Квантовый компьютер (англ. A quantum computer) гипотетическое вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.A quantum computer

В канун XX века 14 декабря 1900 года немецкий физик и будущий нобелевский лауреат Макс Планк доложил на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения. Этот день считается днем рождения квантовой теории. Уже в 1925 году В.Гайзенберг предложил матричный вариант квантовой механики, а в 1926 году Э.Шредингер сформулировал свое знаменитое волновое уравнение для описания движения электрона во внешнем поле. Ф.Блох в 1928 году, показал, что электронный энергетический спектр в кристаллическом твердом теле имеет зонную структуру. Это привело к существенным изменениям наших представлений о Природе вообще и о твердом теле, в частности. К 1930 году было установлено, что в отличие от металлов, для полупроводников, как и для диэлектриков, характерно наличие в зонном энергетическом спектре запрещенной зоны между потолком наиболее высоко лежащей заполненной зоны и дном самой нижней пустой зоны, Таким образом, выяснилось, что характерные для полупроводников свойства обусловлены зонным характером электронного энергетического спектра, то есть являются проявлением квантовых свойств твердого тела.Интерес к этим переходам стал возрастать с тех пор, как Б.И.Давыдов в 1938 году опубликовал первую теорию явлений выпрямления и возникновения фотоэдс в таких переходах.

Квантовая механика описывает взаимодействие в природе на фундаментальном уровне. Использование этих принципов для построения квантового компьютера означает не только переход на наноуровень; всё должно охлаждаться достаточно сильно, чтобы квантовые эффекты проявили себя. Именно поэтому D-Wave охлаждает систему Orion до температуры в 250 раз холоднее, чем межзвёздное пространство (вернее, чем спектр энергий частиц реликтового излучения - он такой же, как излучение тела с такой температурой). В прошлом году компания собрала 16-кубитовый квантовый компьютер, который основатель и генеральный технический директор Джорджи Роуз (Geordie Rose) назвал самым мощным квантовым компьютером, когда либо построенным, и первым, который может запускать коммерчески- значимые приложения. В этом году компьютер стал 28-кубитовым, он умеет распознавать фотографии известных достопримечательностей - и, возможно, вскоре вы столкнётесь с работой этого компьютера в Интернете

Теоретических моделей квантового компьютера множество. Проблема, скорее, в том, чтобы найти разумные пути создания реального прибора. Существует как минимум два подхода к осуществлению идеи такого устройства. Ученые, сами того не предполагая, уже создали квантовый компьютер. Его первый «опытный образец» это импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения. Спины ядер, входящих в состав атомов, в свою очередь образующих исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу это Q-биты, единицы измерения квантовой информации. Каждое ядро имеет свою частоту резонанса в данном магнитном поле. При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает эволюционировать, остальные же ядра «молчат». Для того чтобы заставить эволюционировать второй атом, надо взять другую частоту и дать импульс на ней. Иными словами, процесс вычислений управляется импульсами переменного магнитного поля, нужно только написать алгоритм поставленной задачи. Например, 1000 в степени 3 (то есть миллиард) операций в алгоритме Шора для 1000-разрядного числа это миллиард воздействий на отдельные спины и на их пары. При этом в молекуле есть прямая связь между спинами, и поэтому она является идеальной заготовкой для квантового компьютера, а сам спектрометр просто готовый «процессор» для этого компьютера. Однако в настоящее время удается работать с системами с общим числом спинов не более пяти- семи, в то время как для решения полномасштабных задач их необходимо порядка Подобного рода работы в России не ведутся, ибо, как считают наши ученые, принципиально невозможно увеличить количество спинов до требуемого числа.

Другой подход основан на использовании ионных ловушек, или «подвешенных» в вакууме ионы. За изобретение ионных ловушек ученому Боннского университета Паулю в свое время была присуждена нобелевская премия. Еще одна нобелевская премия за изобретение методов лазерного охлаждения атомов в газе и ионов в ловушке досталась в прошлом году двум американцам и одному французу, что, кстати, вызвало резкую критику со стороны отечественных ученых, считающих, что приоритет в данной области принадлежит России. Эти ионные ловушки удалось «растянуть» и получить одномерный ионный кристалл, удерживаемый и в осевом, и в радиальном направлении внешними полями. У каждого иона кристалла берутся два уровня энергии это один Q-бит; между собой эти ионы связаны через колебания внутри одномерного кристалла, который имеет набор резонансных частот. Больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского университета в Австрии, а осуществили их больше всего ученые из Лос- Аламосской лаборатории в США. И оказалось, что больших кристаллов не удается получить, на сегодняшний день получена цепочка из 30 ионов. Но дальнейший прогресс в увеличении числа ионов связывают с созданием трехмерной лазерной стоячей волны трехмерной совокупности точек с минимумами потенциальной энергии для поляризованных атомов. Иными словами, это трехмерная решетка, которая уже хорошо изучена; изучена также и методология лазерного охлаждения, и поэтому сейчас стоит задача в каждый минимум «положить» атом, его охладить, чтобы он не «вылезал» оттуда, и начать с ним работать. Конечно, в этом направлении очень много работы, но само направление, безусловно, верное.

