Квантовые компьютеры - что это такое? Принцип работы и фото квантового компьютера. Квантовый компьютер

МОСКВА, 12 сен — РИА Новости. Немногие области науки могут похвастаться наличием таких жарких споров, как квантовая информатика. Одни ученые активно занимаются исследованиями и предлагают новые решения, другие упорно пытаются найти недостатки, доказав невозможность существования универсальных квантовых компьютеров. Недостаток современных ПК очевиден — рано или поздно будет достигнут минимально возможный размер классического транзистора, и на этом прогресс остановится.

© Иллюстрация РИА Новости

© Иллюстрация РИА Новости

Основа таких компьютеров — бит, объект, который может находиться в двух взаимоисключающих состояниях: либо "0", либо "1". Бит может изменяться в зависимости от напряжения полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то состояние бита — логическая "1", а если меньше, то логический "0". Память компьютера представляет собой массив битов, а все вычисления — определенные операции, изменяющие состояния битов.

Квантовый компьютер использует принципиально иной метод расчетов на основе кубитов. В отличие от битов, они могут находиться в двух логических состояниях одновременно.

© Иллюстрация РИА Новости

© Иллюстрация РИА Новости

Такое состояние квантовой системы называется суперпозицией.
Вычислительная мощность квантовых компьютеров вырастает относительно классической транзисторной схемы за счет реализации большего числа операций в единицу времени.

Существует много вариантов технической основы для создания кубитов. Первый вариант — микроскопические сверхпроводящие кольца, в котором логическое состояние зависит от направления тока по кольцу (ток в такой системе может одновременно течь как по часовой стрелке, так и против). Второй вариант — атомы, охлажденные до температуры в несколько кельвин ("0" и "1" — это разные энергетические состояния атомов). Третий — ловушки на ионах.

Количество кубитов — это только одна характеристика квантового компьютера. Есть еще много других параметров: как долго могут существовать кубиты, насколько легко ими управлять, воспроизводятся ли результаты вычислений, можно ли масштабировать систему до больших размеров?

Компьютер в Гарварде из 51 кубита способен решать только одну задачу — изучение определенных явлений в квантовой многочастичной модели. Для решения другой задачи придется существенно модифицировать его. Максимальное число кубитов, из которого сделан репрограммируемый квантовый компьютер, способный решать разные задачи, пока равно 16. Создавшая его компания IBM заявила, что компьютер уже использовался для проведения 300 000 экспериментов с квантовыми вычислениями ее пользователями при помощи облачных сервисов.

Итак, прогнозы скептиков, считающих, что квантовый компьютер не сможет работать вообще, не сбылись. Конечно, существующие системы пока не являются универсальными, то есть способными решать любую задачу и демонстрировать в ряде задач ускорение, которое недоступно классическим компьютерам, благодаря квантовым эффектам.

Но несмотря на воодушевление приверженцев квантовых компьютеров, последние имеют свои слабые места. Во-первых, квантовые состояния хрупки настолько, что любое возмущение (измерение состояния системы) может привести к разрушению состояния. Так достоверность расчетов оказывается под вопросом, и нужно собирать отдельные системы для проверки их работы. Второй минус заключается в возможности потери информации .

При существовании двух (или нескольких) кубитов, находящихся в одинаковых квантовых состояниях, вероятность потери бита информации стремится к нулю. Однако в противном случае, при разных квантовых состояниях, между ними происходит взаимодействие, приводящее к потере одного бита. Очень сложно создать большую квантовую систему, элементы которой будут достаточно хорошо взаимодействовать между собой и при этом будут достаточно хорошо защищены от окружения, которое может разрушить суперпозицию кубитов.

Исследователи признают, что на данный момент квантовый компьютер не подходит для рядового пользователя. Да и оправдана ли будет цена квантовых компьютеров для домашнего пользования? Нужна ли будет его вычислительная мощность для просмотра фильмов и поддержки интернета?

Наверняка квантовые компьютеры заменят нынешние суперкомпьютеры в исследовательских лабораториях, станут незаменимыми для моделирования сложнейших физических процессов. Но станут ли они заменой ПК у нас дома и оправдана ли будет эта замена? Можно предположить, что у нас в домах будут стоять гибриды квантовых и классических компьютеров, но как это будет точно, сейчас сказать не может никто.

"Я полагаю, что создание квантового компьютера разделит историю человечества на две эпохи: до и после. Кстати, у России есть возможность составить достойную конкуренцию самым технологически развитым странам в квантовой гонке. Возможности квантового компьютера не только приведут к колоссальному технологическому скачку, но и дадут ответы на фундаментальные вопросы. Так что это на самом деле технология будущего. И приближается оно быстрее, чем кажется", — комментирует научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров.

Человечество, как и 60 лет назад, снова стоит на пороге грандиозного прорыва в сфере вычислительных технологий. Уже очень скоро на смену сегодняшним вычислительным машинам придут квантовые компьютеры.

До чего дошёл прогресс

В далёком 1965 году Гордон Мур говорил, что за год количество транзисторов, вмещающихся в кремниевом микрочипе, увеличивается вдвое. Этот темп прогресса последнее время замедлился, и удвоение происходит реже - раз в два года. Даже такой темп в ближайшем будущем позволит достигнуть транзисторам размеров с атом. Дальше - рубеж, который переступить невозможно. С точки зрения физического строения транзистора он никак не может быть меньше атомарных величин. Увеличение размеров чипа проблему не снимает. Работа транзисторов связана с выделением тепловой энергии, и процессоры нуждаются в качественной системе охлаждения. Многоядерная архитектура также не решает вопрос дальнейшего роста. Достижение пика в развитии технологии современных процессоров произойдёт уже скоро.
Разработчики пришли к пониманию этой проблемы в то время, когда у пользователей только начали появляться персональные компьютеры. В 1980 году один из основателей квантовой информатики, советский профессор Юрий Манин, сформулировал идею квантовых вычислений. Уже через год Ричард Фейман предложил первую модель компьютера с квантовым процессором. Теоретические основы того, как должны выглядеть квантовые компьютеры, сформулировал Пол Бениофф.

Принцип работы квантового компьютера

Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь хотя бы поверхностные знания принципов квантовой механики. Нет смысла приводить здесь математические раскладки и выводить формулы. Обывателю достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики:

• Состояние или положение частицы определяется только с какой-либо долей вероятности.
• Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции.
• Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров.

С точки зрения здравого смысла - полная бессмыслица. В нашем обычном мире эти принципы можно представить следующим образом: дверь в комнату закрыта, и в то же время открыта. Закрыта и открыта одновременно.

В этом и заключено разительное отличие вычислений. Обычный процессор оперирует в своих действиях бинарным кодом. Компьютерные биты могут находиться только в одном состоянии - иметь логическое значение 0 или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут иметь логическое значение 0, 1, 0 и 1 сразу. Для решения определённых задач они будут иметь многомиллионное преимущество по сравнению с традиционными вычислительными машинами. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.

Где будет применяться новая вычислительная машина

Новый подход в процессе вычислений позволяет работать с огромными массивами данных и выполнять моментальные вычислительные операции. С появлением первых ЭВМ некоторые люди, включая государственных деятелей, имели большой скепсис относительно применения их в народном хозяйстве. Есть и сегодня люди, полные сомнений относительно важности компьютеров принципиально нового поколения. Весьма продолжительное время технические журналы отказывались печатать статьи о квантовых вычислениях, считая это направление обычной мошеннической уловкой для одурачивания инвесторов.

Новый способ вычислений создаст предпосылки для научных грандиозных открытий во всех отраслях. Медицина решит многие проблемные вопросы, которых накопилось в последнее время довольно много. Станет возможным диагностика раковых заболеваний на более раннем этапе заболевания, чем сейчас. Химическая промышленность сможет синтезировать продукты с уникальными свойствами.

Прорыв в космонавтике не заставит себя ждать. Полёты к другим планетам станут таким же обыденным действием, как и ежедневные поездки по городу. Потенциал, который заложен в квантовых вычислениях, безусловно, преобразит нашу планету до неузнаваемости.

Другая отличительная особенность, которой обладают квантовые компьютеры, это способность квантового вычисления быстро подобрать нужный код или шифр. Обычный компьютер выполняет решение математической оптимизации последовательно, перебирая один вариант за другим. Квантовый конкурент работает сразу со всем массивом данных, молниеносно выбирая наиболее подходящие варианты за беспрецедентно короткое время. Банковские операции будут расшифрованы в мгновение ока, что современным вычислительным машинам недоступно.

Однако банковский сектор может не переживать - его тайну спасёт метод квантового шифрования с парадоксом измерения. При попытке вскрыть код произойдёт искажение передаваемого сигнала. Полученная информация не будет иметь никакого смысла. Секретные службы, шпионаж для которых - обычное дело, заинтересованы в возможностях квантовых вычислений.

Трудности конструирования

Сложность заключается в создании условий, при которых квантовый бит сможет бесконечно долго находиться в состоянии суперпозиции.

Каждый кубит представляет собой микропроцессор, который работает на принципах сверхпроводимости и законах квантовой механики.

