РОЗДІЛ 8. Квантовий комп’ютер

Принцип роботи квантового комп’ютера базується на теорії сплутаних станів.

Сплутаність (entanglement) - це особлива властивість квантових систем, яка виявляється в тому, що вони певним чином пов’язані між собою, навіть знаходячись на значній відстані одна від одної. Якщо стан однієї з систем змінюється, то одночасно змінюється і стан інших. Ця особливість дозволяє спостерігачеві визначати стан всіх сплутаних систем, проводячи виміри лише для однієї з них. Вважається, що сплутаність може виявитися корисною при створенні квантових комп’ютерів - обчислювальних пристроїв, які зможуть проводити набагато більше обчислень за одиницю часу, ніж звичайні комп’ютери, завдяки тому, що квантові системи одночасно знаходяться в декількох станах (це називають суперпозицією станів).

На відміну від звичайних квантові комп’ютери оперують так званими кубітами (quantum bit або qubit) - квантовими аналогами бітів, які можуть набувати більше двох значень. Роль кубіта може виконувати атом або будь-який інший квантовий об’єкт. Наочно сукупність станів кубіта інколи зображують безліччю точок на поверхні сфери Блоха, що знаходяться між її південним і північним полюсами — станами і (див. рис. 8.1).

Рис. 8.1. Сфера Блоха станів кубіта.

Як у класичних, так і в квантових комп’ютерах біти або кубіти об'єднані в послідовності – регістри. Звичайний двобітовий регістр може зберігати 4 значення – логічні 00, 01, 10 або 11, але лише одне з них в даний конкретний момент часу. А в двокубітовому регістрі одночасно знаходяться всі 4 можливих значення. (Взагалі в регістрі розміром N кубітів одночасно „живуть” всі можливі значень.)

Якщо потрібно провести якусь дію над кожним з 4 можливих чисел в регістрі з 2 бітів на звичайному комп’ютері, то потрібно виконати 4 кроки послідовно, оскільки в 2 звичайних бітах в кожний момент часу записано лише 1 з 4 можливих чисел. Потрібно їх послідовно перебрати і над кожним виконати певну операцію. У квантовому комп’ютері з регістром з 2 кубітів завдання буде вирішено за один крок, адже операція проводиться відразу над всіма числами, які одночасно зберігаються в регістрі. Це називається „квантовим паралелізмом”. Саме квантовий паралелізм дозволяє зробити деякі обчислення набагато ефективнішими в порівнянні з обчисленнями на класичному комп’ютері і саме квантовий паралелізм кардинально підвищує швидкодію квантового комп’ютера в порівнянні з класичним.

Між кубітами квантового комп’ютера можна створити сплутаність.

Співробітники Університету Рочестера (США) продемонстрували простий експериментальний метод створення сплутаних кубітів (див. рис. 8.2). У цьому експерименті ультрафіолетовий лазерний промінь спрямувався на кристал з нелінійними оптичними властивостями (b -борат барію), який спонтанно розщеплює ультрафіолетовий фотон на пару сплутаних інфрачервоних фотонів. Кожний фотон відображався на 6 пікселів — кожен піксель представляв один рівень стану кубіта. Рочестерськая команда фактично сплутує імпульси фотонів, це означає, що їх положення в реальному місці (координати), як показує детектор, також сплутані.

Отже, властивості сплутаних станів різноманітних фізичних об’єктів підтверджені численними фізичними експериментами, і саме ці „надприродні” можливості лежать в основі роботи квантового комп’ютера, коли всі кубіти завдяки квантовій сплутаності можуть погоджено і миттєво змінювати свій стан, навіть якщо ми змінимо стан лише одного кубіта.

Рис. 8.2. Створення сплутаних фотонів.

Основні роботи над апаратним забезпеченням квантового комп’ютера просуваються в наступних напрямах:

· створення квантового процесора;

· створення пристроїв для зберігання квантової інформації (квантова пам’ять);

· розробка квантової шини для обміну інформацією.

Слід відзначити, що це лише аналоги відповідних пристроїв класичного комп’ютера, які істотно від них відрізнятимуться.