Вокруг Света 2005 № 08 (2779) - [19]

Еще одно направление — сверхпроводниковый квантовый компьютер. Несмотря на имеющиеся достижения в реализации отдельного кубита, в таком квантовом компьютере также имеется ряд недостатков. Они связаны с необходимостью жесткого контроля за изготовлением так называемых сквидов, основанных на туннельных переходах Джозефсона. Сквид — сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор. Технология сквидов позволяет достаточно легко построить квантовый кубит. Основные трудности возникают при попытке соединить несколько таких кубитов в один вычислительный регистр. Лучшим достижением в этой области пока считается управление взаимодействием всего двух кубитов.

Азы секретной связи

Довольно скромные успехи разработчиков на пути создания реальных квантовых компьютеров объясняются просто. Квантовое состояние очень хрупкое, и квантовые системы более чувствительны к воздействию окружающей среды, чем классические. Именно поэтому все перспективные с точки зрения квантовых вычислений прототипы таких компьютеров работают в режиме «жесткой изоляции» — при очень низких температурах и в вакууме. Но пока даже самая надежная защита негарантирует полного отсутствия внешних воздействий на кубиты. Например, подвешенные в вакууме ионы удерживаются в ловушках с помощью электродов, на которых кроме нужного напряжения присутствуют помехи — шумовое электрическое напряжение. Ионы на это реагируют и теряют свою когерентность (согласованность), другими словами, их рабочее квантовое состояние сохраняется очень недолго.

Определенную проблему в этих компьютерах представляют даже ввод и вывод данных, поскольку эти операции предполагают преобразование квантовой информации в классическую, и наоборот. Такая процедура предусматривает физическое измерение состояния объекта, что в квантовой механике может изменить само измеряемое состояние. Вообще в таких вычислениях любое дополнительное считывание информации грозит разрушить всю систему, поэтому явное выяснение результата промежуточных вычислений нерационально.

Кстати, в некоторых случаях «хрупкость» квантового состояния системы может оказаться весьма ценным свойством. Особенно для представителей спецслужб и других структур, курирующих каналы секретной связи, которая на сегодняшний день далеко не идеальна. Код можно подслушать, метод шифрования — украсть, передаваемые сигналы — записать и со временем расшифровать.

Если же удастся построить квантовый компьютер, способный выполнять разложение больших чисел на простые множители с помощью алгоритма Шора, защита информации в подавляющем большинстве современных секретных систем будет вообще ненадежной. Квантовый мир может дать и средство для обеспечения небывалой секретности при обмене информацией.

Как оказалось, абсолютно секретную связь вполне реально создать, используя квантовые способы передачи информации. К примеру, чтобы «подслушать» шифровку, передающуюся отдельными фотонами (квантами) через оптоволокно, необходимо каждый квант поймать, измерить его состояние и только затем вновь послать адресату. Вся беда в том, что проделать эти манипуляции без нарушения состояния отдельных квантов и квантовой системы в целом невозможно. Такие системы связи позволяют безопасным способом осуществлять передачу секретного ключа практически на неограниченные расстояния. Они уже выпускаются и используются для нужд спецслужб при наземной передаче информации, вскоре планируется их вывод в космос для создания системы глобальной секретности.

Но вернемся к когерентности. Для того чтобы квантовый компьютер работал бесперебойно, необходимо научиться поддерживать в нем определенные квантовые состояния и следить за тем, чтобы неконтролируемые воздействия со стороны окружающего мира не нарушали процесс квантовых вычислений. Исключительно чувствительны к подобным процессам сцепленные состояния кубитов, так как одно-единственное воздействие на любой из них может разрушить все состояние квантового регистра. Поскольку сбои, связанные с непредсказуемым изменением состояния бита, присущи любому вычислительному устройству, нужно постоянно проводить коррекцию ошибок, которая позволяет существенно продлить время работы квантовой системы. Накопились ошибки — почистили.

Классическая коррекция ошибок основывается на введении дополнительных «контрольных» битов (например, бита четности) и на регулярной проверке состояния этих битов в процессе вычислений. Однако есть и другой способ, основанный на избыточном кодировании исходной информации. К примеру, вместо одного кубита можно использовать три. В этом случае обработку информации строят таким образом, чтобы в процессе выполнения логических операций все три кубита изменялись одинаково. Нарушение когерентности может привести к изменению состояния одного из них. Поэтому для поиска возможных ошибок выясняют, находятся ли все три кубита в одинаковом состоянии, не определяя при этом самих состояний. При выявлении ошибки ее легко исправить, изменяя «неправильное» состояние.

Понятно, что квантовая коррекция требует значительного дублирования информации и как следствие — увеличения оперативной емкости квантовой системы.