И третий подход квантовый компьютер на твердом теле. Это могут быть сверхпроводники, как предлагают ученые из Института Ландау. Мы же предпочитаем подход, который в позапрошлом году высказал австралийский физик Кейн: делать квантовый компьютер точно на том кремнии, на котором сегодня работает традиционная микроэлектроника. В нужных местах на расстояниях порядка 100 ангстрем располагают атомы фосфора обычная примесь в кремнии, которая прекрасно изучена. Если на таком расстоянии расположить два атома фосфора, то облака внешних электронов немного пересекутся, что необходимо для их взаимодействия, и атомы смогут обмениваться состояниями. Один атом управляет электронами другого. Над этими атомами делаются 50- ангстремные электродики, и с помощью напряжения на этом электроде меняют резонансную частоту спина ядра атома фосфора. Очень похоже на полевой транзистор как бы те же затворы, только вместо тока состояния атома. Мы предложили работать не на одном атоме, а на серии атомов; под этими электродами должна быть последовательность атомов, чтобы они действовали параллельно, тогда сформируется относительно больший сигнал, который легче регистрировать.

У квантового компьютера будет, возможно, и квантовый канал связи, основанный на эффекте, который называется «квантовая телепортация». Принцип квантовой телепортации основан на эффекте запутывания квантовых состояний двух частиц, который анализировался еще в 1935 году Эйнштейном Подольским Розеном. Запутанные состояния возникают при взаимодействии двух квантовых частиц и последующем их разъединении; при этом они оказываются в некоем «запутанном» состоянии, в котором состояние первой частицы строго коррелировано с состоянием второй. Существуют физические приборы для измерения подобных квантовых систем; например, в системе двух спинов, если один из них будет обнаружен в одном состоянии, то другой всегда будет в состоянии, диктуемом корреляцией, хотя давно с ним и не взаимодействует. То есть подобные корреляции были заложены именно в момент взаимодействия, после чего частицы были пространственно разъединены. Таким образом, квантовый канал связи это генератор коррелированных пар и разнесенные в пространстве квантовые частицы. Естественно, при этом сохраняется информация, которая была заложена в момент корреляции; этим можно пользоваться для составления протокола квантовой телепортации. Если имеется квантовая поделенная пара, квантовый канал связи и телефонный канал связи, то можно взять третью квантовую частицу в неизвестном квантовом состоянии и передать его от одного участника связи другому. Для этого нужно «заставить» ее провзаимодействовать с той частью поделенной пары, которая находится у «передающего».

Сейчас в исследования этой области вкладываются десятки миллионов долларов. Конечно, это даже нельзя сравнивать с теми деньгами, которые идут на разработку традиционных компьютеров и даже в исследования по нанотехнологиям. Но на данном этапе огромных денег и не требуется. Установка ядерно-магнитного резонанса стоит порядка миллиона долларов. Установки с вакуумными ловушками, с лазерным охлаждением то же самое. Пока над квантовыми вычислениями работают небольшие коллективы, пусть даже в лабораториях таких гигантов, как IBM и Intel. Много экспериментов проводится в крупных центрах, особенно в Лос-Аламосе, в университетах по всему миру: в Инсбруке (Австрия), Бонне (Германия), в США. Грантов всем хватает. В этом году американское правительство объявило неограниченный набор специалистов для работы по квантовым вычислениям. Им обеспечен вид на жительство и различные льготы. У нас в стране, конечно, аналогичных программ поддержки нет, но исследовательские работы ведутся во многих местах, например в МГУ, Институте Ландау, у нас, в Физико-технологическом институте.

Компьютеры на квантовом принципе в решении некоторых задач имеют огромное преимущество по сравнению с классическими. Преимущество в скорости и эффективности достигается за счёт того, что все квантовые биты находятся в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех состояний одновременно. Более того, логика квантовой информации часто отклоняется от интуитивной и преподносит некоторые неожиданные эффекты. Природа "квантового запроса" позволяет использовать корпускулярно- волновой дуализм (в данном случае фотонов), вычисляя область пространства, даже не заходя в него. И при помощи двух спаренных оптических интерферометров, расположенных внутри третьего, команда Квиата добилась успеха в получении решения, взяв за основу алгоритм поиска Гровера в неупорядоченной четырёхэлементной базе данных. Используя фотон в квантовой суперпозиции, учёные получали ответ, не запуская алгоритм поиска. Так же, они теоретически обосновали, как получить решение без старта вычислений при помощи эффекта Зено. До использования квантовых компьютеров в промышленном масштабе ещё далеко. Они пока не способны решить достаточно сложную задачу и имеют высокую уязвимость. Однако, уже существуют коммерческие образцы систем подобного рода для узкоспециальных задач, таких, например, как криптография.

К сожалению, построить квантовый компьютер чрезвычайно трудно. В качестве кубитов обычно выступают определенные квантовые свойства атомных ионов или электронов, удерживаемых в ловушках. Но их состояния суперпозиции неимоверно хрупки и разрушаются при малейшем взаимодействии с окружающей средой, в том числе с материалами, из которых сделан сам компьютер. Когда кубиты недостаточно тщательно изолированы, внешние возмущения приводят к ошибкам в вычислениях, поэтому большинство исследователей сосредоточивает свои усилия на минимизации взаимодействия кубитов с окружающей средой. Если частоту ошибок удастся снизить до одной на 10 тыс. шагов, то распад отдельных кубитов можно будет компенсировать с помощью алгоритма исправления ошибок. Создание работоспособной машины с большим числом хорошо изолированных кубитов и столь низкой частотой ошибок тяжелая задача, до решения которой физикам еще очень далеко