Квантовая магия - Сергей Доронин

Примерно то же самое происходит в случае эволюции любой многосоставной системы, а также и самой большой из всех возможных систем — нелокального источника реальности.

Я бы еще сказал так: ЧЗСУ — источник всего сущего — при этом трансцендентен (запределен, потусторонен) для всего классического мира. Маленький (по размерности) вектор состояния классической реальности не имеет никакой возможности непосредственно «увидеть» большой вектор состояния ЧЗСУ — для классической реальности он трансцендентен. Более правильно говорить только о редуцированной матрице плотности классического домена. У него есть только одна возможность «почувствовать» существование ЧЗСУ — за счет наличия нелокальных квантовых корреляций, охватывающих все подсистемы.

Один из самых главных выводов, который следует из космологической концепции теории декогеренции, я бы сформулировал следующим образом: классический домен и весь наш материальный мир составляет незначительную часть объективной Реальности. Он как бы «погружен» во всеобъемлющий Квантовый Мир и «укутан» последовательными слоями все более тонких уровней с возрастающей мерой квантовой запутанности.

Глава 4

Квантовые компьютеры. Практическая реализация

4.1. Квантовый процессор

Теперь, когда вы достаточно хорошо представляете себе, что такое кубиты, рассмотрим, каким же образом они реализуются в физических системах и, прежде всего, в качестве ячеек памяти (регистров) квантового компьютера. В этом разделе я сделаю краткий обзор научных публикаций, касающихся практической реализации квантового компьютера, и приведу мнение ученых насчет того, когда же можно ожидать его воплощения «в железе», и когда будет налажено его коммерческое производство.

Основные работы над аппаратным обеспечением (hardware) квантового компьютера продвигаются в следующих направлениях:

● создание квантового процессора;

● создание устройств для хранения квантовой информации (квантовая память);

● разработка квантовой шины для обмена информацией.

Сразу стоит отметить, что это лишь аналоги соответствующих устройств классического компьютера, которые будут существенно от них отличаться.

Наибольшие усилия и средства в настоящее время направлены на решение первого вопроса, и здесь достигнуты значительные успехи. При разработке квантового процессора необходимо, прежде всего, выбрать физическую систему, физическую основу процессора, которая бы отвечала следующим требованиям.

Физическая система, представляющая собой квантовый процессор, должна содержать достаточно большое число N > 100 хорошо различаемых кубитов для выполнения соответствующих квантовых операций.

Необходимо обеспечить условие для приготовления входного регистра в исходном основном базисном состоянии. То есть должна существовать достаточно легко реализуемая возможность инициализации (зануления) регистра и перевода кубитов в чистое состояние. Точнее, в псевдочистое, поскольку, как нам уже известно, никто пока не знает, как реализовать чистое состояние. Вполне вероятно, что здесь работает гипотеза об определяющей роли градиента энергии, реализуемого в системе (более подробно об этом см. в главе 5). Кстати, частный случай этого общего принципа как раз и используется в настоящее время и считается пока наилучшим — это метод Кори (предложен в 1996–1997 годы). Другие его названия — метод пространственного усреднения и метод градиентного поля.

Необходимо ограничить процесс декогеренции квантовых состояний, обусловленный взаимодействием системы кубитов с окружающей средой, что приводит к разрушению суперпозиций квантовых состояний и делает невозможным выполнение квантовых алгоритмов. Время декогеренции должно, по крайней мере, в 104 раз превышать время выполнения основных квантовых операций (время такта). Для этого система кубитов должна достаточно слабо взаимодействовать с окружением.

Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование. Дело в том, что любую математическую операцию, как арифметическую (сложение, вычитание, умножение, деление и т. д.), так и логическую («и», «или» и т. д.), можно свести к ограниченному числу логических операций. Из них основные всего лишь три: операция CNOT (контролируемое НЕ, Controlled NOT, аналог исключающего ИЛИ в классических компьютерах) — это двухкубитная операция, а также две однокубитные операции — операция НЕ и преобразование Адамара (см. предыдущую главу, выражение 3.13). Умея выполнять эти операции над кубитами, можно реализовать любую программу для квантового компьютера.

