М. Нильсен, И. Чанг - Квантовые вычисления и квантовая информация (1156771), страница 19
Текст из файла (страница 19)
(Они также могут представлять значительный практический интерес для математиков, занимающихся этими проблемами просто из любопытства.) Таким образом, факторизация и вычисление дискретного логарифма вряд ли будут важны как самостоятельные приложения в долгосрочной перспективе. Квантовый поиск может широко использоваться из-за большого практического значения поисковой эвристики; некоторые возможные применения мы рассмотрим в гл. 6. Было бы хорошо найти другие крупномасштабные применения устройств обработки квантовой информации. Это основная задача на будущее! Как же воплотить рассмотренную иерархию применений в реальных физических системах? Для малых масштабов (уровня нескольких кубитов) уже предложено несколько устройств обработки квантовой информации. Возможно, самыми легкими в реализации являются те из ннх, которые основаны на оптических технологиях, т.
е. нв использовании электромагнитного излучения. Для элеыентарных манипуляций с фотонами подходят простые устройства типа зеркал и светоделительных пластинок. Интересно, что основная трудность состоит в,выдаче одиночных фотонов по требованию; вместо этого экспериментаторы решили использовать схемы, где одиночные фотоны генерируются время от времени случайным образом, и ждать наступления такого события. При помощи таких оптических технологий были реализованы квантовая криптография, сверхплотное кодирование и квантовая телепортация.
Главное достоинство оптических технологий в том, что фотоны проявляют себя как наиболее стабильные носители квантовомеханической информации. Главный недостаток — фотоны не взаимодействуют друг с другом непосредственно. Взаимодействие необходимо осуществлять через какое-то промежуточное звено, например, атом, а это вносит дополнительные шумы н усложняет эксперимент. Таким образом, реальное взаимодействие двух фотонов есть двухступенчатый процесс: первый фотон взаимодействует с атомом, который, в свою очередь, взаимодействует со вторым фотоном. Альтернативная схема основана на методах захвата различных типов атомов: существуют ионные ловушки, где в ограниченном пространстве заключено небольшое количество заряженных атомов, и ловрижи нейтральных атомов для захвата незаряженных атомов.
В схемах обработки квантовой информации, основанных на атомных ловушках, для хранения кубитов используются атомы. Электромагнитное излучение в этих схемах тоже используется, но совсем не так, как при «оптическом» подходе. Фотоны приыеняются здесь для манипулирования информацией, хранящейся в атомах, а не как самостоятельные элементы хранения информации. Однокубитовые квантовые элементы можно реализовать, воздействуя импульсами электромагнитного излучения на отдельные атомы.
Соседние атомы могут взаимодействовать друг с другом посредством, например, дипольных сил, обеспечивающих работу многокубитовых квантовых элементов. Более того, взаимодействие соседних атомов можно 1.5. Экспериментальная обработка квантовой информации 77 модифицировать, воздействуя на них подходящими импульсами электромагнитного излучения.
Это позволяет выбирать элементы, которые реализуются в системе. Наконец, для осуществления квантовых измерений в таких системах подходит хорошо известный метод квантовых переходов, который позволяет исключительно точно проводить измерения в вычислительном базисе, используемом для квантовых вычислений. Другой класс схем обработки квантовой информации основан нв ядерном магнигпнам резонансе, часто называемом по начальным буквам — ЯМР.
В таких схемах квантовая информация хранится в ядерном спине атомов, входящих в молекулу, а манипулирование этой информацией осуществляется при помощи электромагнитного излучения. Использование таких схем сопряжено со специфическими трудностями, поскольку в ЯМР невозможно обращаться напрямую к отдельным ядрам. Вместо этого используется гигантское число (кэк правило, порядка 10'~) практически одинаковых молекул, находящихся в растворе. Электромагнитные импульсы воздействуют на образец, заставляя квждую молекулу реагировать примерно одним и тем же образом. Каждую молекулу следует рассмвтривать как независимый компьютер, э образец в целом — кэк совокупность огромного числа компьютеров, работающих параллельно (в классическом смысле).
Обработка квантовой информации при помощи ЯМР сопряжена с тремя специфическими трудностями, которые сильно отличают ее от других схем обработки квантовой информации. Во-первых, молекулы обычно приготавливают путем приведения их в равновесное состояние при комнатной температуре, которая настолько высока по сравнению с типичной энергией переворота спина, что спины приобретают почти полностью случвйную ориентацию. Из-за этого начальное состояние становится значительно более «шумным», чем было бы желательно для обработки квантовой информации. Преодоление этого шума представляет собой интересную задачу, которую мы рассмотрим в гл.
