Не мытьем, так квантованием

Две любопытные статьи — теоретическая и экспериментальная — были недавно опубликованы в журнале Nature.

Две любопытные статьи — теоретическая и экспериментальная — были недавно опубликованы в журнале Nature. Они ведут разными путями, но к одной заветной цели — созданию квантового компьютера, способного решать задачи, принципиально непосильные современным вычислительным машинам.

В первой, теоретической статье профессор Национального института стандартов и технологии США Эмануил Нилл (Emanuel Knill) предложил новую иерархическую архитектуру квантового компьютера. По утверждению автора, эта архитектура, в принципе, позволяет построить квантовый вычислитель на основе уже реализованных в эксперименте компонентов.

Как известно, главным препятствием на пути создания квантовых компьютеров является быстрое разрушение нежной квантовой информации внешним шумом. Единица квантовой информации кубит, способная представлять либо логический ноль, либо единицу, либо то и другое одновременно, реализуется в виде квантового состояния фотона, атома, иона или другой микрочастицы. Это базовый блок квантового компьютера. Пока в научных лабораториях удалость провести квантовые вычисления лишь для нескольких кубитов, чего, разумеется, недостаточно для практических расчетов. И чем больше кубитов в квантовом компьютере, тем быстрее разрушается информация.

Чтобы обойти эту трудность, Нилл предложил организовать все кубиты квантового компьютера в простую пирамидальную структуру из небольших блоков кубитов. Квантовые данные будут телепортироваться с уровня на уровень и постоянно проверяться на целостность. При такой иерархической структуре компьютера вычисления можно будет проводить, даже если вероятность ошибки одного кубита за время расчетов составляет три процента. А этот уровень уже достигнут в экспериментах на ионных квантовых компьютерах. Нет проблем и с телепортацией квантовой информации.

Сегодня, чтобы обеспечить надежную работу всего пары кубитов, нужно будет создать три уровня иерархии и оперировать с 36 кубитами только на нижнем уровне. Однако это все же лучше, чем ничего. И баланс между избыточностью и надежностью вычислений в схеме Нилла заметно лучше, чем при других подходах. Тем более что требования к избыточности архитектуры компьютера могут быть значительно снижены при уменьшении уровня ошибок.

Пока работоспособность новой архитектуры проверена лишь в многомесячных вычислительных экспериментах на обычной рабочей станции. Выводы автора еще нуждаются в строгих математических доказательствах и в экспериментальной проверке.

В другой работе большой группы европейских ученых, координируемой из Венского университета, впервые удалось экспериментально реализовать «однонаправленные» квантовые вычисления, предложенные теоретиками Раусзендорфом и Бригелем (Raussendorf, Briegel) в 2001 году.

Однонаправленный квантовый компьютер принципиально отличается от обычного квантового компьютера и даже заставляет ученых переосмыслить саму концепцию квантовых вычислений. В обычном квантовом компьютере сначала приготовляются начальные квантовые состояния кубитов, затем алгоритм вычислений реализуется путем последовательности обратимых во времени манипуляций с состояниями кубитов, а результат вычислений измеряется. Именно осуществление обратимых манипуляций, то есть «перепутывания» состояний кубитов, которые легко разрушаются любым шумом, и вызывает основные трудности.

В однонаправленном квантовом компьютере кластер из квантовых частиц изначально приготовляется в сильно «перепутанном» состоянии, а алгоритм квантовых вычислений сводится к последовательности необратимых измерений состояний кубитов. Необратимость вычислений, которые гораздо меньше портятся шумом, и заставляет называть такой компьютер однонаправленным. Теоретики показали, что однонаправленным способом можно реализовать алгоритм поиска Гровера (Grover), а к нему, как известно, можно свести все остальные «неподъемные» алгоритмы, решаемые на обычном компьютере лишь прямым перебором всех вариантов ответа. В эксперименте был сооружен однонаправленный компьютер на четырех кубитах, физически реализуемых состояниями поляризации четырех фотонов. Экспериментальная установка представляет собой сложную комбинацию импульсных лазеров, поляризационных фильтров, нелинейных оптических кристаллов и фотоприемников. Четыре фотона были приготовлены в «перепутанном» квантовом состоянии, а затем ряд измерений их поляризации позволил успешно выполнить алгоритм Гровера. Разумеется, четыре кубита — это немного, но на данном этапе важнее всего экспериментальное подтверждение концепции.

Пока сравнительно молодое направление однонаправленных квантовых вычислений развито слабее традиционного. Однако именно с ним ряд специалистов связывает большие надежды на создание в обозримом будущем квантовых компьютеров для практических вычислений. Удастся ли это ученым, сказать трудно, но, судя по тому, что постоянно предлагаются новые решения старых проблем, их надежды отнюдь не беспочвенны.