1. Организация ЭВМ и систем
Тема: Квантовый компьютер
КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА:
КОМПЬЮТЕРЫ, СВЯЗЬ И КРИПТОГРАФИЯ
Камиль Ахметович Валиев - академик, директор
Физико-технологического института РАН
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 70, № 8, с. 688-
695 (2000)
2. Вадим Кухарев
Там, за Интернетом...
2015...
Наконец-то широкополосная связь Интернета-2 добралась и к
нам! Дороговато конечно, но выдержим. Обклеил все стены
квартиры виртуальными обоями с прямым доступом в Инет. На
сенсорные денег не хватило – управление только с клавиатуры и
голосом. Но ничего, поживем еще – и доживем до следующего
апгрейда...
Главное – можно работать на дому, не ходя на работу. В любой
момент подаешь сигнал об активности – и начальство видит, что
не спишь. Одну из комнат приходится держать под виртуальный
офис, дабы начальство не видело как подчиненные
разбрасывают свои носки...
Когда приходят клиенты, объединяешь две виртуальности в одну.
Можно даже руку пожать, если не жалко платить за передачу
тактильных ощущений, неизвестно на какое расстояние. Хотя
если клиент солидный все окупится. Ну а когда приходят свои
люди достаточно и простого видео.
3. 2025...
Сегодня узнал - создали очки с проекцией информации
из Сети прямо на сетчатку глаза. Стоят они в нормальной
комплектации как обычный компьютер. Правда, этот же
компьютер и заменяют. Выборка информации доступна в
основном с голоса. Можно и клавиатурой, вернее ее
проецируемым аналогом, но со стороны будет смотреться
жутковато.
Онлайновые игры теперь стали доступны в любом
месте. Играл до обеда, а потом, пошел гулять по старым
сайтам. Бродил не снимая очков до утра следующего дня, а
когда снял и подошел к зеркалу на меня смотрел вампир –
глаза даже не красные, а багровые... Пришлось искать в
Сети всю информацию по оптимальной проекции, частоте и
яркости, а потом лезть в конфиг и менять все.
4. 2030...
Наука не стоит на месте. Очки с улучшенной
реальностью и связью с Сетью – уже вчерашний день. Все
больше людей вставляют железо внутрь себя. Постоянная
связь с сетью – это мечта! Я накопил денег и ринулся в
ближайший сервис. Установка прошла не сложнее
пломбирования зубов. К слову одну из железок внедрил как
раз в зуб, хотя по виду и качеству он не отличается от
других.
Гигантскую массу своих закладок перелопатил по
новому, решил что маловато, начал закачивать в браузер
собственной головы еще и еще. Фраза “ c головой влезть в
Инет” теперь звучит в буквальном смысле. Помимо
браузера, во мне ессно, и винт, куда можно закачать пару
терабайт. Но можно и не закачивать, а размещать внутри
самой Сети.
5. Имплантантология расцвела – все деловые люди хотят
знать всю информацию в момент ее появления. Студентам тоже
теперь раздолье – все билеты постоянно в голове, не говоря уже
о лекциях и лабораторных. Но и экзаменаторы не спят –
включают блокировку, точнее пытаются ее включить, ведь
влезть в чужое железо в посторонней голове не так-то просто.
2035...
Какие-то хакеры вскрыли мою защиту, и я потерял связь с
инетом. Второго такого ужаса не переживу. Целых три часа
ушло, пока добирался до Центра соединений и ждал пока меня
проверят на вирусы и поставят новый экран. Но нет худа без
добра – в центре узнал последние цены на новое железо и сразу
имплантировал себе свежий видеочип. Теперь прогулка по
улицам стала еще занятней – всех прохожих вижу как сгустки
информации и протоплазмы. Подрисовал рога и копыта
знакомому из конкурирующей фирмы. Но главное что теперь
постоянно могу контролировать все новости и все открытия
Нового мира.
6. Кроме того, расширив количество принимаемых
спектров, я получил ряд новых каналов с сетью. Теперь я
сам себе провайдер, да и не только себе. Идешь по городу
и сразу видно кто ходячий сервер, кто провайдер, а кто и
всего лишь в оффлайн.
Также вживил себе универсальный датчик оценки
здоровья – анализ крови, сердца, легких и всего остального
производится автоматически и передается в Сеть, где мой
знакомый врач сразу может выдать рекомендации. Правда
в Сети сейчас ходит страшилка о хакерах, редактирующих
рекомендации врачей на свои собственные. Так что защиту
надо продумать...
7. 2040...
Виртуальный город стал больше моего родного. Последние
окрестные поселки наполняются улучшенной реальностью. Я
успешно внедрился между несколькими крупными
транспортными потоками и теперь получаю прибыль со всех
проходящих через мой “брод”. Этим “бродом” служит единый
комплекс из нескольких веб-серверов, географически
разбросанных по местам информационных артерий, имеющих
гарантированную защиту от внешнего мира. Такое решение
стало главной альтернативой борьбы с пиратством.
Сегодня получил письмо от одного научного центра.
Предлагают как страстному поклоннику Сети перенести свое
сознание в компьютер и мыслить в миллионы раз быстрее
обычных людей. Мне кажется они переоценивают мой
энтузиазм. Еще слишком много нужно сделать в реальном мире,
прежде чем переселяться в электронный.
А может стоит попробовать ?...
Автор: Кухарев Вадим Николаевич, аспирант. Южно-Российский Государственных
Технический Университет, Факультет Информационных Технологий и Управления,
Кафедра Автоматизированные Системы Управления. vl_list@list.ru , (86352)23992
8. Организация ЭВМ и систем
Тема: Квантовый компьютер
КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА:
КОМПЬЮТЕРЫ, СВЯЗЬ И КРИПТОГРАФИЯ
Камиль Ахметович Валиев - академик, директор
Физико-технологического института РАН
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 70, № 8, с. 688-
695 (2000)
9. Информатика - наука о методах обработкиИнформатика - наука о методах обработки
информацииинформации - стала быстроразвивающейся областью- стала быстроразвивающейся областью
человеческой деятельности.человеческой деятельности. Понятие информации тесноПонятие информации тесно
связано с физическим понятием энтропиисвязано с физическим понятием энтропии. Она не. Она не
существует вне физики, то есть реального мира.существует вне физики, то есть реального мира.
В информационных системах ее носители -В информационных системах ее носители -
физические тела, с состояниями которых связываютсяфизические тела, с состояниями которых связываются
информационные понятия и символы, а с эволюциейинформационные понятия и символы, а с эволюцией
состояний физических тел связываются процессысостояний физических тел связываются процессы
обработки информации.обработки информации.
