КВАНТОВЫЙ НАНО КОМПЬЮТЕР

Квантовый компьютер (англ. A
quantum computer) — гипотетическое
вычислительное устройство, которое
путем выполнения квантовых
алгоритмов существенно использует
при работе квантовомеханические
эффекты, такие как квантовый
параллелизм и квантовая
запутанность.

В канун XX века 14 декабря 1900 года немецкий физик и будущий нобелевский
лауреат Макс Планк доложил на заседании Берлинского физического общества о
фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения. Этот день
считается днем рождения квантовой теории.

Уже в 1925 году В.Гайзенберг предложил матричный вариант квантовой механики, а
в 1926 году Э.Шредингер сформулировал свое знаменитое волновое уравнение для
описания движения электрона во внешнем поле. Ф.Блох в 1928 году, показал, что
электронный энергетический спектр в кристаллическом твердом теле имеет зонную
структуру. Это привело к существенным изменениям наших представлений о
Природе вообще и о твердом теле, в частности.
К 1930 году было установлено, что в отличие от металлов, для полупроводников, как и
для диэлектриков, характерно наличие в зонном энергетическом спектре
запрещенной зоны между потолком наиболее высоко лежащей заполненной зоны
и дном самой нижней пустой зоны,
Таким образом, выяснилось, что характерные для полупроводников свойства
обусловлены зонным характером электронного энергетического спектра, то есть
являются проявлением квантовых свойств твердого тела.Интерес к этим переходам
стал возрастать с тех пор, как Б.И.Давыдов в 1938 году опубликовал первую теорию
явлений выпрямления и возникновения фотоэдс в таких переходах.




