах с правильными ядерными спинами и размещают кубиты. Для коррек¬ции ошибок при записи N кубитов используют 2N или больше спинов. Например, для N=1 выбираются такие жидкости, где какие-то два спина ядер в одной молекуле после опре¬деленного воздействия полем мо¬гут быть ориентированны только одинаково. Тогда по направлению второго спина при снятии резуль¬тата обработки можно отсеять нуж¬ные молекулы, никак не влияя на первый спин.

Как уже было сказано, обработ¬ка битов осуществляется радиоим¬пульсами. Основным логическим элементом является управляемый инвертор. Из-за спин-спинового взаимодействия резонансная час¬тота, при которой происходит оп¬рокидывание одного спина, зави¬сит от направления другого.

Что касается квантовой передачи данных, к настоящему времени экспериментально реализованы системы обмена секретной информацией по незащищенному от несанкционированного доступа каналу. Они основаны на фундаментальном постулате квантовой механики о невоз¬можности измерения состояния без оказания влияния на него. Подслушивающий всегда изменяет состояние кубитов, кото¬рые он подслушал, и это может быть зафиксировано связы¬вающимися сторонами. Данная система защиты информации абсолютно надежна, так как способов обойти законы кванто¬вой механики пока еще никто не выдумал.

Вместо заключения…

Пока квантовым компьютерам по плечу только наиболее простые за¬дачи - например, они уже умеют складывать 1 и 1, получая в резуль¬тате 2. Было также запланировано взятие дру¬гого важного рубежа - фактори¬зации числа 15, его предстоит раз¬ложить на простые множители - 3 и 5. А там, глядишь, дойдет дело и до более серьезных задач.

Опытные образцы сейчас со¬держат менее десяти квантовых би¬тов. По мнению Нейла Гершенфельда (Nell Gershenfeld), участвовав¬шего в создании одной из первых действующих моделей квантового компьютера, необходимо объеди¬нить не менее 50-100 кубитов, что¬бы решать полезные с практиче¬ской точки зрения задачи. Интерес¬но, что добавление каждого сле¬дующего кубита в квантовый ком¬пьютер на эффекте объемного спи¬нового резонанса требует увеличе¬ния чувствительности аппаратуры в два раза. Десять дополнительных кубитов, таким образом, потребуют увеличения чувствительности в 1000 раз, или на 60 дБ. Двадцать - в миллион раз, или на 120 дБ...

He исключе¬но, что в информационном обще¬стве появление квантового компь¬ютера сыграет ту же роль, что в свое время, в индустриальном, - изоб¬ретение атомной бомбы. Действи¬тельно, если последняя является средством «уничтожения мате¬рии», то первый может стать сред¬ством «уничтожения информа¬ции» - ведь очень часто то, что известно всем, не нужно никому.

Литература, содержащая основную информацию о КК.

1. Feynman R. Int. J. Theor. Phys. 21, 1982.

2. Манин Ю.И. Вычислимое и невычислимое. - М.: Советское ра¬дио, 1980.

3. Feynman R. Quantum mechanical computers. // Optics News, February 1985, 11, p.11.

4. Deutsch D. Quantum