Квант вычисления

Нобелевская неделя-2012 в разгаре. На официальном сайте премии ежедневно появляются новые фотографии счастливчиков. Уже празднуют свою победу медики, физики и химики.

Премия по физике не досталась явным фаворитам — Чарльзу Беннету и его коллегам за работы по квантовой телепортации (так что в ближайшем будущем научиться перемещаться в пространстве подобно фантастическим героям нам не удастся), но ушла к Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду, тоже занимающимся исследованиями квантовых систем. Что это такое и зачем это нужно?

Квантовая телепортация и проекты по разработке квантовых компьютеров пересекаются между собой. И тут, и там в основе лежат законы квантовой физики. Подавляющее большинство людей очень далеки от мало-мальского их понимания — настолько эти законы сложны и нелогичны. Не справляются с квантовыми задачами и классические компьютеры.

Современные компьютеры вычисляют в двоичной системе и оперируют битами — нулями и единицами. Заполонив всё вокруг, наши компьютеры тем не менее устраивают по мощности и быстродействию не всех; поэтому ищутся альтернативные варианты, один из которых — квантовый.

Квантовые вычисления утвердились в науке в 1990-х годах. Первым обратил внимание на возможности квантовой логики венгр Иоганн фон Нейман (правда, тогда ещё не были созданы не то что квантовые, но даже классические компьютеры). Идея обрела более-менее чёткую концепцию в 1980 году в монографии Юрия Манина «Вычислимое и невычислимое». А уж мировой интерес к ней возник два года спустя после выхода статьи Ричарда Фейнмана «Моделирование физики на компьютерах».

Машины на основе квантовой логики потенциально способны работать с гораздо более высокой скоростью, чем обычные. Они производят вычисления не битами, а q-битами (кубитами). Физическим воплощением q-бита может служить атом, молекула, фотон, ион. И если то или иное положение электрона соответствует состоянию 0 или 1, то сообразно с законами квантовой физики кубит может принимать не только значения 0 и 1, но и промежуточные между ними.

Сегодняшние успехи в разработке реальных квантовых машин довольно скромны. Причина в том, что квантовое состояние частиц очень хрупкое, и вся система чрезвычайно чувствительна к воздействию окружающей среды. Бедные маленькие кубиты вынуждены работать в изоляции — в вакууме и при очень низких температурах. Например, одна из моделей квантового компьютера основана на использовании подвешенных в вакууме ионов, их изолируют с помощью электромагнитного поля и «обстреливают» лазерными импульсами.

Одна из самых интересных потенциальных возможностей будущих квантовых компьютеров — это шифрование данных. С развитием Интернета какой только информацией мы не обмениваемся в электронном виде, но абсолютную защищённость и конфиденциальность на всех этапах передачи соблюсти пока невозможно. А вот квантовая связь позволит обеспечить защищенное соединение всех желающих друг с другом. Есть несколько организаций, ведущих активные исследования в области квантовой криптографии: IBM, GAP-Optique, Национальная лаборатория в Лос-Аламосе, Калифорнийский технологический институт. Но, как и положено настоящим шифровальщикам, практические достижения они пока не слишком афишируют.

Что ещё может быть квантовым? Например, дисплеи на квантовых точках. Квантовые точки — это нанокристаллы, которые светятся, когда подвергаются воздействию тока или освещения и излучают различные цвета в зависимости от их размера и материала, из которого они изготовлены. Дисплеи на квантовых точках потребляют в несколько раз меньше энергии по сравнению с жидкокристаллическими.

Если представить, как мог бы выглядеть будущий квантовый компьютер, то картина получится не вполне ясной. Но он обещает создание интеллектуальных систем, реагирующих на наши импульсы и пожелания.

А вообще, полная замена классических полупроводниковых устройств на квантовые вряд ли произойдёт. И тем, и другим найдётся работа по силам.