В последние годы сотни ученых в десятках лабораториях мира ищут пути для реализации наиболее эффективного и практически значимого квантового вычислительного процесса. Пока наибольшие надежды связываются с двумя технологиями: лазерным треппингом (захватом) и сверхохлаждением ионов до образования конденсата Бозе-Эйнштейна и управлением квантовыми состояниями частиц материи с помощью техники ядерного магнитного резонанса. Однако обе технологии, кроме некоторых внутренних, имеют еще и то ограничение, что в силу взаимодействия электронов или ионов с окружением когерентное состояние, необходимое для реализации квантового вычисления, быстро разрушается (явление декогерентности). Поэтому в ряде лабораторий прорабатываются и иные сценарии, в которых когерентные состояния сохранялись бы достаточно долго.

Как альтернативу, предлагается, в частности, использовать в качестве "рабочего тела" квантового процессора не электроны или ионы, а фотоны, поскольку последние не так легко откликаются на воздействие среды. Препятствием служило до сих пор то, что фотоны могут обрабатывать информацию, только если какие-либо два из них приведены во взаимодействие. Задачу, похоже, удалось решить Такахиро Куга (Takahiro Kuga) с коллегами из Токийского университета. В предложенном ими устройстве информация, записанная в состоянии одного фотона, переключается, например, с 0 на 1, в зависимости от состояния второго (связанного с ним) фотона. По мнению Куга, объединение нескольких таких логических элементов было бы достаточным для проведения простых квантовых вычислений. Правда, необъясненным пока остается то, что фотонные логические элементы находятся в рабочем состоянии только четверть ожидаемого времени.

Иным способом решили использовать обычный свет исследователи из Рочестерского университета под руководством Йена Э. Уолмсли (Ian A. Walmsley), продемонстрировав, что с его помощью можно реализовать что-то вроде псевдо-квантового вычислительного процесса, характерного для определенного класса задач, в данном случае - поиска в 50-элементной базе данных. Известно, что обычный компьютер для полного поиска в такой базе данных должен обратиться к ней шестикратно. В 1997 г. Лов К. Гровер (Lov K. Grover) из Bell Labs доказал, что для квантового компьютера будет достаточно однократного обращения, причем независимо от величины самой базы данных.

Интересно, что ученые решили поэксплуатировать тут даже не квантовые, а обычные волновые свойства света. Основа экспериментальной установки - интерферометр, расщепляющий исходный световой пучок на два и направляющий каждый из них по своему пути. Один из них выполняет роль опорного пучка (как в голографии). Второй же проходит через дифракционную решетку, расщепляется в 50-полосный спектр и направляется в акустико-оптический модулятор, который и выполняет роль базы данных. Модулятор сдвигает фазу только у одной из 50 полос спектра, которая и соответствует искомому элементу. Далее интерференция с опорным пучком приводит к подавлению не сдвинутых по фазе полос, и результат считывается спектрометром.

Результат, безусловно, интересный, но данная методика неприменима уже для решения задач быстрой факторизации многозначных чисел, необходимой в криптографии. Для этого необходимо задействовать все же и квантовые свойства фотонов, в частности, эффект сцепления квантовых состояний. Экспериментальная схема была продемонстрирована в январе Именюэлом Г. Ниллом (Emanuel H. Knill), Рэймондом Лэфлэммом (Raymond Laflamme, создатель первого в мире 7-кюбитного квантового компьютера) - оба из национальной лаборатории Лос Аламоса - и Джерардом Дж. Милберном (Gerard J. Milburn) из Квинслендского университета Австралии. Фотонный квантово-вычислительный процесс им удалось реализовать при линейном увеличении количества управляющих оптических элементов вместо экспоненциального, как это требовалось теорией, что существенно с точки зрения практических применений.

Сергей САНЬКО

При подготовке статьи были использованы материалы журналов "Scientific American" и "New Scientist".