Эти общие положения обретают наглядность приЭти общие положения обретают наглядность при
физическом отображении цифровых информационных систем,физическом отображении цифровых информационных систем,
построенных на двоичной системе исчисления. Их отображениемпостроенных на двоичной системе исчисления. Их отображением
могут служить любые физические системы, имеющие двамогут служить любые физические системы, имеющие два
устойчивых состояния и способные совершать переходы междуустойчивых состояния и способные совершать переходы между
ними под воздействием внешних сигналов (механические илиними под воздействием внешних сигналов (механические или
электрические переключатели (табл. 1)).электрические переключатели (табл. 1)).
10. При анализе информационных систем полезноПри анализе информационных систем полезно
выделить минимальной сложности операции (булевывыделить минимальной сложности операции (булевы
функции), из которых могут быть построены системыфункции), из которых могут быть построены системы
любой сложности. Доказано, чтолюбой сложности. Доказано, что классические двоичныеклассические двоичные
системы могут быть построены из единственногосистемы могут быть построены из единственного
элемента НЕ-И, имеющего два входа х, у (0; 1) и одинэлемента НЕ-И, имеющего два входа х, у (0; 1) и один
выход f(x,у),выход f(x,у), значение f(x,у) = 1, когда х = у = 0, и f(x,у) =значение f(x,у) = 1, когда х = у = 0, и f(x,у) =
0 во всех других случаях.0 во всех других случаях.
11. Квантовая информатикаКвантовая информатика
Главной тенденцией развития технологии твердотельныхГлавной тенденцией развития технологии твердотельных
приборов микроэлектроники стало непрерывное уменьшениеприборов микроэлектроники стало непрерывное уменьшение
размеров элементов приборов. Размеры меньше 0.1 мкмразмеров элементов приборов. Размеры меньше 0.1 мкм
называются нанометровыми (1 нм = 0.001 мкм), а приборы -называются нанометровыми (1 нм = 0.001 мкм), а приборы -
наноэлектронными.наноэлектронными.
Экстраполяция тенденции уменьшения размеров элементовЭкстраполяция тенденции уменьшения размеров элементов
приборов показывает, что атомные размеры в твердотельнойприборов показывает, что атомные размеры в твердотельной
технологии будут достигнуты через 20-30 лет. Не переоцениваятехнологии будут достигнуты через 20-30 лет. Не переоценивая
точности этого предсказания, можно быть уверенным, чтоточности этого предсказания, можно быть уверенным, что
уровень технологии атомных размеровуровень технологии атомных размеров будет достигнут, ибудет достигнут, и
такая технологиятакая технология позволит изготавливать микросхемы,позволит изготавливать микросхемы,
работающие на квантовых принципахработающие на квантовых принципах. Другие технологии на. Другие технологии на
атомном уровне (например, технологии на ионах и атомах ватомном уровне (например, технологии на ионах и атомах в
ловушке) также могут использоваться для построения квантовойловушке) также могут использоваться для построения квантовой
элементной базы информационных систем.элементной базы информационных систем.
12. Квантовая физикаКвантовая физика
и квантовая информатикаи квантовая информатика
На рубеже ХIХ-ХХ вв. возникла великая физическаяНа рубеже ХIХ-ХХ вв. возникла великая физическая
теория, описывающая свойства частиц и их движение втеория, описывающая свойства частиц и их движение в
микромире - квантовая физика (механика).микромире - квантовая физика (механика).
«Настоящее колдовское исчисление», - писал о«Настоящее колдовское исчисление», - писал о
квантовой механике Альберт Эйнштейн своему другуквантовой механике Альберт Эйнштейн своему другу
Мишелю Бессо в декабре 1925 года: в то время даже дляМишелю Бессо в декабре 1925 года: в то время даже для
него новая механика казалась слишком сложной.него новая механика казалась слишком сложной.
В течение четверти века усилиями Планка, Н. Бора, Э.В течение четверти века усилиями Планка, Н. Бора, Э.
Шредингера, В. Гейзенберга был создан математическийШредингера, В. Гейзенберга был создан математический
аппарат квантовой механики и решены основные задачи оаппарат квантовой механики и решены основные задачи о
квантовом описании движения объектов микромира:квантовом описании движения объектов микромира:
электронов, атомов и молекул; электронов и атомов вэлектронов, атомов и молекул; электронов и атомов в
твердых телах; взаимодействия излучения и атомовтвердых телах; взаимодействия излучения и атомов
(атомная спектроскопия).(атомная спектроскопия).
13. Для описания состояния квантовой системы было
введено понятие волновой функции, ее 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 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, при помощи которых будет организована вся
логика квантового компьютера..
14. Эволюция состояний квантовых систем происходитЭволюция состояний квантовых систем происходит
согласно квантовому уравнению Шредингерасогласно квантовому уравнению Шредингера..
Оператор Н линейный:Оператор Н линейный:
следствием чего является квантовый принципследствием чего является квантовый принцип
суперпозиции состояний. Если квантовая система можетсуперпозиции состояний. Если квантовая система может
существовать в состояниях а|Y1> и b|Y2>, то она можетсуществовать в состояниях а|Y1> и b|Y2>, то она может
столь же "законно" существовать и в состояниях ихстоль же "законно" существовать и в состояниях их
суперпозиции: a|Y1> + b|Y2> = |Y>, a, b - комплексныесуперпозиции: a|Y1> + b|Y2> = |Y>, a, b - комплексные
амплитуды, |a|амплитуды, |a|22
+ |b|+ |b|22
= 1.= 1.
15. Установление соответствия между состояниямиУстановление соответствия между состояниями
квантовой системыквантовой системы (частицами)(частицами) ии информационнымиинформационными
понятиямипонятиями (символами)(символами) превращает квантовыепревращает квантовые
системы всистемы в квантовые приборыквантовые приборы.. ПоследниеПоследние можноможно
рассматривать как квантовую элементную базурассматривать как квантовую элементную базу
информационных системинформационных систем.. Эволюция состоянийЭволюция состояний
квантовых приборов представляет информационныйквантовых приборов представляет информационный
процесс.процесс.
Таким образом,Таким образом, подчинение прибора уравнениюподчинение прибора уравнению
ШредингераШредингера (и принципу суперпозиции)(и принципу суперпозиции) выделяет его ввыделяет его в
класс квантовых приборовкласс квантовых приборов. Управление прибором извне. Управление прибором извне
(внешним полем) происходит также согласно уравнению(внешним полем) происходит также согласно уравнению
Шредингера.Шредингера.
ОчевидноОчевидно выделенными оказываются квантовыевыделенными оказываются квантовые
частицы (системы) с двумя состояниями, на которыечастицы (системы) с двумя состояниями, на которые
отображаются информационные системы,отображаются информационные системы,
построенные на двоичной системе исчисления.построенные на двоичной системе исчисления.
16. Кубиты – квантовые биты иКубиты – квантовые биты и
операции над нимиоперации над ними
Квантовая система с двумя различимымиКвантовая система с двумя различимыми
состояниями |Y0>, |Y1> способная нести 1 битсостояниями |Y0>, |Y1> способная нести 1 бит
информации, получила название кубитинформации, получила название кубит (qubit)(qubit) [[11
].].
