Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
Тем не менее даже в настоящее время можно рискнуть сделать некоторые общие выводы и прогнозы, касающиеся возможности создания полномасштабных высокопроизводительных квантовых суперкомпьютеров, которое только и может оправдать прилагаемые громадные интеллектуальные усилия в области квантовых вычислений. Они состоят в следующем:
1) согласно одному из пяти основных требований, которые должны быть выполнены при создании квантовых суперкомпьютеров, необходимо иметь физическую систему с достаточно большим числом кубитов (тысячи). Вариант квантового компьютера на ионах в ловушке, несмотря на успехи, достигнутые в технологии их создания, встречается со значительными трудностями при увеличении числа ионов-кубитов. Это связано с конфигурационной неустойчивостью одномерного линейного ионного кристалла, образованного ионами в ловушке; с проблемой декогерентизации квантовых состояний, определяемой сильным взаимодействием заряженных ионов с окружением; с необходимость сверхглубокого лазерного охлаждения ионов. Реально достигнутое число кубитов в таких системах составляет несколько десятков и, по-видимому,
342
Заключение
не может быть существенно увеличено. Отсюда следует вывод: рассмотренные системы из ионов на ловушках без дальнейшего развития принципов работы кубитов на ионах, по-видимому, не могут рассматриваться в качестве аппаратного средства для квантового суперкомпьютера, хотя в качестве модельных структур они несомненно имеют определенные перспективы;
2) ансамблевый ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) квантовый компьютер на органической жидкости имеет ряд значительных преимуществ. Компьютеры могут работать при комнатной температуре; для управления кубитам и измерения их состояний может быть использована хорошо развитая техника ЯМР; физической системой, представляющей кубиты, является ансамбль естественных органических молекул жидкости, содержащих атомы с ядерными спинами, различающимися по резонансной частоте. Поэтому технология создания такой системы в значительной мере основана на использовании методов органической химии. На этом пути уже удалось реализовать простейшие квантовые компьютеры. Однако такой вариант также встречается с рядом существенных проблем. Одной из них является проблема подготовки начального квантового состояния (инициализации) системы кубитов при температурах жидкого состояния, что требует разработки специальных методов. Число различающихся по резонансной частоте ядерных спинов-кубитов в одной молекуле не может быть произвольно большим. Но главная проблема связана с экспоненциальным уменьшением интенсивности измеряемого сигнала с увеличением числа кубитов, которое в результате для жидкостных ЯМР квантовых компьютеров не может превышать двух десятков. Таким образом, этот, как и предыдущий вариант, тоже не может лечь в основу для создания квантового суперкомпьютера;
3) полупроводниковые ЯМР квантовые компьютеры с индивидуальным обращением к кубитам (вариант Кейна) при работе в условиях низких температур способны решить проблемы с инициализацией и экспоненциальным уменьшением интенсивности сигнала с ростом числа кубитов. Роль кубитов здесь играют ядерные спины одинаковых донорных атомов в полупроводниковой структуре, для электрического управления которыми и измерения их состояний должна быть создана структура из затворов нанометрового масштаба. Учитывая достижения современной нанотехнологии, в этом варианте можно создать систему из многих тысяч кубитов. Основной проблемой полупровод-
Заключение
343
никового варианта является необходимость измерения состояния отдельного кубита, для решения которой уже предложено ряд способов. Однако ни один из них не реализован пока даже на простейшем макете. Другая трудность связана с наличием управляющих затворов, шумовое напряжение на которых является существенным источником декогерентизации. Тем не менее, вариант Кейна полупроводникового ЯМР квантового компьютера, несмотря на имеющиеся трудности, может в принципе рассматриваться в качестве кандидата для использования в квантовом суперкомпьютере и заслуживает дальнейшей разработки;
4) более перспективным представляется вариант твердотельного ЯМР квантового компьютера с ансамблевым обращением к кубитам. В этом случае появляется возможность существенно упростить управление кубитами и измерение их состояний. Кроме того, при использовании в ансамблевых вариантах принципов квантового клеточного автомата можно в значительной степени упростить и систему управляющих затворов и даже, возможно, отказаться от их совсем. Это позволило бы исключить связанные с ними существенные механизмы декогерентизации. Этот вариант так же может рассматриваться как один кандидатов для создания суперкомпьютера;
5) альтернативной по отношению к модели Кейна может быть модель полупроводникового ЯМР квантового компьютера, в котором для управления кубитами и измерения их состояний наряду с электрическими используются СВЧ и лазерные импульсы. Этот вариант облегчает решение задач, связанных с измерениями состояний отдельных кубитов, но при этом сохраняются недостатки, связанные с наличием системы затворов. Использование ансамблевого подхода в этом случае позволило бы рассматривать этот вариант как еще одну возможность для создания квантового суперкомпьютера;
