Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
Кроме того, невыполнимость факторизации лежит в основе стойкости наиболее надежных на сегодняшний день методов шифрования, в частности системы RSA (Rivest, Shamir и Adleman), которая часто используется для защиты электронных банковских счетов [122] (детали см. в главе 2). Когда будет построена машина для квантовой факторизации (квантовый компьютер специального назначения для факторизации больших чисел), все такие криптографические системы станут ненадежными.
Потенциальная мощь использования квантовых явлений для выполнения вычислений была впервые предсказана в общих чертах Ричардом Фейнманом на Первой Конференции по Физике Вычислений, проведенной в MIT в 1981 году. Он заметил, что в общем случае оказывается невозможным эффективно смоделировать развитие квантовой системы на классическом компьютере [123]. Компьютерное моделирование квантовой эволюции обычно связано с экспоненциальным замедлением по сравнению с естественной эволюцией, по существу за счет того, что количество классической информации, необходимой для описания эволюции квантовой системы экспоненциально больше, чем количество информации, нужной для описания с той же точностью соответствующей классической системы. (Для предсказания эффектов интерференции нужно описать всё экспоненциально большое множество двойников системы в параллельных вселенных.) Тем не менее, Фейнман рассматривал это не как препятствие, а как потенциальную возможность. Он указал, что, если для выяснения того, что произойдет в эксперименте с многочастичной интерференцией, требуется так много вычислений, то сама постановка такого эксперимента и измерение результата эквивалентны проведению сложного вычисления.
Квантовые вычисления уже были использованы для предсказания поведения квантовых систем в простых случаях. В какой-то момент в обозримом будущем они будут играть новую и незаменимую роль в структуре науки, поскольку возможность науки делать предсказания будет основываться на квантовых вычислениях.
Введение в квантовые вычисления 135
Основы квантовой теории вычислений (которая теперь должна рассматриваться как общая теория вычислений - классическая теория Тьюринга это только приближение) были заложены в 1985 году, когда Дэвид Дойч из Оксфордского университета опубликовал определяющую теоретическую статью, в которой он описал универсальный квантовый компьютер [124]. С тех пор началась охота за интересными вещами, которые могут делать квантовые компьютеры, и одновременно поиск научных и технологических решений, которые позволят нам построить квантовые компьютеры.
4.1.4 Построение квантовых компьютеров
В принципе, мы знаем, как построить квантовый компьютер; мы начинаем с простых квантовых логических элементов (см. главу 1) и затем соединяем их в квантовые сети.
Как и классический, квантовый логический элемент - это очень простое вычислительное устройство, которое за определенное время осуществляет одну элементарную квантовую операцию, обычно над двумя кубитами [125]. Конечно, квантовые логические элементы отличаются от их классических аналогов тем, что они могут создавать квантовые суперпозиции и производить операции над ними. Тем не менее, с увеличением числа квантовых элементов в сети мы быстро наталкиваемся на серьезные практические проблемы. Чем с большим количеством взаимодействующих кубитов мы имеем дело, тем труднее оказывается разработать взаимодействие, при котором проявляется квантовая интерференция. Помимо технических сложностей работы на масштабах одного атома и одного фотона, одной из наиболее серьезных проблем является предотвращение влияния взаимодействия, обеспечивающего квантовую интерференцию, на окружающую среду. Чем больше используется компонентов, тем с большей вероятностью квантовая информация распространится за пределы квантового компьютера и будет потеряна во внешней среде, таким образом, искажая вычисления. Этот процесс называется декогерентностью и детально обсуждается в главе 7. Следовательно, наша задача
- разработать суб-микроскопические системы, в которых кубиты оказывают влияние друг на друга, но не на окружающую среду.
Некоторые физики с пессимизмом относятся к перспективам существенного прогресса в квантовой компьютерной технологии. Они считают, что декогерентность на практике никогда не будет уменьшена до такого уровня, что можно будет произвести более чем несколько последовательных шагов квантового вычисления. (Между прочим, уже это позволило бы создать несколько очень полезных устройств, см. ниже
136 Концепция квантовых вычислений
таблицу 4.1). Другие исследователи с большим оптимизмом считают, что реальные квантовые компьютеры появятся через годы, а не через десятилетия. Мы склоняемся к оптимистической точке зрения -отчасти потому, что теория говорит нам, что не существует фундаментальных препятствий на этом пути и что возможны квантовая коррекция ошибок и отказоустойчивые вычисления (см. главу 7), отчасти, из-за удивительного таланта и способности решать проблемы работающих над этим проектом физиков-экспериментаторов, и, наконец, потому, что благодаря оптимизму, задуманное свершается.