Если состоянияЕсли состояния |Y0>, |Y1>|Y0>, |Y1> связаны с двумя уровнямисвязаны с двумя уровнями
энергииэнергии EE00 << ЕЕ11, то можно говорить о двухуровневой, то можно говорить о двухуровневой
системе. Простейшим случаем двухуровневой квантовойсистеме. Простейшим случаем двухуровневой квантовой
системы является спин ядра атома или электронасистемы является спин ядра атома или электрона / = 1/2/ = 1/2 вв
постоянном внешнем полепостоянном внешнем поле BB00: два уровня энергии и: два уровня энергии и
состояния соответствуют проекциям спина на направлениесостояния соответствуют проекциям спина на направление
BB00..
17. Состояния спинаСостояния спина Iz =Iz =
±1/2 -±1/2 - и его уровнии его уровни
энергииэнергии EE0,10,1 = ±m= ±miiBB00/2 во/2 во
внешнем поле Bвнешнем поле B00
представляют логическиепредставляют логические
состояния кубита |0> и |1>.состояния кубита |0> и |1>.
Два оптических уровняДва оптических уровня
энергии и состоянияэнергии и состояния
электрона в ионеэлектрона в ионе такжетакже
могут быть выбраны вмогут быть выбраны в
качестве двух состоянийкачестве двух состояний
кубита.кубита.
18. Состояния иона СаСостояния иона Са++
,,
соответствующиесоответствующие
уровням энергииуровням энергии 22
SS1/21/2
(основной) и(основной) и 22
DD5/25/2
(метастабильный)(метастабильный)
выбраны за логические |выбраны за логические |
0> и |1>.0> и |1>.
Числа у стрелокЧисла у стрелок
показывают длину волныпоказывают длину волны
лазера, вызывающеголазера, вызывающего
переход, и время жизнипереход, и время жизни
иона на соответствующемиона на соответствующем
уровне.уровне.
19. В других случаяхВ других случаях состояния |Y0>, |Y1> могутсостояния |Y0>, |Y1> могут
различаться поляризацией (фотона) или фазойразличаться поляризацией (фотона) или фазой
(сверхпроводника).(сверхпроводника). Квантовая система может бытьКвантовая система может быть
макроскопическоймакроскопической (сверхпроводники, сверхтекучие(сверхпроводники, сверхтекучие
жидкости, бозе-газ),жидкости, бозе-газ), отдельной атомной частицей, илиотдельной атомной частицей, или
колебательной модойколебательной модой.. Все эти системы могут бытьВсе эти системы могут быть
использованы в качестве кубита.использованы в качестве кубита.
Некоторое число n кубитов образуют квантовыйНекоторое число n кубитов образуют квантовый
регистр компьютера.регистр компьютера. В ходе выполнения квантовогоВ ходе выполнения квантового
алгоритма состояния кубитов изменяются согласно плануалгоритма состояния кубитов изменяются согласно плану
выполнения алгоритма. Доказано, чтовыполнения алгоритма. Доказано, что любой квантовыйлюбой квантовый
алгоритм может быть разложен на последовательностьалгоритм может быть разложен на последовательность
преобразований состояний отдельных кубитов и парпреобразований состояний отдельных кубитов и пар
кубитовкубитов (одно- и двухкубитовые преобразования, или(одно- и двухкубитовые преобразования, или
"вентили")."вентили").
20. Чтобы построить квантовый компьютер,Чтобы построить квантовый компьютер,
необходимонеобходимо уметь осуществлятьуметь осуществлять::
1) любые суперпозиции состояний |0> и |1> любого1) любые суперпозиции состояний |0> и |1> любого
кубита,кубита,
2) контролируемое одним ("контролирующим") кубитом2) контролируемое одним ("контролирующим") кубитом
преобразование НЕ другого ("контролируемого") кубита.преобразование НЕ другого ("контролируемого") кубита.
21. Контролируемое преобразование можноКонтролируемое преобразование можно
осуществить только при наличии физическогоосуществить только при наличии физического
взаимодействия между контролирующим ивзаимодействия между контролирующим и
контролируемым кубитамиконтролируемым кубитами..
Чтобы выполнить необходимые операции наЧтобы выполнить необходимые операции на
кубитах, на них воздействуют импульсами внешнегокубитах, на них воздействуют импульсами внешнего
резонансного поля.резонансного поля. Квантовая эволюция состояния кубитаКвантовая эволюция состояния кубита
|Y(t)> совершается согласно уравнению Шредингера, где|Y(t)> совершается согласно уравнению Шредингера, где
HHii (t) = -me(t) = -me00cos(wt + j)cos(wt + j)
- энергия взаимодействия дипольного момента m кубита- энергия взаимодействия дипольного момента m кубита
и внешнего резонансного поля (например, лазера). Прии внешнего резонансного поля (например, лазера). При
этом необходимо иметь возможность воздействоватьэтом необходимо иметь возможность воздействовать
избирательно на любой избранный кубит.избирательно на любой избранный кубит.
22. Схема квантового компьютераСхема квантового компьютера
Мысль о возможности построения квантовогоМысль о возможности построения квантового
компьютера впервые высказал Р.П. Фейнман [2].компьютера впервые высказал Р.П. Фейнман [2].
Схематически структура квантового компьютераСхематически структура квантового компьютера
представлена на рисунке.представлена на рисунке.
23. Квантовую часть компьютера составляют n кубитовКвантовую часть компьютера составляют n кубитов..
К каждому из них может быть приложено селективноеК каждому из них может быть приложено селективное
воздействие импульсами резонансного внешнеговоздействие импульсами резонансного внешнего
переменного поля.переменного поля. Включение генераторов полей иВключение генераторов полей и
адресация их излучения на данный кубитадресация их излучения на данный кубит
осуществляется под управлением классическогоосуществляется под управлением классического
компьютеракомпьютера. Эволюция состояния кубитов изображается. Эволюция состояния кубитов изображается
вдоль горизонтальных линий (ось времени) в видевдоль горизонтальных линий (ось времени) в виде
последовательности однокубитовых и двухкубитовыхпоследовательности однокубитовых и двухкубитовых
вентилей.вентилей.
До того как "запустить" вычислительный процесс наДо того как "запустить" вычислительный процесс на
квантовом компьютере, все n кубитов должны бытьквантовом компьютере, все n кубитов должны быть
приведены в состояниеприведены в состояние |0>|0>.. Эта процедура носитЭта процедура носит
названиеназвание "инициализация"."инициализация". Это вовсе не тривиальнаяЭто вовсе не тривиальная
операция.операция.