Вокруг микроскопических элементов логической машины создаётся целый ряд уникальных условий окружающей среды:

• температура 0,02 градуса по Кельвину (-269,98 по Цельсию);
• система защиты от магнитного и электрического излучения (снижает воздействие этих факторов в 50 тысяч раз);
• система теплоотвода и гашения вибраций;
• разрежение воздуха ниже атмосферного давления в 100 миллиардов раз.

Небольшое отклонение окружающей среды вызывает мгновенную потерю кубитами состояния суперпозиции, что приводит к сбою в работе.

Впереди планеты всей

Всё вышеописанное можно было бы отнести к творчеству воспалённого разума писателя фантастических рассказов, если бы компания Google совместно с NASA не приобрела в прошлом году у канадской исследовательской корпорации квантовый компьютер D-Wave, процессор которого содержит 512 кубитов.

С его помощью лидер на рынке компьютерных технологий будет решать вопросы машинного обучения в сортировке и анализе больших массивов данных.

Немаловажное разоблачительное заявление сделал и покинувший США Сноуден - АНБ также планирует разработать свой квантовый компьютер.

2014 -начало эры D-Wave systems

Успешный канадский спортсмен Джорди Роуз после сделки с Google и NASA приступил к построению процессора в 1000 кубитов. Будущая модель по скорости и объёмам вычислений превзойдёт первый коммерческий прототип минимум в 300 тысяч раз. Квантовый компьютер, фото которого расположено ниже, является первым в мире коммерческим вариантом принципиально новой технологии вычислений.

Заняться научными разработками его побудило знакомство в университете с трудами Колина Уильямса по квантовым вычислениям. Надо сказать, что Уильямс сегодня работает в корпорации Роуза руководителем бизнес-проектов.

Прорыв или научный обман

Что такое квантовые компьютеры, до конца не знает и сам Роуз. За десять лет его команда прошла путь от создания процессора в 2 кубита до сегодняшнего первого коммерческого детища.

С самого начала исследований Роуз стремился создать процессор с минимальным количеством кубитов в 1 тысячу. И он обязательно должен был иметь коммерческий вариант - чтобы продать и заработать денег.

Многие, зная одержимость и коммерческую хватку Роуза, пытаются обвинить его в подлоге. Якобы за квантовый выдаётся самый обычный процессор. Этому способствует и то, что феноменальное быстродействие новая техника проявляет при выполнении определённых типов вычислений. В остальном же ведёт себя как вполне заурядный компьютер, только очень дорогой.

Когда же они появятся

Ждать осталось недолго. Исследовательская группа, организованная совместными приобретателями прототипа, в скором будущем даст отчёт о результате исследований на D-Wave.
Возможно, скоро грядёт время, в котором квантовые компьютеры перевернут наше представление об окружающем мире. И всё человечество в этот момент выйдет на более высокий уровень своей эволюции.

История вычислительной техники, которую мы сейчас называем просто сервер или компьютер, началась много веков назад. С течением времени и развитием технологий совершенствовались и компьютеры. Улучшалась производительность, скорость работы и даже внешний вид. Любой компьютер в своей основе реализует определенные законы естественных наук, таких как физика и химия. Углубляясь в любую из этих наук, исследователи находят новые и новые пути совершенствования вычислительных систем. Сегодня мы будем знакомиться с исследованием, нацеленным на реализацию применения фотонов в квантовых компьютерах. Поехали.

Теоретическая основа

Словосочетание «квантовый компьютер» уже перестало быть шокирующим, хоть и звучит как научная фантастика. Однако ничего фантастического в нем нет, по крайней мере с литературной точки зрения. Квантовый компьютер эксплуатирует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность. Простыми словами говоря, квантовая суперпозиция это явление, когда квантовые состояния системы взаимоисключаются. Если говорить не о частицах, о чем-то «покрупнее», то можно упомянуть кота Шредингера.

Немного про кота Шредингера

Данный теоретический эксперимент был описан самим Шрёдингером довольно подробно и сложно, в какой-то степени. Упрощенный вариант звучит так:

Есть стальная коробка. В коробке кот и механизм. Механизм - счетчик Гейгера с очень малым количеством радиоактивного вещества. Данное вещество так мало, что за 1 час может распасться 1 атом (а может и не распасться). Если это происходит, то считывающая трубка счетчика разряжается и срабатывает реле, освобождающее молоток, который висит над колбой с ядом. Колба разбивается, и яд убивает кота.

Иллюстрация эксперимента

Теперь пояснение. Мы не видим что происходит в коробке, мы не можем повлиять на процесс даже своими наблюдениями. Пока мы не откроем коробку, мы не знаем жив кот или мертв. Таким образом, утрируя, можно сказать, что для нас кот в коробке находится в двух состояниях одновременно: он и жив, и мертв.

Очень интересный эксперимент, раздвигающий границы квантовой физики.

Еще более необычным можно считать парадокс Вигнера. К всем вышеуказанным переменным эксперимента добавляются некие друзья лаборанта, что проводит данный эксперимент. Когда он открывает коробку и узнает точное состояние кота, его товарищ, находясь в другом месте, этого состояния не знает. Первый должен сообщить второму, что кот жив или мертв. Таким образом, пока все во Вселенной не будут знать точного состояния бедного животного, оно будет считаться и мертвым, и живым одновременно.

Что касается квантовой запутанности, то тут состояния двух или более частиц зависят друг от друга. То есть, говоря о тех же фотонах, если изменение спина одной частицы приводит к тому, что она становится положительной, то вторая автоматически становится отрицательной, и наоборот. При этом измерив состояние первой частицы, мы мгновенно лишаем вторую частицу состояния квантовой запутанности.

Оперирует квантовый компьютер не битами, а кубитами, отличающихся от первых тем, что одновременно могут находиться в двух состояниях - 0 и 1. Это позволяет обрабатывать информацию значительно быстрее.

С фотонами все чуть проще. Фотон это «частичка света», если говорить очень утрировано. Более научное определение это элементарная частица электромагнитного излучения, способная переносить электромагнитное взаимодействие.

Обратная сторона медали

Фотоны являются отличными переносчиками квантовой информации, однако отсутствие детерминистской* взаимосвязи фотон-фотон ограничивает их применение в квантовых компьютерах и сетях.

Детерминистские системы* это системы, процессы в которых взаимосвязаны таким образом, что можно отследить причинно-следственную последовательность. Другими словами, это системы, где входящие данные (к примеру задачи) полностью соответствуют исходящим данным (результат решения).

Данное исследование возможно и не состоялось бы вовсе, если бы не недавние открытия в области взаимодействия свет-материя посредством нейтральных захваченных атомов, которые позволили использовать оптические нелинейности* в однофотонном режиме.

Оптическая нелинейность* объясняется нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны. Наблюдать подобное можно при использовании лазеров, так как они могут генерировать луч высокой интенсивностью света.


Оптическая нелинейность на примере генерация второй оптической гармоники (second harmonic wave)

Данная техника сопряжена с проблемами реализации устройств в компактном виде, поскольку для ее реализации требуются весьма габаритные и крайне сложные в настройке лазерные ловушки. К тому же нейтральные атомы работают с низкой пропускной способностью.

Другой вариант, который также пока отложен в долгий ящик, это системы на базе нелинейной квантовой электродинамики. Поскольку такие системы работают исключительно в микроволновом режиме, а перевести их в оптический режим крайне проблематично.

Другие же исследователи решили копнуть еще глубже, практически буквально. Использование нанофотонных систем, в которых фотоны взаимодействуют с нанометровыми элементами (в данном случае с квантовыми эмиттерами) является весьма привлекательным способов реализации однофотонной нелинейности в компактных твердотельных устройствах. Однако пока что в подобных экспериментах используются эмиттеры, представленные двухуровневой атомной системой, ограниченной компромиссом между пропускной способностью и задержкой, что делает реализацию однотонных переключателей невозможной.

Как вывод, все предыдущие исследования имели определенные положительные результаты, которые, к сожалению, были сопряжены с теми или иными проблемами реализации или же взаимодействия систем.

Основы исследования

В данном же исследовании продемонстрирован однофотонный переключатель и транзистор, реализованные посредством сопряжения твердотельного квантового кубита и нанофотонного резонатора.

Одним из основных элементов эксперимента является спиновый кубит, состоящий из единственного электрона в заряженной квантовой точке* .

Квантовая точка* (или «искусственный атом») - частица полупроводника. Из-за крайне малого размера ее оптические и электронные свойства сильно отличаются от подобных у более крупных частиц.

Изображение №1а

На изображении 1а продемонстрирована структура уровня квантовой точки, включающая два основных состояния* с противоположными спинами, что формирует стабильную квантовую память. Эти состояния помечены так: |⟩ и |↓⟩ .

Основное состояние* - в квантовой механике это стационарное состояние, когда уровень энергии и другие величины не изменяются, с наименьшей энергией.

Также на изображении отмечены и состояния возбуждения* , которые содержат пару электронов и одну дырку* с противоположными спинами. Обозначаются так: |↓,⇑⟩ и |↓, ⇓⟩ .

Возбуждение* - обозначает переход системы из основного состояния в состояние с более высокой энергией.

Дырка* - квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Изображение №1b

Изображение 1b это снимок изготовленного нанофотонного резонатора, сделанный сканирующим электронным микроскопом. Посредством эксплуатации эффекта Фогта* было получено спин-зависимое соединение за счет применения магнитного поля (5.5 Тл) по плоскости устройства.