7. Вторая проблема в том, что класс измерений, которые могут выполняться при исследовании ЯМР, не содержит большинства общих измерений, которые нам хотелось бы выполнять при обработке квантовой информации. Тем не менее, измерений этого класса достаточно для многих задач по обработке квантовой информации. В-третьих, поскольку при использовании ЯМР к молекулам нельзя обращаться по отдельности, может возникнуть вопрос — как же манипулировать отдельными кубвтами? К счастью, разные ядра в молекуле могут иметь разные свойства, что позволяет обращвться к ним по отдельности, или, по крайней мере, с таким разрешением, которого достаточно для выполнения операций, необходимых при квантовых вычислениях.
В существующих предложениях можно нвйти многие из элементов, требуемых для осуществления крупномасштабной обработки квантовой информации: в ионной ловушке можно прекрасно приготавливать состояния и проводить квантовые измерения над небольшим числом кубитов; с помощью ЯМР можно реализовать великолепную динамику в малых молекулвх; технология производства твердотельных систем позволяет отлично масштабировать конструкции. Объединение всех этих элементов в одну систему стало бы большим шагом на пути к гипотетическому квантовому компьютеру.
К сожалению, все эти си- 78 Глава 1. Введение и общий обзор стемы очень различаются, и от больших квантовых компьютеров нас отделяют многие и многие годы. Однако мы считаем, что наличие всех этих свойств у существующих (пусть и различных) систем служит хорошим предзнаменованием, указывающим на возможность появления в далекой перспективе процессоров для крупномасштабной обработки квантовой информации.
Более того, это наводит на мысль о целесообразности развития гибридных конструкций, сочетающих в себе лучшие черты двух или более существующих технологий. Например, сейчас ведется большая работа по захвату атомов в электпрамагнитных резонаторах. Это позволяет гибко манипулировать атомом внутри резонатора при помощи оптических методов, а также открывает возможность управления одиночными атомами в реальном масштабе времени с использованием обратной связи такими способами, которые недоступны в традиционных атомных ловушках.
В заключение заметим, что обработку квантовой информации ни в коем случае нельзя считать просто еще одной технологией обработки информации. Например, есть соблазн отмахнуться от квантовых вычислений, посчитав их очередной технологической модой в эволюции компьютера, которая со временем пройдет, так было с другими модными идеями, скажем, памятью на цилиндрических магнитных доменах, широко рекламировавшейся в начале 80-х гг. ХХ в. как следующее большое достижение в технологии запоминающих устройств. Это будет ошибкой, поскольку квантовые вычисления представляют собой абел«рак«аную парадигму обработки информации, которая может иметь множество различных технических реализаций. Можно сравнивать два разных предложения по квантовым вычислениям в отношении их технологических достоинств, кгл сравнивают «хорошее» предложение с «плохим», но даже очень посредственное предложение по квантовому компьютеру в качественном отношении радикально отличается от самого замечательного проекта классического компьютера.
1.6 Квантовая информация В области квантовых вычислений и квантовой информации термин «квантовая информация» имеет два разных значения. Во-первых, он применяется в качестве общего названия для всех видов деятельности, связанных с обработкой информации на основе квантовой механики. В этом значении он охватывает квантовые вычисления, квантовую телепортацию, теорему о невозможности копирования, и, по существу, вее другие темы этой книги. Во втором значении термин «квантовая информация» гораздо более специализирован: он относится к изучению эламен«парных задач но обработке квантовой информации.
Например, он обычно не охватывает построение квантовых алгоритмов, поскольку детали конкретных квантовых алгоритмов выходят за рамки «элемеитарныхм Во избежание путаницы мы будем использовать термин «квантовая теория информации» для этой более специализированной области параллельно с широко распространенным термином «(классическая) теория информации» для описания соответствующей классической области.
1.6. Квантовая информация 79 Конечно, термин «квантовая теория информацииэ имеет свой недостаток— можно подумать, что речь идет только о теоретическом рассмотрении! Естественно, зто не так, экспериментальная демонстрация элементарных процессов, взучаемых в квантовой теории информации, представляет большой интерес.
Назначение этого раздела — дать введение в основные идеи квантовой теории информации. Даже будучи ограниченной элементарными задачами по обработке квантовой информации, эта теория может выглядеть для начинающего набора вз множества как будто не связанных друг с другом предметов, подпадающих под рубрику «квэнтовая теория информации».
Отчасти это объясняется тем, что данная дисциплина все еще находится в состоянии разработки, и пока не ясно, как стыкуются все ее элементы. Однако мы можем выделить несколько фундаментальных целей, придающих единство работе над квантовой теорией информации: 1. Определение элементарных классов статических ресурсов в квантовой механике. Примером служит кубит. Другой пример — битв; классическая физика представляет собой частный случай квантовой физики, поэтому не следует удивляться, что элементарные статические ресурсы, используемые в классической теории информации, должны иметь большое значение в квантовой теории информации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
