Каталог :: Программирование и комп-ры

Реферат: Квантовые компьютеры

                   Псковский Политехнический Институт Сп-бГТУ                   
                                                                   Кафедра “ЭСА”
                                     Реферат                                     
                             “Квантовые компьютеры”                             
                                                 Выполнил: Сосницкий А.А.  24-72
                              Проверил: Хитров А.И.                              
                                      ПСКОВ                                      
                                      2002                                      
     
     
                               Оглавление.                               
     
     
     Введение. 3
     Не много истории. 4
     Термины и понятия. 6
     Вычислительная машина. 8
     Применение. 9
     Современные разработки. 12
     Литература. 14
     
         
      

Введение.

Ричард Фейнман заметил, что определённые квантово-механические процессы нельзя эф­фективно моделировать на классическом компьютере. Это наблюдение привело к более общему утверждению, что для проведения вычислений квантовые процессы являются более эффективными, чем классические. Данное предположение было подтверждено Пи­тером Шором, который разработал квантовый алгоритм разложения целых чисел на прос­тые множители за полиномиальное время. В квантовых системах пространство вычислений экспоненциально возрастает с раз­мером системы, что и делает возможным экспоненциальный параллелизм. Данный параллелизм может привести к квантовым алгоритмам, которые экспоненциально быстрее классических. Доступ к результатам квантовых вычислений требует проведения процес­са измерения и является непростым. Для всего этого требуются новые нетрадиционные методы программирования. В данной работе не приводится разъяснение физических глубин квантово- механических процессов и не стоит цель объяснить ход процессов. Напротив, цель работы в общих чертах показать сущность квантовых процессов, а точнее применение их на практике в квантовых вычислительных устройствах, а так же преимущества и сферы их использования.

Не много истории.

Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислительных устройств. В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам. По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана (СН4). Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной(!). И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. И. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог. Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейнман. Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз. И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел (о важности этой задачи уже шла речь во введении). По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений. В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.) Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума. Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок. Для решения задач в программировании важно понять эти подходы, т.к. они могут радикально изменить их мнение о вычислениях, про­граммировании и сложности. Вообще-то, время, которое необходимо для осуществления определённых вы­числений, можно уменьшить, используя параллельные процессоры. Чтобы до­стичь экспоненциального уменьшения времени, требуется экспоненциально уве­личить число процессоров, а, следовательно, и объём физического пространства. Тогда как в квантовой системе для экспоненциального уменьшения времени, тре­буется лишь линейное увеличение объёма необходимого физического простран­ства. Это явление связано непосредственно с квантовым параллелизмом [Дойч и Джоша 1992]. Существует ещё одна важная особенность. Пока квантовая система выпол­няет вычисления, доступ к результатам ограничен. Процесс доступа к резуль­татам — есть процесс измерения, который возмущает квантовое состояние, ис­кажая его. Может показаться, что здесь ситуация ещё хуже, чем с классичес­кими вычислениями. Получается, что мы можем только считать результат вы­полнения одного из параллельных процессов, а поскольку измерение является вероятностным, то мы даже не можем выбирать, результат какого процесса мы получим. Но за прошедшие несколько лет люди обнаружили нестандартные пути ис­кусного решения задачи измерения, чтобы использовать преимущества кванто­вого параллелизма. Манипуляции подобного рода не имеют аналогов в классичес­кой теории и требуют применения нетрадиционных приемов программирования. Один из таких приёмов заключается в управлении квантовым состоянием та­ким образом, чтобы могло быть считано общее свойство всех результирующих значений, такое как симметричность или период функции. Подобный техника используется в алгоритме разложения на множители Шора. При другом подходе квантовые состояния преобразуются так, чтобы увеличить вероятность считы­вания интересующего нас результата вычислений. Этот приём используется в поисковом алгоритме Гровера.

Термины и понятия.

