ТЕКСТ: Николай Подорванюк
ФОТО: Blake Johnson/Yale University
Важным шагом на пути к созданию квантового компьютера стало создание учеными первого в мире твердотельного квантового процессора.
Квантовый компьютер
не существующее пока в реальности вычислительное устройство, использующее для работы принципы квантовой механики. По сути, в настоящее время квантовый компьютер существует лишь в качестве математической модели. Также разработаны модели и созданы некоторые примитивные прототипы отдельных его узлов.
Предполагается, что квантовый компьютер по своей вычислительной мощи будет значительно превосходить все классические компьютеры. Очень грубо упрощая, можно сказать, что в отличие от своего классического аналога, вычисления на котором нужно проводить отдельно для каждого варианта входных данных, мифический квантовый компьютер сможет вычислить результаты сразу для всех возможных для его архитектуры и программы входных данных.
Наибольшую популярность принес квантовому компьютеру разработанный для него американским математиком Питером Шором алгоритм разложения больших чисел на простые сомножители. Сейчас большинство систем защиты данных - например, банковских - основано на практической неразрешимости этой задачи в течение разумного промежутка времени. Квантовый компьютер смог бы выполнять эту задачу очень эффективно.
Существует даже конспирологическая теория, согласно которой интерес к квантовым компьютерам искусственно подогревается теми, кто нашел классический способ решения задачи факторизации, – чтобы отвлечь внимание математиков дабы они не повторили успех.
Вот уже не первое десятилетие ученые бьются над созданием квантового компьютера. Мощное вычислительное устройство пока не существует в реальности, но постоянно будоражит умы ученых и людей, интересующихся наукой. Пока до создания квантового компьютера, увы, далеко, но прогресс не стоит на месте, и ученые периодически радуют человечество, сообщая о новых достижениях в области квантовых вычислений.
На этот раз отличилась группа исследователей во главе с сотрудниками Йельского университета, которая создала первый в мире элементарный твердотельный квантовый процессор. Это устройство (на фото) представляет собой пластину корунда (кристаллический α-оксид алюминия, Al2O3), на которую нанесен 150-нанометровый слой ниобия – химического элемента, имеющего свойства сверхпроводника. Работа процессора основана на таких физических явлениях, как ядерный магнитный резонанс, ионная ловушка и процессы в оптических системах.
Данное устройство представляет собой двухкубитовый чип для запуска такого элементарного алгоритма, как простой поиск.
Кубит
наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, условно обозначаемых «0» и «1», но при этом может находиться и в любом «смешанном» состоянии. (Слово «смешанное» не зря пишется в кавычках - у физиков есть одноимённый термин, однако в данном случае он не применим).
Попытка измерения состояния кубита неизменно влечет за собой превращение этого состояния в одно из базовых - так проявляется квантовая природа микромира. Тем не менее, квантовый компьютер оперирует сразу со всеми состояниями, в которых находятся его кубиты, что и определяет его невозмужную для классического компьютера эффективность.
Возможность создания квантового компьютера, манипулирующего квантовой информацией, определяется тем, что кубиты могут быть запутаны между собой – между ними может быть установлена внутренняя связь, которая проявляется в изменении состояния всех кубитов при намеренном изменении состояния одного. Образующийся из этой совокупности квантовый регистр ячеек информации не только может принимать различные состояния, являющиеся совокупностью состояний отдельных кубитов, но и реализовывать всевозможные взаимодействия между ними.
Это создает предпосылки для создания «квантового компьютера», способного к истинно параллельным вычислениям на одном и том же процессоре, в отличие от современных на базе кремниевых чипов, каждый из которых способен единовременно выполнять лишь одну операцию.
Используя алгоритмы поиска Гровера и Дойча – Джоза (алгоритмы, разработанные для выполнения на квантовом компьютере), ученые впервые в мире с помощью твердотельного устройства произвели квантовую обработку информации. Результаты работы опубликованы в Nature.
В то время как каждый кубит устройства в действительности состоит из миллиардов атомов металла, он действует как один атом, который может принимать два разных энергетических состояния, которые схожи с 1 и 0, или on и off в обычных компьютерах.
Благодаря законам квантовой механики ученые могут эффективно работать с кубитами, помещая их в суперпозицию разных состояний и позволяя работать с большим количеством информации.
«Наш процессор может выполнять только несколько очень простых квантовых задач, которые были продемонстрированы ранее на одиночном ядре, атомах и фотонах, – заявил один из авторов работы Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета. – Но впервые это стало возможным сделать на электронном устройстве, которое выглядит и работает как обычный микропроцессор».
В качестве демонстрации основ работы своего процессора ученые приводят довольно наглядный пример. Допустим, что вы имеете четыре телефонных номера и вы знаете, что один из них – номер вашего друга. Чтобы ему позвонить, вы будете набирать разные номера наугад, и, как правило, до друга вы дозвонитесь со второго или третьего раза.
Квантовый процессор на этот процесс потратит только одну свою попытку.
«По сути, за одну свою попытку устройство, использующее эффекты квантовой механики, позвонит по всем четырем номерам и определит среди них нужный», – пояснил Шелькопф.
Конечно, представленные выкладки кажутся очень простыми, но раньше их было невозможно реализовать с помощью твердотельных кубитов, так как ученым не удавалось заставить такие кубиты существовать на протяжении долгого, по их меркам, времени. Около десяти лет назад ученые смогли создать первые кубиты (на основе арсенида галлия), но они существовали лишь около 1 наносекунды. У Шелькопфа и его коллег получилось заставить кубиты держать нужное состояние на протяжении 1 микросекунды, что вполне достаточно для запуска простых алгоритмов. Для совершения операций кубиты взаимодействуют друг с другом с помощью «квантовой шины» – фотонов, которые передают информацию через связи, соединяющие кубиты.
Ключевой момент, который сделал возможным работу двухкубитового процессора, заключается в том, что ученые смогли заставить кубиты быстро менять свое состояние.
В дальнейшем группа будет работать над увеличением количества времени, на протяжении которого кубиты сохраняют свое квантовое состояние, что позволит запустить более сложные алгоритмы. В их планах также работа над тем, чтобы подключить большее числа кубитов к «квантовой шине». Производительность процесса экспоненциально возрастает с подключением каждого кубита, поэтому потенциал использования квантовых эффектов просто неисчерпаем и неизбежно должен привести к созданию мощной вычислительной машины – квантового компьютера.
«Мы еще далеки от создания реального квантового компьютера, но нами сделан существенный шаг вперед», – подвел итоги своей работы Роберт Шелькопф.
Источник: www.gazeta.ru.
Рейтинг публикации:
|
