CC BY
266информационные технологии в создании современоой техники
Буханец Д.И., Бочаров Л.Ю.
характеристика американских военных программ исследований в области квантовых вычислений
Квантовые информационные технологии стали новым междисциплинарным научно-техническим направлением на стыке физики, информатики и математики, которое поднимает новые важные вопросы и дает ключ к пониманию некоторых фундаментальных закономерностей Природы, до недавних пор остававшихся вне поля зрения исследователей. Концепции создания систем квантовых вычислений и передачи информации возникли через сто лет после рождения идей квантовой физики и подтверждаются сегодня результатами многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Новая квантово-информационная техника XXI века рождается путем синтеза новых идей в математике, физике, информатике и достижений в технологических сферах. Условная взаимосвязь областей фундаментальной науки и прикладных исследований, обеспечивающая появление квантовых информационных систем, показана на рис. 1.
Математика Квантовал физика Теория информации
Теория сложности алгоритмов Гильбертоый 1 ipoci ранстао сос 1 ;;нний Мэли1-ы Тьюринга
Квантовые алгоритмы Уравнение Шрсдингера RAM - машины
Квантовые информационные технологии
Раюитие примципоо квантовой физики Квантовые вычисления н системы их реализующие Квантовая передача и получение информации
локальности ДеТСОГСреКИЗацн* СОСТОЯНИЙ Кнантилын крилтежндшм
Ко-ипгтс IHJ;LI мним функ или Квантовая коррекции ошибок Квантовое распределение ключа
Уп рамен не эмшяцней куАнтов Квантовая телепортаиш
Kimii швы!' Мзрре.ПЯЦИИ Сверхштатное кйднрйвйнне
Квантовые ЭЯПуТаННЕЕ СОСТОЯНИЯ 11 JMipC 1HHC lUtTtiA ннн КеЯНТОЗЫЕ [П(ЮрПЖС|[Е[1
и ЗПР парадокс Технологии изготовления Квантовав литогрлфми
Инггерфсрсшшя запуганных состояний кМНТОВЫХ вычислительных систем Лазерные системы измерений на квантовых м^реятш
К1ИИТ1И5МЙ шум: Нэшлви агюган Оптическая когерентная пичогряфня ■■а 1апутанных фотонвх
ПрОШСМ hl H'JIHUpCHHH АТОМЛЙЯ IlHdii мерил
Рис. 1. Взаимосвязь областей фундаментальной и прикладной науки в рамках квантовых информационных технологий
Важно отметить, что в процессе решения задач квантовой информатики происходит развитие и углубление понимания основ квантовой физики, подвергаются новому анализу и экспериментальной проверке основные ее проблемы - локальности (причинности), скрытых параметров, реальности, неопределенности, измерений, коллапса волновой функции.
Развитие квантовой физики показало, что, если в XX веке квантовая теория осуществила переворот в понимании природы, то в XXI - может осуществить революцию в теории компьютерных вычислений. Существенное отличие квантовых законов от классических требует пересмотра всей теории вычислений, чтобы составить представление об особенностях в принципах функционирования квантового компьютера, о его преимуществах и недостатках по сравнению с обычным компьютером [1]. И уже сегодня ясно, что, преодолевая проблему миниатюризации вычислительных устройств и переходя к квантовой модели обработки данных, приобретается нечто гораздо большее, чем возможность дальнейшего уменьшения аппаратных составляющих компьютера. А именно, получаем доступ к потенциально огромному вычислительному ресурсу, существующему исключительно благодаря квантово-механическим свойствам физических систем (суперпозиции квантовых состояний и их запутыванию) и квантовых механизмов, позволяющих оперировать квантовой информацией. Переход от классического носителя информации (бита) к квантовому (кубиту) приводит к тому, что информационный «объем» квантового регистра экспоненциально возрастает при увеличении числа кубитов. К примеру, квантовый регистр, содержащий 300 кубитов, может нести в себе информацию о 1090 классических 300-битовых состояниях, что намного больше числа атомов во Вселенной. И, что еще важнее, само вычисление на п-кубитном квантовом компьютере, которое осуществляется в процессе унитарной эволюции квантовой системы, происходит по 2п каналам общей волновой функции одновременно, поскольку в этом случае она является суперпозицией 2п возможных классических состояний битов.
Очевидно, что практическая реализация квантовой вычислительной системы представляет собой сложную научно-технологическую проблему, для решения которой потребуется проведение продолжительных междисциплинарных исследований.
Основные научно-технические достижения и важнейшие события, связанные с развитием квантовых вычислительных систем, в хронологическом порядке представлены в табл. № 1.
Годы Основные достижения и события
I этап: 1970-1989 годы
1970г. Стивен Виснер изобретает сопряженное кодирование.
1973 г. А.Холево публикует статью, в которой показывает, что L кубитов не может нести больше информации, чем L классических битов (результат, известный как «теорема Холево» или «предел Холево»).
1975 г. Р. Поплавский издает статью «Термодинамические модели обработки информации», где показывает невыполнимость адекватного численного моделирования квантовых систем на классических компьютерах, обусловленную принципом суперпозиции.
1976 г. Польский математик Р.Ингарден, в одной из первых попыток создания квантовой теории информации, показывает, что теория информации Шеннона не может непосредственно быть обобщена на квантовый случай, и необходимо построить обобщение теории Шеннона для создания квантовой теории информации.