24. Если в качестве кубитов используются ядерныеЕсли в качестве кубитов используются ядерные
спины, для инициализации потребуется охлаждение доспины, для инициализации потребуется охлаждение до
температур порядка 1 мкK или поляризация спиновтемператур порядка 1 мкK или поляризация спинов
накачкой.накачкой. Ввод данных и исполнение алгоритмаВвод данных и исполнение алгоритма
совершаются применением однокубитовых исовершаются применением однокубитовых и
двухкубитовых вентилей.двухкубитовых вентилей.
По завершении алгоритма результат вычисленияПо завершении алгоритма результат вычисления
будет записан в конечном квантовом состояниибудет записан в конечном квантовом состоянии
кубитов.кубитов. Чтобы "считать" результат, необходимо провестиЧтобы "считать" результат, необходимо провести
квантовое измерение состояния кубитов (одного иликвантовое измерение состояния кубитов (одного или
нескольких).нескольких).
Квантовые алгоритмы решения сложных задачКвантовые алгоритмы решения сложных задач
могут состоять из большого числа (~10могут состоять из большого числа (~1099
) операций) операций
(вентилей), выполняемых на компьютерах, содержащих(вентилей), выполняемых на компьютерах, содержащих
- 10- 1033
кубитов.кубитов.
25. Сейчас разработано немного алгоритмов для квантовыхСейчас разработано немного алгоритмов для квантовых
компьютеров, но в том, что сделано, полученыкомпьютеров, но в том, что сделано, получены
ошеломляющие результаты.ошеломляющие результаты.
В 1994 г. Шор создал алгоритм факторизации - тоВ 1994 г. Шор создал алгоритм факторизации - то
есть определения простых множителей больших nесть определения простых множителей больших n
разрядных чисел [3].разрядных чисел [3]. На классическом компьютере дляНа классическом компьютере для
этого требуется экспоненциально большое числоэтого требуется экспоненциально большое число
операций. Недоступность этой задачи современнымопераций. Недоступность этой задачи современным
компьютерам используется для кодирования (шифрования)компьютерам используется для кодирования (шифрования)
секретной информации (в RSA криптосистемах).секретной информации (в RSA криптосистемах). ШорШор
показал, что квантовый компьютер способен решитьпоказал, что квантовый компьютер способен решить
эту задачу за nэту задачу за n33
операций.операций. Коэффициент ускоренияКоэффициент ускорения
задачи при больших n может быть очень большим. Такоезадачи при больших n может быть очень большим. Такое
же ускорение имеет место при решении на квантовомже ускорение имеет место при решении на квантовом
компьютере задач квантовой физики [4].компьютере задач квантовой физики [4]. В то же времяВ то же время
установлено, что многие алгоритмы, выполняемыеустановлено, что многие алгоритмы, выполняемые
неплохо на классических компьютерах, не ускоряютсянеплохо на классических компьютерах, не ускоряются
на квантовом [5].на квантовом [5].
26. Ускорение процесса решения задач на квантовомУскорение процесса решения задач на квантовом
компьютере лежит в квантовой природе кубитов.компьютере лежит в квантовой природе кубитов.
Квантовость кубитов приводит к нескольким феноменам.Квантовость кубитов приводит к нескольким феноменам.
1. Гильбертово пространство состояний квантовой1. Гильбертово пространство состояний квантовой
системы из n кубитов имеет огромную размерность,системы из n кубитов имеет огромную размерность,
равную 2равную 2nn
. Физически это означает, что. Физически это означает, что система имеет 2система имеет 2nn
базовых состояний, а состояние компьютера описываетсябазовых состояний, а состояние компьютера описывается
суперпозицией из этих 2суперпозицией из этих 2nn
базовых состояний.базовых состояний. ПриПри
воздействии на какой-либо кубит одновременновоздействии на какой-либо кубит одновременно
изменяются все 2изменяются все 2nn
базовых состояний.базовых состояний. Этот феноменЭтот феномен
носит названиеносит название квантового параллелизмаквантового параллелизма..
2. Вычислительный процесс носит характер2. Вычислительный процесс носит характер
интерференции, так как амплитуды базисных состоянийинтерференции, так как амплитуды базисных состояний
являются комплексными числами.являются комплексными числами. Квантовый компьютерКвантовый компьютер
можно рассматривать какможно рассматривать как сложное интерференционноесложное интерференционное
устройствоустройство, в котором, в котором интерференция состоянийинтерференция состояний
создает вычислительную мощь компьютерасоздает вычислительную мощь компьютера..
27. С возникновения идеи создания квантовыхС возникновения идеи создания квантовых
компьютеров математики нашли новую важную задачу:компьютеров математики нашли новую важную задачу:
разработать квантовые алгоритмы решенияразработать квантовые алгоритмы решения
вычислительных задач математики и определить, гдевычислительных задач математики и определить, где
есть ускорение и каково оноесть ускорение и каково оно. В алгоритме Шора, по-. В алгоритме Шора, по-
видимому, впервые обнаружен феномен, когдавидимому, впервые обнаружен феномен, когда класскласс
сложности задачи коренным образом изменяется всложности задачи коренным образом изменяется в
зависимости от того, на каких физических принципахзависимости от того, на каких физических принципах
строится вычислительный процессстроится вычислительный процесс. При выполнении. При выполнении
задачи на любом из классических компьютеровзадачи на любом из классических компьютеров
принадлежность задачи к классу будет неизменной.принадлежность задачи к классу будет неизменной.
По-видимому, местоПо-видимому, место квантовых компьютеровквантовых компьютеров вв
компьютерном мире XXI в. можно определить следующимкомпьютерном мире XXI в. можно определить следующим
образом: ониобразом: они не вытесняют, а дополняютне вытесняют, а дополняют
существующий компьютерный мирсуществующий компьютерный мир.. Их надо будетИх надо будет
применять в тех случаях, когда они дают большоеприменять в тех случаях, когда они дают большое
ускорение решения задачи.ускорение решения задачи.
28. Для того чтобы практически реализоватьДля того чтобы практически реализовать
квантовый компьютер, существуют несколькоквантовый компьютер, существуют несколько
важных правил, которые в 1996 г. привелважных правил, которые в 1996 г. привел
Дивиченцо (D.P. Divincenzo).Дивиченцо (D.P. Divincenzo). Без их выполнения неБез их выполнения не
может быть построена ни одна квантовая система.может быть построена ни одна квантовая система.
1.1.Точно известное число частиц системы.Точно известное число частиц системы.
2.2.Возможность приведения системы в точно известноеВозможность приведения системы в точно известное
начальное состояние.начальное состояние.
3.3.Высокая степень изоляции от внешней среды.Высокая степень изоляции от внешней среды.
4.4.Умение менять состояние системы согласно заданнойУмение менять состояние системы согласно заданной
последовательности элементарных преобразований.последовательности элементарных преобразований.
