Квантовые компьютеры — это вычислительные устройства, которые оперируют не битами, а кубитами. Кубит происходит не от слова «куб», а является записанным русскими буквами словом qbit, то есть квантовый бит, quantum bit. Обычый бит это минимальная единица информации (есть сигнал или нет, ноль или едицица), в то время как квантовый бит может быть смесью двух состояний, нуля и единицы. Смесью в произвольном соотношении, можно получить, скажем, 23% нуля и 77% единицы; в ряде задач такая возможность позволяет намного ускорить все расчеты.

Не вдаваясь в математические дебри, поясним самое важно — «намного ускорить» означает именно то, что написано. Намного. Ускорить. Задача взлома используемых сейчас шифров решается даже с привлечением суперкомпьютеров за десятки или сотни лет, а квантовый компьютер может справится с ней за несколько дней: это самый популярный и наглядный пример того, на что в теории способна технология квантовых вычислений… ключевое слово здесь «в теории», так как пока что работоспособных квантовых компьютеров не существует из-за целого ряда различных проблем прикладного характера.

Кубиты нельзя смоделировать на основе обычной микроэлектроники, для их реализации нужна квантовая же система, причем с максимальной защищенностью от помех и при этом с возможностью быстро считывать ее состояние. Что означает необходимость купить криогенную систему, несколько лазеров, вакуумные камеры и специальный стол массой в пару тонн для компенсации вибраций. Нет, в съемной квартире-брежневке из купленных на митинском радиорынке деталей такое не собрать, да и в карман положить даже одну-единственную ячейку квантового компьютера не получится, она лишь формально состоит из единственного иона. На практике этот ион еще отловить в магнитную ловушку надо при близкой к абсолютному нулю температуре: радиолампы и те были компактнее. Да и работали, кстати, надежнее.

Множество ученых работает над тем, чтобы избавиться от всех этих проблем, повысить надежность квантовых ячеек и нельзя сказать, что безрезультатно — эти исследования, среди всего прочего, позволяют открыть новые состояния вещества или даже колебания электромагнитного поля, которые ведут себя подобно экзотическим элементарным частицам (см. итоги года по версии Science, последний пункт). Но чтобы радикально решить проблему, надо придумать нечто новое — и в конце 2012 года появилось сразу четыре (1, 2, 3, 4) публикации с описанием возможного способа обойтись без громоздких холодильников с магнитными ловушками для ионов.

Специалисты МИТ — Массачусетского технологического института в США — предложили использовать для вычислений интерференцию, взаимодействие фотонов друг с другом. Они взяли стеклянную пластинку, проделали в ней несколько пересекающихся друг с другом каналом, соединили с источником одиночных фотонов и подключили к выходным отверстиям детекторы: все сравнительно просто и не требует ни охлаждения, ни вакуумной техники. В их детище работают те законы квантовой механики, которые разобраны даже в вводном курсе теоретической физики и такая схема позволяет реализовывать определенные квантовые вычисления за счет подачи нужной комбинации фотонов с последующим считыванием результата.

Слово «определенные», впрочем, добавляет в бочку меда даже не ложку, а целое ведерко дегтя. На том масштабе, который сейчас доступен ученым, обычные компьютеры справляются с теми же задачами ничуть не хуже — выигрыш станет заметен при значительном увеличении размеров чипа с фотонными каналами, то есть не раньше, чем через десять лет дополнительных исследований. Кроме того, оптический квантовый компьютер решает даже не все те задачи, которые квантовые компьютеры могут решать лучше обычных, так что это еще и весьма узкоспециализированное устройство. Так что пока мы говорим не о скором перевороте на IT-рынке, а о демонстрации остроумной идеи, которая когда-нибудь может такой переворот вызвать.

Пара слов о матрицах.

Рассказ о новых разработках в области квантовых компьютеров будет неполон без отсылок к матрице. Матрица — это не только название знаменитого фильма, это еще и математический термин, обозначающий таблицу из чисел заданных размеров. Матрицы естественным образом получаются в самых разных задачах, включающих, например, решение системы уравнений, причем в последнем случае это довольно просто и не требует никакой особенно сложной математики. Так, из простых уравнений:

2x — y = 3

x + y = 9

можно получить матрицу A

2 —1

1 1

для чисел перед неизвестными (коэффициентов), матрицу X

x

y

для самих неизвестных и матрицу B

3

9

для чисел, которые стоят в правой части и показывают результат сложения/вычитания умноженных на коэфициенты нескольких неизвестных.

Все эти матрицы, в свою очередь, можно применять как для записи системы уравнений в кратком виде AX=B, так и для ее решения — в матричной алгебре есть специальные формулы, при помощи которых системы линейных уравнений и решаются на традиционных компьютерах. Причем не только в рамках научных вычислений, но даже в сугубо развлекательных задачах. Поскольку расчеты «как будет выглядеть монстр такой-то формы при таком-то освещении с такого-то расстояния» включают в себя те самые системы уравнений и перемножение элементов матриц между собой для нахождения неизвестных.

Квантовые расчеты в новой оптической системе могут упростить лишь вычисление так называемого пермамента матрицы, комбинации чисел, которая сейчас практически не используется в реальных расчетах. Особенно досадно, что внешне пермамент похож на так называемый определитель матрицы, востребованный в тех самых решениях уравнений и еще куче других приложений, все отличие в используемых операциях сложения вместо вычитания… но, увы, просто так поменять несколько знаков «+» на «-» в квантовооптической системе нельзя.