1980 г. Советский ученый Ю.Манин, публикует "Вычисляемое и невы-числяемое". В этой работе используется экспоненциальное число базисных состояний, необходимых для описания эволюции квантовой системы, и обсуждается потребность в теории квантового вычисления, которая охватывает фундаментальные принципы вычисления без обращения к физической реализации.
1981 г. Р. Фейнман в докладе на первой конференции по физике вычислений, проведенной в Массачусетском технологическом институте, отметил, что невозможно моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере эффективным способом. Он предложил элементарную модель квантового компьютера, который будет способен провести такое моделирование. Томмазо Тоффоли ввел обратимые гейты Тоффоли, которые вместе с гейтами NOT и XOR составляют универсальное множество необходимое для квантового вычислений.
1984 г. Чарльз Беннетт и Жилль Брассард используют сопряженное кодирование Виснера для распределения криптографических ключей.
1985 г. Дэвид Дойч описал первый универсальный квантовый компьютер. Так же, как универсальная машина Тьюринга может эффективно моделировать любую другую машину Тьюринга, так и универсальный квантовый компьютер в состоянии моделировать любой другой квантовый компьютер с не более чем полиномиальным замедлением
II этап:1990-1999 годы
1991 г. Артур Экерт разрабатывает безопасную коммуникацию, основывающуюся на запутанности квантовых состояний.
1993 г. Дэн Саймон из университета Монреаля, выдвигает проблему оракула, в решении которой квантовый компьютер будет экспоненциально быстрее, чем обычный компьютер. Этот алгоритм вводил основные идеи, которые затем были положены в основу алгоритма факторизации Питера Шора.
1994 г. Питер Шор в Нью-Джерси разработал замечательный алгоритм для квантового компьютера, предназначенный для факторизации больших целых чисел и решения проблемы дискретного логарифма. Применением алгоритма Шора может стать взлом многих из используемых сегодня криптосистем. Его разработка привела к рождению огромного интереса к квантовым компьютерам, даже вне физического сообщества. В декабре, Игнасио Сирак из университета Сьюдад-Реаль и Питер Золлер из университета Иннсбрука предложили экспериментальную реализацию гейта "управляемое-НЕ" (СЫОТ) на удерживаемых в ловушке ионах.
1995 г. Питер Шор и Эндрю Стин предложили первые схемы коррекции квантовых ошибок - подход к созданию таких квантовых компьютеров, которые могли бы проводить квантовые вычисления используя большое количестве кубитов в течение продолжительного промежутка времени. Ошибки всегда вводятся средой, но квантовая коррекция ошибок могла бы преодолеть эту проблему и стать ключом для технологии построения крупномасштабных рабочих квантовых компьютеров. Эти ранние предложения имели множество ограничений. Они могли исправлять некоторые ошибки, но не те, которые возникают непосредственно в процессе самого исправления. Предложено множество усовершенствований, и продолжается активное исследование этого вопроса. Была найдена альтернатива квантовой коррекции ошибок: вместо того чтобы активно исправлять ошибки, вызванные взаимодействием со средой, можно использовать специальные состояния, которые имеют «иммунитет» к ошибкам. Этот подход, основывающийся на свободных от декоге-ренции подпространствах состояний, предполагает, что есть некоторая симметрия во взаимодействии компьютер-среда. Кристофер Монро и Дэвид Винеланд в Национальном институте стандартов и технологии (Валун, Колорадо) экспериментально реализуют первый квантовый логический гейт СЫОТ на удерживаемых в ловушке ионах согласно предложению Золлера и Сирака. Национальный институт стандартов США (№БТ) продемонстрировал квантовое устройство на ионах в ловушке. Исследовательский центр ЦРУ США, Отдел научных исследований ВМС США, Управление перспективных исследований и разработок МО США реализуют первый комплекс работ в области квантовой криптографии.
1996 г. Лов Гровер из научно-исследовательской лаборатории Белла, создает квантовый алгоритм поиска в неупорядоченной базе данных. Квадратичное ускорение здесь не является столь же драматическим как ускорение факторизации, решения проблемы дискретного логарифма или моделирования квантовой физики. Однако алгоритм может быть применен к намного более широкому спектру проблем. Любая задача, которая должна была решаться случайным поиском (решение задачи «в лоб»), может теперь иметь квадратичное ускорение в своем решении. Министерством обороны США инициируются пятилетние работы, связанные с проведением фундаментальных исследований в области квантовых вычислений (в рамках программы Quantum Information and Computing - QUIC). DARPA выделила грант в размере 5 млн. долл. на создание первого устройства, реализующего квантовые операции на одиночных атомах в микрорезонаторах (раздел исследований: квантовая оптика резонансных явлений - cavity QED). Научно-технический комитет NATO организует на период до 2000 г. работу, направленную на обобщение и систематизацию идей в области построения систем, реализующих механизмы квантовых вычислений.
