Квантовый компьютер…

…Вчера

Володя Климович, десятиклассник из Екатеринбурга, прислал в «Новую» письмо: «Когда-то ЭВМ были огромными, громоздкими. Теперь есть уже карманные компьютеры. До каких размеров может дойти их миниатюризация?» На страницах газеты (см. «Новую», № 25, 1999 г.) школьнику ответил физик-теоретик Владислав Чельцов. Область его научных интересов — разработка теории управления излучением атомов с помощью микрорезонаторов (чаще используется другой термин — нанорезонатор), что имеет прямое отношение к проблеме создания так называемых квантовых компьютеров (КвК). На эти исследования его благословили когда-то академики М. Леонтович и Р. Хохлов, представлявшие к защите кандидатскую диссертацию Чельцова. Напомним содержание того, 11-летней давности, ответа

.

Миниатюризация компьютерной техники может дойти буквально до размеров длины световой волны.

• Мозг современного компьютера — центральный процессор, оперативная и постоянная память, вспомогательные и периферийные устройства. Основные логические (в том числе вычислительные) операции совершаются центральным процессором. Делает он это при помощи хитрых комбинаций микроэлектронных схем. Различные логические элементы БИС (больших интегральных схем) построены из одних и тех же простейших логических ячеек — битов. Бит — элементарная микроэлектронная ячейка-триггер, которая может находиться в двух устойчивых состояниях. Одному из них соответствует код «0» (отсутствие информации), другому — код «1» (ее наличие). В микроэлектронных БИСах роль битов выполняют схемы на микротранзисторах-триггерах, способные переключаться под действием импульса напряжения между двумя устойчивыми состояниями: «закрыт» — «открыт». По мере развития технологий происходили дальнейшая миниатюризация микросхем, их уплотнение, внедрение оптических методов передачи, хранения и обработки информации.

Лет 15 назад ученым удалось создать искусственные ловушки для одиночного иона (или атома), а в последние годы появились ловушки, в которых можно удерживать много атомов или ионов. В ловушках легко исследовать физические свойства изолированных атомов, управлять их излучением, воздействуя на атом извне световыми импульсами, электрическими и магнитными полями, меняя температуру. В случае большого количества атомов — исследовать их коллективные свойства (в частности, сверххолодную жидкость — бозе-конденсат).

В связи с появлением таких «макроатомов» возникла идея использовать их для создания квантовых компьютеров. В них элементарной ячейкой-битом является один атом (ион) с двумя устойчивыми квантовыми состояниями. Такая ячейка памяти была названа кубитом (русское написание английского слова qubit, где qu — сокращение от quantum — квантовый). Переключения (переходы) между двумя состояниями кубита осуществляются при воздействии на атом (ион) излучением с частотой, равной расстоянию (в частотных единицах) между уровнями энергии атома.

Важно понять, что и в гигантских ЭВМ, и в КвК действует один и тот же исходный принцип выбора между двумя разными информационными состояниями. Это может быть выбор между «0» и «1». Но может и между двумя квантовыми состояниями в атоме.

Промышленных образцов квантового компьютера в природе пока нет. К настоящему времени формируются лишь принципы их работы, в лабораторных условиях созданы прототипы логических квантовых ячеек. Появление же реально действующих устройств — дело уже следующего века и всецело зависит от прогресса новейших высоких технологий, в том числе нанотехнологии, имеющей дело с микродеталями размером порядка длины световой волны и даже меньше, а также с прогрессом нанофотоники — науки, изучающей свойства и законы излучения атомов в нанорезонаторах.

…Сегодня

И вот на днях — письмо от въедливого читателя, из тех, кто все помнит:

«Ваша газета обещала квантовый компьютер в XXI веке. Прожита уже десятая часть этого века. Захожу в магазин электронной техники: «Почем у вас квантовые компьютеры?» Продавец делает круглые глаза: «А что это такое?»

Снова адресую вопрос Владиславу Чельцову, за прошедшее время достигшему значительных новых результатов, регулярно печатающему статьи в ведущих научных журналах мира, выступающему с докладами на международных конференциях.

