Файл: деп_тукс_10_11.doc

Сейчас ситуация стала меняться. В последние годы «квантовая гонка» набирает обороты и в разработке периферийных устройств, а также способов обмена квантовой информацией между удаленными объектами. Что касается экспериментов с квантовой памятью, то в 2004 году европейские ученые из Дании, Бельгии, Германии, Чехии сообщили (Julsgaard B., Sherson J., Cirac J. I., Fiurasek J. A. and Polzik E. S. Experimental demonstration of quantum memory for light, Nature 432, 482, 2004), что они смогли реализовать работу квантовой памяти на сравнительно простой установке, тогда как раньше эксперименты проводились на сложном оборудовании.

Постоянно предлагаются все более совершенные схемы для хранения и восстановления квантовой информации. Есть интересные эксперименты в смежных областях. Они пока не связаны напрямую с хранением квантовой информации, но задействованные в них механизмы вполне могут быть использованы в квантовом компьютинге. Красивый эксперимент проведен совсем недавно немецкими учеными (Störzer M., Gross P., Aegerter C. M. and Maret G. Phys. Rev. Lett. 96, 063904 (2006); http://arxiv.org/abs/cond-mat/0511284; http://elementy.ru/news/430125). Им удалось продемонстрировать удивительный эффект, когда свет, идущий сквозь среду с неоднородным показателем преломления, надолго в ней «застревает», попадая на замкнутые орбиты.

Рис. 7.3. «Застревание» света в неоднородной среде.

Этот эффект связан с диффузией света. Обычно речь идет о диффузии частиц, но прохождение волн через среду также можно рассматривать как диффузию. У света, как у волны, есть специфическая особенность — интерференция, за счет которой диффузия может измениться. Свет может «сбиться с дороги» и надолго застрять внутри среды, крутясь по замкнутым орбитам в поисках выхода.

Если пустить луч света сквозь среду с беспорядочно распределенным коэффициентом преломления, то отдельные кванты света, фотоны, будут хаотично отражаться и преломляться в поисках выхода, то есть будет происходить диффузия света. Чтобы заметить описанный выше эффект, надо приготовить такую среду, в которой распределение коэффициента преломления было бы как можно более хаотичным (иными словами, чтобы длина свободного пробега от столкновения до столкновения не превышала длины волны света), но чтобы при этом не было поглощения. Именно это и смогли сделать немецкие физики. Они выяснили, что для изучения диффузии фотонов прекрасно подходит пигмент, использующийся во многих доступных в продаже белых красках. Этот пигмент состоит из микроскопических частичек TiO₂ (диоксида титана) и в целом действует на свет как среда практически без поглощения, но с высоким и беспорядочно распределенным в пространстве коэффициентом преломления.

Эксперимент заключался в следующем: на спрессованный образец пигмента падал короткий импульс света, а затем отслеживалось, на какое время свет «застревает» в этом материале. Для крупнозернистых образцов распределение времен диффузии достаточно хорошо описывалось формулой для диффузии частиц. Однако, исследуя самый мелкозернистый образец, экспериментаторы заметили, что небольшая доля всех фотонов выходила из образца спустя необычно долгое время.

Авторы провели серию проверочных экспериментов и доказали, что этот эффект может быть связан только с влиянием интерференции на диффузию волн. Эти запоздавшие фотоны долго крутились внутри образца по замкнутым орбитам, прежде чем выйти из среды. Как предполагают ученые, если теперь изготовить вещество с еще более мелкими зернами диоксида титана, то, возможно, удастся достичь и эффекта полной локализации, при котором фотоны уже не выходят наружу.

««Виртуальная шина», по которой курсируют биты информации, может стать краеугольным камнем в архитектуре квантовых компьютеров», - заявляют ученые из американского Национального Института стандартов и технологий (http://www.relcom.ru/Right?id=20030117161000).

