Возможности и реализация квантового компьютера

Идея о квантовых вычислениях была высказана Юрием Маниным в 1980 году

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа n составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для n = 10 . Поэтому была высказана идея построения квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, — такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Идея квантовых вычислений состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов) имеет 2^L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространство состояний такого квантового регистра является 2^L-мерным гильбертовым пространством. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит фактически задействует одновременно 2^L классических состояний.

Для создания квантового компьютера физикам из Массачусетского технологического института понадобилось всего пять атомов. По сообщению Sceince, для этого устройства характерно произвольное расширение и уменьшение, из-за чего взлом любой системы для нового квантового компьютера не составляет особого труда.
Способность нового квантового компьютера к разложению чисел на простые множители, сочетаясь с масштабностью системы, дает возможность взламывать современные системы шифрования, основанные на разложении чисел на множители. Значит, с появлением первых подобных квантовых компьютеров, все тайное, зашифрованное таким способом, станет явным.
Фактическая реализация новым квантовым компьютером алгоритма Шора является первым в науке методом факторизации чисел.

Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берётся система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера. Роль проводов классического компьютера играют кубиты, а роль логических блоков классического компьютера играют унитарные преобразования. .

Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счёт небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.

С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, любой квантовый компьютер решит, и почти за такое же время.

Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2ⁿ базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов

Затем в 1994 было проведено исследование.

Программист Питер Шор разработал его в 1994 году именно для квантовых компьютеров.
Попытки реализовать алгоритм Шора, имевшие место ранее, сталкивались с одной проблемой. Раскладывая числа на множители, нельзя было увеличить или уменьшить системы и при этом изменить количество ячеек квантовой памяти, отвечающих за вычисление.
Проблема состояла и во множестве атомов, заключенных в квантовом компьютере, не поддающихся контролю и изоляции друг от друга на необходимое время для проведения операций алгоритма.
Эти проблемы были решены Айзеком Чуангом и его командой. Для этого понадобилось использование «параллельной» версии алгоритма Шора. Этой версии, чтобы разложить число 15 на множители, достаточно 5 кубитов, вместо 12. А версию этого алгоритма разработал российский физик Алексей Китаев.
Помимо всего, специалистами МТИ была использована особая ионная ловушка, удерживающая на месте атомы-кубиты. Разработчики говорят, что такой подход открывает путь к созданию квантовых дешифроваторов самых широких масштабов.
Созданная физиками система оказалась высокоточной (более 99%). Это доказывает работоспособность новой реализации алгоритма Шора. В системе не ограничено увеличение атомов-кубитов, и значит, максимальное число, разлагаемое компьютером на множители, может быть повышено.

Затем в 2007 году был построен прототип квантового компьютера - D-Wave

D-Wave One был построен на ранних прототипах, таких как компьютер Quantum от D-Wave. Прототипом был 16-кубитный процессор квантового отжига, продемонстрированный 13 февраля 2007 года в Музее компьютерной истории в Маунтин-Вью, Калифорния. D-Wave продемонстрировала, что они заявили, что они являются 28-кубитным процессором квантового отжига 12 ноября 2007 года. Чип был изготовлен в Лаборатории микроскопов Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния.

Основополагающие идеи подхода D-Wave возникли из экспериментальных результатов в физике конденсированных сред и, в частности, работы по квантовому отжигу в магнитах, выполненных доктором Габриэлем Эппли. Эти идеи позднее были переработаны на языке квантовых вычислений физиками Массачусетского технологического института Эд Фархи, Сет Ллойдом, Терри Орландо и Биллом Каминьским, публикации которых в 2000 году и 2004 предоставили как теоретическую модель квантовых вычислений, соответствующую. Более ранняя работа в квантовом магнетизме (в частности, адиабатическая модель квантовых вычислений и квантовый отжиг, ее конечный температурный вариант) и конкретное включение этой идеи с использованием сверхпроводящих потоков, которые являются близкими родственниками к проектам D-Wave. Чтобы понять происхождение большей части споров вокруг подхода D-Wave, важно отметить, что происхождение подхода D-Wave к квантовым вычислениям возникло не из обычного квантового информационного поля, а из экспериментальной физики конденсированных сред