Компьютер на ионных ловушках

Использование для модельной реализации квантовых компьютеров в качестве кубитов уровней энергии ионов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до микрокельвиновых температур.

Взаимодействие между заряженными ионами в одномерной цепочке этих ловушек осуществляется посредством возбуждения их коллективного движения, а индивидуальное управление ими с помощью лазеров инфракрасного диапазона. Первый прототип квантового компьютера на этих принципах был предложен австрийскими физиками И. Цираком и П. Цоллером в 1995 году. В настоящее время интенсивные экспериментальные работы ведутся в National Institute of Standards and Technology в США. Преимущество такого подхода состоит в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами. Основными недостатками этого типа квантовых компьютеров являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояний ионов в цепочке и ограниченность возможного числа кубитов значением.

Квантовые вычисления — это новейшее направление, способное в корне изменить наши представления о вычислениях, программировании и теории сложности. Разработка новых приёмов программирования для квантовых компьютеров — важнейшая задача для программистов и других специалистов. Квантовая запутанность и фазовые компенсации открывают принципиально новые вычислительные возможности. Программирование больше не состоит из простого пошагового составления алгоритма, а требует новых приёмов, например, фазовых преобразований, смешивания и распределения амплитуд для получения полезных выходных данных.

Конечно, пока существуют очень сложные физические проблемы, которые нужно будет преодолеть. Без этого нельзя будет построить практический полезный работающий квантовый компьютер. Декогерентность, т. е. искажение квантового состояния из-за взаимодействия с окружающей средой — ключевая проблема. С развитием квантовой коррекции ошибок в области устранения декогерентности был совершен прорыв, но больше с алгоритмической стороны, чем с физической. Во многих научных работах уже описаны некоторые из применяемых методов коррекции ошибок. Дальнейшие продвижения в области квантовой коррекции ошибок и развитие устойчивых к ошибкам алгоритмов будут также важны для развития квантовых компьютеров, как и успехи в создании квантовых битов.

Пока квантовым компьютерам по плечу только наиболее простые задачи — например, они уже умеют складывать 1 и 1, получая в результате 2. Было также запланировано взятие другого важного рубежа — факторизации числа 15, его предстоит разложить на простые множители — 3 и 5. А там, глядишь, дойдет дело и до более серьезных задач.

Опытные образцы сейчас содержат менее десяти квантовых битов. По мнению Нейла Гершенфельда (Nell Gershenfeld), участвовавшего в создании одной из первых действующих моделей квантового компьютера, необходимо объединить не менее 50−100 кубитов, чтобы решать полезные с практической точки зрения задачи. Интересно, что добавление каждого следующего кубита в квантовый компьютер на эффекте объемного спинового резонанса требует увеличения чувствительности аппаратуры в два раза. Десять дополнительных кубитов, таким образом, потребуютувеличения чувствительности в 1000 раз, или на 60 дБ. Двадцать — в миллион раз, или на 120 дБ…

Heисключено, что в информационном обществе появление квантового компьютера сыграет ту же роль, что в свое время, в индустриальном, — изобретение атомной бомбы. Действительно, если последняя является средством «уничтожения материи», то первый может стать средством «уничтожения информации» — ведь очень часто то, что известно всем, не нужно никому.