Топологические квантовые вычисления

 

В этой методике кубиты кодируются тем, как субатомные частицы движутся относительно друг друга. Однако этой многообещающей основе для квантового компьютера еще предстоит сойти с теоретической чертежной доски, поскольку она зависит от существования частиц, ограниченных двумя измерениями и называемых анионами[2]. Эти «топологические» частицы необыкновенно невосприимчивы к окружающему шуму, что делает их отличными кубитами. Частицы, такие как фермионы Майораны, которые соответствуют некоторым требованиям анионов, были изготовлены в определенных твердых телах, но все же остается спорным, принесут ли они пользу практическим квантовым вычислениям.

 

Дополнительные выгоды

 

Помимо невероятной вычислительной мощности, квантовые компьютеры предлагают много других выгод, основной из которых является экономия. За последние десятилетия мы преуспели в набивании классических компьютерных микросхем все бóльшим и бóльшим числом транзисторов. Но плотность потока тепла, выделяемого в результате постоянного обнуления этих физических выключателей, сейчас представляет собой фундаментальный барьер для дальнейшей миниатюризации. Квантовые вычисления могут обойти этот барьер.

Это связано с тем, что за счет правильных манипуляций можно переключаться между квантовыми состояниями, например поляризациями фотонов, без какого-либо потребления тепла. И все же это не дает карт-бланш маломощным вычислениям. Чтение и запись информации в квантовую память предполагают проведение измерений, подобных щелканью классическим выключателем, так что по-прежнему будет выделяться некоторое тепло.

Другая выгода, предлагаемая квантовыми вычислениями, – это способность справляться с так называемыми сложными задачами. Специалисты в области теории вычислительных машин и их систем условно разделяют задачи на «простые» и «сложные». При выполнении простых задач вычислительные ресурсы, необходимые для поиска решения, пропорциональны степени числа используемых переменных, в сложных же необходимость в ресурсах растет по более крутой экспоненциальной кривой. Сложные задачи быстро выходят за пределы досягаемости классическими компьютерами. Экспоненциально возрастающая мощность квантовых компьютеров может дать больше огневой силы, делая задачи не совсем простыми, но, по крайней мере, менее сложными.

Однако квантовое ускорение не является данностью: сперва нам нужен особый алгоритм, который поможет его достичь. Для важных сложных задач, например разложения больших чисел на множители или поиска в базе данных, у нас уже есть решения, в частности алгоритмы Шора и Гровера (см. параграф «Сногсшибательные приложения для квантовых компьютеров»). Но при выполнении бытовой задачи вроде перечисления всех элементов базы данных время или мощность, требуемые для ее решения, всегда будут прямо пропорциональны числу элементов и не дадут ощутимого квантового ускорения.

К сожалению, эти выгоды предполагают изменение реальной ситуации, для чего требуется достаточно большой квантовый компьютер, но сейчас о нем легче говорить, чем сделать.

 

 

Начало квантовой обработки информации

 

1981

Физик Ричард Фейнман утверждает, что моделирование корреляций и взаимодействий частиц в сложных задачах квантовой физики может быть осуществлено только универсальным квантовым симулятором, использующим те же самые свойства.

 

1982

Теорема о невозможности клонирования угрожает надеждам на квантовые вычисления. Она утверждает, что квантовые биты нельзя копировать, так что нет возможности резервировать информацию. Тем не менее это также является преимуществом: перехват данных становится невероятно трудным, что обеспечивает безопасность квантовой передачи информации.

 

1984

Чарльз Беннетт из компании IBM и Жиль Брассар из Монреальского университета (Канада) разрабатывают BB84 – первое решение безопасного шифрования и передачи информации квантовыми состояниями.

 

1985

Дэвид Дойч из Оксфордского университета демонстрирует теоретическую схему универсального квантового компьютера, который может имитировать классические логические элементы и выполнять все функции квантовой логики.

 

1992

Теория квантового сверхплотного кодирования показывает, как отправитель и получатель могут обмениваться двумя классическими битами информации, деля только одну запутанную пару квантовых состояний.

 

1993

В действительности вам вовсе не нужно передавать квантовые состояния, чтобы использовать их возможности: протоколы квантовой телепортации доказывают, что обладание запутанными квантовыми состояниями и сообщение эффективны и при использовании классических битов.

 

1994

Алгоритм Шора показывает, что квантовый компьютер может разложить число на множители быстрее, чем любой классический.

 

1995

Американский физик Бенджамин Шумахер вводит термин «кубит» для квантового бита.

 

1996

Алгоритм Гровера дает решение, благодаря которому квантовый компьютер может обогнать по производительности классические при выполнении крайне распространенной задачи – найти элемент в неотсортированной базе данных.

 

1996

Квантовая теория исправления ошибок наконец решает проблему запрета клонирования. Квантовая информация не может быть скопирована – но она может быть распространена по многим кубитам. На основе этого были созданы главные теоретические инструменты обработки квантовой информации. Трудностью тогда было создание соответствующих технологий.

 

 

Интервью. Дэвид Дойч – пионер квантовых вычислений

Дэвид Дойч – профессор физики Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. В 1998 году он был награжден премией и медалью Поля Дирака от Института физики, а в 2005 году удостоен премии в области компьютерных наук за работу, расширившую границы идеи вычислений. В 1985 году Дойч в корне изменил физику описанием универсального квантового компьютера, став первопроходцем квантовой информатики. Он объясняет, как она связана с понятиями истины и реальности в нашей Вселенной – и даже за ее пределами.

 

– Когда Вы опубликовали свою статью по квантовым вычислениям, какова была реакция общественности?

– Люди не восприняли ее как новый способ мышления. Потребовалось несколько лет, чтобы физическое сообщество начало работать над квантовыми вычислениями. Конечно, была небольшая группа тех, кто сразу понял ее важность, но область начала развиваться лишь несколько лет спустя.

 

– Что мотивировало Вас на работу над квантовыми вычислениями?

– Было желание понять основу квантовой теории, основу физики, основу всего. Базовые постулаты одной области имеют тенденцию к пересечению с постулатами других. Квантовые вычисления, например, имеют последствия не только для основы квантовой теории, но также и для основы физики в целом, а также для математики и философии.

 

– Как квантовые вычисления пролили свет на существование многих миров?

– Скажем, мы решили разложить на множители целое число с 10 000 цифрами – произведение двух больших простых чисел. Это число не может быть выражено как произведение множителей любым мыслимым классическим компьютером. Даже если бы вы взяли все вещество наблюдаемой Вселенной, превратили его в компьютер, а потом запустили этот компьютер на время, равное возрасту Вселенной, он бы не приблизился и к началу решения этой задачи. Но квантовый компьютер легко может разложить это число на множители за минуты или даже секунды. Как такое может случиться?

Любой, кто не является солипсистом, должно быть, скажет, что ответ дает некоторый физический процесс. Мы знаем, что в этой Вселенной нет достаточной вычислительной мощности, чтобы получить ответ, так что происходит что-то большее, чем мы можем непосредственно видеть. В таком случае становится вполне закономерным принятие многомировой структуры. Количество вычислительных подпроцессов неизмеримо больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Потом они объединяют свои результаты для получения ответа. Каждый, кто отрицает существование параллельных вселенных, должен в таком случае объяснить, как работает этот процесс разложения на множители.