Владислав Федорович! Ну и как насчет квантовых компьютеров в магазинах электронной техники?

Помнится, я не обещал, что к такому-то году можно будет там купить компьютер, работающий на фотонах-квантах энергии световых (электромагнитных) волн. Моя тогдашняя оценка была скромной, носила популярный характер, а время, необходимое для создания КвК, отнюдь не связывалось с началом нового века.

Известно, что корпорация IBM и ее исследовательский центр с 1998 по 2001 год продемонстрировали экспериментальные устройства в 2, 3, 5, 7 кубитов, громко названные квантовыми компьютерами. Однако они относятся скорее не к КвК, а к проблеме квантовой информации, криптографии и телепортации. Тем более неустойчивость в работе этих установок сами их создатели объясняли «нарушением когерентности состояний».

Но в феврале 2007 года СМИ обнародовали сенсацию: первый в мире коммерческий КвК — его назвали «Орион» — мощностью 16 кубайт создан канадской компанией D-Wave Systems. Его презентация прошла в калифорнийской Силиконовой Долине, в Музее компьютерной истории.

В интернете можно найти довольно оптимистические прогнозы, связанные с этим событием. Вот, например, один из них, размещенный под заголовком «Квантовый компьютер: революция в электронике» на сайте «Наука. «Известия» (inauka.ru): «По оценкам, квантовый компьютер должен был родиться лишь к 2030 году. По мнению профессора Центра квантовых вычислений Оксфордского университета Эндрю Штайна, построить работающий квантовый компьютер — все равно что овладеть холодным термоядерным синтезом. Уже в 2008 году D-Wave собирается создать систему в 1 тысячу кубит, что позволит обрабатывать больше потоков данных, чем существует частиц во Вселенной. Доступ программистов для работы с «Орионом» будет открыт уже в 2007 году. Среди первых задач квантовых компьютеров — предсказание погоды и расчет климатических изменений, создание онкологических препаратов, обработка сигналов из Вселенной для поиска внеземных цивилизаций. Вместе с тем квантовый компьютер, который никто не собирается засекречивать, моментально сделает легковесной всю современную криптографию, все кодовые системы, что вызовет хаос в областях, связанных с безопасностью и конфиденциальностью».

На дворе у нас, между прочим, уже 2010 год. Вы читали где-нибудь в авторитетных научных первоисточниках о создании КвК мощностью 1000 кубит? Я пока — нет. Что касается упомянутых сенсаций, думаю, что просто имеет место путаница между так называемой квантовой телепортацией и квантовым компьютером. В престижном научном журнале «Природа. Физика» (№ 10, том 2, 2006 г.) опубликована статья о квантовой телепортации с использованием двух кубитов как у отправителя, так и у получателя. Вся установка имеет вполне макроскопические размеры и состоит из источника когерентного излучения — лазера, устройства для расщепления луча лазера, интерферометра и устройства для получения так называемых перепутанных фотонов, несущих в себе информацию от отправителя. «Перепутанный фотон» — это суперпозиция двух фотонов, например, с различной поляризацией, задаваемой отправителем. Вся описанная конструкция называется кубитом. Телепортация записанной квантовой информации действительно передается светом. Однако извлечение ее получателем требует «ключа», передаваемого от отправителя по обычным каналам связи (скажем, по телефону).

В целом я согласен с несколько гиперболизированным высказыванием профессора Эндрью Штайна о масштабности работ по созданию КвК.

У промышленного, или, как теперь говорят, коммерческого, устойчиво работающего КК, когда его на самом деле создадут, будут два потрясающих преимущества. Прежде всего для отдельных его модулей мы будем иметь дело с размерами порядка световой волны. А усиление быстродействия будет связано со скоростями излучения и поглощения фотонов в специальных устройствах (от 108 до 1018 см/сек). Из чего следуют все остальные преимущества и нынешние рекламно-фантастические их интерпретации.

На пути к КвК возникает однако целый ряд задач фундаментального свойства. И в их решении в начале нового века действительно достигнуты серьезные результаты, которые, конечно же, были бы невозможны без концентрации значительного исследовательского потенциала.