Фогта эффект* - возникновение двойного лучепреломления электромагнитной волны во время ее распространения в твердых телах.

За счет измерений кросс-поляризованной отражательной способности удалось также определить силу соединения (g ), скорость распада энергии нанофотонного резонатора (к ) и декогерентного дипольного перехода (y ):

• g /2π=10.7±0.2 ГГц
• к /2π=35.5±0.6 ГГц
• y /2π=3.5±0.3 ГГц

При этом g>к/4 - условие, определяющее что устройство перешло в режим сильной и стабильной связи.

Изображение №1с

На изображении 1с (сверху слева) графически продемонстрированы принципы работы однофотонного переключателя и транзистора. Как мы видим, если затворный импульс не содержит фотонов, то спин остается в положении «вниз». Если же присутствует один фотон, то спин переходит в положение «вверх». Как следствие спиновое состояние контролирует коэффициент отражения нанофотонного резонатора, тем самым изменяя поляризацию фотонов отраженного сигнала.

Вся последовательность импульсов показана на изображении 1с (снизу). Теперь давайте чуть подробнее о каждом шаге.

• В начале имеется квантовая точки в суперпозиции ее основного спинового состояния. Вычисляется с помощью формулы (|⟩ + |↓⟩)/√2 . Достигается это путем применения импульса инициализации для оптической накачки спина, что переводит его в состояние «вниз».
• Далее применяется оптический ротационный импульс, создающий спиновое вращение π/2.
• В течение некоторого времени (τ ) система свободно развивается.

  Если это время установить как целое число + половина периода процессии спина, тогда при отсутствии затворного фотона спин будет переходить в состояние (|⟩ - |↓⟩)/√2 , а второй ротационный импульс переведет спин обратно в состояние «вниз». Если же затворный фотон отражается от резонатора, то он формирует относительный π-фазовый сдвиг между состояниями «вверх» и «вниз», который отражает спин вдоль оси (x ) сферы Блоха* . Таким образом второй ротационный импульс будет переводить спин в состояние «вверх».

• Применяется еще один ротационный импульс, идентичный первому.
• Между этими двумя импульсами внедряется затворный импульс.

Сфера Блоха* - в квантовой механике используется как способ геометрического представления пространства состояния кубита.

• В конце процесса поле сигнала отражается от резонатора и подвергается вращению поляризации, которое напрямую зависит от состояния спина.

Изображение №2а

На графике выше продемонстрирован коэффициент пропускания сигнального поля, проходящего через поляризатор, в виде функции (τ) при отсутствии затворного импульса.

Контрастность пропускания определяется формулой: δ = Т up - T down

Где Т up и T down - коэффициенты пропускания поля сигнала в моменты перехода спина в состояние «вверх» (up ) и «вниз» (down ) с применением двух ротационных импульсов, соответствующих максимальному и минимальному значению коэффициента пропускания в колебании.

Константное значение δ = 0.24 ± 0.01. Оно сильно отличается от идеального из-за неточного состояния спина F = 0.78 ± 0.01 и из-за ограниченной кооперативности С = 2g 2 / ky = 1.96 ± 0.19.

Изображение №2b

График 2b демонстрирует случай, когда применяется 63-ps импульс, содержащий примерно 0.21 фотонов на 1 импульс, связанных с резонатором. Дабы убедиться в том, что один фотон регулирует коэффициент пропускания, были проведены измерения двухфотонного совпадения между затворным и сигнальным фотонами.

Зеленые точки - измеренный коэффициент пропускания сигнала, обусловленный обнаружением отраженного затворного фотона как функции (τ ).

Зеленая линия - числовое соответствие модели, отображаемой на графике 2а .

Вертикальная линия (а) на графиках 2а и 2b это обозначение состояния, когда спин подвергается полуцелому числу вращений вокруг сферы Блоха во время периода свободного развития. В такой ситуации затворный фотон приводит к тому, что поляризация сигнального поля начинает вращаться и перенаправляться через поляризатор.

Вертикальная линия (b) на графиках 2а и 2b это отображение второго рабочего состояния, при котором возможно выполнение операций переключения. В данном варианте наблюдается поведение обратного переключения, когда затворный фотон предотвращает вращение сигнального поля, тем самым уменьшая коэффициент пропускания.

В обоих случаях затворный импульс вызывает изменения коэффициента пропускания сигнала на 0.21 ± 0.02. Чтобы считать затворный фотон идеальным, этот показатель должен быть равен 0.24, как было определено в вычислениях, продемонстрированы на графике 2а . В случае с реальным экспериментом показатели хуже ввиду использования аттенуированного (с затухающим колебанием) лазера для создания затворного импульса, который, хоть и маловероятно, но может содержать несколько фотонов.

Изображение №2с

График выше отображает коэффициент пропускания в виде функции времени задержки (τ ), когда среднее значение сигнальных фотонов на 1 импульс выставлено на 4.4 ± 0.5 (вверху), 10.9 ± 1.2 (посередине), 23.0 ± 2.5 (снизу).

Зеленые точки - коэффициент пропускания, обусловленный обнаружением затворного фотона.

Оранжевые квадраты - коэффициент пропускания без затворного импульса.

Зеленые и оранжевые линии - числовое соответствие теоретическим моделям из графиков 2а и 2b .

Во всех случаях отчетливо наблюдается поведение переключения.

Подсчеты контраста переключения (ξ ) дали следующие результаты: 0.22 ± 0.03, 0.17 ± 0.02 и 0.12 ± 0.02, в соответствии с каждым графиком.

Основная проблема, связанная с контрастом переключения, это его снижение при увеличении числа сигнальных фотонов. Это обусловлено тем, что каждый сигнальный фотон может обратным образом воздействовать на спин через комбинационное рассеяние света (эффект Рамана* ). Это приводит к сбросу состояния внутренней квантовой памяти.

Эффект Рамана* - неупругое рассеяние оптического излучения, когда частицы сталкиваются, что приводит к изменению их состояния, формированию новых частиц, превращением в другие или рождением новых частиц.

Изображение №3

На графике 3а синие точки показывают измеренный контраст пропускания, когда затворного импульса нет, в виде функции среднего числа фотонов в сигнальном поле. Это показатель степени самостоятельного переключения, спровоцированного сигналом без затвора. Синими линиями обозначается численное соответствие данных экспоненциальной функции вида exp (-N s / N avg ) , где N avg это среднее число сигнальных фотонов, необходимых для изменения положения спина. Подсчеты показали, что N avg = 27.7 ± 8.3.

Еще одним важным свойством транзисторов является коэффициент передачи (G ). График 2b (синие точки) демонстрирует рост данного показателя. Исследователям удалось достичь G = 3.3 ± 0.4 при количестве фотонов N s = 29.2 ± 3.2.

25-09-2017, 16:25

В сегодняшней статье мы не станем рассматривать ни хитросплетений событий прошлого, ни паранаучных извращений настоящего. Сегодня мы с вами попробуем заглянуть в будущее.

Флагманской темой разговоров о будущем нередко становится вопрос технологий - и, надо отметить, абсолютно заслужено. Из всех факторов, оказывающих влияние на движение шестеренок исторического процесса, наиболее сильным можно назвать именно динамику изменения технологического уклада. Жертвами постепенного внедрения новых технологий и внезапной утраты смысла в старых на протяжении истории становились как социальные институты, так и целые империи, а в ряде случаев - и вовсе цивилизации. В силу этого желание встретить новую порцию изменений подготовленными выглядит более чем закономерным.

Но при этом нельзя не отметить, что современная технологическая футурология в значительной мере поражена эмоционально обусловленным визионерством достаточно дурного пошиба. Такого, где качество прогнозирования оказывается менее приоритетным, чем желание ошеломить и восхитить аудиторию стильным образом демонстративно-высокотехнологичного будущего. Дело, наверное, в том, что подобного рода футурология носит не столько фундаментальный, сколько прикладной характер, обслуживая скорее задачи маркетинга здесь и сейчас, нежели потребность в понимании образа будущего когда-нибудь потом. Из-за этого бытуют изрядно примитивизированные представления, что будущее - это когда:
1. всё стильное, округлое и преимущественно белого цвета (покойный Стив Джобс и Apple);
2. всё электрическое, повторно используемое и экологичное (Илон Маск и его империя из SpaceX, Tesla и SolarCity);
3. всё кибернетизированное, искусственно-интеллектовое и с заявками на модификацию человеческой природы (Рэй Курцвейл и Google, редкий случай, когда лицо образа будущего не является первым лицом в компании);
4. произвольная комбинация из вышеперечисленных пунктов (среднестатистический подписчик любого паблика на научно-технические темы).

В чем проблема перечисленных вариантов будущего, каким мы его видим из сегодняшнего дня? В том, что собственно вариантов будущего они толком и не содержат. Все перечисленное в лучшем случае пригодно на правах описания эстетики какой-нибудь научно-фантастической франшизы, кусочек которой аудитории и предлагается купить в виде продукции соответствующей компании. Перечисленные варианты достаточно бедны в части описания реальных проблем и решений, а те, что всё-же присутствуют - обтекаемы и, мягко выражаясь, небесспорны.

