Сотрудники University of Bristol (Англия) объявили о том, что они открыли новую страницу в истории оптических квантовых компьютеров [1]. Ими впервые изготовлена и исследована интегральная оптическая схема на основе silica-on-silicon (оксид кремния на кремнии), которая по габаритам значительно меньше прежних весьма громоздких установок.

Однако сначала – немного истории. Фотоны являются идеальными кубитами: долго живут и легко управляются. В то же время фотоны плохо взаимодействуют друг с другом. Чтобы избавиться от этого недостатка, в 2002 г. была предложена оптическая схема, состоящая только из линейных элементов, на которой можно выполнить операцию CNOT [2]. В схеме используются волноводы и делительные пластины (beam splitter – BS), которые «замешивают» фотоны в различных волноводах. Два базовых состояния кубита таковы: фотон находится в одном волноводе или в другом. Естественно, у такого кубита возможны и суперпозиционные состояния. На рис. 1С представлена предложенная схема, которая как раз и реализует операцию CNOT в рассматриваемом эксперименте [1].

Рис. 1. А) – два связанных световода – основной элемент схемы; В) распределение поля в сечении волновода; С) – схема, реализующая CNOT после детектирования фотонов на выходе: С – управляющий кубит, Т – управляемый кубит

Два волновода С соответствуют управляющему кубиту, а два волновода Т–управляемому. Кроме того, в схеме присутствуют дополнительные волноводы V. Волноводы соприкасаются на некотором протяжении так, что фотоны могут просачиваться из одного волновода в другой. Дроби на рисунке соответствуют вероятности остаться в исходном волноводе. Соприкосновение волноводов играет ту же самую роль, что и делительные пластины в громоздких оптических схемах. Если фотоны являются идентичными, т.е. имеют одинаковую энергию и поляризацию, то, проходя связанные волноводы, они оказываются в запутанном состоянии.

Однако этого еще мало. Для реализации операции CNOT требуется проведение некоторого измерения. Если на выходе в каналах С и Т окажется ровно по одному фотону, то операция выполнена правильно, в остальных случаях – неправильно. Вероятность удачного исхода равна 1/9. Измерение требуется произвести неразрушающее, чтобы фотоны могли быть использованы в дальнейших вычислениях. Это означает регистрацию факта прохождения фотонов без их поглощения. В качестве кандидата на подобное измерение был указан эффект Керра, который состоит в изменении диэлектрической проницаемости среды под действием электрического поля. Фотоны при этом не поглощаются. Линейный эффект Покельса, естественно, не годится для осциллирующего поля. Пока совершенно не ясно, можно ли реально организовать подобное измерение. Вместо этого в 2004 г. было предложено использовать вспомогательные фотоны, над которыми и производят обычное разрушающее (с поглощением) измерение [3], при этом основные фотоны остаются целыми. Процент благоприятных исходов остался прежним – 1/9.

В представляемой работе [1] была реализована упрощенная схема (рис. 1С) исходной работы [2]. Волноводы были выполнены из оксида кремния на кремниевой подложке (рис. 1А). На рис. 1В представлено рассчитанное распределение интенсивности в поперечном сечении волновода. Исследования показали успешную работу схемы. Интегральная схема, конечно, гораздо лучше громоздкой оптической схемы.

Однако радужные перспективы на этом пути развития все же сомнительны. Помимо очевидных технологических сложностей (требуются синхронизированные источники и детекторы одиночных фотонов, а также точная настройка элементов схемы), следует указать на принципиальную проблему. В случае неудачного исхода операции CNOT придется запускать компьютер с самого начала. Если в алгоритме N таких операций, то для получения правильного результата компьютер придется запускать 9N раз! Эта экспонента напрочь «забивает» любое ускорение вычислений с помощью квантовых алгоритмов. Этот факт хорошо известен специалистам в области квантовых компьютеров, однако не все о нем честно сообщают, как это делает ПерсТ. Отметим, что традиционная схема квантового компьютера на взаимодействующих кубитах использует детерминированные операции CNOT.

Автор – В. Вьюрков

• 1. A. Politi et al., Science 320, 646 (2008)
• 2. T. C. Ralf et al., Phys. Rev. A 65, 062324 (2002)
• 3. S. Casparoni et al., Phys. Rev. Lett. 93, 020504 (2004)