Дэвид Дойч - Структура реальности. Наука параллельных вселенных

Создание универсального квантового компьютера выходит далеко за рамки современной технологии. Как я уже сказал, чтобы обнаружить явление интерференции, нужно вызвать соответствующее взаимодействие всех переменных, которые различались во вселенных, вносящих вклад в интерференцию. Чем больше взаимодействующих частиц участвует, тем сложнее организовать взаимодействие, которое продемонстрировало бы интерференцию, то есть результат вычисления. Среди множества технических сложностей работы на уровне одного атома или электрона одна из важнейших состоит в ограждении среды от воздействия различных интерферирующих субвычислений. Дело в том, что если группа атомов участвует в явлении интерференции и эти атомы по-разному воздействуют на другие атомы окружающей среды, то интерференцию уже невозможно обнаружить по измерениям только исходной группы, и эта группа уже не выполняет какого бы то ни было полезного квантового вычисления. Это называется декогеренцией. Следует добавить, что эту проблему часто представляют в ложном свете: нам говорят, что квантовая интерференция – очень чувствительный процесс, и его следует ограждать от любых внешних воздействий. Но это не так. Внешние воздействия способны вызвать небольшие погрешности, но именно воздействие квантового вычисления на внешний мир вызывает декогеренцию.

Таким образом, ставка делается на создание субмикроскопических систем, в которых несущие информацию переменные взаимодействуют друг с другом, но как можно меньше влияют на свою среду. Еще одно новое упрощение, уникальное для квантовой теории вычисления, частично компенсирует сложности, вызываемые декогеренцией. Оказывается, что, в отличие от классического вычисления, где необходимо конструировать особые классические логические элементы, такие как И, ИЛИ и НЕ, в квантовом случае конкретная форма взаимодействий вряд ли имеет значение. В сущности, почти любую систему взаимодействующих битов атомного масштаба, если она не декогерирует, можно приспособить для выполнения полезных квантовых вычислений.

Известны интерференционные явления, включающие огромное число частиц, например, сверхпроводимость или сверхтекучесть, но кажется, что ни одно из них невозможно использовать для выполнения каких-либо интересных вычислений. Во время написания этой книги в лаборатории можно было легко выполнить только однобитовые квантовые вычисления. Однако экспериментаторы уверены, что в течение нескольких последующих лет будут созданы двух– и более битовые квантовые логические элементы (квантовые эквиваленты классических логических элементов). Это основные составляющие квантовых компьютеров. Некоторые физики, особенно Рольф Ландауэр [41]из IBM Research, настроены пессимистично относительно перспектив дальнейшего продвижения после этого. Они полагают, что декогеренция никогда не будет сведена до того уровня, при котором можно выполнить более нескольких последовательных шагов квантового вычисления. Большинство исследователей в этой области настроены гораздо оптимистичнее (хотя, возможно, это связано с тем, что над квантовыми вычислениями решаются работать только очень большие оптимисты!). Уже были построены некоторые специализированные квантовые компьютеры (речь о них пойдет дальше), и лично я думаю, что появление более сложных квантовых компьютеров – скорее дело нескольких лет, чем десятилетий. Что касается универсального квантового компьютера, то я считаю, что его создание – это тоже лишь дело времени, хотя мне не хотелось бы предсказывать, сколько времени это займет: десятилетия или века.

Тот факт, что репертуар универсального квантового компьютера содержит среды, воспроизведение которых является труднорешаемым в классическом смысле, говорит о том, что новые классы чисто математических вычислений тоже должны стать легкорешаемыми на этом компьютере, потому что законы физики, как сказал Галилей, выражаются на языке математики, а воспроизведение среды эквивалентно вычислению определенных математических функций. Действительно, в настоящее время обнаружено множество математических задач, которые можно было бы эффективно решить с помощью квантовых вычислений, тогда как для всех известных классических методов они являются труднорешаемыми. Наиболее впечатляющей из этих задач является задача разложения на множители больших чисел. В 1994 году Питер Шор, работавший в Bell Laboratories, открыл метод, известный как алгоритм Шора. (Пока американское издание этой книги готовилось к печати, были открыты другие впечатляющие квантовые алгоритмы, включая алгоритм Гровера для очень быстрого поиска в длинных списках.)