Я познаю мир. Компьютеры и интернет

И ото принесло свои результаты. Вскоре российскому физику Алексею Катаеву, работающему в корпорации «Майкрософт», удалось модернизировать шоровский алгоритм. А еще через два года коллега Шора из той же «Белл Лабораториз» Лов Ювер показал, что квантовые вычисления гораздо эффективнее классических не только при взломе шифров, но и во многих других случаях.

В общем, уже никто не сомневался, что компьютер, считающий по законам квантовой механики, – новый этап в эволюции вычислительных устройств. Дело оставалось за малым – надо было создать это чудо техники.

Теория кубита

Поначалу вперед выступили опять;таки теоретики. Американский физик Вен Шумахер ввел в обиход понятие «квантовый бит» или «кубит». Подобно классическому биту информации, кубит теоретически может быть реализован, например в атоме, который находится в принципе в одном из двух энергетических состояний – возбужденном или спокойном.

Главное препятствие на пути построения квантового компьютера – так называемое время декогерентности, в течение которого заданное квантовое состояние разрушается.

Поэтому при выборе той или иной технологии прежде всего принимается во внимание число «шагов вычисления», которое можно успеть совершить, пока процесс не будет разрушен. К этому моменту результат вычислений должен быть «снят» и «переброшен» в другую ячейку или вообще в другой квантовый компьютер.

Схема работы логических устройств в квантовом компьютере. Логическая схема «нет» создает на выходе единицу, если на ней был ноль, и наоборот. В квантовом компьютере ее роль может выполнять атом с двумя энергетическими уровнями. Для копирования сигнала необходима пара атомов А и В. Атом В находится в основном состоянии (0),а А либо в основном, либо в возбужденном (1). Из–за близкого соседства атомов их состояния связаны и влияют друг на друга. Поэтому, когда А соответствует 1, В поглощает фотон и совершает переход 0→1. На выходе схемы появляются две единицы. Если же оба атома А и В находятся в основном состоянии, поглощения энергии не происходит, их состояние не меняется, и на выходе возникает пара нолей

Схема работы логического устройства в квантовом компьютере. Операцию «и» осуществляет логическая схема из трех атомов двух «сортов» – А, В, А. Атом В, «зажатый» между двумя атомами А, находится в основном состоянии, а возможность его возбуждения определяется энергетическим состоянием соседей. Он способен поглотить фотон с переходом 0→1, только если оба атома А находятся в состоянии 1. Если хотя бы один из них имеет нулевое состояние, на выходе схемы окажется ноль

Например, система на ядерных спинах успевает совершить «всего» 10 млн шагов вычислений. (Причем «спин» в данном случае характеристика атома, показывающая, насколько быстро он вращается вокруг собственной оси.)

А вот для системы с так называемой ионной ловушкой время декогерентности измеряется уже числом 1013 шагов.

Технологические заморочки

Вслед за теоретиками за дело взялись и экспериментаторы.

Интересно, что технологию счета ка ядерных спинах они окрестили «компьютером в чашке кофе», так как первый в истории кубит па ее основе был реализован с помощью молекул горячей жидкости.

В 1997 году была построена модель квантового компьютера на двух кубитах. Группа исследователей из «ИБМ», Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли использовала для этого молекулы хлороформа.

Тут же выяснилось, что у технологии есть существенный недостаток: построение компьютера хотя бы из десятка таких кубитов требует охлаждения молекул до температур, всего на тысячные доли градуса отличающихся от абсолютного нуля (–273 градуса по Цельсию). А где взять такой холодильник?..

Атомные или ионные ловушки выглядят более технологично благодаря недавно разработанному методу охлаждения и пленения атомов лазерным лучом. Кубитом здесь служит атом или ион, который помещают в ловушку (изолируют и «подвешивают» с помощью электромагнитного поля или лазерного луча) и обстреливают лазерными импульсами. Управляя частотой и длительностью импульсов, можно организовать переходы пойманного атома из одного состояния в другое, то есть «считать на энергетических уровнях».