Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 23 от 20 июня 2006 года

Не сводится ли моделирование квантовых систем на квантовом компьютере к тому, что мы просто создаем где-то «под микроскопом» точно такую же систему и начинаем за нею наблюдать?

Юрий Ожигов: Конечно, нет. При моделировании на КК мы разбиваем естественную квантовую эволюцию на элементарные операции, их выполняют стандартные квантовые гейты. Доказано, что любая задача моделирования молекул или атомов допускает такое представление, а значит, ее можно решить на КК.

Но, повторяю, создание такого КК — фундаментальная проблема физики. Она тесно связана и с математическим формализмом, и с алгоритмами. Например, в моей недавней работе рассмотрена модификация аппарата квантовой теории на основе теории алгоритмов (arXiv:quant-ph/0604055). Эти исследования только начинаются, но есть надежда, что на их основе удастся построить эффективные алгоритмы для моделирования квантовых задач на обычных компьютерах. К тому же есть все основания считать, что алгоритмы — вообще более подходящий формализм для квантовой физики, чем традиционные анализ и алгебра. Что же касается компьютеров квантовых, то для них пока найдено очень мало алгоритмов, которые были бы эффективнее своих классических аналогов. Более того, есть теоремы (в том числе и мои), показывающие, что подавляющее большинство классических алгоритмов невозможно ускорить на КК (о своих результатах в этом направлении я рассказывал еще на первой конференции НАСА по квантовому компьютингу в Палм-Спрингс в 1998 году). Но это не повод для пессимизма — уже обнаруженные квантовые алгоритмы открывают очень заманчивые перспективы.

Юрий Ожигов сразу предупредил меня, что бо’льшая часть работы, ведущейся в нашей стране по квантовым компьютерам, носит теоретический характер. Однако интереснее всего было узнать, что же делается в другой, меньшей части. Оказалось, что во ФТИАНе развиваются сразу несколько направлений исследований по квантовому харду.

Начнем с квантовой томографии — технологии точного определения квантового состояния системы.

Юрий Богданов: По квантовой томографии мы ведем совместную работу с группой Сергея Кулика из МГУ. Классический объект мы можем рассматривать с разных сторон, не разрушая его. Квантовое же состояние при однократном измерении разрушается. Поэтому надо уметь приготавливать ансамбль квантовых объектов, каждый из которых находится в одном и том же квантовом состоянии. Проведя измерения на ансамбле, можно очень точно установить, в каком квантовом состоянии находился каждый его представитель. Когда мы разрабатываем кубиты, то должны быть уверены, что можем привести их именно в то состояние, которое необходимо для выполнения квантового алгоритма.

Квантовая система существует в квантовом состоянии до тех пор, пока мы на нее не смотрим. А как только мы посмотрели (провели измерение), она схлопывается в одно из очень небольшого числа наблюдаемых состояний. Но вы говорите, что можете точно измерить как раз то состояние, которое мы не можем непосредственно наблюдать?

Юрий Богданов: Именно так. Вот пример. Предположим, мы измеряем проекцию спина электрона на вертикальную ось. Мы всегда получим одно из двух чисел: 1/2 или —1/2. Но по совокупности измерений, проводимых над ансамблем одинаково приготовленных электронов, мы можем восстановить их настоящее квантовое состояние — в данном случае два комплексных числа. При работе с фотонами мы конструируем трех-четырехуровневое состояние и с высокой точностью восстанавливаем четыре комплексных числа, которые его описывают (если уж совсем строго, мы восстанавливаем не само квантовое состояние, а его матрицу плотности, но в данном случае сути дела это не меняет).

То есть квантовые алгоритмы требуют манипуляций с кубитами в комплексном пространстве с большой точностью, и как раз это вы и делаете с помощью квантовой томографии?

Юрий Богданов: Совершенно верно. Есть общая теорема, которая гласит, что для квантовых вычислений существует универсальный набор логических элементов (гейтов, вентилей). Чтобы сделать любое квантовое вычисление, достаточно научиться произвольным образом манипулировать с одним кубитом, а также уметь выполнять одну из двух канонических операций с двумя кубитами (например, C-NOT, «контролируемое НЕ»). Для реализации любого алгоритма остается только убедиться, что мы можем с необходимой точностью выполнять эти элементарные операции.

