Квантовые компьютеры - что это такое? Принцип работы и фото квантового компьютера. Квантовые компьютеры

История вычислительной техники, которую мы сейчас называем просто сервер или компьютер, началась много веков назад. С течением времени и развитием технологий совершенствовались и компьютеры. Улучшалась производительность, скорость работы и даже внешний вид. Любой компьютер в своей основе реализует определенные законы естественных наук, таких как физика и химия. Углубляясь в любую из этих наук, исследователи находят новые и новые пути совершенствования вычислительных систем. Сегодня мы будем знакомиться с исследованием, нацеленным на реализацию применения фотонов в квантовых компьютерах. Поехали.

Теоретическая основа

Словосочетание «квантовый компьютер» уже перестало быть шокирующим, хоть и звучит как научная фантастика. Однако ничего фантастического в нем нет, по крайней мере с литературной точки зрения. Квантовый компьютер эксплуатирует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность. Простыми словами говоря, квантовая суперпозиция это явление, когда квантовые состояния системы взаимоисключаются. Если говорить не о частицах, о чем-то «покрупнее», то можно упомянуть кота Шредингера.

Немного про кота Шредингера

Данный теоретический эксперимент был описан самим Шрёдингером довольно подробно и сложно, в какой-то степени. Упрощенный вариант звучит так:

Есть стальная коробка. В коробке кот и механизм. Механизм - счетчик Гейгера с очень малым количеством радиоактивного вещества. Данное вещество так мало, что за 1 час может распасться 1 атом (а может и не распасться). Если это происходит, то считывающая трубка счетчика разряжается и срабатывает реле, освобождающее молоток, который висит над колбой с ядом. Колба разбивается, и яд убивает кота.

Иллюстрация эксперимента

Теперь пояснение. Мы не видим что происходит в коробке, мы не можем повлиять на процесс даже своими наблюдениями. Пока мы не откроем коробку, мы не знаем жив кот или мертв. Таким образом, утрируя, можно сказать, что для нас кот в коробке находится в двух состояниях одновременно: он и жив, и мертв.

Очень интересный эксперимент, раздвигающий границы квантовой физики.

Еще более необычным можно считать парадокс Вигнера. К всем вышеуказанным переменным эксперимента добавляются некие друзья лаборанта, что проводит данный эксперимент. Когда он открывает коробку и узнает точное состояние кота, его товарищ, находясь в другом месте, этого состояния не знает. Первый должен сообщить второму, что кот жив или мертв. Таким образом, пока все во Вселенной не будут знать точного состояния бедного животного, оно будет считаться и мертвым, и живым одновременно.

Оперирует квантовый компьютер не битами, а кубитами, отличающихся от первых тем, что одновременно могут находиться в двух состояниях - 0 и 1. Это позволяет обрабатывать информацию значительно быстрее.

С фотонами все чуть проще. Фотон это «частичка света», если говорить очень утрировано. Более научное определение это элементарная частица электромагнитного излучения, способная переносить электромагнитное взаимодействие.

Обратная сторона медали

Фотоны являются отличными переносчиками квантовой информации, однако отсутствие детерминистской* взаимосвязи фотон-фотон ограничивает их применение в квантовых компьютерах и сетях.

Детерминистские системы* это системы, процессы в которых взаимосвязаны таким образом, что можно отследить причинно-следственную последовательность. Другими словами, это системы, где входящие данные (к примеру задачи) полностью соответствуют исходящим данным (результат решения).

Оптическая нелинейность* объясняется нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны. Наблюдать подобное можно при использовании лазеров, так как они могут генерировать луч высокой интенсивностью света.


Оптическая нелинейность на примере генерация второй оптической гармоники (second harmonic wave)

Другой вариант, который также пока отложен в долгий ящик, это системы на базе нелинейной квантовой электродинамики. Поскольку такие системы работают исключительно в микроволновом режиме, а перевести их в оптический режим крайне проблематично.

Другие же исследователи решили копнуть еще глубже, практически буквально. Использование нанофотонных систем, в которых фотоны взаимодействуют с нанометровыми элементами (в данном случае с квантовыми эмиттерами) является весьма привлекательным способов реализации однофотонной нелинейности в компактных твердотельных устройствах. Однако пока что в подобных экспериментах используются эмиттеры, представленные двухуровневой атомной системой, ограниченной компромиссом между пропускной способностью и задержкой, что делает реализацию однотонных переключателей невозможной.

Как вывод, все предыдущие исследования имели определенные положительные результаты, которые, к сожалению, были сопряжены с теми или иными проблемами реализации или же взаимодействия систем.

