Предполагаемые преимущества вычислений на квантовых компьютерах.

Предполагаемые преимущества вычислений на квантовых компьютерах.

Перспективы выполнения вычислений на квантовых компьютерах обычно связывают с ожидаемым экспоненциальным уменьшением времени решения сложных задач. К таким задачам можно отнести:

· Разложение больших чисел на множители (факторизация);

· Поиск в неупорядоченной базе данных;

· Теоретико-числовые задачи, связанные с Абелевыми группами.

Задачи такого типа не могут быть решены на классических компьютерах за время полиномиально зависящее от числа битов, используемых для представления этих задач в памяти компьютера. Возможно одним из важных приложений квантовых вычислений окажется моделирования широкого класса многочастичных квантовых систем. Это позволит предсказывать свойства молекул и кристаллов, а также проектировать микроскопические электронные устройства размером в несколько десятков ангстрем. Представляет также огромный интерес моделирование физических свойств различных сложных молекулярных и биологических систем, искусственных полупроводников, магнитных материалов и структур.

 

Основные идеи и принципы, лежащие в основе квантового компьютера.

 

Для реализации полномасштабного квантового компьютера, превосходящего по производительности любой классический компьютер, необходимо выполнение следующих основных требований:

· Квантовый компьютер должен содержать более тысячи различаемых кубитов.

· Квантовый компьютер должен обеспечить условия для приведения основного регистра в исходное базисное состояние (сбросить все кубиты в 0).

· Обеспечить максимальное подавление эффектов декогерентизации квантовых состояний, обусловленных взаимодействием системы кубитов с окружающей средой, что приводит к разрушению суперпозиции квантовых состояний и может сделать невозможной выполнение квантовых алгоритмов. Время декогерентизации должно существенно превышать (более, чем в 10000 раз) время выполнения основных квантовых операций (время такта). Для этого система кубитов должна быть достаточно слабо связана с окружением.

· Квантовый компьютер должен обеспечить выполнение за время такта требуемой совокупности квантовых логических операций.

· Квантовый компьютер должен обеспечить с достаточно высокой надёжностью измерение состояния квантовой системы на выходе. Проблема измерения конечного квантового состояния является одной из основных проблем квантовых вычислений.

 

Варианты исполнения квантовых компьютеров.

 

В настоящее время наиболее широко обсуждаются следующие основные направления в развитии элементной базы будущих квантовых компьютеров:

1) Использование для модельной реализации квантовых компьютеров в качестве кубитов уровней энергии ионов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения до микрокельвиновых температур.

2) Использование в качестве кубитов атомов с ядерными спинами l = ½, принадлежащих молекулам органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для управления кубитами.

3) Использование в качестве кубитов зарядовых состояний куперовских пар в квантовых точках, связанных переходами Джозефсона, предложенное Авериным в 1998 году.

4) Твердотельные ЯМР квантовые компьютеры.

 

Варианты исполнения твердотельных ЯМР квантовых компьютеров.

 

Косвенно отличный от ансамблевого жидкостного ЯМР КК вариант – твёрдотельный ЯМР КК, который может содержать хорошо изолированные ядерные спины кубитов, был предложен в 1998 году. Основой его является кремниевая структура МОП, где в тонкий поверхностный слой безспинового изотопа кремния внедряются донорные стабильные изотопы фосфора, замещающие атомы кремния в узлах кристаллической решетки, таике доноры обладают ядерными спинами со значением ½. Они не взаимодействуют с окружающими атомами кремния, но могут косвенно взаимодействовать с ядерными спинами соседних донорных атомов через сверхтонкое взаимодействие с электронами за счет частичного перекрытия электронных волновых функций. Ядерные структуры донорных атомов выбираются в качестве кубитов. Донорные атомы с ядерными спинами в полупроводниковой структуре предполагается расположить регулярным образом с достаточной точностью, каждый под своим управляющим металлическим затвором, изолированным слоем диэлектрика (например, окисью кремния, толщиной несколько нанометров). Затворы образуют решетку и служат для управления кубитами. Для исключения влияния переходов между различными электронами спиновых состояний, необходимо, чтобы электроны донорных атомов занимали только нижнее спиновое состояние в магнитном поле. Для этого можно использовать низкие температуры.

 

Предполагаемые преимущества вычислений на квантовых компьютерах.

Перспективы выполнения вычислений на квантовых компьютерах обычно связывают с ожидаемым экспоненциальным уменьшением времени решения сложных задач. К таким задачам можно отнести:

· Разложение больших чисел на множители (факторизация);

· Поиск в неупорядоченной базе данных;

· Теоретико-числовые задачи, связанные с Абелевыми группами.

Задачи такого типа не могут быть решены на классических компьютерах за время полиномиально зависящее от числа битов, используемых для представления этих задач в памяти компьютера. Возможно одним из важных приложений квантовых вычислений окажется моделирования широкого класса многочастичных квантовых систем. Это позволит предсказывать свойства молекул и кристаллов, а также проектировать микроскопические электронные устройства размером в несколько десятков ангстрем. Представляет также огромный интерес моделирование физических свойств различных сложных молекулярных и биологических систем, искусственных полупроводников, магнитных материалов и структур.