Pengiraan kuantum. Konsep dan prinsip asas pengkomputeran kuantum

Sebab pemodelan sedemikian penting ialah komputer digital klasik tidak boleh berbuat banyak tentang keadaan berbilang rujukan; Dalam banyak kes, kaedah pengiraan klasik bukan sahaja secara kuantitatif, tetapi juga secara kualitatif tidak dapat menggambarkan struktur elektronik molekul.

Masalah penting yang baru-baru ini diselesaikan adalah untuk mencari cara komputer kuantum boleh melakukan pengiraan dengan cekap dan dengan ketepatan kimia yang diperlukan untuk dunia sebenar. Program ini dijalankan pada pemproses IBM 20-qubit.

Mengapa kimia menjadi subjek yang diminati? Kimia adalah salah satu aplikasi komersial yang paling menguntungkan untuk beberapa sebab. Para saintis berharap untuk mencari lebih banyak bahan cekap tenaga yang boleh digunakan dalam bateri atau panel solar. Terdapat juga faedah alam sekitar: kira-kira dua peratus daripada tenaga dunia digunakan untuk menghasilkan baja, yang sangat tidak cekap dan boleh diperbaiki melalui analisis kimia yang canggih.

Akhir sekali, terdapat aplikasi dalam perubatan diperibadikan, dengan keupayaan untuk meramalkan cara farmaseutikal akan mempengaruhi orang berdasarkan genetik mereka. Dalam jangka panjang, ia adalah peluang untuk membangunkan ubat untuk orang tertentu untuk memaksimumkan rawatan yang berkesan dan meminimumkan kesan sampingan.

CQC dan JSR Corp mempunyai dua strategi yang membolehkan saintis mencapai kejayaan ini. Pertama, mereka menggunakan pengkompil proprietari CQC untuk menukar atur cara komputer dengan paling cekap kepada arahan untuk memanipulasi qubit. Kecekapan ini amat penting pada mesin qubit rendah moden, di mana setiap qubit adalah penting dan perlu, dan kelajuan pelaksanaan adalah kritikal.

Kedua, mereka menggunakan pembelajaran mesin kuantum, subbidang khusus pembelajaran mesin yang menggunakan amplitud vektor dan bukannya kebarangkalian sahaja. Kaedah pembelajaran mesin kuantum yang digunakan direka khusus untuk komputer kuantum qubit rendah, dengan pemunggahan separa menggunakan pemproses tradisional.

Kuantum dijangka mengalami peningkatan yang ketara dalam kedua-dua perkakasan dan perisian dalam tempoh beberapa tahun akan datang. Apabila pengiraan menjadi lebih tepat, lebih banyak industri boleh mengambil kesempatan daripada aplikasi komputer kuantum, termasuk kimia kuantum. Gartner meramalkan bahawa dalam tempoh empat tahun, 20% daripada syarikat akan mempunyai belanjawan untuk pengkomputeran kuantum. Dalam sepuluh tahun, mereka akan menjadi komponen penting dalam teknologi.

Disebabkan oleh ledakan umum blockchain dan semua jenis data besar, satu lagi topik yang menjanjikan telah jatuh daripada bahagian atas berita teknologi - pengkomputeran kuantum. Dan mereka, dengan cara ini, mampu merevolusikan beberapa bidang IT sekaligus, bermula dengan rantaian blok yang terkenal dan berakhir dengan keselamatan maklumat. Dalam dua artikel seterusnya, Sberbank dan Sberbank Technologies akan memberitahu anda mengapa pengkomputeran kuantum adalah hebat dan apa yang mereka lakukan dengannya sekarang.

Pengiraan klasik: DAN, ATAU, BUKAN

Untuk memahami pengkomputeran kuantum, anda harus terlebih dahulu mempelajari pengkomputeran klasik. Di sini unit maklumat yang diproses adalah sedikit. Setiap bit hanya boleh berada dalam satu daripada dua keadaan yang mungkin - 0 atau 1. Daftar N bit boleh mengandungi satu daripada 2 N kemungkinan kombinasi keadaan dan diwakili sebagai urutan daripadanya.

Untuk memproses dan mengubah maklumat, operasi bitwise yang berasal daripada algebra Boolean digunakan. Operasi asas adalah satu-bit NOT dan dua-bit AND dan OR. Operasi bit diterangkan melalui jadual kebenaran. Mereka menunjukkan korespondensi argumen input kepada nilai yang terhasil.

Algoritma pengkomputeran klasik ialah satu set operasi bit berjujukan. Paling mudah untuk menghasilkan semula secara grafik, dalam bentuk gambar rajah elemen berfungsi (SFE), di mana setiap operasi mempunyai sebutan sendiri. Berikut ialah contoh SFE untuk menyemak dua bit untuk kesetaraan.

Pengkomputeran kuantum. Asas fizikal

Sekarang mari kita beralih kepada topik baru. Pengkomputeran kuantum adalah alternatif kepada algoritma klasik berdasarkan proses fizik kuantum. Ia menyatakan bahawa tanpa interaksi dengan zarah lain (iaitu, sehingga saat pengukuran), elektron tidak mempunyai koordinat yang jelas dalam orbit atom, tetapi secara serentak terletak di semua titik orbit. Kawasan di mana elektron terletak dipanggil awan elektron. Dalam eksperimen celah dua yang terkenal, satu elektron melalui kedua-dua celah secara serentak, mengganggu dirinya sendiri. Hanya semasa pengukuran, ketidakpastian ini runtuh dan koordinat elektron menjadi tidak jelas.

Sifat kebarangkalian ukuran yang wujud dalam pengkomputeran kuantum mendasari banyak algoritma - contohnya, mencari dalam pangkalan data tidak berstruktur. Algoritma jenis ini langkah demi langkah meningkatkan amplitud hasil yang betul, membolehkan ia diperoleh pada output dengan kebarangkalian maksimum.

Qubits

Dalam pengkomputeran kuantum, sifat fizikal objek kuantum dilaksanakan dalam apa yang dipanggil qubit (q-bit). Bit klasik hanya boleh berada dalam satu keadaan – 0 atau 1. Sebelum pengukuran, qubit boleh berada dalam kedua-dua keadaan secara serentak, jadi ia biasanya dilambangkan dengan ungkapan a|0⟩ + b|1⟩, di mana A dan B adalah kompleks nombor yang memenuhi syarat |A | 2 +|B| 2 =1. Mengukur qubit serta-merta "runtuhkan" keadaannya menjadi salah satu yang asas - 0 atau 1. Dalam kes ini, "awan" runtuh menjadi satu titik, keadaan asal dimusnahkan, dan semua maklumat mengenainya hilang tanpa dapat dikembalikan.

Satu aplikasi harta ini ialah kucing Schrödinger sebagai penjana nombor rawak sebenar. Qubit diperkenalkan ke dalam keadaan di mana hasil pengukuran boleh menjadi 1 atau 0 dengan kebarangkalian yang sama. Keadaan ini diterangkan seperti berikut:

Pengkomputeran kuantum dan klasik. Pusingan pertama

Mari kita mulakan dengan asas. Terdapat satu set data awal untuk pengiraan, diwakili dalam format binari oleh vektor panjang N.

Dalam pengiraan klasik, hanya satu daripada 2 n pilihan data dimuatkan ke dalam memori komputer dan nilai fungsi dikira untuk pilihan ini. Akibatnya, hanya satu daripada 2 n set data yang mungkin.

Kesemua 2 n gabungan data sumber secara serentak diwakili dalam ingatan komputer kuantum. Transformasi digunakan pada semua kombinasi ini sekaligus. Akibatnya, dalam satu operasi kami mengira fungsi untuk semua orang 2 n kemungkinan varian set data (pengukuran masih akan hanya memberikan satu penyelesaian pada akhirnya, tetapi lebih lanjut mengenainya kemudian).

Kedua-dua pengkomputeran klasik dan kuantum menggunakan transformasi logik - pintu pagar. Dalam pengkomputeran klasik, nilai input dan output disimpan dalam bit yang berbeza, yang bermaksud bahawa dalam gerbang bilangan input boleh berbeza daripada bilangan output:

Mari kita pertimbangkan masalah sebenar. Kita perlu menentukan sama ada dua bit adalah setara.

Jika semasa pengiraan klasik kita mendapat satu pada output, maka ia adalah setara, jika tidak, tidak:

Sekarang mari kita bayangkan masalah ini menggunakan pengkomputeran kuantum. Di dalamnya, semua gerbang transformasi mempunyai bilangan keluaran yang sama dengan input. Ini disebabkan oleh fakta bahawa hasil transformasi itu bukanlah nilai baru, tetapi perubahan keadaan semasa.

Dalam contoh, kami membandingkan nilai qubit pertama dan kedua. Hasilnya akan berada dalam qubit sifar - qubit bendera. Algoritma ini hanya terpakai kepada keadaan asas - 0 atau 1. Ini ialah susunan transformasi kuantum.

1. Kami mempengaruhi bendera qubit dengan gerbang "Bukan", menetapkannya kepada 1.
2. Kami menggunakan get dua-qubit "Tidak Terkawal" dua kali. Gerbang ini membalikkan nilai qubit bendera hanya jika qubit kedua yang terlibat dalam transformasi berada dalam keadaan 1.
3. Kami mengukur qubit sifar. Jika hasilnya adalah 1, maka kedua-dua qubit pertama dan kedua adalah sama ada dalam keadaan 1 (qubit bendera menukar nilainya dua kali) atau dalam keadaan 0 (qubit bendera kekal dalam keadaan 1). Jika tidak, qubit berada dalam keadaan yang berbeza.

Peringkat seterusnya. Gerbang Pauli qubit tunggal kuantum

Mari cuba bandingkan pengkomputeran klasik dan kuantum dalam masalah yang lebih serius. Untuk ini kita memerlukan sedikit lagi pengetahuan teori.

Dalam pengkomputeran kuantum, maklumat yang sedang diproses dikodkan dalam bit kuantum—dipanggil qubit. Dalam kes paling mudah, qubit, seperti bit klasik, boleh berada dalam salah satu daripada dua keadaan asas: |0⟩ (notasi pendek untuk vektor 1|0⟩ + 0|1⟩) dan |1⟩ (untuk vektor 0 |0⟩ + 1 |1⟩). Daftar kuantum ialah hasil tensor bagi vektor qubit. Dalam kes paling mudah, apabila setiap qubit berada dalam salah satu keadaan asas, daftar kuantum adalah bersamaan dengan yang klasik. Daftar dua qubit dalam keadaan |0> boleh ditulis seperti berikut:

(1|0⟩ + 0|1⟩)*(1|0⟩ + 0|1⟩) = 1|00⟩ + 0|01⟩ + 0|10⟩ + 0|11⟩ = |00⟩.

Untuk memproses dan mengubah maklumat dalam algoritma kuantum, apa yang dipanggil gerbang kuantum digunakan. Mereka diwakili dalam bentuk matriks. Untuk mendapatkan hasil penggunaan get, kita perlu mendarabkan vektor yang mencirikan qubit dengan matriks get. Koordinat pertama bagi vektor ialah pengganda sebelum |0⟩, koordinat kedua ialah pengganda sebelum |1⟩. Matriks gerbang qubit tunggal utama kelihatan seperti ini:

Berikut adalah contoh penggunaan gerbang Not:

X * |0⟩ = X * (1|0⟩ + 0|1⟩) = 0|0⟩ + 1|1⟩ = |1⟩

Faktor di hadapan keadaan asas dipanggil amplitud dan nombor kompleks. Modulus nombor kompleks adalah sama dengan punca hasil tambah kuasa dua bahagian nyata dan khayalan. Kuasa dua magnitud amplitud di hadapan keadaan asas adalah sama dengan kebarangkalian untuk mendapatkan keadaan asas ini apabila mengukur qubit, jadi jumlah kuasa dua magnitud amplitud sentiasa sama dengan 1. Kita boleh menggunakan matriks arbitrari untuk transformasi ke atas qubit, tetapi disebabkan fakta bahawa vektor norma (panjang) mesti sentiasa sama dengan 1 (jumlah kebarangkalian semua hasil sentiasa sama dengan 1), transformasi kami mesti mengekalkan norma vektor . Ini bermakna bahawa penjelmaan mestilah kesatuan dan matriks yang sepadan mestilah kesatuan. Ingat bahawa penjelmaan kesatuan boleh terbalik dan UU † =I.