1997 г. Дэвид Корай, Амр Фахмай и Тимоти Хавэль, и в то же самое время Нейл Джершенфелд и Айзек Л.Чуанг в Массачусетском технологическом институте, опубликовали первые статьи о квантовых компьютерах, основанных на объемном спиновом резонансе, или тепловых ансамблях. В их постановке компьютер - это фактически единственная молекула, которая кодирует кубиты в спинах ее протонов и нейтронов. Триллионы триллионов из них могут плавать в чашке воды. Эта чашка помещается в ЯМР-устройство (ЯМР - ядерный магнитный резонанс), подобное ЯМР-томографам, используемым в медицине. Такая совокупность комнатно-температурных (тепловых) молекул (ансамбля) обладает большой степенью дублирования, которая позволяет поддерживать когерентность состояний в течение нескольких секунд, что намного лучше показателей других предложенных систем.
1998 г. Брюс Кейн (B.E.Kane, University of New South Wales, Sydney) выдвинул идею проводить квантовые вычисления на спиновых состояниях ядер атомов, внедренных в кристалл, обосновывая ее тем, что релаксация ядерных спинов чрезвычайно медленная. Им была предложена первая твердотельная конструкция устройства, основанного на ЯМР атомов фосфора-31, помещенных в кремний. Первый работоспособный 2-кубитный ЯМР-компьютер, продемонстрирован Джонатаном А. Джонсом и Микеле Моска в Оксфордском университете, и в то же время Айзеком Л. Чуангом в исследовательском центре Альмадена (IBM) вместе с сотрудниками Стэнфордского Университета и Массачусетского технологического института. Первый работоспособный 3-кубитный ЯМР-компьютер. Первая реализация алгоритма Гровера на квантовом компью-тере.Ученые из Los Alamos National Laboratory (США) впервые осуществили практическую передачу в атмосфере квантовые коды на расстояние 1км.
III этап: 2000-2011 годы
2000 г. Национальный институт стандартов США (NIST) инициировал крупную программу исследований в области квантовой информатики. Первый работоспособный 5-кубитный ЯМР-компьютер продемонстрирован в Техническом Университете Мюнхена. В исследовательском центре Альмадена и Стэнфордском университете продемонстрирована реализация одной из частей алгоритма Шора (нахождения порядка).Первый работоспособный 7-кубит-ный ЯМР-компьютер продемонстрирован в национальной лаборатории Лос-Аламоса. Е.Фархи (E.Farhi с соавторами) предложил использование особого адиабатического метода проведения квантовых вычислений. Суть метода состоит в том, что можно осуществлять выполнение квантового алгоритма как эволюцию основного состояния системы, в котором она все время поддерживается.
2001 г. МО США инициировало программу научно-исследовательских работ в области квантовой информатики и обеспечивающих технологий (Проект QuIST - Quantum Information Science and Technology, сроки проведения: 2001-2005 гг., общий объем финансирования ~100 млн долл, заказчик работ - DARPA) А.Ларионов, Л.Федичкин и К.Валиев (ФТИАН, Москва) предложили в конструкции Б.Кейна использовать единичный электрон на все атомы фосфора. Первая реализация алгоритма Шора в исследовательском центре Альмадена (IBM) и Стэнфордском университете. Было факторизо-вано число 15, используя 1018 идентичных молекул, содержащих 7 активных ядерных спинов.
2002 г. В.Вьюрков (ФТИАН, РФ) и Л.Горелик (Chalmers University, Швеция) рассмотрели возможность двухкубитного кодирования для подавления декогеренизации. Перепутанные состояния были продемонстрированы в зарядовом и CBJJ (current-biased Josephson junction) кубитах с применением импульсной и спектроскопических методик. Для фазовых кубитов достигнуто время декогеренции ~ 4,5 мкс.
2003 г. Т. Ямамото с соавторами продемонстрировали образование запутанного состояния (entangled state) между двумя твердотельными сверхпроводниковыми кубитами. Разработанная структура квантового компьютера отличалась от той, на которой уже было продемонстрировано когерентное взаимодействие двух квантовых битов (кубитов), наличием двух затворов, каждый из которых управлял состоянием соответствующего кубита. Управляющий кубит имел вид петли СКВИДa, а сами кубиты взаимодействовали друг с другом через емкость. На такой системе двух сверхпроводящих кубитов Т. Ямамото с соавторами успешно выполнили логическую квантовую операцию CNOT («контролируемое НЕ»).
2004 г. В.Вьюрков (ФТИАН) и Л.Горелик (Chalmers University, Goteborg, Швеция) предложили конструкцию базового элемента на квантовых точках (основанного на пространственных (зарядовых) состояниях электронов). В США была реализована сверхпроводниковая компьютерная пе-тафлопс-система. При этом была определена оптимальная комбинация различных новейших технологий - сверхпроводниковой логики, сети оптоволоконных соединений, голографической оптической и полупроводниковой памяти. Особенность новой системы - использование распределенной памяти, включающей голографи-ческую, полупроводниковую (SRAM) и криогенную (CRAM) компоненты. Стержень системы - сверхпроводниковые процессоры, использующие RSFQ-логику (БОКл).Первый работоспособный квантовый ЯМР-компьютер на чистых состояниях (основанный на параводороде) продемонстрирован в Оксфордском университете и университете Йорка.В Институте Физики Высоких Технологий (IPHT Jena, Germany) впервые продемонстрировано наличие перепутанных состояний в системе двух индуктивно связанных потоковых кубитов (Е.В. Ильичев, А.А. Измалков, М. Грайцар, Т. Вагнер).
