"Будут ли квантовые эффекты доминировать в развитии технологий XXI века?"

Под таким названием 1-3 июля 2001 года в Мичиганском университете прошел первый ежегодный международный симпозиум по перспективным приложениям квантовой физики (Quantum Applications Symposium). Это была интердисциплинарная и интерактивная конференция 15 ведущих специалистов по квантовым информационным технологиям (квантовым компьютерам, квантовой криптографии и коммуникациям), квантовым сенсорным устройствам, биохимии, нанотехнологиям, квантовой психологии и сопредельным областям. Среди участников были такие ученые с мировым именем, как Дэвид Дойч (David Deutsch) из Центра квантовых вычислений Оксфордского университета, Брайен Джозефсон (Brian Josephson) из Кембриджа, Фил Плацмен (Phil Platzman) из Lucent Bell Labs, Генри Стэпп (Henry Stapp) из Национальной лаборатории Лоуренса Бёркли Калифорнийского университета, Стюарт М.Д. Хэмерофф (Stuart Hameroff) из Центра исследований сознания университета Аризоны (не смог приехать, но представил доклад) и др.

Открыл конференцию пленарный доклад Дэвида Дойча "Квантовая технология: реализм в действии". Сделав небольшой исторический обзор развития ИТ в прошлом столетии, он отметил, что еще рано прогнозировать, насколько существенные изменения могут произойти в этой отрасли с ее выходом в субатомную область: будут ли воспроизведены модели классического компьютинга a la Тьюринг или потребуются серьезные мировоззренческие сдвиги для дальнейшего прогресса. Д. Дойч в качестве одной из главных детерминант развития на ближайшие десятилетия определил философскую: "примут ли те, кто работает в данной области, квантовую теорию всерьез как описание реальности или нет".

Фил М. Плацмен в докладе "Квантовый компьютинг с электронами, плавающими над жидким гелием" предложил идею аналогового квантового компьютера (АКК), способного решать задачи, недоступные никаким классическим цифровым компьютерам. Главная проблема - в выборе подходящей физической системы, которая допускала бы легкое манипулирование кюбитами, их легкое считывание и почти полную изоляцию системы от остальной Вселенной. Ф.М. Плацмен предлагает в качестве такой системы использовать ансамбль из 1<N<10⁹ электронов, захваченных над пленкой жидкого гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю (T<=10^-2 °K). Такие электроны представляют собой почти идеально чистый вакуум, нигде во Вселенной более не встречающийся. Даже самое слабое взаимодействие с внешним миром контролируется посредством термальных кругов на поверхности жидкого сверхтекучего гелия. По мнению докладчика, такие процессоры могут быть созданы уже в ближайшее время.

Генри Стэпп, один из основоположников нового междисциплинарного направления - квантовой психологии - в своем докладе "Ментальные свойства квантовых систем" (в программе "Как разум может воздействовать на квантовый мозг") основывается на интерпретации квантовой механики, предложенной Дж. Фон Нейманом, которая позволяет согласованным образом динамически увязать ментальные качества наблюдателя с физическими состояниями его мозга (и тела). Основное такое качество - это способность схватывать как одно целое информационные структуры, которые могут быть представлены соответствующими состояниями мозга, и избирать их на основе оценок, зависящих от состояния мозга как целого. Законы квантовой динамики допускают обратное воздействие такого оценивания высокого уровня на поведение самого мозга. А это означает, что подобного рода динамике будут подвержены и создаваемые человеком квантовые устройства, что необходимо иметь в виду при их разработке и эксплуатации.

Близкие идеи прозвучали в докладе Нобелевского лауреата по физике 1973 года Брайена Джозефсона (за открытие эффекта туннельной сферпроводимости, названного его именем) "Отношения, перемешивание состояний и PSI". Докладчик отметил, что биосистемы формируют отношения селективно, в том числе на смысловой основе. Он высказал гипотезу, что такие системы учатся управлять некоторыми формами квантового перемешивания состояний, т.е. контролировать, какие связанные состояния могут появиться и как они будут себя вести. При определенных условиях такие состояния могут действовать как своеобразные информационные центры, с которыми способны взаимодействовать другие биологические агенты. Он также отметил, что, возможно, на этом пути будет получено естественное объяснение многих паранормальных явлений.