29. Возможные пути созданияВозможные пути создания
квантовых компьютеровквантовых компьютеров
К настоящему времени предложеныК настоящему времени предложены различные путиразличные пути
реализации квантовых компьютеровреализации квантовых компьютеров [6-15]. Наиболее[6-15]. Наиболее
впечатляющие результаты полученывпечатляющие результаты получены в экспериментах пов экспериментах по
квантовым вычислениям методом импульсногоквантовым вычислениям методом импульсного
ядерного магнитного резонанса в молекулярныхядерного магнитного резонанса в молекулярных
жидкостях (ансамблевый квантовый компьютер)жидкостях (ансамблевый квантовый компьютер) [6, 7].[6, 7].
Другие авторы предлагают использоватьДругие авторы предлагают использовать в качествев качестве
элементной базы квантовых компьютеров ионы вэлементной базы квантовых компьютеров ионы в
ловушках в вакуумеловушках в вакууме [8],[8], ядерные спины атомовядерные спины атомов 3131
Р вР в
монокристаллическом кремнии [9], спины одиночныхмонокристаллическом кремнии [9], спины одиночных
электронов в квантовых точках в двумерном газе вэлектронов в квантовых точках в двумерном газе в
полупроводниковых гетероструктурах [10], атомы вполупроводниковых гетероструктурах [10], атомы в
резонаторах электромагнитного полярезонаторах электромагнитного поля [11].[11].
30. ВозможноВозможно создание кубитов на состоянияхсоздание кубитов на состояниях
сверхпроводников, разделенных переходамисверхпроводников, разделенных переходами
Джозефсона и различающихся числом зарядов [12, 13]Джозефсона и различающихся числом зарядов [12, 13]
или фазой сверхпроводниковили фазой сверхпроводников [14]. Интересно, что[14]. Интересно, что
модели квантовых компьютеров могут быть построенымодели квантовых компьютеров могут быть построены
на линейных оптических элементахна линейных оптических элементах (делители пучка,(делители пучка,
поляризаторы, фазовращатели, интерферометры) [15].поляризаторы, фазовращатели, интерферометры) [15].
В ансамблевом ядерном магнитнорезонансномВ ансамблевом ядерном магнитнорезонансном
квантовом компьютере кубитами выступают спины -квантовом компьютере кубитами выступают спины -
ядер водорода (протоны) и углеродаядер водорода (протоны) и углерода 1313
С в молекулахС в молекулах
жидкостижидкости. Так, в молекуле трихлорэтилена спины ядер. Так, в молекуле трихлорэтилена спины ядер
двух атомовдвух атомов 1313
С и одного протона образуют три кубита. ДваС и одного протона образуют три кубита. Два
атомаатома 1313
С химически неэквивалентны и поэтому имеютС химически неэквивалентны и поэтому имеют
различные частоты ядерного магнитного резонанса wразличные частоты ядерного магнитного резонанса wAA и wи wBB
в заданном внешнем постоянном магнитном поле Bв заданном внешнем постоянном магнитном поле B00, протон, протон
будет иметь третью резонансную частоту wбудет иметь третью резонансную частоту wCC..
31. Подавая импульсы внешнего переменного магнитногоПодавая импульсы внешнего переменного магнитного
поля на разных частотах, мы селективно управляемполя на разных частотах, мы селективно управляем
квантовой эволюцией любого из этих спинов (выполняемквантовой эволюцией любого из этих спинов (выполняем
однокубитовые вентили). Между спинами ядер,однокубитовые вентили). Между спинами ядер,
разделенных одной химической связьюразделенных одной химической связью 11
H-H-1313
С иС и 1313
С-С-1313
С,С,
имеется магнитное контактное взаимодействие, чтоимеется магнитное контактное взаимодействие, что
позволяет построить двухкубитовые вентили.позволяет построить двухкубитовые вентили.
32. Макроскопически большое число (~10Макроскопически большое число (~102020
) молекул в) молекул в
пробирке импульсного ЯМР спектрометра,пробирке импульсного ЯМР спектрометра,
запрограммированного на выполнение квантовогозапрограммированного на выполнение квантового
алгоритма на трехкубитовом компьютереалгоритма на трехкубитовом компьютере //АА, /, /ВВ, /, /СС
представляет собой ансамбль работающих параллельнопредставляет собой ансамбль работающих параллельно
квантовых компьютеров.квантовых компьютеров.
"Ансамблевость" компьютера в данной ситуации"Ансамблевость" компьютера в данной ситуации
позволяет решить трудные проблемы инициализациипозволяет решить трудные проблемы инициализации
компьютера (т.е. приведения всех кубитов в состояние (0)компьютера (т.е. приведения всех кубитов в состояние (0)
перед вычислением) и измерения состояния кубитов поперед вычислением) и измерения состояния кубитов по
завершении процесса вычислений.завершении процесса вычислений. СостоянияСостояния |0>|0> ии |1>|1>
некоторого кубита в конечном состоянии определяетсянекоторого кубита в конечном состоянии определяется
путем наблюдения знака (фазы) линии резонансногопутем наблюдения знака (фазы) линии резонансного
поглощения: в случаепоглощения: в случае |0>|0> наблюдается, например, линиянаблюдается, например, линия
поглощения, а припоглощения, а при |1>|1> - излучения.- излучения.
33. К настоящему времени на спиновых двух- иК настоящему времени на спиновых двух- и
трехкубитовых квантовых компьютерах выполнентрехкубитовых квантовых компьютерах выполнен
модельный квантовый алгоритм Дойча-Иозса помодельный квантовый алгоритм Дойча-Иозса по
определению типа дискретной функции от дискретногоопределению типа дискретной функции от дискретного
аргумента [16], алгоритма Гровера поиска в базе данныхаргумента [16], алгоритма Гровера поиска в базе данных
[17], алгоритм с квантовой коррекцией ошибок [18].[17], алгоритм с квантовой коррекцией ошибок [18].
Эти результаты произвели большое впечатление наЭти результаты произвели большое впечатление на
научное сообщество. Однаконаучное сообщество. Однако анализ показывает, чтоанализ показывает, что
масштабирование квантового компьютера на спинах вмасштабирование квантового компьютера на спинах в
молекулах на число кубитов порядка 10молекулах на число кубитов порядка 1033
вряд ливряд ли
возможно: трудно представить, что такое количествовозможно: трудно представить, что такое количество
спинов ядер будут иметь различимые частотыспинов ядер будут иметь различимые частоты
резонанса.резонанса.
ИнтереснаИнтересна идея создания квантового компьютера наидея создания квантового компьютера на
ловушках в вакуумеловушках в вакууме. "Подвешенные" в вакууме ионы. "Подвешенные" в вакууме ионы
(атомы) напрямую осуществляют идею максимально(атомы) напрямую осуществляют идею максимально
изолированных от окружающего мира квантовых частиц.изолированных от окружающего мира квантовых частиц.