Для понимания законов квантового мира не следует прямо опираться на повседневный опыт. Обычным образом (в житейском понимании) квантовые частицы ведут себя лишь в том случае, если мы постоянно "подглядываем" за ними, или, говоря более строго, постоянно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам "отвернуться" (прекратить наблюдение), как квантовые частицы тут же переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных ипостасей. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей и т. д. Это не означает, что он делится на дольки, как апельсин. Тогда можно было бы надежно изолировать какую-нибудь часть электрона и измерить ее заряд или массу. Но опыт показывает, что после измерения электрон всегда оказывается "целым и невредимым" в одной единственной точке, несмотря на то, что до этого он успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называют суперпозицией квантовых состояний и описывают обычно волновой функцией Psi, введенной в 1926 году немецким физиком Э. Шредингером. Модуль значения волновой функции в любой точке, возведенный в квадрат, определяет вероятность найти частицу в этой точке в данный момент. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается (коллапсирует) в ту точку, где частица была обнаружена, а затем опять начинает расплываться. Свойство квантовых частиц быть одновременно во многих состояниях, называемое квантовым параллелизмом, успешно используется в квантовых вычислениях. Квантовый бит. Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или, сокращенно, кубит (q-бит). Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1 или, как принято в квантовой механике. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т.п. Квантовый регистр Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в классическом регистре). К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2L-1 и обозначать 0,1,2,3, ... 2L -1. Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных значений квантового регистра (в отличие от классического), поскольку существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у большинства возможных значений квантового регистра (за исключением базовых) просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень всего богатства состояний квантового компьютера. Представьте, что на регистр осуществляется внешнее воздействие, например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены лазерные лучи. Если это классический регистр, импульс, который можно рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных. Если же это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать до 2L переменных. Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен обрабатывать информацию в 2L / L раз быстрее по сравнению со своим классическим аналогом. Отсюда сразу видно, что маленькие квантовые регистры (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти. Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт. И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем.

Вычислительная машина.

Существует большое множество предложений по созданию квантового компьютера с использованием ионных ловушек, ядерного магнитного резонанса (ЯМР), оптики и твёрдого тела. Все текущие предложения сводятся к решению проблемы увеличения числа кубитов. Необходим качественно новый уровень вы­числений, чтобы обрабатывать не десятки, а сотни кубитов информации. На сегодняшний день технологии с использованием ЯМР и ионных ловушек являются наиболее разрабатываемыми, однако использование оптики и твёрдого тела также подаёт надежды. В квантовых компьютерах с ионной ловушкой [Ширак и Золлер 1995; Стин 1996] линейная последовательность ионов, представляющих кубиты, ограничена электрическим полем. Для того, чтобы произвести однокубитовые квантовые операции, лазеры направляются на отдельные ионы. Двухкубитовые операции осуществляются при использовании лазера, направленного на отдельный кубит для создания колебания, которое распространяется по цепи ионов до второго кубита, где другой лазер останавливает движение и завершает двухкубитовую операцию. При данном методе требуется, чтобы ионы находились в предельно чистом вакууме при максимально низких температурах. Преимущество метода использования ЯМР заключается в том, что его мож­но применять при комнатной температуре. Тем более, что технология ЯМР в целом уже добилась некоторого успеха. Суть метода в том, чтобы использовать макроскопическое количество материи и закодировать квантовый бит в среднем состоянии спина большего количества ядер. Состояниями спина можно управ­лять посредством магнитных полей, а среднее состояние спина можно измерить при помощи техники ЯМР. Основная проблема при использовании этого метода заключается в трудностях при увеличении квантового регистра. Мощность изме­ряемого сигнала падает как 1/2n, где n - число кубитов. Однако, недавнее предложение [Шульман и Визарини (1998)] вероятно сможет разрешить эту проблему. Не так давно было успешно завершено создание трёхкубитового ЯМР компьюте­ра [Корни и др. 1998; Вандерзипен и др. 1999; Гершенфельд и Чуанг 1997; Лафлам и др. 1997]. Основной проблемой при создании квантового компьютера является отсут­ствие когерентности и разрушение квантового состояния из-за взаимодействия с окружающей средой. Некоторое время существовали опасения, что квантовый компьютер нельзя будет создать, т. к. изолировать его от внешней среды не пред­ставляется возможным. Решение этой проблемы пришло скорее с алгоритмичес­кой, чем с физической стороны: были придуманы приёмы квантовой коррекции ошибок. Сначала учёные думали, что квантовая коррекция ошибок будет неосу­ществима из-за невозможности надёжного копирования неизвестных квантовых состояний. Но, оказывается, вполне возможно разработать коды, которые обна­руживают определённые виды ошибок и в состоянии восстановить когерентное квантовое состояние.

Применение.

