Квантовую механику не случайно называют иногда волновой механикой. Дело в том, что  квантомеханические волновые функции  ведут себя подобно световой или  какой-либо другой волне. И для волновых функций, благодаря их способности интерферировать, также может быть введено понятие когерентности. Именно это свойство используется в когерентном квантовом компьютере. Набор кубитов представляется когерентными волновыми функциями. Оказывается, что существует вполне определенный класс воздействий на квантовую систему, называемый унитарными преобразованиями, при которых не теряется записанная в кубит информация и не нарушается когерентность волновых функций кубитов. Унитарные преобразования обратимы - по результату можно восстановить исходные данные. После прохождения через квантовый процессор, использующий унитарные преобразования, волновые функции кубитов заставляют интерферировать друг с другом, наблюдая получающуюся картину и судя по ней о результате вычисления.

      Из-за того, что для представления информации используются кубиты, в которых записано сразу оба значения - и 0, и 1, в процессе вычислений происходит параллельная обработка  сразу всех возможных вариантов  комбинаций битов в процессорном слове. Таким образом, в КК реализуется естественный параллелизм, недоступный классическим компьютерам. За счет возможности параллельной работы с большим числом вариантов, в идеале равным 2^N (где N - число кубитов), квантовому компьютеру необходимо гораздо меньше времени для решения определенного класса задач.

      Все существующие на сегодняшний день обычные  компьютеры, даже с параллельной обработкой информации на многих процессорах, могут  быть смоделированы так называемым клеточным автоматом Тьюринга. Это  существенно детерминированная и дискретная машина. С возникновением и обсуждением идей квантовых вычислений стала активно развиваться квантовая теория информации и, в частности, теория квантовых клеточных автоматов - ККА. Квантовый клеточный автомат является обобщением автомата Тьюринга для КК. Сформулирована гипотеза, гласящая, что каждая конечным образом реализуемая физическая система может быть достаточно хорошо смоделирована универсальной моделью квантовой вычислительной машины, использующей ограниченное количество ресурсов. Для одного из предложенных типов ККА теоретически уже доказано, что он подходит для такого моделирования и не противоречит квантовой теории.

      Пытаясь осуществить свой замысел, ученые упираются  в проблему сохранения когерентности  волновых функций кубитов, так как потеря когерентности хотя бы одним из кубитов разрушила бы интерференционную картину. В настоящее время основные усилия экспериментальных рабочих групп направлены на увеличение отношения времени сохранения когерентности ко времени, затрачиваемому на одну операцию (это отношение определяет число операций, которые можно успеть провести над кубитами). Главной причиной потери когерентности является связь состояний, используемых для кубитов, со степенями свободы, не участвующими в вычислениях. Например, при передаче энергии электрона в возбужденном атоме в поступательное движение всего атома. Мешает и взаимодействие с окружающей средой, например, с соседними атомами материала компьютера или магнитным полем Земли, но это не такая важная проблема. Вообще, любое воздействие на когерентную квантовую систему, которое принципиально позволяет получить информацию о каких-либо кубитах системы, разрушает их когерентность. Потеря когерентности может произойти и без обмена энергией с окружающей средой.

      Воздействием, нарушающим когерентность, в частности, является и проверка когерентности. При коррекции ошибок возникает своего рода замкнутый круг: для того чтобы обнаружить потерю когерентности, нужно получить информацию о кубитах, а это, в свою очередь, также нарушает когерентность. В качестве выхода предложено много специальных методов коррекции, представляющих также и большой теоретический интерес. Все они построены на избыточном кодировании.

      Если  в области передачи информации уже  созданы реально работающие системы  и до коммерческих продуктов осталось лишь несколько шагов, то коммерческая реализация квантового когерентного процессора - дело будущего. К настоящему времени КК научился вычислять сумму 1+1! Это большое достижение, если учесть, что в виде результата он выдает именно 2, а не 3 и не 0. Кроме того, не следует забывать, что и первые обычные компьютеры были не особенно мощны.

