Представьте себе компьютер, память которого экспоненциально больше, чем его видимый физический размер; компьютер, который может обрабатывать экспоненциальный набор входных данных одновременно; компьютер, который вычисляет в сумеречной зоне космоса. Можно подумать о квантовом компьютере. Для создания квантовых компьютеров требуется относительно немного простых понятий из квантовой механики. Тонкость заключается в том, чтобы научиться манипулировать этими понятиями. Является ли такой компьютер неизбежным или его будет очень трудно создать?
Согласно странным законам квантовой механики, отмечает Фолгер, старший редактор Discover, - электрон, протон или другая субатомная частица находится "более чем в одном месте одновременно", поскольку отдельные частицы ведут себя как волны, эти разные места являются различными состояниями, в которых атом может существовать одновременно.
Что особенного в квантовых компьютерах? Представьте, что вы находитесь в большом офисном здании и вам нужно достать портфель, оставленный в случайно выбранном кабинете одного из сотен офисов. Точно так же, как вам пришлось бы пройти по зданию, открывая двери одну за другой, чтобы найти портфель, обычный компьютер должен пройти через длинные ряды 1 и 0, пока не достигнет ответа. Но что если вместо того, чтобы искать самому, вы могли бы мгновенно создать столько копий себя, сколько комнат в здании, все копии можно было бы подсмотреть одновременно во всех офисах, и тот, кто нашел портфель, стал бы настоящим, а остальные просто исчезли бы. - (Дэвид Фриман, открытие)
Дэвид Дойч, физик из Оксфордского университета, утверждает, что на основе этой своеобразной реальности можно построить чрезвычайно мощный компьютер. В 1994 году Питер Шор, математик из AT&T Bell Laboratories в Нью-Джерси, продемонстрировал, что, по крайней мере, в теории, полностью разработанный квантовый компьютер может вычислять даже самые большие числа за секунды - достижение, невозможное даже для самого быстрого обычного компьютера. Шквал теорий и дискуссий о возможности создания квантового компьютера сегодня пронизывает все квантовые области технологий и исследований.
Его корни уходят в 1981 год, когда Ричард Фейнман заметил, что физики всегда сталкиваются с вычислительными проблемами, когда пытаются смоделировать систему, в которой будет происходить квантовая механика. Расчеты, связанные с поведением атомов, электронов или фотонов, требуют огромного количества времени на современных компьютерах. В 1985 году в Оксфорде, Англия, появилось первое описание того, как может работать квантовый компьютер, используя теории Дэвида Дойча. Новое устройство могло не только превосходить существующие компьютеры по скорости, но и выполнять определенные логические операции, которые не под силу обычным компьютерам.
В ходе исследования было начато изучение фактической конструкции устройства, и с одобрения и дополнительного финансирования со стороны AT&T Bell Laboratories в Мюррей Хилл, Нью-Джерси, в команду был добавлен новый член. Питер Шор сделал открытие, что квантовые вычисления могут значительно ускорить факторизацию целых чисел. Это не просто простой шаг в развитии микрокомпьютерных технологий, но и возможность получить представление о реальных приложениях, таких как криптография.
"В конце тоннеля есть надежда, что квантовые компьютеры однажды могут стать реальностью", - говорит Жиль Брассар из Университета Монреаля. Квантовая механика дает неожиданную ясность в описании поведения атомов, электронов и фотонов на микроскопическом уровне. Хотя эта информация не применима для повседневного использования в быту, она, безусловно, применима к любому взаимодействию материи, которое мы можем видеть, реальные преимущества этих знаний только сейчас начинают проявляться.
В наших компьютерах печатные платы спроектированы таким образом, что 1 или 0 представлены разными количествами электричества, причем влияние одной возможности не влияет на другую. Однако при введении квантовых теорий возникает проблема: эффекты исходят от одной части аппаратуры, которая существует в двух разных реальностях, и эти реальности накладываются друг на друга, влияя на оба эффекта одновременно. Однако эти проблемы могут стать одним из самых больших преимуществ нового компьютера, если удастся запрограммировать результаты работы таким образом, что нежелательные эффекты аннулируются, а положительные усиливают друг друга.
Эта квантовая система должна быть способна запрограммировать в себе уравнение, проверить его расчет и вывести результаты. Исследователи рассмотрели несколько возможных систем, одна из которых предполагает использование электронов, атомов или ионов в ловушке магнитного поля, затем использование пересекающихся лазеров для возбуждения ограниченных частиц до нужной длины волны и второй раз для возвращения частиц в их основное состояние. Последовательность импульсов может быть использована для расположения частиц в виде схемы, которая может быть использована в нашей системе уравнений.