Здесь, казалось бы, напрашивается фраза "а сейчас я покажу вам настоящую качественную футурологию". Её, однако, не будет. Подобное утверждение было бы слишком смелым и самонадеянным. Вместо этого давайте просто рассмотрим один отдельно взятый технологический вопрос, который будет касаться перспектив развития компьютерной элементной базы. А насколько качественно получится - судить, уважаемые читатели, в первую очередь именно вам.

Относительно недавно главой государства был предложен курс на выстраивание цифровой экономики. Многими это было воспринято, как предложение сделать IT-сектор локомотивом российской экономики, выражаясь образно, "новой нефтью". Что не совсем корректно и, откровенно говоря, сводит предлагаемую концепцию к банальному популизму. Сами по себе информационные технологии никаким локомотивом быть не способны, поскольку не создают ничего материального, а только помогают это материальное обслуживать и эксплуатировать. IT-сектор попросту не может существовать без развития автоматизируемых им иных отраслей. Кое-кто даже покритиковал данную инициативу с этих позиций. Но справедливо ли?

Чтобы не оперировать упрощенными моделями, домыслами и сферическими конями в вакууме, обратимся к первоисточнику. То есть, непосредственно к тексту программы "Цифровая экономика Российской Федерации", утвержденной распоряжением Правительства № 1632-р от 28 июля 2017 г.

"Основными сквозными цифровыми технологиями, которые входят в рамки настоящей Программы, являются:
- большие данные;
- нейротехнологии и искусственный интеллект;
- системы распределенного реестра;
- квантовые технологии;
- новые производственные технологии;
- промышленный интернет;
- компоненты робототехники и сенсорика;
- технологии беспроводной связи;

- технологии виртуальной и дополненной реальностей."

Как видим, речь не только и не столько об IT-секторе. Особенного же внимания в контексте нашего разговора об образе будущего заслуживает такой пункт данного перечня, как "квантовые технологии". Из всех перечисленных, пожалуй, именно он мог бы оказать максимальное влияние на формирование следующего технологического уклада. Но для того, чтобы понять, почему именно, разговор придётся начать издалека.

Есть такая величина - двадцать нанометров. Это ноль целых и двадцать пять статысячных от толщины человеческого волоса и, округленно, ноль целых и три тысячных от диаметра красной кровяной клетки. А еще это - минимальный размер затвора транзистора, используемого в современных серийно производимых процессорах.

За ничтожных несколько десятилетий миниатюризация электроники достигла поистине выдающихся успехов, сделав возможным создание помещающихся в кармане устройств, чья вычислительная мощность с колоссальным запасом превышает суммарные мощности, потребовавшиеся на всю советскую космическую программу. И подобные устройства - не уникальные диковинки, существующие в единственном экземпляре в каких-нибудь сверхсекретных лабораториях, а неотъемлемая часть нашей жизни. С экрана одного из таких устройств вы, вполне возможно, и читатете эту статью.

Удивительно, не правда ли? Но об этом редко кто задумывается, и отнюдь не от отсутствия любознательности. Бурное развитие вычислительной техники уже стало чем-то привычным, пожалуй, даже обыденным. Когда число транзисторов, которые производителям удалось поместить на стандартном кристале процессора, удваивается в среднем каждые два года, сложно ожидать ярко выраженных восторгов на каждой итерации этого действа. Напротив, это начинает казаться нормой. А тренд, за время существования которого успело вырасти целое поколение, начинает казаться вечным. Но это не так. И не в такой уж дальней перспективе этот праздник миниатюризации может если не вовсе закончиться, то существенно увеличить лаг по времени.

Дело в том, что минимальный физически возможный размер затвора работоспособного кремниевого транзистора - пять нанометров. Ниже этого значения происходит явление, называемое "туннельный эффект", сводящееся к тому, что электроны получают возможность прорвать потенциальный барьер p-n перехода (все же помнят из курса физики, что это такое?) и, грубо говоря, начать свободно "гулять" по соседним транзисторам процессора. Какие это повлечет последствия для осуществляемого вычислительного процесса догадаться нетрудно. Достаточно близкой аналогией, полагаю, будет кот, решивший погонять мышей по клавиатуре фортепиано, на котором в этот момент пытаются исполнять Бетховена. Вряд-ли получившиеся звуки будут сильно похожи на ожидавшуюся "Лунную сонату".

Долгое время считалось, что это - крайний предел, после которого наращивание производительности вычислительных машин вновь, как в "тёплые ламповые" времена, станет приводить к росту их размеров. И этот предел, если темпы миниатюризации сохранятся, будет достигнут уже примерно через четыре года.

Однако, не всё так фатально. В 2016-м году группе физиков из Национальной лаборатории имени Лоуренса (Беркли, Калифорния) удалось создать транзистор, размер затвора которого составил всего лишь 1 нанометр. Для этого им пришлось заменить привычный кремний молибденитом (дисульфидом молибдена), а в качестве материала для собственно затвора использовать углеродную нанотрубку.

Разумеется, не всё так просто. До возможности серийного производства подобных транзисторов ещё очень далеко, на настоящий же момент, насколько ваш покорный слуга владеет информацией, ещё даже не тестировалась их конфигурация размещения на кристалле процессора. Кроме того, необходимо понимать ключевую разницу между старым добрым кремнием (содержание в земной коре по массе - более двадцати пяти процентов) и молибденом (содержание в земной коре по массе - три на десять в минус четвертой степени процента). Молибден изрядно дороже, даже если речь о встречающемся в природе в свободном виде молибдените. Да и графеновая нанотрубка вряд ли удешевляет производство. Тем не менее, принципиальную возможность отодвинуть нижний предел миниатюризации транзисторов за счет использования новых материалов можно считать доказанной. Не без труда, и, конечно, не до бесконечности, но это возможно.

Тем не менее, само существование предела миниатюризации, долгие годы считавшегося окончательным и нерушимым, не могло не подстегнуть исследования в части поиска обходных путей, которые могли бы позволить и закрыть потребность в росте вычислительных мощностей, и избежать ограничений, свойственных транзисторной микроэлектронике. Результатом этих исследований и стала концепция квантового компьютера.

Впервые идея о квантовых вычислениях была высказана отечественным математиком Юрием Ивановичем Маниным в книге "Вычислимое и невычислимое" (1980). Вскоре американским физиком Ричардом Фейнманом в его знаменитой лекции "Там внизу достаточно места" (1981) была предложена первая базовая модель квантового компьютера. В то время, впрочем, еще не шло речи о способах обхода пределов миниатюризации - по Манину и Фейнману нишей квантовых вычислительных машин являлось моделирование эволюции квантовой системы, в силу особенностей предметной области не поддающейся приемлемо точному и эффективному моделированию на классических компьютерах.

Сама по себе идея квантовых вычислений, если попытаться выразить её более-менее понятным непосвященному языком, основывается на том, что если увеличение числа транзисторов классического процессора даёт линейный прирост числа описываемых двоичных состояний, то для двухуровневых квантовых элементов, иначе называемых квантовыми битами, или, сокращенно, кубитами, прирост будет экспоненциальным. При том, что одиночный кубит может обработать столько же информации, сколько и одиночный транзистор: ровно один бит. Это становится возможным благодаря сочетанию принципа квантовой суперпозиции (нахождение объекта одновременно в двух взаимоисключающих состояниях) и явления квантовой запутанности (взаимозависимость квантовых состояний двух и более объектов).

При этом, в разговоре о кубитах сам слово "миниатюризация" даже не слишком уместно, поскольку разными вариантами его "рабочего тела" (да простят квантовые физики мне такой сленг) могут являться:
- направление ядерного спина в квантовой точке на полупроводнике;
- куперовская пара (электрон-фонон-электрон) в точке сверхпроводника;

- атомы в оптических ловушках.

Иными словами, речь идёт о масштабах элементарных частиц, состоянием которых управляют, в зависимости от реализации, либо потоком фотонов, либо сверхслабым магнитным полем. Мельче, пожалуй, уже и некуда. Прибавим к этому экспоненциальный рост скорости вычислений по сравнению с классическими ЭВМ - и открывающиеся возможности начинают казаться вовсе едва ли не безграничными.

Но во многом - именно казаться. Поскольку, как и всегда с любой прорывной технологией, есть масса нюансов.

В силу того, что измерение состояния квантовой системы это состояние еще и меняет (согласно принципу неопределенности Гейзенберга), результат квантового вычисления приобретает весьма интересное свойство: он является правильным только с некоторой вероятностью. Эту вероятность можно существенно приблизить к стопроцентной, если многократно повторить вычисление и выявить схождение результатов к некоторому значению. Однако, из-за этого (на самом деле - не только, но это уже окончательно "переполняет чашу") алгоритмы классических компьютеров для квантовых вычислений неприменимы. Квантовая вычислительная машина работает по специальным квантовым же алгоритмам, разработка которых тянет на отдельное перспективное направление.

Также состояние запутанной квантовой системы - вещь крайне чувствительная к абсолютно любому внешнему воздействию. Любой, простите, чих способен внести искажения в вычислительный процесс, если не вовсе разрушить квантовую систему. Таким образом, без дополнительных весьма объемных исследований по части экранирования внешних воздействий массовое применение квантовых компьютеров крайне затруднено.