В Соединенных Штатах, при Университете штата Нью-Мексико на средства гранта Национального научного фонда США в 2005 году создан Центр квантовой информации и контроля. При нем работает научный семинар, где с сообщениями выступают специалисты стран, прямо или косвенно ведущих исследования по созданию квантовых компьютеров. В эти исследования вложены большие средства, и в них участвуют многие научные коллективы США, Канады, Австрии, Германии, Норвегии, Франции, Швеции, Швейцарии. В Соединенных Штатах эти исследования ведутся в таких крупных научных центрах, как Национальная лаборатория Сандиа (термоядерный синтез), Национальная лаборатория в Лос-Аламосе (ядерная физика), Национальный институт стандартов и технологий в Боулдере, Калифорнийский институт технологий, Массачусетский институт технологий, а также в университетах отдельных штатов, располагающих соответствующей экспериментальной базой. Практически при каждом крупном университете США и других стран-участников этих работ созданы аналогичные центры.

В какой точке на пути к КвК находятся сами работы?

Их фронт очень широк. И поскольку нельзя объять необъятное, ограничусь изучением систем «атомы плюс фотоны», которые в последние годы привлекают все большее внимание. Прежде всего теоретически и экспериментально исследуются передача квантовой информации фотонами, управление этой передачей в системах «атомы-фотоны», контроль этой информации, создание квантовых сетей. Поскольку переносчиками информации являются фотоны, особое внимание уделено ультрахолодным и легковозбуждаемым атомам щелочных металлов (натрий, рубидий, цезий). Возбужденные атомы дают яркие спектральные линии цветом от желтого до темно-красного и в ближней части инфракрасного диапазона длин волн. Интерес представляют также атомы щелочноземельных элементов (кальций, барий, стронций). Чтобы получать наиболее чистые результаты, атомы размещают в ловушках при очень низких температурах.

Методами моделирования опробуются квантовые аналоги обработки и передачи информации, применяемые в обычном интернете. Теоретически и экспериментально изучаются механизмы ввода и вывода фотонов из фотонных хранилищ — памяти в виде ансамблей холодных, то есть неподвижных двухуровневых атомов.

Разрабатываются системы связи (интерфейсы) между вещественной (атомной) и световой (фотонной) подсистемами, а также между отдельными атомами, расположенными в узлах оптически прозрачных кристаллических решеток. Особое внимание уделено хранению квантовой информации и моделированию квантовых протоколов для систем хранения фотонов в оптически плотной атомной среде.

Одним из якобы «простых» и привлекательных для многих специалистов в квантовой информатике оказался кубит, реализуемый системой «один двухуровневый атом плюс один фотон в нанорезонаторе с большой добротностью». Физик Дэвид Меринг из Национальной лаборатории Сандиа в США, сообщая о результатах экспериментов, проведенных им в Институте квантовой оптики им. Макса Планка (ФРГ) в 2008 году, интерпретировал возникающий при этом «вакуумный дублет» как результат «перепутывания», «переплетения» (от англ. — tangle) двух фотонов. Причем второй, как считает Д. Меринг, дополнительно излучается тем же атомом некоторое время спустя после излучения первого фотона. Однако такое объяснение противоречит первоначальной постановке проблемы (фотон один!) и закону сохранения энергии.

В действительности «вакуумный дублет Раби» — суперпозиционное состояние одного фотона (или, если угодно, «перепутанный фотон»), первоначально излученного данным атомом. Квантовая электродинамика этой кажущейся «простой» системы была детально изучена в цикле моих статей, опубликованных в 1993—2009 годах. Причем три из них, ключевые, появились еще в 1995 году. В 2008 году на конференции «Nanophotonics II» в Страсбурге мне довелось выступить с большим докладом о квантово-статистической картине развития процесса излучения фотона в нанорезонаторе в пространстве время-частота (энергия). В нем содержалось много трехмерных графиков эволюции вероятности обнаружения фотона в этом пространстве. Цикл этих работ был начат еще в 1991 году, когда я работал в качестве ученого-визитера в Лондонском империал-колледже по приглашению академика сэра Питера Найта. В те годы наука о квантовых компьютерах делала лишь первые шаги.