34. Связь ионов с окружающим миром сохранена толькоСвязь ионов с окружающим миром сохранена только
для удержания ионов в ловушкедля удержания ионов в ловушке (электроды с(электроды с
напряжениями)напряжениями) и управления квантовой эволюциейи управления квантовой эволюцией
(сфокусированные лазерные пучки). Эксперименты в этом(сфокусированные лазерные пучки). Эксперименты в этом
варианте квантового компьютера ведутся в Лос-Аламосе иварианте квантового компьютера ведутся в Лос-Аламосе и
Национальном институте стандартов США [19,20].Национальном институте стандартов США [19,20].
БольшойБольшой интерес вызывают предложения по созданиюинтерес вызывают предложения по созданию
элементов квантовых компьютеров на твердом телеэлементов квантовых компьютеров на твердом теле, так как, так как
в этом случае можно использовать накопленный опытв этом случае можно использовать накопленный опыт
микроэлектронной технологии, а сами квантовыемикроэлектронной технологии, а сами квантовые
компьютеры могли бы иметь сходство с "чипами"компьютеры могли бы иметь сходство с "чипами"
микросхем. В [9]микросхем. В [9] предложено использовать в качествепредложено использовать в качестве
кубитов спиныкубитов спины / = 1/2/ = 1/2 ядер атомов фосфораядер атомов фосфора 3131
Р вР в
монокристаллическом кремнии. Частотой магнитногомонокристаллическом кремнии. Частотой магнитного
резонанса на ядрахрезонанса на ядрах 3131
Р в кремнии можно управлять,Р в кремнии можно управлять,
подавая на наноэлектрод над атомом электрическоеподавая на наноэлектрод над атомом электрическое
напряжениенапряжение VV: оно поляризует электронную оболочку: оно поляризует электронную оболочку
35. атома и изменяет константу А так называемого
сверхтонкого взаимодействия электронного S и ядерного /
спинов атома: HI = A(V) • S. Таким образом достигается
селективный доступ внешнего резонансного магнитного
поля к спину ядра данного атома.
Структура с единичным атомом, встроенным в
заданную точку под электродом, отдаленно напоминает
структуру полевого транзистора. Затвор последнего
управляет движением электронов проводимости от истока к
стоку. В случае кубита напряжения на затворе
управляют движением электрона внутри атома,
поляризуют атом и изменяют резонансную частоту
кубита, связанного со спином его ядра.
36. Разрез структуры кремниевого квантового чипа. ПодРазрез структуры кремниевого квантового чипа. Под
наноэлектродами А в безспиновом кремнии находятсянаноэлектродами А в безспиновом кремнии находятся
одиночные неионизованные атомыодиночные неионизованные атомы 3131
Р. Ядерные спины IР. Ядерные спины I11,,
II22 выступают в качестве кубитов. Напряжения навыступают в качестве кубитов. Напряжения на
электродах А управляют частотой магнитного резонансаэлектродах А управляют частотой магнитного резонанса
ядерных спинов;ядерных спинов; с помощью напряжения на электродес помощью напряжения на электроде
J "включается" взаимодействие спинов, необходимоеJ "включается" взаимодействие спинов, необходимое
для выполнения операции Контролируемое НЕ.для выполнения операции Контролируемое НЕ.
37. Интересны предложения о созданииИнтересны предложения о создании элементовэлементов
квантовых компьютеров на сверхпроводникахквантовых компьютеров на сверхпроводниках [12-14].[12-14].
Одним из достоинств этих предложений являетсяОдним из достоинств этих предложений является
возможность использования структур с наноразмерамивозможность использования структур с наноразмерами
(структуры с Джозефсоновскими контактами), технология(структуры с Джозефсоновскими контактами), технология
которых в значительной мере разработана.которых в значительной мере разработана.
Три сегодняшних технологии могут оказатьсяТри сегодняшних технологии могут оказаться
полезными при построении квантовых компьютеровполезными при построении квантовых компьютеров нана
твердом теле:твердом теле: молекулярная эпитаксия,молекулярная эпитаксия,
нанолитография, зондовая микроскопиянанолитография, зондовая микроскопия. Молекулярная. Молекулярная
эпитаксия позволяет создавать совершенные моноатомныеэпитаксия позволяет создавать совершенные моноатомные
слои кристаллов, то естьслои кристаллов, то есть атомный размер достигается поатомный размер достигается по
толщинетолщине. Методы зондовой микроскопии позволяют, во-. Методы зондовой микроскопии позволяют, во-
первых, наблюдать поверхность тел с атомнымпервых, наблюдать поверхность тел с атомным
разрешением. Во-вторых, зонды можно использовать какразрешением. Во-вторых, зонды можно использовать как
технологическое средство типа атомного манипулятора:технологическое средство типа атомного манипулятора:
перемещать, доставлять, снимать атомы с поверхности.перемещать, доставлять, снимать атомы с поверхности.
38. Зонды могут работать и как катализаторыЗонды могут работать и как катализаторы
локальных поверхностных химических реакцийлокальных поверхностных химических реакций
(окисление, травление, осаждение материала), доставляя(окисление, травление, осаждение материала), доставляя
энергию локального возбуждения (химической активации) вэнергию локального возбуждения (химической активации) в
форме электрического тока, напряжения, фотонов,форме электрического тока, напряжения, фотонов,
механической энергии (деформации). Наконец,механической энергии (деформации). Наконец, зондовыезондовые
методы могут сыграть роль приборов для измеренияметоды могут сыграть роль приборов для измерения
состояний атомных частицсостояний атомных частиц. Методы электроннолучевой. Методы электроннолучевой
нанолитографии с разрешением 1-10 нм также могут занятьнанолитографии с разрешением 1-10 нм также могут занять
существенное место в технологии атомных структурсущественное место в технологии атомных структур
квантовых компьютеров.квантовых компьютеров.
Другим направлением атомной технологии являетсяДругим направлением атомной технологии является
вакуумная технология ионов и атомов в ловушкахвакуумная технология ионов и атомов в ловушках. Эта. Эта
технология предусматривает размещение ионов илитехнология предусматривает размещение ионов или
атомов в области минимума потенциала, создаваемогоатомов в области минимума потенциала, создаваемого
системой электродов и электромагнитных полей.системой электродов и электромагнитных полей.
39. Для охлаждения (замораживания) теплового движенияДля охлаждения (замораживания) теплового движения
атомов используется технология лазерного охлаждения.атомов используется технология лазерного охлаждения.
Первоначально технология "ионы в ловушках" развиваласьПервоначально технология "ионы в ловушках" развивалась
в целях создания квантовых стандартов частотыв целях создания квантовых стандартов частоты; в; в
настоящее время большой интерес к этой технологиинастоящее время большой интерес к этой технологии
связан с задачей создания квантовых компьютеров [19,20].связан с задачей создания квантовых компьютеров [19,20].
