Автор этой идеи — американский физик Ричард Фейнман, известный в СССР по популярному курсу «Фейнмановские лекции по физике». В 1958 году, моделируя на компьютере квантовые процессы, он понял, что для решения многочастичных квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен. Уже при решении задачи с 1000 электронными спинами в памяти должно быть достаточно ячеек, чтобы хранить 2 в степени 1000 переменных. А гигабайт — это всего лишь 2 в степени 30. Все квантовые задачи, которые сейчас рассчитываются на классических компьютерах, — очень грубые приближения

Предсказание квантового компьютера

Фейнман высказал мысль о том, что квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения. И предложил один из вариантов квантового компьютера. Но настоящий бум начался в 1995 году, когда американский математик Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел. А это уже имеет прямое отношение к популярным системам шифрования RSA. Шор показал, что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 2 в степени 1000 операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 1000 в степени 3 операций.

Компьютер на ядерно-магнитном резонансе

Теоретических моделей квантового компьютера множество. Проблема, скорее, в том, чтобы найти разумные пути создания реального прибора. Существует как минимум два подхода к осуществлению идеи такого устройства. Ученые, сами того не предполагая, уже создали квантовый компьютер. Его первый «опытный образец» — это импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения. Спины ядер, входящих в состав атомов, в свою очередь образующих исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу — это Q-биты, единицы измерения квантовой информации. Каждое ядро имеет свою частоту резонанса в данном магнитном поле. При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает эволюционировать, остальные же ядра «молчат». Для того чтобы заставить эволюционировать второй атом, надо взять другую частоту и дать импульс на ней. Иными словами, процесс вычислений управляется импульсами переменного магнитного поля, — нужно только написать алгоритм поставленной задачи. Например, 1000 в степени 3 (то есть миллиард) операций в алгоритме Шора для 1000-разрядного числа — это миллиард воздействий на отдельные спины и на их пары. При этом в молекуле есть прямая связь между спинами, и поэтому она является идеальной заготовкой для квантового компьютера, а сам спектрометр — просто готовый «процессор» для этого компьютера. Однако в настоящее время удается работать с системами с общим числом спинов не более пяти-семи, в то время как для решения полномасштабных задач их необходимо порядка 1000. Подобного рода работы в России не ведутся, ибо, как считают наши ученые, принципиально невозможно увеличить количество спинов до требуемого числа.

Компьютер на ионных ловушках

Другой подход основан на использовании ионных ловушек, или «подвешенных» в вакууме ионы. За изобретение ионных ловушек ученому Боннского университета Паулю в свое время была присуждена нобелевская премия. Еще одна нобелевская премия за изобретение методов лазерного охлаждения атомов в газе и ионов в ловушке досталась в прошлом году двум американцам и одному французу, что, кстати, вызвало резкую критику со стороны отечественных ученых, считающих, что приоритет в данной области принадлежит России. Эти ионные ловушки удалось «растянуть» и получить одномерный ионный кристалл, удерживаемый и в осевом, и в радиальном направлении внешними полями. У каждого иона кристалла берутся два уровня энергии — это один Q-бит; между собой эти ионы связаны через колебания внутри одномерного кристалла, который имеет набор резонансных частот. Больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского университета в Австрии, а осуществили их больше всего ученые из Лос-Аламосской лаборатории в США. И оказалось, что больших кристаллов не удается получить, на сегодняшний день получена цепочка из 30 ионов. Но дальнейший прогресс в увеличении числа ионов связывают с созданием трехмерной лазерной стоячей волны — трехмерной совокупности точек с минимумами потенциальной энергии для поляризованных атомов. Иными словами, это трехмерная решетка, которая уже хорошо изучена; изучена также и методология лазерного охлаждения, и поэтому сейчас стоит задача в каждый минимум «положить» атом, его охладить, чтобы он не «вылезал» оттуда, и начать с ним работать. Конечно, в этом направлении очень много работы, но само направление, безусловно, верное.

