Virtual TR-DOS - это гигантский архив TR-DOS софта для эмуляторов и реального ZX Spectrum. Tакже на моем сайте вы найдете большущую подборку синклеровской прессы,лучшие эмуляторы ZX Spectrum для PC, различные утилиты для упрощенияработы с эмуляторами и многое другое. Paul Pavlov.

От квантовой механики - к квантовым компьютерам.

Кто бы мог подумать, что физики-теоретики занимаютсядействительно важным делом.

14 декабря 1900 года, когда на заседании Берлинскогофизического общества Макс Планк сделал доклад об открытииквантовых свойств теплового излучения, считается днем рожденияквантовой теории. Эта теория в год своего столетия нашлаприменение в компьютеростроении.

Пока что квантовые компьютеры только проектируются. Когда онипокинут пределы лабораторий, мир станет иным. Ожидаемыйтехнологический прорыв должен превзойти достиженияполупроводниковой революции, в результате которой вакуумныеэлектронные лампы уступили место кремниевым кристаллам.

Квантово-механические проблемы очень сложно объяснять "напальцах". Лауреат Нобелевской премии американский физик-теоретикР. Фейнман, один из основоположников и самой квантовой механики,и идеи квантовых компьютеров (КК), как-то высказал парадоксальноеутверждение: "Квантовую механику невозможно постичь, в нее можнолишь поверить". Это действительно так.

Представьте себе объект, который одновременно (но с разнойвероятностью) присутствует во всех точках пространства. Не "можетприсутствовать", а именно присутствует - и все это длится до техпор, пока мы не попытаемся определить его "истинное"местоположение: такая попытка безнадежно изменит всю картинуизначальных вероятностей. В некотором смысле квантовые частицы (ак ним относятся все элементарные частицы, из которых состоит нашмир) являются "вещью в себе", и вмешательство экспериментаторавсегда необратимо меняет их состояния.

Резонный вопрос: при чем тут компьютеры? Дело в том, что биты,состояния 0 и 1, которые представлены в современных ЭВМ какуровни напряжения неких электрических схем, можноинтерпретировать и как состояния элементарных частиц - если, кпримеру, воспользоваться такой характеристикой, как "спин" (опятьмудреное слово, но без него, увы, не обойдешься; впрочем, понятие"спин" есть даже в школьном учебнике физики). Согласновыведенному еще в 1928 году принципу Паули, каждая частица можетобладать спином величиной +1/2 или -1/2. Чем не логические"единица" и "ноль"? А квантовая природа таких частиц, названных"квантовыми битами" или "кубитами" (Qbit), придает КК поистинеуникальные свойства. Одним из них, в частности, является то, чтоквантовый процессор теоретически является системойтермодинамически обратимой и не должен вообще потреблять энергии!

И это еще не самое интересное, что сулит практическаяреализация идеи КК.

Идея наша, реализация... отсутствует.

Впервые идея о квантовых вычислениях была высказана советскимматематиком Ю.И. Маниным в 1980 году. Она стала активнообсуждаться после опубликования в 1982 году статьи упомянутого Р.Фейнмана, который пришел к такому выводу: если для моделированиясистемы, состоящей из N двоичных чисел, в классическом компьютерепонадобилось бы 2 в степени N вычислений, то квантовый компьютерспособен с этим справиться всего лишь за 2N шагов.

Невинное на первый взгляд теоретическое положение буквальновсколыхнуло и физику, и компьютерную науку. Количество публикацийна тему КК растет лавинообразно. Ставки в исследовательской гонкенеобычайно велики: так называемый эффект "квантового параллелизмавычислений" способен повысить быстродействие компьютеров на многопорядков.

Но это в теории. На практике реализовать КК очень непросто.Слишком много проблем. Время существования когерентного (т.е.согласованного, "правильного") ансамбля частиц, составляющихквантовый процессор, невелико. Считывание информации необратиморазрушает ее, а также по мере наращивания возможностей(разрядности) такого КК требования к чувствительности аппаратурырастут в геометрической прогрессии.

Взойти на квантовый Эверест.

Есть несколько направлений, которые сейчас интенсивноразрабатываются: твердотельный КК на полупроводниковыхструктурах, жидкие компьютеры, КК на "квантовых нитях", навысокотемпературных полупроводниках и т.д. - фактически всеразделы физики ХХ века представлены в попытках решения этойзадачи. Но пока можно говорить лишь о том, что достигнутыотдельные предварительные результаты. Так, 15 августа - тримесяца назад - представители IBM объявили о том, что висследовательской лаборатории компании разработан квантовыйкомпьютер из 5 атомов. Непрерывным потоком поступают сведения и одругих разработках в различных странах мира. Исаак Чуанг,исследователь из IBM, который возглавляет совместную группуученых из IBM, Stanford University и University Calgary, считает,что компьютер, использующий 7-10 атомов, появится в ближайшие двагода. Между тем для практического использования необходимо иметьансамбль хотя бы из 100-1000 атомов.