Untuk bekerja dengan lebih jelas dengan qubit, ia digambarkan sebagai vektor pada sfera Bloch. Dalam tafsiran ini, gerbang qubit tunggal mewakili putaran vektor qubit di sekeliling salah satu paksi. Sebagai contoh, get Not(X) memutarkan vektor qubit oleh Pi berbanding dengan paksi X Oleh itu, keadaan |0>, yang diwakili oleh vektor yang menunjuk lurus ke atas, masuk ke dalam keadaan |1> menunjuk lurus ke bawah. Keadaan qubit pada sfera Bloch ditentukan oleh formula cos(θ/2)|0⟩+e iϕ sin(θ/2)|1⟩

Gerbang dua qubit kuantum

Untuk membina algoritma, hanya gerbang qubit tunggal tidak mencukupi untuk kami. Gerbang diperlukan yang menjalankan transformasi bergantung pada keadaan tertentu. Alat utama sedemikian ialah gerbang dua qubit CNOT. Gerbang ini digunakan pada dua qubit dan membalikkan qubit kedua hanya jika qubit pertama berada dalam keadaan |1⟩. Matriks get CNOT kelihatan seperti ini:

Berikut ialah contoh aplikasi:

CNOT *|10⟩ = CNOT * (0|00⟩ + 0|01⟩ + 1|10⟩ + 0|11⟩) = 0|00⟩ + 0|01⟩ + 1|11⟩ + 0|10⟩ = |11⟩

Menggunakan get CNOT adalah bersamaan dengan melakukan operasi XOR klasik dan menulis hasilnya ke qubit kedua. Sesungguhnya, jika kita melihat jadual kebenaran pengendali XOR dan CNOT, kita akan melihat surat-menyurat:

XOR			CNOT
0	0	0	00	00
0	1	1	01	01
1	0	1	10	11
1	1	0	11	10

Gerbang CNOT mempunyai sifat yang menarik - selepas penggunaannya, qubit menjadi terjerat atau terungkai, bergantung pada keadaan awal. Ini akan ditunjukkan dalam artikel seterusnya, dalam bahagian tentang paralelisme kuantum.

Pembinaan algoritma - pelaksanaan klasik dan kuantum

Dengan senjata penuh gerbang kuantum, kita boleh mula membangunkan algoritma kuantum. Dalam perwakilan grafik, qubit diwakili oleh garis lurus - "rentetan" di mana pintu bertindih. Gerbang Pauli qubit tunggal ditetapkan oleh petak biasa, di dalamnya digambarkan paksi putaran. Gerbang CNOT kelihatan lebih rumit:

Contoh penggunaan get CNOT:

Salah satu tindakan yang paling penting dalam algoritma adalah mengukur hasil yang diperoleh. Pengukuran biasanya ditunjukkan oleh skala arka dengan anak panah dan sebutan mengenai paksi mana pengukuran sedang diambil.

Jadi, mari kita cuba membina algoritma klasik dan kuantum yang menambah 3 kepada hujah.

Menjumlahkan nombor biasa dalam lajur membayangkan melakukan dua tindakan pada setiap digit - jumlah digit digit itu sendiri dan jumlah hasil dengan pemindahan daripada operasi sebelumnya, jika terdapat pemindahan sedemikian.

Dalam perwakilan binari nombor, operasi penjumlahan akan terdiri daripada tindakan yang sama. Inilah kod dalam python:

Arg = #tetapkan hasil hujah = #mulakan hasil carry1 = arg & 0x1 #tambah dengan 0b11, supaya bawa dari bit rendah akan muncul jika hujah mempunyai bit rendah = 1 hasil = arg ^ 0x1 #tambah bit rendah bawa2 = bawa1 | arg #add dengan 0b11, jadi carry dari bit tinggi akan muncul jika argumen mempunyai bit tinggi = 1 atau ada carry dari hasil bit rendah = arg ^ 0x1 #tambah hasil bit tinggi ^= carry1 #apply carry daripada hasil bit rendah ^= bawa2 #guna pakai bawa daripada cetakan bit paling ketara(hasil)
Sekarang mari kita cuba membangunkan program serupa untuk komputer kuantum:

Dalam skema ini, dua qubit pertama adalah hujah, dua qubit seterusnya adalah pemindahan, dan baki 3 adalah hasilnya. Inilah cara algoritma berfungsi.

1. Langkah pertama ke halangan adalah untuk menetapkan hujah kepada keadaan yang sama seperti dalam kes klasik - 0b11.
2. Menggunakan pengendali CNOT, kami mengira nilai bawaan pertama - hasil operasi arg & 1 adalah sama dengan satu hanya apabila arg bersamaan dengan 1, dalam kes ini kami terbalikkan qubit kedua.
3. 2 get seterusnya melaksanakan penambahan bit yang paling tidak ketara - kami memindahkan qubit 4 ke keadaan |1⟩ dan menulis hasil XOR ke dalamnya.
4. Segi empat tepat besar mewakili get CCNOT, lanjutan get CNOT. Gerbang ini mempunyai dua qubit kawalan dan yang ketiga terbalik hanya jika dua qubit pertama berada dalam keadaan |1. Gabungan 2 get CNOT dan satu get CCNOT memberikan kita hasil operasi klasik carry2 = carry1 | arg. 2 get pertama membawa ke satu jika salah satu daripadanya ialah 1, dan get CCNOT mengendalikan kes apabila kedua-duanya sama dengan satu.
5. Kami menambah qubit tertinggi dan qubit pemindahan.

Kesimpulan sementara

Menjalankan kedua-dua contoh, kita mendapat hasil yang sama. Pada komputer kuantum, ini akan mengambil masa yang lebih lama kerana kompilasi tambahan ke dalam kod pemasangan kuantum mesti dijalankan dan dihantar ke awan untuk dilaksanakan. Penggunaan pengkomputeran kuantum akan masuk akal jika kelajuan melaksanakan operasi asas mereka - gerbang - akan berkali-kali lebih rendah daripada model klasik.

Pengukuran pakar menunjukkan bahawa pelaksanaan satu pintu mengambil masa kira-kira 1 nanosaat. Jadi algoritma untuk komputer kuantum tidak seharusnya menyalin yang klasik, tetapi menggunakan maksimum sifat unik mekanik kuantum. Dalam artikel seterusnya kita akan melihat salah satu sifat utama tersebut - selari kuantum - dan bercakap tentang pengoptimuman kuantum secara umum. Kemudian kami akan mengenal pasti kawasan yang paling sesuai untuk pengkomputeran kuantum dan menerangkan aplikasinya.

Berdasarkan bahan

Penciptaan komputer kuantum sejagat adalah salah satu tugas fizik moden yang paling sukar, penyelesaiannya akan mengubah secara radikal pemahaman manusia tentang Internet dan kaedah pemindahan maklumat, keselamatan siber dan kriptografi, mata wang elektronik, kecerdasan buatan dan sistem pembelajaran mesin, kaedah mensintesis bahan dan ubat baharu, pendekatan untuk memodelkan sistem fizikal, kuantum dan ultra-besar (Data Besar) yang kompleks.

Pertumbuhan eksponen dimensi apabila cuba mengira sistem sebenar atau sistem kuantum yang paling mudah adalah halangan yang tidak dapat diatasi untuk komputer klasik. Walau bagaimanapun, pada tahun 1980, Yuri Manin dan Richard Feynman (pada tahun 1982, tetapi secara lebih terperinci) secara bebas mengemukakan idea menggunakan sistem kuantum untuk pengkomputeran. Tidak seperti komputer moden klasik, litar kuantum menggunakan qubit (bit kuantum) untuk pengiraan, yang pada sifatnya adalah sistem dua peringkat kuantum dan memungkinkan untuk menggunakan fenomena superposisi kuantum secara langsung. Dalam erti kata lain, ini bermakna qubit boleh berada dalam keadaan |0> dan |1> secara serentak, dan dua qubit yang saling berkait secara serentak boleh berada dalam keadaan |00>, |10>, |01> dan |11>. Sifat sistem kuantum inilah yang sepatutnya memberikan peningkatan eksponen dalam prestasi pengkomputeran selari, menjadikan komputer kuantum berjuta-juta kali lebih pantas daripada superkomputer moden yang paling berkuasa.

Pada tahun 1994, Peter Shor mencadangkan algoritma kuantum untuk memfaktorkan nombor menjadi faktor perdana. Persoalan kewujudan penyelesaian klasik yang berkesan untuk masalah ini adalah amat penting dan masih terbuka, manakala algoritma kuantum Shor memberikan pecutan eksponen berbanding analog klasik terbaik. Sebagai contoh, superkomputer moden dalam julat petaflop (10 15 operasi/saat) boleh menyelesaikan nombor dengan 500 tempat perpuluhan dalam 5 bilion tahun komputer kuantum dalam julat megahertz (10 6 operasi/saat) akan menyelesaikan masalah yang sama dalam; 18 saat. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa kerumitan menyelesaikan masalah ini adalah asas algoritma keselamatan kriptografi RSA yang popular, yang hanya akan kehilangan kaitan selepas penciptaan komputer kuantum.

Pada tahun 1996, Lov Grover mencadangkan algoritma kuantum untuk menyelesaikan masalah penghitungan (carian) dengan pecutan kuadratik. Walaupun fakta bahawa pecutan algoritma Grover nyata lebih rendah daripada algoritma Shor, pelbagai aplikasinya dan kemustahilan yang jelas untuk mempercepatkan versi klasik kekerasan adalah penting. Hari ini, lebih daripada 40 algoritma kuantum yang berkesan diketahui, kebanyakannya adalah berdasarkan idea algoritma Shor dan Grover, yang pelaksanaannya merupakan langkah penting ke arah penciptaan komputer kuantum universal.

Pelaksanaan algoritma kuantum adalah salah satu tugas keutamaan Pusat Penyelidikan Fizik dan Matematik. Penyelidikan kami dalam bidang ini bertujuan untuk membangunkan litar bersepadu kuantum superkonduktor berbilang qubit untuk mencipta sistem pemprosesan maklumat kuantum universal dan simulator kuantum. Elemen asas litar sedemikian ialah persimpangan terowong Josephson, yang terdiri daripada dua superkonduktor yang dipisahkan oleh penghalang nipis - dielektrik setebal kira-kira 1 nm. Kubit superkonduktor berdasarkan simpang Josephson, apabila disejukkan dalam kriostat larutan hingga menghampiri suhu sifar mutlak (~20 mK), mempamerkan sifat mekanikal kuantum, menunjukkan kuantisasi cas elektrik (kubit cas), fasa atau fluks medan magnet (kubit fluks), bergantung pada reka bentuk mereka. Elemen gandingan kapasitif atau induktif, serta resonator koplanar superkonduktor, digunakan untuk menggabungkan qubit ke dalam litar, dan kawalan dijalankan oleh denyutan gelombang mikro dengan amplitud dan fasa terkawal. Litar superkonduktor amat menarik kerana ia boleh dibuat menggunakan teknologi jisim satah yang digunakan dalam industri semikonduktor. Di Pusat Penyelidikan Fizik dan Matematik, kami menggunakan peralatan (kelas R&D) daripada pengeluar terkemuka dunia, yang direka dan dicipta khas untuk kami, dengan mengambil kira keistimewaan proses teknologi untuk mengeluarkan litar bersepadu kuantum superkonduktor.

Walaupun kualiti qubit superkonduktor telah bertambah baik dengan hampir beberapa susunan magnitud sepanjang 15 tahun yang lalu, litar bersepadu kuantum superkonduktor masih sangat tidak stabil berbanding dengan pemproses klasik. Membina komputer kuantum multiqubit universal yang boleh dipercayai memerlukan penyelesaian sejumlah besar masalah fizikal, teknologi, seni bina dan algoritma. REC FMS telah membentuk program penyelidikan dan pembangunan yang komprehensif ke arah mewujudkan litar kuantum superkonduktor berbilang qubit, termasuk:

• kaedah pembentukan dan penyelidikan bahan dan antara muka baharu;
• reka bentuk dan teknologi pembuatan elemen litar kuantum;
• fabrikasi berskala qubit yang sangat koheren dan resonator berkualiti tinggi;
• tomografi (ukuran ciri) qubit superkonduktor;
• kawalan qubit superkonduktor, penukaran kuantum (belitan);
• kaedah pengesanan ralat dan algoritma pembetulan ralat;
• pembangunan seni bina litar kuantum berbilang qubit;
• penguat parametrik superkonduktor dengan aras hingar kuantum.

Oleh kerana sifat tak linearnya dengan kerugian ultra rendah (secara semula jadi) dan kebolehskalaan (dihasilkan oleh kaedah litografi), simpang Josephson amat menarik untuk mencipta litar superkonduktor kuantum. Selalunya, untuk membuat litar kuantum, perlu membentuk ratusan dan ribuan simpang Josephson dengan dimensi ciri urutan 100 nm dalam kristal np. Dalam kes ini, operasi litar yang boleh dipercayai direalisasikan hanya jika parameter peralihan diterbitkan semula dengan tepat. Dalam erti kata lain, semua peralihan litar kuantum mestilah sama sekali. Untuk melakukan ini, mereka menggunakan kaedah litografi pancaran elektron yang paling moden dan pemendapan bayang-bayang berketepatan tinggi seterusnya melalui topeng rintangan atau tegar.

