Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
Квантовые методы выполнения вычислительных операций, а также передачи и обработки информации, уже начинают воплощаться в реально функционирующих экспериментальных устройствах, что стимулирует усилия по реализации квантовых компьютеров — этого нового направления в вычислительной технике [11, 12].
Что касается практического создания аппаратного обеспечения для квантовых компьютеров, то в настоящее время просматривается несколько направлений в развитии их элементной базы. Наиболее широко обсуждаются следующие:
а) использование низколежащих энергетических уровней ионов, захваченных ионными ловушками, созданных в вакууме с помощью электрических и магнитных полей определенной конфигурации, при лазерном охлаждении ионов до микрокельвиновых температур;
б) использование ядерных спинов с I = 1/2 и методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР);
в) использование макроскопических квантовых состояний сверхпроводящих устройств;
г) использование двух спиновых или двух орбитальных электронных состояний в квантовых точках;
д) использование квантовых электродинамических полостей и фотонных кристаллов.
Детальному обсуждению перспектив построения квантовых компьютеров посвящена предлагаемая читателю книга. Мы постарались
18
Введение
построить изложение таким образом, чтобы от читателя не требовалось бы специальных знаний, выходящих за рамки обычной физико-математической подготовки. Многие принципиальные и специфические для рассматриваемой области вопросы излагаются достаточно подробно для того, чтобы читатель при первом чтении мог не обращаться за помощью к другим источникам. При возникновении такой необходимости он может воспользоваться достаточно подробной, хотя и далеко не полной, но доступной для российского читателя библиографией.
Изложение строится далее следующим образом. В первой главе рассматриваются основные понятия и положения квантовой теории информации, излагаются представления о квантовых двухуровневых элементах-кубитах, об общих свойствах квантовых состояний ансамблей кубитов, таких как запутывание и декогерентизация. Во второй главе описываются квантовые операции над одним или двумя кубитами, на основе которых могут быть построены любые более сложные квантовые логические операции, а также основные квантовые алгоритмы. В третьей главе описываются основные принципы работы квантовых компьютеров на ионных ловушках и обсуждаются экспериментально полученные результаты. Описанию простейших квантовых операций на ядерных спинах в ансамблевых жидкостных квантовых компьютерах посвящена четвертая глава. В пятой главе рассматриваются возможные варианты многокубитовых твердотельных ядерных магнитно-резонансных квантовых компьютеров с индивидуальным и ансамблевым обращением к кубитам, а также работающих на принципах клеточного автомата. Шестая глава содержит описание возможных вариантов квантовых компьютеров на квантовых точках с электронными орбитальными и спиновыми состояниями. Наконец, седьмая глава посвящена рассмотрению вариантов элементной базы квантовых компьютеров на сверхпроводниковых элементах. В заключении дается сравнительный анализ некоторых развивающихся направлений по созданию квантовых компьютеров и оцениваются их перспективы. В книге отражены взгляды авторов на обсуждаемые проблемы, а также включены некоторые оригинальные результаты.
Литература
[1] Landauer R. Irreversibility and Heat Generation in the Computing Process // IBM Journ. Res. Develop., 1961, v. 5, №3, pp. 183-191. / Ландауер P. Необратимость и выделение тепла в процессе вычислений. Перевод с англ.
Литература
19
под ред. В. А. Садовничего: Сборы. «Квантовый компьютер & квантовые вычисления» II. — Ижевск: Ред. журн. «Регуляр. и хаотич. динам.», 1999, с. 9-32.
[2] Bennett С. Н. The Termodynamics of Computation. — A Review. // Inter. Journ. of Theor. Phys., 1982, v. 21, № 12, pp. 905-940.
[3] Bennett С. H. Notes on the History of Reversible Computation. // IBM Journ. Res. Develop., 1988, v. 32, № 1, pp. 16-23.
[4] Манин Ю. И. Вычислимое и невычислимое. — М.: Сов. Радио, 1980, с. 128.
[5] Feynman R. Simulating Physics with Computers // Inter. Jour. Theor. Phys. 1982, v. 21, №6/7, pp. 467-488. / Фейнман P. Моделирование физики на компьютерах. Перевод с англ. под ред. В. А. Садовничего: Сборн. «Квантовый компьютер & квантовые вычисления» II. — Ижевск: Ред. журн. «Регуляр. и хаотич. динам.», 1999, с. 96-124.
[6] Benioff P. Quantum-Mechanical Hamiltonian Models of Turing Machines // Jour. Stat. Phys., 1982, v. 29, №3, pp. 515-546. / Венёв П. Квантовомеханические гамильтоновы модели машин Тьюринга. Перевод с англ. под ред. В. А. Садовничего: Сборн. «Квантовый компьютер & квантовые вычисления» II. — Ижевск: Ред. журн. «Регуляр. и хаотич. динам.», 1999, с. 53-95.
[7] Deutsch D. Quantum Theory, the Church-Turing Principle and the Universal Quantum Computer // Proc. Roy. Soc., Lond. 1985, v. A400, № 1818, pp. 97-117. / Дойн Д. Квантовая теория принципа Чёрча-Тьюринга и универсальный квантовый компьютер. Перевод с англ. под ред. В. А. Садовничего: Сборн. «Квантовый компьютер & квантовые вычисления» II. — Ижевск: Ред. журн. «Регуляр. и хаотич. динам.», 1999, с. 157-189.
