Александр Харс - Я познаю мир. Компьютеры и интернет

Правда, в то время странная идея молодого ученого не вызвала особого энтузиазма у его коллег. Однако когда через два года о заманчивых перспективах «квантовых вычислений» заговорил такой мировой авторитет, как Ричард Фейнман, исследователи спохватились. Ведь ученый привел достаточно убедительные аргументы в пользу того, что квантовые вычислительные системы не только возможны, но и благодаря принципу суперпозиции состояний битов окажутся гораздо мощнее классических. Он показал, что один квантовый компьютер (цепочка квантовых битов) сможет работать как комбинация очень большого числа классических компьютеров, производящих вычисления одновременно.

Квант света – фотон – переводит атом водорода, выступающий в роли триггера, из спокойного состояния («0» ) в возбужденное («1» )

После этого данной областью исследований заинтересовались сразу многие ученые. Работа закипела. И в 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета обнаружил, что некий «квантовый алгоритм» для некоторых задач действительно ускоряет счет, причем в фантастическое число раз!

Правда, в то время все эти рассуждения выглядели достаточно умозрительно – ни конкретных алгоритмов, ни технологичных вариантов реализации квантового компьютера в «железе» тогда никто не предложил.

Но прошло менее 10 лет, и в 1994 году исследователь Питер Шор, работавший в компании «Белл Лабораториз», придумал первый реально действующий квантовый алгоритм. С его помощью оказалось возможным взламывать так называемые шифры с открытым ключом. Это известие, как уже говорилось, вызвало обеспокоенность у наших спецслужб. А американские военные из Агентства перспективных исследований Министерства обороны США так прямо качали финансировать исследования по данной теме.

И ото принесло свои результаты. Вскоре российскому физику Алексею Катаеву, работающему в корпорации «Майкрософт», удалось модернизировать шоровский алгоритм. А еще через два года коллега Шора из тей же «Белл Лабораториз» Лов Ювер показал, что квантовые вычисления гораздо эффективнее классических не только при взломе шифров, но и во многих других случаях.

В общем, уже никто не сомневался, что компьютер, считающий по законам квантовой механики, – новый этап в эволюции вычислительных устройств. Дело оставалось за малым – надо было создать это чудо техники.

Поначалу вперед выступили опять;таки теоретики. Американский физик Вен Шумахер ввел в обиход понятие «квантовый бит» или «кубит». Подобно классическому биту информации, кубит теоретически может быть реализован, например в атоме, который находится в принципе в одном из двух энергетических состояний – возбужденном или спокойном.

Главное препятствие на пути построения квантового компьютера – так называемое время декогерентности, в течение которого заданное квантовое состояние разрушается.

Поэтому при выборе той или иной технологии прежде всего принимается во внимание число «шагов вычисления», которое можно успеть совершить, пока процесс не будет разрушен. К этому моменту результат вычислений должен быть «снят» и «переброшен» в другую ячейку или вообще в другой квантовый компьютер.

Схема работы логических устройств в квантовом компьютере. Логическая схема «нет» создает на выходе единицу , если на ней был ноль , и наоборот. В квантовом компьютере ее роль может выполнять атом с двумя энергетическими уровнями. Для копирования сигнала необходима пара атомов А и В. Атом В находится в основном состоянии (0),аА либо в основном , либо в возбужденном (1). Из–за близкого соседства атомов их состояния связаны и влияют друг на друга. Поэтому , когда А соответствует 1 , В поглощает фотон и совершает переход 0→1. На выходе схемы появляются две единицы . Если же оба атома А и В находятся в основном состоянии , поглощения энергии не происходит , их состояние не меняется , и на выходе возникает пара нолей

Схема работы логического устройства в квантовом компьютере . Операцию «и» осуществляет логическая схема из трех атомов двух «сортов» – А, В, А. Атом В , «зажатый» между двумя атомами А, находится в основном состоянии , а возможность его возбуждения определяется энергетическим состоянием соседей. Он способен поглотить фотон с переходом 0→1, только если оба атома А находятся в состоянии 1. Если хотя бы один из них имеет нулевое состояние , на выходе схемы окажется ноль

Например, система на ядерных спинах успевает совершить «всего» 10 млн шагов вычислений. (Причем «спин» в данном случае характеристика атома, показывающая, насколько быстро он вращается вокруг собственной оси.)

А вот для системы с так называемой ионной ловушкой время декогерентности измеряется уже числом 1013 шагов.

Вслед за теоретиками за дело взялись и экспериментаторы.

Интересно, что технологию счета ка ядерных спинах они окрестили «компьютером в чашке кофе», так как первый в истории кубит па ее основе был реализован с помощью молекул горячей жидкости.

В 1997 году была построена модель квантового компьютера на двух кубитах. Группа исследователей из «ИБМ», Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли использовала для этого молекулы хлороформа.

Тут же выяснилось, что у технологии есть существенный недостаток: построение компьютера хотя бы из десятка таких кубитов требует охлаждения молекул до температур, всего на тысячные доли градуса отличающихся от абсолютного нуля (–273 градуса по Цельсию). А где взять такой холодильник?..

Атомные или ионные ловушки выглядят более технологично благодаря недавно разработанному методу охлаждения и пленения атомов лазерным лучом. Кубитом здесь служит атом или ион, который помещают в ловушку (изолируют и «подвешивают» с помощью электромагнитного поля или лазерного луча) и обстреливают лазерными импульсами. Управляя частотой и длительностью импульсов, можно организовать переходы пойманного атома из одного состояния в другое, то есть «считать на энергетических уровнях».