Квантовые кубики

Учеными-физиками предложен новый тип компьютера - квантовый когерентный компьютер (часто называемый просто квантовым компьютером). Для его построения требуется совершенно новая элементная база; принципы представления и обработки информации в таком компьютере основаны на законах квантовой механики. В самой идее его работы заложена возможность одновременной обработки одним процессором всех возможных комбинации битов в компьютерном слове. Это равносильно перебору вариантов, число которых растет экспоненциально с разрядностью слова. Работая со словами длиной 50-100 бит, квантовый компьютер оставит позади любые компьютеры, построенные на основе модели Шеннона. Уже построен экспериментальный образец процессора на двух кубитах. До конца столетия разрядность, судя по всему, будет увеличена до десяти и более кубит.

Не секрет, что сейчас можно с успехом использовать компьютер и даже писать для него программы любой сложности, совершенно не представляя физических основ его функционирования (и это, кстати говоря, очень хорошо и удобно). Ученые-физики постарались и придумали компьютер, которым пока невозможно пользоваться, не зная определенных положений квантовой механики (основная идея принадлежит самому Р. Фейнману). Уже и имя ему заготовили - "квантовый когерентный компьютер". Мы будем его здесь называть просто квантовым компьютером, или, сокращенно, КК. К сожалению, ученые еще недостаточно хорошо знают квантовые свойства природы, и их замысел воплощен в жизнь пока не полностью. Так что программистов пока не удалось засадить за учебники теоретической физики. А жаль!

Что же это за тайное оружие такое - КК? Остроумная идея заключается в использовании для хранения, передачи и обработки информации существенно квантовых свойств вещества. В основном такие свойства проявляют объекты микромира: элементарные частицы, атомы, молекулы и небольшие сгустки молекул, так называемые кластеры. (Хотя, конечно, и в жизни макромира квантовая механика играет важную роль. В частности, только с ее помощью можно объяснить такое явление, как ферромагнетизм.) Одним из квантовых свойств вещества является то, что некоторые величины при измерении (наблюдении) могут принимать значения лишь из заранее определенного дискретного набора. Такой величиной, например, является проекция собственного момента импульса, или, иначе говоря, спина элементарной частицы, на любую заданную ось. Например, у электрона возможно только два значения проекции: +¹/₂ или -¹/₂ (скажем, спин вверх или спин вниз). Таким образом, количество информации, необходимое для сообщения о проекции, равно одному биту. Записав в классическую однобитную ячейку памяти определенное значение, мы именно его оттуда и прочтем, если не произойдет какой-нибудь ошибки.

Классической ячейкой может послужить и спин электрона. Однако квантовая механика позволяет записать в проекции спина больше информации, чем в классике.

Для описания поведения квантовых систем было введено понятие волновой функции. Существуют волновые функции, называемые собственными для какой-то конкретной измеряемой величины. В состоянии, описываемом собственной функцией, значение этой величины может быть точно предсказано до ее измерения. Именно с такими состояниями работает обычная память. Квантовая же система может находиться и в состоянии с волновой функцией, равной линейной комбинации собственных функций, соответствующих каждому из возможных значений (назовем здесь такие состояния сложными). В сложном состоянии результат измерения величины не может быть предсказан заранее. Заранее известно только, с какой вероятностью мы получим то или иное значение. В отличие от обычного компьютера, в квантовом для представления данных используются такие ячейки памяти, которые могут находиться в сложном состоянии. В нашем примере мы определили бы, что спин электрона с определенной вероятностью смотрит вверх и вниз, то есть можно сказать, что в кубит записаны сразу и 0, и 1. Количество информации, содержащееся в такой ячейке, и саму ячейку называют квантовым битом, или, сокращенно, кубитом. Согласитесь, ячейки в сложных состояниях весьма необычны для классической теории информации. Каждому возможному значению величины, представленной кубитом, соответствует вероятность, с которой это значение может быть получено при чтении. Эта вероятность равна квадрату модуля коэффициента, с которым собственная функция этого значения входит в линейную комбинацию. Именно вероятность и является информацией, записанной в кубит¹.

Квантовую механику не случайно называют иногда волновой механикой. Дело в том, что квантово-механические волновые функции ведут себя подобно световой или какой-либо другой волне. И для волновых функций, благодаря их способности интерферировать, также может быть введено понятие когерентности. Именно это свойство используется в когерентном квантовом компьютере. Набор кубитов представляется когерентными волновыми функциями. Оказывается, что существует вполне определенный класс воздействий на квантовую систему, называемый унитарными преобразованиями, при которых не теряется записанная в кубит информация и не нарушается когерентность кубитов. Унитарные преобразования обратимы - по результату можно восстановить исходные данные. После прохождения через квантовый процессор, использующий унитарные преобразования, волновые функции кубитов заставляют интерферировать друг с другом, наблюдая получающуюся картину и судя по ней о результате вычисления.

