Я познаю мир. Компьютеры и интернет - [31]

Бит классического компьютера, ныне находящийся только в одном из двух состояний («О» или «1»), на квантовом уровне «размажется». Он как бы будет находиться в обоих состояниях одновременно, и можно говорить лишь о вероятности обнаружения его в одном из них.

Так говорит теория. Реально же дело обстоит еще сложнее, поскольку согласно принципу суперпозиции квантовый бит будет представлять собой некую линейную комбинацию состояний классического бита. Как говорят специалисты, возникнет некий «квантовый шум».

То есть, говоря попросту, в этой ситуации ныне принятая схема последовательных (детерминированных) вычислений перестанет работать. Но, может быть, можно найти другую?

Квантовый шум

Российский математик Юрий Манин, который ныне работает в исследовательском центре «ИБМ», еще в 1980 году высказал предположение, что «квантовый шум», который в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превратится в препятствие для их нормальной работы, можно в принципе использовать для конструирования компьютеров нового типа.

Правда, в то время странная идея молодого ученого не вызвала особого энтузиазма у его коллег. Однако когда через два года о заманчивых перспективах «квантовых вычислений» заговорил такой мировой авторитет, как Ричард Фейнман, исследователи спохватились. Ведь ученый привел достаточно убедительные аргументы в пользу того, что квантовые вычислительные системы не только возможны, но и благодаря принципу суперпозиции состояний битов окажутся гораздо мощнее классических. Он показал, что один квантовый компьютер (цепочка квантовых битов) сможет работать как комбинация очень большого числа классических компьютеров, производящих вычисления одновременно.

Квант света – фотон – переводит атом водорода, выступающий в роли триггера, из спокойного состояния («0» ) в возбужденное («1» )

После этого данной областью исследований заинтересовались сразу многие ученые. Работа закипела. И в 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета обнаружил, что некий «квантовый алгоритм» для некоторых задач действительно ускоряет счет, причем в фантастическое число раз!

Правда, в то время все эти рассуждения выглядели достаточно умозрительно – ни конкретных алгоритмов, ни технологичных вариантов реализации квантового компьютера в «железе» тогда никто не предложил.

Но прошло менее 10 лет, и в 1994 году исследователь Питер Шор, работавший в компании «Белл Лабораториз», придумал первый реально действующий квантовый алгоритм. С его помощью оказалось возможным взламывать так называемые шифры с открытым ключом. Это известие, как уже говорилось, вызвало обеспокоенность у наших спецслужб. А американские военные из Агентства перспективных исследований Министерства обороны США так прямо качали финансировать исследования по данной теме.

И ото принесло свои результаты. Вскоре российскому физику Алексею Катаеву, работающему в корпорации «Майкрософт», удалось модернизировать шоровский алгоритм. А еще через два года коллега Шора из тей же «Белл Лабораториз» Лов Ювер показал, что квантовые вычисления гораздо эффективнее классических не только при взломе шифров, но и во многих других случаях.

В общем, уже никто не сомневался, что компьютер, считающий по законам квантовой механики, – новый этап в эволюции вычислительных устройств. Дело оставалось за малым – надо было создать это чудо техники.

Теория кубита

Поначалу вперед выступили опять;таки теоретики. Американский физик Вен Шумахер ввел в обиход понятие «квантовый бит» или «кубит». Подобно классическому биту информации, кубит теоретически может быть реализован, например в атоме, который находится в принципе в одном из двух энергетических состояний – возбужденном или спокойном.

Главное препятствие на пути построения квантового компьютера – так называемое время декогерентности, в течение которого заданное квантовое состояние разрушается.

Поэтому при выборе той или иной технологии прежде всего принимается во внимание число «шагов вычисления», которое можно успеть совершить, пока процесс не будет разрушен. К этому моменту результат вычислений должен быть «снят» и «переброшен» в другую ячейку или вообще в другой квантовый компьютер.

Схема работы логических устройств в квантовом компьютере. Логическая схема «нет» создает на выходе единицу, если на ней был ноль, и наоборот. В квантовом компьютере ее роль может выполнять атом с двумя энергетическими уровнями. Для копирования сигнала необходима пара атомов А и В. Атом В находится в основном состоянии (0),аА либо в основном, либо в возбужденном (1). Из–за близкого соседства атомов их состояния связаны и влияют друг на друга. Поэтому, когда А соответствует 1, В поглощает фотон и совершает переход 0→1. На выходе схемы появляются две единицы. Если же оба атома А и В находятся в основном состоянии, поглощения энергии не происходит, их состояние не меняется, и на выходе возникает пара нолей

Схема работы логического устройства в квантовом компьютере. Операцию «и» осуществляет логическая схема из трех атомов двух «сортов» – А, В, А. Атом В, «зажатый» между двумя атомами А, находится в основном состоянии