Компанию IBM и ее вклад в развитие современных технологий специально представлять не надо. Поэтому ниже речь пойдет о ее исследовательском подразделении IBM Research (www.research.ibm.com). И не вообще (только перечень основных направлений исследований занял бы слишком много места), а о его внушительном вкладе в развитие квантовой теории информации. IBM Research тут есть чем гордиться, так как в этом подразделении собрана целая плеяда замечательных ученых, работы которых считаются уже классическими в данной области.

В состав подразделения входит восемь исследовательских центров, расположенных по всему миру. Квантовой информатикой занимаются два: Almaden Research Center (Сан-Хосе, Калифорния: www.almaden.ibm.com/almaden) и Thomas J. Watson Research Center (штаты Нью-Йорк и Массачусетс: www.watson.ibm.com).

Расположенный непосредственно в Кремниевой долине Исследовательский центр в Алмадене - это старейший из восьми центров IBM, основанный еще в 1955 году. В штате 400 человек.

Уотсоновский исследовательский центр был основан немного позднее - в 1961 году. Но сегодня это крупнейший центр IBM, расположенный в нескольких местах (Йорктауне, Хоторне и Кембридже). В Центре занято 1790 сотрудников.

Развернутые тут еще в 70-е годы исследования по зависимости процесса вычисления от физических (энергетических) характеристик самой вычислительной системы в значительной степени подготовили будущий прогресс в области квантовой информатики. В настоящее время исследования ведутся по нескольким главным направлениям: квантовая криптография, квантовая телепортация и квантовые вычисления. И везде были получены результаты, ставшие классическими. В Уотсоновской лаборатории в Йорктауне работают такие известные ученые, как Чарльз Беннетт, Дэвид ДиВинченцо, Джон Смолин, Гвидо Буркард и некоторые другие.

Значительный прогресс в области квантовой информатики связан с именем сотрудника Уотсоновской лаборатории в Йорктауне Чарльза Г. Беннетта (Charles H. Bennett: www.research.ibm.com/people/b/bennetc/home.html), 60-летие которого было отмечено международным симпозиумом (www.research.ibm.com/quantuminfo/chb.html), собравшим многих светил квантовой информатики. В 1983 году он показал, что в силу особенностей квантовомеханических систем возможно осуществление полностью безопасной (секретной) коммуникации даже по обычным каналам типа оптоволоконных. В настоящее время исследования по квантовой криптографии уже перешли в стадию промышленного внедрения.

С именем Беннетта связан и другой классический результат. В 1993 году международный коллектив из шести ученых, в состав которого входил и Беннетт, теоретически доказал, что фантастическая телепортация возможна в принципе, но при условии, что оригинал полностью уничтожается (www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/teleportation.ps). В 1997 году группа Антона Цайлингера экспериментально подтвердила такую возможность.

Но понятно, что для такой компании, как IBM, теоретические разработки имеют далеко не только академический интерес. Главное - это превращение их в технологии, которые, возможно, только через десятилетия будут определять уровень развития цивилизации. Поэтому в исследовательских центрах ведется интенсивная работа по экспериментальной реализации как криптографических систем, так и действующих прототипов квантовых компьютеров будущего.

Одна из схем квантового компьютера, отрабатываемых в лабораториях компании, основывается на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это связано с тем, что единичные молекулы, ядерные спины отдельных атомов которых представляют квантовые биты (кюбиты), являются почти идеальными физическими системами для создания квантового компьютера. Использование ЯМР-техники в сочетании с радиочастотной накачкой позволяет инициализировать эти кюбиты, произвести над ними необходимые преобразования и измерить результат, т.е. произвести процесс обработки квантовой информации.

В реализации простейших квантовых вычислений с использованием ЯМР-техники важные результаты принадлежат Айзеку Чуаню (Isaak Chuang) и его коллегам. Сам Чуань до недавнего времени был сотрудником Исследовательского центра в Алмадене (теперь профессор Массачусетского технологического института). Именно по этой схеме в 1997 году впервые был реализован квантовый логический гейт (вентиль), а это уже экспериментальное доказательство принципиальной возможности квантовых вычислений. Затем в 1998 году по этой схеме был реализован алгоритм Гловера быстрого поиска по массиву данных. И именно на квантовых компьютерах такого типа в 2001 году впервые по квантовому алгоритму Шора была произведена факторизация (разложение на простые множители) числа 15 ("КВ" №52'2001). Публикации Чуаня доступны для скачивания по адресу: feynman.media.mit.edu/ike/homepage/papers.php.

Развивается в IBM и направление, основанное на идее осуществления квантовых логических операций путем манипулирования единичными изолированными ионами. Ионы удерживаются в сверхвысоком вакууме посредством электромагнитных полей. Таким образом удается изолировать ионы от окружения, которое вызывает быструю потерю когерентности (декогеренцию), как известно, являющуюся одним из главных препятствий для создания полнофункционального квантового компьютера. С помощью лазера ионы (в частности, ионы бария) охлаждаются до температур в микрокельвины, с их же помощью информация записывается и считывается на каждом ионе.

Однако, несмотря на перспективность продвижения в отмеченных двух направлениях, молекулярные и ионные квантовые компьютеры в любом случае будут скорее напоминать большие лабораторные установки, чем те устройства, которые мы привыкли уже считать компьютерами. Поэтому во всем мире ведутся интенсивные исследования возможностей создания твердотельных квантовых компьютеров. Не остаются в стороне от этой тенденции и ученые из IBM. Здесь созданием твердотельного квантового компьютера занимаются Дэвид Ди Винченцо, Гвидо Буркард и другие.

Дэвид Ди Винченцо с коллегами работают над схемой, в которой кюбиты представляются спиновыми состояниями индивидуальных электронов, захваченных так называемыми квантовыми точками. Основные гейты реализуются посредством изменения высоты электростатического барьера между квантовыми точками. Предполагается, что в полупроводниках с квантовыми точками время декогеренции может быть достаточно большим для выполнения вычислений. Линки на работы группы Ди Винченцо находятся на www.research.ibm.com/ss_computing/ss_quantum_comp.html.

В IBM Research отрабатываются и другие направления. Можно не сомневаться, что в случае успеха новые технологии и продукты IBM не заставят себя долго ждать.

Сергей САНЬКО,
[email protected]