Основы исследования

В данном же исследовании продемонстрирован однофотонный переключатель и транзистор, реализованные посредством сопряжения твердотельного квантового кубита и нанофотонного резонатора.

Одним из основных элементов эксперимента является спиновый кубит, состоящий из единственного электрона в заряженной квантовой точке* .

Квантовая точка* (или «искусственный атом») - частица полупроводника. Из-за крайне малого размера ее оптические и электронные свойства сильно отличаются от подобных у более крупных частиц.

На изображении 1а продемонстрирована структура уровня квантовой точки, включающая два основных состояния* с противоположными спинами, что формирует стабильную квантовую память. Эти состояния помечены так: |⟩ и |↓⟩ .

Основное состояние* - в квантовой механике это стационарное состояние, когда уровень энергии и другие величины не изменяются, с наименьшей энергией.

Возбуждение* - обозначает переход системы из основного состояния в состояние с более высокой энергией.

Дырка* - квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Изображение 1b это снимок изготовленного нанофотонного резонатора, сделанный сканирующим электронным микроскопом. Посредством эксплуатации эффекта Фогта* было получено спин-зависимое соединение за счет применения магнитного поля (5.5 Тл) по плоскости устройства.

Фогта эффект* - возникновение двойного лучепреломления электромагнитной волны во время ее распространения в твердых телах.

• g /2π=10.7±0.2 ГГц
• к /2π=35.5±0.6 ГГц
• y /2π=3.5±0.3 ГГц

Изображение №1с

На изображении 1с (сверху слева) графически продемонстрированы принципы работы однофотонного переключателя и транзистора. Как мы видим, если затворный импульс не содержит фотонов, то спин остается в положении «вниз». Если же присутствует один фотон, то спин переходит в положение «вверх». Как следствие спиновое состояние контролирует коэффициент отражения нанофотонного резонатора, тем самым изменяя поляризацию фотонов отраженного сигнала.

Вся последовательность импульсов показана на изображении 1с (снизу). Теперь давайте чуть подробнее о каждом шаге.

• В начале имеется квантовая точки в суперпозиции ее основного спинового состояния. Вычисляется с помощью формулы (|⟩ + |↓⟩)/√2 . Достигается это путем применения импульса инициализации для оптической накачки спина, что переводит его в состояние «вниз».
• Далее применяется оптический ротационный импульс, создающий спиновое вращение π/2.
• В течение некоторого времени (τ ) система свободно развивается.

  Если это время установить как целое число + половина периода процессии спина, тогда при отсутствии затворного фотона спин будет переходить в состояние (|⟩ - |↓⟩)/√2 , а второй ротационный импульс переведет спин обратно в состояние «вниз». Если же затворный фотон отражается от резонатора, то он формирует относительный π-фазовый сдвиг между состояниями «вверх» и «вниз», который отражает спин вдоль оси (x ) сферы Блоха* . Таким образом второй ротационный импульс будет переводить спин в состояние «вверх».

• Применяется еще один ротационный импульс, идентичный первому.
• Между этими двумя импульсами внедряется затворный импульс.

Сфера Блоха* - в квантовой механике используется как способ геометрического представления пространства состояния кубита.

• В конце процесса поле сигнала отражается от резонатора и подвергается вращению поляризации, которое напрямую зависит от состояния спина.

На графике выше продемонстрирован коэффициент пропускания сигнального поля, проходящего через поляризатор, в виде функции (τ) при отсутствии затворного импульса.

Контрастность пропускания определяется формулой: δ = Т up - T down

Где Т up и T down - коэффициенты пропускания поля сигнала в моменты перехода спина в состояние «вверх» (up ) и «вниз» (down ) с применением двух ротационных импульсов, соответствующих максимальному и минимальному значению коэффициента пропускания в колебании.

Константное значение δ = 0.24 ± 0.01. Оно сильно отличается от идеального из-за неточного состояния спина F = 0.78 ± 0.01 и из-за ограниченной кооперативности С = 2g 2 / ky = 1.96 ± 0.19.

Изображение №2b

График 2b демонстрирует случай, когда применяется 63-ps импульс, содержащий примерно 0.21 фотонов на 1 импульс, связанных с резонатором. Дабы убедиться в том, что один фотон регулирует коэффициент пропускания, были проведены измерения двухфотонного совпадения между затворным и сигнальным фотонами.

Зеленые точки - измеренный коэффициент пропускания сигнала, обусловленный обнаружением отраженного затворного фотона как функции (τ ).

Зеленая линия - числовое соответствие модели, отображаемой на графике 2а .

Вертикальная линия (а) на графиках 2а и 2b это обозначение состояния, когда спин подвергается полуцелому числу вращений вокруг сферы Блоха во время периода свободного развития. В такой ситуации затворный фотон приводит к тому, что поляризация сигнального поля начинает вращаться и перенаправляться через поляризатор.

