Итак, что же это за тайное оружие такое - КК? Остроумная идея за¬ключается в использовании для хра¬нения, передачи и обработки ин¬формации существенно квантовых свойств вещества. В основном такие свойства проявляют объекты мик¬ромира: элементарные частицы, атомы, молекулы и небольшие сгу¬стки молекул, так называемые кла¬стеры. (Хотя, конечно, и в жизни макромира квантовая механика иг¬рает важную роль. В частности, только с ее помощью можно объяснить та¬кое явление, как ферромагнетизм.) Одним из квантовых свойств веще¬ства является то, что некоторые ве¬личины при измерении (наблюде¬нии) могут принимать значения лишь из заранее определенного дискрет¬ного набора. Такой величиной, на¬пример, является проекция собст¬венного момента импульса, или, ина¬че говоря, спина элементарной час¬тицы, на любую заданную ось. На¬пример, у электрона возможно только два значения проекции: +1/2 или –1/2. Таким образом, количество информации, необходимое для со¬общения о проекции, равно одному биту. Записав в классическую одно¬битную ячейку памяти определен¬ное значение, мы именно его оттуда и прочтем, если не произойдет ка¬кой-нибудь ошибки.
Классической ячейкой может послужить и спин электрона. Од¬нако квантовая механика позволя¬ет записать в проекции спина боль¬ше информации, чем в классике.
Для описания поведения кван¬товых систем было введено понятие волновой функции. Существуют волновые функции, называемые собственными для какой-то кон¬кретной измеряемой величины. В состоянии, описываемом собствен¬ной функцией, значение этой вели¬чины может быть точно предсказа¬но до ее измерения. Именно с таки¬ми состояниями работает обычная память. Квантовая же система может находиться и в состоянии с волно¬вой функцией, равной линейной комбинации собственных функции, соответствующих каждому из воз¬можных значений (назовем здесь такие состояния сложными). В сложном состоянии результат из¬мерения величины не может быть предсказан заранее. Заранее из¬вестно только, с какой вероятно¬стью мы получим то или иное зна¬чение. В отличие от обычного ком¬пьютера, в квантовом для представ¬ления данных используются такие ячейки памяти, которые могут на¬ходиться в сложном состоянии. В нашем примере мы определили бы, что спин электрона с определенной вероятностью смотрит вверх и вниз, то есть можно сказать, что в кубит записаны сразу и 0, и 1. Количество информации, содержащееся в та¬кой ячейке, и саму ячейку называют квантовым битом, или, сокращен¬но, кубитом. Согласитесь, ячейки в сложных состояниях весьма не¬обычны для классической теории информации. Каждому возможно¬му значению величины, представ¬ленной кубитом, соответствует ве¬роятность, с которой это значение может быть получено при чтении. Эта вероятность равна квадрату мо¬дуля коэффициента, с которым соб¬ственная функция этого значения входит в линейную комбинацию. Именно вероятность и является ин¬формацией, записанной в кубит.
Квантовую механику не случай¬но называют иногда волновой ме¬ханикой. Дело в том, что квантово-механические волновые функции ведут себя подобно световой или какой-либо другой волне. И для волновых функций, благодаря их способности интерферировать, также может быть введено понятие когерентности. Именно это свой¬ство используется в когерентном квантовом компьютере. Набор кубитов представляется когерентны¬ми волновыми функциями. Ока¬зывается, что существует вполне определенный класс воздействий на квантовую систему, называе¬мый унитарными преобразования¬ми, при которых не теряется запи¬санная в кубит информация и не нарушается когерентность волно¬вых функций кубитов. Унитарные преобразования обратимы - по результату можно восстановить ис¬ходные данные. После прохожде¬ния через квантовый процессор, использующий унитарные преоб¬разования, волновые функции ку¬битов заставляют интерферировать друг с другом, наблюдая получаю¬щуюся картину и судя по ней о результате вычисления.
Из-за того, что для представле¬ния информации используются кубиты, в которых записано сразу оба значения - и 0, и 1, в процессе вычислений происходит парал¬лельная обработка сразу всех воз¬можных вариантов комбинаций би¬тов в процессорном слове. Таким образом, в КК реализуется естест¬венный параллелизм, недоступный классическим компьютерам. За счет возможности параллельной работы с большим числом вариантов, в идеале равным 2N (где N - число кубитов), квантовому компьютеру необходимо гораздо меньше вре¬мени для решения определенного класса задач. К ним относятся, на¬пример, задача разложения числа на простые множители или поиск в большой базе данных. Для коге¬рентного компьютера уже предло¬жены алгоритмы, использующие его уникальные свойства. Кроме того, предполагается использовать КК для моделирования квантовых систем, что трудно или вообще невозможно сделать на обычных компьютерах из-за нехватки мощности или по принципиальным соображениям.