Одной же из наиболее сложных проблем квантовых вычислений является так называемая проблема масштабирования, связанная с тем же самым принципом неопределенности Гейзенберга. Вопрос заключается в том, из какого максимального числа связанных кубит можно построить квантовый компьютер, прежде чем эффект декогерентности, он же - редукция фон Неймана, он же - коллапс волновой функции, в максимально упрощенном виде - накопление искажений в результате измерений, сделает получение внятного результата вычислений невозможным. Этот вопрос является предметом отдельной бурно развивающейся научной области - многочастичной квантовой механики, и ответ на него, упрощенно, зависит от физической природы декогерентности, которая в настоящий момент науке ещё неизвестна.

Впрочем, связанное с декогерентностью ограничение, если оно будет выявлено, отнюдь не станет однозначным приговором всему направлению квантовых вычислений. В конце концов, совершенно необязательно держать в состоянии квантовой запутанности абсолютно все кубиты компьютера - вполне возможна архитектура с применением независимых кубитных кластеров. Тем не менее, для дальнейшего развития направления внести ясность в этом вопросе необходимо.

Ну и, наконец, еще один нюанс, связанный с квантовыми вычислениями, заключается в том, что квантовому ускорению поддаются далеко не все алгоритмы. Более того, их даже меньшинство. Это, впрочем, перестаёт выглядеть чем-то фатальным, если посмотреть, какие именно алгоритмы всё-таки удаётся ускорить. А это по большей части - алгоритмы решения задач перебора. Звучит достаточно просто, даже можно сказать - простенько, но именно на них базируются задачи:
- моделирования и прогнозирования структурной динамики сложных систем, от собственно квантовых до биологических и, вполне возможно, социальных;
- криптографии, где квантовые алгоритмы теоретически способны как взломать за приемлемое время большинство считающихся надежными современных шифров, так и построить собственные алгоритмы шифрования, по надежности превышающие все существующие;

- искусственного интеллекта, где скорость решения разнообразных задач перебора в принципе является критически важным параметром.

То есть, хоть перечень поддающихся квантовому ускорению задач и ограничен, но представленные в нём задачи являются самым что ни на есть мэйнстримом современного этапа развития вычислительной техники.

Ну, и если переходить к нюансам квантовых вычислений, классифицируемых скорее как приятные, то минимальный квантовый разряд не так сильно привязан к двоичной логике, как классический транзистор, и создание кутрита (ячейка с тремя состояниями) по сложности не сильно превышает создание кубита. А это открывает весьма интересные перспективы. Согласно исследованиям группы ученых из Квинслендского университета (Австралия), опубликованным в 2008-м году, использование многомерных ячеек в принципе способно существенно упростить реализацию квантовых алгоритмов и вычислительных машин.

Кроме того, троичная логика сама по себе, даже без учета особенностей физической реализации, имеет ряд преимуществ по сравнению с двоичной, в общем виде сводящихся к большей надежности вычислений, дополнительному двукратному приросту быстродействия при решении задач сложения и большему удобству при решении задач, подразумевающих троичность по своей природе, таких как обработка RGB-изображений (включая распознавание образов), или задачи моделирования в трёхмерном пространстве. При этом, троичную логику можно воспринимать, как расширение двоичной, включаемой в неё, как подмножество, благодаря чему троичный компьютер может всё то же самое, что и двоичный - и ещё немного сверх этого. Широкого распространения троичные компьютеры не получили из-за стоимости, минимум в полтора раза превышающей стоимость двоичной машины. Однако, в случае с квантовыми компьютерами ожидаемая разница в стоимости будет меньше. Так что - почему нет?

Полноценный универсальный квантовый компьютер на данный момент остаётся устройством сугубо гипотетическим. Однако, к настоящему времени во многих научных лабораториях по всему миру были созданы работоспособные квантовые процессоры, среди которых можно выделить двухкубитное устройство, созданное в лаборатории сверхпроводимости Москвы группой Ю. Пашкина (2005) и совместный российско-американский проект 51-кубитного компьютера, разработанный под руководством М. Лукина и являющийся самой сложной подобной системой из существующих (2017). Эти и прочие подобные машины создаются как правило для решения единственной задачи, преимущественно - для исследований в области квантовой механики, где уже поспособствовали открытию ряда прежде неизвестных эффектов.

Отдельно можно упомянуть и первый имеющийся опыт создания коммерческих квантовых компьютеров канадской компанией D-Wave. Впрочем, пример этот - достаточно спорный. Компьютеры D-Wave работают на несколько отличающихся от прочих квантовых архитектур принципах, и для реализации традиционных квантовых алгоритмов не подходят, решая только одну задачу - дискретную оптимизацию. Кроме того, сведений, подтверждающих, что D-Wave работает быстрее обычного компьютера и что он в принципе является квантовым (использует эффект квантовой запутанности), которые бы не исходили от самой D-Wave или взявшего её в партнеры по разработке искусственного интеллекта Google, не имеется. Не станем, конечно, делать громких заявлений, но это вызывает определенные вопросы, особенно в свете того, что крупнейшим заказчиком D-Wave является Lockheed Martin, а разговоров о колоссальных масштабах распило-откаточных работ в американской оборонке ходит изрядно. Sapienti sat.

Собственно, к чему всё это, в особенности - в свете принятой у нас программы цифровой экономики и сакцентированных в тексте выше российских наработках в области квантовых вычислений. Ну, и непосредственно футурологического прогноза.

О наступлении новой информационной эры слышали, пожалуй, все. Но вместе с тем распространено достаточно некорректное "попсовое" восприятие явления: как этакой IT-утопии, где работают роботы, а люди или пишут к ним программки, или "генерят контент", удаленно подключив свой гаджет к рабочему серверу с какого-нибудь тропического курорта.

Но на практике это не так. В реальности имеет место скорее беспрецедентное ускорение экономических и социальных процессов, вызванное наличием принципиальной возможности получить практически в реальном времени значительные объемы информации с противоположной стороны глобуса. То есть, дело скорее в развитии систем связи и их глобальном распространении. В этих условиях информация действительно приобретает особую ценность, поскольку позволяет реагировать на стремительно развивающиеся события вовремя. Но одного доступа к информации мало, поскольку самой информации временами даже слишком много - при том, что она бывает разрозненной, неполной, некорректной, или вовсе дезинформацией. Это порождает непрерывно возрастающую потребность в наличии мощных и надежных инструментов обработки поступающих сведений и выработки на их основе вариантов решений.

Таким образом, при том, что важность "архаичных" отраслей (которым меньше повезло с пиар-менеджерами) никто не отменял, следует ожидать своего рода "гонки вооружений" в создании подобных систем, что не в такой далекой перспективе может стать (или даже - уже становится) делом не коммерческим, а государственным. Можно, пожалуй, даже предположить картину (несколько по-лубочному гипертрофированную, но всё-таки), при которой бурные дебаты в парламенте станет вызывать не моральная оценка образцов развлекательной индустрии, а сравнение построенных различными системами комплексных графиков развития ситуации. С детальным разбором погрешностей моделирования в этих системах.

При этом, любому понятно, что подобная система, пусть даже самая совершенная, без элементной базы не значит ничего. А в части традиционной микроэлектроники вступать в гонку с Кремниевой долиной, при их уже существующей инфраструктуре и работающих научных направлениях, чисто теоретически можно, но вырваться в ней на первые позиции будет уже... Пожалуй, тоже можно, но очень тяжело и за неприемлемо длительное время.

И вот тут привлекают к себе особое внимание квантовые компьютеры. Во-первых, тем, что с производственной базой по их созданию ситуация во всём мире примерно одинаковая - этой базы попросту нет. Во-вторых, тем, что те задачи, которые квантовые компьютеры решают лучше всего, замечательным образом совпадают с задачами, которые ставит наступление информационной эры. И в-третьих, тем, что российские учёные располагают собственными солидными наработками в части квантовых вычислений, причём, что надо особо отметить, не в рамках общей глобальной "кубитовой гонки", а в собственном направлении - разработке кубитов на сверхпроводниках (чем параллельно развивают обе тематики).

Если обобщить, то получается, что в сфере квантовых вычислений всё в наших руках. И есть вполне реальные шансы сделать эту сферу одним из столпов (наряду с, например, атомной энергетикой, космосом и оборонкой) нашего будущего лидерства. А для этого нужно уже сейчас начинать очень плотно над этим работать - даром что время пока еще есть.

Еще пять лет назад о квантовых компьютерах знали разве что специалисты в области квантовой физики. Однако в последние годы количество публикаций в Интернете и в специализированных изданиях, посвященных квантовым вычислениям, возрастало лавинообразно. Тема квантовых вычислений стала популярной и вызвала множество различных мнений, далеко не всегда соответствующих действительности.
В настоящей статье мы постараемся как можно более доступно рассказать о том, что же такое квантовый компьютер и на какой стадии находятся современные разработки в этой области.

Ограниченные возможности современных компьютеров

О квантовых компьютерах и квантовых вычислениях часто говорят как об альтернативе кремниевым технологиям создания микропроцессоров, что, в общем-то, не совсем верно. Собственно, почему вообще приходится искать альтернативу современным компьютерным технологиям? Как показывает вся история существования компьютерной индустрии, вычислительная мощность процессоров возрастает экспоненциально. Ни одна другая индустрия не развивается столь бурными темпами. Как правило, когда говорят о темпах роста вычислительной мощности процессоров, вспоминают так называемый закон Гордона Мура, выведенный в апреле 1965 года, то есть всего через шесть лет после изобретения первой интегральной схемы (ИС).