Вертикальная линия (b) на графиках 2а и 2b это отображение второго рабочего состояния, при котором возможно выполнение операций переключения. В данном варианте наблюдается поведение обратного переключения, когда затворный фотон предотвращает вращение сигнального поля, тем самым уменьшая коэффициент пропускания.

В обоих случаях затворный импульс вызывает изменения коэффициента пропускания сигнала на 0.21 ± 0.02. Чтобы считать затворный фотон идеальным, этот показатель должен быть равен 0.24, как было определено в вычислениях, продемонстрированы на графике 2а . В случае с реальным экспериментом показатели хуже ввиду использования аттенуированного (с затухающим колебанием) лазера для создания затворного импульса, который, хоть и маловероятно, но может содержать несколько фотонов.

Изображение №2с

График выше отображает коэффициент пропускания в виде функции времени задержки (τ ), когда среднее значение сигнальных фотонов на 1 импульс выставлено на 4.4 ± 0.5 (вверху), 10.9 ± 1.2 (посередине), 23.0 ± 2.5 (снизу).

Зеленые точки - коэффициент пропускания, обусловленный обнаружением затворного фотона.

Оранжевые квадраты - коэффициент пропускания без затворного импульса.

Зеленые и оранжевые линии - числовое соответствие теоретическим моделям из графиков 2а и 2b .

Во всех случаях отчетливо наблюдается поведение переключения.

Подсчеты контраста переключения (ξ ) дали следующие результаты: 0.22 ± 0.03, 0.17 ± 0.02 и 0.12 ± 0.02, в соответствии с каждым графиком.

Основная проблема, связанная с контрастом переключения, это его снижение при увеличении числа сигнальных фотонов. Это обусловлено тем, что каждый сигнальный фотон может обратным образом воздействовать на спин через комбинационное рассеяние света (эффект Рамана* ). Это приводит к сбросу состояния внутренней квантовой памяти.

Эффект Рамана* - неупругое рассеяние оптического излучения, когда частицы сталкиваются, что приводит к изменению их состояния, формированию новых частиц, превращением в другие или рождением новых частиц.

На графике 3а синие точки показывают измеренный контраст пропускания, когда затворного импульса нет, в виде функции среднего числа фотонов в сигнальном поле. Это показатель степени самостоятельного переключения, спровоцированного сигналом без затвора. Синими линиями обозначается численное соответствие данных экспоненциальной функции вида exp (-N s / N avg ) , где N avg это среднее число сигнальных фотонов, необходимых для изменения положения спина. Подсчеты показали, что N avg = 27.7 ± 8.3.

Еще одним важным свойством транзисторов является коэффициент передачи (G ). График 2b (синие точки) демонстрирует рост данного показателя. Исследователям удалось достичь G = 3.3 ± 0.4 при количестве фотонов N s = 29.2 ± 3.2.

Кандидат физико-математических наук Л. ФЕДИЧКИН (Физико-технологический институт Российской академии наук.

Используя законы квантовой механики, можно создать принципиально новый тип вычислительных машин, которые позволят решать некоторые задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Резко возрастет скорость многих сложных вычислений; сообщения, посланные по линиям квантовой связи, невозможно будет ни перехватить, ни скопировать. Сегодня уже созданы прототипы этих квантовых компьютеров будущего.

Американский математик и физик венгерского происхождения Иоганн фон Нейман (1903- 1957).

Американский физик-теоретик Ричард Филлипс Фейнман (1918-1988).

Американский математик Питер Шор, специалист в области квантовых вычислений. Предложил квантовый алгоритм быстрой факторизации больших чисел.

Квантовый бит, или кубит. Состояниям и отвечают, например, направления спина атомного ядра вверх или вниз.

Квантовый регистр - цепочка квантовых битов. Одно- или двухкубитовые квантовые вентили осуществляют логические операции над кубитами.

ВВЕДЕНИЕ, ИЛИ НЕМНОГО О ЗАЩИТЕ ИНФОРМАЦИИ

Как вы думаете, на какую программу в мире продано наибольшее количество лицензий? Не рискну настаивать, что знаю правильный ответ, но мне точно известен один неверный: это не какая-либо из версий Microsoft Windows. Самую распространенную операционную систему опережает скромный продукт фирмы RSA Data Security, Inc. - программа, реализующая алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов - американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана.

