Kvantinė fizika. Jonų kvantiniai kompiuteriai

Per pastaruosius kelis dešimtmečius technologijos smarkiai pasistūmėjo į priekį, todėl kompiuterių sparta ir patikimumas gerokai išaugo. Kiekviename šiuolaikinio silicio lusto kvadratiniame colyje telpa jau beveik milijardas tranzistorių, ir tai tikrai ne galutinė riba, nes ateityje kompiuterių elementai bus dar labiau sumažinti – maždaug iki atskirų molekulių dydžio. Pasiekus tokius matmenis kompiuterių veikimo principas iš esmės pasikeis. Jis bus pagrįstas kvantinės mechanikos dėsniais, aprašančiais atomų ir subatominių dalelių elgesį. Viena iš reikšmingiausių ateities kvantinių kompiuterių savybių – galimybė atlikti tam tikrus itin svarbius uždavinius nepalyginamai sparčiau už įprastines mašinas.

Bene geriausias tokio uždavinio pavyzdys – didelių skaičių skaidymas į du pirminius daugiklius (faktorizavimas). Dviejų pirminių skaičių daugyba kompiuteriui yra visiškai paprastas darbelis, net jeigu skaičius sudaro šimtai skaitmenų. Visas įdomumas prasideda, kai reikia atlikti atvirkštinį procesą – gauti pirminius daugiklius. Kadangi ši užduotis itin sudėtinga, ja remiasi beveik visi šiuo metu naudojami šifravimo metodai ir koduojama bene viskas: nuo valstybinių paslapčių perdavimo iki internetinės prekybos duomenų. 1994 m. Piteris Šoras (Peter Shor), tuomet dirbęs Belo laboratorijose, parodė, kad teoriškai kvantinis kompiuteris galėtų lengvai susitvarkyti su tokiais kodais, nes jis faktorizavimo uždavinį atliktų eksponentiškai greičiau už bet kokį žinomą klasikinį algoritmą. Tuo tarpu 1997 m. Lovas K. Groveris (Lov K. Grover), taip pat iš Belo laboratorijų, išsiaiškino, kad kvantinis kompiuteris galėtų gerokai paspartinti paiešką nesurūšiuotų duomenų bazėse, pavyzdžiui, rasti žmogaus pavardę telefonų knygoje, kai žinomas tik telefono numeris.

Vis dėlto sukurti kvantinį kompiuterį bus ne taip paprasta. Kvantinių kompiuterių aparatinė įranga – atomai, fotonai ar kitokie mikrodariniai, saugosiantys duomenis kvantinių bitų, arba kubitų, pavidalu – turi tenkinti sunkiai tarpusavyje suderinamus reikalavimus. Iš vienos pusės, kubitai turi būti gerai apsaugoti nuo aplinkos poveikio, nes išorinės sąveikos iškraipytų skaičiavimų rezultatus. Žalingas procesas, vadinamas dekoherencija, yra tikras kvantinių kompiuterių kūrėjų galvos skausmas. Iš kitos pusės, kubitų tarpusavio sąveika turi būti stipri, be to, norint pamatyti skaičiavimų rezultatus, kubitus galiausiai teks tiksliai išmatuoti.

Viso pasaulio mokslininkai išbando įvairius metodus, galinčius padėti sukurti pirmuosius kvantinių kompiuterių prototipus. Savo tyrime mes daugiausia dėmesio skiriame informacijos apdorojimui teigiamais jonais – vieno elektrono netekusiais atomais. Panaudoję elektrodų kuriamus elektrinius laukus sugebėjome pagauti ir izoliuoti trumpas jonų grandinėles vakuume taip, kad jas sudarantys jonai galėtų priimti lazerio signalus ir tarpusavyje pasidalyti duomenimis. Mūsų tikslas yra sukurti kintamos galios kvantinius kompiuterius – sistemas, kuriose kubitų skaičius gali būti padidintas iki šimtų ar tūkstančių. Tokios sistemos vainikuotų technologijos pažangą, nes pajėgtų susidoroti su paprastiems kompiuteriams neįkandamomis užduotimis.

Daugiau skaitykite žurnalo lapkričio numeryje