РазделыКвантовый компьютер?Краткое объяснение. Мощь и возможности
Ссылки по теме:Домашние страницыПараллельные вселенные?
Литература:Ссылки ниже
|
|
(Рисунок взят из статьи Дойча и Экерта) |
Здесь источник света излучает фотон по направлению к полу-прозрачному зеркалу. Это зеркало расщепляет свет, отражая половину луча вертикально по направлению к детектору A и передавая вторую половину по направлению к детектору B. Однако фотон - это неделимая частца света и не может быть расщеплен, поэтому он обнаруживает себя с равной вероятностью в детекторе A или детекторе B. Интуиция подсказывает нам, что фотон покидает зеркало в случайно выбранном направлении --- вертикальном или горизонтальном. Однако, квантовая механика предсказывает, что фотон, на самом деле, распостраняется по обоим направлениям одновременно! Это более ясно демонстрирует рисунок b. |
В таком эксперименте, как на рисунке a, где фотон отражается от
полу-прозрачного зеркала, можно было бы аргументировать, что фотон не расщепляется на два луча,
так как лишь один детектор зарегистрирует сигнал, в то время как во втором детекторе сигнала
не будет. Располагая информацией только о таком эксперименте, можно было бы считать, что любой
конкретный фотон после зеркала движется или вертикально или горизонтально, делая случайный выбор
между двумя возможностями. Однако, квантовая механика предсказывает, что фотон на самом деле
распространяется сразу по обоим путям, коллапсируя на какой-то один путь только в результате измерения.
Этот эффект, известный, как одно-частичная интерференция, может быть лучше проиллюстрирован в несколько
более сложном эксперименте, изображенном на рисунке b ниже:
(Рисунок взят из статьи Дойча и Экерта) |
В этом эксперименте, фотон сначала сталкивается с полу-прозрачным зеркалом, затем с полностью отражающим зеркалом, и в конце еще с одним полу-прозрачным зеркалом перед тем, как попасть в детектор. Кажжое полу-прозрачное зеркало вводит возможность для фотона пойти в одном из двух направлений. После столкновения с первой делительной пластиной (полу-прозрачное зеркало) фотон направляется полностью отражающим зеркалом на вторую делительную пластину, и все вылядит также как на рисунке a. Поэтому можно было бы предположить, что фотон достигнет или детектора A, или детектора B с равной вероятностью. Однако, эксперимент говорит, что в действительности в такой установке детектор A регистрирует фотон в 100% случаев, в то время как в детектор B фотон не попадает никогда! Как же это может быть? |
Рисунок b выражает интересный эксперимент, который демонстрирует явление одно-частничной
интерференции. В такой установке, эксперимент говорит, что фотон всегда достигает
детектор A, и никогда детектор B! Если одиночный фотон перемещается вертикально и попадает
на зеркало, тогда, по аналогии с экспериментом на рисунке a, должа была бы быть равная вероятность,
что фотон попадет в детектор A или в детектор B. То же самое можно сказать про фотон,
который продолжит гоирозонтальное распространение после делительной пластины.
Однако, действительный результат разительно отличается от наших ожиданий.
Таким образом, единственное разумное умозаключение должно состоять в том, что фотон каким-то образом
распроняется по обоим путям сразу. При этом фотон интерферирует сам с собой в точке схождения двух
альтернативных путей на втором полупрозрачном зеркале так, что возможность попасть в дететор B
разрушается. Это явление, известное под названием квантовой интерференции, происходит
из-за суперпозиции возможных состояний фотона, то есть, возможных альтернативных путей.
Поскольку в действительности испущен единственный фотон, все проиходит так, будто существует
фотон-дубликат, который распространяется по второму пути. Фотон-дубликат дает о себе знать только
в результате интерференции с исходным фотоном в точке, где альтернативные пути снова сходятся.
Если же заблокировать один из путей поглощающим экраном, тогда детектор B снова начинает регистрировать
попадания фотона, как в первом эксперименте!
Эта уникальная особенность квантовых объектов, среди прочих, делает текущие исследования по квантовым вычислениям
не просто продожением современной идеи компьютера, но, скорее, совершенно новым образом мышления.
Именно благаодаря этим особенностям квантовых объектов квантовые компьютеры потенциально должны стать
невероятно мощными вычислительными устройствами.