Pembentukan simpang Josephson dilakukan dengan kaedah litografi resolusi ultra tinggi standard menggunakan topeng rintangan atau tegar dua lapisan. Apabila topeng dua lapisan sedemikian dibangunkan, tingkap terbentuk untuk pemendapan lapisan superkonduktor pada sudut sedemikian sehingga proses menghasilkan superposisi lapisan termendap. Sebelum pemendapan lapisan superkonduktor kedua, lapisan terowong dielektrik simpang Josephson berkualiti tinggi terbentuk. Selepas simpang Josephson terbentuk, topeng dua lapisan dikeluarkan. Pada masa yang sama, pada setiap peringkat pembentukan peralihan, faktor kritikal ialah penciptaan antara muka "ideal" - malah pencemaran atom secara radikal memburukkan parameter litar yang dihasilkan secara keseluruhan.

FMN telah membangunkan teknologi aluminium untuk pembentukan simpang Josephson Al–AlOx–Al dengan dimensi minimum dalam julat 100-500 nm dan kebolehulangan parameter simpang dari segi arus kritikal tidak lebih buruk daripada 5%. Penyelidikan teknologi yang berterusan bertujuan mencari bahan baharu, menambah baik operasi teknologi untuk membentuk vias, pendekatan kepada penyepaduan dengan proses teknologi penghalaan baharu, dan meningkatkan kebolehulangan pembuatan vias sambil meningkatkan bilangannya kepada puluhan ribu keping pada cip.

Josephson qubits (sistem dua peringkat kuantum atau "atom buatan") dicirikan oleh pemisahan biasa tenaga bumi keadaan teruja ke tahap dan didorong oleh denyutan gelombang mikro standard (pelarasan luaran jarak antara tahap dan keadaan eigen) pada kekerapan membelah dalam julat gigahertz. Semua qubit superkonduktor boleh dibahagikan kepada cas (kuantisasi cas elektrik) dan qubit aliran (kuantisasi medan magnet atau fasa), dan kriteria utama untuk kualiti qubit dari sudut pandangan pengkomputeran kuantum ialah masa kelonggaran (T1), masa koheren (T2, nyahfasa) dan masa untuk melakukan satu operasi. Pertuduhan qubit pertama telah direalisasikan di makmal NEC (Jepun) oleh kumpulan saintifik yang diketuai oleh Y. Nakamura dan Yu Pashkin (Nature 398, 786–788, 1999). Sepanjang 15 tahun yang lalu, masa koheren qubit superkonduktor telah dipertingkatkan oleh kumpulan penyelidikan terkemuka dengan hampir enam urutan magnitud, daripada nanosaat kepada ratusan mikrosaat, membolehkan ratusan operasi dua qubit dan algoritma pembetulan ralat.

Di Pusat Penyelidikan Fizik dan Matematik, kami membangunkan, mengeluarkan dan menguji qubit caj dan aliran pelbagai reka bentuk (aliran, fluksonium, transmon 2D/3D, X-mon, dll.) dengan simpang aluminium Josephson, menjalankan penyelidikan mengenai bahan baharu dan kaedah untuk mencipta qubit yang sangat koheren bertujuan untuk meningkatkan parameter asas qubit superkonduktor.

Pakar pusat itu sedang membangunkan talian penghantaran filem nipis dan resonator superkonduktor berkualiti tinggi dengan frekuensi resonans dalam julat 3-10 GHz. Ia digunakan dalam litar kuantum dan ingatan untuk pengkomputeran kuantum, membolehkan kawalan qubit individu, komunikasi antara mereka, dan pembacaan keadaan mereka dalam masa nyata. Tugas utama di sini adalah untuk meningkatkan faktor kualiti struktur yang dicipta dalam rejim foton tunggal pada suhu rendah.

Untuk menambah baik parameter resonator superkonduktor, kami menjalankan penyelidikan ke dalam pelbagai jenis reka bentuk mereka, bahan filem nipis (aluminium, niobium, niobium nitride), kaedah pemendapan filem (rasuk elektron, magnetron, lapisan atom) dan pembentukan topologi ( litografi letupan, pelbagai proses etsa ) pada pelbagai substrat (silikon, nilam) dan penyepaduan pelbagai bahan dalam satu litar.

Kumpulan saintifik dari pelbagai bidang fizik telah lama mengkaji kemungkinan interaksi koheren (komunikasi) sistem dua peringkat kuantum dengan pengayun harmonik kuantum. Sehingga 2004, interaksi sedemikian hanya boleh dicapai dalam eksperimen dalam fizik atom dan optik kuantum, di mana satu atom secara koheren menukar satu foton dengan sinaran mod tunggal. Eksperimen ini memberi sumbangan besar kepada pemahaman tentang mekanisme interaksi cahaya dengan jirim, fizik kuantum, fizik koheren dan dekoheren, dan juga mengesahkan asas teori konsep pengkomputeran kuantum. Walau bagaimanapun, pada tahun 2004, pasukan penyelidik yang diketuai oleh A. Wallraff (Nature 431, 162-167 (2004)) adalah yang pertama menunjukkan kemungkinan gandingan koheren litar kuantum keadaan pepejal dengan foton gelombang mikro tunggal. Terima kasih kepada eksperimen ini dan selepas menyelesaikan beberapa masalah teknologi, prinsip untuk mencipta sistem kuantum dua peringkat keadaan pepejal terkawal telah dibangunkan, yang membentuk asas paradigma baharu litar elektrodinamik kuantum (litar QED) yang telah dikaji secara aktif dalam beberapa tahun kebelakangan ini.

Litar QED sangat menarik baik dari sudut mengkaji ciri-ciri interaksi pelbagai unsur sistem kuantum dan mencipta peranti kuantum untuk kegunaan praktikal. Kami sedang meneroka pelbagai jenis skema interaksi untuk elemen litar QED: gandingan berkesan qubit dan elemen kawalan, penyelesaian litar untuk menjerat qubit, ketaklinearan kuantum interaksi unsur dengan sebilangan kecil foton, dsb. Kajian ini bertujuan untuk membangunkan asas kaedah eksperimen praktikal untuk mencipta litar bersepadu kuantum berbilang qubit.

Matlamat utama penyelidikan ke arah ini di FMS adalah untuk membangunkan teknologi untuk mencipta asas metrologi, metodologi dan algoritma untuk melaksanakan algoritma Shor dan Grover menggunakan litar kuantum multiqubit dan menunjukkan pecutan kuantum berbanding superkomputer klasik. Tugas saintifik dan teknikal yang sangat bercita-cita tinggi ini memerlukan menyelesaikan sejumlah besar masalah teori, fizikal, teknologi, reka bentuk litar, metrologi dan algoritma, yang sedang giat diusahakan oleh kumpulan saintifik dan syarikat IT terkemuka.

Penyelidikan dan pembangunan dalam bidang pengkomputeran kuantum dijalankan dengan kerjasama rapat dengan pasukan saintifik terkemuka Rusia Institut Fizik dan Teknologi Akademi Sains Rusia, MISIS, MIPT, NSTU dan RKT di bawah pengurusan saintis Rusia yang terkenal di dunia. .

KEMENTERIAN PENDIDIKAN PERSEKUTUAN RUSIA

INSTITUSI PENDIDIKAN NEGERI

Abstrak

Pengkomputeran kuantum

pengenalan

Bab I. Konsep asas mekanik kuantum

Bab II. Konsep dan prinsip asas pengkomputeran kuantum

Bab III. Algoritma Grover

Kesimpulan

Rujukan

pengenalan

Bayangkan komputer yang memorinya secara eksponen lebih besar daripada saiz fizikalnya yang besar akan membawa anda jangkakan; komputer yang boleh mengendalikan set data input yang lebih besar secara serentak; komputer yang melakukan pengiraan di ruang Hilbert, yang kabur bagi kebanyakan kita.

Kemudian anda berfikir tentang komputer kuantum.

Idea peranti pengkomputeran berdasarkan mekanik kuantum pertama kali dipertimbangkan pada awal 1970-an dan awal 1980-an oleh ahli fizik dan saintis komputer seperti Charles H. Bennett dari Pusat Penyelidikan Thomas J. Watson IBM dan Paul A. Benioff dari Argonne National Makmal di Illinois, David Deutsch dari Universiti Oxford, dan kemudiannya Richard P. Feynman dari Institut Teknologi California (Caltech). Idea ini timbul apabila saintis mula berminat dengan batasan asas pengkomputeran. Mereka menyedari bahawa jika teknologi terus mengurangkan saiz rangkaian komputer yang dibungkus ke dalam cip silikon secara beransur-ansur, ia akan membawa kepada elemen individu menjadi tidak lebih daripada beberapa atom. Kemudian masalah timbul, kerana undang-undang fizik kuantum digunakan pada peringkat atom, bukan yang klasik. Ini menimbulkan persoalan sama ada boleh membina komputer berdasarkan prinsip fizik kuantum.

Feynman adalah salah seorang yang pertama cuba menjawab soalan ini. Pada tahun 1982 beliau mencadangkan model sistem kuantum abstrak yang sesuai untuk pengiraan. Beliau juga menjelaskan bagaimana sistem sedemikian boleh menjadi simulator dalam fizik kuantum. Dalam erti kata lain, ahli fizik boleh menjalankan eksperimen pengiraan pada komputer kuantum sedemikian.

Kemudian, pada tahun 1985, Deutsch menyedari bahawa tuntutan Feynman akhirnya mungkin membawa kepada komputer kuantum tujuan umum, dan dia menerbitkan karya teori yang menunjukkan bahawa sebarang proses fizikal pada dasarnya boleh disimulasikan pada komputer kuantum.

Malangnya, semua yang mereka dapat kemukakan pada masa itu adalah beberapa masalah matematik yang agak jauh, sehingga Shor mengeluarkan karyanya pada tahun 1994, di mana dia membentangkan algoritma untuk menyelesaikan pada komputer kuantum satu masalah penting dari teori nombor, iaitu, penguraian kepada faktor utama. Dia menunjukkan bagaimana satu set operasi matematik yang direka khusus untuk komputer kuantum boleh memfaktorkan(faktorkan) nombor yang besar dengan pantas, jauh lebih pantas daripada komputer konvensional. Ini adalah satu kejayaan yang memindahkan pengkomputeran kuantum daripada minat akademik kepada masalah yang diminati oleh seluruh dunia.

Bab saya . Konsep asas mekanik kuantum

Pada penghujung abad ke-19, terdapat pendapat yang meluas di kalangan saintis bahawa fizik adalah sains yang "hampir lengkap" dan hanya sedikit yang tinggal untuk "kelengkapan" lengkapnya: untuk menerangkan struktur spektrum optik atom dan taburan spektrum sinaran haba . Spektrum optik atom diperoleh melalui pelepasan atau penyerapan cahaya (gelombang elektromagnet) oleh atom bebas atau terikat lemah; Gas dan wap monoatomik, khususnya, mempunyai spektrum sedemikian.

Sinaran terma ialah mekanisme untuk memindahkan haba antara bahagian badan yang terpisah secara ruang akibat sinaran elektromagnet.

Walau bagaimanapun, permulaan abad ke-20 membawa kepada pemahaman bahawa tidak boleh bercakap tentang apa-apa "kelengkapan". Ia menjadi jelas bahawa untuk menjelaskan ini dan banyak fenomena lain, adalah perlu untuk menyemak semula secara radikal konsep yang mendasari sains fizikal.

Sebagai contoh, berdasarkan teori gelombang cahaya, ternyata mustahil untuk memberikan penjelasan lengkap tentang keseluruhan set fenomena optik.

Apabila menyelesaikan masalah komposisi spektrum sinaran, ahli fizik Jerman Max Planck pada tahun 1900 mencadangkan bahawa pelepasan dan penyerapan cahaya oleh jirim berlaku dalam bahagian terhingga, atau kuanta. Pada masa yang sama, tenaga foton - kuantum sinaran elektromagnet(dalam erti kata sempit - cahaya) ditentukan oleh ungkapan

Di manakah frekuensi cahaya yang dipancarkan (atau diserap), dan merupakan pemalar universal, kini dipanggil pemalar Planck.

Pemalar Dirac sering digunakan

Kemudian tenaga kuantum dinyatakan sebagai , di mana

Kekerapan pekeliling sinaran.

Percanggahan antara melihat cahaya sebagai aliran zarah bercas dan sebagai gelombang membawa kepada konsep dualiti gelombang-zarah.

Di satu pihak, foton menunjukkan sifat gelombang elektromagnet dalam fenomena pembelauan(gelombang melengkung mengelilingi halangan yang setanding dengan panjang gelombang) dan gangguan(superposisi gelombang dengan frekuensi yang sama dan fasa awal yang sama) pada skala yang setanding dengan panjang gelombang foton. Contohnya, foton tunggal yang melalui celah berganda mencipta corak gangguan pada skrin yang boleh diterangkan persamaan Maxwell. Walau bagaimanapun, eksperimen menunjukkan bahawa foton dipancarkan dan diserap sepenuhnya oleh objek yang dimensinya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang foton (contohnya, atom), atau, secara amnya, untuk beberapa anggaran boleh dianggap seperti titik (contohnya, elektron), iaitu, mereka berkelakuan seperti zarah - corpuscles. Dalam makrokosmos di sekeliling kita, terdapat dua cara asas untuk memindahkan tenaga dan momentum antara dua titik di angkasa: pergerakan terus jirim dari satu titik ke titik lain dan proses gelombang memindahkan tenaga tanpa memindahkan jirim. Semua pembawa tenaga di sini dibahagikan kepada korpuskular dan gelombang. Sebaliknya, dalam dunia mikro pembahagian itu tidak wujud. Semua zarah, dan khususnya foton, dikaitkan dengan sifat korpuskular dan gelombang. Keadaan tidak jelas. Ini adalah sifat objektif model kuantum.

