Н.В.СУХОЧЕВА,
школа-интернат № 1 для детей-сирот, г. Воронеж
shk-internat@yandex.ru

Квантовые компьютеры

На законах квантовой механики можно создать принципиально новый тип вычислительных машин, которые позволят решать задачи, недоступные самым мощным современным суперкомпьютерам. Резко возрастёт скорость вычислений; сообщения невозможно будет ни перехватить, ни скопировать. Для таких компьютеров задача факторизации (разложения на множители) не составит большого труда. По оценкам, квантовый компьютер с памятью объёмом всего лишь около 10⁴ кубитов (квантовых битов) способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!

Теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки только к середине 1990-х гг. Первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики американский математик Джон фон Нейман. Однако в то время ещё не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия учёных оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку новых элементов для них.

В 1960-е гг. американский физик Р.Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления — это некоторый физический процесс, и чтобы понять пределы наших вычислительных возможностей, надо уточнить, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди учёных господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам. По мере распространения компьютеров учёные пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например, молекулы метана (СН₄). 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 её будущее, даже если система состоит лишь из тридцати 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 тридцатью электронами, поместив их в заданные потенциалы и начальное состояние. Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлёк лауреат Нобелевской премии по физике Р.Фейнман.

И всё же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 г. американский математик П.Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел. По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора даёт многократное ускорение вычислений, причём выигрыш в скорости тем значительнее, чем длиннее факторизуемое число.

Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьёзная 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 П.Шор наметил в 1995 г., разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции ошибок в них.

Квантовые методы выполнения вычислительных операций, передачи и обработки информации уже начинают реализовываться в реально функционирующих экспериментальных устройствах, что стимулирует активные усилия по созданию квантовых компьютеров. Принципиальная схема работы любого квантового компьютера может быть представлена следующим образом. Основной его частью является квантовый регистр – совокупность некоторого числа L кубитов. Прежде чем вводить информацию в компьютер, надо организовать в регистре систему координат, в которой мы будем записывать числа. Сначала отдельные кубиты регистра переводят в основные базисные состояния. Эта операция называется инициализацией – подготовкой начального базисного состояния регистра. Далее подготавливают остальные базисные состояния и получают полную систему ортогональных базисных состояний 2^L-мерного гильбертова пространства. Для этого каждый кубит подвергают селективному воздействию (например, с помощью импульсов внешнего электромагнитного поля, управляемых классическим компьютером).

При вводе информации конкретной задачи состояние входного регистра преобразуется (с помощью соответствующих импульсных воздействий). Далее информация обрабатывается квантовым процессором, который выполняет последовательность логических операций – унитарное преобразование, действующее на состояние всего регистра. В результате исходное квантовое состояние становится новой суперпозицией, – это и есть результат на выходе компьютера.

Главная проблема, стоящая перед создателями квантовых компьютеров, – борьба с потерей когерентности квантовых состояний, так называемой декогерентизацией, обусловленной взаимодействием кубитов с окружающей средой, помехами в процессе выполняемых вычислительных операций и случайными ошибками разного рода. Для её разрешения в настоящее время интенсивно разрабатываются различные методы.

В экспериментальном плане сейчас активно развиваются два направления развития элементарной базы будущих квантовых компьютеров. В одном в качестве квантовых регистров предполагается использовать цепочку кубитов из ионов или нейтральных атомов с двумя низколежащими колебательными уровнями, удерживаемых в силовых ловушках в вакууме при температурах порядка 10^–6 К (такие сверхнизкие температуры достигаются с помощью лазерного охлаждения). В другом кубитами служат атомы с ядерными спинами I = 1/2, принадлежащие молекулам органических жидкостей. Данные объекты привлекательны тем, что практически независимые молекулы-компьютеры действуют параллельно, одновременно. Управлять ими можно при комнатных температурах с помощью операций над большим ансамблем молекул, хорошо известных в технике ядерного магнитного резонанса.

Опытные образцы квантовых компьютеров уже существуют. Правда, пока что лишь c регистрами всего из нескольких кубитов. Текущая задача состоит не в том, чтобы построить универсальный квантовый компьютер, а в том, чтобы перейти от экспериментов, в которых наблюдаются квантовые явления, к экспериментам, где ими можно управлять. Некоторые вехи в развитии квантовой компьютерной технологии представлены в таблице.

Экспериментальные и теоретические исследования квантовых вычислений в настоящее время привлекают всё возрастающее внимание как со стороны академических исследователей, так и со стороны индустрии. Идея о том, что природу можно контролировать и управлять ею на квантовом уровне, является мощным стимулом для развития воображения физиков и инженеров. Почти ежедневно приходят сообщения о разработке всё более обещающих технологий, в которых реализуются квантовые вычисления, и новых квантовых алгоритмов, имеющих различные преимущества перед своими классическими аналогами. Будущий квантовый компьютер не заменит классический компьютер, скорее всего он будет играть роль специального процессора, встроенного в обычную вычислительную систему, которому будут поручаться типично квантовые задачи.

Литература

Валиев К.А. Успехи физических наук, 1999, т. 162.
Валиев К.А. Вестник РАН, 2000, т. 70, № 8.
Валиев К.А., Кокин А.А. От кванта к квантовым компьютерам. – Природа, 2002, № 12.
Валиев К.А., Кокин А.А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. – М.: Ижевск, 2001.
Физика квантовой информации: квантовая криптография, квантовая телепортация, квантовые вычисления. Под ред. Боумейстера Д., Экерта А., Цайлингера А. Пер. с англ. Кулика С.П., Цайлингера А. Под ред. Кулика С.П. и Шманова Т.А. – М.: Постмаркет, 2002.
http://aakokin.chat.ru .
http://elementy.ru/news .
http://qi.cs.msu.su .
http://ics.org.ru .
http://nature.web.ru .

ОТ РЕДАКЦИИ. В статье описан оптимистический сценарий событий, однако положение дел не столь блестяще, трудности пока слишком велики.