Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Выполнение точных измерений – потенциально одна из наиболее значимых сфер применения квантовых компьютеров. Эффекты классического шума при фиксации чувствительных измерений физических величин, например интервалов времени или расстояний, означают, что лучшая статистическая точность, которую мы можем достичь, растет с квадратным корнем числа битов, используемых для записи.

Между тем квантовая неопределенность определяется принципом неопределенности Гейзенберга и быстро улучшается с ростом числа проделанных измерений. Посредством кодирования расстояний и временных интервалов с использованием квантовой информации – измеряя их, например, поляризованными фотонами лазера – можно достичь намного большей точности.

Этот принцип уже применялся в гигантских интерферометрах, в которых используются отклонения лазерных пучков километровой длины для детектирования неуловимых гравитационных волн, предсказанных теорией относительности Эйнштейна, например детекторами LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон). В этих случаях мы можем рассматривать гравитацию как шум, возмущающий кубиты, в роли которых выступают положение и импульс фотонов от лазера. Измеряя эти возмущения, мы можем оценить интенсивность волн.

Ни один обзор квантовых компьютеров не будет полным без попытки ответить на вопрос стоимостью в 64 000 долларов (или даже гораздо большей): возможно ли, что мы увидим работающие квантовые компьютеры в наших домах, офисах и руках в ближайшее время? Ответ напрямую зависит от результатов поиска среды, способной кодировать и обрабатывать от 10 до 20 кубитов, которыми могут управлять имеющиеся технологии. Но достижение нескольких сотен кубитов, необходимое для опережения классических компьютеров, – во многом скорее техническая сложность. За пару десятилетий, с учетом прогресса в охлаждении и захвате, а также в сочетании со светом, от существующих технологий захваченных ионов и холодных атомов можно добиться необходимой стабильности в достаточно больших количествах для достижения действенных квантовых вычислений.

Первые крупномасштабные квантовые компьютеры, скорее всего, буквально такими и будут – крупномасштабными. Вложения в эту область существенно возросли за последние годы, и даже скептики сегодня говорят о крупномасштабных квантовых вычислениях как о неизбежном этапе развития, который, возможно, принесет свои плоды в следующие пять-десять лет. Эти системы, вероятно, будут управлять кубитами с помощью лазеров, и им потребуется сверхохлаждение, так что вряд ли они появятся в наших домах. Но если будущее большей части вычислений – это централизованные удаленные хранилища данных, возможно, эта необходимость не будет сильно мешать.

Когда появится что-то поменьше, следующей проблемой станет запутанность, являющаяся хрупкой драгоценностью и в более благоприятных условиях, поддерживать которую с ростом квантовой системы будет все сложнее и сложнее. Стало бы гораздо проще достичь прогресса в квантовых вычислениях, если бы наша убежденность в критической необходимости и центральном месте в таких вычислениях запутанных состояний оказалась ошибочной. Идея такой возможности появилась в 1998 году с разработкой «однокубитных» алгоритмов. Они могут решать широкий класс задач, включая разложение на множители по алгоритму Шора, и не требуют многих запутанных кубитов. Практическое осуществление такой технологии стало бы удивительно ловким приемом – однако исключительно важный алгоритм поиска по базе данных Гровера на ее основе реализовать невозможно.

Бытует мнение, что хрупкость квантовых систем не позволит нам осуществлять квантовые вычисления в таких крупномасштабных, шумных, теплых и сырых средах, в которых работаем мы, люди. Вопреки этому, надежду на их реализацию нам дают недавние свидетельства того, что живые системы, например фотосинтез у бактерии или аппарат магнитной навигации в сетчатке у птиц, используют некую простую обработку квантовой информации для повышения собственной эффективности (подробнее об этом см. в главе 6).

Если мы сможем раскрыть эти секреты, квантовый компьютер на каждом рабочем столе и на ладони каждой руки больше не покажется таким фантастическим.

Сегодня криптографические системы находятся в довольно неустойчивом состоянии. Безопасность всех наших онлайн-закупок, банковских трансакций и аккаунтов основывается на шатком допущении, что эти конкретные математические операции трудновыполнимы. Наиболее известная из современных шифровальных систем называется алгоритмом RSA. Для шифрования данных она создает ключ из двух очень больших простых чисел. Они держатся в секрете, но их произведение – число длиной в тысячи двоичных цифр – известно всем. Данные могут быть зашифрованы с использованием этого открытого ключа, но расшифровать их можно, только зная его исходные числа. Безопасность RSA основывается на отсутствии известного простого способа найти два начальных числа. Существующие методы представляют собой почти бесконечные процессы, например подбор всех возможных вариантов по очереди.