Sinaran frekuensi hampir monokromatik yang dipancarkan oleh sumber cahaya boleh dianggap sebagai terdiri daripada "paket sinaran" yang kita panggil foton. Sinaran monokromatik – mempunyai sebaran frekuensi yang sangat kecil, idealnya satu panjang gelombang.

Pembiakan foton dalam ruang diterangkan dengan betul oleh persamaan Maxwell klasik. Dalam kes ini, setiap foton dianggap klasik dalam kereta api ombak, ditakrifkan oleh dua medan vektor - kekuatan medan elektrostatik dan aruhan medan magnet. Kereta api ombak ialah satu siri gangguan dengan rehat di antara mereka. Sinaran atom individu tidak boleh menjadi monokromatik, kerana sinaran itu bertahan dalam tempoh masa yang terhad, mempunyai tempoh naik dan turun.

Adalah tidak betul untuk mentafsir jumlah kuasa dua amplitud sebagai ketumpatan tenaga dalam ruang di mana foton bergerak; sebaliknya, setiap kuantiti yang bergantung secara kuadratik pada amplitud gelombang hendaklah ditafsirkan sebagai kuantiti yang berkadar dengan kebarangkalian sesuatu proses. Katakan, ia tidak sama dengan tenaga yang disumbangkan oleh foton ke rantau ini, tetapi adalah berkadar dengan kebarangkalian untuk mengesan foton di rantau ini.

Tenaga yang dipindahkan ke mana-mana lokasi di angkasa oleh foton sentiasa sama dengan . Justeru di manakah kebarangkalian untuk mencari foton di kawasan tertentu, dan ialah bilangan foton.

Pada tahun 1921, eksperimen Stern-Gerlach mengesahkan kehadiran atom belakang dan fakta pengkuantitian spatial arah momen magnet mereka (dari putaran Inggeris - untuk berputar, berputar.). Pusing- momentum sudut intrinsik zarah asas, yang mempunyai sifat kuantum dan tidak dikaitkan dengan pergerakan zarah secara keseluruhan. Apabila memperkenalkan konsep putaran, diandaikan bahawa elektron boleh dianggap sebagai "putaran atas", dan putarannya sebagai ciri putaran tersebut. Putaran juga merupakan nama yang diberikan kepada momentum sudut intrinsik nukleus atau atom atom; dalam kes ini, putaran ditakrifkan sebagai jumlah vektor (dikira mengikut peraturan penambahan momen dalam mekanik kuantum) putaran zarah asas yang membentuk sistem, dan momen orbit zarah ini, disebabkan pergerakannya dalam sistem tersebut.

Putaran diukur dalam unit (pemalar Planck dikurangkan, atau pemalar Dirac) dan bersamaan dengan , di mana J- integer (termasuk sifar) atau ciri nombor positif separuh integer bagi setiap jenis zarah - nombor kuantum putaran, yang biasanya dipanggil hanya berputar (salah satu nombor kuantum). Dalam hal ini, mereka bercakap tentang putaran keseluruhan atau separuh integer bagi zarah. Walau bagaimanapun, konsep putaran dan nombor kuantum putaran tidak boleh dikelirukan. Nombor kuantum putaran ialah nombor kuantum yang menentukan nilai putaran sistem kuantum (atom, ion, nukleus atom, molekul), iaitu, momentum sudut (dalaman) sendiri. Unjuran putaran ke mana-mana arah tetap z dalam ruang boleh mengambil nilai J , J-1, ..., -J. Oleh itu, zarah dengan putaran J mungkin dalam 2J+1 keadaan putaran (pada J= 1 / 2 - dalam dua keadaan), yang bersamaan dengan kehadiran tahap kebebasan dalaman tambahan.

Elemen utama mekanik kuantum ialah Prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menunjukkan bahawa adalah mustahil untuk secara serentak menentukan kedudukan zarah dalam ruang dan momentumnya. Prinsip ini menerangkan kuantisasi cahaya, serta pergantungan berkadar tenaga foton pada frekuensinya.

Pergerakan foton boleh diterangkan oleh sistem persamaan Maxwell, manakala persamaan gerakan mana-mana zarah asas lain seperti elektron diterangkan oleh persamaan Schrödinger, yang lebih umum.

Sistem persamaan Maxwell adalah invarian di bawah transformasi Lorentz. Transformasi Lorentz dalam teori relativiti khas dipanggil transformasi yang mana koordinat ruang-masa tertakluk (x,y,z,t) setiap peristiwa semasa peralihan daripada satu kerangka rujukan inersia kepada yang lain. Pada dasarnya, transformasi ini mewakili transformasi bukan sahaja dalam ruang, seperti transformasi Galileo, tetapi juga dalam masa.

Bab II . Konsep dan prinsip asas pengkomputeran kuantum

Walaupun komputer telah menjadi lebih kecil dan lebih pantas dalam tugas mereka berbanding sebelum ini, tugas itu sendiri tetap sama: memanipulasi jujukan bit dan mentafsir jujukan itu sebagai hasil pengiraan yang berguna. A bit ialah unit asas maklumat, biasanya diwakili sebagai 0 atau 1 dalam komputer digital anda. Setiap bit klasik direalisasikan secara fizikal oleh sistem fizikal makroskopik, seperti kemagnetan pada cakera keras atau cas pada kapasitor. Sebagai contoh, teks yang terdiri daripada n aksara, dan disimpan pada pemacu keras komputer biasa, diterangkan dengan rentetan daripada 8n sifar dan satu. Di sinilah terletaknya perbezaan asas antara komputer klasik anda dan komputer kuantum. Walaupun komputer klasik mematuhi undang-undang fizik klasik yang difahami dengan baik, komputer kuantum ialah peranti yang mengeksploitasi fenomena mekanikal kuantum (terutamanya gangguan kuantum) untuk melaksanakan cara pemprosesan maklumat yang benar-benar baharu.

Dalam komputer kuantum, unit asas maklumat (dipanggil bit kuantum atau qubit), bukan binari, tetapi bersifat kuaterner. Sifat qubit ini timbul sebagai akibat langsung daripada tunduknya kepada undang-undang mekanik kuantum, yang secara radikal berbeza daripada undang-undang fizik klasik. Qubit boleh wujud bukan sahaja dalam keadaan sepadan dengan logik 0 atau 1, seperti bit klasik, tetapi juga dalam keadaan sepadan dengan campuran atau superposisi negeri-negeri klasik ini. Dalam erti kata lain, qubit boleh wujud sebagai sifar, sebagai satu, dan sebagai kedua-dua 0 dan 1. Dalam kes ini, anda boleh menentukan pekali berangka tertentu yang mewakili kebarangkalian berada dalam setiap keadaan.

Idea tentang kemungkinan membina komputer kuantum kembali kepada kerja R. Feynman pada 1982-1986. Mempertimbangkan persoalan mengira evolusi sistem kuantum pada komputer digital, Feynman menemui "tidak dapat diselesaikan" masalah ini: ternyata sumber memori dan kelajuan mesin klasik tidak mencukupi untuk menyelesaikan masalah kuantum. Sebagai contoh, sistem daripada n zarah kuantum dengan dua keadaan (putaran 1/2 ) mempunyai 2 n negeri asas; untuk menerangkannya, adalah perlu untuk menentukan (dan menulis ke dalam memori komputer) 2 n amplitud bagi keadaan ini. Berdasarkan keputusan negatif ini, Feynman mencadangkan bahawa kemungkinan "komputer kuantum" akan mempunyai sifat yang membolehkannya menyelesaikan masalah kuantum.

Komputer "klasik" dibina pada litar transistor yang mempunyai hubungan tak linear antara voltan input dan output. Ia pada asasnya adalah unsur-unsur bistable; contohnya, apabila voltan masukan rendah (logik "0"), voltan masukan adalah tinggi (logik "1"), dan sebaliknya. Dalam dunia kuantum, litar transistor bistable seperti itu boleh dibandingkan dengan zarah kuantum dua peringkat: kami menetapkan nilai logik kepada keadaan, keadaan, - nilai boolean. Peralihan dalam litar transistor bistable di sini akan sepadan dengan peralihan dari tahap ke tahap: . Walau bagaimanapun, unsur bistable kuantum, dipanggil qubit, mempunyai sifat superposisi keadaan yang baharu, berbanding dengan sifat klasik: ia boleh berada dalam mana-mana keadaan superposisi, di mana nombor kompleks, . Keadaan sistem kuantum daripada n zarah dua aras mempunyai secara umum bentuk superposisi 2 n keadaan asas . Pada akhirnya, prinsip kuantum superposisi keadaan memungkinkan untuk memberikan "kebolehan" baru pada asasnya kepada komputer kuantum.

Telah terbukti bahawa komputer kuantum boleh dibina daripada hanya dua elemen (pintu): elemen satu qubit dan elemen NOT terkawal dua qubit (CNOT). Matriks 2x2 unsur mempunyai bentuk:

(1)

Gerbang menerangkan putaran vektor keadaan qubit dari paksi z ke paksi kutub yang ditentukan oleh sudut . Jika nombor tidak rasional, maka dengan penggunaan berulang vektor keadaan boleh diberikan sebarang orientasi yang telah ditetapkan. Ini adalah tepat "kesejagatan" gerbang qubit tunggal dalam bentuk (1). Dalam kes tertentu, kita mendapat elemen logik qubit tunggal NOT (NOT): NOT=, NOT=. Apabila melaksanakan unsur secara fizikal, TIDAK perlu mempengaruhi zarah kuantum (qubit) dengan nadi luar yang memindahkan qubit dari satu keadaan ke keadaan lain. Gerbang NOT terkawal dilaksanakan dengan mempengaruhi dua qubit yang berinteraksi: dalam kes ini, melalui interaksi, satu qubit mengawal evolusi yang lain. Peralihan di bawah pengaruh denyutan luar terkenal dalam spektroskopi resonans magnetik berdenyut. Injap TIDAK sepadan dengan lilitan putaran di bawah pengaruh impuls (putaran kemagnetan di sekeliling paksi mengikut sudut) . Gerbang CNOT dilaksanakan pada dua putaran 1/2 dengan Hamiltonian (kawalan putaran ). CNOT dilakukan dalam tiga langkah: impuls + precession bebas dari semasa ke semasa - impuls. Jika (qubit mengawal berada dalam keadaan), maka di bawah pengaruh yang ditentukan qubit terkawal membuat peralihan (atau ). Jika (qubit mengawal berada dalam keadaan), maka hasil evolusi qubit terkawal akan berbeza: (). Oleh itu, putaran berkembang secara berbeza pada : di sini ialah keadaan qubit yang mengawal.

Apabila mempertimbangkan persoalan untuk melaksanakan komputer kuantum pada sistem kuantum tertentu, kebolehlaksanaan dan sifat get asas NOT dan NOT terkawal diperiksa terlebih dahulu.

Untuk perkara berikut, ia juga berguna untuk memperkenalkan transformasi satu qubit Hadamard:

Dalam teknologi resonans magnetik pintu ini dijalankan oleh denyutan:

Gambar rajah komputer kuantum ditunjukkan dalam rajah. Sebelum komputer mula beroperasi, semua qubit (zarah kuantum) mesti dibawa ke dalam keadaan, i.e. kepada keadaan tanah. Keadaan ini dengan sendirinya tidak remeh.

Ia memerlukan sama ada penyejukan mendalam (kepada suhu mengikut urutan millikelvin) atau penggunaan kaedah polarisasi. sistem n qubit dalam keadaan boleh dianggap sebagai daftar memori yang disediakan untuk merekod data input dan melakukan pengiraan. Sebagai tambahan kepada daftar ini, biasanya diandaikan bahawa terdapat daftar tambahan (bantuan) yang diperlukan untuk merekodkan hasil pengiraan pertengahan. Data direkodkan dengan mempengaruhi setiap qubit komputer dalam satu cara atau yang lain. Mari kita anggap, sebagai contoh, bahawa transformasi Hadamard dilakukan pada setiap qubit daftar:

Akibatnya, sistem telah berada dalam keadaan superposisi dari 2 p keadaan asas dengan amplitud 2 - n /2 . Setiap keadaan asas ialah nombor binari dari hingga . Garis mendatar dalam rajah menunjukkan paksi masa.

Pelaksanaan algoritma dicapai dengan transformasi superposisi kesatuan. ialah matriks unitari dimensi 2 p. Apabila dilaksanakan secara fizikal melalui pengaruh berdenyut pada qubit dari luar, matriks mesti diwakili sebagai produk vektor bagi matriks dimensi 2 dan . Yang terakhir boleh dicapai dengan mempengaruhi qubit tunggal atau pasangan qubit secara berurutan :

Bilangan faktor dalam pengembangan ini menentukan tempoh (dan kerumitan) pengiraan. Semua dalam (3) dilakukan menggunakan operasi NOT, CNOT, H (atau variasinya).