Необходимо уметь воздействовать на каждый кубит по отдельности, а также иметь возможность измерить состояния квантовой системы на выходе, то есть при выводе результата. Одним словом, выбор физической основы квантового процессора должен быть согласован с достаточно простым устройством ввода-вывода информации.

В настоящее время ведутся работы над следующими основными вариантами физической основы (элементной базы) квантового процессора.

● Использование в качестве квантового процессора пробирки с органической жидкостью, где кубитами являются ядра отдельных атомов со спинами 1/2, связанные косвенными спин-спиновыми взаимодействиями. Органическая жидкость в пробирке ведет себя как одна молекула этого вещества, точнее, все молекулы ведут себя одинаково в тех взаимодействиях, которые нам необходимы. Таким образом появляется возможность применить к макроскопическим объемам жидкости отработанные методики и техники ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Индивидуальное обращение к отдельным кубитам заменяется одновременным обращением к соответствующим кубитам одновременно во всех молекулах большого ансамбля. Логические операции над кубитами (с помощью радиочастотных импульсов) и вывод результата осуществляется стандартными методами ЯМР. Компьютер такого рода получил название ансамблевого (bulk-ensemble quantum computer) квантового компьютера. Он может работать и при комнатной температуре. Время декогеренции квантовых состояний ядерных спинов в жидкости достаточно велико и может составлять несколько секунд. Именно при использовании этой элементной базы в настоящее время достигнут самый значительный успех в практической реализации квантовых вычислений. Лидером здесь является группа Исаака Чуанга. В 1998 году впервые в мире ею создан 2-кубитный квантовый компьютер; в 1999 году — 3-кубитный, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных; в 2000 году — 5-кубитный. Последнее достижение этой группы — 7-кубитный квантовый компьютер[103]. 7 кубитов оказалось достаточно, чтобы на практике осуществить реализацию квантового алгоритма П. Шорапо разложению на простые множители числа 15, были получены 3 и 5.

На первый взгляд, достижения скромные, однако не стоит забывать, что N кубитов заменяет 2N обычных битов, то есть зависимость здесь экспоненциальная — добавление одного кубита увеличивает возможности квантового компьютера в два раза. Если 7 кубитов — это всего лишь 128 классических битов, то, например, 30 кубитов — уже 109 классических единиц информации, а 100 кубитов заменят 1030 обычных битов — просто гигантское число. На сайте Los Alamos National Laboratory (LANL)[104] можно прочитать, что 30-кубитный квантовый компьютер был бы, по грубым прикидкам, эквивалентен обычному компьютеру, выполняющему 10 триллионов операций в секунду. Такое быстродействие сопоставимо с производительностью самых мощных суперкомпьютеров, состоящих из тысяч процессоров.

Однако, несмотря на все преимущества квантового процессора в «пробирке», его потенциал практически исчерпан, поскольку измеряемый на выходе сигнал экспоненциально убывает с ростом числа кубитов. Оценки показывают, что предельным значением, когда еще можно что-то измерить, является 10–13 кубитов. Но, кроме этого технического, существуют и чисто физические ограничения. Дело в том, что косвенные спин-спиновые взаимодействия, необходимые для организации основных логических операций, сами по себе очень слабые. В результате время выполнения логических операций оказывается чрезвычайно большим, а создаваемый компьютер имеет небольшое быстродействие. В этом случае более перспективными оказываются твердотельные квантовые компьютеры на основе ЯМР, поскольку диполь-дипольные взаимодействия ядерных спинов в несколько тысяч раз превосходят косвенные спин-спиновые взаимодействия. Мы рассмотрим этот случай чуть ниже. А пока назовем другие экспериментальные реализации квантового компьютера.