Другая возможность, предложенная Сетом Ллойдом из Массачусетского технологического института, предполагает использование металлоорганических полимеров (одномерных молекул из повторяющихся атомов). Энергетические состояния конкретного атома будут определяться его взаимодействием с соседними атомами в цепи. Лазерные импульсы могут быть использованы для передачи сигналов вдоль полимерной цепи, а два конца будут создавать два уникальных энергетических состояния.
Третье предложение заключалось в замене органических молекул кристаллами, в которых информация хранилась бы на определенных частотах, которые можно было бы обрабатывать дополнительными импульсами. Атомные ядра, вращающиеся в одном из двух состояний (по или против часовой стрелки), можно программировать с помощью наконечника атомного микроскопа, либо "считывая" их поверхность, либо изменяя ее, что, конечно, было бы "записью" части хранения информации. "Повторяя движения наконечника, можно в конечном итоге написать любую логическую схему", - сказал ДиВинченцо.
Однако за эту силу приходится платить, поскольку эти состояния должны оставаться полностью изолированными от всего, включая шальной фотон. Эти внешние воздействия накапливались, заставляя систему сбиваться с курса, она могла даже развернуться и пойти в обратную сторону, что часто приводило к ошибкам. Чтобы предотвратить это явление, появились новые теории, направленные на его преодоление. Один из способов - сделать вычисления относительно короткими, чтобы уменьшить вероятность ошибки, другой - восстановить избыточные копии информации на отдельных машинах и взять среднее значение (mode) ответов.
Это, несомненно, лишило бы квантовый компьютер всех преимуществ, поэтому AT&T Bell Laboratories изобрела метод коррекции ошибок, при котором квантовый бит данных кодировался бы в один из девяти квантовых битов. Если бы один из девяти был потерян, можно было бы восстановить данные из той информации, которая прошла через него. Это будет защищенное место, в которое будет введено квантовое состояние перед передачей. Кроме того, поскольку состояния атомов существуют в двух состояниях, если бы один из них был разрушен, состояние атома можно было бы определить, просто наблюдая за противоположным концом атома, поскольку каждая сторона содержит совершенно противоположную полярность.
Ворота, которые будут переносить информацию, - это то, на чем сегодня сосредоточено основное внимание исследователей, это единые квантовые логические ворота и расположение их компонентов для выполнения определенной функции. Один такой гейт может управлять переходом от 1 к 0 и обратно, а другой может взять два бита и сделать результат 0, если они одинаковые, и 1, если они разные.
Этими затворами могут быть ряды ионов, удерживаемых в магнитной ловушке, или отдельные атомы, проходящие через микроволновые полости. Эти единственные ворота можно построить в ближайшие год-два, но для практического применения разумного компьютера потребуются миллионы ворот. Тихо Слеатор из Нью-Йоркского университета и Харальд Вайнфуртер из МСА считают квантовые логические ворота простым шагом на пути к созданию квантовой логической сети.
Эти сети будут представлять собой не что иное, как ряд шлюзов, взаимодействующих друг с другом. Лазерные лучи, светящие на ионы, вызывают переход из одного квантового состояния в другое, что может изменить тип коллективного движения, возможного в серии, и поэтому определенная частота света может быть использована для управления взаимодействием между ионами. Этим массивам было дано название "массивы квантовых точек", поскольку отдельные электроны будут заключены в структуры квантовых точек, кодируя информацию для выполнения математических операций от простого сложения до факторизации этих целых чисел.
Структуры "квантовых точек" будут основываться на достижениях в создании крошечных полупроводниковых коробок, стенки которых удерживают электроны на небольшой площади материала, что является еще одним способом управления процессом обработки информации. Крейг Лент, главный исследователь проекта, создал модуль на основе устройства, состоящего из пяти квантовых точек, одной в центре и четырех по краям квадрата, электроны будут направляться между любым из этих мест.
Соединение этих элементов вместе позволит создать логические схемы, которые потребуются новому квантовому компьютеру. Расстояние было бы достаточным для создания "бинарных проводов", состоящих из рядов этих единиц, причем инверсия состояния на одном конце вызывала бы цепную реакцию инверсии всех состояний единиц по всей длине провода, подобно тому, как сегодня домино передает инерцию. Спекуляции о влиянии такой технологии обсуждались и мечтались в течение многих лет.
Что касается аргументов, которые они приводят, то потенциальный ущерб может быть нанесен тем, что скорость вычислений сможет пресечь любые попытки обеспечения безопасности, в частности, стандарт шифрования данных АНБ теперь будет бесполезен, так как алгоритм будет тривиальной проблемой для такой машины. Что касается последней части, эта реальность мечты впервые появилась в телесериале "Квантовый скачок", где эту технологию легко понять, когда упоминается Зигги - параллельный гибридный компьютер, который он разработал и запрограммировал, - возможности квантового компьютера зеркально отражают возможности гибридного компьютера в сериале.