Sungguh mengagumkan bahawa pengendali unitari linear bertindak serentak pada semua terma superposisi

Hasil pengiraan ditulis dalam daftar ganti, yang berada di negeri sebelum digunakan. Dalam satu proses pengiraan kita memperoleh nilai fungsi yang dikehendaki f untuk semua nilai hujah X = 0,..., 2 p - 1 . Fenomena ini dipanggil paralelisme kuantum.

Mengukur hasil pengiraan dikurangkan kepada mengunjurkan vektor superposisi dalam (4) ke atas vektor salah satu keadaan asas :

(5)

Di sini salah satu titik lemah komputer kuantum muncul: nombor "jatuh" semasa proses pengukuran mengikut undang-undang kebetulan. Untuk mencari yang diberikan , perlu melakukan pengiraan dan pengukuran berkali-kali sehingga terjatuh secara tidak sengaja .

Apabila menganalisis evolusi kesatuan sistem kuantum yang melakukan proses pengiraan, kepentingan proses fizikal seperti gangguan didedahkan. Transformasi kesatuan berlaku dalam ruang nombor kompleks, dan penambahan fasa nombor ini mempunyai sifat gangguan. Produktiviti transformasi Fourier dalam fenomena gangguan dan spektroskopi diketahui. Ternyata algoritma kuantum sentiasa mengandungi transformasi Fourier. Transformasi Hadamard ialah transformasi Fourier diskret yang paling mudah. Gerbang jenis NOT dan CNOT boleh dilaksanakan terus pada interferometer Mach-Zehnder menggunakan fenomena gangguan foton dan putaran vektor polarisasinya.

Pelbagai cara untuk melaksanakan komputer kuantum secara fizikal sedang diterokai. Eksperimen model pada pengkomputeran kuantum telah dilakukan pada spektrometer resonans magnet nuklear berdenyut. Dalam model ini, dua atau tiga putaran (qubit) berfungsi, sebagai contoh, dua putaran nukleus 13 C dan satu putaran proton dalam molekul trichlorethylene.

Walau bagaimanapun, dalam eksperimen ini komputer kuantum adalah "ensembel": isyarat keluaran komputer terdiri daripada sejumlah besar molekul dalam larutan cecair (~ 10 20).

Sehingga kini, cadangan telah dibuat untuk melaksanakan komputer kuantum pada ion dan molekul dalam perangkap dalam vakum, pada putaran nuklear dalam cecair (lihat di atas), pada putaran nuklear 31 atom P dalam silikon kristal, pada putaran elektron dalam kuantum titik yang dicipta dalam gas elektronik dua dimensi dalam heterostruktur GaAs, di persimpangan Josephson. Seperti yang kita lihat, pada dasarnya, komputer kuantum boleh dibina di atas zarah atom dalam vakum, cecair atau kristal. Dalam setiap kes, halangan tertentu mesti diatasi, tetapi di antara mereka terdapat beberapa yang biasa, ditentukan oleh prinsip operasi qubit dalam komputer kuantum. Mari kita tetapkan tugas untuk mencipta komputer kuantum berskala penuh yang mengandungi, katakan, 10 3 qubit (walaupun pada n = 100 komputer kuantum boleh menjadi alat yang berguna).

1. Kita perlu mencari cara untuk "memulakan" qubit komputer ke dalam keadaan. Untuk sistem putaran dalam kristal, penggunaan suhu ultra-rendah dan medan magnet ultra-kuat adalah jelas. Penggunaan polarisasi putaran dengan mengepam boleh berguna apabila penyejukan dan medan magnet tinggi digunakan secara serentak.

Untuk ion dalam perangkap vakum, penyejukan ultra-rendah ion (atom) dicapai dengan kaedah laser. Keperluan untuk vakum sejuk dan ultra tinggi juga jelas.

2. Ia adalah perlu untuk mempunyai teknologi untuk kesan terpilih denyutan pada mana-mana qubit terpilih. Dalam bidang frekuensi radio dan resonans putaran, ini bermakna setiap putaran mesti mempunyai frekuensi resonans tersendiri (dari segi resolusi spektroskopi). Perbezaan dalam frekuensi resonans untuk putaran dalam molekul adalah disebabkan oleh anjakan kimia untuk putaran satu isotop dan satu unsur; perbezaan frekuensi yang diperlukan wujud untuk putaran nukleus pelbagai unsur. Walau bagaimanapun, akal fikiran menentukan bahawa perbezaan yang berlaku secara semula jadi dalam frekuensi resonans ini mungkin tidak mencukupi untuk digunakan 10 3 berputar

Pendekatan yang lebih menjanjikan nampaknya adalah di mana frekuensi resonans setiap qubit boleh dikawal secara luaran. Dalam cadangan untuk komputer kuantum silikon, qubit ialah putaran nuklear atom kekotoran 31 R. Kekerapan resonans ditentukan oleh pemalar A interaksi hiperhalus putaran nuklear dan elektron bagi atom 31 R Medan elektrik pada nanoelektrod yang terletak di atas atom 31 R mempolarisasi atom dan mengubah pemalar A(masing-masing, frekuensi resonans putaran nuklear). Oleh itu, kehadiran elektrod membenamkan qubit ke dalam litar elektronik dan menala frekuensi resonansnya.

3. Untuk melaksanakan operasi CNOT (BUKAN terkawal), interaksi antara qubit dan borang adalah perlu . Interaksi sedemikian berlaku antara putaran nukleus dalam molekul jika nukleus dipisahkan oleh satu ikatan kimia. Pada dasarnya, adalah perlu untuk dapat melakukan operasi pada mana-mana pasangan qubit . Tidak mustahil untuk mempunyai interaksi fizikal qubit dengan skala magnitud yang sama dan mengikut prinsip "semua dengan semua" dalam persekitaran semula jadi. Terdapat keperluan yang jelas untuk cara untuk menyesuaikan persekitaran antara qubit dari luar dengan memperkenalkan elektrod dengan potensi terkawal. Dengan cara ini, adalah mungkin untuk mencipta, sebagai contoh, pertindihan fungsi gelombang elektron dalam titik kuantum jiran dan kemunculan interaksi bentuk antara putaran elektron [. Pertindihan fungsi gelombang elektron bagi atom 31 P yang bersebelahan menyebabkan kemunculan interaksi jenis antara putaran nuklear.

Untuk menyediakan operasi , di mana dan qubit jauh di antaranya tidak terdapat interaksi bentuk, adalah perlu untuk memohon dalam komputer operasi bertukar negeri di sepanjang rantai supaya operasi dipastikan kerana negeri itu bertepatan dengan negeri .

4. Semasa pelaksanaan transformasi unitari yang sepadan dengan algoritma yang dipilih, qubit komputer terdedah kepada pengaruh daripada persekitaran; akibatnya, amplitud dan fasa vektor keadaan qubit mengalami perubahan rawak - dekoheren. Pada asasnya, dekoheren ialah kelonggaran darjah kebebasan zarah yang digunakan dalam qubit. Masa dekoheren adalah sama dengan masa rehat. Dalam resonans magnetik nuklear dalam cecair, masa kelonggaran adalah 1-10 s. Untuk ion dalam perangkap dengan peralihan optik antara tahap E 0 Dan E 1 Masa dekoheren ialah masa pancaran spontan dan masa perlanggaran dengan atom baki. Jelas sekali bahawa penyahpaduan adalah halangan yang serius kepada pengkomputeran kuantum: proses pengiraan yang dimulakan memperoleh ciri-ciri rawak selepas masa penyahkoheren telah berlalu. Walau bagaimanapun, adalah mungkin untuk mencapai proses pengkomputeran kuantum yang stabil untuk masa m > ma sewenang-wenangnya jika pengekodan kuantum dan kaedah pembetulan ralat (fasa dan amplitud) digunakan secara sistematik. Telah terbukti bahawa dengan keperluan yang agak rendah untuk pelaksanaan bebas ralat bagi operasi asas seperti NOT dan CNOT (kebarangkalian ralat tidak lebih daripada 10 -5), kaedah pembetulan ralat kuantum (QEC) memastikan operasi komputer kuantum yang stabil.

Ia juga mungkin untuk secara aktif menyekat proses dekoheren jika pengukuran berkala dilakukan pada sistem qubit. Pengukuran kemungkinan besar akan menemui zarah dalam keadaan "betul", dan perubahan rawak kecil dalam vektor keadaan akan runtuh semasa pengukuran (kesan Zeno kuantum). Walau bagaimanapun, sukar untuk menyatakan betapa bergunanya teknik sedemikian, kerana ukuran sedemikian sendiri boleh menjejaskan dan mengganggu proses pengiraan.

5. Keadaan qubit selepas selesai proses pengiraan mesti diukur untuk menentukan hasil pengiraan. Hari ini tiada teknologi yang dikuasai untuk pengukuran sedemikian. Walau bagaimanapun, laluan untuk mencari teknologi sedemikian adalah jelas: perlu menggunakan kaedah amplifikasi dalam pengukuran kuantum. Contohnya, keadaan putaran nuklear dipindahkan ke putaran elektron; fungsi gelombang orbit bergantung pada yang terakhir; mengetahui fungsi gelombang orbit, adalah mungkin untuk mengatur pemindahan caj (pengionan); kehadiran atau ketiadaan cas pada satu elektron boleh dikesan dengan kaedah elektrometrik klasik. Kaedah mikroskopi daya probe mungkin akan memainkan peranan utama dalam pengukuran ini.

Sehingga kini, algoritma kuantum telah ditemui yang membawa kepada pecutan eksponen pengiraan berbanding pengiraan pada komputer klasik. Ini termasuk algoritma Shor untuk menentukan faktor perdana bagi nombor besar (berbilang digit). Masalah matematik semata-mata ini berkait rapat dengan kehidupan masyarakat, kerana kod penyulitan moden dibina berdasarkan "tidak boleh dikira" faktor tersebut. Keadaan inilah yang menyebabkan sensasi apabila algoritma Shor ditemui. Adalah penting bagi ahli fizik bahawa penyelesaian masalah kuantum (menyelesaikan persamaan Schrödinger untuk sistem banyak zarah) dipercepatkan secara eksponen jika komputer kuantum digunakan.

Akhir sekali, adalah sangat penting bahawa dalam perjalanan penyelidikan ke dalam masalah pengkomputeran kuantum, masalah utama fizik kuantum tertakluk kepada analisis baru dan pengesahan eksperimen: masalah lokaliti, realiti, pelengkap, parameter tersembunyi, keruntuhan fungsi gelombang.

Idea pengkomputeran kuantum dan komunikasi kuantum timbul seratus tahun selepas kelahiran idea asal fizik kuantum. Kemungkinan membina komputer kuantum dan sistem komunikasi telah ditunjukkan oleh kajian teori dan eksperimen yang disiapkan sehingga kini. Fizik kuantum adalah "mencukupi" untuk reka bentuk komputer kuantum berdasarkan pelbagai "asas unsur". Komputer kuantum, jika ia boleh dibina, akan menjadi teknologi abad ke-21. Pengilangan mereka memerlukan penciptaan dan pembangunan teknologi baharu pada peringkat nanometer dan atom. Kerja ini mungkin mengambil masa beberapa dekad. Pembinaan komputer kuantum akan menjadi satu lagi pengesahan prinsip ketidakhabisan alam semula jadi: alam semula jadi mempunyai cara untuk menjalankan apa-apa tugas yang dirumuskan dengan betul oleh manusia.

Dalam komputer konvensional, maklumat dikodkan sebagai jujukan bit, dan bit ini diproses secara berurutan oleh get logik Boolean untuk menghasilkan hasil yang diingini. Begitu juga, komputer kuantum memproses qubit dengan melakukan urutan operasi pada get logik kuantum, setiap satunya mewakili transformasi kesatuan yang bertindak pada satu qubit atau sepasang qubit. Dengan melakukan transformasi ini secara berurutan, komputer kuantum boleh melakukan transformasi kesatuan yang kompleks ke atas keseluruhan set qubit yang disediakan dalam beberapa keadaan awal. Selepas ini, anda boleh membuat pengukuran pada qubit, yang akan memberikan hasil akhir pengiraan. Persamaan dalam pengiraan antara komputer kuantum dan komputer klasik mencadangkan bahawa, sekurang-kurangnya secara teori, komputer klasik boleh meniru operasi komputer kuantum dengan tepat. Dalam erti kata lain, komputer klasik boleh melakukan semua yang boleh dilakukan oleh komputer kuantum. Jadi mengapa semua ini kecoh dengan komputer kuantum? Intinya ialah, walaupun secara teorinya komputer klasik boleh mensimulasikan komputer kuantum, ia sangat tidak cekap, sangat tidak cekap sehingga secara praktikal komputer klasik tidak dapat menyelesaikan banyak masalah yang boleh dilakukan oleh komputer kuantum. Mensimulasikan komputer kuantum pada komputer klasik adalah masalah yang sukar dari segi pengiraan kerana korelasi antara bit kuantum secara kualitatif berbeza daripada korelasi antara bit klasik, seperti yang pertama kali ditunjukkan oleh John Bell. Sebagai contoh, kita boleh mengambil sistem hanya beberapa ratus qubit. Ia wujud dalam ruang Hilbert dengan dimensi ~10 90 , yang memerlukan, apabila memodelkan dengan komputer klasik, penggunaan matriks yang besar secara eksponen (untuk melaksanakan pengiraan bagi setiap keadaan individu yang juga diterangkan oleh matriks). Ini bermakna bahawa komputer klasik akan mengambil lebih banyak masa secara eksponen berbanding dengan komputer kuantum primitif.

