Взлом шифров при сверхнизких температурах
Первое, что позволит сделать квантовый компьютер, — это обеспечить передачу квантовой информации на большое расстояние
![]() Эта фотография в январе-феврале 2007 года обошла страницы научных приложений к сотням газет и журналов всего мира — канадская фирма D-Wave провела сенсационную демонстрацию своего «адиабатического квантового процессора на шестнадцати сверхпроводящих кубитах». Однако реакция специалистов была весьма резкой и скептической — демонстрация не убедила их в том, что это устройство действительно выполняло именно квантовые вычисления. Спустя почти год после этих событий ранее намеченные D-Wave обширные планы пока остаются на бумаге. Тем не менее 12 и 15 ноября состоится новая демонстрация той же технологии — «28-кубитный адиабатический квантовый процессор» займется взаимной привязкой изображений (image matcing).
|
Квантовый компьютер: предыстория
Процесс вычисления, само понятие вычисления впервые были
Неудивительно, что «метафора вычисления» получила огромную популярность в приложении к самым разнообразным явлениям окружающего нас мира. Она же стимулировала самое пристальное внимание к вычислительным процессам — но теперь уже не математиков, а физиков, которые задумались над описанием вычисления как физического процесса. Уже в 1961 году появилась работа Рольфа Ландауэра (
![]() Рольф Ландауэр дал первую иллюстрацию тезису Фейнмана, сформулированному только двадцать лет спустя: всякое классическое вычисление — это физический процесс, протекающий с выделением тепла. Фото: IBM Research |
Дойч размышлял о том, каким может быть набор вычислительных примитивов (элементарных операций), наиболее естественных с точки зрения физики. Обратившись к квантовой механике, он ввел в рассмотрение в качестве таких примитивов простейшие квантовые системы и рассмотрел универсальную модель вычислений на их основе. Подход Дойча, по контрасту с прежними исследованиями в этой области, не сводился к воплощению классической машины Тьюринга при помощи квантовых систем. Напротив, он самым существенным образом использовал квантовый характер элементарных операций — и в первую очередь контринтуитивную способность квантовой системы «одновременно находиться во всех допустимых состояниях». И вот тут выяснилось, что некоторые задачи при помощи квантовых примитивов решаются невероятно быстро по сравнению с классическим случаем. Именно это обстоятельство очень быстро привлекло самое широкое внимание к квантовому компьютингу.
Как и в случае с «обычным» компьютингом, пристальное внимание к нюансам давно, казалось бы, понятых процессов открыло совершенно неожиданные практические перспективы.
Квантовый компьютер: повестка дня
Подчеркнем: квантовый компьютинг — это не выполнение привычных операций с битами и байтами при помощи неких маленьких «квантовых» элементов. Квантовый компьютер (КК) даже на уровне математики работает принципиально иначе, чем обычный, классический. Исходные данные кодируются в «квантовых ячейках памяти» (квантовых битах, кубитах, qubits), находящихся в определенном квантовом состоянии» — при этом совокупность кубитов становится единой квантовой системой. Над этой системой совершается последовательность элементарных квантовых операций — промежуточные результаты увидеть невозможно, так как при этом квантовый характер процесса нарушится! — и только после этого производится измерение, которое показывает новое состояние нашего набора кубитов, кодирующее ответ.
Физическая природа кубитов в теории квантовых вычислений не очень важна; принципиально важно другое — чтобы в процессе вычислений система подчинялась законам квантовой механики. В этом случае пространство её возможных состояний будет несопоставимо шире обычной последовательности двоичных слов, преобразуемых алгоритмом классического компьютера. Именно таинственная способность квантовомеханической системы одновременно сканировать все эти состояния и позволяет КК решать некоторые задачи, недоступные обычному компьютеру.
![]() Квантовые точки — макрообъекты, внутри которых удерживаются отдельные электроны. Такие объекты активно изучаются в качестве кандидатов на роль кубитов. Спектр связанных состояний квантовой точки, полученной из кристалла селенида кадмия, зависит от размеров кристалла. От того же зависит и частота флуоресценции. Таким образом, окраска переизлученного света позволяет довольно точно судить о квантовых свойствах полученного кристалла. Фото: NASA Glenn's Research & Technology |
Профессор МГУ
Любопытно, что КК может радикально обогнать классический вычислитель при решении всего лишь нескольких практически значимых задач. По крайней мере других примеров найти до сих пор не удалось, несмотря на огромные усилия. Однако ценность уже найденных примеров крайне велика. Квантовый параллелизм (то самое движение квантовой системы «одновременно по всем возможным траекториям») необычайно эффективно использовал Питер Шор (
Ну, а Лов Гровер (
![]() «Искусственный атом», созданный в Йельском университете. Фото: Schoelkopf Lab, Yale University |
«Даже для численного моделирования единственного атома гелия, причем без учета движения ядра, требуется миллион миллионов узлов расчетной сетки, — говорит Юрий Ожигов, — а это уже серьезная проблема даже для суперкомпьютера. Ну, а о точном квантовом расчете сложнейших молекул белков и ДНК сегодня и думать невозможно. Квантовый же компьютер хорошо приспособлен для решения именно таких задач».
КК может открыть невообразимые сегодня возможности для расчета новых лекарств, материалов, нанотехнологических устройств. Но и технологии, которых потребует его создание, тоже очень высоки. Чтобы дать представление о сложности решаемых задач, завершим эту заметку рассказом о недавнем достижении физиков Йельского университета (точнее — Института нанонаук и квантовой инженерии при этом университете), работающих над созданием масштабируемой технологии сверхпроводящих кубитов. В конце сентября им удалось реализовать
Если говорить в нестрогих терминах, передача квантовой информации происходит так. Фотон вступает в квантовое взаимодействие с
Эта элементарная с точки зрения математики квантовых вычислений операция потребовала огромных усилий экспериментаторов. Реализация «в железе» каждого из перечисленных этапов взаимодействия кубитов стала материалом для отдельной публикации в самом влиятельном из научных журналов —
![]() Технология получения «подходящих» фотонов была разработана в американском Национальном институте стандартов и технологий. Пара фотонов рождается одновременно с заданной энергией в оптическом волокне с микроструктурой. Фото: A. Migdall/NIST |
Создание самого этого фотона — тоже серьезная проблема: надо, чтобы источник генерировал единичные фотоны не почти всегда (что сравнительно просто), а просто всегда (что гораздо сложнее — но иначе квантовая информация будет разрушаться).
Несмотря на подобные трудности, эта технология, по словам авторов и ряда независимых комментаторов, имеет хорошие шансы как кандидат на заветную масштабируемость. Едва ли не впервые реализовано удобно управляемое надежное взаимодействие между кубитами, удаленными на макроскопическое расстояние (несколько миллиметров). Это выделяет данную работу на фоне других разработок по «элементной базе» КК. Однако поток идей и впечатляющих экспериментов с самыми необычными технологиями реализации кубитов сейчас так интенсивен, что явного фаворита среди них пока не может назвать никто.
Леонид Левкович-Маслюк, 09.11.2007
Новости партнёров