В основе действия обычных компьютеров лежит так называемая булева алгебра, основные операции которой - AND, OR и NOT. В частности, важное значение имеет операция логического NOT, которая преобразует входные 0 и 1 в выходные 1 и 0, соответственно. В случае квантовых вычислений ситуация более сложная. В силу известного принципа суперпозиции, когда система находится в состоянии, представляющем 0 и 1 одновременно, создание непосредственного аналога классического NOT-гейта в общем случае невозможно. И все же недавно интернациональному коллективу ученых из Италии, Словакии и Ирландии удалось экспериментально реализовать оптимальное квантовое приближение этой операции, о чем сообщил журнал Nature (Vol. 419, 815-818, 24.10.2002).

Чтобы реализовать чисто квантовую NOT-операцию, необходимо преобразовать входной кюбит (представляемый, например, точкой на сфере Пуанкаре) в ортогональное состояние (представляемое диаметрально противоположной точкой). Однако для этого требуется точно знать само входное состояние, что невозможно, поскольку любое измерение разрушает исходную суперпозицию, часть информации теряется, и найти диаметрально противоположную точку на сфере Пуанкаре нельзя.

Группе Де Мартини удалось обойти эту трудность. Для преобразования входного неизвестного (а значит, любого) состояния они использовали технику оптического параметрического усиления, а информацию кодировали с помощью состояний поляризации фотонов. Суть этой техники следующая. Фотон, проходя через оптически накачанный нелинейный кристалл (в частности, борат бария), вызывает испускание двух дополнительных фотонов, движущихся в противоположных направлениях. При этом один из них оказывается приближенной копией исходного фотона, а поляризация второго в точности противоположна поляризации первого. Эффективность такого универсального квантового NOT-гейта составила 63% (при максимальной теоретической оценке - 66,6%). Такая методика, кроме того, дает возможность исследования универсального квантового клонирования.

Важность результата заключается в том, что до сих пор ученым удавалось записывать информацию в кюбит, передавать ее и считывать обратно, но преобразовывать ее не могли. Группе Де Мартини удалось выполнить простейшую логическую операцию над кюбитом, что очень важно для дальнейшего прогресса в области квантовых вычислений.

Сергей САНЬКО,
q-n-q@kv.by

Глоссарий

Булева алгебра (Boolean algebra). Алгебра, в которой все переменные могут принимать только два значения: "истина" и "ложь", а операторами являются NOT, AND, OR, NAND (not AND), NOR (not OR), XOR (exclusive OR) и XNOR (exclusive not OR). Названа в честь создателя, математика Джорджа Буля (George Boole, 1815-1864), который открыл ее в 1857 г. NOT преобразует значение "истина" в значение "ложь" и наоборот. Для переменных А и В выражение А AND В истинно, если истинны А и В; А OR В истинно, если истинно или А, или В; А NAND В истинно, если одна из двух или обе переменные имеют значение "ложь"; А NOR В истинно, если обе переменные имеют значение "ложь"; А XOR В истинно, если одна из переменных, но не обе сразу, имеют значение "истина"; А XNOR В истинно, если каждая из переменных может иметь значение или "истина", или "ложь". Булева алгебра имеет большое значение в реализации вычислительных алгоритмов, поскольку значениям "истина" и "ложь" соответствуют 1 и 0 двоичной системы счисления - основы представления и обработки информации в обычных (цифровых) вычислительных устройствах.

Логический гейт (logic gate). В русскоязычной литературе более употребительны выражения "логический вентиль" или "логический элемент". Л.г. представляет собой электронный переключатель, который на выходе дает результат булевой операции над входными сигналами. В вычислительной технике Л.г. - это одна из основных электронных схем, из которых строится цифровое вычислительное устройство (компьютер). В настоящее время Л.г. создается на основе интегральных схем (ИС). Сложные ИС, например, микропроцессоры, могут содержать тысячи Л.г.

В силу небулевого характера квантовых логических элементов (они реализуют алгебру фон Неймана), а также того, что в квантовой информатике операции могут осуществляться не только над кюбитами (квантовыми аналогами битов), но и над кютритами, кюнитами (qu-nits) или кюдитами (qu-dits), где n или d - размерность используемого Гильбертова пространства состояний, и даже над состояниями непрерывных переменных, и просто потому, что "вентиль" и "элемент" не более русские слова, чем "гейт", представляется целесообразным для квантовых вычислений сохранить термин именно "гейт".

Сергей САНЬКО