Журнал Наука и Техника (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 08 (15)

Лотарь

Карл Лысыйна престоле приветствует монахов, принесших ему рукопись.

«Война трех братьев» закончилась в 843 г. договором, заключенным в печально известном городе Вердене, том самом, где дед Лотаря, Людовика и Карла устроил кровавое избиение пленных саксов, не пожелавших принять христианство. Иногда день заключения Верденского договора образно называют Днем рождения Европы. По нему Лотарь получил Италию и широкую извилистую полосу земель, тянущуюся через весь Европейский континент, от Аппенинского полуострова до Северного моря. Карл получил все земли к западу от этой полосы, Людовик— к востоку. Так впервые наметились границы будущих государств. Владения Карла стали основой будущей Франции, Людовика — Германии. Что касается земель Лотаря, то Италия, в какое бы государственное образование она не входила, всегда была довольно обособлена, а искусственно выкроенная полоса, вплоть до новейших времен была предметом соперничества Франции и Германии. Спор за Лотарингию (королевство Лотаря) стал одной из причин Франко-Прусской войны 1870 г. и сыграл свою роль во время Второй мировой. После Верденского раздела в Восточном королевстве, которое мы, удобства ради, будем теперь называть Германией, вскоре сменилась династия, род Каролингов был отстранен от власти. На западе, во Франции, потомки Карла Великого продолжали царствовать еще почти полтора столетия, но не совершили за это время ничего выдающегося, а наоборот привели страну на край гибели, и в конце X века также уступили власть другой династии. Императорский титул приобрел характер чисто номинальный, и был даже забыт, пока 960 г. немецкие король из Франконской династии Оттон I не вспомнил о нем, и не возродил его к жизни, создав новую империю, будущую Священную Римскую Империю германского народа…

Печать Карла Великого

Монета с портретом Людовика II Немецкого

Рохлецкий К. П.

13 февраля 2007 года в самом сердце Кремниевой долины, в музее истории компьютеров (Computer History Museum), канадская компания D-Wave Systems презентовала, как заявлено, “первый в истории коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер” по имени “Орион” (Orion), созданный на десятилетия ранее предсказанного срока. Заметим, экспериментальные ячейки для квантовых вычислений ученые уже строили в лабораториях, но главное достижение канадцев — не квантовые вычисления как таковые, а разработка и постройка технологичного, надежного и с вменяемой себестоимостью квантового процессора.

Однако, прежде чем рассказать об устройстве чипа — пару слов о квантовых компьютерах. Они используют в своих интересах законы квантовой механики, определяющие поведение квантовых частиц и изменение их состояний. Каждая такая частица может играть в компьютере роль кубита (квантового бита), который, благодаря квантовой природе частицы, есть ни 0, ни 1, но некая суперпозиция и того и другого (изменяемым параметром может быть, к примеру, спин). Состояние кубита описывается вероятностями получения 1 и 0 в случае реального измерения. Правда, само измерение меняет состояние частицы — она переходит в одно из базовых состояний, условно, становится “точно нулем” или “точно единичкой”. Однако до измерения ее состояния частица несет в себе как бы оба “ответа” сразу. Если мы имеем дело с системой из X кубитов, то они формируют пространство из 2Х состояний. Далее мы можем согласованно менять состояния всех кубитов сразу, воздействуя на них каким-либо определенным способом. При этом окажется, что, выполняя одну так называемую квантовую логическую операцию, мы выполняем одновременно 2Х операций в привычной нам двоичной логике.

Таким образом, квантовый компьютер может кардинально обойти компьютер обычный в тех задачах, где по мере роста количества переменных время, требуемое для вычислений, растет по экспоненте. Однако выкидывать на свалку классические PC, похоже, еще рано.

16-кубитный квантовый процессор фирмы D-Wave

Канадцы пишут, что решение уравнений Шредингера для системы более чем из 30 электронов представляет собой неразрешимую задачу для обычных компьютеров, базирующихся на ньютоновой физике и принципах машины Тьюринга. Система из 100 с лишним электронов (как в молекуле кофеина, например) сложнее системы из 30 электронов в 10 50раз. Это уже явный тупик для классических вычислений, если напрямую пробовать моделировать это все безобразие. Для квантового же компьютера — это задача легко решаемая, было бы в процессоре соответствующее число кубитов.

Сейчас в ряде областей (типа молекулярной химии) люди прибегают к эмпирическому, приближенному моделированию, в то время как квантовый компьютер мог бы решать определенный круг интересных задач, так сказать, в лоб. “Квантовая технология обеспечивает точные ответы на задач и, которые сегодня можно решить только в общих чертах”, — говорит глава D-Wave Херб Мартин (Herb Martin).

Хорошо, в теории все выглядит соблазнительно. А-что с практикой? Сразу скажем, какие же частицы физически могут реализовывать кубиты. Это ионы, пойманные в магнитные ловушки и всяческим образом меняющие свое состояние при воздействии лазерных лучей, это сами фотоны, наконец, даже электроны. Последний вариант и применили канадцы. Однако, чтобы из электронов (вернее из целых полчищ электронов) сделать кубиты, нужно было, чтобы целая группа электронов находилась одновременно в одном и том же квантовом состоянии.

Поскольку электрон относится к ферм ионам, таковое “согласованное пребывание” им запрещают законы квантовой физики. Однако если посмотреть на электроны в сверхпроводнике— картина меняется. Там электроны формируют так называемые Куперовские пары, которые являются бозонами, движущимися словно солдаты целой роты в ногу. А это значит, что огромное число таких электронов в куске сверхпроводника находится одновременно в одном квантовом состоянии, представляя собой прекрасный кубит.

Потому канадцы физически сделали свои кубиты в виде элементов из алюминия и ниобия, охлажденных жидким гелием до минус 273,145 градуса по Цельсию, почти до абсолютного нуля. Такой подход называется адиабатным квантовым вычислением.

Как можно воздействовать на кубиты в таком случае? При помощи определенным образом меняющихся магнитных полей. Но как квантовые логические операции, меняющие состояние всех кубитов сразу (примерно так, как в математике существуют операции над матрицами), соотносятся с теми задачами, которые нам собственно и нужно решать? Иными словами — что есть в квантовом компьютере помимо кубитов?