Сергей Доронин - Квантовая магия

Сейчас ситуация стала меняться. В последние годы «квантовая гонка» набирает обороты и в разработке периферийных устройств, а также способов обмена квантовой информацией между удаленными объектами. Что касается экспериментов с квантовой памятью, то в 2004 году европейские ученые (из Дании, Бельгии, Германии, Чехии) сообщили [124], что они смогли реализовать работу квантовой памяти на сравнительно простой установке, тогда как раньше эксперименты проводились на сложном оборудовании. Эта установка представляет собой стеклянную ячейку с парами спин-поляризованныхатомов цезия при температуре, близкой ккомнатной. Им удалось скопировать фотонный кубитв атомную систему, а затем «прочитать» это записанное состояние.

Постоянно предлагаются все более совершенные схемы для хранения и восстановления квантовой информации. Есть интересные эксперименты в смежных областях. Они пока не связаны напрямую с хранением квантовой информации, но задействованные в них механизмы вполне могут быть использованы в квантовом компьютинге. Хочу отметить довольно красивый эксперимент, проведенный совсем недавно немецкими учеными [125]. Им удалось продемонстрировать удивительный эффект, когда свет, идущий сквозь среду с неоднородным показателем преломления, надолго в ней «застревает», попадая на замкнутые орбиты (рис. 10).

Этот эффект связан с диффузией света. О диффузии, наверное, слышали все — это и распространение запахов по комнате (диффузия молекул в газе), и теплопроводность (диффузия тепла) в твердом теле, и электрический ток в проводнике (диффузия электронов под действием внешней силы). Обычно речь идет о диффузии частиц, но прохождение волн через среду также можно рассматривать как диффузию. У света, как у волны, есть специфическая особенность — интерференция, за счет которой диффузия может измениться. Свет может «сбиться с дороги» и надолго застрять внутри среды, крутясь по замкнутым орбитам в поисках выхода.

Если пустить луч света сквозь среду с беспорядочно распределенным коэффициентом преломления, то отдельные кванты света, фотоны, будут хаотично отражаться и преломляться в поисках выхода, то есть будет происходить диффузия света. Чтобы заметить описанный выше эффект, надо приготовить такую среду, в которой распределение коэффициента преломления было бы как можно более хаотичным (иными словами, чтобы длина свободного пробега от столкновения до столкновения не превышала длины волны света), но чтобы при этом не было поглощения. Именно это и смогли сделать немецкие физики. Они выяснили, что для изучения диффузии фотонов прекрасно подходит пигмент, использующийся во многих доступных в продаже белых красках. Этот пигмент состоит из микроскопических частичек TiO 2(диоксида титана) и в целом действует на свет как среда практически без поглощения, но с высоким и беспорядочно распределенным в пространстве коэффициентом преломления.

Эксперимент заключался в следующем: на спрессованный образец пигмента падал короткий импульс света, а затем отслеживалось, на какое время свет «застревает» в этом материале. Для крупнозернистых образцов распределение времен диффузии достаточно хорошо описывалось формулой для диффузии частиц. Однако, исследуя самый мелкозернистый образец, экспериментаторы заметили, что небольшая доля всех фотонов выходила из образца спустя необычно долгое время.

Авторы провели серию проверочных экспериментов и доказали, что этот эффект может быть связан только с влиянием интерференции на диффузию волн. Эти запоздавшие фотоны долго крутились внутри образца по замкнутым орбитам, прежде чем выйти из среды. Как предполагают ученые, если теперь изготовить вещество с еще более мелкими зернами диоксида титана, то, возможно, удастся достичь и эффекта полной локализации, при котором фотоны уже не выходят наружу.

Еще одно необходимое устройство для квантового компьютера — квантовая шина для обмена информацией. Об этом также можно прочитать в Интернете [126]:

«„Виртуальная шина“, по которой курсируютбиты информации, может стать краеугольным камнем в архитектуре квантовых компьютеров», — заявляют ученые из американского Национального Института стандартов и технологий (NIST). Но, как ученые замечают далее, он должен еще быть разработан, что не входит на сегодняшний день в планы большинства компаний. По словам физика-атомщика NIST Карла Уильямса ( Carl Williams), несколько авторов описали базовые требования для построения масштабируемых квантовых компьютеров, включая необходимость взаимодействия произвольных пар кубитов. Отработка четкого механизма этого взаимодействия является, однако, нерешенной проблемой. По словам коллег Уильямса, их подход состоит в том, чтобы делить физические кубиты на статические зоны, сохраняющие квантовую память, и динамическую шину для кубитнойсвязи зон. Как известно, основы современной архитектуры ПК были заложены в работах венгерского математика фон Неймана в 1945 году. Классическая модель состоит из 4 основных компонентов: памяти, системы ввода/вывода, логического блока и блока управления; для их связи используются физические шины, по которым пересылаютсябиты информации от одного модуля к другому. В отличие от физической, предлагаемая квантовая шина, как отмечает эксперт Национальной лаборатории в Лос-Аламосе Мэни Нилл( Manny Knill), является «виртуальной, которую лучше представлять как виртуальную локальную сеть соединений для масштабной параллельной архитектуры квантовых компьютеров». По мнению Нилла, Уильямс с коллегами первыми предложили детально разработанные стратегии для применения квантовой шины в стандартных массивах кубитов конкретно для того, чтобы использовать их в квантовых компьютерах. В работающем компьютере ни один кубитне обособлен. Кубиты памяти должны взаимодействовать друг с другом, а также с блоками логики, управления и ввода/вывода. Для облегчения связи другие ученые предлагают вместо квантовой шины «летающие» кубиты, парящие внутри компьютера и сближающиеся для обмена информацией. Модель превращения материальныхкубитов в «летающие», являющиеся чаще всего фотонами, может быть еще одним возможным решением проблемы. Однако разработка необходимого соединения между веществом и фотонами, или стационарными и «летающими» кубитами, сопряжена со многими трудностями. Концепция шины обходится без сцепки между «летающими» и стационарными кубитами. Как отмечает г-н Нилл, исследования квантовых шин важны потому, что квантовые компьютеры в обозримом будущем должны обладать масштабируемым параллелизмом. И далее подчеркивает: «В будущем физическое или виртуальное соединение будет необходимо для всех архитектур квантового компьютера».