Все существующие на сегодняш¬ний день обычные компьютеры, да¬же с параллельной обработкой ин¬формации на многих процессорах, могут быть смоделированы так на¬зываемым клеточным автоматом Тьюринга. Это существенно детер¬минированная и дискретная маши¬на. С возникновением и обсуждени¬ем идей квантовых вычислений ста¬ла активно развиваться квантовая теория информации и, в частности, теория квантовых клеточных авто¬матов - ККА. Квантовый клеточный автомат является обобщением авто¬мата Тьюринга для КК. Сформули¬рована гипотеза, гласящая, что каж¬дая конечным образом реализуемая физическая система может быть дос¬таточно хорошо смоделирована универсальной моделью квантовой вычислительной машины, исполь¬зующей ограниченное количество ресурсов. Для одного из предложенных типов ККА теоретически уже доказано, что он подходит для тако¬го моделирования и не противоре¬чит квантовой теории.
Пытаясь осуществить свой за¬мысел, ученые упираются в про¬блему сохранения когерентности волновых функций кубитов, так как потеря когерентности хотя бы од¬ним из кубитов разрушила бы ин¬терференционную картину. В на¬стоящее время основные усилия экспериментальных рабочих групп направлены на увеличение отно¬шения времени сохранения коге¬рентности ко времени, затрачивае¬мому на одну операцию (это отно¬шение определяет число операций, которые можно успеть провести над кубитами). Главной причиной по¬тери когерентности является связь состояний, используемых для ку¬битов, со степенями свободы, не участвующими в вычислениях. На¬пример, при передаче энергии элек¬трона в возбужденном атоме в по¬ступательное движение всего ато¬ма. Мешает и взаимодействие с ок¬ружающей средой, например, с со¬седними атомами материала ком¬пьютера или магнитным полем Зем¬ли, но это не такая важная проблема. Вообще, любое воздействие на ко¬герентную квантовую систему, ко¬торое принципиально позволяет получить информацию о каких-ли¬бо кубитах системы, разрушает их когерентность. Потеря когерентно¬сти может произойти и без обмена энергией с окружающей средой.
Воздействием, нарушающим когерентность, в частности, явля¬ется и проверка когерентности. При коррекции ошибок возникает сво¬его рода замкнутый круг: для того чтобы обнаружить потерю коге¬рентности, нужно получить ин¬формацию о кубитах, а это, в свою очередь, также нарушает когерент¬ность. В качестве выхода предло¬жено много специальных методов коррекции, представляющих так¬же и большой теоретический инте¬рес. Все они построе¬ны на избыточном кодировании.
Если в области передачи инфор¬мации уже созданы реально рабо¬тающие системы и до коммерческих продуктов осталось лишь несколько шагов, то коммерческая реализация квантового когерентного процессо¬ра - дело будущего. К настоящему времени КК научился вычислять сум¬му 1+1! Это большое достижение, если учесть, что в виде результата он выдает именно 2, а не 3 и не 0. Кроме того, не следует забывать, что и пер¬вые обычные компьютеры были не особенно мощны.
Сейчас ведется работа над дву¬мя различными архитектурами процессоров: типа клеточного ав¬томата и в виде сети логических элементов. Пока не известно о ка¬ких-либо принципиальных пре¬имуществах одной архитектуры перед другой. Как функциональ¬ная основа для логических эле¬ментов квантового процессора бо¬лее или менее успешно использу¬ется целый ряд физических явле¬ний. Среди них - взаимодействие одиночных поляризованных фо¬тонов или лазерного излучения с веществом или отдельными ато¬мами, квантовые точки, ядерный магнитный резонанс и - наибо¬лее многообещающий - объем¬ный спиновый резонанс. Процессор, постро¬енный на последнем принципе, в шутку называют «компьютером в чашке кофе» - из-за того, что в нем работают молекулы жидкости при комнатной температуре и ат¬мосферном давлении. Кроме этих эффектов есть довольно хорошо развитая технология логических элементов и ячеек памяти на джозефсоновских переходах, которую можно при соответствующих ус¬ловиях приспособить под коге¬рентный процессор.
