В ожидании квантового чуда

Все мы не раз слышали о надеждах создать квантовый компьютер, по мощности превосходящий обычные настолько же, насколько те превосходят механические счетные машины. И надежды эти начинают сбываться.

Сразу четыре группы ученых, работая независимо, совершили важный шаг к этому долгожданному событию, продемонстрировав рабочую версию простейших «квантовых микросхем». Дело за их совершенствованием и масштабированием - впрочем, на этом пути могут возникнуть непреодолимые сложности. «Вопрос в том, станет ли эта работа первым шагом к проведению сложных квантово-механических вычислений, - говорит один из авторов, - похоже, что вполне может стать».

Напомним, что в квантовых компьютерах, которым прочат столь блистательное будущее, вместо битов, способных принимать строго два значения - 0 или 1, используются кубиты, которые благодаря «странностям» квантово-механических законов могут также быть одновременно и 0, и 1. Объединенные квантовым спутыванием, кубиты могут меняться одновременно: каждая операция системы над одним из них моментально затронет все прочие. Все это позволяет считать, что полноценный квантовый компьютер затмит все ультрапроизводительные современные системы.

Однако для начала потребуется материальный носитель кубита. Им может служить отдельно взятый ион, способный вращаться в одном направлении (0), в противоположном (1) или в обоих сразу (0+1). Конечно, первое измерение состояния иона заставит неопределенное состояние сколлапсировать в 0 или 1, однако пока оно сохраняется, именно оно обеспечивает огромную производительность всей вычислительной системе. Во-вторых, кубиты потребуется квантово запутать, так, чтобы их состояния взаимозависели: изменение состояние одного кубита моментально меняет и состояние связанных с ним. Все это пока задачи архисложные и максимальное число рабочих кубитов в системе, которые удалось получить, - всего 21. Для победы над обычной электроникой этого никак недостаточно.

Впрочем, некоторые ученые предлагают пойти другим путем и вместо того, чтобы учиться создавать и поддерживать сверхсложные системы множества кубитов, лучше для начала обойтись схемами попроще. Именно так и поступили исследователи четырех групп, недавно параллельно представивших свои результаты.

Они использовали фотоны, прогоняя их через несложный лабиринт тончайших пересекающихся оптических каналов. В местах пересечений фотоны с определенной вероятностью двинутся по тому или иному направлению. В четырех экспериментах использовались разные схемы, но суть всех одинакова: пять или шесть входов и выходов, пересекающиеся каналы - и три фотона, путешествующие по этому лабиринту.

Теперь необходимо рассчитать вероятность выхода фотонов через разные комбинации выходных отверстий. Если б речь шла о трех шариках, это можно было бы проделать легко, однако квантовые явления ведут к тому, что фотоны в пути взаимодействуют друг с другом, интерферируя и меняя вероятность разных исходов. Такой расчет оказывается настолько сложным, что если б фотонов (или выходов) было больше десятка, с ним не справился бы даже самый современный компьютер.

Однако ученые предложили поступить проще и просто пропускать фотоны через лабиринт, измеряя результат. Таким образом, оптический лабиринт сам «производит» эти сложные вычисления и выдает результат, о котором и сообщили одновременно группы из Австралии, Великобритании, Австрии и Италии.

Впрочем, легко увидеть, что до полной победы квантовой электроники еще далеко. Начать с того, что система использует лишь очень ограниченное число фотонов - с такими расчетами справился бы и достаточно мощный персональный компьютер. Причем быстрее: эксперимент с лабиринтом требует нескольких часов. По расчетам авторов, понадобится увеличить число частиц до, скажем, 25, а каналов лабиринта -  400, чтобы обычный компьютер проиграл в соревновании.

Сами авторы уверены, что лет через десять такое станет реальностью. Однако некоторые эксперты не разделяют их оптимизма, считая, что выбранное направление вряд ли поможет созданию полноценных квантовых компьютеров. Системы на основе фотонов слишком подвержены воздействию различного шума и ненадежны. Да и, в конце концов, все, что мы видим - это простейшая схема для «решения» совершенно определенной задачи, и как использовать ее для вычислений в более широком смысле - пока неясно.