[Править] Применение квантовых компьютеров [править] Специфика применения
Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.
Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:
необходимо обеспечить высокую точность измерений;
внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.
[Править] Приложения к криптографии
Благодаря огромной скорости разложения на простые множители, квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Для того, например, чтобы получить доступ к кредитной карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров выполнение этой задачи заняло бы больше времени, чем возраст Вселенной, в сотни раз. Благодаря алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.
Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений[8]. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки[9].
[Править] Физические реализации квантовых компьютеров
Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. В настоящее время построены только ограниченные его варианты (в пределах 10 кубит). Вопрос о том, до какой степени возможно масштабирование такого устройства, является предметом новой интенсивно развивающейся области — многочастичной квантовой механики. Центральным здесь является вопрос о природе декогерентности (точнее, о коллапсе волновой функции), который пока остается открытым. Различные трактовки этого процесса можно найти в книгах[10],[11],[12].
На рубеже 21 века во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, о которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов). Очень скоро был реализован жидкостной ЯМР — квантовый компьютер (до 7 кубит, IBM, И. Чанг)[источник не указан 297 дней]. В 2005 году группой Ю. Пашкина (NEC, Япония) был построен двухкубитый квантовый процессор на сверхпроводящих элементах[источник не указан 297 дней]. Примерно в это время до десятка кубит было сделано на ионах в ловушках Пауля (Д. Винланд, П. Золлер, Р. Блатт)[источник не указан 297 дней].
В России разработкой вопросов физической реализации квантового компьютера занимается ряд исследовательских групп, ядро которых составляет школа академика К. А. Валиева: Физико-технологический институт РАН (лаборатория ФКК), МГУ (ф-т ВМК, кафедра КИ, физический ф-т, кафедра КЭ), МФТИ, МИФИ, МИЭТ, КГУ, ЯрГУ, а также ряд сотрудников институтов РАН (ИТФ, ИФТТ и др.) и вузов[источник не указан 297 дней].
Главные технологии для квантового компьютера:
Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определенной точке) либо направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние потенциалы или лазерным импульсом.
Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, сквиды и др.). В качестве логических кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определенной пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических кубитов используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы + колебательные моды ионного ансамбля.
Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или для как элементы управления классическими вычислительными сетями.
В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит[13].
В феврале 2012 года компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов которые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера[14].
[править] Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках
Один
кубит можно представить в виде электрона
в двух ямном потенциале, так что
означает
нахождение его в левой яме, а
—
в правой. Это называется кубит на
зарядовых состояниях. Общий вид квантового
состояния такого электрона:
.
Зависимость его от времени есть
зависимость от времени амплитуд
;
она задается уравнением Шредингера
вида
гдегамильтониан
имеет
в силу одинакового вида ям иэрмитовости
вид
для
некоторой константы
,
так что вектор
есть
собственный вектор этого гамильтониана
с собственным значением 0 (так называемое
основное состояние), а
—
собственный вектор со значением
(первое
возбужденное состояние). Никаких других
собственных состояний (с определенным
значением энергии) здесь нет, так как
наша задача двумерная. Поскольку каждое
состояние
переходит
за время
в
состояние
,
то для реализации операции NOT (перехода
и
наоборот достаточно просто подождать
время
.
То есть гейт NOT дается просто естественной
квантовой эволюцией нашего кубита при
условии, что внешний потенциал задает
двух ямную структуру; это делается с
помощью технологии квантовых точек.
Для
реализации CNOT надо расположить два
кубита (то есть две пары ям) перпендикулярно
друг другу, и в каждой из них расположить
по отдельному электрону. Тогда константа
для
первой (управляемой) пары ям будет
зависеть от того, в каком состоянии
находится электрон во второй (управляющей)
паре ям: если ближе к первой,
будет
больше, если дальше — меньше. Поэтому
состояние электрона во второй паре
определяет время совершения NOT в первой
яме, что позволяет снова выбрать нужную
длительность времени для производства
операции CNOT.
Эта схема очень приблизительная и идеализирована; реальные схемы сложнее и их реализация представляет вызов экспериментальной физике.
[править] Заявления D-Wave
Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion[15]). Информация об этом устройстве не отвечала требованиям достоверного научного сообщения, поэтому новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании — создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер — вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[16].
В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера (устройство получило название Leda) онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам[17]. Данная демонстрация также вызвала скепсис.
В январе 2008 года компания привлекла 17 млн долларов США от международных инвесторов на поддержание своей деятельности (англ. product development, operations and business development activity).[18]
В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений AQUA@home (Adiabatic QUantum Algorithms)[19], в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.
8 декабря 2009 года на конференции NIPS (англ.) научный сотрудник Google Hartmut Neven (англ.) продемонстрировал на компьютере D-Wave работу программы распознавания образов.[20]
Более подробно о компании D-Wave Systems Inc., проводящихся в ней исследованиях и последних результатах можно узнать в блоге сооснователя компании Geordie Rose.[21]
11 мая 2011 года представлен компьютер D-Wave One, созданный на базе 128-кубитного процессора.[22]
С 20 мая 2011 года D-Wave Systems продает за $ 11 млн квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу — дискретную оптимизацию.[23] Компьютер расположен в вычислительном центре Южно-Калифорнийского университета (университетский городок института информатики в Марина-дель-Рэе (англ. Marina del Rey)). Его рабочая температура составляет 20 мкК, компьютер тщательно экранирован от внешних электрических и магнитных полей.[24][25]
25 мая 2011 года Lockheed Martin подписала многолетний контракт с D-Wave Systems, касающийся выполнения сложных вычислительных задач на квантовых процессорах. Контракт также включает в себя техническое обслуживание, сопутствующие услуги и покупку квантового компьютера D-Wave One.[26]
См. также
Компьютеры пятого поколения
ДНК-компьютер
Молекулярный компьютер
Недетерминированная машина Тьюринга
Квантовый алгоритм
Квантовая информация
Квантовая память
Список новых перспективных технологий
Квантовое программирование
Квантовая нанотехнология
Эффект Джозефсона