Потенциал и мощь квантовых вычислений
В обычном компьютере информация кодируется последовательностью битов, и эти биты последовательно обрабатываются булевскими логическими элементами, чтобы получить нужный результат. Аналогично квантовый компьютер обрабатывает кубиты, выполняя последовательность операций квантовыми логическими элементами, каждый из которых представляет собой унитарное преобразование, действующее на единичный кубит или пару кубитов. Последовательно выполняя эти преобразования, квантовый компьютер может выполнить сложное унитарное преобразование над всем набором кубитов, приготовленных в некотором начальном состоянии. После этого можно произвести измерение над кубитами, которое и даст конечный результат вычислений. Это сходство вычислений между квантовым и классическим компьютером позволяет считать, что, по крайней мере, в теории, классический компьютер может в точности воспроизводить работу квантового компьютера [вообще-то, я думаю так же, но общепринятое мнение состоит в том, что это в принципе неверное утверждение! - Куракин П.В.]. Другими словами, классический компьютер может делать все то же самое. что и квантовый компьютер. Тогда зачем вся эта возня с квантовым компьютером? Дело в том, что, хотя теоретически классический компьютер может симулировать квантовый компьютер, это очень неэффективно, настолько неэффективно. что практически классический компьютер не в состоянии решать многие задачи, которые по плечу квантовому компьютеру. Симуляция квантового компьютера на классическом компьютере вычислительно сложная проблема, потому что корреляции между квантовыми битами качественно отличается от корреляций между классическими битами, как было впервые показано Джоном Беллом. Для примера можно взять систему только из нескольких сотен кубитов. Она существует в пространстве Гильберта размерностью ~1090, что потребует, при моделировании классическим компьютером, использования экспоненциально больших матриц (чтобы выполнить расчеты для каждого отдельного состояния, которое также описывается матрицей). Это означает, что классическому компьютеру понадобится экпоненциально больше времени по сравнению даже с примитивным квантовым компьютером.Ричард Фейнман был среди первых, кто осознал потенциал, заложенный в явлении квантовой суперпозиции для решения таких задач гораздо быстрее. Например, система из 500 кубитов, которую практически невозможно промеделировать классически, представляет собой квантовую суперпозицию из 2500 состояний. Каждое значение такой суперпозиции классически эквивалентно списку из 500 единиц и нулей. Любая квантовая операция над такой системой --- например, настроенный определенным образом импульс радиоволн, который может выполнить операцию управляемое НЕ над, скажем, 100-м и 101-м кубитом, --- будет одновременно воздействовать на 2500 состояний. Таким образом. за один тик компьютерных часов квантовая операция вычисляет не одно машинное состояние, как обычные компьютеры, а 2500 состояний сразу! Однако, в конце концов, над системой кубитов производится измерение, и система коллапсирует в единственное квантовое состояние, соответствующее единственному решению задачи, единственному набору из 500 единиц и нулей, как это диктуется измерительной аксиомой квантовой механики. Это поистине волнующий результат, поскольку это решение, найденное колективным процессом квантовых параллельных вычислений, берущим свои истоки в суперпозиции, эквивалентно выполнению той же самой операции на классическом суперкомпьютере с ~10150 отдельных процессоров (что, конечно, невозможно)!!
Первые исследователи в этой области были, конечно, вдохновлены такими гигантскими возможностями, и поэтому вскоре началась настоящая охота за подходящими задачами для такой вычислительной мощи. Питер Шор, исследователь и компьютерный ученый из компании AT&T's Bell Laboratories в Нью Джерси, предложил такую задачу, которую можно было бы решить именно на квантовом компьютере и при помощи квантового алгоритма. Алгоритм Шора использует мощь квантовой суперпозиции, чтобы раскладывать большие числа (порядка ~10200 двоичных разрядов и больше) на множители за несколько секунд. Эта задча имеет важное практическое применение для шифрования, где общепринятый (и лучший) алгоритм шифрования, известный как RSA, основан как раз на сложности разложения больших составных чисел на простые множители. Компьютер, который с легкостью решает такую задачу, конечно, представляет большой интерес для множества правительственных организаций, использующих RSA --- который до сих пор считался "невзламываемым", --- и для любого кто заинтересован в безопсаности своих данных.
Шифрование, однако, только одно возможное применение квантового компьютера. Шор разработал целый набор математических операций, которые могут быть выполнены исключительно на квантовом компьютере. Некоторые из этих операций используются в его алгоритие факторизации. Далее, Фейнман утверждал, что квантовый компьютер может действовать как моделирующее устройство для квантовой физики, потенциально открывая двери ко многим открытиям в этой области. В настоящее время мощь и возможности квантового компьютера, в основном, предмет теоретических рассуждений; появление первого по настоящему функционального квантового компьютера, несомненно, принесет много новых и волнующих практических применений.