      Сейчас  ведется работа над двумя различными архитектурами процессоров: типа клеточного автомата и в виде сети логических элементов. Пока не известно о каких-либо принципиальных преимуществах одной архитектуры перед другой. Как функциональная основа для логических элементов квантового процессора более или менее успешно используется целый ряд физических явлений. Среди них - взаимодействие одиночных поляризованных фотонов или лазерного излучения с веществом или отдельными атомами, квантовые точки, ядерный магнитный резонанс и - наиболее многообещающий - объемный спиновый резонанс. Процессор, построенный на последнем принципе, в шутку называют «компьютером в чашке кофе» - из-за того, что в нем работают молекулы жидкости при комнатной температуре и атмосферном давлении. Кроме этих эффектов есть довольно хорошо развитая технология логических элементов и ячеек памяти на джозефсоновских переходах, которую можно при соответствующих условиях приспособить под когерентный процессор.[10]

      Теорию, описывающую явления, лежащие в  основе первого типа логических ячеек, называют квантовой электродинамикой в полости или резонаторе. Кубиты хранятся в основных и возбужденных состояниях атомов, расположенных некоторым образом на равных расстояниях в оптическом резонаторе. Для каждого атома используется отдельный лазер, приводящий его в определенное состояние с помощью короткого импульса. Взаимовлияние атомных состояний происходит посредством обмена фотонов в резонаторе. Основными причинами разрушения когерентности здесь служат спонтанное излучение и выход фотонов за пределы резонатора.

      В элементах на основе ионов в линейных ловушках кубиты хранятся в виде внутренних состояний пойманных ионов. Для управления логикой и для манипулирования отдельными кубитами также используются лазеры. Унитарные преобразования осуществляются возбуждением коллективных квантованных движений ионов. Источниками некогерентности является спонтанный распад состояний ионов в другие внутренние состояния и релаксация в колебательные степени свободы.

      Сильно  отличается от двух предыдущих «компьютер в чашке кофе». Благодаря достоинствам данного метода этот компьютер является наиболее реальным претендентом на то, чтобы достигнуть разрядности 10 бит в ближайшее время. В компьютере на коллективном спиновом резонансе работают молекулы обычных жидкостей (без всяких квантовых вывертов типа сверхтекучести). В качестве кубитов используется ориентация ядерных спинов. Работа логических ячеек и запись кубитов осуществляется радиочастотными электромагнитными импульсами со специально подобранными частотой и формой. В принципе, прибор похож на обычные приборы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и использует аналогичную аппаратуру. Жизнеспособность этого подхода обеспечивается, с одной стороны, очень слабой связью ядерных спинов с окружением и, потому, большим временем сохранения когерентности (до тысяч секунд). Эта связь ослаблена из-за экранирования ядерных спинов спинами электронов из оболочек атомов. С другой стороны, можно получить сильный выходной сигнал, так как для вычислений параллельно используется большое количество молекул. «Не так уж сложно измерить спин четвертого ядра у какого-то типа молекул, если у вас имеется около числа Авогадро (~10²³) таких молекул», - говорит Ди Винченцо (Di Vincenzo), один из исследователей. Для определения результата непрерывно контролируют излучение всего ансамбля. Такое измерение не приводит к потере когерентности в компьютере, как было бы в случае использования только одной молекулы.

      Ядерные спины в молекулах жидкости при  комнатной температуре хаотически разупорядочены, их направления равномерно распределены от 0 до 4p. Проблема записи и считывания кажется непреодолимой из-за этого хаоса. При воздействии магнитного поля спины начинают ориентироваться по полю. После снятия поля через небольшое время система снова приходит к термодинамическому равновесию, и в среднем лишь около миллионной доли всех спинов остается в состоянии с ориентацией по направлению поля. Однако благодаря тому, что среднее значение сигнала от хаотически направленных спинов равно нулю, на этом фоне можно выделить довольно слабый сигнал от «правильных» спинов. Вот в этих-то молекулах с правильными ядерными спинами и размещают кубиты. Для коррекции ошибок при записи N кубитов используют 2N или больше спинов. Например, для N=1 выбираются такие жидкости, где какие-то два спина ядер в одной молекуле после определенного воздействия полем могут быть ориентированны только одинаково. Тогда по направлению второго спина при снятии результата обработки можно отсеять нужные молекулы, никак не влияя на первый спин.

      Как уже было сказано, обработка битов  осуществляется радиоимпульсами. Основным логическим элементом является управляемый инвертор. Из-за спин-спинового взаимодействия резонансная частота, при которой происходит опрокидывание одного спина, зависит от направления другого.

