Теория и практика

Основной частью квантового компьютера является регистр, состоящий из некоторого числа кубит. Процесс вычислений заключается в операциях, производимых над регистром, переводящих его из одной суперпозиции базисных состояний в другую.

Если упрощать, то весь процесс вычисления сводится к трем операциям. Сначала происходит инициализация (подготовка начального состояния), во время которой все кубиты переводятся в основное базисное состояние — 0. Далее осуществляется ввод информации. При этом регистр переходит в суперпозицию базисных состояний, выражающую с разной степенью вероятности любую комбинацию нулей и единиц в пределах имеющегося количества кубит. Следующий этап — обработка информации квантовым процессором. При этом над регистром выполняется ряд логических операций, вследствие чего он принимает новое квантовое состояние (по сути — та же суперпозиция, выражающая любую комбинацию нулей и единиц, но с другими вероятностями), что и является результатом вычислений.

Так выглядит рабочий узел пресловутого квантового компьютера фирмы D-Wave

Квантовый компьютер может быть реализован сразу на нескольких вариантах элементной базы. Если такое положение дел сохранится, то в будущем пользователи будут козырять не фразами «у меня Intel на 0,11-микронной технологии!» или «поставил новый проц от AMD», а «попробовал ионный процессор — отличная штука!» или «а у меня твердотельный ЯМР».

Так выглядит рабочий узел квантового компьютера изнутри. Температура процессорной зоны должна быть близка к абсолютному нулю, для чего ее погружают в жидкий гелий. Разумеется, до бытовых «персоналок» этому монстру еще долго эволюционировать

А это — его сердце, квантовый чип Orion. Создатели уверяют, что сегодняшний Orion — 16-кубитный, и в 2008 году обязуются проапгрейдить его до заветных 512 кубит

Принципиальная разница заключается в физическом воплощении самих ячеек информации — кубит. При этом существенно отличаются и способы представления их базисных состояний. Например, они могут определяться направлением спина атомного ядра (вверх — 0, вниз — 1), направлением течения тока в микроскопическом сверхпроводящем кольце, находящимся в электромагнитном поле (по часовой стрелке — 0, против часовой стрелки — 1), состоянием ядра (основное — 0, возбужденное — 1), а также поляризацией фотона (здесь множество вариантов, поскольку есть три типа поляризации, и в каждом из них возможно зашифровать основное и не основное базисные состояния кубита) и т.д.

Таким образом, квантовая система может быть реализована на основе как вполне «обозримой» элементной базы (например, сверхпроводники, сверхтекучие жидкости, бозе-газ), так и на микроскопическом уровне. Собственно, выбор технологии на сегодняшний день определяется двумя критериями: научный интерес (принципиальная возможность реализации) и практическая необходимость (принцип максимальной эффективности при минимальных затратах). При этом оптимальный вариант еще не определен.

Реализация каждой схемы в настоящее время связана с серьезными трудностями.

Например, возьмем (условно говоря) квантовый компьютер, построенный на ионах кальция. Эта схема признана эффективной и работоспособной, и уже не раз была реализована. Тем не менее ее практичность оставляет желать лучшего, ведь для работы такой вычислительной машины требуются сверхнизкие температуры. Ионы кальция охлаждают до температуры -273,15 градусов Цельсия и помещают в так называемую магнитную ловушку. Это своеобразная вакуумная камера с системой из нескольких электродов, создающих электромагнитное поле, которое удерживает частицы на своих местах. Ионы располагаются вдоль одной прямой, на расстоянии, допускающем их взаимодействие друг с другом. Таким образом выстраивается квантовый регистр. Операции над ионами-кубитами осуществляются при помощи точечного облучения лазером с определенной длиной волны. Такое воздействие переводит частицу из основного состояния в возбужденное, т.е. неустойчивое, характеризующееся наличием избыточной энергии. Магнитная ловушка находится под углом к излучателю, поэтому лазерный луч, направленный на один ион-кубит, изменяет и соседние, а за счет взаимодействия ионов изменяется вся система в целом. Логические операции осуществляются специально подобранной последовательностью лазерных импульсов определенной длительности.

Для считывания информации ученые придумали весьма остроумную систему. Дело в том, что ион кальция, благодаря удачному расположению энергетических уровней, при воздействии лазера сам излучает свет (явление флуоресценции). Причем только в том случае, если он находится в основном состоянии. При облучении в возбужденном состоянии флуоресценция не наблюдается. Таким образом, состояние каждого иона-кубита может быть определено «визуально» — при помощи специальной цифровой камеры, настроенной на определенную длину волны. Конечно, многие технические решения этой системы заставляют задуматься над выражением «микроскопом гвозди забивать». Однако прогресс тоже не стоит на месте, и уже сегодня создаются коммерческие версии квантовых систем, а общий ажиотаж вокруг этой темы позволяет с уверенностью сказать, что в ближайшее время исследования квантовых вычислительных систем не будут заброшены.