Одной из особенностей КК является возможность осуществлениядавно вынашиваемой конструкторами идеи о построении "троичногокомпьютера". Еще в 1934 году было доказано, что самая экономичнаясистема для производства машинного счета - система с основаниеме=2,7182... Так как такой системы счисления не существует исуществовать не может, получается, что самая выгодная - троичная,так как тройка ближайшее целое приближение к числу "е".

Однако троичная система тогда, да и сейчас вызывает трудностив технической реализации. Единственный в мире серийный "троичный"компьютер был выпущен в СССР в середине 60-х годов.

И вот австрийские физики из Инсбрукского университета провелиопыты по передаче информации на квантовом уровне, в результатекоторых выяснилось, что с помощью пары фотонов можно закодироватьтри состояния: 0, 1 и 2. В отличие от бита информации (состояния0 и 1) такой элемент информации получил название "трит".

Телепортация - это реально.

Один из самых поразительных эффектов, которые присущиквантовым объектам, - так называемый эффект "квантовойтелепортации". Его еще в 30-х годах обнаружил А. Эйнштейн,который выдвинул его в качестве очередного возражения противквантовой механики, с которой он так и не смог примириться доконца жизни. Воистину даже заблуждения гения есть нечтогениальное:

неприемлемый с точки зрения "здравого смысла", эффекттелепортации тем не менее оказался не просто реальносуществующим, но и в высшей степени интересным.

Принципиальная схема эксперимента, демонстрирующего квантовуютелепортацию, была предложена в 1993 году группой специалистовисследовательского центра IBM, возглавляемого дважды Нобелевскимлауреатом Ч. Беннетом. Тогда же возник и сам термин "квантоваятелепортация".

Эксперимент впервые осуществлен в 1997 году австрийскимифизиками под руководством А. Цайлингера, которые действительнонаблюдали телепортацию квантового состояния. Позднее этирезультаты экспериментально подтвердили другие исследователи. Вчастности, опубликованы данные эксперимента, показывающие наличиесвязи между состояниями фотонов на гигантских для микромирарасстояниях - более 10 км.

Следует отметить, что квантовая телепортация не имеет никакогоотношения к телепортации материальных тел - передается толькоинформация. Но эффект квантовой телепортации позволяет вестимгновенный обмен информацией внутри квантового компьютера, и нетолько компьютера - можно телепортировать данные в любых цифровыхсистемах, причем появляется возможность передавать информацию безпотерь, со 100-процентной эффективностью. В отличие от самогоквантового компьютера подобные каналы передачи данных вполнемогут быть реализованы уже в ближайшие годы.

Тайное станет явным.

Немедленным следствием появления концепции КК явился переполохв сфере криптографической науки. Дело в том, что абсолютно всеметоды шифрования в настоящее время основываются на предположении(недоказанном, но и не опровергнутом), что существуют некие"односторонние функции". Например, произведение двух чисел найтиочень легко, а определить эти числа по их произведениюпрактически невозможно. А благодаря КК расшифровка становитсястоль же несложным делом, как и шифрование.

Ясно, какие ведомства заинтересованы в скорейшей реализацииисследований. Агентство национальной безопасности США и Пентагонуже финансируют программу И. Чуанга.

Но, разрушая традиционные подходы, КК одновременно предлагаетпринципиально новое решение по защите данных - т.к. любоевмешательство в квантовую систему необратимо меняет ее состояние,попытка прослушивания немедленно будет обнаружена. Такие"квантово-криптографические системы" также близки к практическомуосуществлению.

.

Рассуждения А. Эйнштейна относительно "квантовойтелепортации", сводились к следующему: из одного изфундаментальных законов квантовой механики (принципанеопределенности Гейзенберга) вытекает, что состояние двух частицА и Б, разлетевшихся в разных направлениях после соударения,взаимообусловлено, что проявляется мгновенно и на любомрасстоянии между А и Б. Иными словами, воздействуя на частицу А,мы передаем информацию частице Б, где бы та ни находилась.

Но, поскольку теория относительности отрицает мгновеннуюпередачу сигналов, Эйнштейн предположил, что такого эффекта неможет быть и, следовательно, вся квантовая механика неверна.Парадокс разрешается, только если признать, что частицы намикроуровне ведут себя совершенно не так, как на привычном наммакроуровне.

.

Ю.С. Манкин - советский математик. В 1980 году опубликовалстатью, в которой впервые высказывалась идея созданияпринципиально нового вычислительного устройства.