В квантовом компьютере элементарной единицей информации является квантовый бит, или
кубит (его роль может выполнять атом или любой другой квантовый объект), а поведение системы кубитов — вычислительного регистра — определяется законами квантовой механики. Кубит тоже может принимать «пограничные» логические состояния, соответствующие, к примеру, двум уровням энергии атома и обозначаемые как I0〉 или I1〉. Но он способен находиться и в «суперпозиции» этих состояний, то есть (с определенной долей вероятности) в каждом из них одновременно. Наглядно совокупность состояний кубита иногда изображают множеством точек на поверхности сферы, находящихся между ее южным и северным полюсами — «0» и «1».
Кубиты обладают и другими удивительными свойствами квантовых объектов: иногда между парой кубитов возникают так называемые сцепленные (связанные между собой) состояния. В этом случае, изменяя состояние одного, можно управлять состоянием другого.
Классический регистр, например, состоящий из трех битов, содержит в каждый момент времени только одно из восьми возможных значений: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, в то время как квантовый регистр может одновременно хранить все эти восемь чисел. Если мы будем добавлять кубиты в регистр, то его объем будет увеличиваться экспоненциально — 3 кубита могут хранить 8 различных чисел, 4 кубита — 16, N кубитов — 2N чисел одновременно. Причем над всеми числами сразу можно произвести некие математические операции.
Таким образом, квантовый компьютер с 1 000 кубитами в своей оперативной памяти может содержать 21 000 или примерно 10300 комбинаций нулей и единиц, что значительно превышает возможности самых современных суперкомпьютеров с терабайтами (1012 ) оперативной памяти.
Специалисты считают, что, научившись управлять всего 1 000 кубитами, можно создать полномасштабный квантовый компьютер и достичь существенного ускорения вычислительного процесса. На первый взгляд 1 000 кубитов — не так много, если сравнивать это число с количеством транзисторов (сотни миллионов), которые содержат процессоры современных классических компьютеров. Однако пока наибольшим объявленным достижением в квантовых вычислениях является возможность управлять всего лишь пятью–семью кубитами.
Ловушки для ионов
Сразу условимся: поскольку реально действующий квантовый компьютер до сих пор не создан (по крайней мере, открыто об этом никем не заявлено), имеет смысл говорить лишь о возможных путях его реализации, которые рассматриваются и разрабатываются в различных лабораториях мира, в том числе и в российских. У нас в стране активно этими исследованиями занимаются в Физико-технологическом институте Российской академии наук, возглавляемом академиком РАН К.А. Валиевым, поделившимся с нами своими мыслями по данному поводу.
Теоретических и экспериментальных моделей квантового компьютера предложено достаточно много. Процесс вычислений в них происходит за счет управления квантовой динамикой отдельных атомов (кубитов), осуществляемого подачей на них внешних сигналов.
Одна из моделей — компьютер на ионах в ловушке — основана на использовании так называемых «подвешенных» в вакууме ионов. Кубитом в этом случае служит атом или ион. Его изолируют с помощью электромагнитного поля и «обстреливают» лазерными импульсами. Каждый кубит удален от соседей на несколько микрон, имеет определенное пространственное положение, поэтому на нем не сложно сфокусировать лазерный луч, который подается импульсами и меняет состояние атома. Сегодня ученые научились «подвешивать» несколько атомов в виде линейной цепочки, образующей одномерный ионный кристалл. Правда, больших кристаллов получить пока не удается, рекорд на сегодняшний день — цепочка из 30 ионов. Больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского университета в Австрии, а осуществили — исследователи в Лос-Аламосской национальной лаборатории США.
Логические преобразования над кубитами можно осуществлять и с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это явление, связанное с переориентацией магнитных моментов атомных ядер во внешнем магнитном поле, сегодня активно используется физиками, химиками, биологами и врачами в разного рода анализаторах и томографах, позволяющих заглянуть внутрь самых разнообразных устройств, материалов и живых объектов.