Дело в том, что алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах - от смарткарт до сотовых телефонов. В частности, имеется он и в Microsoft Windows, а значит, распространен заведомо шире этой популярной операционной системы. Чтобы обнаружить следы RSA, к примеру, в браузере Internet Explorer (программе для просмотра www-страниц в сети Интернет), достаточно открыть меню "Справка" (Help), войти в подменю "О программе" (About Internet Explorer) и просмотреть список используемых продуктов других фирм. Еще один распространенный браузер Netscape Navigator тоже использует алгоритм RSA. Вообще, трудно найти известную фирму, работающую в области высоких технологий, которая не купила бы лицензию на эту программу. На сегодняшний день фирма RSA Data Security, Inc. продала уже более 450 миллионов(!) лицензий.

Почему же алгоритм RSA оказался так важен?

Представьте, что вам необходимо быстро обменяться сообщением с человеком, находящимся далеко. Благодаря развитию Интернета такой обмен стал доступен сегодня большинству людей - надо только иметь компьютер с модемом или сетевой картой. Естественно, что, обмениваясь информацией по сети, вы бы хотели сохранить свои сообщения в тайне от посторонних. Однако полностью защитить протяженную линию связи от прослушивания невозможно. Значит, при посылке сообщений их необходимо зашифровать, а при получении - расшифровать. Но как вам и вашему собеседнику договориться о том, каким ключом вы будете пользоваться? Если послать ключ к шифру по той же линии, то подслушивающий злоумышленник легко его перехватит. Можно, конечно, передать ключ по какой-нибудь другой линии связи, например отправить его телеграммой. Но такой метод обычно неудобен и к тому же не всегда надежен: другую линию тоже могут прослушивать. Хорошо, если вы и ваш адресат заранее знали, что будете обмениваться шифровками, и потому заблаго-временно передали друг другу ключи. А как быть, например, если вы хотите послать конфиденциальное коммерческое предложение возможному деловому партнеру или купить по кредитной карточке понравившийся товар в новом Интернет-магазине?

В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использую щие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый (не требующий хранения в тайне) и закрытый (строго секретный). Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый - для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание. Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, - это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ (он изначально хранится у вас), легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом (а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе).

Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом. Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. Если имеется два больших (требующих более сотни десятичных цифр для своей записи) простых числа M и K, то найти их произведение N=MK не составит большого труда (для этого даже не обязательно иметь компьютер: достаточно аккуратный и терпеливый человек сможет перемножить такие числа с помощью ручки и бумаги). А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K (так называемая задача факторизации ) - практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K.

Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного (512-битного) числа. Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 10 25 (!) лет. (Для сравнения возраст Вселенной равен ~10 10 лет.)

Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях. И все было хорошо до тех самых пор ...пока не появились квантовые компьютеры.

Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации (и многие другие!) не составит большого труда. Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ?

Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств.

В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.

По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана (СН 4). Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной(!). И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. И. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.

Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейн-ман, хорошо знакомый постоянным читателям "Науки и жизни". Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.

И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел (о важности этой задачи уже шла речь во введении). По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.

В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.) Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума.

Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок. К сожалению, тема коррекции ошибок в квантовых компьютерах так же важна, как и сложна, чтобы изложить ее в данной статье.

УСТРОЙСТВО КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА

Прежде чем рассказать, как же устроен квантовый компьютер, вспомним основные особенности квантовых систем (см. также "Наука и жизнь" № 8, 1998 г.; № 12, 2000 г.).

Для понимания законов квантового мира не следует прямо опираться на повседневный опыт. Обычным образом (в житейском понимании) квантовые частицы ведут себя лишь в том случае, если мы постоянно "подглядываем" за ними, или, говоря более строго, постоянно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам "отвернуться" (прекратить наблюдение), как квантовые частицы тут же переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных ипостасей. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей и т. д. Это не означает, что он делится на дольки, как апельсин. Тогда можно было бы надежно изолировать какую-нибудь часть электрона и измерить ее заряд или массу. Но опыт показывает, что после измерения электрон всегда оказывается "целым и невредимым" в одной единственной точке, несмотря на то, что до этого он успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называют суперпозицией квантовых состояний и описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Э. Шредингером. Модуль значения волновой функции в любой точке, возведенный в квадрат, определяет вероятность найти частицу в этой точке в данный момент. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается (коллапсирует) в ту точку, где частица была обнаружена, а затем опять начинает расплываться. Свойство квантовых частиц быть одновременно во многих состояниях, называемое квантовым параллелизмом , успешно используется в квантовых вычислениях.

Квантовый бит

Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или, сокращенно, кубит (q-бит). Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1 или, как принято в квантовой механике, и. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т.п.

Квантовый регистр

Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в классическом регистре).

К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2 L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2 L -1 и обозначать. Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных значений квантового регистра (в отличие от классического), поскольку существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у большинства возможных значений квантового регистра (за исключением базовых) просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень всего богатства состояний квантового компьютера.

