3.10. Квантовий комп’ютер

Принцип роботи квантового комп’ютера базується на теорії сплутаних станів.

Сплутаність (англ.: entanglement) - це особлива властивість квантових систем, яка проявляється в тому, що вони певним чином пов’язані між собою, навіть знаходячись на значній відстані одна від одної. Якщо стан однієї з систем змінюється, то одночасно змінюється і стан інших. Ця особливість дозволяє спостерігачеві визначати стан всіх сплутаних систем, проводячи виміри лише для однієї з них. Вважається, що сплутаність може виявитися корисною при створенні квантових комп’ютерів - обчислювальних пристроїв, які можуть проводити набагато більше обчислень за одиницю часу, ніж звичайні комп’ютери.

На відміну від звичайних квантові комп’ютери оперують так званими кубітами (англ.: quantum bit або qubit) - квантовими аналогами бітів, які можуть набувати більше двох значень. Роль кубіта може виконувати атом або будь-який інший квантовий об’єкт.

Як у класичних, так і в квантових комп’ютерах біти або кубіти об'єднані в послідовності – регістри. Звичайний двобітовий регістр може зберігати 4 значення – логічні 00, 01, 10 або 11, але лише одне з них в даний конкретний момент часу. А в двокубітовому регістрі одночасно знаходяться всі 4 можливих значення. (Взагалі в регістрі розміром N кубітів одночасно „живуть” всі можливі значень.)

Між кубітами квантового комп’ютера можна створити сплутаність.

Основні роботи над апаратним забезпеченням квантового комп’ютера просуваються в наступних напрямах:

1. створення квантового процесора;

2. створення пристроїв для зберігання квантової інформації (квантова пам’ять);

3. розробка квантової шини для обміну інформацією.

Слід відзначити, що це лише аналоги відповідних пристроїв класичного комп’ютера, які істотно від них відрізнятимуться.

3.10.1. Квантовий процесор

Найбільші зусилля і засоби в даний час направлені на створення квантового процесора, і тут досягнуті значні успіхи. При його розробці необхідно, перш за все, вибрати фізичну систему, фізичну основу процесора, яка б відповідала наступним вимогам:

1. Фізична система, що є квантовим процесором, повинна містити значне число (N > 100) добре розпізнаваних кубітів для виконання відповідних квантових операцій;

2. Необхідно забезпечити умову для приготування вхідної комірки пам’яті (регістра) у вихідному основному базисному стані. Тобто повинна існувати досить легка можливість ініціалізації (обнуління) регістра і переведення кубітів, що реалізовуються, в початковий стан;

3. Необхідно обмежити процес спонтанної зміни квантових станів, зумовлений взаємодією системи кубітів з навколишнім середовищем, що приводить до руйнування суперпозицій квантових станів і робить неможливим виконання квантових алгоритмів. Цей час повинен, принаймні, в раз перевищувати час виконання основних квантових операцій (час такту). Для цього система кубітів повинна досить слабко взаємодіяти з оточенням;

4. Необхідно забезпечити за час такту виконання необхідної сукупності квантових логічних операцій, що визначає унітарне перетворення. Річ у тому, що будь-яку математичну операцію, як арифметичну (додавання, віднімання, множення, ділення і т. д.), так і логічну („і”, „або” і т. д.), можна звести до обмеженого числа логічних операцій. З них основні всього лише три: операція CNOT (контрольоване НЕ, Controlled NOT, аналог виключаючого АБО в класичних комп’ютерах) — це двокубітна операція, а також дві однокубітні операції — операція НЕ і перетворення Адамара. Ці операції над кубітами, дозволяють реалізувати будь-яку програму для квантового комп’ютера;

5. Необхідно впливати на кожен кубіт окремо, а також мати можливість вимірювати стан квантової системи на виході, тобто при отриманні результату. Одним словом, вибір фізичної основи квантового процесора має бути узгоджений з досить простим пристроєм введення-виведення інформації.

В даний час ведуться роботи над наступними основними варіантами фізичної основи (елементної бази) квантового процесора:

1. Використання в якості квантового процесора посудини з органічною рідиною, де кубітами є ядра окремих атомів із спінами 1/2, пов’язаних непрямими спін-спіновими взаємодіями (розчин хлороформу ¹³СНСl₃ в дейтерієвому ацетоні (CD₃)₂CO або 2,3-дибромотиофен SCH:(CBr)₂:CH). Диполь-дипольна взаємодія ядерних спінів в декілька тисяч разів більша за непряму спін-спінову взаємодію.

2. Використання в якості кубітів рівнів енергії іонів, захоплених іонними пастками, що створюються у вакуумі змінним електричним полем певної конфігурації в умовах лазерного охолоджування пасток до температур в декілька мікрокельвінів. Взаємодія між зарядженими іонами в одновимірному ланцюжку цих пасток здійснюється за допомогою збудження їх колективного руху, а індивідуальне управління ними — за допомогою лазерів інфрачервоного діапазону.

3. Використання в якості кубітів зарядових станів куперівських пар в квантових точках: одним з головних кандидатів на роль кубіта вважається квантова точка – обмежений фрагмент напівпровідникового матеріалу, який настільки малий, що в ньому можуть існувати квантові ефекти. Ці елементи містять єдиний додатковий електрон, що і дає можливість зберігати цілі лінійні послідовності з логічного „0” або „1”.

4. У напівпровідникових кристалах безспінового моноізотопного кристалу кремнію , в якому атоми фосфору (кубіти) розташовані в лінійному ланцюжку (модель Кейна) на деякій відстані (близько 20нм) від ізолятора .