Близится эра квантовых компьютеров

Еженедельник Science опубликовал работу физиков из Национального института стандартов и технологий США (NIST), которые использовали квантовую телепортацию простой логической операции между полностью изолированными частями процессора. Физики отмечают, что такие операции в будущем станут основой работы квантового компьютера, который – и с этим согласны все ученые – совершит революцию в информационных технологиях.

Квантовый компьютер использует, на первый взгляд, странную особенность микромира, основанную на том, что до момента измерения (наблюдения) в квантовой системе все ее возможные состояния реализуются одновременно. Что это означает на практике? Если в классическом компьютере бит может принимать значения 0 или 1, то квантовая машина реализует обе опции одновременно: квантовый бит, сокращенно кубит, равен как нулю, так и единице. Словом, кубит, согласно правилам микромира, не имеет четко установленного значения – единицы или нуля. Он принимает оба эти значения одновременно.

Поскольку кубит может иметь одновременно два разных значения, пожалуй, его можно использовать одновременно в двух разных операциях. Почему бы и нет? Просто нужно написать подходящий алгоритм. Два кубита дают возможность проводить четыре операции одновременно, три кубита – восемь, четыре – 16 и так далее (значения определяются следующими степенями двойки). Именно параллельные вычисления и определяют мощь квантовых компьютеров. Обратите внимание, что классические компьютеры и процессоры сегодня часто используются для параллельной работы, чтобы увеличить их производительность. Однако в случае квантового компьютера речь идет о гигантском, практически бесконечном числе операций, выполняемых параллельно. Такой компьютер имел бы огромное преимущество перед современными, даже самыми мощными вычислительными машинами.

И такая революция осуществляется все более решительно. Основными строительными блоками каждой вычислительной машины являются логические вентили. Такой элемент может изменить проходящий через него бит (с нуля на единицу или наоборот) или оставить его без изменений. Типичный персональный компьютер содержит огромный комплекс из сотен тысяч таких логических вентилей. Квантовый компьютер также должен иметь такие «воротца», которые одновременно выполняют логические операции. Интересно, что они могут осуществляться между кубитами, которые изолированы друг от друга, то есть расположены в отдельных частях процессора. И все благодаря процессу, который называется квантовой телепортацией. Она позволяет передавать квантовое состояние между удаленными частицами материи – без их «считывания», то есть разрушения этих состояний. При квантовой телепортации не происходит физическая передача объекта на расстояние, передается лишь квантовое состояние с одной частицы на другую.

В недавнем номере еженедельника Science физики из Национального института стандартов и технологий США впервые показали, что можно выполнить логическую операцию между двумя кубитами, удаленными друг от друга. Это была операция так называемого контролируемого отрицания – CNOT. Как она работает? Если первый кубит имеет значение 1, значение второго кубита инвертируется (в данном случае принимает значение 0). Если первый кубит имеет значение 0, то второй кубит остается неизменным.

Конечно же, в квантовом мире все действия происходят параллельно. Квантовые вентили выполняют эти операции одновременно. Условие одно: физики не могут позволить «разрушить» квантовое состояние, т. е. подсмотреть, какое значение принимает кубит во время расчетов. Ведь если так произойдет, кубит перестанет быть «квантовым сфинксом», который одновременно реализует состояния 0 и 1. Он преобразуется в классический бит с конкретным значением.

В эксперименте американских физиков роли кубитов играли два разделенных иона бериллия (их спин мог иметь ориентацию «вверх» или «вниз», что соответствовало значению 1 или 0). Они были расположены на расстоянии более 340 мкм друг от друга в отдельных зонах ионной ловушки. Такая удаленность исключает любое существенное прямое взаимодействие. Исследователи пишут, что логическая операция CNOT успешно выполнялась в 85–87% случаев. Это все еще не безупречный процесс, но для начала совсем неплохо.

Квантовые компьютеры должны выполнять логические операции при помощи миллионов кубитов, которые будут изолированы друг от друга в квантовой сети. Квантовая телепортация – лучший способ «контакта» кубитов без влияния на их квантовое состояние. Физики из NIST доказали, что это возможно.

Сергей ГАВРИЛОВ