Представьте, что на регистр осуществляется внешнее воздействие, например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены лазерные лучи. Если это классический регистр, импульс, который можно рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных. Если же это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать до переменных. Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен обрабатывать информацию в раз быстрее по сравнению со своим классическим аналогом. Отсюда сразу видно, что маленькие квантовые регистры (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт.

И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить.

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ СЕГОДНЯ

Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности.

Существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты.

И. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул.

Российский исследователь М. В. Фейгельман, работающий в Институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводни ковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце - по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем.

В Физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К. А. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника. Состояния 0 и 1 - положения электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупровод ника. Состояния 0 и 1 - направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.

Таким образом, исследования активно ведутся и можно предположить, что в самом недалеком будущем - лет через десять - эффективный квантовый компьютер будет создан.

ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ

Таким образом, весьма возможно, что в перспективе квантовые компьютеры будут изготавливаться с использованием традиционных методов микроэлектронной технологии и содержать множество управляющих электродов, напоминая современный микропроцессор. Для того чтобы снизить уровень шумов, критически важный для нормальной работы квантового компьютера, первые модели, по всей видимости, придется охлаждать жидким гелием. Вероятно, первые квантовые компьютеры будут громоздкими и дорогими устройствами, не умещающимися на письменном столе и обслуживаемыми большим штатом системных программистов и наладчиков оборудования в белых халатах. Доступ к ним получат сначала лишь государственные структуры, затем богатые коммерческие организации. Но примерно так же начиналась и эра обычных компьютеров.

А что же станет с классическими компью-терами? Отомрут ли они? Вряд ли. И для классических, и для квантовых компьютеров найдутся свои сферы применения. Хотя, по всей видимости, соотношение на рынке будет все же постепенно смещаться в сторону последних.

Внедрение квантовых компьютеров не приведет к решению принципиально нерешаемых классических задач, а лишь ускорит некоторые вычисления. Кроме того, станет возможна квантовая связь - передача кубитов на расстояние, что приведет к возникновению своего рода квантового Интернета. Квантовая связь позволит обеспечить защищенное (законами квантовой механики) от подслушивания соединение всех желающих друг с другом. Ваша информация, хранимая в квантовых базах данных, будет надежнее защищена от копирования, чем сейчас. Фирмы, производящие программы для квантовых компьютеров, смогут уберечь их от любого, в том числе и незаконного, копирования.

Для более глубокого освоения этой темы можно прочитать обзорную статью Э. Риффеля, В. Полака "Основы квантовых вычислений", опубликованную в издаваемом в России журнале "Квантовые компьютеры и квантовые вычисления" (№ 1, 2000 г.). (Кстати, это первый и пока единственный в мире журнал, посвященный квантовым вычислениям. Дополнительную информацию о нем можно узнать в Интернете по адресу http://rcd.ru/qc .). Освоив эту работу, вы сможете читать научные статьи по квантовым вычислениям.

Несколько большая предварительная математическая подготовка потребуется при чтении книги А. Китаева, А. Шеня, М. Вялого "Классические и квантовые вычисления" (М.: МЦНМО-ЧеРо, 1999).

Ряд принципиальных аспектов квантовой механики, существенных для проведения квантовых вычислений, разобран в книге В. В. Белокурова, О. Д. Тимофеевской, О. А. Хрусталева "Квантовая телепортация - обыкновенное чудо" (Ижевск: РХД, 2000).

В издательстве РХД готовится к выходу в виде отдельной книги перевод обзора А. Стина, посвященный квантовым компьютерам.

Следующая литература будет полезна не только в познавательном, но и в историческом плане:

1) Ю. И. Манин. Вычислимое и невычислимое.

М.: Сов. радио, 1980.

2) И. фон Нейман. Математические основы квантовой механики.

М.: Наука, 1964.

3) Р. Фейнман. Моделирование физики на компьютерах // Квантовый компьютер и квантовые вычисления:

Сб. в 2-х т. - Ижевск: РХД, 1999. Т. 2, с. 96-123.

4) Р. Фейнман. Квантово-механические компьютеры

// Там же, с. 123.-156.

См. в номере на ту же тему

Квантовые компьютеры обещают миру гигантскую скорость обработки данных, однако разработать даже простейший «неклассический» экземпляр не так-то просто. Учёные из Йеля сделали ещё один шаг навстречу будущему: им удалось создать двухкубитный твердотельный квантовый процессор и показать, что он способен работать с простейшими квантовыми алгоритмами.

Квантовые свойства частиц позволяют добиться впечатляющих результатов, однако сложно создать квантовый аналог кремниевых устройств из обычных материалов.