      Что касается квантовой передачи данных, к настоящему времени экспериментально реализованы системы обмена секретной информацией по незащищенному от несанкционированного доступа каналу. Они основаны на фундаментальном постулате квантовой механики о невозможности измерения состояния без оказания влияния на него. Подслушивающий всегда изменяет состояние кубитов, которые он подслушал, и это может быть зафиксировано связывающимися сторонами. Данная система защиты информации абсолютно надежна, так как способов обойти законы квантовой механики пока еще никто не выдумал.[7]

7. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ  КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

      Существуют  задачи, решение которых с помощью  обычного компьютера очень трудно найти, но легко проверить. Время, затрачиваемое  на решение таких задач, растет экспоненциально  по отношению к числу битов, которыми представлена задача. Именно здесь  может пригодиться естественный параллелизм квантовых вычислений, для которых быстродействие увеличивается экспоненциально с возрастанием числа кубитов. [8]

      Одной из областей приложения мощи КК может  стать квантовая криптография и  квантовый криптоанализ. Важным событием являлось создание П. Шором квантового алгоритма факторизации. Эту задачу также называют нахождением дискретного логарифма, и она является основной преградой на пути расшифровки всех современных шифров. Так, например, факторизация числа с 1000 знаков потребует 1025 лет работы 1000 современных персоналок, то есть времени большего, чем возраст нашей родной вселенной, которой «всего» 1010 лет. КК с регистром из 10 000 кубитов решил бы ту же задачу за пару часов. Алгоритм Шора можно реализовать даже на КК с небольшим числом кубитов (несколько десятков) и использовать уже в ближайшем будущем для шифрования и расшифровки «на лету», обеспечивая тем самым безопасную связь. 

      Другая  вершина, которую должен покорить квантовый  компьютер, — это поиск записи в базе данных. Алгоритм для ее решения с помощью КК предложил в 1997 году Л. Гровер. Если у нас имеется база данных, содержащая 2N записей, и нужно найти одну, то современному компьютеру потребуется в среднем 2N/2 обращений к базе. Квантовый алгоритм Гровера прекрасно справится с задачей за 2N/2 обращений.

      Одна  из преград на пути прогресса —  это задача на проектирование оптимальной  микросхемы с заданной функциональностью (PSPACE-задача). За решение частных  ее случаев получают свои зарплаты лучшие инженеры Intel и AMD. Ведь оптимальная микросхема — это лучший вариант из всех возможных. Именно его и поможет быстро находить квантовый компьютер. Кроме того, родственными PSPACE-задачами являются и некоторые проблемы искусственного интеллекта. 

      И, наконец, самое парадоксальное применение КК — это моделирование других квантовых систем (как говорил Ганеман, Similia similibus curantur (Подобное лечится подобным). Ведь если бы такое моделирование было сегодня легко реализуемо, то с одной стороны, исчерпали бы себя проблемы с конструированием КК, а с другой — Ричард Фейнманн, возможно, не написал бы своей статьи, породившей такой интерес к КК. К квантовым системам, подлежащим моделированию, можно отнести молекулы сложных химических соединений (например, белков), детали современных микросхем (те же транзисторы в процессорах), разнообразные наноструктуры (но это уже из другой модной области — нанотехнологий).[3]

      Одним словом, создание квантового компьютера позволило бы решать многие задачи проще, быстрее и с меньшей  затратой ресурсов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      В то время как никто не отрицает огромный потенциал квантовых вычислений и достигнутый в последнее  время прогресс, по-видимому, пройдёт  ещё очень много лет, прежде чем  появятся коммерческие квантовые компьютеры.

      Первые  образцы на основе ядерного магнитного резонанса являются всего лишь лабораторными экспериментами. Усовершенствованные, они, скорее всего, будут использоваться в качестве сопроцессоров для решения специфических задач, таких, как сложные математические проблемы, моделирование квантовых систем и осуществление неструктурированного поиска. Редактирование текста или решение простых задач гораздо легче выполняются современными компьютерами. Тем не менее, очевидно и то, что рано или поздно, по мере дальнейшего уменьшения размеров, компьютерам ничего не останется сделать, как взять на вооружение квантовые технологии - либо лишь для дополнения традиционных методов и приёмов, либо же для полной замены нынешних вычислительных технологий.

      "Квантовая  физика открывает двери не  просто для более миниатюрных и быстродействующих микропроцессоров. Она ведет к принципиально иным способам вычислений, которые не могут быть реализованы в нынешних компьютерах", - считает Артур Экерт, глава Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. Своё мнение о перспективах массового перехода человечества к принципиально иным технологиям профессор Дэвид Дойч (David Deutsch) из того же центра, один из пионеров теории квантовых вычислений, выразил следующим образом. Теория классических универсальных вычислений, отмечал он, была заложена Тьюрингом в 1936 году, получила практическое воплощение в течение следующего десятилетия, в 1950-е обрела коммерческую ценность и направленность, а доминирующим фактором мировой экономики стала к концу 1980-х. Квантовая информационная технология является фундаментально новым способом использования возможностей природы.