Журнал "Вокруг Света" №8 за 2005 года - Вокруг Света

Логические преобразования над кубитами можно осуществлять и с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это явление, связанное с переориентацией магнитных моментов атомных ядер во внешнем магнитном поле, сегодня активно используется физиками, химиками, биологами и врачами в разного рода анализаторах и томографах, позволяющих заглянуть внутрь самых разнообразных устройств, материалов и живых объектов.

Существует и вариант жидкостного ЯМР-квантового компьютера. Его первый действующий «опытный образец» — импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения. Спины ядер, входящих в состав атомов, образующих исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу, — это кубиты, единицы измерения квантовой информации. Уже имеются экспериментальные реализации квантовых алгоритмов с помощью ЯМР.

В таких компьютерах ампулу, содержащую «растворенные» в жидкости молекулы с нужными ядерными спинами, помещают внутрь установки. В качестве «программного обеспечения» используются импульсы переменного магнитного поля, которые воздействуют на атомные спины. Каждое атомное ядро имеет свою собственную частоту прецессии в магнитном поле, поэтому при воздействии электромагнитными импульсами этой частоты на одно из ядер оно начинает вращаться, в то время как остальные — нет. Для того чтобы заставить второй атом совершать регулярное резонансное движение, надо послать импульсы соответствующей ему частоты. По этой схеме ученым удается работать с системами, общее число кубитов в которых не более пяти – семи штук. Теоретически возможно увеличить его до 20—30, но затем возникает ряд существенных проблем. В частности, с увеличением числа кубитов происходит экспоненциальное уменьшение интенсивности регистрируемого радиосигнала. Это не позволяет довести число единиц обрабатываемой информации до заветной тысячи, необходимой для создания полноценного квантового компьютера.

Сегодня ученые активно ищут варианты создания масштабируемых кубитов, когда увеличение числа подконтрольных квантовых объектов не влечет за собой столь нежелательных последствий. Считается, что свойством масштабируемости обладают твердотельные модели квантовых компьютеров.

Существует модель твердотельного полупроводникового ЯМР-квантового компьютера. Роль кубитов в них выполняют ядерные спины атомов обычной донорной примеси, помещенной в кристалл кремния. В определенных точках полупроводника на расстояниях порядка 100 ангстрем располагают атомы примеси, например, фосфора. Их электронные облака на таком расстоянии перекрываются между собой, и атомы могут обмениваться состояниями: один атом «управляет» электронами другого и тем самым осуществляется взаимодействие ядер удаленных атомов примеси. Над атомами примеси устанавливают крошечные 50-ангстремные электроды и, регулируя величину текущего по ним тока, изменяют магнитное поле и как следствие — резонансную частоту вращения спина атомного ядра. Учитывая достижения современной электроники, в этом варианте можно было бы создать систему из тысяч кубитов. Однако проблемой для этого варианта является измерение состояния отдельного кубита.

Еще одно направление — сверхпроводниковый квантовый компьютер. Несмотря на имеющиеся достижения в реализации отдельного кубита, в таком квантовом компьютере также имеется ряд недостатков. Они связаны с необходимостью жесткого контроля за изготовлением так называемых сквидов, основанных на туннельных переходах Джозефсона. Сквид — сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор. Технология сквидов позволяет достаточно легко построить квантовый кубит. Основные трудности возникают при попытке соединить несколько таких кубитов в один вычислительный регистр. Лучшим достижением в этой области пока считается управление взаимодействием всего двух кубитов.

Азы секретной связи

Довольно скромные успехи разработчиков на пути создания реальных квантовых компьютеров объясняются просто. Квантовое состояние очень хрупкое, и квантовые системы более чувствительны к воздействию окружающей среды, чем классические. Именно поэтому все перспективные с точки зрения квантовых вычислений прототипы таких компьютеров работают в режиме «жесткой изоляции» — при очень низких температурах и в вакууме. Но пока даже самая надежная защита негарантирует полного отсутствия внешних воздействий на кубиты. Например, подвешенные в вакууме ионы удерживаются в ловушках с помощью электродов, на которых кроме нужного напряжения присутствуют помехи — шумовое электрическое напряжение. Ионы на это реагируют и теряют свою когерентность (согласованность), другими словами, их рабочее квантовое состояние сохраняется очень недолго.