Технологии с атомным разрешением имеют довольноТехнологии с атомным разрешением имеют довольно
высокий уровень зрелости ивысокий уровень зрелости и работа с отдельнымиработа с отдельными
атомами является экспериментальной реальностьюатомами является экспериментальной реальностью..
Тем не менее предстоит пройти большой путь, покаТем не менее предстоит пройти большой путь, пока
будет построен полномасштабный (10будет построен полномасштабный (1033
-10-1044
кубитов)кубитов)
квантовый компьютер.квантовый компьютер. Пока неясно, какой способПока неясно, какой способ
построения квантового компьютера окажетсяпостроения квантового компьютера окажется
предпочтительным.предпочтительным. Настоящий этап исследованийНастоящий этап исследований
характеризуется поиском возможностей их построения похарактеризуется поиском возможностей их построения по
всему фронту физики. То и дело возникают новые идеи,всему фронту физики. То и дело возникают новые идеи,
новые предложения.новые предложения.
40. Оптимисты полагают, что среди новых идей могутОптимисты полагают, что среди новых идей могут
найтись "прорывные", которые приблизят деньнайтись "прорывные", которые приблизят день
построения полномасштабного квантового компьютера.построения полномасштабного квантового компьютера.
По-видимому, одной из таких идей можно считатьПо-видимому, одной из таких идей можно считать
идею применения метода квантовой коррекции ошибок.идею применения метода квантовой коррекции ошибок.
41. Квантовая коррекция ошибокКвантовая коррекция ошибок
В самом начале развития идей о квантовомВ самом начале развития идей о квантовом
компьютере физики обнаружили и грозного противникакомпьютере физики обнаружили и грозного противника
этой машины. Имя этого противника -этой машины. Имя этого противника -
декогерентизация.декогерентизация.
Кубиты компьютера нельзя полностью изолировать отКубиты компьютера нельзя полностью изолировать от
внешнего мира:внешнего мира: кубиты работают в условиях шумовогокубиты работают в условиях шумового
воздействия внешней средывоздействия внешней среды..
Флуктуации напряжений на электродах, шумовые токи,Флуктуации напряжений на электродах, шумовые токи,
неточности выполнения самих импульсных воздействий нанеточности выполнения самих импульсных воздействий на
кубиты в ходе вычислительного процесса - все это вноситкубиты в ходе вычислительного процесса - все это вносит
неконтролируемые ошибки в фазы и амплитуды состоянийнеконтролируемые ошибки в фазы и амплитуды состояний
кубитов в ходе вычислительного процесса.кубитов в ходе вычислительного процесса.
42. По истечении времени, равном времениПо истечении времени, равном времени
декогерентизации квантовых состояний системыдекогерентизации квантовых состояний системы
кубитов, контролируемый вычислительный процесскубитов, контролируемый вычислительный процесс
прекратится, эволюция квантового компьютерапрекратится, эволюция квантового компьютера
приобретет случайный (диффузионный) характерприобретет случайный (диффузионный) характер..
Время декогерентизации, как правило, будет меньшеВремя декогерентизации, как правило, будет меньше
времени, необходимого для выполнения сложноговремени, необходимого для выполнения сложного
алгоритма, состоящего из большого числа (-10алгоритма, состоящего из большого числа (-1099
) вентилей.) вентилей.
Выход из этой, казавшейся тупиковой, ситуации былВыход из этой, казавшейся тупиковой, ситуации был
найден в применении методов квантовой коррекции ошибокнайден в применении методов квантовой коррекции ошибок
[21].[21]. Методы коррекции ошибокМетоды коррекции ошибок хорошо известны изхорошо известны из
теории обычных (классических) компьютеров.теории обычных (классических) компьютеров. СмыслСмысл ихих вв
том, что логические |0> и |1> кодируются большимтом, что логические |0> и |1> кодируются большим
числом битов; анализ кодовых комбинаций позволяетчислом битов; анализ кодовых комбинаций позволяет
найти и удалить ошибку.найти и удалить ошибку.
43. Эти методы удалось разработатьЭти методы удалось разработать в квантовомв квантовом
варианте,варианте, гдегде ошибки могут быть фазовыми иошибки могут быть фазовыми и
амплитудными.амплитудными. Выяснилось, чтоВыяснилось, что если вероятностьесли вероятность
ошибки при выполнении одной элементарной операцииошибки при выполнении одной элементарной операции
ниже некоторого порогового уровня, вычислительныйниже некоторого порогового уровня, вычислительный
процесс можно длиться сколь угодно долгопроцесс можно длиться сколь угодно долго..
Это означает, чтоЭто означает, что операции квантовой коррекцииоперации квантовой коррекции
ошибок удаляют из компьютера больше ошибок, чемошибок удаляют из компьютера больше ошибок, чем
вносят.вносят.
Этот выводЭтот вывод очень важен: по существу, оночень важен: по существу, он имеет силуимеет силу
теоремы существования полномасштабного квантовоготеоремы существования полномасштабного квантового
компьютера.компьютера.
44. Квантовая связь и криптографияКвантовая связь и криптография
Из обширной области разработки квантовых методовИз обширной области разработки квантовых методов
связи и криптографии коснемся последствий созданиясвязи и криптографии коснемся последствий создания
квантовых компьютеров и систем связи для двухквантовых компьютеров и систем связи для двух
современных наиболее популярных криптосистем: длясовременных наиболее популярных криптосистем: для
системы с открытым ключом (RSA система, Rivest, Sharnir,системы с открытым ключом (RSA система, Rivest, Sharnir,
Adieman, 1977) и системы с ключом одноразовогоAdieman, 1977) и системы с ключом одноразового
пользования (Vernam, 1935).пользования (Vernam, 1935).
Сразу отметим, чтоСразу отметим, что в основе системы RSA лежитв основе системы RSA лежит
предположение о том, что решение математическойпредположение о том, что решение математической
задачи о разложении больших чисел на простыезадачи о разложении больших чисел на простые
множители на классических компьютерах невозможномножители на классических компьютерах невозможно;;
оно требует экспоненциально большого числа операций ионо требует экспоненциально большого числа операций и
астрономического времени.астрономического времени.
45. Квантовый алгоритм Шора дает возможностьКвантовый алгоритм Шора дает возможность
вычислить простые множители больших чисел завычислить простые множители больших чисел за
практическипрактически приемлемое время и взломать шифрыприемлемое время и взломать шифры
RSA криптосистем.RSA криптосистем. Таким образом, для RSA криптосистемТаким образом, для RSA криптосистем
квантовый компьютер - плохая новость.квантовый компьютер - плохая новость.