Краткая история квантовых вычислений
Идея вычислительного устройства, основанного на квантовой механике, впервые рассматривалась еще в ранних 1970-х годах и ранних 1980-х физиками и компьютерными учеными, такими, например, как Чарльз Х. Беннет из IBM Thomas J. Watson Research Center, Пол А. Бениофф из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, Дэвидом Дойчем из Оксфордского университета, и позднее Ричардом П. Фейнманом из из Калифрнийского технологического института (Калтех). Идея возникла тогда, когда ученые заинтересовались фундаментальными ограничениями вычислений. Они поняли, что если технология будет продолжать следовать закону Мура, то постепенное уменьшение размеров вычислительных сетей упакованных в кремниевые ЧИПы, приведет к тому, что индивидуальные элементы станут не больше чем несколько атомов. Здесь возникла проблема, так как на атомном уровне действуют законы квантовой физики, а не классической. А это подняло вопрос, можно ли сконструировать компьютер, основанный на принципах квантовой физики.Фейнман одним из первых попытался дать ответ на этот вопрос. В 1982 г. он предложил модель абстрактной квантовой системы, пригодной для вычислений. Он также объяснил, как такая система может быть симулятором в квантовой физике. Другими словами, физики, вместно "настоящих" экспериментов могли бы проводить вычислительные эксперименты на таком квантовом компьютере.
Позже, в 1985 году, Дойч осознал, что утверждение Фейнмана могло бы в конце концов привести к квантовому компьютеру общего назначения, и опубликовал важнейшую теоретическую работу, показывающую, что любой физический процесс может в принципе быть промоделирован на квантовом компьютере. таким образом, квантовый компьютер потенциально обладает возможностями, наменого превышающими таковые для для любого традиционного классического компьютера. После публикации Дойча начался поиск интересных приложений для такой машины.
К сожалению, все, что тогда смогли придумать, было несколько довольно надуманных математических задач, до тех пор, пока Шор выпустил в 1994 году свою работу, в которой представил алгоритм решения на квантовом компьютере одной важной задачи из теории чисел, а именно, разложения на простые множители. Он показал, как набор математических опреаций, сконструированных специально для квантового компьютера, может фактороизовать огромные числа фантастически быстро, значительно быстрее, чем на обычных компьютерах. Это был прорыв, который перевел квантовые вычисления из разряда академического интереса в разряд задачи, интересной для всего мира.
Проблемы и исследования
В области квантовой обработки информации, с момента её возникновения, было сделано много обещающих заявлений, включая построение 2-х и 3-кубитных квантовых компьютеров, способных выполнять простые арифметические операции и операции сортировки данных. Однако на пути создания "настоящего" квантового компьютера, способного конкурировать с современными классическими компьютерами, до сих пор стоят несколько серьезных, потенциально больших препятствия. Наиболее внушительные из них - это исправление ошибок, декогеренция, и проблемы архитерктуры. Термин "исправление ошибок" кажется вполне понятным, однако, о каких ошибках, требующих исправления, идет речь? Ответ такой: об ошибках, возникающих как прямой результат декогеренции, или, тенденции квантового компьютера к распаду созданного квантового состояния. Этот распад происходит в результате взаимодействия, или перепутывания с состянием окружающей среды. Такие взаимодействия между кубитами и окружением неизбежны, что вызывает разрушение информации, сохраненной в квантовом компьютере, и, таким образом, влечет ошибки вычислений. До того, как квантовый компьютер сможет решать сложные задачи, необходимо научиться удерживать декогернцию и другие возможные источники ошибок на приемлимом уровне. Благодаря теории (а теперь и практике) исправления квантовых ошибок, впервые предложенной в 1995 году и с тех пор активно развивавшейся, были построены небольшие квантовые компьютеры, и сейчас уже можно заняться большими. Возможно, самая важная идея в этой области - применение исправления ошибок к фазовой когерентности как средство извлечения информации и уменьшения ошибок в квантовой системе без реального измерения системы. В 1998 году исследователи из Национальной Лаборатории в Лос Аламос и МТИ, руководимые Рэймондом Лафламмом, научились создавать один бит квантовой информации (кубит) в системе из трех ядерных спинов, в произвольной молекуле жидкого аланина или трихлорэтилена. Они сделали это, используя технику ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот эксперимент имеет больше значение, так как при распределении одиночного бита информации в системе из нескольких частиц, этот бит информации гораздо устойчивее к ошибкам. Квантовая механика говорит, что прямое измерение состояния кубита неизбежно разрушает суперпозицию состояний. в которой он существует, заставляя его принять значение 