Журнал "Вокруг Света" №8 за 2005 года

Журнал Вокруг Света

Кубиты обладают и другими удивительными свойствами квантовых объектов: иногда между парой кубитов возникают так называемые сцепленные (связанные между собой) состояния. В этом случае, изменяя состояние одного, можно управлять состоянием другого.

Классический регистр, например, состоящий из трех битов, содержит в каждый момент времени только одно из восьми возможных значений: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, в то время как квантовый регистр может одновременно хранить все эти восемь чисел. Если мы будем добавлять кубиты в регистр, то его объем будет увеличиваться экспоненциально — 3 кубита могут хранить 8 различных чисел, 4 кубита — 16, N кубитов — 2N чисел одновременно. Причем над всеми числами сразу можно произвести некие

математические операции.

Таким образом, квантовый компьютер с 1 000 кубитами в своей оперативной памяти может содержать 21 000 или примерно 10300 комбинаций нулей и единиц, что значительно превышает возможности самых современных суперкомпьютеров с терабайтами (1012 ) оперативной памяти.

Специалисты считают, что, научившись управлять всего 1 000 кубитами, можно создать полномасштабный квантовый компьютер и достичь существенного ускорения вычислительного процесса. На первый взгляд 1 000 кубитов — не так много, если сравнивать это число с количеством транзисторов (сотни миллионов), которые содержат процессоры современных классических компьютеров. Однако пока наибольшим объявленным достижением в квантовых вычислениях является возможность управлять всего лишь пятью–семью кубитами.

Ловушки для ионов

Сразу условимся: поскольку реально действующий квантовый компьютер до сих пор не создан (по крайней мере, открыто об этом никем не заявлено), имеет смысл говорить лишь о возможных путях его реализации, которые рассматриваются и разрабатываются в различных лабораториях мира, в том числе и в российских. У нас в стране активно этими исследованиями занимаются в Физико-технологическом институте Российской академии наук, возглавляемом академиком РАН К.А. Валиевым, поделившимся с нами своими мыслями по данному поводу.

Теоретических и экспериментальных моделей квантового компьютера предложено достаточно много. Процесс вычислений в них происходит за счет управления квантовой динамикой отдельных атомов (кубитов), осуществляемого подачей на них внешних сигналов.

Одна из моделей — компьютер на ионах в ловушке — основана на использовании так называемых «подвешенных» в вакууме ионов. Кубитом в этом случае служит атом или ион. Его изолируют с помощью электромагнитного поля и «обстреливают» лазерными импульсами. Каждый кубит удален от соседей на несколько микрон, имеет определенное пространственное положение, поэтому на нем не сложно сфокусировать лазерный луч, который подается импульсами и меняет состояние атома. Сегодня ученые научились «подвешивать» несколько атомов в виде линейной цепочки, образующей одномерный ионный кристалл. Правда, больших кристаллов получить пока не удается, рекорд на сегодняшний день — цепочка из 30 ионов. Больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского университета в Австрии, а осуществили — исследователи в Лос-Аламосской национальной лаборатории США.

Логические преобразования над кубитами можно осуществлять и с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это явление, связанное с переориентацией магнитных моментов атомных ядер во внешнем магнитном поле, сегодня активно используется физиками, химиками, биологами и врачами в разного рода анализаторах и томографах, позволяющих заглянуть внутрь самых разнообразных устройств, материалов и живых объектов.

Существует и вариант жидкостного ЯМР-квантового компьютера. Его первый действующий «опытный образец» — импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения. Спины ядер, входящих в состав атомов, образующих исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу, — это кубиты, единицы измерения квантовой информации. Уже имеются экспериментальные реализации квантовых алгоритмов с помощью ЯМР.

В таких компьютерах ампулу, содержащую «растворенные» в жидкости молекулы с нужными ядерными спинами, помещают внутрь установки. В качестве «программного обеспечения» используются импульсы переменного магнитного поля, которые воздействуют на атомные спины.

Каждое атомное ядро имеет свою собственную частоту прецессии в магнитном поле, поэтому при воздействии электромагнитными импульсами этой частоты на одно из ядер оно начинает вращаться, в то время как остальные — нет. Для того чтобы заставить второй атом совершать регулярное резонансное движение, надо послать импульсы соответствующей ему частоты. По этой схеме ученым удается работать с системами, общее число кубитов в которых не более пяти – семи штук. Теоретически возможно увеличить его до 20—30, но затем возникает ряд существенных проблем. В частности, с увеличением числа кубитов происходит экспоненциальное уменьшение интенсивности регистрируемого радиосигнала. Это не позволяет довести число единиц обрабатываемой информации до заветной тысячи, необходимой для создания полноценного квантового компьютера.

Сегодня ученые активно ищут варианты создания масштабируемых кубитов, когда увеличение числа подконтрольных квантовых объектов не влечет за собой столь нежелательных последствий. Считается, что свойством масштабируемости обладают твердотельные модели квантовых компьютеров.

Существует модель твердотельного полупроводникового ЯМР-квантового компьютера. Роль кубитов в них выполняют ядерные спины атомов обычной донорной примеси, помещенной в кристалл кремния. В определенных точках полупроводника на расстояниях порядка 100 ангстрем располагают атомы примеси, например, фосфора. Их электронные облака на таком расстоянии перекрываются между собой, и атомы могут обмениваться состояниями: один атом «управляет» электронами другого и тем самым осуществляется взаимодействие ядер удаленных атомов примеси. Над атомами примеси устанавливают крошечные 50-ангстремные электроды и, регулируя величину текущего по ним тока, изменяют магнитное поле и как следствие — резонансную частоту вращения спина атомного ядра. Учитывая достижения современной электроники, в этом варианте можно было бы создать систему из тысяч кубитов. Однако проблемой для этого варианта является измерение состояния отдельного кубита.

Еще одно направление — сверхпроводниковый квантовый компьютер. Несмотря на имеющиеся достижения в реализации отдельного кубита, в таком квантовом компьютере также имеется ряд недостатков. Они связаны с необходимостью жесткого контроля за изготовлением так называемых сквидов, основанных на туннельных переходах Джозефсона. Сквид — сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор. Технология сквидов позволяет достаточно легко построить квантовый кубит. Основные трудности возникают при попытке соединить несколько таких кубитов в один вычислительный регистр. Лучшим достижением в этой области пока считается управление взаимодействием всего двух кубитов.

Азы секретной связи

Довольно скромные успехи разработчиков на пути создания реальных квантовых компьютеров объясняются просто. Квантовое состояние очень хрупкое, и квантовые системы более чувствительны к воздействию окружающей среды, чем классические. Именно поэтому все перспективные с точки зрения квантовых вычислений прототипы таких компьютеров работают в режиме «жесткой изоляции» — при очень низких температурах и в вакууме. Но пока даже самая надежная защита негарантирует полного отсутствия внешних воздействий на кубиты. Например, подвешенные в вакууме ионы удерживаются в ловушках с помощью электродов, на которых кроме нужного напряжения присутствуют помехи — шумовое электрическое напряжение. Ионы на это реагируют и теряют свою когерентность (согласованность), другими словами, их рабочее квантовое состояние сохраняется очень недолго.

Определенную проблему в этих компьютерах представляют даже ввод и вывод данных, поскольку эти операции предполагают преобразование квантовой информации в классическую, и наоборот. Такая процедура предусматривает физическое измерение состояния объекта, что в квантовой механике может изменить само измеряемое состояние. Вообще в таких вычислениях любое дополнительное считывание информации грозит разрушить всю систему, поэтому явное выяснение результата промежуточных вычислений нерационально.