Для криптосистем с ключом одноразовогоДля криптосистем с ключом одноразового
пользования квантовые методы связипользования квантовые методы связи оказываютсяоказываются
хорошей новостью: онихорошей новостью: они позволяют обнаружить наличиепозволяют обнаружить наличие
подслушивания при передаче ключаподслушивания при передаче ключа. Эта возможность. Эта возможность
основана на квантовом принципе неопределенностиоснована на квантовом принципе неопределенности
Гейзенберга, который гласит, чтоГейзенберга, который гласит, что измерение изменяетизмерение изменяет
состояние измеряемой квантовой системысостояние измеряемой квантовой системы. Пусть ключ. Пусть ключ
передается по световолокну с помощью фотонов, ипередается по световолокну с помощью фотонов, и
информация закодирована в поляризации фотонов [22].информация закодирована в поляризации фотонов [22].
46. Тогда подслушивание заключается в перехвате иТогда подслушивание заключается в перехвате и
измерении поляризации пересылаемых фотонов; послеизмерении поляризации пересылаемых фотонов; после
измерения они пересылаются адресату. При наличииизмерения они пересылаются адресату. При наличии
подслушивания адресат обнаружит, что 25% фотоновподслушивания адресат обнаружит, что 25% фотонов
приходят к нему с "неправильной" поляризацией. Если этихприходят к нему с "неправильной" поляризацией. Если этих
ошибок нет, то передача ключа не подслушивается, и имошибок нет, то передача ключа не подслушивается, и им
можно пользоваться. Таким образом,можно пользоваться. Таким образом, квантовые методыквантовые методы
обеспечивают гарантированную секретность ключаобеспечивают гарантированную секретность ключа
одноразового пользования.одноразового пользования. Эксперименты по передачеЭксперименты по передаче
ключа выполнены на расстояния до 40 км.ключа выполнены на расстояния до 40 км.
Квантовые каналы связи дают и другие возможности.Квантовые каналы связи дают и другие возможности.
1.1. С помощью одного кубита можно передавать 2С помощью одного кубита можно передавать 2
бита информации ("плотное квантовое кодирование").бита информации ("плотное квантовое кодирование").
47. 2.2. Возможна передача неизвестного квантовогоВозможна передача неизвестного квантового
состояния ("квантовая телепортация") посостояния ("квантовая телепортация") по
классическому каналу, если абоненты связиклассическому каналу, если абоненты связи
предварительно поделили коррелированную парупредварительно поделили коррелированную пару
квантовых частиц.квантовых частиц. Потенциальные возможностиПотенциальные возможности
применения этих феноменов еще не выяснены.применения этих феноменов еще не выяснены.
Идеи квантового компьютера и квантовой связиИдеи квантового компьютера и квантовой связи
(криптография) возникли через сто лет после рождения(криптография) возникли через сто лет после рождения
идей квантовой физики.идей квантовой физики. Возможность построенияВозможность построения
квантовых компьютеров и систем связиквантовых компьютеров и систем связи
подтверждается современными теоретическими иподтверждается современными теоретическими и
экспериментальными исследованиями.экспериментальными исследованиями. Новая техника XXIНовая техника XXI
в. рождается путем синтеза новых идей в математике, физике,в. рождается путем синтеза новых идей в математике, физике,
информатике, технологии. Взаимодействие фундаментальныхинформатике, технологии. Взаимодействие фундаментальных
отраслей науки и технологии, рождающее новую технику,отраслей науки и технологии, рождающее новую технику,
показано в таблице.показано в таблице.
48.
49. Важно подчеркнуть, чтоВажно подчеркнуть, что в процессе решения задачв процессе решения задач
квантовой информатики происходит развитие и углублениеквантовой информатики происходит развитие и углубление
понимания основ квантовой физикипонимания основ квантовой физики, подвергаются новому, подвергаются новому
анализу и экспериментальной проверке основные ее проблемы -анализу и экспериментальной проверке основные ее проблемы -
локальности (причинности), скрытых параметров, реальности,локальности (причинности), скрытых параметров, реальности,
неопределенности, дополнительности, измерений, коллапсанеопределенности, дополнительности, измерений, коллапса
волновой функции.волновой функции.
Квантовые компьютеры, если их удастся построить,Квантовые компьютеры, если их удастся построить,
будут техникой XXI в.будут техникой XXI в. Для их изготовления потребуетсяДля их изготовления потребуется
развитие технологий на нанометровом и атомном уровнеразвитие технологий на нанометровом и атомном уровне
размеров. Эта работа может потребовать значительногоразмеров. Эта работа может потребовать значительного
времени. Построение квантовых компьютеров было бы ещевремени. Построение квантовых компьютеров было бы еще
одним подтверждением принципа неисчерпаемостиодним подтверждением принципа неисчерпаемости
природы:природы: природа имеет средства для осуществленияприрода имеет средства для осуществления
любой корректно сформулированной задачи.любой корректно сформулированной задачи.
50. 18/02/200718/02/2007
Компания D-Wave привлекла ученых, а такжеКомпания D-Wave привлекла ученых, а также
финансирование – как частное, так и государственное. Этофинансирование – как частное, так и государственное. Это
сочетание интеллекта и денег дало им возможностьсочетание интеллекта и денег дало им возможность
продемонстрировать 16-битный квантовый компьютер.продемонстрировать 16-битный квантовый компьютер.
Событие состоялось в Музее истории компьютеров.Событие состоялось в Музее истории компьютеров.
Сам компьютер не демонстрируют; доступ к немуСам компьютер не демонстрируют; доступ к нему
осуществляется дистанционно. Оносуществляется дистанционно. Он работает приработает при
температуре 5 мК – лишь немного выше абсолютноготемпературе 5 мК – лишь немного выше абсолютного
нулянуля, а это требует специального оборудования., а это требует специального оборудования.
Квантовые биты размещаются на сетке размеромКвантовые биты размещаются на сетке размером
четыре на четыре, и каждый связан с соседними,четыре на четыре, и каждый связан с соседними,
количество которых доходит до восьми.количество которых доходит до восьми.
51. Компьютер разработан специально для решения NP-Компьютер разработан специально для решения NP-
полных задачполных задач (класс комбинаторных задач с нелинейной(класс комбинаторных задач с нелинейной
полиномиальной оценкой числа вариантов)полиномиальной оценкой числа вариантов) путемпутем
считывания свободного энергетического состояниясчитывания свободного энергетического состояния
квантовых битов.квантовых битов.
Таким образом,Таким образом, данный класс компьютеровданный класс компьютеров
называется «адиабатическим».называется «адиабатическим».
Трудность решения NP-полной задачи лежит в основеТрудность решения NP-полной задачи лежит в основе
криптографии, на которую мы полагаемся в обеспечениикриптографии, на которую мы полагаемся в обеспечении
безопасности наших транзакций в Интернет. Но 128-битныйбезопасности наших транзакций в Интернет. Но 128-битный
квантовый компьютер мог бы с помощью наложенияквантовый компьютер мог бы с помощью наложения
проверить все ключи сразу и дать быстрый ответ напроверить все ключи сразу и дать быстрый ответ на
неразрешимую иным способом проблему.неразрешимую иным способом проблему.
