Проблемы квантового компьютера и их решение

С конца ⅩⅨ и начала ⅩⅩ веков ученые пытаются построить квантовый компьютер, не до конца понимая, что такое квантовый бит. Так называемый – кубит.

У всех видов памяти от триггера, построенного на лампах, до мельчайшей микросхемы есть один обязательный элемент: конденсатор иначе емкость. Так вот, эта самая емкость и хранит информацию, то есть бит – 0 или 1. Как это происходит? В емкости скапливается определенное количество электронов, создающих определенный потенциал. Если потенциал определенной величины присутствует, то мы говорим, что ячейка памяти хранит 1. Если же потенциал отсутствует или он не должной величины, то мы говорим, что ячейка хранит 0. Величина потенциала зависит от количества электронов в этой емкости, как количество воды в стакане зависит от количества молекул воды в нем.

Современная техника позволяет изготавливать емкости размеров до 10^-13мм, а может быть и меньше. Значит, в этих емкостях можно хранить сотни или даже десятки тысяч электронов. Все, уменьшая и уменьшая нарезку (емкости как-то вырезаются на пластинках из соответствующего материала или напротив напыляются соответствующие вещества на подложки), мы можем дойти до размера емкости, хранящей всего один электрон. Тогда если в емкости один электрон то это – 1, если электрон отсутствует то это – 0. В современных видах памяти на емкости хранятся сотни, или возможно десятки тысяч электронов.

Дальше абсолютно минимизировать память можно только, уменьшая размеры электрона, чего нельзя делать по объективным причинам, но можно минимизировать ее относительно, то есть увеличивать на несколько процентов размер памяти, а ее емкость увеличивать на больший процент. Для этого следует электроны пронумеровать или как-то пометить, тогда два электрона в одной емкости увеличат память в четыре раза, а ее размеры увеличатся всего в два раза. Три нумерованных электрона увеличат размер памяти в три раза, а объем памяти увеличится в восемь раз и т.д. Таким образом, мы увеличиваем объем памяти, но все же растут и размеры памяти, хотя и не такими темпами, как объем памяти.

Стремление уменьшить размеры памяти и остальных узлов компьютера диктуется не только потребностью уменьшить габариты устройства и, соответственно, уменьшения его материалоемкости. Главным мотивом минимизации компьютера является его быстродействие. Чем короче пути распространения сигналов, тем меньшие их индуктивности и емкости, и, следовательно, тем быстрее работает компьютер.

Кроме минимизации размеров, ученые ринулись по различным другим путям увеличения мощностей компьютеров. Некоторые пытаются увеличить скорость распространения сигналов в компьютере. Наверное, полагают, что сигналы переносятся электронами и поэтому делают попытку увеличить скорость движения электронов. Другие пытаются подключить для увеличения скорости передачи сигнала телепортацию. В этом случае сигналы будут передаваться мгновенно. Возможны и другие версии. Но пока видимых достижений в этих областях пока нет.

Но ведь вычислительная мощность компьютера зависит не только от скорости распространения сигнала, но и основания, с которым работает компьютер. Наши почти все компьютеры работают с двоичной системой исчисления. Одна ячейка памяти может хранить только два значения: 0 или 1. В троичной системе одна ячейка может хранить три значения: 0, 1 и 2. В десятичной системе – десять значений и т.д. В десятичной системе компьютер работает быстрее, чем в двоичной системе. При сложении чисел, пока не произойдет сложения младшего разряда, следующий разряд должен выжидать результата сложения. Чем длиннее операнды, тем дольше время ожидания. Конечно, это можно до некоторой степени минимизировать, например, надстройки этажей суммирования переносов или еще какими-нибудь ухищрениями. Но всему есть предел и, конечно, такие же ухищрения можно применять во всех компьютерах. А в пределах основания вообще нет переносов. В десятичной системе операция три плюс три выполнится за один такт, а в двоичной на эту операцию потребуется два такта.

В электроне хранится 10⁴¹ квантов, из которых формируются при излучении фотоны различной энергии: от одного кванта (нейтрино) до фотона, содержащего все 10⁴¹ кванта. Последнее происходит при аннигиляции. В этом процессе электрон полностью разворачивается из частицы в электромагнитную форму. Вот теоретически такое основание может быть у квантового компьютера.