Richard Feynman adalah antara yang pertama mengenali potensi superposisi kuantum untuk menyelesaikan masalah sedemikian dengan lebih cepat. Sebagai contoh, sistem 500 qubit, yang hampir mustahil untuk dimodelkan secara klasik, ialah superposisi kuantum bagi 2 500 negeri. Setiap nilai superposisi sedemikian secara klasiknya bersamaan dengan senarai 500 satu dan sifar. Sebarang operasi kuantum pada sistem sedemikian, contohnya nadi gelombang radio yang ditala yang boleh melakukan operasi NOT terkawal pada, katakan, qubit ke-100 dan ke-101, akan menjejaskan secara serentak 2 500 negeri. Oleh itu, dalam satu tanda pada jam komputer, operasi kuantum tidak mengira satu keadaan mesin, seperti komputer konvensional, tetapi 2 500 nyatakan segera! Walau bagaimanapun, akhirnya pengukuran dibuat pada sistem qubit, dan sistem itu runtuh menjadi satu keadaan kuantum yang sepadan dengan penyelesaian tunggal kepada masalah, satu set tunggal 500 satu dan sifar, seperti yang ditentukan oleh aksiom pengukuran mekanik kuantum. Ini adalah hasil yang benar-benar mengujakan, kerana penyelesaian ini, yang ditemui oleh proses kolektif pengkomputeran selari kuantum dengan asal-usulnya dalam superposisi, adalah bersamaan dengan melakukan operasi yang sama pada superkomputer klasik dengan ~ 10 150 pemproses berasingan (yang, sudah tentu, adalah mustahil)!! Penyelidik pertama dalam bidang ini, sudah tentu, diilhamkan oleh kemungkinan besar sedemikian, dan oleh itu pencarian untuk masalah yang sesuai untuk kuasa pengkomputeran itu tidak lama lagi bermula. Peter Shor, seorang penyelidik dan saintis komputer di AT&T's Bell Laboratories di New Jersey, mencadangkan masalah yang boleh diselesaikan pada komputer kuantum dan menggunakan algoritma kuantum Shor menggunakan kuasa superposisi kuantum untuk memfaktorkan nombor yang besar (mengikut susunan ~10,200 digit perduaan atau lebih) menjadi faktor dalam beberapa saat Masalah ini mempunyai aplikasi praktikal yang penting untuk penyulitan, di mana algoritma penyulitan yang diterima umum (dan terbaik), dikenali sebagai RSA, adalah berdasarkan tepat pada kerumitan pemfaktoran nombor komposit yang besar. , yang dengan mudah menyelesaikan masalah ini, sudah tentu sangat menarik minat banyak organisasi kerajaan yang menggunakan RSA, yang sehingga kini dianggap "tidak boleh digodam", dan kepada sesiapa yang berminat dengan keselamatan data mereka.

Penyulitan, bagaimanapun, hanyalah satu aplikasi yang mungkin bagi komputer kuantum. Shor telah membangunkan satu set keseluruhan operasi matematik yang boleh dilakukan secara eksklusif pada komputer kuantum. Beberapa operasi ini digunakan dalam algoritma pemfaktorannya. Selanjutnya, Feynman berhujah bahawa komputer kuantum boleh bertindak sebagai peranti simulasi untuk fizik kuantum, yang berpotensi membuka pintu kepada banyak penemuan di lapangan. Pada masa ini, kuasa dan keupayaan komputer kuantum adalah sebahagian besar daripada spekulasi teori; kemunculan komputer kuantum pertama yang benar-benar berfungsi sudah pasti akan membawa banyak aplikasi praktikal baharu dan menarik.

Bab III . Algoritma Grover

Masalah carian adalah seperti berikut: terdapat pangkalan data tidak teratur yang terdiri daripada elemen-N, yang mana hanya satu yang memenuhi syarat yang diberikan - elemen inilah yang perlu dicari. Jika elemen boleh diperiksa, maka menentukan sama ada ia memenuhi syarat yang diperlukan atau tidak adalah proses satu langkah. Walau bagaimanapun, pangkalan data sedemikian rupa sehingga tidak ada pesanan untuk membantu memilih item. Algoritma klasik yang paling berkesan untuk tugas ini ialah menyemak item dari pangkalan data satu demi satu. Jika elemen itu memenuhi syarat yang diperlukan, carian berakhir jika tidak, maka elemen itu diketepikan supaya ia tidak diperiksa lagi. Jelas sekali, algoritma ini memerlukan purata elemen untuk diperiksa sebelum yang dikehendaki ditemui.

Apabila melaksanakan algoritma ini, anda boleh menggunakan peralatan yang sama seperti dalam kes klasik, tetapi menentukan input dan output dalam bentuk superposisi menyatakan, anda boleh mencari objek untuk O () langkah mekanikal kuantum bukannya TENTANG( N )) langkah klasik. Setiap langkah mekanikal kuantum terdiri daripada operasi unitari asas, yang akan kami pertimbangkan lebih lanjut.

Untuk melaksanakan algoritma ini, kami memerlukan tiga operasi asas berikut. Yang pertama ialah penyediaan keadaan di mana sistem mempunyai kebarangkalian yang sama dalam mana-mana N keadaan asasnya; yang kedua ialah penjelmaan Hadamard dan yang ketiga ialah putaran fasa terpilih bagi keadaan.

Seperti yang diketahui, operasi utama untuk pengkomputeran kuantum ialah operasi M, bertindak setiap bit, yang diwakili oleh matriks berikut:

iaitu, sedikit dalam keadaan 0 bertukar menjadi superposisi dua keadaan: (1/, 1/). Begitu juga, sedikit dalam keadaan 1 diubah menjadi (1/, -1/,), iaitu, nilai amplitud bagi setiap keadaan ialah 1/, tetapi fasa dalam keadaan 1 diterbalikkan. Fasa tidak mempunyai analog dalam algoritma probabilistik klasik. Ia timbul dalam mekanik kuantum, di mana amplitud kebarangkalian adalah kompleks. Dalam sistem di mana keadaan diterangkan n bit (iaitu ada N = 2 p negeri yang mungkin), kita boleh melakukan transformasi M pada setiap bit secara bebas, mengubah keadaan sistem secara berurutan. Dalam kes di mana konfigurasi awal adalah konfigurasi dengan n bit dalam keadaan pertama, konfigurasi yang terhasil akan mempunyai amplitud yang sama untuk setiap keadaan. Ini ialah cara untuk mencipta superposisi dengan amplitud yang sama untuk semua keadaan.

Transformasi ketiga yang kita perlukan ialah memutarkan fasa amplitud secara selektif dalam keadaan tertentu. Transformasi yang dibentangkan di sini untuk sistem dua keadaan adalah dalam bentuk:

di mana j = Dan - nombor nyata arbitrari. Ambil perhatian bahawa, tidak seperti penjelmaan Hadamard dan matriks penjelmaan keadaan lain, kebarangkalian setiap keadaan kekal sama, kerana kuasa dua magnitud mutlak amplitud dalam setiap keadaan kekal sama.

Mari kita pertimbangkan masalah dalam bentuk abstrak.

Biar sistem ada N = 2 p negeri, yang dilambangkan sebagai ,..., . Ini 2 p keadaan diwakili sebagai rentetan n-bit. Biarkan terdapat satu keadaan, katakan , yang memenuhi syarat C() = 1, manakala untuk semua keadaan lain S, DENGAN( ,) = 0 (diandaikan bahawa untuk mana-mana keadaan S keadaan dinilai setiap unit masa). Tugasnya adalah untuk mengiktiraf negara

Mari kita beralih kepada algoritma itu sendiri

Langkah (1) dan (2) ialah urutan operasi unitari asas yang diterangkan sebelum ini. Langkah (3) ialah ukuran akhir yang dijalankan oleh sistem luaran.

(1) Kami membawa sistem ke dalam keadaan superposisi:

dengan amplitud yang sama untuk setiap keadaan N. Superposisi ini boleh didapati dalam langkah-langkah.

(2) Mari ulangi operasi unitari berikut TENTANG( ) sekali:

a. Biarkan sistem berada dalam beberapa keadaan S:

Dalam kes DENGAN( S ) = 1, fasa putar mengikut radian;

Dalam kes С(S) = 0, biarkan sistem tidak berubah.

b . Gunakan transformasi resapan D yang ditentukan oleh matriks D seperti berikut: jika ;" dan . D boleh dilaksanakan sebagai pelaksanaan berurutan transformasi kesatuan: , di mana W– Matriks transformasi Hadamard, R – matriks putaran fasa.

(3) Ukur keadaan yang terhasil. Negeri ini akan menjadi negeri DENGAN( )„ (iaitu, keadaan yang dikehendaki yang memenuhi syarat (C() = 1) dengan kebarangkalian sekurang-kurangnya tidak kurang daripada 0.5. Perhatikan bahawa langkah (2a) ialah putaran fasa. Pelaksanaannya mesti termasuk keadaan prosedur pengecaman dan keadaan seterusnya penentuan sama ada untuk menjalankan putaran fasa atau tidak Ia mesti dijalankan dengan cara yang tidak meninggalkan kesan pada keadaan sistem, supaya terdapat keyakinan bahawa laluan yang menuju ke keadaan akhir yang sama tidak dapat dibezakan. dan boleh mengganggu Tidak termasuk ukuran klasik.

Algoritma carian kuantum ini berkemungkinan lebih mudah untuk dilaksanakan berbanding dengan banyak algoritma mekanikal kuantum lain yang diketahui, kerana operasi yang diperlukan hanyalah transformasi Walsh-Hadamard dan operasi anjakan fasa bersyarat, setiap satunya adalah agak mudah berbanding dengan operasi yang digunakan oleh algoritma mekanikal kuantum yang lain.

Kesimpulan

Pada masa ini, komputer kuantum dan teknologi maklumat kuantum kekal dalam keadaan pembangunan perintis. Menyelesaikan kesukaran yang dihadapi oleh teknologi ini pada masa ini akan memastikan komputer kuantum akan maju ke tempat yang sepatutnya sebagai mesin pengkomputeran terpantas secara fizikal. Pada masa ini, pembetulan ralat telah berkembang dengan ketara, membawa kita lebih dekat ke titik di mana kita boleh membina komputer yang cukup teguh untuk menahan kesan ketidakselarasan. Sebaliknya, penciptaan peralatan kuantum masih hanya industri baru muncul; tetapi kerja yang dilakukan setakat ini meyakinkan kita bahawa hanya menunggu masa sebelum kita boleh membina mesin yang cukup besar untuk menjalankan algoritma yang serius seperti algoritma Shor. Oleh itu, komputer kuantum pasti akan muncul. Sekurang-kurangnya, ini akan menjadi peranti pengkomputeran yang paling canggih, dan komputer yang kita ada hari ini akan menjadi usang. Pengkomputeran kuantum mempunyai asal-usulnya dalam bidang fizik teori yang sangat khusus, tetapi masa depannya sudah pasti akan memberi kesan yang besar kepada kehidupan semua manusia.

Rujukan

1. Pengkomputeran kuantum: kebaikan dan keburukan. Ed. V.A. Sadovnichigo. – Izhevsk: Udmurt University Publishing House, 1999. – 212 p.

2. Belonuchkin V.E., Zaikin D.A., Tsypenyuk Yu.M., Asas Fizik. Kursus am fizik: Buku teks. Dalam 2 jilid. T. 2. Kuantum dan fizik statistik. – M.: FIZMATLIT, 2001. – 504 hlm.

3. Valiev K.A. “Komputer kuantum: bolehkah mereka dijadikan “besar”?”, Kemajuan dalam Sains Fizikal, vol.

4. Valiev K.A. "Sains maklumat kuantum: komputer, komunikasi dan kriptografi", BULETIN AKADEMI SAINS RUSIA, jilid 70, no. 688-695, 2000

5. Maslov. D. "Pengkomputeran kuantum dan komunikasi: realiti dan prospek", Computerra, No. 46, 2004.

6. Khalfin L.A. "Kesan Quantum Zeno", Kemajuan dalam Sains Fizikal, v. 160, no.

7. Kholevo A. "Sains maklumat kuantum: masa lalu, sekarang, masa depan,"

DALAM DUNIA SAINS, No 7, 2008.