2005 г.
Ученые из МИФИ (Л.Опенов и др.) предложили способ эффективного и когерентного перемещения электрона между двумя квантовыми точками.
Мэтью Селларс из Центра лазерной физики (австралийский Национальный университет в Канберре) замедлила световой импульс до нескольких сотен метров в секунду. Замедление скорости света позволяет отобразить информацию на световой импульс, подобно операциям с памятью обычного компьютера. Чтобы замедлять свет, исследователи использовали силикатный кристалл, смешанный с редкоземельным металлом празеодимием. Исследователи Грузинского технологического института сообщили о получении экспериментального доказательства того, что когерентность также распространяется на внутренние спиновые степени свободы в атомном конденсате Бозе-Эйнштейна.
Ученые из университета Иллинойса в Urbana-Champaign продемонстрировали квантовую запутанность нескольких характеристик, потенциально позволяющую кодирование нескольких кубитов в одной частице. Две группы физиков впервые измерили емкость джозефсоновского перехода. Разработанные ими методы могут использоваться для измерения состояний кубитов в квантовом компьютере, не нарушая само состояние.
В декабре учеными из института Квантовой Оптики и Квантовой Информации в университете Инсбрука (Австрия) было объявлено о создании первого кубита на основе фотонов. Исследователи из университета Гарварда и Грузинского технологического института реализовали передачу квантовой информации между «квантовыми блоками памяти» - от атомов к фотонам и наоборот. Ученые из Национального Института Стандартов и Технологии (№БТ) добились ориентировки спинов шести атомов в двух противоположных направлениях одновременно. Впервые сконструирован масштабируемый квантово-компьютерный полупроводниковый чип, удерживающий ионные кубиты (ученые из университета Мичигана). Достижение подало надежды на возможность построения работоспособного квантового компьютера на основе традиционной (обычной) полупроводниковой технологии.
2006 г.
Министерство обороны США инициировало очередную пятилетнюю программу прикладных исследований в области квантовых информатики (программа «Quantum Information Science (QIS)», заказчик работы - DARPA). Группа из лаборатории Hewlett-Packard находит способы использования фотонов, или легких частиц, для обработки информации. Предложен способ интеграции одноча-стичных систем (полярных молекул) с мезоскопическими твердотельными устройствами, который допускает эффективный контроль когерентных состояний молекул (например, CaBr) и взаимодействий между ними. Роль базисных состояний кубитов играют вращательные состояния молекул. Операции с кубитами осуществляются посредством электрических затворов. Молекулы располагаются на субмикронных расстояниях от сверхпроводникового СВЧ-резонатора, через который и осуществляется связь между ними. Запутанные состояния удаленных друг от друга кубитов формируются за счет обмена СВЧ-фотонами. В этом случае шумы - одно из главных препятствий для реализации квантовых вычислений - удается подавить до очень низкого уровня. П.Золлер из университета Инсбрука (Австрия) обнаруживает, что метод использования криогенных полярных молекул делает квантовые блоки памяти стабильными.
Профессор Винпенни из Манчестерской школы химии впервые продемонстрировал, как металлосодержащие кольца, которые обладают свойствами, необходимыми для функционирования в роли кубитов, могут быть связаны вместе с использованием и органических, и металлоорганических фрагментов. Исследователи из Кембриджского университета и компании Toshiba представляют новое квантовое устройство, которое генерирует запутанные фотоны. Джон Мортон и Саймон Бенжамин из Оксфордского факультета материаловедения, «заперли» кубит в фуллерене. Это изолировало кубит до некоторой степени, но недостаточно. Следующий шаг, который сделали исследователи, состоял в применении так называемого «скорострельного» метода («bang-bang method»): кубит неоднократно "обстреливается" интенсивным микроволновым импульсом, который полностью меняет характер взаимодействия кубита со средой, но позволяет сохранять состояние кубита. Метод «bangbang» - является важным шагом на пути к построению квантовых прототипов суперкомпьютеров, сконструированных на основе высокотемпературных сверхпроводников, который мог бы стать, согласно экспериментам, выполненным физиками технологического университета Чалмерса (Гетеборг, Швеция), основой квантовой вычислительной техники. Работая с группой из итальянского университета Аквилы, физики непосредственно наблюдали макроскопические квантовые эффекты в высокотемпературных джозефсо-новских переходах.
Ученые университета Штата Огайо предложили способ осуществления когерентного распространения света между квантовыми точками, облегчая тем самым коммуникацию в оптических квантовых компьютерах.
Ученые-физики из университета Техаса в Остине использовали лазерную ловушку для последовательного захвата и измерения одинаково небольшого количества атомов.
Исследователи университета Питтсбурга разработали способ создания островков полупроводника с размером менее 10 нм, известных как квантовые точки. Островки, сделанные из германия и размещенные на поверхности кремния в нужной конфигурации с точностью до 2 нм, способны удерживать отдельные электроны. Исследователи университета Иллинойса использовали квантовый эффект Зенона (впервые сформулированный так: непрерывное наблюдение за процессом радиоактивного распада делает распад невозможным), неоднократно измеряя свойства фотона, чтобы постепенно изменить их, фактически не позволяя фотону завершить задачу, выполнять поиск базы данных, фактически без «работы» квантового компьютера.
