Квантовый компьютер - туманные перспективы или реальность?

В начале 80-х гг. прошлого века нобелевский лауреат, известный в России как автор "Феймановских лекций по физике", Ричард П. Фейнман (Richard P. Feynman) из Калифорнийского технологического института увлек научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа - квантовом. Исследователи с тех пор значительно продвинулись в направлении создания квантового компьютера. Возможно, что в ближайшие годы эти, пока больше "гипотетические", перспективы войдут в нашу реальность.

 Не успел еще традиционный персональный компьютер, без которого сегодня уже немыслимо наше существование, занять свое место в повседневной жизни, а уже начались разговоры о квантовом компьютере. Идеи нобелевского лауреата Ричарда П. Фейнмана (Richard P. Feynman) сыграли свою важную роль. Действительно, моделировать состояние микрочастиц, которое описывается многомерной волновой функцией с числом переменных, равным числу частиц в системе, да еще и зависящей от времени, даже на самом современнейшем и мощнейшем компьютере, по-видимому, довольно проблематично. Поэтому, как считал Фейнман, было бы естественно моделировать физическую реальность, которая подчиняется квантовым законам, с помощью "компьютера, построенного из квантовомеханических элементов, подчиняющихся квантовомеханическим законам".

 Только после 1994 года, когда Питер Шор (Peter Shor) из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для факторизации больших чисел (разбиения их на простые множители), который оказался гораздо эффективнее существующих до этого алгоритмов, предназначенных для традиционных компьютеров, наступил перелом в сознании скептиков. Но больше всех всполошились специалисты по вопросам компьютерной безопасности - взломать защиту большинства криптосистем, имея квантовый компьютер, как оказалось, не составляет особого труда. Таким образом, Питер Шор, а затем и Лов Гровер (Lov Grover) из научного центра Bell Labs со своим алгоритмом быстрого поиска в неупорядоченной базе данных инициировали лавину новых исследований в области квантовых вычислений во всем мире. Среди ведущих мировых исследователей, активно воплощающих идеи квантового компьютинга в жизнь, следует отметить, прежде всего, доктора Айзека Чуанга (Isaac Chuang) из исследовательского центра IBM Алмейден (Сан-Хосе, Калифорния). Возглавляемые им команды исследователей создали в 1998 году в Калифорнийском университете Беркли первый в мире двухкубитный квантовый компьютер, в следующем году - трехкубитный образец, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных, а еще через год был продемонстрирован метод упорядочения на квантовом компьютере с разрядностью 5 кубит.

 После этого исследователи приступили к решению проблемы по превращению квантовых компьютеров в техническую реальность. Понять, как работает квантовый компьютер, не имея специального "квантовомеханического" образования, практически невозможно. Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты (от quantum bit, qubit). Обычный бит ? это классическая система, у которой есть только два возможных состояния. Можно сказать, что пространство состояний бита - это множество из двух элементов, например, из нуля и единицы. Кубит же - это квантовая система с двумя возможными состояниями (например, спин электрона может быть равен либо 1/2, либо -1/2, условно говоря, спин направлен вверх или вниз). Но, поскольку система квантовая, ее пространство состояний будет несравненно богаче.

 В квантовой механике есть несколько основных положений, среди которых для квантовых вычислений наиболее важен принцип суперпозиции. Применяя этот принцип, например, к электрону, получаем, что, возможно, его смешанное состояние, когда оба состояния со спином, направленным вверх или вниз, присутствует с некоторой вероятностью (как часто пишут в популярной литературе, спин направлен вверх и вниз как бы одновременно, что совсем сбивает бедного читателя с толку). Отсюда, делают вывод многие авторы популярных введений в квантовые вычисления, возникает совершенно чудовищный параллелизм вычислений: к примеру, в случае системы из двух кубитов мы как бы оперируем одновременно со всеми возможными ее состояниями: 00, 01, 11, 10.

 Для ввода и чтения данных в реально действующем квантовом компьютере, как правило, используется установка для ядерного магнитного резонанса с огромным магнитом, которую можно обнаружить в медицинских учреждениях (их обычно используют для визуализации мягких тканей человека). Тонкая тестовая трубка, заполненная специально подготовленными молекулами, помещается внутрь установки. В качестве "программного обеспечения" используются радиочастотные импульсы, которые определенным способом воздействуют на атомные спины, что позволяет производить вычисления.

 Первый в мире квантовый компьютер был презентован в августе прошлого года исследователями Висконсинского Университета в Мэдисоне.

Ссылки по теме CNews.ru