Поясним. В классических компьютерах информация зашифрована в виде 0 и 1 (да/нет, включён/выключен). Каждый бит памяти может принимать одно из этих двух значений. Сочетание двух битов может принимать четыре значения 00, 11, 01 или 10.

В случае квантовых битов (кубитов) из-за принципа квантовой суперпозиции в одной ячейке может располагаться как 0, так и 1, а также их комбинация (00, 11, 01 и 10 одновременно) (более подробно мы рассказывали об этом и ). Именно по этой причине квантовые системы могут работать быстрее и с большими объёмами информации.

Кроме того, кубиты могут быть запутаны: когда квантовое состояние одного кубита может быть описано только во взаимосвязи с состоянием другого (в твердотельных системах квантовая запутанность была впервые осуществлена в алмазе). Это свойство квантовых систем используется для обработки информации.

Физикам под предводительством Леонардо Дикарло (Leonardo DiCarlo) из Центра квантовой и информационной физики Йеля (Yale Center for Quantum and Information Physics) впервые удалось создать квантовый твердотельный процессор.

Наконец-то квантовые процессоры стали похожи на обычные компьютерные микросхемы (фото Blake Johnson/Yale University).

Ранее для проведения операций с кубитами необходимо было использовать лазеры, ядерный магнитный резонанс и ионные ловушки, пишут авторы в своей статье , опубликованной в журнале Nature (её препринт также можно найти на сайте arXiv.org).

Но чтобы приблизить появление настоящего квантового компьютера, необходимо создать более простую и менее чувствительную к колебаниям внешних условий машину. Это значит, что одну из основных рабочих частей (процессор) желательно создать из классических твёрдых материалов.

Дикарло и его коллеги занялись именно этим. Они построили устройство, которое оперирует двумя трансмонными кубитами (transmon qubit). Трансмон – это два фрагмента сверхпроводника, соединённых туннельными контактами.

В данном случае процессор представляет собой плёнку сверхпроводящего материала (в его составе присутствует ниобий), нанесённую на подложку из корунда (оксида алюминия). На поверхности вытравлены канавки, ток может туннелировать сквозь них (опять же в силу квантовых эффектов).

Два таких кубита (представляющих собой миллиарды атомов алюминия, находящихся в одном квантовом состоянии и действующих как единое целое) в новом чипе разделены полостью, которая является своего рода «квантовой шиной».

«Наши прежние эксперименты показали, что два искусственных атома можно связать резонансной шиной, которая является передатчиком микроволн», — говорит один из авторов работы Роберт Шёлькопф (Robert Schoelkopf).

Что очень важно — для создания процессора учёные использовали стандартную технологию, применяемую в современной промышленности.

Единственный минус нового чипа – низкая рабочая температура. Для поддержания сверхпроводимости устройство необходимо охлаждать. Этим занимается особая система, которая поддерживает вокруг него температуру чуть выше абсолютного нуля (порядка нескольких тысячных долей кельвина).

Схема двухкубитного устройства из Йеля, наложенная на фотографию процессора. На врезках внизу показаны трансмоны (иллюстрация Nature).

Кубиты эти могут находиться в состоянии квантовой сцепленности (что достигается с помощью микроволн определённой частоты). Как долго сохраняется это состояние, определяет импульс напряжения.

Учёные добились длительности сохранения в одну микросекунду (в отдельных случаях даже три микросекунды), что пока является пределом. Но всего десять лет назад это значение не превышало наносекунды, то есть было в тысячу раз меньше.

Отметим, что чем дольше держится запутанность, тем лучше для квантового компьютера, так как «длительные» кубиты могут решать более сложные задачи.

В данном случае для выполнения двух различных задач процессор использовал квантовые алгоритмы Гровера (Grover"s algorithm) и Дойча - Джоза (Deutsch-Jozsa algorithm). Процессор давал верный ответ в 80% случаев (при использовании первого алгоритма) и в 90% случаев (со вторым алгоритмом).

Кстати, считывание результата (состояния кубитов) также происходит с помощью микроволн: если частота колебаний соответствует той, что присутствует в полости, то сигнал проходит сквозь неё.

«Резонансная частота полости зависит от того, в каком состоянии находится кубит. Если пропускаемое излучение проходит насквозь, значит, он находится в „правильном“ состоянии», — говорит Дикарло.

Данная работа физиков из Йеля (а также учёных из канадских университетов Ватерлоо и Шербрука и технического университета Вены) является несомненно уникальной, однако используемая технология считывания может подкачать в более сложных системах с большим количеством кубитов.