Несколько авторов описали базовые требования для построения масштабируемых квантовых компьютеров, включая необходимость взаимодействия произвольных пар кубитов. Отработка четкого механизма этого взаимодействия является, однако, нерешенной проблемой. Их подход состоит в том, чтобы делить физические кубиты на статические зоны, сохраняющие квантовую память, и динамическую шину для кубитной связи зон. Как известно, основы современной архитектуры ПК были заложены в работах венгерского математика фон Неймана в 1945 году. Классическая модель состоит из 4 основных компонентов: памяти, системы ввода/вывода, логического блока и блока управления; для их связи используются физические шины, по которым пересылаются биты информации от одного модуля к другому. В отличие от физической, предлагаемая квантовая шина, как отмечает эксперт Национальной лаборатории в Лос-Аламосе М. Нилл, является «виртуальной, которую лучше представлять как виртуальную локальную сеть соединений для масштабной параллельной архитектуры квантовых компьютеров». Кубиты памяти должны взаимодействовать друг с другом, а также с блоками логики, управления и ввода/вывода. Для облегчения связи другие ученые предлагают вместо квантовой шины «летающие» кубиты, парящие внутри компьютера и сближающиеся для обмена информацией. Модель превращения материальных кубитов в «летающие», являющиеся чаще всего фотонами, может быть еще одним возможным решением проблемы. Однако, разработка необходимого соединения между веществом и фотонами, или стационарными и «летающими» кубитами, сопряжена со многими трудностями. Концепция шины обходится без сцепки между «летающими» и стационарными кубитами. Как отмечает Нилл, исследования квантовых шин важны потому, что квантовые компьютеры в обозримом будущем должны обладать масштабируемым параллелизмом. И далее подчеркивает: «В будущем физическое или виртуальное соединение будет необходимо для всех архитектур квантового компьютера».

В последнее время экспериментаторы начали восполнять этот пробел и интенсивно работают над квантовой шиной. «Летающие» кубиты стали объектом исследований во многих физических лабораториях. В 2004–2005 годах только в одном Nature публикации с результатами экспериментальных работ в этом направлении составляли уже довольно внушительный список, в который нужно добавить все работы по квантовой памяти, поскольку процессы хранения и передачи квантовой информации неразрывно связаны.

В статьях говорилось о методике создания запутанного состояния между двумя пространственно разнесенными объектами. Ее авторы сообщали о запутывании двух систем, состоящих из порядка 10⁵ атомов, удаленных друг от друга на 2,8 м. В других статьях описывался реализованный на практике процесс передачи квантовой информации от одного атомного ансамбля к другому посредством фотонных кубитов. Причем исследователи осуществили всю цепочку операций, необходимых для устойчивой квантовой связи. А именно — управляемую генерацию единичного фотона в одном узле (в ансамбле атомов рубидия); пересылку по оптоволокну на 100 м к другому узлу, где квантовая информация некоторое время хранилась в коллективном нелокальном состоянии, а затем она была вновь восстановлена в виде фотона без существенной потери квантовой информации. По существу была создана примитивная квантовая сеть между двумя разнесенными узлами. Предполагается, что такие квантовые сети постепенно придут на смену классическим. Информация, которую мы получаем сейчас по Интернету, доходит до нас по оптическим волокнам закодированной в сантиметровые лазерные импульсы. Все идет к тому, что эту информацию вскоре научатся передавать не в виде обычных битов, а в квантовой форме — посредством кубитов. Таким образом, физики продемонстрировали возможность телепортации состояния на длинные расстояния, и, следовательно, квантовые сети посредством телепортации могут связать нелокальными корреляциями удаленные узлы в единое целое.

В начале 2006 года были опубликованы две статьи об экспериментальных работах, продолжающих эти исследования ( Volz J., Weber M., Schlenk D., Rosenfeld W., Vrana J., Saucke K., Kurtsiefer C. and Weinfurter H. Phys. Rev. Lett. 96, 030404,2006; Matsukevich D. N., Chaneliere T., Jenkins S. D., Lan S.-Y., Kennedy T. A. B., and Kuzmich A. Phys. Rev. Lett. 96, 030405, 2006). Но в них основной упор делается уже на технические детали — такие, как выбор оптимальной длины волны единичных фотонов, подходящей для коммуникации на больших расстояниях: в первой работе использовалась длина волны 1,5 микрон, во второй 0,78 микрон.

Таким образом, «летающие» или курсирующие по оптоволокну кубиты постепенно становятся обыденной реальностью, и их создание уже не считается большим научным достижением.

