Компьютерра - Журнал Компьютерра №705

Важный алгоритм для измерения шумов, искажающих вычисления квантовых компьютеров, предложили ученые из Университета Ватерлоо (Канада) и Массачусетского технологического института. Благодаря этой работе станут возможными практические измерения шумов и сравнение различных реализаций квантовых вычислительных и коммуникационных систем.

Как известно, главный бич квантовых вычислений, пока ставящий под большое сомнение их практическую осуществимость, это декогеренция, или разрушение нежных квантовых состояний вследствие теплового шума. С этим явлением всячески борются как за счет применения алгоритмов коррекции ошибок, так и совершенствуя физические реализации квантовых компьютеров, но пока безуспешно. Мало того, сравнить различные квантовые компьютеры по уровню шума не представлялось возможным. А ведь физические механизмы и источники шумов, а также их влияние на вычисления в квантовых компьютерах на фотонах, захваченных ионах, ядерных спинах или полупроводниковых квантовых точках сильно разнятся. Как же их сравнить и какое направление развивать?

Теоретически шум в квантовом компьютере можно честно измерить с помощью так называемой томографии квантовых процессов. Но для такой процедуры надо определить все возможные конечные состояния квантового компьютера при всех возможных начальных состояниях. То есть для квантового компьютера из N кубит придется сделать около 24N измерений, и даже для скромного прототипа квантового компьютера из восьми кубит потребуется более четырех миллиардов замеров, что практически невозможно.

Канадские ученые обратили внимание на то, что, как правило, квантовые компьютеры содержат несколько (в перспективе много) одинаковых кубит, то есть система обладает определенным набором симметрий. А это значит, что симметричными должны быть и свойства шума и для его описания можно использовать меньше параметров. Так родилась идея симметризации, позволяющая заменить проверку на полном наборе начальных состояний проверкой реакции квантового компьютера только на определенный набор входных данных. Например, в случае компьютера из трех кубит достаточно измерить вероятности того, что ни один или ни два кубита "не испортились" в процессе вычислений. Измерения проводятся несколько раз, пока измеренные вероятности ошибок не достигнут необходимой точности. Число таких измерений медленно, как полином, растет с увеличением числа кубит, то есть методика применима даже для больших квантовых систем.

Предложенная процедура была экспериментально проверена на системе из трех кубит квантовой памяти, реализованной с помощью технологии ядерного магнитного резонанса. Подобные измерения можно проводить с любыми типами квантовых вычислительных устройств. Предложенный канадцами метод произвел большое впечатление на специалистов, получивших мощный инструмент для отладки и сравнения квантовых компьютеров. Следующим, по-видимому, станет ионный квантовый компьютер из восьми кубит, собранный в Инсбрукском университете (Австрия). ГА

Новый рекорд разрешения для электронного микроскопа установила команда специалистов из США и Германии. Потребовалось три года напряженной работы, прежде чем просвечивающий сканирующий электронный микроскоп с коррекцией аберраций добрался до пяти сотых нанометра с предыдущих семи.

В просвечивающем электронном микроскопе (TEM) пучок электронов в вакууме фокусируется на тонком образце, а набор детекторов регистрирует порождаемые при их взаимодействии электроны и рентгеновское излучение. Если пучок сделать достаточно узким и добавить устройство для перемещения образца, то такой микроскоп можно превратить в сканирующий. Высокого разрешения этим приборам мешают добиться сферические и хроматические аберрации - искажения, которые очень похожи на аберрации в оптике. Они возникают из-за того, что пролетающие на разном расстоянии от оси микроскопа электроны фокусируются в разных точках оси, а хроматические аберрации обусловлены разбросом в скорости полета электронов. И если в оптике с подобными искажениями научились бороться давно, вплотную подойдя к дифракционному пределу разрешения микроскопов в половину длины волны, то в электронной микроскопии все гораздо сложнее. Дело в том, что создаваемые внешними полями электронные линзы с цилиндрической симметрией принципиально не могут избавиться от этих аберраций. К тому же очень трудно обеспечить и одинаковую скорость движения электронов. Поэтому обычное разрешение электронного микроскопа отличается примерно в сто раз от длины волны электрона.

Для исправления сферических и хроматических аберраций в электронных микроскопах приходится отказываться от цилиндрической симметрии полей и применять для коррекции поля с очень сложной геометрией, создаваемые квадруполями, гексаполями и более изощренными системами. Но сложные поля трудно поддерживать с нужной точностью, и в них повышается вероятность развития всевозможных электронных и электромеханических неустойчивостей. Вот почему каждый новый шаг в повышении разрешения электронных микроскопов дается со все большим трудом. А эти приборы часто нечем заменить, поскольку популярные сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы не могут заглянуть под поверхность образца; есть существенные ограничения и у других методов микроскопии.

"Рекордная" установка была создана на базе серийно выпускаемого самого мощного электронного микроскопа Titan фирмы FEI. К нему, при поддержке исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, была добавлена система исправления аберраций немецкой компании CEOS. Теперь ученые могут разглядеть каждый отдельный атом и достаточно точно измерить расстояние между ними. ГА

Любопытную технологию, которая, быть может, позволит компьютерам легко "считывать" наши мысли и чувства, разрабатывают сегодня в американском Университете Тафта. Если проект окажется успешным, то достаточно будет надеть на голову недорогой шлем с инфракрасными светодиодами и фотоприемниками, чтобы наладить неформальный диалог с машиной.

Новую технологию чтения мыслей и чувств называют функциональной спектроскопией в ближней инфракрасной области (fNIRS). Она работает примерно так же, как и хорошо себя зарекомендовавшая функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI). Этот метод позволяет по изменению количества кислорода в гемоглобине крови судить о возбуждении или покое нейронов тех или иных областей головного мозга. Отличие в том, что в новом методе не нужен сложный и дорогой томограф. Наши ткани полупрозрачны для инфракрасного излучения, но определенные длины волн хорошо поглощаются гемоглобином. Слабый свет инфракрасных светодиодов шлема проникает на несколько сантиметров в мозг и там поглощается и рассеивается. Регистрируя это излучение, можно определить, в какой области мозга нейроны в данный момент возбуждены. Остается только обучить компьютер правильно реагировать на те или иные возбуждения.