Квант. Путеводитель для запутавшихся

Как построить квантовый компьютер

В настоящее время существует несколько способов реализации мечты о практическом создании квантового компьютера. В основе всех этих способов лежит идея манипуляции запутанными суперпозициями атомов, но все они в итоге сталкиваются с одной и той же проблемой: как не допустить возникновения декогеренции, которая может разрушить все тонкие вычисления. Я опишу две техники, которые исследуются в настоящее время. Одна из них эксплуатирует идею лазерного манипулирования ультрахолодными атомами, а другая использует ЯМР (ядерный магнитный резонанс).

Первый метод я уже упоминал при описании различных экспериментов, проведенных в Париже (группа ENS) и в Колорадо (группа NIST). К примеру, группа NIST предложила способ, перекликающийся с оригинальной идеей Дэвида Дойча из его статьи 1985 года. Они предложили поймать цепочку атомов, отстоящих друг от друга примерно на двадцать микронов, в так называемый квантовый процессор с ионной ловушкой. Пары пересекающихся лазерных пучков вводят каждый атом (выступающий в качестве одного кубита) в суперпозицию двух энергетических состояний. Атомы на самом деле представляют собой заряженные ионы и потому чувствуют электрическое отталкивание друг друга, а следовательно, находятся во взаимодействии и в общем запутанном состоянии. Они контролируемым образом вибрируют, и их относительное движение связывается путем обмена квантами вибрационной энергии.

Можно также использовать технику ядерного магнитного резонанса, где спин атомных ядер в специально сконструированных молекулах контролируется магнитным полем и каждое ядро ведет себя, как миниатюрный стержневой магнит. Конечно, мы не можем отследить состояния спина отдельного ядра, но здесь значение имеют, скорее, общие свойства материала, содержащего сто миллиардов триллионов молекул. Каждая молекула представляет собой квантовый процессор ЯМР, а кубитами становятся ядра атомов, из которых состоит молекула.

Примером такой молекулы служит молекула хлороформа, состоящая из пяти атомов (один углерод, три хлора и один водород). Вместо того чтобы использовать обычный изотоп углерода, углерод-12, ядро которого обладает нулевым совокупным спином, мы используем редкий изотоп углерод-13. Его ядро обладает спином из-за содержащегося в нем лишнего нейтрона. Это ядро, как и протон (ядро атома водорода), может обладать двумя различными направлениями спина (они характеризуются полуцелым спином, поэтому их спин может быть ориентирован «вверх» или «вниз»). Воздействуя на протон радиочастотным импульсом, мы вводим его в суперпозицию вращения в обе стороны одновременно. Непосредственная близость двух ядер и их химическая связь внутри молекулы обеспечивают запутанность их состояний, в результате чего суперпозиция спина протона переходит на ядро углерода[79].

Первоклассный семикубитный квантовый компьютер, созданный в 2001 году учеными из Стэнфордского университета и Альмаденского исследовательского центра IBM в Калифорнии. Этой молекуле, известной как перфторбутадиенил-железо-комплекс и используемой в ЯМР-системе, первой удалось успешно применить алгоритм Шора для факторизации числа, пускай им и было всего лишь число 15!

Наконец, я кратко упомяну еще одну из нескольких других сегодняшних идей создания квантового компьютера. Эта идея, до сих пор находящаяся в зачаточном состоянии, основывается на двух применениях квантовой механики, которые я подробно описывал в прошлой главе: лазере и микрочипе. Облако атомов, при помощи лазера охлажденных до одной тысячной градуса над абсолютным нулем, можно заставить проплыть над полупроводниковым чипом посредством магнитных полей, генерируемых крошечными электрическими токами, текущими по интегральным микросхемам чипа. Высоту и скорость движения атомов можно контролировать при их направлении по границам магнитного поля. Таким образом можно точно контролировать запутанность квантовых состояний этих атомов.

Препятствием для создания любого типа квантового компьютера в настоящее время является вопрос изоляции деликатных суперпозиций от окружающей среды. Чем больше кубитов оказываются в запутанном состоянии, тем быстрее происходит декогеренция. Однако прогресс сегодня наблюдается на всех фронтах. Например, в процессоре с ионной ловушкой способ взаимодействия ионов с окружающей средой можно контролировать при условии осмотрительного выбора условий окружающей среды.