Журнал «Компьютерра» № 10 от 14 марта 2006 года

Автор благодарит Александра Самсонова и Сергея Трофимова за помощь в написании статьи.

Наука: Считать или не считать?

Авторы: Галактион Андреев, Киви Берд

Удивительный трюк с прототипом квантового компьютера удалось проделать физикам из Университета Иллинойса в Урбана-Шампань под руководством профессора Поля Квайэта (Paul Kwiat, на фото он справа). Включенный компьютер с «загруженной» программой нашел правильный ответ и без запуска программы на счет.

Как известно, квантовые компьютеры потенциально способны решать определенный круг задач гораздо быстрее, чем компьютеры классические. Скорость и эффективность поиска ответа достигаются за счет того, что квантовые биты можно помещать в состояние суперпозиции, когда кубит одновременно имеет значения логического нуля и единицы, и, «запутав» их состояния друг с другом, выполнять вычисления со всеми кубитами параллельно.

В состояние суперпозиции можно поместить не только отдельные биты, но и весь компьютер. То есть он может одновременно и «считать», и «не считать». Идея таких контрфактических (сounterfactual) квантовых вычислений, которые позволяют судить об ответе еще до его получения, была предложена в 1998 году, однако до сих пор считалось, что они имеют ряд принципиальных ограничений и практически бесполезны.

Теперь эти трудности удалось преодолеть за счет использования другого квантового трюка – технологии «квантовых допросов» (quantum interrogation), или оптического обнаружения объектов «в темноте» без взаимодействия с ними. Эта техника, давно разрабатываемая в той же иллинойсской группе, интересна сама по себе и описывается во врезке.

В оптической реализации квантового компьютера используется хитрая комбинация из нескольких интерферометров, вращающих поляризацию пластин, поляризаторов, расщепителей луча, фотодетекторов и другого оборудования. Компьютер осуществляет поиск в четырехэлементной базе данных по известному алгоритму Гровера для квантового поиска информации в неупорядоченных массивах. Поместив компьютер в суперпозицию состояний, соответствующих «работе» и «не работе» алгоритма поиска, исследователи получили информацию об ответе, не запуская алгоритм. В некотором смысле благодаря технике обнаружения объектов без взаимодействия с ними компьютер нашел ответ в базе данных, так и не заглянув в нее. Это совершенно противоречит здравому смыслу, но почему-то работает.

Тем не менее для получения ответа при таких вычислениях квантовый компьютер должен быть исправен, правильно запрограммирован и включен. Поэтому скептики полагают, что даже если ответ получается и без запуска программы на счет, никакой экономии электроэнергии или труда программистов не предвидится. Для чего же все это нужно, кроме как для демонстрации квантовых парадоксов?

Установка, созданная в Иллинойском университете, действительно носит сугубо демонстрационный характер и не может быть масштабирована для поиска информации в более крупных базах данных. Однако сконструировавшие ее ученые полагают, что подобного рода квантовые трюки могут сокращать число ошибок в крупномасштабных квантовых вычислениях. Они применимы не только в оптических квантовых компьютерах, но и при любой иной физической реализации кубитов – например, с помощью ионов или полупроводниковых квантовых точек. И уже этим они представляются полезными, поскольку любая технология, сокращающая ошибки, увеличивает шансы на скорейшее создание полноценного квантового компьютера.

Искусство видеть в темноте

Очень странный на первый взгляд механизм «квантового допроса» или квантовых оптических измерений «без взаимодействия» с измеряемым объектом на самом деле не очень сложен, по крайней мере в принципе. Его идею легче всего понять на простейшем мысленном эксперименте, предложенном в 1993 году Авшаломом Элитзуром и Львом Вайдманом (Avshalom C. Elitzur, Lev Vaidman), который получил известность как парадокс проверки бомбы.

Предположим, что в некотором абсолютно темном помещении может быть заложена сверхчувствительная бомба, которая взрывается при поглощении единственного фотона. И нам надо выяснить, есть ли она там на самом деле. У классического сапера нет никаких шансов. При любой попытке что-то увидеть фотон попадет в бомбу, и она взорвется.