Артур Экерт (Artur Ekert), профессор Оксфордского университета, в докладе "Машины, логика и квантовая физика" отметил, что прогрессирующая миниатюризация электронных приборов неуклонно подводит их к той границе, когда существенными становятся квантовые эффекты. Это с необходимостью предполагает развитие квантовых технологий, которые дополнили бы или даже заместили существующие технологии. Ожидаемый результат - это не просто более быстрые и миниатюрные микропроцессоры. Это совершенно новый класс устройств, требующий коренного изменения самой идеологии компьютинга. Развитие логики и математики теперь существенно зависит от знания физических законов, в частности, законов микромира. А. Экерт кратко охарактеризовал возникающие новые перспективы и наметил пути, по которым следует ожидать развития вычислительной математики.

Крис Монро (Chris Monroe) из Мичиганского университета выступил с докладом "Погонщики, вакуумные трубки и квантовые компьютеры". Главная тема его выступления: если квантовые компьютеры будут созданы, насколько сильно они будут отличаться от обычных компьютеров? Основное отличие, по его мнению, заключается в том, что обычные компьютеры работают на основе диссипации или стабилизации логических уровней (уровней напряжения) посредством постоянных измерений и коррекций, тогда как квантовые компьютеры могут работать в условиях близких к отсутствию всякой диссипации. Вообще устройства квантовой памяти не могут контролироваться в процессе вычислений, так как это будет вести к ошибкам. Простейшие квантово-логические шлюзы (gates) моделируются в особых лабораторных условиях. Например, это может быть отдельный атом, удерживаемый электромагнитными полями в вакуумной трубке, или отдельные фотоны, скачущие между двумя почти идеальными зеркалами (99.9999% отражения). А это слишком непохоже на современные твердотельные устройства. Да последние и не подходят для накапливания квантовой информации в силу затруднительной изолируемости их элементарных составляющих. Так что новые технологии, скорее всего, будут кардинально отличаться от ныне существующих.

Джеральд Гилберт (Gerald Gilbert), директор группы квантовой информатики The MITRE Corporation, в докладе "Перспективы практической квантовой криптографии" отметил, что растущий в последнее время интерес к квантово-информационным процессам связан, прежде всего, с надеждой на решение вычислительных задач, трудно (или совсем не) решаемых конвенциальными средствами. Одна из таких областей - квантовая криптография, в которой предполагается создание в принципе невзламываемых криптографических ключей. Дж. Гилберт представил некоторые результаты исследований, проведенных в The MITRE Corporation, квантовых криптографических систем в беспроводных и оптоволоконных каналах "земля-земля", "земля-спутник", "воздух-спутник" и "спутник-спутник". В частности, была предложена особая квантовая криптосистема на основе нового метода высокоскоростного детектирования фотонов, которая может достигать высокой производительности в реальных разработках для различных реалистичных сред.

Льют Малеки (Lute Maleki) из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института представил доклад "Квантовые сенсоры для космических приложений". В нем обсуждается возможность создания сверхчувствительных инерциальных сенсоров на основе атомных интерферометров, в которых существенно используются квантовые (волновые) свойства атомов. Для их создания предполагается использование техники лазерного охлаждения и управления нейтральными атомами, разработанной еще в 1980-е годы. Уже созданные лабораторные образцы ротационных сенсоров и гравитационного градиометра продемонстрировали значительно более высокую производительность по сравнению с существующими приборами. В докладе рассмотрены физические принципы построения новых приборов и перспективы их применения в наземных и космических исследованиях.