B.Ведрал из университета Лидса и его коллеги в университетах Порто и Вены обнаружили, что фотоны в обычном лазере могут быть квантово-механически запутанны колебаниями макроскопического зеркала, независимо от температуры зеркала.
C.Бронстейн из университета Йорка совместно с японскими учеными (из университета Токио и агентства Науки и Техники) впервые продемонстрировали квантовое телеклонирование.
Ученые университета Шеффилда разработали эффективный метод генерирования и управления индивидуальными фотонами при комнатной температуре.
Компания IBM приступила к разработке технологии спектроскопии спин-возбуждений для управления магнетизмом индивидуальных атомов.Разработан метод подсчета одиночных электронов. Сконструирована первая 12-кубитная система для квантовых вы-числений.Разработана двумерная ионная ловушка для квантового компьютера.
Разработана технология синхронизации квантовых свойств электронов на концах нанотрубки.Группа в Дельфтском технологическом университете (Нидерланды), используя обычную технологию изготовления микрокристалла, создала устройство, которое может управлять спиновым состоянием электронов в квантовых точках.
Появление новой теории, показывающей как можно контролировать спин частицы не используя сверхпроводящие магниты. Это событие становится очередным шагом в развитии спинтроники и технологии построения систем, реализующих квантовые вычисления. Ученые университетов Копенгагена и Южной Калифорнии разрабатывают квантовую телепортацию между фотонами и атомами, и новый метод квантовой коррекции ошибок.Ученые университета Камерино развивает теорию запутанности макроскопического объекта, которая могла бы позволить использовать «ретрансляторы» в квантовых компьютерах.Ученые университета Иллинойса обнаруживают, что квантовая когерентность возможна в несоизмеримых электронных системах.В униве Решаемая задача в рамках программ обеспечения надежности и безопасности ядерных боеприпасов (ЯБП) рситете Юты демонстрируют возможность считывания данных, закодированные в ядерных спинах. Осуществлены наблюдения за электронами, взаимодействующими с индивидуальными примесными атомами в кремнии.
2007 г. По инициативе Управления перспективных исследований и разработок МО США (DARPA) стартовала программа «Исследования и разработки в области «запутанных» состояний квантовых объектов» - «Quantum Entanglement Science and Technology (QuEST)»^^ зиками из университета Базеля предложен способ формирования спиновых кубитов в квантовых точках на основе графена. В университете шт. Мичигана осуществляется запутывание двух ионов, находящихся на расстоянии одного метра друг от друга.Продемон-стрирован первый 16-кубитный адиабатический квантовый компьютер, реализованный компанией D-Wave Systems (Канада). Первая реализация алгоритма Д.Дойча на квантовом компьютере кластерного состояния.Разработан квантовый регистр на NV-цен-трах в алмазе. На двух сверхпроводящих квантовых кубитах реализован квантовый гейт CNOT.Для квантовых вычислений использован атом азота в фуллерене. Разработан новый метод удержания фотонов. Разработан фотонный транзистор для квантового компьютера.В двух независимых лабораториях разработана квантовая шина для прямого обмена информацией между двумя сверхпроводниковыми кубитами.
2008 г. Китайские ученые предложили использовать резонансно-туннельную структуру для динамического квантового измерения состояния электрона в двойной квантовой точке (зарядового кубита). Осуществлено изменение состояния кубита посредством стимулированного рамановского адиабатического перехода (Stimulated Raman Adiabatic Passage - STIRAP), суть которого заключается в нерезонансных переходах междудвумя энергетическими уровнями при участии вспомогательного возбужденного уровня. Время одной операции (~10 пс) при этом на 5 порядков меньше характерного времени декогерентизации спина в квантовой точке (~1 мкс). В декабре в администрации президента США сформирован новый подкомитет (в структуре Управления по научно-технической политике при президенте США - Office of Science and Technology Policy (OSTP)), предназначенный для реализации государственной политики в области квантовых информационных технологий.
