Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.4. Квантовые компьютеры
В 1982 г. Ричард Фейнман поставил вопрос о реализации фантастических возможностей устройств, построенных на квантовых элементах. В чём же их преимущества? Дело в том, что квантовые устройства обладают рядом важных особенностей.
Для их оценки рассмотрим устройства, работающие в радиодиапазоне (длина волны больше 1 мм). В радиодиапазоне наибольший практический и научный интерес представляют квантовые устройства, называемые атомными и молекулярными генераторами. Их называют мазеры (от англ.: Microwave amplification by stimulated emission of radiation – усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).
Основное достоинство атомных и молекулярных генераторов – чрезвычайно высокая стабильность частоты (периода) излучаемых ими электромагнитных волн. Это свойство используется для точного измерения частоты и времени, эталоны и стандарты которых, на основе таких генераторов, позволили создать атомные и молекулярные часы. Лучшие стандарты частоты с кварцевыми генераторами имеют стабильность в 100 раз ниже. За сутки кварцевые часы отстают или уходят вперед на 1 с, тогда как атомные часы изменили своё значение от номинала не более чем на 0,01 с.
На сегодняшний день существуют экспериментальные RISC-процессоры на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum). Эта же элементная база используется в проекте создания петафлопного (1000 триллионов операций в секунду) компьютера, использование которого значительно ускоряет поиск данных. Это показывает, что возможно создание не только высокоскоростных, но и безошибочных компьютеров.
В середине 1980-х гг. появились монографии, в которых были предложены возможные модели квантового компьютера. Следующим этапом, в 1994 г., была статья П. Шора, в которой он предложил один эффективный квантовый алгоритм для вычисления дискретного логарифма, что требует больших временных затрат. При определенных условиях, как, например, в нашем случае, вычисление дискретного логарифма за приемлемое время невозможно, что используется для построения безопасных и секретных систем с точки зрения шифрования информации. На квантовом компьютере алгоритм Шора позволяет это сделать за короткий промежуток времени. Российские специалисты тоже продвинулись в этом вопросе.
Независимо от Шора, Алексей Китаев из ИТФ им. Ландау предложил квантовые алгоритмы для решения задачи о дискретном логарифме и других сложных математических задач. Был также предложен алгоритм разложения большого целого числа на простые множители, что имеет не только научный, но и практический интерес: при создании квантового компьютера, он может быть использован для декодирования секретных сообщений, которые были зашифрованы алгоритмами, построенными на том, что разложить большое целое число на простые множители быстро не удастся. Для квантового компьютера давно разработано всё математическое обеспечение.
Основной строительной единицей квантового компьютера является кубит (qubit, Quantum Bit). Классический бит имеет лишь два состояния – 0 и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Для описаний состояний квантовой системы было введено понятие волновой функции, причём её значение представляется в виде вектора с большим числом значений. Существуют волновые функции, которые называются собственными для какой-либо определенной величины.
Квантовая система может находиться в некотором состоянии, с волновой функцией, равной линейной комбинации собственных функций, соответствующих каждому из возможных значений (такое состояние называется сложным), т.е. физически – ни в возбужденном, ни в основном состоянии. Это означает, что кубит в одну единицу времени равен и 0, и 1, тогда как классический бит в ту же единицу времени равен либо 0, либо 1. Как для классических, так и для квантовых компьютеров были введены элементарные логические операции: дизъюнкция, конъюнкция и квантовое отрицание, с помощью которых организована вся логика квантового компьютера.
Как работает квантовый компьютер? Согласно законам квантовой механики, энергия электрона, связанного в атоме, не произвольна. Она может иметь лишь определенный прерывистый (дискретный) ряд значений Е0, Е1... Еn называемых уровнями энергии. Этот набор называют энергетическим спектром атома. Самый нижний уровень энергии Е0, при котором энергия атома наименьшая, называется основным. Остальные уровни (Е1, Е2… Еn) соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергии происходит отдельными порциями – квантами, или фотонами.
При поглощении фотона энергия увеличивается, он переходит вверх – с нижнего на верхний уровень, при излучении фотона атом совершает обратный переход вниз. Если атом в данный момент времени находится в одном из возбужденных состояний, например, Е2, то такое состояние атома неустойчиво, даже если на него не влияют другие частицы. Через очень короткое время атом перейдет в одно из состояний с меньшей энергией, например Е1. Такой самопроизвольный переход атома с одного уровня на другой, и сопровождающее его спонтанное излучение столь же случайны во времени, как радиоактивный распад ядра атома. Предсказать точно момент перехода принципиально невозможно. Можно лишь говорить о вероятности того, что переход произойдет через такое-то время. Но атом может перейти с уровня Е2 на Е1 не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, если только частота этой волны достаточно близка к частоте перехода атома. Такая резонансная волна как бы расшатывает электрон и ускоряет его падение на уровень с меньшей энергией. Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного поля, называются вынужденными (или стимулированными).
При создании квантового компьютера основное внимание уделяется вопросам управления кубитами при помощи вынужденного излучения атомов и недопущения их спонтанного излучения, которое способно нарушить работу всей квантовой системы. В экспериментальном образце квантового компьютера, построенного с использованием рассмотренных выше явлений и процессов, кубиты хранятся и в основном, и возбужденном состояниях атомов. Они располагаются в оптическом резонаторе определенным образом, на одинаковых расстояниях. Для управления каждым атомом используется отдельный лазер, который и приводит его в нужное состояние при помощи импульса. Взаимодействие состояний атомов происходит посредством обмена фотонов в резонаторе.
Основная причина бурных исследований в области квантовых компьютеров – естественный параллелизм квантовых вычислений. Например, если квантовая память состоит из двух кубитов, то параллельно можно работать со всеми ее возможными состояниями: 00, 01, 10, 11, при трёх кубитах состояний уже восемь, и т.д.
За счет возможности параллельной работы с большим числом вариантов, квантовому компьютеру необходимо гораздо меньше времени для решения задач определенного класса. К таким задачам относится разложение числа на простые множители, вычисление дискретного логарифма, поиск данных в большой базе данных и др. Например, есть база данных из 1024 записей, и нужно найти одну их них. Если данные не отсортированы, то на обычном компьютере, в худшем случае, придется перебрать все 1024 записи, а на квантовом компьютере нам потребуется сделать примерно 5–6 запросов. Если будут созданы квантовые базы данных, то поиск в них будет производиться значительно быстрее, нежели в обычных базах.
Создание квантовых компьютеров с числом кубитов около 100 позволит решить любые задачи, которые раньше за приемлемое время решить было невозможно. Бурное развитие квантовых технологий и волоконно-оптических линий связи привело к появлению квантово-криптографических систем. Попытка перехвата информации из квантового канала связи неизбежно приводит к внесению в него помех, обнаруживаемых его законными пользователями.
Зная все возможности квантовых компьютеров, можно предположить, что будущее вычислительных систем предрешено, однако, несмотря на все преимущества, которые дают квантовые компьютеры, – это не совсем так...