Петер Цоллер (Peter Zoller) из Института теоретической физики университета Инсбрука затронул проблему "Реализации квантово-вычислительных и коммуникационных систем на основе квантовых оптических систем". Он особо подчеркнул, что квантовая оптика предоставляет уникальную возможность манипулирования изолированными атомами и фотонами и управления их взаимодействиями на одном квантовом уровне без потери когерентности. Для создания квантовых процессоров предлагается использовать технику лазерного трэппинга (захвата) атомов или ионов и управления ими посредством внешних электромагнитных полей. Таким образом, можно реализовать одно- и двух-кюбитные логические шлюзы. Физическим механизмом получения смешанного двух-кюбитного состояния может быть, например, связывание кюбитов в коллективные моды (фононные или фотонные), контролируемое взаимодействие двух тел, например, сверххолодное столкновение атомов, или использование больших дипольных моментов ридберговых уровней для получения очень сильной связи между нейтральными атомами (так называемый быстрый шлюз). В последнем случае можно манипулировать мезоскопическими атомными ансамблями вместо отдельных атомов для накопления и управления кюбитами. Также П. Цоллер обсудил новые идеи по реализации квантовой коммуникации с использованием генерирования сильно смешанных сжатых спиновых состояний на основе конденсата Бозе-Эйнштейна.

О перспективах применения квантового компьютинга в области робототехники рассказал Пол А. Биньофф (Paul A. Benioff) из Argonne National Laboratory ("Квантовые роботы"). Квантовые роботы в его подходе описываются в терминах поисковых задач с алгоритмом Гровера. Предполагается оценить, насколько удастся повысить скорость нахождения решений такими роботами по сравнению с обычными, а также показать возможности взаимодействия статичного квантового компьютера и подвижных микророботов, способных проводить, например, медицинские исследования.

Биомедицинским импликациям квантового компьютинга и воздействию достижений молекулярной биологии и генетики на развитие квантовых информационных технологий (КИТ) была посвящена целая серия докладов. Так, влиянию микробиологии на современные нанотехнологии был посвящен доклад Такузо Айда (Takuzo Aida) из Токийского университета "Навеянное биологией проектирование светопоглощающих наноматериалов". Тед Стил (Ted Steele) из The John Curtin School of Medical Research (Канберра, Австралия) предложил доклад "Ретрогенетическая обратная связь, адаптивные параллельные информационные процессы и мощные квантовые компьютеры".

Медицинским импликациям был посвящен и доклад одного из пионеров в области квантовой психо(нейро)физиологии Стюарта М.Д. Хэмероффа, который работает в кооперации с профессором математики Оксфордского университета сэром Роджером Пенроузом. Название доклада - "Квантовые вычисления в микротубулах: применение в здравоохранении и технологии". С. Хэмерофф отметил, что в соответствии с современными данными за передачу и обработку информации в живом организме ответственны так называемые микротубулы (микротрубочки) - цилиндрические полимеры белка тубулина, которые образуют внутренности живых клеток. Эти микротубулы участвуют как в классических, так и в квантовых вычислениях, которые лежат в основе психических процессов, в том числе и сознания. Доступ к информационным процессам этого уровня имел бы, по мнению С. Хэмероффа, большое терапевтическое и технологическое значение, в частности: 1) в квантовой фармакологии - для производства лекарств, которые воздействуют на протекание квантовых процессов в белках (антидепрессантов, антипсихотических и анестетических препаратов); 2) в кремниевых, нанотубулярных реализациях топологии и геометрии квантово-вычислительных процессов в микротубулах, коррекции ошибок и экранирования от воздействий окружения; 3) для объяснения болезней цитоскелета типа Альцгеймера и подобных; 4) в нанотехнологиях, основанных на микротубулярном информационном интерфейсе.

Кроме того, на конференции выступили Бахаа Е.А. Салех (Bahaa E.A. Saleh) из Бостонского университета ("Квантовое распределенное формирование изображений"), Теодор Гудсон ІІІ (Theodore Goodson, III) из Детройтского университета ("Квантовая когерентность в органических наноструктурных материалах"), Стефен Л. Сквайерз (Stephen L. Squires) "Цифровой Ренессанс: переход на базис квантовых технологий атомного масштаба для информационных систем галактического масштаба в XXI веке", Сет Ллойд (Seth Lloyd) из MIT ("Квантовая информация: прошлое и будущее"). Подробнее - на сайте www.erim.org/qas2001, тут же можно найти аудиоматериалы конференции.

Сергей САНЬКО