Криптография. Как вы думаете, на какую программу в мире продано наибольшее количество лицензий? Не рискну настаивать, что знаю правильный ответ, но мне точно известен один неверный: это не какая-либо из версий Microsoft Windows. Самую распространенную операционную систему опережает скромный продукт фирмы RSA Data Security, Inc. - программа, реализующая алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов - американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана. Дело в том, что алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах - от смарткарт до сотовых телефонов. В частности, имеется он и в Microsoft Windows, а значит, распространен заведомо шире этой популярной операционной системы. Чтобы обнаружить следы RSA, к примеру, в браузере Internet Explorer (программе для просмотра www-страниц в сети Интернет), достаточно открыть меню "Справка" (Help), войти в подменю "О программе" (About Internet Explorer) и просмотреть список используемых продуктов других фирм. Еще один распространенный браузер Netscape Navigator тоже использует алгоритм RSA. Вообще, трудно найти известную фирму, работающую в области высоких технологий, которая не купила бы лицензию на эту программу. На сегодняшний день фирма RSA Data Security, Inc. продала уже более 450 миллионов(!) лицензий. Почему же алгоритм RSA оказался так важен? Представим, что нам необходимо быстро обменяться сообщением с человеком, находящимся далеко. Благодаря развитию Интернета такой обмен стал доступен сегодня большинству людей - надо только иметь компьютер с модемом или сетевой картой. Естественно, что, обмениваясь информацией по сети, мы бы хотели сохранить свои сообщения в тайне от посторонних. Однако полностью защитить протяженную линию связи от прослушивания невозможно. Значит, при посылке сообщений их необходимо зашифровать, а при получении - расшифровать. Но как нам и нашему собеседнику договориться о том, каким ключом вы будете пользоваться? Если послать ключ к шифру по той же линии, то подслушивающий злоумышленник легко его перехватит. Можно, конечно, передать ключ по какой- нибудь другой линии связи, например отправить его телеграммой. Но такой метод обычно неудобен и к тому же не всегда надежен: другую линию тоже могут прослушивать. Хорошо, если мы и наш адресат заранее знали, что будете обмениваться шифровками, и потому заблаговременно передали друг другу ключи. А как быть, например, если мы хотитим послать конфиденциальное коммерческое предложение возможному деловому партнеру или купить по кредитной карточке понравившийся товар в новом Интернет-магазине? В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использующие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый (не требующий хранения в тайне) и закрытый (строго секретный). Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый - для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание. Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, - это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ (он изначально хранится у вас), легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом (а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе). Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом. Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. Если имеется два больших (требующих более сотни десятичных цифр для своей записи) простых числа M и K, то найти их произведение N=MK не составит большого труда (для этого даже не обязательно иметь компьютер: достаточно аккуратный и терпеливый человек сможет перемножить такие числа с помощью ручки и бумаги). А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K (так называемая задача факторизации) - практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K. Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного (512-битного) числа. Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 1025(!) лет. (Для сравнения возраст Вселенной равен ~1010 лет.) Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях. И все было хорошо до тех самых пор ...пока не появились квантовые компьютеры. Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации (и многие другие!) не составит большого труда. Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов! Задачи поиска. Большой класс задач можно определять как задачи поиска вроде «найти x из множества возможных решений, такое, что утверждение Р(х) — истинно». Диа­пазон подобных задач широк: от поиска информации в базе данных до закраски графа. Например, задачу закраски графа можно рассматривать как поиск тако­го обозначения цветов вершин, что утверждение «все примыкающие вершины имеют разные цвета» является верным. Аналогично задача сортировки может быть рассмотрена, как поиск перестановки, для которой утверждение «переста­новка х переводит первоначальное состояние сортировки в желаемое» являлось бы верным. В задаче неупорядоченного поиска ничего не известно о структуре простран­ства решений и об утверждении Р. Например, определение Р(х 0) не дает никакой информации о возможном значении Р(х1 ) для х0 ¹ х1. В задаче упорядоченного поиска можно использовать информацию о пространстве поиска и об утвержде­нии Р. Например, поиск по алфавитному списку является задачей упорядоченного поиска, и алфавитный порядок используется для построения алгоритма. В других случаях, скажем, в задачах, где нужно найти хотя бы одно решение (3 - SAT или закраска графа) структуру задачи можно использовать для построения эврис­тических алгоритмов, которые быстро дают решения для некоторых отдельных случаев. Но в общем случае, когда мы имеем задачу неупорядоченного поиска, лучшее, что можно сделать классическим путём — это последовательно про­верять истинность каждого утверждения P(x1) Для поискового пространства из N элементов обычная задача неупорядоченного поиска требует Q(N) прове­рок Р. На квантовом же компьютере, как показал Гровер, задачу неупорядо­ченного поиска можно решить с большой вероятностью производя около Q(ÖN) проверок Р. Таким образом, квантовый алгоритм Гровера [Гровер 1996] явля­ется заведомо более эффективным, чем любой алгоритм для неупорядоченного поиска, выполняемый на классическом компьютере. Оказывается, для неупорядоченного поиска алгоритм Гровера является оп­тимальным [Беннетт и др. 1997; Бауер и др. 1996; Залка 1997]. Однако для боль­шинства поисковых задач требуется упорядоченный поиск. Поскольку сущест­вуют классические эвристические алгоритмы, использующие упорядоченность, то можно ожидать, что существуют также и эффективные квантовые алгоритмы для упорядоченного поиска. Серф и др. [Серф и др. 1998] используют алгоритм Гровера вместо классического поиска внутри эвристического алгоритма, чтобы показать, что возможно квадратичное ускорение, когда речь идёт о решении тур-сложных задач. Брассард и др. [Брассард и др. 1998], опираясь на алгоритм Гровера, пока­зали, что общий классический эвристический поиск имеет квантовый аналог с квадратичным ускорением. Есть некоторая надежда на то, что для некоторых упорядоченных задач су­ществует ускорение большее, чем квадратичное. Возможно, подобные алгоритмы потребуют новых подходов, которые заключаются не просто в квантовом испол­нении классических алгоритмов. Если алгоритм Шора рассматривать в качест­ве поиска множителей, то он может послужить примером алгоритма, который достигает экспоненциального ускорения, используя структуру задачи (теорию чисел) нестандартным способом, уникальным для квантовых вычислений. Тед Хогг также разработал несколько эвристических квантовых алгоритмов упорядоченного поиска. Его подход является совершенно неклассическим, в нём используются весьма нетривиальные свойства квантовых вычислений. Единст­венный минус его подхода заключается в том, что, как и во многих эвристи­ческих алгоритмах, использование упорядоченности является усложнённым, и при этом очень трудно определить вероятность получения верного ответа при одной итерации алгоритма. Следовательно, пока ещё не понятно, насколько эф­фективны алгоритмы Хогга. В классической теории эффективность эвристичес­ких алгоритмов оценивается с помощью эмпирического тестирования. Но, по­скольку, при моделировании квантовых операций на классическом компьютере наблюдается экспоненциальное замедление, то эмпирическое тестирование кван­товых алгоритмов сегодня невозможно, разве что за небольшими исключением. Алгоритм Хогга в применении к некоторым задачам упорядоченного поиска, яв­ляется более эффективным, чем алгоритм Гровера, но ускорение при этом явля­ется полиномиальным. С теоретической точки зрения — это менее интересно, но с практической — даже малое полиномиальное ускорение этих вычислитель­ных задач имеет огромное значение. До тех пор, пока не будет создано больших квантовых компьютеров или лучших приёмов для анализа таких алгоритмов, эффективность нельзя будет определить точно.