Из-за того, что для представления информации используются кубиты, в которых записано сразу оба значения - и 0, и 1, в процессе вычислений происходит параллельная обработка сразу всех возможных вариантов комбинаций битов в процессорном слове. Таким образом, в КК реализуется естественный параллелизм, недоступный классическим компьютерам. За счет возможности параллельной работы с большим числом вариантов, в идеале равным 2N (где N - число кубитов), квантовому компьютеру необходимо гораздо меньше времени для решения определенного класса задач. К ним относятся, например, задача разложения числа на простые множители или поиск в большой базе данных. Для когерентного компьютера уже предложены алгоритмы, использующие его уникальные свойства. Кроме того, предполагается использовать КК для моделирования квантовых систем, что трудно или вообще невозможно сделать на обычных компьютерах из-за нехватки мощности или по принципиальным соображениям.

Все существующие на сегодняшний день обычные компьютеры, даже с параллельной обработкой информации на многих процессорах, могут быть смоделированы так называемым клеточным автоматом Тьюринга. Это существенно детерминистская и дискретная машина. С возникновением и обсуждением идей квантовых вычислений стала активно развиваться квантовая теория информации и, в частности, теория квантовых клеточных автоматов - ККА. Квантовый клеточный автомат является обобщением автомата Тьюринга для КК. Сформулирована гипотеза, гласящая, что каждая конечным образом реализуемая физическая система может быть достаточно хорошо смоделирована универсальной моделью квантовой вычислительной машины, использующей ограниченное количество ресурсов. Для одного из предложенных типов ККА теоретически уже доказано, что он подходит для такого моделирования и не противоречит квантовой теории.

Пытаясь осуществить свой замысел, ученые упираются в проблему сохранения когерентности волновых функций кубитов, так как потеря когерентности хотя бы одним из кубитов разрушила бы интерференционную картину. В настоящее время основные усилия экспериментальных рабочих групп направлены на увеличение отношения времени сохранения когерентности ко времени, затрачиваемому на одну операцию (это отношение определяет число операций, которые можно успеть провести над кубитами). Главной причиной потери когерентности является связь состояний, используемых для кубитов, со степенями свободы, не участвующими в вычислениях. Например при передаче энергии электрона в возбужденном атоме в поступательное движение всего атома. Мешает и взаимодействие с окружающей средой, например с соседними атомами материала компьютера или магнитным полем Земли, но это не такая важная проблема. Вообще, любое воздействие на когерентную квантовую систему, которое принципиально позволяет получить информацию о каких-либо кубитах системы, разрушает их когерентность. Потеря когерентности может произойти и без обмена энергией с окружающей средой.

Воздействием, нарушающим когерентность, в частности, является и проверка когерентности. При коррекции ошибок возникает своего рода замкнутый круг: для того чтобы обнаружить потерю когерентности, нужно получить информацию о кубитах, а это, в свою очередь, также нарушает когерентность. В качестве выхода предложено много специальных методов коррекции, представляющих также и большой теоретический интерес. К сожалению, даже для описания их основных идей понадобится слишком много места. Стоит лишь сказать, что все они построены на избыточном кодировании.

Если в области передачи информации уже созданы реально работающие системы и до коммерческих продуктов осталось лишь несколько шагов, то коммерческая реализация квантового когерентного процессора - дело будущего. К настоящему времени КК научился вычислять сумму 1+1! Это большое достижение, если учесть, что в виде результата он выдает именно 2, а не 3 и не 0. Кроме того, не следует забывать, что и первые обычные компьютеры были не особенно мощны. К началу следующего века ученые планируют продвинуться гораздо дальше.

Сейчас ведется работа над двумя различными архитектурами процессоров: типа клеточного автомата и в виде сети логических элементов. Пока неизвестно о каких-либо принципиальных преимуществах одной архитектуры перед другой. Как функциональная основа для логических элементов квантового процессора более или менее успешно используется целый ряд физических явлений. Среди них - взаимодействие одиночных поляризованных фотонов или лазерного излучения с веществом или отдельными атомами, квантовые точки, ядерный магнитный резонанс и - наиболее многообещающий - объемный спиновый резонанс (bulk spin resonance). Процессор, построенный на последнем принципе, в шутку называют "компьютером в чашке кофе" - из-за того, что в нем работают молекулы жидкости при комнатной температуре и давлении. Кроме этих эффектов есть довольно хорошо развитая технология логических элементов и ячеек памяти на Джозефсоновских переходах, которую можно при соответствующих условиях приспособить под когерентный процессор. С некоторой совковой гордостью можно отметить, что основоположником исследований в этом направлении является К. К. Лихарев, до 1988 года работавший в МГУ и защитивший там докторскую, а сейчас являющийся профессором физики в университете Стони-Брук в Нью-Йорке.

Для тех, кто заинтересовался физическими основами работы КК, приведем чуть более подробное описание некоторых типов логических ячеек. Однако объяснение физических явлений, которые они используют, обычно занимает главу или больше в вузовском учебнике и по понятным причинам не может быть здесь приведено. Поэтому можно лишь посоветовать неискушенным в физике читателям пропустить следующие пять абзацев или все же прочитать их, но не обижаться на заумность изложения.