2009 г. В США впервые опубликован официальный документ, в котором исследования в области квантовой информатики получили статус государственного приоритета научно-технической политики администрации США («Государственная позиция (политика) в области квантовой информатики» - A Federal Vision for Quantum Information Science). Исследователи из University of Manchester (Великобритания) обратили внимание на особые спиновые молекулярные кластеры, содержащие один ион никеля 2Ni+ и семь ионов хрома 3Cr+. Основное состояние таких кластеров отвечает спину I = 1/2 и может быть использовано в качестве спинового кубита. Коллективу ученых (G.Balasubramanian и коллеги) удалось понизить концентрацию изотопов 13С в алмазе до 0,01 % (для организации квантовых вычислений со спиновыми кубитами в алмазе). В бюджета МО США на 2010 фин. г. увеличен объем ассигнований, выделяемых на проведение исследований и разработок в области квантовых информационных технологий. В июне группа ученых из Yale University (США), под руководством Robert Schoelkopf представила первое твердотельное вычислительное устройство (из двух сверхпроводниковых кубитов - сверхпроводниковых цепей с джозефсоновскими контактами), способное реализовать квантовые алгоритмы Дойча и Гровера. Требуемая (рабочая) температура для устройства ~ 1 мК
2010 г. Сотрудники отделения NIST в г. Boulder (США) впервые продемонстрировали квантовый процессор, способный выполнять все возможные унитарные операции с парой кубитов (ядерных спинов ионов 9Be+ в линейной магнитной ловушке). Ученые из немецкого университета (P.Neumann и др.) экспериментально продемонстрировали основные операции с двумя кубитами на основе электронных спинов центров азот-вакансия (NV-цен-тров) в изотопически чистом (с минимальным количеством парамагнитных центров 13С) алмазе. Ученые из Harvard Univ. (США), California Institute of Technology (США) и Niels Bohr Institute (Дания) реализовали запутанность единичного оптического фотона и твердотельного спинового ку-бита на основе отрицательно заряженного центра азот-вакансия (NV-центра) в алмазе. Ученые из University College London (G.W.Morley и др.) экспериментально продемонстрировали возможность контролируемого приготовления квантовых состояний электронных и ядерных спинов доноров Si:Bi (атомы висмута вместо атомов фосфора в кремнии), а также реализовали некоторые операции с этими состояниями. В калифорнийском университете измерена проекция спина донор-ного электрона с помощью одноэлектронного МОП-транзистора, расположенного в непосредственной окрестности от донора и тун-нельно связанного с ним.
2011 г. Экспериментально реализована методика ослабления эффектов декогерентизации в спиновых кубитах в квантовых точках GaAs и NV-центрах в алмазе. Методика заключается в воздействии на кубиты последовательностью п-импульсов - организация процесса «динамического расцепления» (dynamical decoupling). В отдельных экспериментах удалось повысить время потери когерентности (т) с ~ 20 нс до ~ 200 мкс. Исследователи из Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Германия) показали, что для записи, хранения и последующего считывания информации, закодированной в поляризационном состоянии фотона, можно использовать один-единственный атом, захваченный в оптической полости. Канадская компания D-Wave Systems Inc объявила о начале продаж «первого в мире коммерчески доступного квантового компьютера «D-Wave One» (кодовое название процессора Rainier С4). Объявленная стоимость устройства - 10 млн. долл. Компьютер предназначен для решения некоторых задач дискретной оптимизации, позволяющих использовать метод «квантового отжига». Квантовый процессор Rainier С4, по заявлениям разработчиков, состоит 128 кубитов, 352 элемента связи и 992 управляющих сверхпроводниковых ЦАП. Канадские ученые из компании D-Wave Systems Inc опубликовали данные, подтверждающие потенциальную работоспособность своего квантового компьютера пока только на 8-кубитном устройстве. По сведениям представленным в публикации они реализовали «квантовый отжиг» (quantum annealing) на цепочке из восьми «искусственных спинов», роль которых играли сверхпроводниковые потоковые кубиты на основе джозефсоновских контактов Nb/ AlOx/Nb.
Как уже отмечалось, квантовые информационные технологии - это технологии, которые в полной мере используют такие свойства квантовых объектов, как суперпозиция состояний, способность системы из нескольких частиц находиться в квантово-коррелированных, или «перепутанных состояниях» (entangled states), существенное влияние процесса измерения на состояние объекта, невозможность клонирования квантовых состояний. По оценкам зарубежных военных специалистов такие технологии в ближайшем будущем станут оказывать важное влияние на качественное развитие вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ). По их мнению, уже через несколько лет на мировом рынке должны появиться первые образцы военной техники, использующие достижения в области квантовых информационных технологий (прежде всего, это относится к системам шифрования с устройствами квантового распределения ключа).
Большие надежды военных специалистов связаны с применением квантовых компьютеров совместно с традиционными вычислительными системами в интересах решения следующих задач:
1. Аэродинамическое и аэробаллистическое проектирование летательных аппаратов. В первую очередь это решение задач моделирования и имитации при разработке нового поколения истребителей, гиперзвуковых крылатых ракет и разделяющихся боевых блоков МБР;
2. Комплексная обработка информации, поступающей от распределенных систем технической разведки и освещения обстановки. Данная область применения предполагает использование квантовых вычислителей в интересах решения следующих задач: расшифровки сообщений; интеллектуального анализа большого объема данных; автоматизированного распознавания целей и объектов;
3. Моделирование атмосферных явлений, океана, прогнозирование метеорологической обстановки и гидроакустических параметров акваторий;
4. Проектирование малозаметных надводных кораблей. Основной проблемой здесь является комплексное решение задач формирования технического облика корабля и уменьшения излучательных характеристик всей конструкции;
5. Моделирование ядерного взрыва и его поражающих факторов, оценка и прогнозирование технического состояния ядерных зарядных устройств (задачи продления гарантийных сроков эксплуатации ЯЗУ и разработки малогабаритных ядерных зарядных устройств нового поколения);
6. Планирование применения сил и средств, комплексное и оперативное решение математических задач, связанное с материально-техническим обеспечением войск;
7. Обнаружение и распознавания целей в комплексах наблюдения, целеуказания и наведения оружия. Наиболее актуальной задачей здесь является своевременное обнаружение пусков ракет по многопараметрической информации от СПРН, прогнозирование сложных (не баллистических) траекторий и распознавание боевых блоков в атмосфере на фоне сложных ложных целей;
8. Разработка оружия направленной энергии (оружия на новых физических принципах - лазерного, СВЧ, кинетического и пучкового). Задачами большой вычислительной сложности здесь являются: моделирование ПФ, оценка показателей эффективности прототипов оружия и расчет стойкости объектов ВВСТ к воздействию ПФ оружия направленной энергии;
9. Стратегическая разведка - обработка, в режиме близком к реальному масштабу времени, информации, поступающей по каналам связи от наземных и космических средств в интересах своевременного распознавания множественных баллистических целей;
10. Имитационное моделирование боевых операций (теория игр), оценка показателей эффективности боевого применения разнородных сил и средств.
