Тема 7. Квантові комп'ютери

1. Принцип роботи

Квантовий комп’ютер (КК) – це обчислювальний пристрій, який використовує явища квантової механіки для передачі й обробки даних. Ідея квантових обчислень була незалежно запропонована Юрієм Маніним і Річардом Фейнманом на початку 80-х років минулого століття. З тих пір була пророблена колосальна робота з їх створення. Однак повноцінний універсальний квантовий комп’ютер усе ще є гіпотетичним пристроєм, можливість розробки якого пов’язана з серйозним розвитком квантової теорії. До теперішнього моменту були створені поодинокі експериментальні системи з алгоритмом невеликої складності.

Основна відмінність квантового комп’ютера від класичного полягає в поданні інформації. У звичайних комп’ютерах, що працюють на основі транзисторів і кремнієвих чіпів, для обробки інформації використовується бінарний код. Біт, як відомо, має два базових станів – нуль та одиницю, і може перебувати тільки в одному з них. Що ж стосується квантового комп’ютера, то його робота ґрунтується на принципі суперпозиції, а замість бітів використовуються квантові біти, іменовані кубітами. У кубіта також є два основні стани: нуль та одиниця. Однак завдяки суперпозиції кубіт може приймати значення, отримані шляхом їх комбінування, і перебувати у всіх цих станах одночасно. У цьому полягає паралельність квантових обчислень, тобто відсутність необхідності перебирати всі можливі варіанти станів системи. Крім того, для опису точного стану системи квантовому комп’ютера не потрібні величезні обчислювальні потужності й обсяги оперативної пам’яті, оскільки для розрахунку системи з 100 частинок досить лише 100 кубітів, а не трильйон трильйонів біт.

Таблиця 1 . Фізична реалізація кубітів.

При будь-якій зміні кубіта він змінює свій стан випадковим чином, а за рахунок наявності зв’язку між кубітами паралельно свій стан змінюють і пов’язані кубіти. Набір пов’язаних кубітів прийнято називати квантовим регістром, який за рахунок можливої безлічі комбінацій (суперпозиций) кубітів, що входять до нього, значно інформативніше класичного бітового регістра. Безпосередньо спостерігати за станом кубіта або квантового регістра можна. У той же час кубіти можуть обмінюватися своїм станом і перетворювати його, що, власне, і дозволяє створити комп’ютер, який реалізує паралельні обчислення на фізичному рівні.

Також варто відзначити, що зміна стану певного кубіта у квантовому комп’ютері веде до зміни стану інших часток, що є ще однією відмінністю від звичайного комп’ютера. І цією зміною можна керувати. Процес роботи КК був запропонований британським фізиком-теоретиком Девідом Дойчем у 1995 році, коли він створив ланцюжок, здатний виконувати будь-які обчислення на квантовому рівні. Згідно з його схемою, для початку береться набір кубітів і записуються їх основні параметри. Потім виконуються необхідні перетворення з використанням логічних операцій і записується отримане значення, яке і є результатом, що видаються комп’ютером. У ролі проводів виступають кубіти, а перетворення роблять логічні блоки.

Спрощено схему обчислень на квантовому комп’ютері можна представити таким чином. У якусь систему кубітів записується початковий стан, а потім над нею відбуваються унітарні перетворення, що виконують функцію потрібних нам логічних операцій. Таким чином, у квантових алгоритмах і описується послідовність унітарних операцій (також званих гейтами або вентилями) із зазначенням – над якими саме кубітами їх треба здійснювати. Результатом роботи квантового алгоритму є підсумковий стан системи кубітів.

Результат роботи квантового комп’ютера буде носити імовірнісний характер. Однак, збільшуючи кількість унітарних операцій, імовірність отримання правильного результату можна наблизити до одиниці. У теорії КК швидше класичних в експоненціальне число раз (алгоритм факторизації Шора), але при використанні алгоритму Гровера спостерігається лише квадратичний приріст продуктивності. Існують й інші квантові алгоритми, націлені на вирішення різноманітних завдань.

Але, незалежно від реалізованого алгоритму, використання технологій квантових обчислень дозволяє ефективно вирішувати завдання, що вимагають серйозної обчислювальної потужності. Наприклад, квантовому комп’ютеру може виявитися під силу розшифрувати повідомлення, які захищені асиметричним криптографічним алгоритмом RSA. Іншим можливим застосуванням КК можуть стати задачі моделювання фізичних процесів або обробка дуже великих обсягів даних.

Не можна не згадати й існування квантової теорії ігор, що є адаптацією класичної теорії ігор. Нагадаю, теорія ігор – це математичний метод вивчення оптимальних стратегій в іграх, де під грою розуміється процес, у якому беруть участь дві й більше сторін, які ведуть боротьбу за реалізацію своїх інтересів. У кожної зі сторін є своя мета, для досягнення якої реалізується певна стратегія, яка може вести до виграшу або програшу, у залежності від поведінки інших гравців. При цьому теорія ігор допомагає вибрати найкращі стратегії з урахуванням уявлень про інших учасників, їх ресурси та їх можливі вчинки.

У квантовій теорії ігор класичний біт (тобто вибір одного з двох варіантів, наприклад, так чи ні) замінюється кубітом, який є квантовою суперпозицією базових станів. З урахуванням пов’язаності кубітів будь-яка операція, вироблена над одним з них, може вплинути й на інші. Таким чином, розв’язка гри може виявитися досить несподіваною.

Рисунок 1. Представлення біта у класичному вигляді і у квантовому вигдялі.

Кубіти представляють собою атоми, іони, фотони або електрони і їх відповідні керуючі пристрої, котрі працюють разом, щоб виступати в якості комп’ютерної пам’яті і процесора. Завдяки системі кубітів, квантовий комп'ютер здатний вирішувати навіть найскладніші і комплексні проблеми; він має потенціал бути в мільйони разів потужнішим ніж сучасний найпотужніший суперкомп’ютер.

Для того щоб квантовий ефект мав місце, квантовий процесор має працювати в екстремальних умовах: температура має бути близька до абсолютного нуля, мають бути забезпечені екранування від магнетизму і ізоляція від вібрацій і зовнішніх сигналів будь-якої форми. Процесор екранується в замкненій оболонці, де створюється магнітне поле в 50 000 разів менше ніж магнітне поле Землі, і розміщується в високому вакуумі, де тиск в 10 млн. разів нижчий ніж атмосферний. Система охолодження, яка використовується для охолодження процесора, відома як «сухий» рефрижератор розчинення. Він використовує рідкий гелій в циклі замкненого контуру, в якому він рециркулює і конденсується за допомогою імпульсної трубки кріоохолоджувача. Охолодження з замкненим циклом усуває необхідність поповнювати кількість рідкого гелію і робить систему придатною для віддаленої установки. Рефрижератори розчинення не є рідкістю в дослідницькому середовищі, проте компанія D-Wave має передові технології, що забезпечує їм тривалість терміну служби і високу надійність.