Квантовая магия

Доронин Сергей Иванович

В начале 2006 года в Phys. Rev. Lett., также в одном номере [128] , были опубликованы две статьи об экспериментальных работах, продолжающих эти исследования. Но в них основной упор делается уже на технические детали — такие, как выбор оптимальной длины волны единичных фотонов, подходящей для коммуникации на больших расстояниях: в первой работе использовалась длина волны 1,5 микрон, во второй 0,78 микрон.

Таким образом, «летающие» или курсирующие по оптоволокну кубиты постепенно становятся обыденной реальностью, и их создание уже не считается большим научным достижением.

128

Volz J., Weber M., SchlenkD., Rosenfeld W., VranaJ., SauckeK., KurtsieferC. and WeinfurterH.Phys. Rev. Lett. 96, 030404 (2006);

Matsukevich D. N., ChaneliereT., Jenkins S. D., Lan S.-Y., Kennedy T. A. B., and KuzmichA.Phys. Rev. Lett. 96, 030405 (2006).

В

этой области делаются также первые шаги к промышленным технологиям. Ученые из Кембриджа (Великобритания) экспериментально продемонстрировали [129] возможность получения запутанных фотонных пар при помощи простых полупроводниковых светодиодов. Эти запутанные пары могут применяться, в том числе, и в схемах квантовой коммуникации, курсируя по квантовым шинам и связывая нелокальными корреляциями отдельные узлы. Как пишут авторы, такая генерация запутанных пар «по требованию» обладает существенными преимуществами перед другими способами их получения и может найти широкое применение в различных квантово-информационных устройствах.

129

Stevenson R. M., Young R. J., Atkinson P., Cooper K., Ritchie D. A. and Shields A. J.Nature 439, 179 (2006).

На этом я закончу краткий обзор экспериментальных исследований и разработок «железа» для квантового компьютера.

По мнению многих ученых, работающих в области квантового компьютинга, результаты научных разработок приблизятся к стадии коммерческого применения примерно к 2020 году. К этому же времени будет достигнут предел в существующей полупроводниковой технологии, поскольку уже сейчас дорожки, по которым внутри процессоров распространяется электрический сигнал, имеют ширину, составляющую сотни атомов. Дальнейшее их сужение возможно лишь до определенного предела. Уже сейчас начинают появляться фирмы, которые, ориентируясь на перспективу, планируют связать свою основную деятельность сквантовым компьютингом. Например, в Санта-Барбаре (штат Калифорния, США) основана первая коммерческая компания — Quantumatics [130] , которая собирается работать в области квантовых вычислений. Quantumaticsпланирует получать прибыль там, где прежде доминировали работы исследовательского и академического характера. Фирму возглавил физик Джованни Росса ( GiovanniA. della Rossa). Он не является новичком в организации компаний, опирающихся на высокие технологии, в частности, в 1980 году он основал Eidos— первую компанию в Италии, специализирующуюся на компьютерной графике. По поводу своих планов он говорит так: «Я собираюсь создать первое поколение квантовых компьютеров — „машин“, которые могут быть использованы как для развития собственно вычислений, так и для развития физики. Физика должна быть лучше изучена на квантовом уровне, и никакой другой инструмент не подойдет для этой цели лучше, чем квантовый компьютер!»

130

http://www.parallel.ru/news/quantumatics_announce.html.

4.4. Языки программирования для квантового компьютера

К настоящему времени уже появились первые языки программирования для квантового компьютера, в частности, QCL ( Quantum Computation Language). Как пишут разработчики языка в документации [131] , квантовые вычисления сейчас все еще рассматривают как специальную дисциплину в рамках теоретической физики, несмотря на точто она имеет много общего с классической информатикой. Одна из причин того, что сообщество программистов медленно принимает квантовые вычисления — запутывающее разнообразие формализма ( дираковскиеобозначения, матрицы плотности, гейты, операторы и т. д.). Все эти теоретические инструменты не имеют ничего общего с классическими языками программирования, а изложение самих основ квантовых вычислений часто слишком усложнено. В результате программисты испытывают трудности при моделировании квантовых логических операций знакомыми им средствами. QCL пытается восполнить этот пробел: это архитектурно независимый язык программирования высокого уровня для квантовых компьютеров с синтаксисом, заимствованным от таких классических языков, как C или Паскаль. Этот синтез теории квантовых вычислений и обычных языков программирования обеспечивает моделирование и полное выполнение квантовых алгоритмов (включая классические компоненты) в одном совместимом формализме.

131

http://tph.tuwien.ac.at/~oemer/qcl.html;

http://www.vcpc.univie.ac.at/~ian/hotlist/qc/programming.shtml.

