Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
Предлагаемая монография представляет собой первую отечественную попытку систематического изложения как математических, так и физических основ квантовых вычислений и принципов работы квантовых компьютеров. В ней приводятся необходимые понятия квантовой теории информации, описываются основные квантовые логические операции и квантовые алгоритмы; обсуждаются ограничения, появляющиеся на пути к полномасштабным квантовым вычислениям, и возможные пути их преодоления; детально рассматриваются отдельные варианты уже реализованных прототипов квантовых компьютеров и пока нереализованных предложений, а также анализируются их преимущества, недостатки и проблемы реализации.
Содержание книги отражает опыт исследований, накопленный по 2000 год и отраженный, главным образом, в зарубежной периодической литературе и Интернете. В нее включены и некоторые оригинальные результаты.
10
Предисловие
При написании книги мы старались, с одной стороны, охватить возможно больший объем информации, а с другой стороны, сохранить необходимую краткость изложения. Для того чтобы можно было ориентироваться в том бурном потоке информации и получить достаточно полное представление о состоянии новой науки о квантовых вычислениях и квантовых компьютерах, определенный минимум знаний в области квантовой теории совершенно необходим. Поэтому нам пришлось обращаться к понятиям и методам, которые развивались в течение всего века в квантовой физике и которые требовали для их изложения и применения определенного теоретического аппарата. В предлагаемой книге мы попытались в какой-то мере проклассифицировать собранную информацию и дать ее такое последовательное и достаточно подробное изложение, которое на первых порах не потребовало бы обращения к первоисточникам. Тем не менее каждая глава сопровождается подробной библиографией, заканчивающейся 2000 годом, которой можно воспользоваться для изучения деталей, касающихся рассматриваемых вопросов. Это особенно существенно в связи с тем, что отечественная литература по квантовым вычислениям и компьютерам пока еще очень бедна. В тексте дается английская транскрипция тех терминов, которые либо вообще не имеют еще русских эквивалентов, либо уже встречаются в русской научной литературе, но их русские эквиваленты еще окончательно не устоялись. Фамилии иностранных авторов также сопровождаются соответствующей транскрипцией.
Естественно, что из всего бурного потока информации нам удалось охватить только ту часть, которая показалась нам наиболее интересной. При этом мы не избегали и тех работ, которые содержали новые интересные идеи, но имели характер еще не достатчно проработанных проектов, поскольку полагали, что знакомство с такими идеями может послужить определенным стимулом для появления других более глубоких исследований и разработок.
Существенную помощь в процессе написания книги оказал нам постоянно действующий в Физико-технологическом институте РАН семинар по физике квантовых компьютеров, руководимый К. А. Валиевым, на котором детально обсуждались многие затронутые в книге вопросы.
Мы надеемся, что книга будет полезной для широкого круга специалистов — математиков, физиков и инженеров-разработчиков вычислительных систем, а также преподавателям, аспирантам и студентам старших курсов соответствующих специальностей. От ее читателей
Предисловие
11
предполагается знание основ статистической физики, квантовой механики, физики полупроводников в рамках обычных программ для физических и физико-технических специальностей.
Работа была распределена следующим образом. Введение и глава 3 были написаны К. А. Валиевым, главы 2 и 5 — А. А. Кокиным, а остальные совместно.
Мы выражаем благодарность участникам семинара по физике квантовых компьютеров за плодотворное обсуждение сообщений, с которыми выступали авторы, научно-издательскому центру «Регулярная и хаотическая динамика» в лице А. В. Борисова, принявшему к опубликованию книгу, Министерству промышленности, науки и технологий РФ за поддержку проводимых исследований, а также В. А. Кокину за исключительно большую техническую помощь в подготовке электронного варианта рукописи. Без этой помощи книга еще долго не увидела бы свет.
К. А. Валиев, А. А. Кокин г. Москва
Физико-технологический институт Российской Академии Наук
ВВЕДЕНИЕ
« ... nature isn’t classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you’d better make it quantum mechanical ... ».
R. Feynman
Современные цифровые электронные компьютеры базируются на полупроводниковой технологии. Хотя принцип их работы не может быть понят без привлечения таких квантовых представлений, как зонная структура полупроводника, туннелирование носителей заряда через барьер и некоторых других, для описания процесса преобразования информации в них обычно достаточно использовать классические представления о макроскопических токах электронов и дырок в полупроводнике. Такой компьютер можно рассматривать как электрическую схему, включающую совокупность макроскопических базисных нелинейных элементов — классических битов с только двумя возможными логическими булевыми состояниями «О» и «1» (binary digits = bits), логических элементов-вентилей и соединений между ними. Логические состояния битов могут быть представлены, например, двумя значениями тока в определенном проводнике или электрического потенциала на нем, рассматриваемых как макроскопические классические некогерентные величины. Универсальные цифровые компьютеры, в которых логические операции производятся с классическими булевыми состояниями, отображающими одну совокупность состояний «О» и «1» в другую совокупность булевых состояний, принято называть классическими.