Дикарло считает, что 3-4-кубитовый процессор (на базе данной разработки) будет создан уже в скором времени, но для того чтобы сделать следующий шаг (довести количество кубитов до 10), необходимо совершить не менее значимый прорыв.

«Наш процессор пока может выполнять лишь несколько простейших операций. Но у него есть одно важное достоинство – он полностью электронный и куда больше похож на обычный микропроцессор, чем все предыдущие разработки», — говорит в пресс-релизе университета Шёлькопф.

Джорди Роуз (Geordie Rose), главный директор по технологиям D-Wave Systems, показывает последний квантовый компьютер, построенный в его компании (фото NY Times).

Непонятно только, как новое достижение соотносится с продуктами компании

Каждый желающий может воспользоваться квантовым компьютером May 14th, 2016

Помните недавний случай, когда Джастин Трюдо (Justin Trudeau) своей вдохновенной речью вызвал аплодисменты удивлённых журналистов и учёных во время, казалось бы, заурядной пресс-конференции.

Между тем, всё начиналось вполне безобидно: премьер выступал в Институте теоретической физики в Ватерлоо, провинция Онтарио (Perimeter Institute in Waterloo, Ontario), озвучивая намерение правительства увеличить финансирование этого научного центра.

Когда настало время вопросов из зала, один из журналистов предложил главе правительства объяснить принцип действия квантового компьютера.

Джастин начал так: «Несомненно, многие из вас умнее меня, но я точно знаю, что...

Обычные компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока), а квантовые - более комплексные машины, способные обрабатывать намного больший объём информации за один бит, чем обычные компьютеры. К тому же, квантовые компьютеры куда компактнее обычных собратьев».

Далее он подытожил: «Таким образом, в обычных компьютерах информация хранится в битах, а в квантовых - в кубитах. Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу, благодаря чему в теории квантовый компьютер может работать быстрее».

После того, как он закончил свой рассказ о принципах действия квантового компьютера, зал аплодировал ему стоя.

А что мы сегодня знаем по теме квантового компьютера?

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики, которую по праву можно назвать самым сложным разделом физики. Квантовая механика зародилась в начале 20-ого века, и изучает поведение квантовых систем и ее элементов. Квантовая частица может находиться в нескольких местах и состояниях одновременно, поэтому по определению квантовая механика полностью противоречит общей теории относительности. Но давайте не будем углубляться в науку, а вернемся к нашей главной теме — квантовому компьютеру.

В начале века выяснилось, что использование электрических схем для создания вычислительных устройств имеет свои границы, и все они практически были достигнуты. Сейчас же перед человечеством встают все новые и новые задачи, для решения которых классических компьютеров будет недостаточно. Самый простой пример такой задачи — это разложение больших чисел на множители. Для этой цели было построено большинство криптографических систем. Это покажется банальным но, если бы кому-то удалось быстро разложить большое число на простые множители, то для него стали доступны транзакции во всех банках мира.

Другая не менее важная задача, с которой современные компьютеры никогда не смогут справиться — это моделирование квантовых систем и молекул ДНК. Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание квантовых компьютеров — весьма перспективное решение, которое позволит решить эти и многие другие проблемы.

В настоящее время IBM пытается сделать что-то подобное: компания привлекает внимание обывателей к своему проекту, ведь её специалисты ведут разработку вычислительного устройства и высокоуровневого языка программирования для этого вида компьютеров. Они приглашают всех желающих поучаствовать в их работе.

Компания заявила о запуске первого облачного сервиса на основе экспериментального квантового процессора. Новая платформа называется Quantum Experience.

Предполагается, что онлайн-сервисом смогут пользоваться все желающие: студенты, энтузиасты-любители и даже серьёзные учёные. В настоящее время, чтобы получить доступ к облаку, необходимо подать заявку и получить допуск (его ещё могут и не дать!). Только получив допуск, пользователи смогут запускать алгоритмы и тесты. Словом, работать с кубитами.

Цель программы Quantum Experience - более детальное изучение возможностей платформы на базе 5-кубитного процессора и поиск новых способов применения квантовых вычислений. По сути, компания даёт в руки инструмент и возможности, а как их использовать, пользователь определяет уже сам.

«Прежде всего, это исследовательская программа, но мы не исключаем, что она может стать основой для создания действующего квантового компьютера». - Джерри Чоу (Jerry M. Chow), руководитель Группы по разработке экспериментального квантового компьютера при Исследовательском центре им. Томаса Уотсона (Experimental Quantum Computing Group at the IBM Thomas J. Watson Research Center).

В настоящее время компьютер в нью-йоркском исследовательском центре состоит из пяти кубитов, то есть квантовых битов. Однако, по словам специалистов IBM, эта «машина» ещё пока не способна заменить традиционные компьютеры.

