Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2007 № 06

Впрочем, не только Шор и Лойд, но и специалисты из других стран взялись за теоретические описания и создание подобных вычислительных систем. Сейчас предложены десятки разных вариантов; упомянем некоторые из них.

Первый квантовый компьютер ученые создали, сами того не подозревая, указывает в одной из своих работ академик К.А. Валиев. Его «опытным образцом» стал импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр, о котором «ЮТ» не раз писал.

Дело в том, что в этом устройстве уже используются Q-биты (кубиты) — единицы измерения квантовой информации. Они представляют собой спины ядер, входящих в состав атомов, которые, в свою очередь, образуют исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу. Каждое ядро имеет свою частоту резонанса в магнитном поле, поясняет К.А. Валиев.

При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает отзываться, словно рояльная струна, остальные же ядра «молчат». Для того, чтобы заставить отозваться второй атом, нужно дать импульс на другой частоте.

Иными словами, процессом вычислений можно управлять импульсами переменного магнитного поля. При этом в молекуле есть прямая связь между спинами, и потому она является идеальной заготовкой для квантового компьютера, а сам спектрометр — почти готовый процессор. Однако в настоящее время удается работать с системами, в которых не более 5–7 спинов, а их нужно не менее 100.

Общий вид квантового компьютера Orion.

Другой подход основан на использовании электромагнитных ловушек, в которых содержатся «подвешенные» в вакууме ионы. Первые ионные ловушки создали еще полвека назад, когда понадобился эталон времени для атомных часов; в таких часах колеблющиеся ионы играют роль маятников. Но для квантового компьютера одного иона недостаточно. Нужна, как минимум, сотня. Создание таких «многоместных» ловушек — задача непростая, но специалисты ее успешно решают.

Больше других преуспели в этом направлении ученые Инсбрукского университета в Австрии и сотрудники Лос-Аламосской лаборатории в США.

Принципиальная схема «ловушек» для кубитов.

Для квантового компьютера, напомним еще раз, нужна хотя бы сотня частиц. А в вытянутой цепочке, как показала практика, пока можно удержать максимум 30 ионов. При большем количестве одномерный кристалл теряет устойчивость — образуется «зигзаг», неустойчивая структура. Решить эту проблему ученые планируют, объединив несколько ловушек — скажем, по 10 частиц в каждой — в одну систему.

Третий подход — создать квантовый компьютер на твердом теле. Исследователи Физико-технологического института РАН (ФТИАНа) под руководством академика К.А. Валиева намерены создать квантовый компьютер на основе кремниевых микрочипов, подобных тем, которые использует традиционная микроэлектроника.

Через каждые 100 ангстрем в кристалл кремния внедряют атомы фосфора; этой операцией технологи прекрасно владеют уже сегодня. На таком расстоянии облака внешних электронов атомов фосфора пересекаются, и один атом может управлять электронами другого.

Над этими атомами располагают 50-ангстремные микроэлектроды. Изменяя напряжение на электроде, можно менять и резонансную частоту спина ядра атома фосфора. Получается структура, очень похожая на современный полевой транзистор: как бы те же затворы, только вместо тока — состояния атома. Причем наши физики предлагают работать не с одним, а сразу с серией атомов, действующих параллельно. Тогда на выходе сформируется сравнительно мощный сигнал, который легче регистрировать.

Пока же суд да дело, канадская фирма D-Wave Systems, объявившая о создании квантового компьютера Orion мощностью в 16 кубит, использовала в своем устройстве кольца из сверхпроводника с одним или двумя разрывами толщиной в нанометры. Эти разрывы заполняются диэлектриком. «В каждом кольце реализуется необычное квантовое состояние, когда токи текут одновременно и по, и против часовой стрелки», — сообщают создатели «Ориона».

Охлаждаемый до температуры кипения жидкого гелия (-273,145 °C) процессор выполнен из ниобия (металла-сверхпроводника) с использованием традиционной микроэлектронной технологии.