О квантовом компьютинге «КТ» писала не раз, впервые — в теме «Игра в кубики» (#224, 1997 г.). Напомним основные принципы квантового вычисления. Квантовый компьютер (КК) — система так называемых кубитов (qubits, квантовых битов), квантовых объектов, при измерении переходящих в одно из двух базовых состояний, 0 или 1 (впрочем, теоретики, а теперь уже и экспериментаторы иногда работают с кутритами и куквартами, имеющими соответственно три или четыре базовых состояния). В процессе квантового вычисления кубиты находятся в «квантовом состоянии», образуя физическую систему, живущую по парадоксальным законам квантовой теории, — например, частицы (или другие объекты, реализующие кубиты) иногда ведут себя как единое целое, даже если никакого взаимодействия между ними нет, в этих случаях говорят о «запутанном» (entangled) состоянии системы. КК в соответствии с заданной программой управляет динамикой этого роя кубитов и оперирует не нулями и единицами, как обычный компьютер, а векторами с комплексными координатами в пространстве колоссальной размерности. Когда нужное состояние системы достигнуто (точнее, мы думаем, что оно достигнуто, — проверить это, не разрушив квантовое единство, невозможно), производится измерение, которое переводит кубиты в базовые состояния. Полученная строка привычных нулей и единиц дает ответ (правда, лишь с определенной вероятностью, которую теоретически можно сделать очень высокой).

Жгучий интерес к КК был стимулирован открытием в середине 1990-х годов нескольких алгоритмов, позволяющих (тоже теоретически; в области КК пока что почти все делается теоретически) за разумное время решать на таком устройстве безнадежные для классического компьютера задачи. Питер Шор (Peter Shor) придумал быстрый квантовый алгоритм для важнейших в современной криптографии задач факторизации и дискретного логарифмирования. Лов Гровер (Lov Grover) доказал совсем уж контринтуитивный результат — КК может найти запись в массиве из N записей за N попыток.

Однако сегодня наибольший интерес ученых вызывает самая естественная сфера потенциального применения КК, точное моделирование квантовых систем — атомов, молекул, их сложных взаимодействий в химических реакциях и живых организмах.

Каковы же требования к точности?

Юрий Богданов: Для задач квантового компьютинга нужна точность в четыре-пять девяток (99,999%). Этого, с учетом алгоритмов (весьма ресурсоемкого) исправления ошибок, достаточно для реализации сложных квантовых вычислений. В наших работах с группой Кулика (они опубликованы в ведущих международных и российских научных журналах) мы получаем точность 99,98%. Сегодня это лучший результат в мире. Нет сомнения, что на более качественной аппаратуре наши методы позволят достичь большей точности.

Но работа с кубитами не единственная наша задача. Мы преследуем прежде всего фундаментальные цели — продемонстрировать конструктивный подход к квантовой механике, показать, что пси-функция — реальный объект, который можно измерить (просто для этого нужно использовать ансамбль представителей).

Второе экспериментальное направление, развиваемое учеными ФТИАН, — кубиты на основе цепочек ядерных спинов.

Владимир Лукичёв: Используя современную технологию создания структур в полупроводнике размером в несколько нанометров, мы можем имплантировать в узкий канал в кремнии линейную цепочку ионов фосфора. Одна такая цепочка содержит от десяти тысяч до миллиона атомов (ядерный спин очень мал, и чтобы управлять им и надежно его детектировать, надо набрать достаточно большое число частиц). Это один логический кубит.

Эксперименты с такими кубитами запланированы на следующее лето. Сейчас мы строим «чистую комнату», в которую будет установлен электронный литограф (он стоит 1,2 млн. евро, финансирование идет из госбюджета, по целевым программам). Это оборудование позволяет создавать структуры по 32-нанометровой технологии, их мы будем использовать для экспериментов с квантовыми устройствами. Первая задача — создать хотя бы пару кубитов и научиться ими управлять.

Еще один экспериментальный проект связан с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП).

Владимир Лукичёв: В нашем институте ведется и проект по созданию так называемого р-контакта. В этом случае кубит создается на границе ВТСП двух разных типов (SDS-переход). Потенциальная энергия такого перехода имеет два минимума, при значениях фазовой переменной 0 и р. Они соответствуют двум базовым состояниям кубита.