В то же время они верят, что когда-нибудь им удастся создать 100-кубитный квантовый процессор, который будет способен обрабатывать широкий спектр алгоритмов, чтобы решать практически любые вычислительные задачи.

Элементная база квантового компьютера, созданного в IBM - вычислительные элементы (кубиты), выполненные из материала, обладающего свойством сверхпроводимости при температуре, близкой к 0°С.

Кроме того, вероятно, инженеры IBM нашли способ изолировать от внешних воздействий квантовую систему, которая используется в их устройстве, ведь необходимо, чтобы она сохраняла состояние квантовой когерентности достаточно длительное время, не меняя бесконтрольно своё квантовое состояние (когерентность - свойство компьютерных систем, в которых два или более процессора или ядра имеют доступ к общей области памяти).

Зачем всё это нужно?

У вас вполне может возникнуть резонный вопрос: для чего всё это вообще нужно? Дело в том, что, как полагают некоторые эксперты, использование квантового регистра для произведения расчётов, позволит значительно ускорить процесс обработки данных по сравнению с обычным регистром.

Таким образом, физическая реализация этой концепции, т.е построение квантового компьютера в виде реального физического прибора, является фундаментальной задачей современной физической науки.

Также необходимость в квантовом компьютере обусловлена надобностью проведения исследований методами физики сложных многочастичных систем, например, биологических.

Что касается целей IBM, то им это нужно, чтобы не потерять инициативу в борьбе с конкурентами на рынке инновационных технологий. Так, по словам представителей компании, со временем они выпустят онлайн-интерактивные пособия, чтобы помочь потенциальным заказчикам понять, чем квантовая система отличается от двоичной.

Что такое квантовый компьютер?

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году.

Принцип действия квантового компьютера: вычислительное устройство использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных, а его регистр основан на использовании кубита (квантового бита) - наименьшего разряда или наименьшего элемента для хранения информации в квантовом компьютере.

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний, то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех базисных состояниях. Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией данных».

Квантовую суперпозицию можно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени или не подвергнуться. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: «распад» и «не распад», но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние - «распада» - «не распада», то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется суперпозицией».

Архитектура квантовых компьютеров

Любая классическая двухуровневая система, впрочем, как и квантовая, имеет основное (0) и не основное (1) базисные состояния. Примером классической двухуровневой системы является известный в микроэлектронике инвертор, осуществляющий операцию «НЕ»: в зависимости от того, заняты ли эти состояния с вероятностями, получаются логические состояния «0» или «1».

Таким образом, обычные компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока), а квантовые - более комплексные машины, способные обрабатывать намного больший объём информации за один бит, чем обычные компьютеры.

Совокупность квантовых приборов, используемых для построения квантовых информационных систем, можно назвать квантовой элементной базой, т.е. компьютером.

Отмечу, что по сравнению к квантовыми процессорами, элементная база современных информационных систем построена на лампах, транзисторах, фотоэлементах, являющихся классическими, в том смысле, что их параметры (ток, напряжение, излучение) являются классическими величинами (величины классической механики).

Классическая механика хорошо описывает системы макроскопических масштабов (то, с чем «имеют дело» обычные процессоры), но не способна описать все явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов.

В то же время квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред и других систем с электронно-ядерным строением, «поведение» которых является «движущей силой» квантового процессора.

Исправление ошибок — основная проблема квантовых компьютеров

Ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два главных уровня. Ошибки первого уровня присущи всем компьютерам, в том числе и классическим. К таким ошибкам относится непроизвольная смена кубитов из-за внешнего шума (например: космических лучей или радиации). С этой проблемой недавно удалось справиться специалистам из компании Google. Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулианом Келли создала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Остальные кубиты отвечают за сохранность информации, таким образом, сохраняя ее дольше, нежели с использованием единичного кубита. Однако основная проблема никуда не делась, остается второй уровень ошибок.

Кубиты изначально по своей природе нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Чтобы избавиться от этого, квантовый процессор нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов. Как это сделать? — пока остается загадкой. По словам экспертов, 99% мощности такого компьютера уйдет на исправления ошибок, и лишь 1% хватит для решения любых задач. Конечно, от ошибок не удастся избавиться полностью, но если минимизировать их до определенного уровня, квантовый компьютер сможет работать.

Кто ещё работает в этом направлении?

Платформа IBM не первый квантовый компьютер, доступный в сети для всех желающих. Так, меньше года назад, Google создала собственную лабораторию, которая занимается разработкой квантового компьютера на сверхпроводниках. Промежуточным результатом работы её специалистов стало создание онлайн-сервиса «Quantum Computing Playground», который является аналогом облака IBM.

источники