По просьбе журнала «Электроникс» (“Electronics”) Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания. Он сделал прогноз относительно того, как будут развиваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, то есть начиная с 1959 года, Гордон Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс.

Фактически по прогнозу Мура количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в тысячу раз. В то же время это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

Впоследствии в закон Мура были внесены коррективы (дабы соотнести его с реальностью), но смысл от этого не поменялся: количество транзисторов в микросхемах увеличивается экспоненциально. Естественно, увеличение плотности размещения транзисторов на кристалле возможно лишь за счет сокращения размеров самих транзисторов. В связи с этим уместен вопрос: до какой степени можно уменьшать размеры транзисторов? Уже сейчас размеры отдельных элементов транзисторов в процессорах сопоставимы с атомарными, например ширина диоксидного слоя, отделяющего диэлектрик затвора от канала переноса заряда, составляет всего несколько десятков атомарных слоев. Понятно, что существует чисто физический предел, делающий невозможным дальнейшее уменьшение размеров транзисторов. Даже если предположить, что в будущем они будут иметь несколько иную геометрию и архитектуру, теоретически невозможно создать транзистор или подобный ему элемент с размером менее 10 -8 см (диаметр атома водорода) и рабочей частотой более 10 15 Гц (частота атомных переходов). А потому, хотим мы того или нет, неизбежен тот день, когда закон Мура придется сдать в архив (если, конечно, его в очередной раз не подкорректируют).

Ограниченные возможности по наращиванию вычислительной мощности процессоров за счет сокращения размеров транзисторов - это лишь одно из узких мест классических кремниевых процессоров.

Как мы увидим в дальнейшем, квантовые компьютеры никоим образом не представляют собой попытку решения проблемы миниатюризации базовых элементов процессоров.

Решение проблемы миниатюризации транзисторов, поиск новых материалов для создания элементной базы микроэлектроники, поиск новых физических принципов для приборов с характерными размерами, сравнимыми с длиной волны Де-Бройля, имеющей величину порядка 20 нм, - эти вопросы стоят на повестке дня уже почти два десятилетия. В результате их решения была разработана нанотехнология. Серьезной проблемой, с которой пришлось столкнуться при переходе в область наноэлектронных устройств, является уменьшение рассеиваемой энергии в процессе вычислительных операций. Мысль о возможности «логически обратимых» операций, не сопровождающихся рассеянием энергии, впервые высказал Р.Ландауер еще в 1961 году. Существенный шаг в решении данной задачи был сделан в 1982 году Ч.Беннеттом, который теоретически доказал, что универсальный цифровой компьютер может быть построен на логически и термодинамически обратимых вентилях таким образом, что энергия будет рассеиваться только за счет необратимых периферийных процессов ввода информации в машину (приготовление исходного состояния) и соответственно вывода из нее (считывание результата). К типичным обратимым универсальным вентилям относятся вентили Фредкина и Тоффоли.

Другая проблема, связанная с классическими компьютерами, кроется в самой фон-неймановской архитектуре и двоичной логике всех современных процессоров. Все компьютеры, начиная с аналитической машины Чарльза Бэббиджа и заканчивая современными суперкомпьютерами, основаны на одних и тех же принципах (фон-неймановская архитектура), которые были разработаны еще в 40-х годах прошлого столетия.

Любой компьютер на программном уровне оперирует битами (переменными, принимающими значение 0 или 1). С применением логических элементов-вентилей над битами выполняются логические операции, что позволяет получить определенное конечное состояние на выходе. Изменение состояния переменных производится с помощью программы, которая определяет последовательность операций, каждая из которых использует небольшое число бит.

Традиционные процессоры выполняют программы последовательно. Несмотря на существование многопроцессорных систем, многоядерных процессоров и различных технологий, направленных на повышение уровня параллелизма, все компьютеры, построенные на основе фон-неймановской архитектуры, являются устройствами с последовательным режимом выполнения команд. Все современные процессоры реализуют следующий алгоритм обработки команд и данных: выборка команд и данных из памяти и исполнение инструкций над выбранными данными. Этот цикл повторяется многократно и с огромной скоростью.

Однако фон-неймановская архитектура ограничивает возможность увеличения вычислительной мощности современных ПК. Типичный пример задачи, которая оказывается не по силам современным ПК, - это разложение целого числа на простые множители (простым называется множитель, который делится без остатка только на себя и на 1).

Если требуется разложить на простые множители число х , имеющее n знаков в двоичной записи, то очевидный способ решения этой задачи заключается в том, чтобы попробовать последовательно разделить его на числа от 2 до Для этого придется перебрать 2 n/2 вариантов. К примеру, если рассматривается число, у которого 100 000 знаков (в двоичной записи), то потребуется перебрать 3x10 15 051 вариантов. Если предположить, что для одного перебора требуется один процессорный такт, то при скорости в 3 ГГц для перебора всех чисел будет нужно время, превышающее возраст нашей планеты. Существует, правда, хитроумный алгоритм, решающий ту же задачу за exp(n 1/3) шагов, но даже в этом случае с задачей разложения на простые множители числа, имеющего миллион знаков, не справится ни один современный суперкомпьютер.

Задача разложения числа на простые множители относится к классу задач, которые, как говорят, не решаются за полиномиальное время (NP-полная задача - Nondeterministic polynomial-time complete). Такие задачи входят в класс невычисляемых в том смысле, что они не могут быть решены на классических компьютерах за время, полиномиально зависящее от числа битов n , представляющих задачу. Если говорить о разложении числа на простые множители, то по мере увеличения разрядности числа время, необходимое для решения задачи, возрастает экспоненциально, а не полиномиально.

Забегая вперед, отметим, что с квантовыми вычислениями связывают перспективы решения NP-полных задач за полиномиальное время.

Квантовая физика

Конечно, квантовая физика слабо связана с тем, что называют элементной базой современных компьютеров. Однако, говоря о квантовом компьютере, избежать упоминания некоторых специфических терминов квантовой физики просто невозможно. Мы понимаем, что далеко не все изучали легендарный третий том «Теоретической физики» Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица и для многих такие понятия, как волновая функция и уравнение Шредингера, - это что-то из потустороннего мира. Что же касается специфического математического аппарата квантовой механики, то это сплошные формулы и малопонятные слова. Поэтому мы постараемся придерживаться общедоступного уровня изложения, избегая по возможности тензорного анализа и прочей специфики квантовой механики.

Для подавляющего большинства людей квантовая механика находится за гранью понимания. Дело даже не столько в сложном математическом аппарате, сколько в том, что законы квантовой механики нелогичны и не имеют подсознательной ассоциации - их невозможно себе представить. Впрочем, анализ нелогичности квантовой механики и парадоксального рождения из этой нелогичности стройной логики - это удел философов, мы же коснемся аспектов квантовой механики лишь в той мере, в какой это необходимо для понимания сути квантовых вычислений.

История квантовой физики началась 14 декабря 1900 года. Именно в этот день немецкий физик и будущий нобелевский лауреат Макс Планк доложил на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения. Так в физике появилось понятие кванта энергии, а среди других фундаментальных постоянных - постоянная Планка.

Открытие Планка и появившаяся затем, в 1905 году, теория фотоэлектрического эффекта Альберта Эйнштейна, а также создание в 1913 году Нильсом Бором первой квантовой теории атомных спектров стимулировали создание и дальнейшее бурное развитие квантовой теории и экспериментальных исследований квантовых явлений.

Уже в 1926 году Эрвин Шредингер сформулировал свое знаменитое волновое уравнение, а Энрико Ферми и Поль Дирак получили квантово-статистическое распределение для электронного газа, учитывающее заполнение отдельных квантовых состояний.

В 1928 году Феликс Блох произвел анализ квантово-механической задачи о движении электрона во внешнем периодическом поле кристаллической решетки и показал, что электронный энергетический спектр в кристаллическом твердом теле имеет зонную структуру. Фактически это стало началом нового направления в физике - теории твердого тела.

Весь XX век - это период интенсивного развития квантовой физики и всех тех разделов физики, для которых квантовая теория стала прародителем.

Появление квантовых вычислений

Идея использования квантовых вычислений впервые была высказана советским математиком Ю.И. Маниным в 1980 году в его знаменитой монографии «Вычислимое и невычислимое». Правда, интерес к его труду возник лишь два года спустя, в 1982 году, после опубликования статьи на ту же тему американского физика-теоретика нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана. Он заметил, что определенные квантово-механические операции нельзя в точности переносить на классический компьютер. Это наблюдение привело его к мысли, что подобные вычисления могут быть более эффективными, если их осуществлять при помощи квантовых операций.

Рассмотрим, к примеру, квантово-механическую задачу об изменении состояния квантовой системы, состоящей из n спинов, за определенный промежуток времени. Не вникая в подробности математического аппарата квантовой теории, отметим, что общее состояние системы из n спинов описывается вектором в 2 n -мерном комплексном пространстве, а изменение ее состояния - унитарной матрицей размером 2 n x2 n . Если рассматриваемый промежуток времени очень мал, то матрица устроена очень просто и каждый из ее элементов легко вычислить, зная взаимодействие между спинами. Если же необходимо узнать изменение состояния системы за большой промежуток времени, то нужно перемножать такие матрицы, причем для этого требуется экспоненциально большое количество операций. Опять мы сталкиваемся с PN-полной задачей, нерешаемой за полиномиальное время на классических компьютерах. В настоящее время способа упростить данное вычисление не существует, и, скорее всего, моделирование квантовой механики является экспоненциально сложной математической задачей. Но если классические компьютеры не способны решать квантовые задачи, то, возможно, для этого целесообразно использовать саму квантовую систему? И если это действительно возможно, то подходят ли квантовые системы для решения других вычислительных задач? Подобные вопросы как раз и рассматривались Фейнманом и Маниным.

