История развития компьютерной техники представляет собой постоянно сменяющие друг друга физические способы реализации логических алгоритмов - от механических устройств к ламповым, затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам. На сегодняшний день разрешение современных литографических технологий изготовления интегральных схем достигает уже нанометровых размеров. Однако прогресс не стоит на месте, и с течением времени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем, принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров на основе интегральных схем. Пожалуй, самым перспективным и многообещающим является создание так называемых квантовых компьютеров, работающих по законам квантовой механики.

История развития квантовых компьютеров началась 18 лет назад. В 1982 году физик Ричард Фейнман предложил использовать законы квантовой механики для создания принципиально новых вычислительных устройств. Однако на его идеи мало кто обращал внимание, пока в 1985 году Давид Дойч не написал теоретическую работу по основам квантовой логики. Именно этот год и стал считаться началом развития квантовых информационных технологий. Предложенная в работе Давида Дойча принципиально новая компьютерная логика, возможно, позволит создать совершенно новую компьютерную технологию, которая в будущем может совершить огромный прорыв в области обработки информации. Основными элементами новых компьютеров станут простые атомы, а связь между ними будет устанавливаться по законам квантовой механики.

Основным элементом информации в обычных компьютерах является всем хорошо известный бит, который может находиться в двух состояниях - либо 0, либо 1. Однако атом (как и любая квантовая система) может находиться не только в конкретном определенном состоянии 0 или 1, он способен образовывать когерентную сумму (суперпозицию) этих двух состояний. Это значит, что атом одновременно может быть в состоянии 0 и в состоянии 1. То есть атомная информационная ячейка является суммой двух (в общем случае нескольких) различных состояний (например, электронных уровней), которые мы уже обозначили 0 и 1, то есть, если говорить в целом, квантовой двухуровневой системой, называемой квантовым битом или кубитом (qubit = quantum bit). Этот кубит в любой момент времени находится в состоянии 1 и в состоянии 0.

Теперь перейдем к регистрам, то есть к набору битов. В обычном, классическом, регистре, состоящем из трех битов, можно закодировать одну из восьми возможных конфигураций (например, 001, 010 и т.д.). Квантовый же регистр, состоящий из трех кубитов, одновременно содержит суперпозицию (комбинацию) всех восьми конфигураций. При добавлении в регистр еще нескольких кубитов его емкость увеличивается экспоненциально: три кубита - 2³ конфигураций, четыре - 2⁴, n - 2ⁿ конфигураций. Причем, операции в квантовом компьютере проводятся сразу со всем набором чисел, хранимом в регистре кубитов. В результате мы получаем распараллеливание вычислений при каждой операции квантового компьютера. Это означает, что при взаимодействии с излучением лазера (один из способов активации операций над атомными кубитами) в квантовом компьютере происходит математическая операция с 2ⁿ количеством чисел, закодированных в когерентных комбинациях n кубитов. Обычный же компьютер для получения такого же результата должен провести 2ⁿ раз или использовать 2ⁿ параллельно работающих процессоров. Также можно добавить, что при линейном наращивании мощности квантового компьютера мощность обычных должна возрастать по экспоненциальному закону. Громадная разница в быстродействии и объеме памяти у квантовых компьютеров, по сравнению с их обычными собратьями, является основным и очень заманчивым преимуществом.

Однако на практике все не так просто. Хотя уже открыты законы квантовой логики и разработаны алгоритмы работы квантовых компьютеров, однако до их практической реализации еще очень далеко. В принципе, ученым уже известно, как построить квантовый компьютер. Для этого необходимо объединить элементарные квантовые ячейки (они же кубиты или атомы) в квантовые цепи. Но тут-то и возникают основные практические трудности. Кроме уже преодоленных проблем, связанных с атомными размерами, существует задача изоляции квантовых композиций (суперпозиций кубитов) от воздействия внешнего окружения. Если кубиты начинают взаимодействовать не только друг с другом, но и с окружением, то начинается процесс потери информации - так называемая дискогеренция. Эксперименты, проводимые в настоящее время в ведущих лабораториях, связаны с исследованиями возможностей контролировать квантовые процессы в когерентных суперпозициях, не производя при этом разрушительного дискогерентного воздействия.

Ученые из США предложили два возможных варианта решения этой проблемы. В первом случае отдельные атомы изолируются в кавернах поверхности сверхпроводника, и информационные процессы внутри их управляются лазерным лучом. Во втором же, более перспективном варианте атомы встраиваются в каркас органических молекул. В разработке квантовых компьютеров дальше всех продвинулась группа Исаака Чанга из IBM. Они на сегодняшний день являются мировыми лидерами среди создателей квантовых компьютеров. В 1998 году Чанг с сотрудниками продемонстрировали 2-х кубитный квантовый компьютер, в 1999 - 3-х кубитный. В 2000 году им удалось собрать в единую связанную систему внутри одной органической молекулы пять кубитов - пять атомов фтора, являющихся одновременно микропроцессором и памятью. Использование органической молекулы позволило полностью изолировать систему кубитов от внешнего воздействия и сблизить атомы фтора на расстояние, достаточное для когерентного взаимодействия между ядерными спинами. Управление кубитами осуществляется лазером, работающим в радиочастотной области излучения, а их состояние считывается стандартным ЯМР (ядерный магнитный резонанс) спектрометром, широко применяющимся в больницах и химических лабораториях. Однако для осуществления на квантовом компьютере каких-либо математических операций необходимо связать между собой, как минимум, 10-12 кубитов. Исследователи из IBM в сотрудничестве с научно-техническим центром в Лос-Аламосе планируют достичь этого результата уже через два года.

Как уже мог понять уважаемый читатель, разработка квантовых компьютеров - дело очень дорогое и трудное, но в то же время весьма перспективное. IBM, судя по своим амбициям, планирует начать коммерческое производство квантовых компьютеров в 2020 году, когда, по их мнению, полупроводниковая технология достигнет своих пределов. Однако только время может сказать, какие новые системы заменят полупроводниковые интегральные схемы.

Дмитрий ЩУКИН