Квантовая механика описывает взаимодействие в природе на
фундаментальном уровне. Использование этих принципов для
построения квантового компьютера означает не только переход на
наноуровень; всё должно охлаждаться достаточно сильно, чтобы
квантовые эффекты проявили себя. Именно поэтому D-Wave
охлаждает систему Orion до температуры в 250 раз холоднее, чем
межзвёздное пространство (вернее, чем спектр энергий частиц
реликтового излучения - он такой же, как излучение тела с такой
температурой).
В прошлом году компания собрала 16-кубитовый квантовый компьютер,
который основатель и генеральный технический директор Джорджи Роуз
(Geordie Rose) назвал самым мощным квантовым компьютером, когда
либо построенным, и первым, который может запускать коммерческизначимые приложения. В этом году компьютер стал 28-кубитовым, он
умеет распознавать фотографии известных достопримечательностей и, возможно, вскоре вы столкнётесь с работой этого компьютера в
Интернете
Теоретических моделей квантового компьютера множество. Проблема,
скорее, в том, чтобы найти разумные пути создания реального прибора.
Существует как минимум два подхода к осуществлению идеи такого
устройства. Ученые, сами того не предполагая, уже создали квантовый
компьютер. Его первый «опытный образец» — это импульсный ядерный
магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения.
Спины ядер, входящих в состав атомов, в свою очередь образующих
исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу — это Q-биты, единицы
измерения квантовой информации. Каждое ядро имеет свою частоту
резонанса в данном магнитном поле. При воздействии импульсом на
резонансной частоте одного из ядер оно начинает эволюционировать,
остальные же ядра «молчат». Для того чтобы заставить эволюционировать
второй атом, надо взять другую частоту и дать импульс на ней. Иными
словами, процесс вычислений управляется импульсами переменного
магнитного поля, — нужно только написать алгоритм поставленной
задачи. Например, 1000 в степени 3 (то есть миллиард) операций в
алгоритме Шора для 1000-разрядного числа — это миллиард
воздействий на отдельные спины и на их пары. При этом в молекуле есть
прямая связь между спинами, и поэтому она является идеальной
заготовкой для квантового компьютера, а сам спектрометр — просто
готовый «процессор» для этого компьютера. Однако в настоящее время
удается работать с системами с общим числом спинов не более пятисеми, в то время как для решения полномасштабных задач их
необходимо порядка 1000. Подобного рода работы в России не ведутся,
ибо, как считают наши ученые, принципиально невозможно увеличить
количество спинов до требуемого числа.
Другой подход основан на использовании ионных ловушек, или
«подвешенных» в вакууме ионы. За изобретение ионных ловушек ученому
Боннского университета Паулю в свое время была присуждена
нобелевская премия. Еще одна нобелевская премия за изобретение
методов лазерного охлаждения атомов в газе и ионов в ловушке
досталась в прошлом году двум американцам и одному французу, что,
кстати, вызвало резкую критику со стороны отечественных ученых,
считающих, что приоритет в данной области принадлежит России. Эти
ионные ловушки удалось «растянуть» и получить одномерный ионный
кристалл, удерживаемый и в осевом, и в радиальном направлении
внешними полями. У каждого иона кристалла берутся два уровня энергии
— это один Q-бит; между собой эти ионы связаны через колебания внутри
одномерного кристалла, который имеет набор резонансных частот.
Больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с
использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского
университета в Австрии, а осуществили их больше всего ученые из ЛосАламосской лаборатории в США. И оказалось, что больших кристаллов
не удается получить, на сегодняшний день получена цепочка из 30 ионов.
Но дальнейший прогресс в увеличении числа ионов связывают с
созданием трехмерной лазерной стоячей волны — трехмерной
совокупности точек с минимумами потенциальной энергии для
поляризованных атомов. Иными словами, это трехмерная решетка,
которая уже хорошо изучена; изучена также и методология лазерного
охлаждения, и поэтому сейчас стоит задача в каждый минимум
«положить» атом, его охладить, чтобы он не «вылезал» оттуда, и начать с
ним работать. Конечно, в этом направлении очень много работы, но само
направление, безусловно, верное.
И третий подход — квантовый компьютер на твердом теле. Это
могут быть сверхпроводники, как предлагают ученые из
Института Ландау. Мы же предпочитаем подход, который в
позапрошлом году высказал австралийский физик Кейн: делать
квантовый компьютер точно на том кремнии, на котором
сегодня работает традиционная микроэлектроника. В нужных
местах на расстояниях порядка 100 ангстрем располагают
атомы фосфора — обычная примесь в кремнии, которая
прекрасно изучена. Если на таком расстоянии расположить два
атома фосфора, то облака внешних электронов немного
пересекутся, что необходимо для их взаимодействия, и атомы
смогут обмениваться состояниями. Один атом управляет
электронами другого. Над этими атомами делаются 50ангстремные электродики, и с помощью напряжения на этом
электроде меняют резонансную частоту спина ядра атома
фосфора. Очень похоже на полевой транзистор — как бы те же
затворы, только вместо тока — состояния атома. Мы предложили
работать не на одном атоме, а на серии атомов; под этими
электродами должна быть последовательность атомов, чтобы
они действовали параллельно, тогда сформируется
относительно больший сигнал, который легче регистрировать.
У квантового компьютера будет, возможно, и квантовый канал связи, основанный
на эффекте, который называется «квантовая телепортация». Принцип квантовой
телепортации основан на эффекте запутывания квантовых состояний двух частиц,
который анализировался еще в 1935 году Эйнштейном — Подольским — Розеном.
Запутанные состояния возникают при взаимодействии двух квантовых частиц и
последующем их разъединении; при этом они оказываются в некоем
«запутанном» состоянии, в котором состояние первой частицы строго
коррелировано с состоянием второй. Существуют физические приборы для
измерения подобных квантовых систем; например, в системе двух спинов, если
один из них будет обнаружен в одном состоянии, то другой всегда будет в
состоянии, диктуемом корреляцией, хотя давно с ним и не взаимодействует. То
есть подобные корреляции были заложены именно в момент взаимодействия,
после чего частицы были пространственно разъединены. Таким образом,
квантовый канал связи — это генератор коррелированных пар и разнесенные в
пространстве квантовые частицы. Естественно, при этом сохраняется
информация, которая была заложена в момент корреляции; этим можно
пользоваться для составления протокола квантовой телепортации. Если имеется
квантовая поделенная пара, квантовый канал связи и телефонный канал связи, то
можно взять третью квантовую частицу в неизвестном квантовом состоянии и
передать его от одного участника связи другому. Для этого нужно «заставить» ее
провзаимодействовать с той частью поделенной пары, которая находится у
«передающего».
Сейчас в исследования этой области вкладываются десятки
миллионов долларов. Конечно, это даже нельзя сравнивать с теми
деньгами, которые идут на разработку традиционных компьютеров
и даже в исследования по нанотехнологиям. Но на данном этапе
огромных денег и не требуется. Установка ядерно-магнитного
резонанса стоит порядка миллиона долларов. Установки с
вакуумными ловушками, с лазерным охлаждением — то же самое.
Пока над квантовыми вычислениями работают небольшие
коллективы, пусть даже в лабораториях таких гигантов, как IBM и Intel.
Много экспериментов проводится в крупных центрах, особенно в
Лос-Аламосе, в университетах по всему миру: в Инсбруке
(Австрия), Бонне (Германия), в США. Грантов всем хватает. В этом
году американское правительство объявило неограниченный набор
специалистов для работы по квантовым вычислениям. Им обеспечен
вид на жительство и различные льготы. У нас в стране, конечно,
аналогичных программ поддержки нет, но исследовательские
работы ведутся во многих местах, например в МГУ, Институте
Ландау, у нас, в Физико-технологическом институте.