Определенную проблему в этих компьютерах представляют даже ввод и вывод данных, поскольку эти операции предполагают преобразование квантовой информации в классическую, и наоборот. Такая процедура предусматривает физическое измерение состояния объекта, что в квантовой механике может изменить само измеряемое состояние. Вообще в таких вычислениях любое дополнительное считывание информации грозит разрушить всю систему, поэтому явное выяснение результата промежуточных вычислений нерационально.

Кстати, в некоторых случаях «хрупкость» квантового состояния системы может оказаться весьма ценным свойством. Особенно для представителей спецслужб и других структур, курирующих каналы секретной связи, которая на сегодняшний день далеко не идеальна. Код можно подслушать, метод шифрования — украсть, передаваемые сигналы — записать и со временем расшифровать.

Если же удастся построить квантовый компьютер, способный выполнять разложение больших чисел на простые множители с помощью алгоритма Шора, защита информации в подавляющем большинстве современных секретных систем будет вообще ненадежной. Квантовый мир может дать и средство для обеспечения небывалой секретности при обмене информацией.

Как оказалось, абсолютно секретную связь вполне реально создать, используя квантовые способы передачи информации. К примеру, чтобы «подслушать» шифровку, передающуюся отдельными фотонами (квантами) через оптоволокно, необходимо каждый квант поймать, измерить его состояние и только затем вновь послать адресату. Вся беда в том, что проделать эти манипуляции без нарушения состояния отдельных квантов и квантовой системы в целом невозможно. Такие системы связи позволяют безопасным способом осуществлять передачу секретного ключа практически на неограниченные расстояния. Они уже выпускаются и используются для нужд спецслужб при наземной передаче информации, вскоре планируется их вывод в космос для создания системы глобальной секретности.

Но вернемся к когерентности. Для того чтобы квантовый компьютер работал бесперебойно, необходимо научиться поддерживать в нем определенные квантовые состояния и следить за тем, чтобы неконтролируемые воздействия со стороны окружающего мира не нарушали процесс квантовых вычислений. Исключительно чувствительны к подобным процессам сцепленные состояния кубитов, так как одно-единственное воздействие на любой из них может разрушить все состояние квантового регистра. Поскольку сбои, связанные с непредсказуемым изменением состояния бита, присущи любому вычислительному устройству, нужно постоянно проводить коррекцию ошибок, которая позволяет существенно продлить время работы квантовой системы. Накопились ошибки — почистили.

Классическая коррекция ошибок основывается на введении дополнительных «контрольных» битов (например, бита четности) и на регулярной проверке состояния этих битов в процессе вычислений. Однако есть и другой способ, основанный на избыточном кодировании исходной информации. К примеру, вместо одного кубита можно использовать три. В этом случае обработку информации строят таким образом, чтобы в процессе выполнения логических операций все три кубита изменялись одинаково. Нарушение когерентности может привести к изменению состояния одного из них. Поэтому для поиска возможных ошибок выясняют, находятся ли все три кубита в одинаковом состоянии, не определяя при этом самих состояний. При выявлении ошибки ее легко исправить, изменяя «неправильное» состояние.

Понятно, что квантовая коррекция требует значительного дублирования информации и как следствие — увеличения оперативной емкости квантовой системы.

Час «Х»

Когда же действительно войдут в нашу жизнь квантовые компьютеры и нужно ли нам это в решении повседневных задач? Некоторые специалисты считают, что если проблему создания квантовых компьютеров решать не в отдельных исследовательских лабораториях, а на государственном уровне, как решали в свое время вопросы космонавтики, атомной энергетики и микроэлектроники, то на это уйдет около четверти века.