Многие ученые и специалисты едины во мнении, что на элементной базе квантовой информатики возможно построение квантовой вычислительной системы, которая будет интегрироваться с классической супер-ЭВМ в виде специализированных процессоров, используемых для ускорения решения следующих задач:
• факторизация чисел;
• поиск оптимального (по любому формальному критерию) элемента в длинном массиве данных;
2 2
• поиск разложений целого N по уравнению Пелла ( х — <Лу = N, где х, у, d - целые числа);
• поиск периода (вычисления в теории групп);
• гауссовы суммы;
• задача смещенного символа Лежандра;
• алгоритм Раза (распределенное моделирование),
• управление сложностью: непересекающиеся подмножества, конечно-циклические интерактивные доказательства, псевдо-телепатия (неравенства Белла, ведение игры - задачи из теории игр);
• поиска решения в рамках так называемой проблемы изоморфизма графов.
О важности применения таких систем в процессе разработки и обеспечения требуемой надежности и безопасности ВВСТ свидетельствуют данные, представленные на рис. 2 и в табл. № 2.
При успешном развитии квантовых устройств целый ряд вычислительных процедур, используемых в процессе разработки сложных систем и комплексов ВВСТ, может быть заменен квантовыми вычислительными алгоритмами, что даст существенное повышение эффективности проведения соответствующих ОКР (сокращение сроков проведения, уменьшения количества, требуемых испытаний и т.п.).
Кроме того, прогнозируется, что уже ближайшие несколько лет существенно изменится подход и к шифрованию, дешифрованию, передаче и хранению
секретной информации (данных и сигналов боевого управления) в системах военного назначения. В военных криптографических системах будут широко использоваться квантовые алгоритмы. Обычные классические методы шифрования с открытым ключом во многих случаях потеряют свою надежность. Данные, зашифрованные методом RSA, не поддающиеся дешифрованию в настоящее время, будут дешифровываться в устройствах, реализующих квантовые алгоритмы Шора. Будут созданы квантовые базы данных и квантовые каналы передачи данных, в принципе не поддающиеся взлому и подслушиванию, использующие теорему о невозможности клонирования неизвестного квантового состояния.
Рис. 2. Оценки вычислительных затрат, необходимых для решения отдельных задач, возникающих при проведении ОКР по созданию современных видов ВВСТ
Таблица № 2. Некоторые задачи имитационного моделирования, решенные в интересах обеспечения надежности и безопасности ядерного арсенала США с использованием высокопроизводительных вычислительных систем (в условиях соблюдения ДВЗЯО).
Годы Производительность вычислительной систмы, TFlops Суммарная производительность используемых систем (в архитектуре), TFlops Объем памяти, Пб Решаемая задача в рамках программ обеспечения надежности и безопасности ядерных боеприпасов (ЯБП)
1997 1 ? ? Моделирование процессов, связанных с инициированием шарового заряда (ШЗ) ядерного зарядного устройства (ЯЗУ) изделия W76-0 (в т.ч. с режимами отказов генератора нейтронов (НГ))
1999 3 ? ? Моделирование в интересах оценки радиационной стойкости НГ ЯЗУ W76-0
2000 10 ? 0,5 Трехмерная имитационная модель ШЗ; моделирование работы радиовысотомера (элемент системы подрыва) изделия W76-0
2001 10 ? 1 Трехмерная имитационная модель термоядерного узла (ТЯУ); комплексная модель боевого применения и функционирования всех систем изделия на траектории полета и при поражении цели (в обычных условиях)
2002 20 ? 5 Трехмерная имитационная модель функционирования ЯЗ (ШЗ с СТУ и ТЯУ); комплексная модель функционирования изделия в нештатных режимах
2003 20 41 10 Усовершенствованная трехмерная модель работы ЯЗ для различных начальных условий (моделирование с учетом неопределенностей в основных параметрах элементов заряда)
2004 20 75 25 Трехмерная модель функционирования всех систем изделия (без учета носителей и параметров траектории полета ББ)
2005 100 172 50+ Первая версия полномасштабной имитационной модели "комплекс - носитель - изделие - поражение цели"
2006 100 160 ? Первые модели для сертификации изделий W76-1 и W80-3 по ОМи- методологии
2007 150 310 ? Имитационная модель для сертификации изделия W80-3 по основным параметрам
2008 150 420 ? Полномасштабная имитационная модель "комплекс- носитель- изделие - поражение цели" с элементами нештатных (аварийных) ситуаций
2009 350 930 ? Полное расчетное моделирование в интересах получения сертификационных оценок для изделия W76-1 по методу доверительных интервалов (ОМи-ме-тодология)
Наиболее активно долгосрочные исследования по развитию квантовых информационных технологий в интересах обороны и безопасности проводятся в ведущих научно-исследовательских центрах США, Японии, Великобритании, Франции и Германии. Наибольший объем работ в этой сфере выполняется по заказам Министерства обороны США.