По аналогии с классической машиной Тьюринга [132] ,

в квантовых вычислениях рассматривается квантовая машина Тьюринга. Классическая (булева) логика обобщается квантовыми гейтами, а квантовым унитарным операторам ставятся в соответствие частично рекурсивные функции.

Очевидно, что моделирование квантового компьютера на традиционном классическом компьютере — неразрешимая проблема. Требуемые ресурсы растут по экспоненте с количеством квантовых регистров памяти при моделировании. Операции даже с несколькими десятками кубитов выходят за пределы возможностей любого самого мощного суперкомпьютера, а добавление одного нового кубита каждый раз удваивает необходимые ресурсы. Поэтому естественно, что на QCL можно пока программировать только очень «маленькие» квантовые компьютеры. Но и этого достаточно, чтобы апробировать основные алгоритмы квантовых вычислений и отработать их прежде, чем появится возможность их применения на полноценных квантовых компьютерах.

132

Машина Тьюринга (Turing machine) получила свое название по имени английского математика Алана Тьюринга, предложившего в середине 30-х годов ХХ века способ формального задания алгоритмов с помощью абстрактной (воображаемой) вычислительной машины. Эта машина представляет собой простейшую модель вычислительной машины с линейной памятью, которая, согласно формальным правилам, преобразует входные данные в выходные с помощью последовательности элементарных логических операций. Несмотря на простоту машины Тьюринга, на ней можно имитировать любую программу для обычных компьютеров.

Первый квантовый компьютер будет, вероятно, состоять из некоего экзотического «железа», которое хранит квантовые состояния и манипулирует ими. Его «жизнь» станут поддерживать аппаратные средства окружения, которые обеспечат его работоспособность и дадут пользователю разумный интерфейс для «общения» и программирования в некой среде. QCL моделирует такую программную среду, предоставляя классической программной структуре квантовые типы данных и специальные функции, позволяющие выполнить операции над ними.

В квантовом программировании уже развиваются и отдельные направления, например, работа со звуковыми сигналами. И чтобы дать вам, уважаемые читатели, небольшой отдых после восприятия серьезной информации, приведу в заключение раздела сообщениена эту тему из бульварной прессы [133] .

«Группа ученых из Французского центра национальных научных исследований разработала новый метод компрессии звука, который можно будет использовать в квантовых компьютерах», — сообщает газета « News Factor».

133

http://science.compulenta.ru//42507/?phrase_id=3888807.

Джей Вон Ли, а также его коллеги Дмитрий и Алексей Шепелянскиеутверждают, что «классические методы анализа аудио не применимы к квантовым сигналам». И подчеркивают при этом: «На данном этапе очень важно найти метод, который удовлетворял бы новым требованиям квантовой компьютерной техники».

Первые результаты уже достигнуты. В первом эксперименте удалось воспроизвести фразу приветствия компьютера HAL из знаменитой «Космической Одиссеи 2001 года» Артура Кларка («Good afternoon, gentlemen.I am a HAL 9000 computer. I became operational at the H. A. L. lab in Urbana, Illinois, on the 12th of January»). По словам исследователей, полученные ими в результате расчетов данные демонстрируют, что звуковые сигналы, сохраненные в квантовой памяти, могут свободно распознаваться настоящими квантовыми компьютерами.

Как говорит Дмитрий Шепелянский, 50-кубитный квантовый компьютер способен вместить в себя информацию, превосходящую по объему ту, что хранят сейчас все современные суперкомпьютеры вместе взятые.

Объясняя теорию кодирования звука в квантовых компьютерах, Дмитрий Шепелянскийотметил, что сгенерированный ими голос HAL состоял из 18 кубитов и являл собой «волновую функцию квантового компьютера, которая была „записана“ в память квантового регистра, сформированного кубитами».

Разработанный группой Шепелянскогометод «квантового преобразования Фурье» очень близок по принципу своего действия к кодированию обычного формата mp3 — «быстрому преобразованию Фурье». Ученым удалось произвести числовое моделирование этого процесса, что позволило получить оптимальный алгоритм декодирования зашифрованного звукового сигнала в квантовой технике и соответственно добиться оптимального звучания восстановленного сигнала.

4.5. Квантовый компьютер в головном мозге

На первый взгляд, казалось бы, что может быть общего между элементной базой квантового компьютера и эзотерикой? Оказывается, есть прямая связь — очень даже интересная и неожиданная, о чем мы и поговорим ниже.

Многие, наверное, слышали, что в головном мозге есть небольшой орган — эпифиз, или шишковидное тело. Считается, что это и есть «Третий глаз». Эпифиз имеет много названий: Третий глаз, аджна-чакра, око вечности, всевидящее око, Глаз Шивы, око мудрости, «седалище души» (Декарт), « сновидческоеоко» (Шопенгауэр), шишковидная железа и др. Даже «глаз циклопа», по-моему, имеет к нему прямое отношение.