Уже в 1985 году Дэвид Дойч предложил конкретную математическую модель квантовой машины.

Однако вплоть до середины 90-х годов направление квантовых вычислений развивалось довольно вяло. Практическая реализация квантовых компьютеров оказалась весьма сложной. К тому же в научном сообществе с пессимизмом относились к тому, что квантовые операции способны ускорить решение определенных вычислительных задач. Так продолжалось вплоть до 1994 года, когда американский математик Питер Шор предложил для квантового компьютера алгоритм разложения n -значного числа на простые множители за время, полиномиально зависящее от n (квантовый алгоритм факторизации). Квантовый алгоритм факторизации Шора стал одним из основных факторов, приведших к интенсивному развитию квантовых методов вычислений и появлению алгоритмов, позволяющих решать некоторые NP-проблемы.

Естественно, возникает вопрос: почему, собственно, предложенный Шором квантовый алгоритм факторизации привел к таким последствиям? Дело в том, что задача разложения числа на простые множители имеет прямое отношение к криптографии, в частности к популярным системам шифрования RSA. Благодаря возможности разложения числа на простые множители за полиномиальное время квантовый компьютер теоретически позволяет расшифровывать сообщения, закодированные при помощи многих популярных криптографических алгоритмов, таких как RSA. До сих пор этот алгоритм считался сравнительно надежным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Шор придумал квантовый алгоритм, позволяющий разложить на простые множители n -значное число за n 3 (log n ) k шагов (k = const ). Естественно, практическая реализация такого алгоритма могла иметь скорее негативные, чем позитивные последствия, поскольку позволяла подбирать ключи к шифрам, подделывать электронные подписи и т.п. Впрочем, до практической реализации настоящего квантового компьютера еще далеко, а потому в течение ближайших десяти лет можно не опасаться, что шифры могут быть взломаны с помощью квантовых компьютеров.

Идея квантовых вычислений

Итак, после краткого описания истории квантовых вычислений можно перейти к рассмотрению самой их сути. Идея (но не ее реализация) квантовых вычислений достаточно проста и интересна. Но даже для ее поверхностного понимания необходимо ознакомиться с некоторыми специфическими понятиями квантовой физики.

Прежде чем рассматривать обобщенные квантовые понятия вектора состояния и принципа суперпозиции, разберем простой пример поляризованного фотона. Поляризованный фотон - это пример двухуровневой квантовой системы. Состояние поляризации фотона можно задать вектором состояния, определяющим направление поляризации. Поляризация фотона может быть направлена вверх или вниз, поэтому говорят о двух основных, или базисных, состояниях, которые обозначают как |1 и |0.

Данные обозначения (бра/кэт-обозначения) были введены Дираком и имеют строго математическое определение (векторы базисных состояний), которое обусловливает правила работы с ними, однако, дабы не углубляться в математические дебри, мы не станем детально рассматривать эти тонкости.

Возвращаясь к поляризованному фотону, отметим, что в качестве базисных состояний можно было бы выбрать не только горизонтальное и вертикальное, но и любые взаимно ортогональные направления поляризации. Смысл базисных состояний заключается в том, что любая произвольная поляризация может быть выражена как линейная комбинация базисных состояний, то есть a|1+b|0. Поскольку нас интересует только направление поляризации (величина поляризации не важна), то вектор состояния можно считать единичным, то есть |a| 2 +|b| 2 = 1.

Теперь обобщим пример с поляризацией фотона на любую двухуровневую квантовую систему.

Предположим, имеется произвольная двухуровневая квантовая система, которая характеризуется базисными ортогональными состояниями |1 и |0. Согласно законам (постулатам) квантовой механики (принцип суперпозиции) возможными состояниями квантовой системы будут также суперпозиции y = a|1+b|0, где a и b - комплексные числа, называемые амплитудами. Отметим, что аналога состояния суперпозиции в классической физике не существует.

Один из фундаментальных постулатов квантовой механики утверждает, что для того, чтобы измерить состояние квантовой системы, нужно ее разрушить. То есть любой процесс измерения в квантовой физике нарушает первоначальное состояние системы и переводит ее в новое состояние. Понять это утверждение не так-то просто, а потому остановимся на нем более подробное.

Вообще, понятие измерения в квантовой физике играет особую роль, и не стоит рассматривать его как измерение в классическом понимании. Измерение квантовой системы происходит всякий раз, когда она приходит во взаимодействие с «классическим» объектом, то есть с объектом, подчиняющимся законам классической физики. В результате такого взаимодействия состояние квантовой системы изменяется, причем характер и величина этого изменения зависят от состояния квантовой системы и потому могут служить его количественной характеристикой.

В связи с этим классический объект обычно называют прибором, а о его процессе взаимодействия с квантовой системой говорят как об измерении. Необходимо подчеркнуть, что при этом отнюдь не имеется в виду процесс измерения, в котором участвует наблюдатель. Под измерением в квантовой физике подразумевается всякий процесс взаимодействия между классическим и квантовым объектами, происходящий помимо и независимо от какого-либо наблюдателя. Выяснение роли измерения в квантовой физике принадлежит Нильсу Бору.

Итак, чтобы измерить квантовую систему, необходимо каким-то образом подействовать на нее классическим объектом, после чего ее первоначальное состояние будет нарушено. Кроме того, можно утверждать, что в результате измерения квантовая система будет переведена в одно из своих базисных состояний. К примеру, для измерения двухуровневой квантовой системы требуется как минимум двухуровневый классический объект, то есть классический объект, который может принимать два возможных значения: 0 и 1. В процессе измерения состояние квантовой системы будет преобразовано в один из базисных векторов, причем если при измерении классический объект принимает значение равное 0, то квантовый объект преобразуется к состоянию |0, а в случае если классический объект принимает значение равное 1, то квантовый объект преобразуется к состоянию |1.

Таким образом, хотя квантовая двухуровневая система может находиться в бесчисленном множестве состояний суперпозиции, но в результате измерения она принимает только одно из двух возможных базисных состояний. Квадрат модуля амплитуды |a| 2 определяет вероятность обнаружения (измерения) системы в базисном состоянии |1, а квадрат модуля амплитуды |b| 2 - в базисном состоянии |0.

Однако вернемся к нашему примеру с поляризованным фотоном. Для измерения состояния фотона (его поляризации) нам потребуется некоторое классическое устройство с классическим базисом {1,0}. Тогда состояние поляризации фотона a|1+b|0 будет определено как 1 (горизонтальная поляризация) с вероятностью |a| 2 и как 0 (вертикальная поляризация) с вероятностью |b| 2 .

Поскольку измерение квантовой системы приводит ее к одному из базисных состояний и, следовательно, разрушает суперпозицию (к примеру, при измерении получается значение равное |1), то это означает, что в результате измерения квантовая система переходит в новое квантовое состояние и при следующем измерении мы получим значение |1 со стопроцентной вероятностью.

Вектор состояния двухуровневой квантовой системы называется также волновой функцией квантовых состояний y двухуровневой системы, или, в интерпретации квантовых вычислений, кубитом (quantum bit, qubit). В отличие от классического бита, который может принимать только два логических значения, кубит - это квантовый объект, и число его состояний, определяемых суперпозицией, неограниченно. Однако еще раз подчеркнем, что результат измерения кубита всегда приводит нас к одному из двух возможных значений.

Теперь рассмотрим систему из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать значение классического объекта 0 или 1. Поэтому у системы двух кубитов имеется четыре классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базисные квантовые состояния: |00, |01, |10 и |11. Соответствующий вектор квантового состояния записывается в виде a |00+ b |01+ c |10+ d |11, где |a | 2 - вероятность при измерении получить значение 00, |b | 2 - вероятность получить значение 01 и т.д.

В общем случае если квантовая система состоит из L кубитов, то у нее имеется 2 L возможных классических состояний, каждое из которых может быть измерено с некоторой вероятностью. Функция состояния такой квантовой системы запишется в виде:

где |n - базисные квантовые состояния (например, состояние |001101, а |c n | 2 - вероятность нахождения в базисном состоянии |n .

Для того чтобы изменить состояние суперпозиции квантовой системы, необходимо реализовать селективное внешнее воздействие на каждый кубит. С математической точки зрения такое преобразование представляется унитарными матрицами размера 2 L x2 L . В результате будет получено новое квантовое состояние суперпозиции.

Структура квантового компьютера

Рассмотренное нами преобразование состояния суперпозиции квантовой системы, состоящей из L кубитов, по сути, представляет собой модель квантового компьютера. Рассмотрим, к примеру, более простой пример реализации квантовых вычислений. Допустим, имеется система из L кубитов, каждый из которых идеально изолирован от внешнего мира. В каждый момент времени мы можем выбрать произвольные два кубита и подействовать на них унитарной матрицей размером 4x4. Последовательность таких воздействий - это своего рода программа для квантового компьютера.