После кремния будет кремний

И третий подход — квантовый компьютер на твердом теле. Это могут быть сверхпроводники, как предлагают ученые из Института Ландау. Мы же предпочитаем подход, который в позапрошлом году высказал австралийский физик Кейн: делать квантовый компьютер точно на том кремнии, на котором сегодня работает традиционная микроэлектроника. В нужных местах на расстояниях порядка 100 ангстрем располагают атомы фосфора — обычная примесь в кремнии, которая прекрасно изучена. Если на таком расстоянии расположить два атома фосфора, то облака внешних электронов немного пересекутся, что необходимо для их взаимодействия, и атомы смогут обмениваться состояниями. Один атом управляет электронами другого. Над этими атомами делаются 50-ангстремные электродики, и с помощью напряжения на этом электроде меняют резонансную частоту спина ядра атома фосфора. Очень похоже на полевой транзистор — как бы те же затворы, только вместо тока — состояния атома. Мы предложили работать не на одном атоме, а на серии атомов; под этими электродами должна быть последовательность атомов, чтобы они действовали параллельно, тогда сформируется относительно больший сигнал, который легче регистрировать.

Квантовая телепортация

У квантового компьютера будет, возможно, и квантовый канал связи, основанный на эффекте, который называется «квантовая телепортация». Принцип квантовой телепортации основан на эффекте запутывания квантовых состояний двух частиц, который анализировался еще в 1935 году Эйнштейном — Подольским — Розеном. Запутанные состояния возникают при взаимодействии двух квантовых частиц и последующем их разъединении; при этом они оказываются в некоем «запутанном» состоянии, в котором состояние первой частицы строго коррелировано с состоянием второй. Существуют физические приборы для измерения подобных квантовых систем; например, в системе двух спинов, если один из них будет обнаружен в одном состоянии, то другой всегда будет в состоянии, диктуемом корреляцией, хотя давно с ним и не взаимодействует. То есть подобные корреляции были заложены именно в момент взаимодействия, после чего частицы были пространственно разъединены. Таким образом, квантовый канал связи — это генератор коррелированных пар и разнесенные в пространстве квантовые частицы. Естественно, при этом сохраняется информация, которая была заложена в момент корреляции; этим можно пользоваться для составления протокола квантовой телепортации. Если имеется квантовая поделенная пара, квантовый канал связи и телефонный канал связи, то можно взять третью квантовую частицу в неизвестном квантовом состоянии и передать его от одного участника связи другому. Для этого нужно «заставить» ее провзаимодействовать с той частью поделенной пары, которая находится у «передающего». В результате частица в неизвестном состоянии оказывается коррелирована с частицей, находящейся у «принимающего». В то же время опосредованно состояние частицы у «передающего» коррелировано с состоянием частицы в неизвестном состоянии. Тогда, после измерения квантового состояния частицы у «передающего», он сообщает по телефону результат «принимающему», а последний по специальным таблицам смотрит, какое воздействие нужно оказать на его частицу, чтобы она перешла в состояние третьей частицы в неизвестном квантовом состоянии. При этом «принимающий» узнает неизвестное квантовое состояние третьей частицы, хотя «передающий» не знает, какое оно. Квантовая телепортация не противоречит фундаментальным физическим принципам, так как сама информация не передается быстрее скорости света. Все это — чистая физика, которая когда-нибудь воплотится в реальные приборы.

Сколько стоят квантовые вычисления

Сейчас в исследования этой области вкладываются десятки миллионов долларов. Конечно, это даже нельзя сравнивать с теми деньгами, которые идут на разработку традиционных компьютеров и даже в исследования по нанотехнологиям. Но на данном этапе огромных денег и не требуется. Установка ядерно-магнитного резонанса стоит порядка миллиона долларов. Установки с вакуумными ловушками, с лазерным охлаждением — то же самое. Пока над квантовыми вычислениями работают небольшие коллективы, пусть даже в лабораториях таких гигантов, как IBM и Intel. Много экспериментов проводится в крупных центрах, особенно в Лос-Аламосе, в университетах по всему миру: в Инсбруке (Австрия), Бонне (Германия), в США. Грантов всем хватает. В этом году американское правительство объявило неограниченный набор специалистов для работы по квантовым вычислениям. Им обеспечен вид на жительство и различные льготы. У нас в стране, конечно, аналогичных программ поддержки нет, но исследовательские работы ведутся во многих местах, например в МГУ, Институте Ландау, у нас, в Физико-технологическом институте.

Об авторе

Камиль Ахметович Валиев — директор Физико-технологического института Российской академии наук, академик РАН