Современные разработки.

Август 2001 года. Компании Hewlett-Packard и Массачусетский технологический институт (Massachusetts Institute of Technology) совместно инвестируют $2,5 млн. в создание компьютерного устройства, основанного на специфических кванто- механических свойствах. Над созданием квантовых компьютеров уже долгое время работают ученые из IBM и других компаний и научных институтов, однако их широкое применение еще в далеком будущем. На сегодняшний день основным принципом работы квантового компьютера является вращение электронов или атомных ядер и их способность синхронного вращения в разных направлениях. Когда частица вращается "вверх", ее значение принимается за 1, "вниз" - 0. Уникальность квантовых компьютеров состоит в том, что частицы могут находиться в состоянии "наложения" - вращаться вверх и вниз. Почти год назад, 15 августа 2000 года, корпорация IBM заявила об успешной разработке в этой области. Созданный учеными из IBM компьютер использует пять атомов в качестве процессора и памяти. По словам Айзека Ченга (Isaac Chuang), руководителя научной группы компании, новое устройство демонстрирует намного большие скорости при решении задач, нежели обычный компьютер. Специалисты утверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой механики исключает возможность ошибки. Ныне используемый метод создания процессоров встретит на своем пути барьер в следующем десятилетии - способ литографии не позволит создавать чипы размером с молекулу. Технология микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям и, следуя закону соучредителя Intel Гордона Мура, к 2010 - 2020 годам размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пяти атомов. Этот закон гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года, и все последние 20 лет он неуклонно выполнялся. Поэтому основой уже недалекого будущего станет квантовая технология. Нынешнии инвестиции HP и MIT - лишь часть их совместной исследовательской программы, в которую планируется вложить $25 млн. HP также сотрудничает с исследователями из Калифорнийского университета (University of California), занимающимися проблемой молекулярных компьютеров, которые, на взгляд специалистов, должны появится ранее квантовых. (по материалам C-NEWS www.cnews.ru) Январь 2002 года. Как сообщается в журнале Nature, IBM продемонстрировала использование созданного в лабораториях компании семикубитового квантового компьютера для факторизации чисел по так называемому алгоритму Шора. Хотя решённая им задача вряд ли способна поразить воображение (компьютер верно определил, что делителями числа 15 являются числа 5 и 3), это самое сложное вычисление за всю историю квантовых компьютеров. Компьютер, созданный группой учёных из IBM и Станфордского университета, представляет собой пробирку с миллионами (1018) молекул, имеющих семь ядерных спинов. Он может быть "запрограммирован" при помощи электромагнитных импульсов разной частоты, а для получения результатов работы устройства используется ЯМР-сканер. В полной степени квантовые компьютеры проявляют свои достоиства при выполнении факторизации чисел - задачи, лежащей в основе современной криптографии. Чем больше факторизуемое число, тем дольше обычный компьютер будет искать его делители. Каждый следующий разряд удваивает время вычислений. Для квантового компьютера увеличение числа не представляет такой проблемы. Дополнительные разряды замедляют его работу на фиксированное время. "Этот результат укрепляет растущее понимание того, что однажды квантовые компьютеры смогут решать задачи, которые столь сложны, что для поиска их решения даже самым мощным суперкомпьютерам и миллионов лет окажется мало", - заявил менеджер IBM Research Нейбил Эймер. (по материалам издания «Компьюлента» www.cumpulenta.ru) Российский исследователь М. В. Фейгельман, работающий в Институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводниковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце - по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем. В Физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К. А. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника. Состояния 0 и 1 - положения электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупроводника. Состояния 0 и 1 - направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.

Литература.

  1. Китаев, Шень, Вялый. Классические и квантовые вычисления. Источник: Московский Центр Непрерывного Математического Образования (http://www.mccme.ru/free-books)
  2. Институт физики и технологии РАН, Лаборатория физики квантовых компьютеров, Л. Федичкин, "Квантовые компьютеры" // "Наука и жизнь", № 1, 2001, с. 24-29. Источник http://qc.ipt.ac.ru/russian/SL.html
  3. Институт физики и технологии РАН, Лаборатория физики квантовых компьютеров, Э. Риффель, В. Полак "Основы квантовых вычислений" // "Квантовый компьютер и квантовые вычисления", т. 1, № 1, 2000, с. 4-57. Источник http://qc.ipt.ac.ru
  4. Квантовые системы том 8, выпуск 11, 15 июня 2001 Источник: http://perst.isssph.kiae.ru/inform/tem/QSIS/
  5. Сайт информационных технологий, «Квантовый компьютер» Источник: http://inftech.webservis.ru/it/hard/qc/index.html
  6. Воронежский государственный университет. Семинар по квантовым компьютерам (проф. Запрягаев С.А.) Источник: http://www.main.vsu.ru/domino/zsa/seminar.html
  7. Научно-образовательный сервер по физике Phys.Web.Ru – «Квантовые вычисления» Источник: http://www.nature.ru
  8. Интернет-издание о высоких технологиях “C-News” Источник: www.cnews.ru
  9. Компьюлента: Новости компьютерной индустрии, науки и техники. Интернет журнал. Источник: www.compulenta.ru
  10. Quantum Computation/Cryptography at Los Alamos Источник: http://qso.lanl.gov/qc/