В действительности даже наш мозг, работающий с фотонами, со всем спектром этих фотонов не работает. Фотоны, с которыми работает мозг человека, находятся в пределах горба кривой излучения абсолютно черного тела. Но и в этих пределах ширина спектра очень большая. Например, Вы нашли доллар. Во-первых, это на некоторое время запомнится и, возможно, принесет хоть чуть радости. Нашли сто долларов – радость больше. Десять тысяч выиграли – можно плясать и т.д. Каждой степени радости соответствует соответствующее квантовое состояние мозга. Каждый доллар производит изменения в состоянии “хорошо”, хотя этого иногда мы можем не чувствовать. Это видно на таком примере. Предположим, что крайне необходимо некоторое лекарство стоимостью 1001 долларов. Человек обладает только 1000 долларов, и он не может купить это лекарство и достать необходимый доллар сложно. Но когда он все-таки находит этот доллар, энергетическое состояние мозга изменяется чувствительным образом.

Также изменяется квантовое состояние мозга и в сторону “плохо”. Потерю одного доллара можно и не заметить. Потерянные десять долларов могут вызвать легкую досаду, если они не входили в сумму для покупки вышеуказанного лекарства. Украденная тысяча может нарушить семейный бюджет и т.д.

Вот это количество потерянных и приобретенных долларов примерно и есть основание, с которым работает наш мозг. Возможна такая ситуация, что потеря одного доллара возбудит такое энергетическое состояние мозга, как потеря миллиарда долларов в иной ситуации.

Все это теоретические предпосылки, на которые маститые ученые не будут обращать внимания, а альтернативщики напрочь отвергать.

Попытаемся найти хоть какой-нибудь путь, по которому, по мнению автора, нужно следовать, чтобы построить квантовый компьютер. Материалов по практическому плану построения квантового компьютера очень мало. Действительно как на практике применить скрещенные гибриды частиц и фотонов или явление телепортации в строительстве компьютера. Это довольно сложная проблема. Строительство кубитов на атомах, как предлагают разработчики из университета Саймона Фрейзера (Канада), выглядит даже теоретически не совсем понятным. Необычным представляется и параллельная обработка состояний электронов в атоме, предложенная Джоном Мартинесом. Похоже, что и строительство кубитов на джефсоновских переходах не решит проблему квантового компьютера. С обычным фотоном все выглядит несколько проще.

Как мы видели выше в обычных наших компьютерах физическим носителем информации является электрон, а физическим хранителем этой информации является физическая емкость. В квантовом компьютере физическим носителем информации должен быть квант энергии, а физическим хранителем этой информации должен быть электрон.

Естественно, что и фотон, и электрон ведут себя детерминировано и однозначно. Электрон может находится на любой орбите в атоме. Для него не существует понятий основного и возбужденного состояний. Он может быть только в устойчивом или не устойчивом состоянии. И то эти понятия относительные, но не абсолютные. Если состояние не устойчивое, то электрон рано или поздно пропустит обменный фотон и перейдет на соответствующий более устойчивый уровень. Ученые из Канады возбудили в своем эксперименте электрон до неустойчивого состояния, длящегося 39 минут. И этот электрон не удваивался, не утраивался, не метался по атому, подчиняясь уравнению Шредингера, а вращался колеблясь вокруг ядра.

Точно также ведет себя и фотон. Никуда не скачет, а движется прямолинейно, пока не встретит электрон или какую-нибудь другую частицу, только которая и может изменить траекторию движения фотона.

Для начала разобем задачу на два этапа.

1. Строить квантовый компьютер с двоичным основанием.

2. Строить квантовый компьютер с произвольным основанием.

Для компьютера с двоичным основанием уже есть некоторые наработки. Чтобы были более понятные положения этого материала, следует ознакомиться со статьей С. Ароша “Управление фотонами в ящике и изучение границы между квантовым и классическим”. Статья напечатана в журнале “Успехи физических наук” том 184, №10 октябрь 2014 г. Как видите статья свежая.