0 или 1. Техника распределения (одного бита по нескольким атомам) позволяет исследователям использовать свойство перепутывания, чтобы анализировать квантовую информацию непрямым способом - через взаимодействие между состояниями. Вместо того, чтобы проводить прямые измерения спинов, дающие непосредственную информацию, эта группа сравнивала спины, и таким образом проверяла, возникали ли новые различия в спинах. Эта техника дала им возможность обнаруживать и исправлять ошибки в фазовой когерентности кубитов, и, таким образом, поддерживать более высокий уровень когерентности в квантовой системе. Это достижение добавило аргумент против скептиков и надежду оптимистам. В настоящее время, исследования в области квантового исправления ошибок продолжается группами в Калтехе (Прескилл, Кимбл), компании Майкрософт, Лос Аламосе, и в других местах.На сегодняшний день только некоторые преимущества квантовых компьютеров очевидны для всех. Но до того как станет возможныи реализовать остальное, необходимо проверить теорию в экспериментах и сконструировать простейшие квантовые вычислительные устройства. Квантовое "железо" пока находится, к сожалению, в состоянии детства. В результате нескольких значительных экспериментов самой популярной основой для создания квантовых вычислительных элементов стал ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Только за последний год, группы из Национальной Лаборатории в Лос Аламосе и МТИ сконструировали первые демонстрационно - экспериментальные образцы квантового компьютера на основе технологии ЯМР. В настоящее время усилия исследователей направлены на то, чтобы преодолеть деструктивные эффекты декогеренции, на разработку оптимальной архитектуры квантового компьютера и новых квантовых алгоритмов, использующие огромные возможности таких устройств. Естественно, эти поиски тесно связаны с исправлением квантовых ошибок и квантовыми алгоритмами, так что несколько групп ведут параллельные исследования в этих областях. К настоящему моменту конструкции основаны на ионных ловушках, резонаторной квантовой электродинамике, и ЯМР. Хотя эти устройства добились некоторых успехов, у любой из этих технологий есть свои серьезные ограничения. Компьютеры, основанные на ионных ловушках, ограничены в скорости вычислений колебательными частотами собственных мод ловушки. В устройствах, основанных на ЯМР, соотношение сигнал\шум экспоненциально ослабляется с возрастанием числа кубитов в системе. Резонаторная квантовая электродинамика чуть более обещающа; но до сих пор она была до сих пор реализована лишь на нескольких кубитах. Один из известных разработчиков квантового "железа" - Сет Ллойд из МТИ. Вполне возможно, будущее квантового "железа", архитектура будущих квантовых компьютеров будет сильно отличаться от того, что можно представить сегодня; но текущие исследования, по крайней мере, указывают те трудности, с которыми предстоит столкнуться будущим квантовым устройствам.
Взгляд в будущее
Сейчас квантовые компьютеры и квантовые информационные технологии остаются в состоянии пионерских разработок. Решение трудностей, с которыми сейчас столкнулись эти технологии, обеспечит прорыв квантовых компьютеров к их законному месту самых быстрых вычислительных машин из всех физически возможных. К сегодняшнему дню исправление ошибок существенно продвинулось, приближая момент, когда мы сможем создавать достаточно надежные компьютеры, способные противостоять эффектам декогеренции. С другой стороны, создание квантового оборудования пока остается только возникающей отраслью; но работа проделанная насегодня, убеждает нас, что создание достатчно больших машин, способных выполнять серьезные алгоритмы, например, алгоритм Шора, всего лишь дело времени. Таким образом, квантовые компьютеры обязятельно появятся. По меньшей мере, это будут самые совершенные вычислительные устройства, а современные нам компьютеры устареют. Квантовые вычисления берут свое начало в весьма специфических оюластях теоретической физики, но их будущее, несомненно, окажет огромное воздействие на жизнь всего человечества.
Литература:
1. D. Deutsch, Proc. Roy. Soc. London, Ser. A 400, 97 (1985).2. R. P. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982).
3. J. Preskill, "Battling Decoherence: The Fault-Tolerant Quantum Computer," Physics Today, June (1999).
4. Shor, P. W., Algorithms for quantum computation: Discrete logarithms and factoring, in Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, IEEE Computer Society Press (1994).
5. Nielsen, M., "Quantum Computing," (unpublished notes) (1999).
6. QUIC on-line, "Decoherence and Error Correction," (1997).
7. D.G. Cory et al., Physical Review Letters, 7 Sept 1998.
8. J. Preskill, "Quantum Computing: Pro and Con," quant-ph/9705032 v3, 26 Aug 1997.
9. Chuang, I. L., Laflamme, R., Yamamoto, Y., "Decoherence and a Simple Quantum Computer," (1995).
10. D. Deutsch, A. Ekert, "Quantum Computation," Physics World, March (1998).
Последнее изменение: 05/31/00