В этой области делаются также первые шаги к промышленным технологиям. Ученые из Кембриджа (Великобритания) (Stevenson R. M., Young R. J., Atkinson P., Cooper K., Ritchie D. A. and Shields A. J. Nature 439, 179, 2006) )экспериментально продемонстрировали возможность получения запутанных фотонных пар при помощи простых полупроводниковых светодиодов. Эти запутанные пары могут применяться, в том числе, и в схемах квантовой коммуникации, курсируя по квантовым шинам и связывая нелокальными корреляциями отдельные узлы. Как пишут авторы, такая генерация запутанных пар «по требованию» обладает существенными преимуществами перед другими способами их получения и может найти широкое применение в различных квантово-информационных устройствах.

По мнению многих ученых, работающих в области квантового компьютинга, результаты научных разработок приблизятся к стадии коммерческого применения примерно к 2020 году. К этому же времени будет достигнут предел в существующей полупроводниковой технологии, поскольку уже сейчас дорожки, по которым внутри процессоров распространяется электрический сигнал, имеют ширину, составляющую сотни атомов. Дальнейшее их сужение возможно лишь до определенного предела. Уже сейчас начинают появляться фирмы, которые, ориентируясь на перспективу, планируют связать свою основную деятельность с квантовым компьютингом.

К настоящему времени уже появились первые языки программирования для квантового компьютера, в частности, QCL (Quantum Computation Language). Как пишут разработчики языка, квантовые вычисления сейчас все еще рассматривают как специальную дисциплину в рамках теоретической физики, несмотря на то, что она имеет много общего с классической информатикой. Одна из причин того, что сообщество программистов медленно принимает квантовые вычисления — запутывающее разнообразие формализма (дираковские обозначения, матрицы плотности, операторы и т. д.). Все эти теоретические инструменты не имеют ничего общего с классическими языками программирования, а изложение самих основ квантовых вычислений часто слишком усложнено. В результате программисты испытывают трудности при моделировании квантовых логических операций знакомыми им средствами. QCL пытается восполнить этот пробел: это архитектурно независимый язык программирования высокого уровня для квантовых компьютеров с синтаксисом, заимствованным от таких классических языков, как C или Паскаль. Этот синтез теории квантовых вычислений и обычных языков программирования обеспечивает моделирование и полное выполнение квантовых алгоритмов (включая классические компоненты) в одном совместимом формализме.

Машина Тьюринга получила свое название по имени английского математика Алана Тьюринга, предложившего в середине 30-х годов ХХ века способ формального задания алгоритмов с помощью абстрактной (воображаемой) вычислительной машины. Эта машина представляет собой простейшую модель вычислительной машины с линейной памятью, которая, согласно формальным правилам, преобразует входные данные в выходные с помощью последовательности элементарных логических операций. Несмотря на простоту машины Тьюринга, на ней можно имитировать любую программу для обычных компьютеров. По аналогии с классической машиной Тьюринга, в квантовых вычислениях рассматривается квантовая машина Тьюринга. Классическая (булева) логика обобщается квантовыми гейтами, а квантовым унитарным операторам ставятся в соответствие частично рекурсивные функции.

Очевидно, что моделирование квантового компьютера на традиционном классическом компьютере — неразрешимая проблема. Требуемые ресурсы растут по экспоненте с количеством квантовых регистров памяти при моделировании. Операции даже с несколькими десятками кубитов выходят за пределы возможностей любого самого мощного суперкомпьютера, а добавление одного нового кубита каждый раз удваивает необходимые ресурсы. Поэтому естественно, что на QCL можно пока программировать только очень «маленькие» квантовые компьютеры. Но и этого достаточно, чтобы апробировать основные алгоритмы квантовых вычислений и отработать их прежде, чем появится возможность их применения на полноценных квантовых компьютерах.

Первый квантовый компьютер будет, вероятно, состоять из некоего экзотического «железа», которое хранит квантовые состояния и манипулирует ими. Его «жизнь» станут поддерживать аппаратные средства окружения, которые обеспечат его работоспособность и дадут пользователю разумный интерфейс для «общения» и программирования в некой среде. QCL моделирует такую программную среду, предоставляя классической программной структуре квантовые типы данных и специальные функции, позволяющие выполнить операции над ними.

В квантовом программировании уже развиваются и отдельные направления, например, работа со звуковыми сигналами. Дж. Ли, а также его коллеги Д. и А. Шепелянские утверждают, что «классические методы анализа аудио не применимы к квантовым сигналам». И подчеркивают при этом: «На данном этапе очень важно найти метод, который удовлетворял бы новым требованиям квантовой компьютерной техники».