Чтобы использовать квантовую схему для вычисления, нужно уметь вводить входные данные, проделывать вычисления и считывать результат. Поэтому принципиальная схема любого квантового компьютера (см. рисунок) должна включать следующие функциональные блоки: квантовый регистр для ввода данных, квантовый процессор для преобразования данных и устройство для считывания данных.

Квантовый регистр представляет собой совокупность некоторого числа L кубитов. До ввода информации в компьютер все кубиты квантового регистра должны быть приведены в базисные состояния |0. Эта операция называется подготовкой, или инициализацией. Далее определенные кубиты (не все) подвергаются селективному внешнему воздействию (например, с помощью импульсов внешнего электромагнитного поля, управляемых классическим компьютером), которое изменяет значение кубитов, то есть из состояния |0 они переходят в состояние |1. При этом состояние всего квантового регистра перейдет в суперпозицию базисных состояний |n с, то есть состояние квантового регистра в начальный момент времени будет определяться функцией:

Понятно, что данное состояние суперпозиции можно использовать для бинарного (двоичного) представления числа n .

В квантовом процессоре введенные данные подвергаются последовательности квантовых логических операций, которые с математической точки зрения описываются унитарным преобразованием , действующим на состояние всего регистра. В результате через некоторое количество тактов работы квантового процессора исходное квантовое состояние системы становится новой суперпозицией вида:

Говоря о квантовом процессоре, нужно сделать одно важное замечание. Оказывается, для построения любого вычисления достаточно всего двух базовых логических булевых операций. С помощью базовых квантовых операций можно имитировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны компьютеры. Поскольку законы квантовой физики на микроскопическом уровне являются линейными и обратимыми, то и соответствующие квантовые логические устройства, производящие операции с квантовыми состояниями отдельных кубитов (квантовые вентили), оказываются логически и термодинамически обратимыми. Квантовые вентили аналогичны соответствующим обратимым классическим вентилям, но, в отличие от них, способны совершать унитарные операции над суперпозициями состояний. Выполнение унитарных логических операций над кубитами предполагается осуществлять с помощью соответствующих внешних воздействий, которыми управляют классические компьютеры.

Схематическая структура квантового компьютера

После реализации преобразований в квантовом компьютере новая функция суперпозиции представляет собой результат вычислений в квантовом процессоре. Остается лишь считать полученные значения, для чего производится измерение значения квантовой системы. В итоге образуется последовательность нулей и единиц, причем, в силу вероятностного характера измерений, она может быть любой. Таким образом, квантовый компьютер может с некоторой вероятностью дать любой ответ. При этом квантовая схема вычислений считается правильной, если правильный ответ получается с вероятностью, достаточно близкой к единице. Повторив вычисления несколько раз и выбрав тот ответ, который встречается наиболее часто, можно снизить вероятность ошибки до сколь угодно малой величины.

Для того чтобы понять, чем различаются в работе классический и квантовый компьютеры, давайте вспомним, что классический компьютер хранит в памяти L бит, которые за каждый такт работы процессора подвергаются изменению. В квантовом компьютере в памяти (регистр состояния) хранятся значения L кубитов, однако квантовая система находится в состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых 2L состояний, и изменение квантового состояния системы, производимое квантовым процессором, касается всех 2L базовых состояний одновременно. Соответственно в квантовом компьютере вычислительная мощность достигается за счет реализации параллельных вычислений, причем теоретически квантовый компьютер может работать в экспоненциальное число раз быстрее, чем классическая схема.

Считается, что для реализации полномасштабного квантового компьютера, превосходящего по производительности любой классический компьютер, на каких бы физических принципах он ни работал, следует обеспечить выполнение следующих основных требований:

• физическая система, представляющая собой полномасштабный квантовый компьютер, должна содержать достаточно большое число L >103 хорошо различимых кубитов для выполнения соответствующих квантовых операций;
• необходимо обеспечить максимальное подавление эффектов разрушения суперпозиции квантовых состояний, обусловленных взаимодействием системы кубитов с окружающей средой, в результате чего может стать невозможным выполнение квантовых алгоритмов. Время разрушения суперпозиции квантовых состояний (время декогерентизации) должно по крайней мере в 104 раз превышать время выполнения основных квантовых операций (время такта). Для этого система кубитов должна быть довольно слабо связана с окружением;
• необходимо обеспечить измерение с достаточно высокой надежностью состояния квантовой системы на выходе. Измерение конечного квантового состояния является одной из основных проблем квантовых вычислений.

Практическое применение квантовых компьютеров

Для практического применения пока не создано ни одного квантового компьютера, который бы удовлетворял всем вышеперечисленным условиям. Однако во многих развитых странах разработке квантовых компьютеров уделяется пристальное внимание и в такие программы ежегодно вкладываются десятки миллионов долларов.

На данный момент наибольший квантовый компьютер составлен всего из семи кубитов. Этого достаточно, чтобы реализовать алгоритм Шора и разложить число 15 на простые множители 3 и 5.

Если же говорить о возможных моделях квантовых компьютеров, то их, в принципе, довольно много. Первый квантовый компьютер, который был создан на практике, - это импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения, хотя он, конечно же, как квантовый компьютер не рассматривался. Лишь когда появилась концепция квантового компьютера, ученые поняли, что ЯМР-спектрометр представляет собой вариант квантового компьютера.

В ЯМР-спектрометре спины ядер исследуемой молекулы образуют кубиты. Каждое ядро имеет свою частоту резонанса в данном магнитном поле. При воздействии импульсом на ядро на его резонансной частоте оно начинает эволюционировать, остальные же ядра не испытывают никакого воздействия. Для того чтобы заставить эволюционировать другое ядро, нужно взять иную резонансную частоту и дать импульс на ней. Таким образом, импульсное воздействие на ядра на резонансной частоте представляет собой селективное воздействие на кубиты. При этом в молекуле есть прямая связь между спинами, поэтому она является идеальной заготовкой для квантового компьютера, а сам спектрометр представляет собой квантовый процессор.

Первые эксперименты на ядерных спинах двух атомов водорода в молекулах 2,3-дибромотиофена SCH:(CBr) 2:CH и на трех ядерных спинах - одном в атоме водорода H и двух в изотопах углерода 13 C в молекулах трихлорэтилена CCl 2:CHCl - были поставлены в 1997 году в Оксфорде (Великобритания).

В случае использования ЯМР-спектрометра важно, что для селективного воздействия на ядерные спины молекулы необходимо, чтобы они заметно различались по резонансным частотам. Позднее были осуществлены квантовые операции в ЯМР-спектрометре с числом кубитов 3, 5, 6 и 7.

Главным преимуществом ЯМР-спектрометра является то, что в нем можно использовать огромное количество одинаковых молекул. При этом каждая молекула (точнее, ядра атомов, из которых она состоит) представляет собой квантовую систему. Последовательности радиочастотных импульсов, выполняющие роль определенных квантовых логических вентилей, осуществляют унитарные преобразования состояний соответствующих ядерных спинов одновременно для всех молекул. То есть селективное воздействие на отдельный кубит заменяется одновременным обращением к соответствующим кубитам во всех молекулах большого ансамбля. Компьютер такого рода получил название ансамблевого (bulk-ensemble quantum computer) ЯМР квантового компьютера. Такие компьютеры могут работать при комнатной температуре, а время декогерентизации квантовых состояний ядерных спинов составляет несколько секунд.

В области ЯМР квантовых компьютеров на органических жидкостях к настоящему времени достигнуты наибольшие успехи. Они обусловлены в основном хорошо развитой импульсной техникой ЯМР-спектроскопии, обеспечивающей выполнение различных операций над когерентными суперпозициями состояний ядерных спинов, и возможностью использования для этого стандартных ЯМР-спектрометров, работающих при комнатной температуре.

Основным ограничением ЯМР квантовых компьютеров является сложность инициализации начального состояния в квантовом регистре. Дело в том, что в большом ансамбле молекул исходное состояние кубитов различно, что осложняет приведение системы к начальному состоянию.

Другое ограничение ЯМР квантовых компьютеров связано с тем, что измеряемый на выходе системы сигнал экспоненциально убывает с ростом числа кубитов L . Кроме того, число ядерных кубитов в отдельной молекуле с сильно различающимися резонансными частотами ограничено. Это приводит к тому, что ЯМР квантовые компьютеры не могут иметь больше десяти кубитов. Их следует рассматривать лишь как прототипы будущих квантовых компьютеров, полезные для отработки принципов квантовых вычислений и проверки квантовых алгоритмов.

Другой вариант квантового компьютера основан на использовании ионных ловушек, когда в роли кубитов выступает уровень энергии ионов, захваченных ионными ловушками, которые создаются в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до сверхнизких температур. Первый прототип квантового компьютера, основанного на этом принципе, был предложен в 1995 году. Преимущество такого подхода состоит в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами. Основными недостатками квантовых компьютеров этого типа являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояния ионов в цепочке и ограниченность возможного числа кубитов - не более 40.

Возможны и другие схемы квантовых компьютеров, разработка которых ведется в настоящее время. Однако пройдет еще как минимум десять лет, прежде чем настоящие квантовые компьютеры наконец будут созданы.