Компьютеры на квантовом принципе в решении некоторых задач имеют
огромное преимущество по сравнению с классическими.
Преимущество в скорости и эффективности достигается за счёт того,
что все квантовые биты находятся в состоянии, являющимся
суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы
касается всех состояний одновременно. Более того, логика квантовой
информации часто отклоняется от интуитивной и преподносит
некоторые неожиданные эффекты.
Природа "квантового запроса" позволяет использовать корпускулярноволновой дуализм (в данном случае фотонов), вычисляя область
пространства, даже не заходя в него. И при помощи двух спаренных
оптических интерферометров, расположенных внутри третьего,
команда Квиата добилась успеха в получении решения, взяв за основу
алгоритм поиска Гровера в неупорядоченной четырёхэлементной базе
данных. Используя фотон в квантовой суперпозиции, учёные получали
ответ, не запуская алгоритм поиска. Так же, они теоретически
обосновали, как получить решение без старта вычислений при помощи
эффекта Зено.
До использования квантовых компьютеров в промышленном масштабе
ещё далеко. Они пока не способны решить достаточно сложную задачу
и имеют высокую уязвимость. Однако, уже существуют коммерческие
образцы систем подобного рода для узкоспециальных задач, таких,
например, как криптография.
К сожалению, построить квантовый компьютер чрезвычайно
трудно. В качестве кубитов обычно выступают определенные
квантовые свойства атомных ионов или электронов,
удерживаемых в ловушках. Но их состояния суперпозиции
неимоверно хрупки и разрушаются при малейшем
взаимодействии с окружающей средой, в том числе с
материалами, из которых сделан сам компьютер. Когда
кубиты недостаточно тщательно изолированы, внешние
возмущения приводят к ошибкам в вычислениях, поэтому
большинство исследователей сосредоточивает свои усилия
на минимизации взаимодействия кубитов с окружающей
средой. Если частоту ошибок удастся снизить до одной на 10
тыс. шагов, то распад отдельных кубитов можно будет
компенсировать с помощью алгоритма исправления
ошибок. Создание работоспособной машины с большим
числом хорошо изолированных кубитов и столь низкой
частотой ошибок — тяжелая задача, до решения которой
физикам еще очень далеко