8. Pusat Teknologi Kuantum, Universiti Nasional Singapura www.quantumlah.org

Calon Sains Fizikal dan Matematik L. FEDICHKIN (Institut Fizikal dan Teknologi Akademi Sains Rusia.

Menggunakan undang-undang mekanik kuantum, adalah mungkin untuk mencipta jenis komputer yang pada asasnya baru yang akan membolehkan menyelesaikan beberapa masalah yang tidak boleh diakses walaupun oleh superkomputer moden yang paling berkuasa. Kelajuan banyak pengiraan kompleks akan meningkat dengan mendadak; mesej yang dihantar melalui talian komunikasi kuantum adalah mustahil untuk memintas atau menyalin. Hari ini, prototaip komputer kuantum masa hadapan ini telah pun dibuat.

Ahli matematik dan fizik Amerika asal Hungary Johann von Neumann (1903-1957).

Ahli fizik teori Amerika Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Ahli matematik Amerika Peter Shor, pakar dalam bidang pengkomputeran kuantum. Beliau mencadangkan algoritma kuantum untuk pemfaktoran pantas nombor besar.

Bit kuantum, atau qubit. Keadaan sepadan, sebagai contoh, dengan arah putaran nukleus atom ke atas atau ke bawah.

Daftar kuantum ialah rantaian bit kuantum. Gerbang kuantum satu atau dua qubit melakukan operasi logik pada qubit.

PENGENALAN, ATAU SEDIKIT TENTANG PERLINDUNGAN MAKLUMAT

Apakah program yang anda fikir telah menjual paling banyak lesen di dunia? Saya tidak akan mengambil risiko menegaskan bahawa saya tahu jawapan yang betul, tetapi saya pasti tahu satu yang salah: ini Tidak mana-mana versi Microsoft Windows. Sistem pengendalian yang paling biasa adalah mendahului produk sederhana daripada RSA Data Security, Inc. - program yang melaksanakan algoritma penyulitan kunci awam RSA, dinamakan sempena pengarangnya - ahli matematik Amerika Rivest, Shamir dan Adelman.

Hakikatnya ialah algoritma RSA terbina dalam kebanyakan sistem pengendalian komersil, serta banyak aplikasi lain yang digunakan dalam pelbagai peranti - daripada kad pintar ke telefon bimbit. Khususnya, ia juga tersedia dalam Microsoft Windows, yang bermaksud ia pasti lebih meluas daripada sistem pengendalian popular ini. Untuk mengesan kesan RSA, sebagai contoh, dalam pelayar Internet Explorer (program untuk melihat halaman www di Internet), cuma buka menu "Bantuan", masukkan submenu "Perihal Internet Explorer" dan lihat senarai produk terpakai dari syarikat lain. Satu lagi pelayar biasa, Netscape Navigator, juga menggunakan algoritma RSA. Secara umum, sukar untuk mencari syarikat terkenal yang bekerja dalam bidang teknologi tinggi yang tidak akan membeli lesen untuk program ini. Hari ini, RSA Data Security, Inc. telah menjual lebih daripada 450 juta(!) lesen.

Mengapakah algoritma RSA begitu penting?

Bayangkan anda perlu cepat bertukar mesej dengan orang yang jauh. Terima kasih kepada perkembangan Internet, pertukaran sedemikian telah tersedia kepada kebanyakan orang hari ini - anda hanya perlu mempunyai komputer dengan modem atau kad rangkaian. Sememangnya, apabila bertukar maklumat melalui rangkaian, anda ingin merahsiakan mesej anda daripada orang yang tidak dikenali. Walau bagaimanapun, adalah mustahil untuk melindungi sepenuhnya talian komunikasi yang panjang daripada mencuri dengar. Ini bermakna apabila mesej dihantar, ia mesti disulitkan, dan apabila diterima, ia mesti dinyahsulit. Tetapi bagaimana anda dan rakan bicara anda boleh bersetuju dengan kunci yang akan anda gunakan? Jika anda menghantar kunci kepada sifir melalui baris yang sama, penyerang yang mencuri dengar boleh memintasnya dengan mudah. Anda boleh, sudah tentu, menghantar kunci melalui beberapa talian komunikasi lain, sebagai contoh, menghantarnya melalui telegram. Tetapi kaedah ini biasanya menyusahkan dan, lebih-lebih lagi, tidak selalu boleh dipercayai: baris lain juga boleh ditoreh. Adalah baik jika anda dan penerima anda mengetahui lebih awal bahawa anda akan bertukar-tukar penyulitan, dan oleh itu saling memberi kunci lebih awal. Tetapi bagaimana jika, sebagai contoh, anda ingin menghantar tawaran komersial sulit kepada rakan kongsi perniagaan yang mungkin atau membeli produk yang anda suka di kedai dalam talian baharu menggunakan kad kredit?

Pada tahun 1970-an, untuk menyelesaikan masalah ini, sistem penyulitan telah dicadangkan yang menggunakan dua jenis kunci untuk mesej yang sama: awam (tidak memerlukan kerahsiaan) dan peribadi (secara rahsia). Kunci awam digunakan untuk menyulitkan mesej, dan kunci peribadi digunakan untuk menyahsulitnya. Anda menghantar kepada wartawan anda kunci awam, dan dia menggunakannya untuk menyulitkan mesejnya. Semua penyerang yang telah memintas kunci awam boleh lakukan ialah menyulitkan e-melnya dengannya dan memajukannya kepada seseorang. Tetapi dia tidak akan dapat menguraikan surat-menyurat itu. Anda, mengetahui kunci peribadi (ia pada mulanya disimpan dengan anda), boleh membaca mesej yang ditujukan kepada anda dengan mudah. Untuk menyulitkan mesej balasan, anda akan menggunakan kunci awam yang dihantar oleh wartawan anda (dan dia akan menyimpan kunci peribadi yang sepadan untuk dirinya sendiri).

Ini betul-betul skema kriptografi yang digunakan dalam algoritma RSA, kaedah penyulitan kunci awam yang paling biasa. Selain itu, untuk mencipta sepasang kunci awam dan peribadi, hipotesis penting berikut digunakan. Jika terdapat dua yang besar (memerlukan lebih daripada seratus digit perpuluhan untuk ditulis) ringkas nombor M dan K, maka mencari produk mereka N=MK tidak akan sukar (anda tidak perlu mempunyai komputer untuk ini: orang yang agak berhati-hati dan sabar akan dapat mendarab nombor tersebut dengan pen dan kertas). Tetapi untuk menyelesaikan masalah songsang, iaitu, mengetahui sejumlah besar N, menguraikannya menjadi faktor perdana M dan K (yang dipanggil masalah pemfaktoran) - hampir mustahil! Inilah masalah yang akan dihadapi oleh penyerang jika dia memutuskan untuk "menggodam" algoritma RSA dan membaca maklumat yang disulitkan dengannya: untuk mengetahui kunci peribadi, mengetahui kunci awam, dia perlu mengira M atau K .

Untuk menguji kesahihan hipotesis tentang kerumitan praktikal pemfaktoran nombor besar, pertandingan khas telah dan masih diadakan. Penguraian hanya nombor 155 digit (512-bit) dianggap sebagai rekod. Pengiraan telah dijalankan secara selari pada banyak komputer selama tujuh bulan pada tahun 1999. Jika tugas ini dilakukan pada satu komputer peribadi moden, ia memerlukan lebih kurang 35 tahun masa komputer! Pengiraan menunjukkan bahawa menggunakan walaupun seribu stesen kerja moden dan algoritma pengkomputeran terbaik yang diketahui hari ini, satu nombor 250 digit boleh difaktorkan dalam kira-kira 800 ribu tahun, dan nombor 1000 digit dalam 10-25 (!) tahun. (Sebagai perbandingan, umur Alam Semesta ialah ~10 10 tahun.)

Oleh itu, algoritma kriptografi seperti RSA, beroperasi pada kekunci yang cukup panjang, dianggap benar-benar boleh dipercayai dan digunakan dalam banyak aplikasi. Dan semuanya baik-baik saja sehingga itu ... sehingga komputer kuantum muncul.

Ternyata dengan menggunakan undang-undang mekanik kuantum, adalah mungkin untuk membina komputer yang masalah pemfaktoran (dan banyak lagi!) tidak akan menjadi sangat sukar. Dianggarkan bahawa komputer kuantum dengan hanya kira-kira 10 ribu bit kuantum memori boleh memfaktorkan nombor 1000 digit menjadi faktor perdana dalam beberapa jam sahaja!

BAGAIMANA SEMUANYA BERMULA?

Sehingga pertengahan 1990-an, teori komputer kuantum dan pengkomputeran kuantum ditubuhkan sebagai bidang sains baharu. Seperti yang sering berlaku dengan idea-idea yang hebat, sukar untuk menentukan pencetusnya. Nampaknya, ahli matematik Hungary J. von Neumann adalah orang pertama yang menarik perhatian kepada kemungkinan membangunkan logik kuantum. Walau bagaimanapun, pada masa itu, bukan sahaja kuantum, tetapi juga komputer klasik biasa masih belum dicipta. Dan dengan kemunculan yang terakhir, usaha utama saintis ditujukan terutamanya untuk mencari dan membangunkan elemen baru untuk mereka (transistor, dan kemudian litar bersepadu), dan bukan untuk mencipta peranti pengkomputeran yang berbeza secara asasnya.

Pada tahun 1960-an, ahli fizik Amerika R. Landauer, yang bekerja di IBM, cuba menarik perhatian dunia saintifik kepada fakta bahawa pengiraan sentiasa beberapa proses fizikal, yang bermaksud mustahil untuk memahami had keupayaan pengkomputeran kami tanpa menyatakan apakah pelaksanaan fizikal yang sepadan. Malangnya, pada masa itu, pandangan yang dominan di kalangan saintis ialah pengiraan adalah sejenis prosedur logik abstrak yang harus dikaji oleh ahli matematik, bukan ahli fizik.

Apabila komputer semakin meluas, saintis kuantum membuat kesimpulan bahawa adalah mustahil untuk mengira secara langsung keadaan sistem yang berkembang yang terdiri daripada hanya beberapa dozen zarah berinteraksi, seperti molekul metana (CH 4). Ini dijelaskan oleh fakta bahawa untuk menerangkan sepenuhnya sistem yang kompleks, adalah perlu untuk menyimpan dalam memori komputer bilangan pembolehubah yang besar secara eksponen (dari segi bilangan zarah), yang dipanggil amplitud kuantum. Situasi paradoks telah timbul: mengetahui persamaan evolusi, mengetahui dengan ketepatan yang mencukupi semua potensi interaksi zarah antara satu sama lain dan keadaan awal sistem, hampir mustahil untuk mengira masa depannya, walaupun sistem hanya terdiri daripada 30 elektron dalam perigi berpotensi, dan superkomputer dengan RAM tersedia , bilangan bit yang sama dengan bilangan atom di rantau Alam Semesta yang boleh dilihat (!). Dan pada masa yang sama, untuk mengkaji dinamik sistem sedemikian, anda hanya boleh menjalankan eksperimen dengan 30 elektron, meletakkannya dalam potensi tertentu dan keadaan awal. Ini, khususnya, telah diperhatikan oleh ahli matematik Rusia Yu I. Manin, yang pada tahun 1980 menunjukkan keperluan untuk membangunkan teori peranti pengkomputeran kuantum. Pada tahun 1980-an, masalah yang sama telah dikaji oleh ahli fizik Amerika P. Benev, yang dengan jelas menunjukkan bahawa sistem kuantum boleh melakukan pengiraan, serta saintis Inggeris D. Deutsch, yang secara teorinya membangunkan komputer kuantum sejagat yang lebih baik daripadanya. rakan sejawat klasik.

Banyak perhatian terhadap masalah membangunkan komputer kuantum telah tertarik oleh pemenang Hadiah Nobel dalam fizik R. Feynman, yang terkenal kepada pembaca biasa Sains dan Kehidupan. Terima kasih kepada panggilan berwibawanya, bilangan pakar yang memberi perhatian kepada pengkomputeran kuantum meningkat berkali-kali ganda.

Namun untuk masa yang lama ia masih tidak jelas sama ada kuasa pengkomputeran hipotesis komputer kuantum boleh digunakan untuk mempercepatkan penyelesaian masalah praktikal. Tetapi pada tahun 1994, seorang ahli matematik Amerika dan pekerja Lucent Technologies (AS) P. Shor mengejutkan dunia saintifik dengan mencadangkan algoritma kuantum yang membolehkan pemfaktoran pantas nombor besar (kepentingan masalah ini telah dibincangkan dalam pengenalan). Berbanding dengan kaedah klasik terbaik yang diketahui hari ini, algoritma kuantum Shor memberikan pecutan berbilang pengiraan, dan semakin lama nombor difaktorkan, semakin besar keuntungan kelajuan. Algoritma pemfaktoran pantas adalah menarik minat praktikal untuk pelbagai agensi perisikan yang telah mengumpul bank mesej yang tidak disulitkan.

