ПЕРВАЯ ДЕТАЛЬ ДЛЯ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА ИЗГОТОВЛЕНА

Но Кимбл пока не знает, «что делать с этими слонами»

«Новое русское слово»

Все чаще и чаще встречаем мы в научных статьях слово «суперкомпьютер». Обычно имеют в виду компьютер будущего, где на одном чипе размером с почтовую марку разместятся миллиарды транзисторов, сигналы будут передаваться со скоростью, близкой к скорости света, а число операций достигнет триллионов в секунду. Но создание таких компьютеров - дело настолько ближайшего времени, что некоторые ученые перестают, говоря о них, употреблять словечко «супер».

По их представлениям, суперкомпьютером можно называть только компьютер, работающий по законам квантовой механики, которым подчиняется весь микромир. Мощностью он превзойдет любой традиционный компьютер, подобно тому как ядерная энергия превосходит энергию огня. И математики обретут, наконец, счастье и покой, потому что все задачи, которые веками считались неприступными, ибо на их решение с помощью обычных компьютеров потребовалось бы больше времени, чем существует Вселенная, - будут решены. Самый быстрый традиционный суперкомпьютер в состоянии разложить на множители, скажем, трехсотзначное число только за сотни миллионов лет.

Квантовый компьютер, если его удастся построить, сделает это за несколько минут.

Теоретически этот компьютер основан на феномене, который называется квантовой суперпозицией. Во всяком атоме электроны, подобно планетам, обращаются вокруг ядра. Но, в отличие от планеты, об электроне нельзя сказать, что в данный момент он находится в такой-то позиции.

Он может находиться в любой из возможных позиций (отсюда и термин - суперпозиция), и недаром его предлагали считать облачком и даже совсем абстрактно - состоянием. И лишь когда электрон измеряют или каким-то образом вмешиваются в его движение, суперпозиция исчезает и частица как бы выныривает из квантового тумана. Ее можно зафиксировать в пространстве и времени. Она принадлежит теперь нашему привычному миру, где вещи не могут находиться в разных местах одновременно.

Подобные квантовые эффекты лежат в основе хорошо известных нам явлений.

Представьте себе луч света, отскакивающий «зайчиком» от зеркала. Угол падения этого луча равен, как мы помним, углу отражения. Свет состоит из частиц - фотонов, а фотоны подчиняются квантовым законам. Это значит, что фотоны в луче одновременно отскакивают от каждой точки на зеркале и начинают искать для себя всевозможные траектории.

Некоторые траектории, если можно так выразиться, усиливают друг друга, другие наоборот, ослабляют, и в конце концов остается та единственная траектория, которую мы и наблюдаем.

Точно так же протекали бы параллельные процессы и в квантовом компьютере.

Все вычисления, необходимые для решения задачи, велись бы одновременно, большая часть результатов отпала бы, как отпадают траектории для движения фотонов, и в конце концов остался бы единственно правильный ответ.

Впервые подобные соображения пришли в голову ученым в начале 80-х. Но настоящее оживление в этой области началось в 94-м году, когда Питер Шор из лаборатории AT&T в Мюррей-хилл (штат Нью-Джерси) написал программу, которая обещала с невиданной скоростью разлагать большие числа на множители на квантовом компьютере (если бы он был построен).

Рассматривая одновременно все возможности в квантовых суперпозициях (при этом правильные ответы усиливали бы друг друга, а неправильные упраздняли), алгоритм Шора щелкал бы считавшиеся ранее нерешаемыми задачи легко и быстро.

Но сначала все-таки нужно построить компьютер. В 93-м году Сет Ллойд, физик из МТИ, опубликовал в журнале «Science» схему такого компьютера.

В обычном компьютере единицами и нулями, которыми кодируется информация, манипулируют особые переключатели. Буквально они называются логическими входами (logic gates), так как вся их работа основана на железной логике.

Надо передать «нет» - и входной сигнал меняется на противоположный: единица на нуль и наоборот. Для союза «и» есть свои четкие правила, для «или» - свои.

Сегодня логические входы удалось сделать такими маленькими, что на одном чипе их умещается несколько миллионов. Но в квантовом компьютере они будут намного меньше - размером с атом. Меньше не бывает!

И тремя разными сортами атомов -А, В и С, выстраивающихся в цепочки наподобие полимера, можно будет кодировать любую информацию.

Манипуляция электроном, обращающимся вокруг ядра, позволит выполнять какие угодно вычисления.

Обычно электрон пребывает в атоме на низшем энергетическом уровне. Обозначим это состояние нулем. Но если электрона коснется луч лазера, он поднимется на уровень повыше. Обозначим это единицей. Еще одно касание - снова нуль.

Разные виды атомов откликаются на разные цвета света, так что, варьируя цвет лазерного луча, можно будет выполнять все логические и вычислительные операции.

Чем же этот атомный компьютер отличается от обычного? Только ли размерами, доведенными до минимума? Не только. Ведь каждый электрон может быть в одно и то же время в двух разных состояниях.

Из-за такой его особенности биты, то есть двоичные единицы информации, приобретают в квантовом мире большую степень свободы. Благодаря этому квантовый компьютер способен на более мощную обработку информации, нежели обычный. И, что очень важно, склонен к исправлению собственных ошибок.

В Национальном институте стандартов и технологии (Боулдер, Колорадо) идею квантового компьютера начали, как говорили в старину, воплощать в металле. Дэвид Вайнленд и его коллеги заставили атом бериллия выполнять функции логического входа.

Не отстают от них и физики из Калифорнийского технологического института в Пасадине, где группа Джефри Кимбла конструирует квантовые компоненты из атомов цезия и фотонов.

Когда же будет построен квантовый компьютер? И будет ли? «Ситуация напоминает мне войско Ганнибала перед переходом через Альпы, - говорит Кимбл. - В теории почти все ясно. Уже виднеются горные вершины, ослепительно сверкающие на солнце. Подниматься надо вон там. Но что делать с этими слонами?»