Если взять интеграл от этой сверхновой информации, но, скажем прямо, не очень понятной простому читателю, давно отложившему в сторону школьные учебники физики, что же в «сухом остатке»?

Вот что: сегодня мы имеем концентрацию новых знаний на том уровне, который может заинтересовать практичных, прагматичных разработчиков и бизнесменов. За океаном такие начинают появляться. Но надо понимать: всё начинается именно с фундаментальных исследований. Так было и в Силиконовой Долине, и в других исследовательско-инновационных центрах. Как это делается обычно у них на Западе? Возникает проблема. Центром кристаллизации становится концентрация интеллектуальных сил, как правило, в одном из университетов, вокруг фундаментальных исследований, без которых эту проблему не решить.

Словно бы подсознание диктует им принцип нашего нобелевского лауреата Н.Н. Семенова: сегодня ни один серьезный практический шаг невозможен без глубинного погружения в фундаментальные первоосновы знаний о веществе и энергии…

И подсознание, и нормальный здравый смысл. И дальновидный расчет к тому же. Американцы дивиденды считать умеют. И не только от вложений в сиюминутно дающие прибыль проекты, но и в грядущие фундаментальные открытия. А потом уже, когда из этих открытий, как черт из табакерки, «выскакивают» выгоднейшие адреса для инвестиций, к ним «присасываются» ведущие фирмы со своими прикладными КБ.

…Завтра

Мы все о Штатах и о Штатах. А у нас-то что? В каком состоянии эти исследования в России?

Я не нашел такой информацию в интернете. Съездил на Воробьевы горы к Виктору Николаевичу Задкову, профессору, замдекана физфака МГУ, сопредседателю программного комитета Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике JCONO2010 (сама конференция пройдет с 23 по 27 июля в Казани). Если я правильно его понял, несмотря на близкое к критической массе перетекание российских умов на Запад, случись сейчас крайняя, аналогичная Урановому проекту, необходимость создать квантовый компьютер, интеллектуальные ресурсы у нас нашлись бы. В Московском и Петербургском университетах, в Физтехе имени Иоффе, ФИАНе, Институте лазерной физики в Новосибирске, Институте спектроскопии в Троицке и других местах сегодня развиваются крупномасштабные исследования приоритетного характера по квантовой и нелинейной оптике, по поведению сверххолодных атомов и молекул (в том числе их бозе-конденсатов) в ловушках различного типа, по квантовой информации, ее передаче, по квантовой криптографии.

Но прямые работы по созданию квантовых компьютеров в России сегодня не ведутся.

И не получится ли так, что учиться тому, как их доводить до наших магазинов электронной техники, мы опять поедем куда-нибудь в Нью-Мексико или Торонто, как сейчас ездим в Силиконовую Долину?

Вполне возможный вариант.

Вернемся к нашим баранам. Так все-таки, подарят ли нам новообразования типа Сколкова российский квантовый компьютер? Готовы вы поработать на такую программу, если она будет создана?

Тут вам сослагательное «если» мешает. Но — отвечу: если бы в проектной обойме какого-либо нашего научного или инновационного центра была программа, нацеленная на рождение отечественного КвК и объединяющая усилия и физиков-теоретиков, и прикладников, обеспеченная не «успешным» (очень часто у нас успешным лишь в «распиливании» больших денег), а просто нормальным менеджментом; если бы задачи, цели и само ее выполнение были бы абсолютно прозрачными, смею вас уверить, зазывать туда ученых, особенно молодых, не было бы никакой необходимости. Ей был бы обеспечен спонтанный приток и умов, и бизнес-инициативы.

Ну а если совсем серьезно, полагаю, что я уже много лет работаю на эту программу, ее теоретическую составляющую. Независимо от того существует она на бумаге или нет. Сейчас вот получил приглашение принять участие в III Международном форуме по нанотехнологиям, который пройдет в начале ноября. Надеюсь выступить на нем со стендовым докладом о своих последних работах, касающихся, кстати, и оптических КвК.

Беседовал Ким Смирнов

http://www.novayagazeta.ru/…/079/25.html