Теорию, описывающую явле¬ния, лежащие в основе первого типа логических ячеек, называют квантовой электродинамикой в по¬лости или резонаторе. Кубиты хра¬нятся в основных и возбужденных состояниях атомов, расположен¬ных некоторым образом на равных расстояниях в оптическом резона¬торе. Для каждого атома исполь¬зуется отдельный лазер, приводя¬щий его в определенное состояние с помощью короткого импульса. Взаимовлияние атомных состоя¬ний происходит посредством об¬мена фотонов в резонаторе. Ос¬новными причинами разрушения когерентности здесь служат спон¬танное излучение и выход фото¬нов за пределы резонатора.
В элементах на основе ионов в линейных ловушках кубиты хра¬нятся в виде внутренних состояний пойманных ионов. Для управле¬ния логикой и для манипулирова¬ния отдельными кубитами также используются лазеры. Унитарные преобразования осуществляются возбуждением коллективных кван¬тованных движений ионов. Источ¬никами некогерентности является спонтанный распад состояний ио¬нов в другие внутренние состояния и релаксация в колебательные сте¬пени свободы.
Сильно отличается от двух пре¬дыдущих «компьютер в чашке ко¬фе». Благодаря достоинствам данного метода этот ком¬пьютер является наиболее реаль¬ным претендентом на то, чтобы достигнуть разрядности 10 бит в бли¬жайшее время. В компьютере на кол¬лективном спиновом резонансе ра¬ботают молекулы обычных жидко¬стей (без всяких квантовых вывертов типа сверхтекучести). В качестве ку¬битов используется ориентация ядерных спинов. Работа логических ячеек и запись кубитов осуществля¬ется радиочастотными электромаг¬нитными импульсами со специаль¬но подобранными частотой и фор¬мой. В принципе, прибор похож на обычные приборы ядерного маг¬нитного резонанса (ЯМР) и исполь¬зует аналогичную аппаратуру. Жиз¬неспособность этого подхода обес¬печивается, с одной стороны, очень слабой связью ядерных спинов с окружением и, потому, большим временем сохранения когерентно¬сти (до тысяч секунд). Эта связь ос¬лаблена из-за экранирования ядер¬ных спинов спинами электронов из оболочек атомов. С другой стороны, можно получить сильный выход¬ной сигнал, так как для вычислений параллельно используется большое количество молекул. «Не так уж сложно измерить спин четвертого ядра у какого-то типа молекул, если у вас имеется около числа Авогадро (~1023) таких молекул», - говорит Ди Винченцо (Di Vincenzo), один из исследователей. Для определения результата непрерывно контроли¬руют излучение всего ансамбля. Та¬кое измерение не приводит к потере когерентности в компьютере, как было бы в случае использования толь¬ко одной молекулы.
Ядерные спины в молекулах жидкости при комнатной темпера¬туре хаотически разупорядочены, их направления равномерно рас¬пределены от 0 до 4. Проблема записи и считывания кажется не¬преодолимой из-за этого хаоса. При воздействии магнитного поля спины начинают ориентироваться по полю. После снятия поля через небольшое время система снова приходит к термодинамическому равновесию, и в среднем лишь около миллионной доли всех спинов остается в состоянии с ориентацией по направлению поля. Однако бла¬годаря тому, что среднее значение сигнала от хаотически направлен¬ных спинов равно нулю, на этом фоне можно выделить довольно слабый сигнал от «правильных» спинов. Вот в этих-то молекулах с правильными ядерными спинами и размещают кубиты. Для коррек¬ции ошибок при записи N кубитов используют 2N или больше спинов. Например, для N=1 выбираются такие жидкости, где какие-то два спина ядер в одной молекуле после опре¬деленного воздействия полем мо¬гут быть ориентированны только одинаково. Тогда по направлению второго спина при снятии резуль¬тата обработки можно отсеять нуж¬ные молекулы, никак не влияя на первый спин.
Как уже было сказано, обработ¬ка битов осуществляется радиоим¬пульсами. Основным логическим элементом является управляемый инвертор. Из-за спин-спинового взаимодействия резонансная час¬тота, при которой происходит оп¬рокидывание одного спина, зави¬сит от направления другого.
Что касается квантовой передачи данных, к настоящему времени экспериментально реализованы системы обмена секретной информацией по незащищенному от несанкционированного доступа каналу. Они основаны на фундаментальном постулате квантовой механики о невоз¬можности измерения состояния без оказания влияния на него. Подслушивающий всегда изменяет состояние кубитов, кото¬рые он подслушал, и это может быть зафиксировано связы¬вающимися сторонами. Данная система защиты информации абсолютно надежна, так как способов обойти законы кванто¬вой механики пока еще никто не выдумал.