При строительстве квантового компьютера с двоичным основанием можно использовать фотон одной энергии. Это первая проблема. Следует выбрать фотон, который легко генерировать, который легко взаимодействует с частицами. Возможно, это фотон с верхушки горба кривой излучения абсолютно черного тела. Серию таких фотонов получить легко, но как выделить один фотон из этого излучения пока не понятно. Далее следует выбрать соответствующие атомы, с элементами, которого, будет взаимодействовать наш фотон. Здесь снова пути построения раздваиваются. Один из них просматривается в практике Ароша.

Набираем ряд фотонных ящиков, например, байт. Инжектируем в соответствующие разряды фотоны. Есть фотон в ящике – 1, в противном случае – 0. Теперь задача состоит в том, чтобы сосчитать эту информацию. Эту задачу отчасти и решил Арош. Для этого через ящики необходимо пропустить атомы, которые могут изменить свое состояние в зависимости от того, есть в ящике фотон или нет. Естественно не каждый атом может изменить свое состояние под воздействием данного фотона, поэтому выбираются так называемые ридбергсковые атомы. Эти атомы рукотворные, точнее рукотворное их состояние. Выбирают требуемый атом (Арош говорит о рубидии) и, обрабатывая его определенным излучением, переводят его в состояние близкое к ионизации. Это почти одно и то же, что делали ученые из Канады, облучая атом фосфора. В фотонном ящике атом ионизируется. Детектор обнаруживает этот атом, и мы заключаем, что в таком-то ящике хранилась 1, то есть был фотон. Так мы сосчитать весь байт. Конечно на практике все это сложнее, чем в теории, но все-таки над чем-то можно работать. Правда, это еще не элементы квантового компьютера. Практически фотонный ящик почти тот же конденсатор, как в обычном компьютере. Мы просто электрон заменили фотоном.

Возможен и другой путь построения полностью квантового компьютера. Для этого надо набрать цепочку атомов, из которых приготавливаются ридбергсковые состояния. Тот же байт. Если разряд байта должен содержать 1 запускается возбуждающая система этого разряда и атом переходит в ридбергсковое состояние. Теперь можно пропустить фотон через весь байт, и мы обнаружим возбужденные атомы. Теоретически и практически фотон может ретранслироваться множество раз без ущерба для себя. Это и показывает Арош. У него фотон воздействует на атом находящийся, по его мнению, в суперпозиции, где принцип неопределенности Гейзенберга не приводит к критической ситуации разрушения чего-либо. Это становится более понятным, если просмотреть статьи "Спонтанное излучение" и "Вынужденное излучение".

Но есть и на этом пути сложности. Как направить фотон от атома к атому байта? В теории эта проблема решается напылением атомов с учетом коэффициента преломления этих атомов. Образуются две преломляющие среды. (см. "Дисперсия света в квантовом представлении"). То есть образовать соответствующие световоды. В технике это, например, оптоволокно, а в природе это нервы из белка меелина.

Дальше надо решить проблему фиксации состояния атомов байта. Здесь возможны два пути для ее решения.

1. Возможно, как предложено в статье С. Ароша, фиксировать ионизацию ридбергсковых атомов.

2. Пытаться регистрировать выбитый из атома фотон или электрон, потеря которого, привела к ионизации.

Вычислитель автоматически создала природа. Это все тот же электрон. Выбираем требуемый атом и подводим к нему каналы связи от двух регистров. Сумма двух фотонов будет зафиксирована в новом состоянии электрона. Так как мы проектируем компьютер с двоичной основой, то обменные фотоны, считанные из регистров должны быть такими, что поодиночке они переводят электрон сумматора в ридбергсковое состояние, а сумму фотонов электрон этого атома не должен чувствовать. Для этого должен быть другой атом, который будет фиксировать своим ридбергсковым состоянием данную сумму. Это алгоритм работы обычного вычислителя, просто конденсатор мы заменили электроном, а электрон заменили фотоном. Но этого мало для понимания отличия работы обычного и квантового компьютеров.