Pada tahun 1996, rakan sekerja Shore di Lucent Technologies L. Grover mencadangkan algoritma kuantum untuk carian pantas dalam pangkalan data tidak tertib. (Contoh pangkalan data sedemikian ialah buku telefon di mana nama pelanggan tidak disusun mengikut abjad, tetapi dengan cara sewenang-wenangnya.) Tugas mencari, memilih elemen optimum di antara banyak pilihan sangat sering ditemui dalam ekonomi, ketenteraan, masalah kejuruteraan, dan dalam permainan komputer. Algoritma Grover membolehkan bukan sahaja untuk mempercepatkan proses carian, tetapi juga untuk lebih kurang dua kali ganda bilangan parameter yang diambil kira semasa memilih yang optimum.

Penciptaan sebenar komputer kuantum telah dihalang oleh satu-satunya masalah serius - kesilapan, atau gangguan. Hakikatnya ialah tahap gangguan yang sama merosakkan proses pengkomputeran kuantum dengan lebih intensif daripada pengkomputeran klasik. P. Shor menggariskan cara untuk menyelesaikan masalah ini pada tahun 1995, membangunkan skema untuk pengekodan keadaan kuantum dan membetulkan ralat di dalamnya. Malangnya, topik pembetulan ralat dalam komputer kuantum adalah sama pentingnya kerana ia rumit untuk dibincangkan dalam artikel ini.

PERANTI KOMPUTER KUANTUM

Sebelum kami memberitahu anda cara komputer kuantum berfungsi, marilah kita mengingati ciri utama sistem kuantum (lihat juga "Sains dan Kehidupan" No. 8, 1998; No. 12, 2000).

Untuk memahami undang-undang dunia kuantum, seseorang tidak seharusnya bergantung secara langsung pada pengalaman seharian. Dalam cara biasa (dalam pemahaman harian), zarah kuantum bertindak hanya jika kita sentiasa "mengintip" mereka, atau, lebih tegas lagi, sentiasa mengukur keadaan di mana ia berada. Tetapi sebaik sahaja kita "berpaling" (berhenti memerhati), zarah kuantum segera bergerak dari keadaan yang sangat spesifik kepada beberapa bentuk yang berbeza sekaligus. Iaitu, elektron (atau mana-mana objek kuantum lain) akan terletak sebahagiannya pada satu titik, sebahagian lagi, sebahagiannya pada satu pertiga, dsb. Ini tidak bermakna ia terbahagi kepada kepingan, seperti oren. Kemudian adalah mungkin untuk mengasingkan sebahagian daripada elektron dengan pasti dan mengukur cas atau jisimnya. Tetapi pengalaman menunjukkan bahawa selepas pengukuran elektron sentiasa menjadi "selamat dan kukuh" pada satu titik, walaupun pada hakikatnya sebelum itu ia berjaya berada hampir di mana-mana pada masa yang sama. Keadaan elektron ini, apabila ia terletak di beberapa titik dalam ruang sekaligus, dipanggil superposisi keadaan kuantum dan biasanya digambarkan oleh fungsi gelombang, yang diperkenalkan pada tahun 1926 oleh ahli fizik Jerman E. Schrödinger. Modulus nilai fungsi gelombang pada mana-mana titik, kuasa dua, menentukan kebarangkalian mencari zarah pada titik itu pada masa tertentu. Selepas mengukur kedudukan zarah, fungsi gelombangnya kelihatan mengecut (runtuh) ke titik di mana zarah itu dikesan, dan kemudian mula merebak semula. Sifat zarah kuantum berada dalam banyak keadaan serentak, dipanggil keselarian kuantum, telah berjaya digunakan dalam pengkomputeran kuantum.

sedikit kuantum

Sel asas komputer kuantum ialah bit kuantum, atau, ringkasnya, qubit(q-bit). Ini ialah zarah kuantum yang mempunyai dua keadaan asas, yang ditetapkan 0 dan 1 atau, seperti biasa dalam mekanik kuantum, dan. Dua nilai qubit boleh sepadan, sebagai contoh, dengan keadaan bumi dan keadaan teruja atom, arah atas dan bawah putaran nukleus atom, arah arus dalam cincin superkonduktor, dua kemungkinan kedudukan elektron dalam semikonduktor, dsb.

Daftar Kuantum

Daftar kuantum berstruktur hampir sama dengan daftar klasik. Ini ialah rantaian bit kuantum di mana operasi logik satu dan dua bit boleh dilakukan (serupa dengan penggunaan operasi NOT, 2I-NOT, dsb. dalam daftar klasik).

Keadaan asas daftar kuantum yang dibentuk oleh L qubit termasuk, seperti dalam klasik, semua kemungkinan urutan sifar dan satu panjang L. Boleh ada 2 L kombinasi berbeza secara keseluruhan. Mereka boleh dianggap sebagai rekod nombor dalam bentuk binari dari 0 hingga 2 L -1 dan ditetapkan. Walau bagaimanapun, keadaan asas ini tidak menghabiskan semua kemungkinan nilai daftar kuantum (tidak seperti yang klasik), kerana terdapat juga keadaan superposisi yang ditakrifkan oleh amplitud kompleks yang berkaitan dengan keadaan normalisasi. Analog klasik untuk kebanyakan nilai yang mungkin bagi daftar kuantum (kecuali yang asas) sememangnya tidak wujud. Keadaan daftar klasik hanyalah bayangan menyedihkan dari keseluruhan kekayaan keadaan komputer kuantum.

Bayangkan bahawa pengaruh luaran digunakan pada daftar, sebagai contoh, impuls elektrik digunakan pada bahagian ruang atau pancaran laser diarahkan. Jika ia adalah daftar klasik, nadi, yang boleh dianggap sebagai operasi pengiraan, akan mengubah pembolehubah L. Jika ini adalah daftar kuantum, maka nadi yang sama boleh bertukar secara serentak kepada pembolehubah. Oleh itu, daftar kuantum, pada dasarnya, mampu memproses maklumat beberapa kali lebih cepat daripada rakan klasiknya. Dari sini segera jelas bahawa daftar kuantum kecil (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Perlu diingat, bagaimanapun, terdapat kelas masalah yang mana algoritma kuantum tidak memberikan pecutan yang ketara berbanding dengan yang klasik. Salah satu yang pertama menunjukkan ini ialah ahli matematik Rusia Yu Ozhigov, yang membina beberapa contoh algoritma yang, pada dasarnya, tidak boleh dipercepatkan oleh satu kitaran jam pada komputer kuantum.

Namun begitu, tidak dapat dinafikan bahawa komputer yang beroperasi mengikut undang-undang mekanik kuantum adalah peringkat baharu dan penentu dalam evolusi sistem pengkomputeran. Yang tinggal hanyalah membina mereka.

KOMPUTER KUANTUM HARI INI

Prototaip komputer kuantum sudah wujud hari ini. Benar, setakat ini adalah mungkin secara eksperimen untuk memasang hanya daftar kecil yang terdiri daripada hanya beberapa bit kuantum. Oleh itu, baru-baru ini kumpulan yang diketuai oleh ahli fizik Amerika I. Chang (IBM) mengumumkan pemasangan komputer kuantum 5-bit. Tidak dinafikan, ini adalah satu kejayaan besar. Malangnya, sistem kuantum sedia ada masih belum mampu menyediakan pengiraan yang boleh dipercayai, kerana ia sama ada kurang dikawal atau sangat terdedah kepada hingar. Walau bagaimanapun, tiada sekatan fizikal untuk membina komputer kuantum yang berkesan hanya perlu untuk mengatasi kesukaran teknologi.

Terdapat beberapa idea dan cadangan tentang cara membuat bit kuantum yang boleh dipercayai dan mudah dikawal.

I. Chang mengembangkan idea menggunakan putaran nukleus beberapa molekul organik sebagai qubit.

Penyelidik Rusia M.V. Feigelman, bekerja di Institut Fizik Teori yang dinamakan sempena. L.D. Landau RAS, bercadang untuk memasang daftar kuantum daripada cincin superkonduktor kecil. Setiap cincin memainkan peranan qubit, dan menyatakan 0 dan 1 sepadan dengan arah arus elektrik dalam cincin - mengikut arah jam dan lawan jam. Qubit tersebut boleh ditukar menggunakan medan magnet.

Di Institut Fizik dan Teknologi Akademi Sains Rusia, kumpulan yang diketuai oleh Ahli Akademik K. A. Valiev mencadangkan dua pilihan untuk meletakkan qubit dalam struktur semikonduktor. Dalam kes pertama, peranan qubit dimainkan oleh elektron dalam sistem dua telaga berpotensi yang dicipta oleh voltan yang digunakan pada elektrod mini pada permukaan semikonduktor. Keadaan 0 dan 1 ialah kedudukan elektron dalam salah satu telaga ini. Qubit ditukar dengan menukar voltan pada salah satu elektrod. Dalam versi lain, qubit ialah nukleus atom fosforus yang tertanam pada titik tertentu semikonduktor. Keadaan 0 dan 1 - arah putaran nuklear sepanjang atau melawan medan magnet luar. Kawalan dijalankan menggunakan tindakan gabungan denyutan magnet frekuensi resonans dan denyutan voltan.

Oleh itu, penyelidikan sedang giat dijalankan dan boleh diandaikan bahawa dalam masa terdekat - dalam sepuluh tahun - komputer kuantum yang berkesan akan dicipta.

MELIHAT MASA DEPAN

Oleh itu, agak mungkin bahawa pada masa hadapan, komputer kuantum akan dihasilkan menggunakan kaedah tradisional teknologi mikroelektronik dan mengandungi banyak elektrod kawalan, mengingatkan mikropemproses moden. Untuk mengurangkan tahap hingar, yang penting untuk operasi biasa komputer kuantum, model pertama nampaknya perlu disejukkan dengan helium cecair. Berkemungkinan komputer kuantum pertama adalah peranti besar dan mahal yang tidak muat di atas meja dan diselenggara oleh kakitangan besar pengaturcara sistem dan pelaras perkakasan berkot putih. Pertama, hanya agensi kerajaan akan mempunyai akses kepada mereka, kemudian organisasi komersial yang kaya. Tetapi era komputer konvensional bermula dengan cara yang sama.

Apakah yang akan berlaku kepada komputer klasik? Adakah mereka akan mati? hampir tidak. Kedua-dua komputer klasik dan kuantum mempunyai bidang aplikasi mereka sendiri. Walaupun, kemungkinan besar, nisbah di pasaran akan beransur-ansur beralih ke arah yang kedua.

Pengenalan komputer kuantum tidak akan membawa kepada penyelesaian masalah klasik yang tidak dapat diselesaikan secara asas, tetapi hanya akan mempercepatkan beberapa pengiraan. Di samping itu, komunikasi kuantum akan menjadi mungkin - pemindahan qubit dari jarak jauh, yang akan membawa kepada kemunculan sejenis Internet kuantum. Komunikasi kuantum akan memungkinkan untuk menyediakan sambungan yang selamat (mengikut undang-undang mekanik kuantum) setiap orang antara satu sama lain daripada mencuri dengar. Maklumat anda yang disimpan dalam pangkalan data kuantum akan dilindungi dengan lebih pasti daripada penyalinan berbanding sekarang. Firma yang menghasilkan program untuk komputer kuantum akan dapat melindunginya daripada sebarang, termasuk penyalinan yang menyalahi undang-undang.

Untuk pemahaman yang lebih mendalam tentang topik ini, anda boleh membaca artikel ulasan oleh E. Riffel dan V. Polak, "Asas Pengkomputeran Kuantum," yang diterbitkan dalam jurnal Rusia "Komputer Kuantum dan Pengkomputeran Kuantum" (No. 1, 2000). (Dengan cara ini, ini adalah yang pertama dan setakat ini satu-satunya jurnal di dunia yang didedikasikan untuk pengkomputeran kuantum. Maklumat tambahan mengenainya boleh didapati di Internet di http://rcd.ru/qc.). Setelah anda menguasai kerja ini, anda akan dapat membaca artikel saintifik tentang pengkomputeran kuantum.

Persediaan matematik yang agak awal akan diperlukan apabila membaca buku oleh A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Pengiraan Klasik dan Kuantum" (Moscow: MTsNMO-CheRo, 1999).

Sejumlah aspek asas mekanik kuantum, penting untuk menjalankan pengiraan kuantum, dibincangkan dalam buku oleh V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev "Teleportasi kuantum - keajaiban biasa" (Izhevsk: RHD, 2000).

Rumah penerbitan RCD sedang bersedia untuk menerbitkan terjemahan ulasan A. Steen mengenai komputer kuantum sebagai buku yang berasingan.

Kesusasteraan berikut akan berguna bukan sahaja dari segi pendidikan, tetapi juga dari segi sejarah:

1) Yu. Boleh dikira dan tidak boleh dikira.

M.: Sov. radio, 1980.

2) J. von Neumann. Asas matematik mekanik kuantum.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulasi fizik pada komputer // Komputer kuantum dan pengkomputeran kuantum:

Sab. dalam 2 jilid - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, hlm. 96-123.

4) R. Feynman. Komputer mekanikal kuantum

// Ibid., hlm. 123.-156.

Lihat isu pada topik yang sama