Возможен ли квантовый компьютер при комнатной температуре?
 Один из подходов к реализации квантового компьютера: оптически-контролируемые кубиты. Тонкая пленка кремния наносится на кварцевую или алмазную подложку, после чего случайным образом наполняется донорами: кубитами (красные частицы на рисунке) и управляющими элементами (зеленые частицы на рисунке). Рисунок из оригинальной статьи. |
|
||||||||
Классический компьютер оперирует таким понятием как биты, и для него верны законы «классической» логики. Логический бит – это некий модуль, который может принимать значения 0 и 1 (в электрическом варианте этот модуль может быть либо заряжен, либо нет). Увы, систему из нескольких битов нельзя считать действительно полезным компьютером. Чтобы все это имело смысл, необходимо строить из отдельных модулей целую сеть. По привычным законам логики, биты можно читать и копировать, не изменяя их первоначального значения; их состояние можно сохранять, и оно не будет существенно меняться со временем. Особенно важно то, что чтение одного «классического» бита не затрагивает другие (соседние) биты.
С квантовым компьютером все гораздо сложнее. Квантовые постулаты пока еще не вошли в обиход настолько, чтобы считаться интуитивными. Квантовая физика вызывает множество вопросов, основной из которых, в подходе к описанию состояния системы при помощи ряда математических абстракций. При этом все возможные наблюдения в квантовом мире – лишь игра с вероятностью.
В отличии от классического компьютера, в основе квантового лежат так называемые «кубиты» (квантовые биты), которые подчиняются уже законам квантовой логики. При этом постулаты квантовой логики не позволяют провести параллель между битами и кубитами; для квантового компьютера необходима разработка нового математического аппарата.
Почему людям так необходим квантовый компьютер? Главная причина – в ограничениях «кремниевых» технологий. Рынок постоянно требует увеличения скорости работы и миниатюризации устройств, но у обоих этих стремлений есть свои переделы. Следует ли достичь барьера и наращивать мощности за счет распараллеливания? Или имеет смысл искать радикально новую технологию? Устройства, имеющие наномасштабы, так или иначе, затрагивают квантовые эффекты, так почему бы недостатки не превратить в достоинства, если все равно необходимо вести исследования в этом направлении? Квантовые идеи могут подстегнуть развитие информационных технологий так же, как в свое время открытия атома и электрона положили начало микроэлектронике.
Учитывая количество разработок в области «кремниевых» технологий, логично было бы использовать их для управления квантовым компьютером; еще логичнее – интегрировать квантовые модули в кремниевые основы, совмещая в итоговом устройстве преимущества «классических» и «квантовых» технологий. По этим и целому ряду других причин именно поэтому конденсированное состояние является наиболее подходящей сферой для развития квантовых идей.
Специалисты Исследовательской Лаборатории IBM (IBM Research Labs) разработали ряд требований минимальных, необходимых для создания квантового компьютера. В первую очередь он включает набор состояний, которые могут использоваться как кубиты. Набор в целом должен поддерживать масштабируемость, а также иметь средства для «приготовления» и управления нужными квантовыми состояниями.
Существует несколько подходов к реализации перечисленных требований и, соответственно, к ответу на многочисленные вопросы, связанные с квантовыми вычислениями. Некоторые считают, что ответы очевидны, однако, на самом деле они лежат где-то в диапазоне между «в принципе невозможно» и «уже реализовано». К примеру, кто-то считает, что высокие температуры вообще никак не согласуются с квантовой механикой. Другие признают, что их «любимые» системы не могут работать при комнатной температуре. А третьи вообще сомневаются, что квантовые вычисления возможны.
В попытках прояснить хотя бы некоторые моменты, Маршал Стонхэм (Marshall Stoneham), профессор физики в University College London, провел анализ последних работ в области квантовой физики и квантовых вычислений. В опубликованной в журнале Physics статье, он утверждает, что квантовые вычисления возможны при температуре кипения жидкого азота (77 градуса по шкале Кельвина), при 195 градусах по шкале Кельвина (температура сухого льда) они кажутся разумно-возможными. Говоря о барьере, достижимом при помощи термоэлектрического охлаждения (260 градусов по шкале Кельвина), к функционированию квантового компьютера разумнее всего применить термин «существует надежда». При этом известно, что небольшие устройства (в 2 – 3 кубита) работают и при комнатной температуре. Ученый отмечает, что ему кажется вероятным существование и 20-кубитового компьютера, работающего в комнатных условиях, однако, пока это лишь предположение.
Также по теме:
Источники:
- M. Stoneham Is a room-temperature, solid-state quantum computer mere fantasy?. Physics, 2, 34 (2009)