Мы знаем, что все другие операторы математики в обычном компьютере сводятся к оператору сложения. И это не случайно. Так происходит, потому что объективно в природе других операторов просто не существует. Даже вычитание и то сводится к сложению. В обычном компьютере вычитаемый операнд превращается в дополнительный или обратный код и затем складывается с операндом, из которого вычитается. Для инвертирования операнда в обычном компьютере существуют соответствующие элементы. В природе тоже есть, как положительные (условно) числа, так и отрицательные. Это левая и правая ориентации фотонов. Воздействие таких противоположных на электрон переведет его в состояние, соответствующее разности энергий фотонов, то есть произойдет вычитание.

И тут нам придется решать задачу инвертирования фотонов. Для этой цели в природе (вернее так получилось в природе) существует явление хиральности. С ним мы сталкивались (головная боль для ученых, пытающиеся синтезировать живую ДНК) в молекулярной биологии. Наш мозг работает с обеими поляризациями фотонов. Мы видим предметы в любом свете. Наличие хиральных аминокислот косвенно говорит, что хиральность в белках какую-то роль играет. Очевидно, и нам при построении квантового компьютера придется так или иначе с хиральностью работать.

После того, как мы научимся работать с одним атомом и одним фотоном, можно будет делать следующий шаг в усовершенствовании квантового компьютера. А именно. Надо научиться устанавливать атом не в одно ридбергсковое состояние, а на первом шаге хотя бы в два. Так мы перейдем к троичной системе исчисления. Если нам удастся получить какой-то алгоритм такой установки, то будет возможно это распространить на высшие системы исчисления. Сначала это можно попытаться делать различными видами излучения. Наличие перестраиваемых лазеров подсказывает, что это возможно. Естественно, что полное решение проблемы квантового компьютера произойдет тогда, когда все установки будут происходить под управлением своего фотона. В живой природе и в обычных компьютерах все так и осуществляется. Но это архисложная задача. Может быть, для ее решения следует более внимательней изучить белковые структуры мозга. Именно там находятся все регистры, вычислители, память и все остальное.

И, наконец, вообще фантастическая мечта. Когда мы построим такие компьютеры, то это, по сути, будут нейроны, и нам останется только построить широкополосный интерфейс между всеми нейронами. А это не что иное, как синапсы и нервные провода. Именно на обеих сторонах синапсической щели происходят в нейромедиаторах и рецепторах химические реакции, которые генерируют и преобразуют одни виды фотонов в другие и направляют в нужные волокна.

Некоторые ученые в опытах иногда обнаруживают скорости распространении частиц больше скорости 300 000км/сек. Из этого делают вывод, что частицы могут распространятся почти мгновенно. Этот процесс они называют телепортацией и надеются, что “После создания надежных методов квантовой телепортации возникнут реальные предпосылки для создания квантовых вычислительных систем”.

Думается, что пока при постройке квантовых вычислительных систем можно обойтись без явлений квантовой телепортации. Но создавать эти методы все же необходимо, и вот по какой причине. Фотоны и кванты движутся самостоятельно со своей природной скоростью. Но если сборный объект движется со своей скоростью, то некоторые его элементы движутся со скоростью большей, чем скорость объекта. Как бы не двигался человек, автомобиль, ракета или что угодно, в них есть элементы, которые обязаны превышать ихнюю скорость. У человека это, например, ноги. Когда одна нога стоит, то другая движется с удвоенной скоростью. Верхняя точка колеса автомобиля всегда движется с удвоенной скоростью всего автомобиля. Скорость частиц истекающего газа из сопла ракеты вообще может быть много больше скорости ракеты. Точно тоже происходит и с квантом. Он состоит из магнитного и электрического полей. И несмотря на то, что весь квант движется со скоростью света, составляющие его поля должны двигаться быстрее скорости света.

Возможно, что фиксация этих полей в опытах и была принята за скорость движения частицы или фотона. В принципе это можно попытаться проверить экспериментом.

Несомненно, что для того чтобы приступить к строительству квантового компьютера следует намертво забыть о суперпозиции, корпускулярно-волновом дуализме, как о кошмарном сне человечества. Как забыли о вращении солнца вокруг земли, о трех китах, теплороде, эфире и о другой экзотике.