Теорию, описывающую явления, лежащие в основе первого типа логических ячеек, называют квантовой электродинамикой в полости или резонаторе. Кубиты хранятся в основных и возбужденных состояниях атомов, расположенных некоторым образом на равных расстояниях в оптическом резонаторе. Для каждого атома используется отдельный лазер, приводящий его в определенное состояние с помощью короткого импульса. Взаимовлияние атомных состояний происходит посредством обмена фотонов в резонаторе. Основными причинами разрушения когерентности здесь служат спонтанное излучение и выход фотонов за пределы резонатора.

В элементах на основе ионов в линейных ловушках кубиты хранятся в виде внутренних состояний пойманных ионов. Для управления логикой и для манипулирования отдельными кубитами также используются лазеры. Унитарные преобразования осуществляются возбуждением коллективных квантованных движений ионов. Источниками некогерентности является спонтанный распад состояний ионов в другие внутренние состояния и релаксация в колебательные степени свободы.

Сильно отличается от двух предыдущих "компьютер в чашке кофе". Про него расскажем чуть подробнее, так как в нем используется уникальный и очень интересный с практической точки зрения метод естественной коррекции ошибок и образования кубитов. Из-за достоинств такого метода этот компьютер является наиболее реальным претендентом на то, чтобы достигнуть разрядности 10 бит в ближайшее время. В компьютере на коллективном спиновом резонансе работают молекулы обычных жидкостей (без всяких квантовых вывертов типа сверхтекучести). В качестве кубитов используется ориентация ядерных спинов. Работа логических ячеек и запись кубитов осуществляется радиочастотными электромагнитными импульсами со специально подобранными частотой и формой. В принципе, прибор похож на обычные приборы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и использует аналогичную аппаратуру. Жизнеспособность этого подхода обеспечивается, с одной стороны, очень слабой связью ядерных спинов с окружением и, потому, большим временем сохранения когерентности (до тысяч секунд). Эта связь ослаблена из-за экранирования ядерных спинов спинами электронов из оболочек атомов. С другой стороны, можно получить сильный выходной сигнал, так как для вычислений параллельно используется большое количество молекул. "Не так уж сложно измерить спин четвертого ядра у какого-то типа молекул, если у вас имеется около числа Авогадро (~1023) таких молекул", - говорит Ди'Винченцо (DiVincenzo), один из исследователей. Для определения результата непрерывно контролируют излучение всего ансамбля. Такое измерение не приводит к потере когерентности в компьютере, как было бы в случае использования только одной молекулы.

Ядерные спины в молекулах жидкости при комнатной температуре хаотически разупорядочены, их направления равномерно распределены от 0 до 4 ². Проблема записи и считывания кажется непреодолимой из-за этого хаоса. При воздействии магнитного поля спины начинают ориентироваться по полю. После снятия поля через небольшое время система снова приходит к термодинамическому равновесию, и в среднем лишь около миллионной доли всех спинов остается в состоянии с ориентацией по направлению поля. Однако благодаря тому, что среднее значение сигнала от хаотически направленных спинов равно нулю, на этом фоне можно выделить довольно слабый сигнал от "правильных" спинов. Вот в этих-то молекулах с правильными ядерными спинами и размещают кубиты. Для коррекции ошибок при записи N кубитов используют 2N или больше спинов. Например, для N=1 выбираются такие жидкости, где какие-то два спина ядер в одной молекуле после определенного воздействия полем могут быть ориентированны только одинаково. Тогда по направлению второго спина при снятии результата обработки можно отсеять нужные молекулы, никак не влияя на первый спин.

Как уже было сказано, обработка битов осуществляется радиоимпульсами. Основным логическим элементом является управляемый инвертор. Из-за спин-спинового взаимодействия резонансная частота, при которой происходит опрокидывание одного спина, зависит от направления другого.

В общем, как показывает история науки, время от первых экспериментальных образцов до воплощения идеи в коммерческие продукты все более сокращается. Так что в обозримом будущем можно ожидать появления квантовых компьютеров в обиходе. Они изменят наши представления о вычислениях и информации, не говоря уж о производительности и экономичности. Поэтому тема квантовых вычислений является весьма интересной как в фундаментальном, так и в прикладном смысле. Отправной точкой для дальнейшего ознакомления с этим вопросом могут послужить перечисленные ниже сайты. Интересного чтения! http://www.banished.demon.co.uk/quantum/Qindex.htm, http://www.teory.caltech.edu/~quic/, http://feinman.stanford.edu/qcomp/, http://pavel.physics.sunysb.edu/RSFQ/RFSQ.html

¹ Квантовая система может находиться и в состоянии, не описываемом с помощью волновой функции, такие состояния называются смешанными.

² Именно на 720 градусов нужно повернуть частицу со спином ¹/₂, чтобы вернуть ее в прежнее положение.
- Г.Б.