Подтверждением исключительной важности работ в области развития квантовых информационных технологий в интересах обороны и безопасности служат следующие факты:
1. В декабре 2008 года администрация США сформировала новый подкомитет (в структуре управления по научно-технической политике при президенте США - Office of Science and Technology Policy (OSTP)), предназначенный для реализации государственной политики в области квантовых информационных технологий. В январе 2009 года администрация президента США впервые опу-
бликовала официальный документ под названием «Государственная позиция (политика) в области квантовой информатики» [2]. В этом документе было задекларировано, что исследования в области квантовой информатики имеют статус государственного приоритета научно-технической политики нынешней администрации США.
2. За последние 10 лет на проведение работ в области квантовой информатики Министерство обороны США израсходовало ~ 600 млн. долл. Инициаторами работ, направленных на поиск путей практической реализации принципов квантовых вычислений, в рамках Министерства обороны США выступают: Управление перспективных исследований и разработок (DARPA), Отделы научных исследований сухопутных войск (ARO), ВМС (ONR) и ВВС (AFRL). Большая часть результатов этих исследований носит закрытый характер. В бюджете Министерства обороны США на 2012 финансовый год фундаментальные, прикладные исследования и технологические разработки в области квантовых информационных технологий имеют статус приоритетного финансирования.
На период до 2012 -2013 гг. работы американского военного ведомства в области квантовых вычислительных систем запланированы в рамках следующих проектов и программ [3]:
А. Фундаментальные исследования (бюджетная категория работ - 6.1).
Проект PE №0601101E (Комплексная целевая программа (КЦП) «Исследования в области оборонных наук» - «Defense Research Sciences»). Заказчик работ - Управление перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (DARPA).
Раздел «Электроника» (ES-01: Electronic Sciences). Программа «Исследования и разработки в области «запутанных» состояний квантовых объектов» - «Quantum Entanglement Science and Technology (QuEST)». Запланированные объемы финансирования исследований по программе QuEST на 2011 фин. г. составляют 15,946 млн долл.
Следует отметить, что возможность существования так называемых «запутанных» состояний квантовых объектов - одно из удивительных следствий квантовой механики. Квантовые системы передачи информации и квантовые вычисления основаны на использовании запутанных состояний нескольких частиц.
Поэтому, большое внимание в программе QuEST уделяется разработке методов генерации таких состояний и манипуляции ими с целью практического использования запутанности. Такие состояния «несепарабельны»: их нельзя представить в виде произведения состояний каждой из частиц по отдельности, даже если эти частицы находятся на большом расстоянии друг от друга, то есть запутанность обусловлена нелокальными сугубо квантовыми корреляциями.
Примечание: Проведенный анализ показал, что в теоретических работах, посвященных перепутыванию, выделяется три основных механизма возникновения перепутанных состояний:
1. Непосредственное взаимодействие между подсистемами;
2. Взаимодействие подсистем с некой общей средой;
3. Измерение независимых атомных систем в перепутанном базисе.
Непосредственное взаимодействие между подсистемами является наиболее простым и очевидным механизмом формирования перепутывания. Результаты теоретического анализа показывают, что наличие только этого механизма, как правило, не приводит к возникновению стационарных перепутанных состояний в системе. Однако непосредственное взаимодействие между подсистемами в совокупности с другими механизмами может приводить к возникновению стационарных перепутанных состояний.
Иллюстрацией взаимодействия подсистем с некой общей средой может служить механизм перепутывания, основанный на взаимодействии атомов с общим термостатом. В таких случаях все пространство состояний системы можно разбить на два подпространства с различным типом симметрии по отношению к перестановкам атомов. Роль общего термостата состоит в том, чтобы обеспечить разную динамику этих подпространств. Состояния одного из подпространств (так называемого decoherence free subspace) эволюционируют унитарным образом, в то время как состояния другого подпространства (так называемые состояния Дике) демонстрируют неунитарную (диссипативную) динамику.
Различная динамика подпространств приводит к тому, что первоначально не перепутанные состояния, которые не принадлежат одному из указанных подпространств целиком, оказываются перепутанными. В теории сверхизлучения состояния, относящиеся к указанным подпространствам, именуются также суб-радиантными и суперрадиантными. При этом для возникновения перепутывания унитарная эволюция субрадиатных состояний не является обязательным условием, достаточно чтобы диссипативная динамика субрадиантных и суперрадиант-ных состояний различалась.
Третий механизм формирования перепутывания - измерение над квантовой системой - связан, как правило, с регистрацией фотонов, излученных атомами. Для демонстрации этого механизма рассмотрим систему, состоящую из двух атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Предположим, что при регистрации фотона детектором нельзя указать, какой из атомов излучил фотон. В таком случае после щелчка фотодетектора система окажется в перепутанном состоянии: один атом (излучивший фотон) находится в основном состоянии, а другой остается в возбужденном состоянии.
Отметим, что указанная волновая функция характеризует так называемое апостериорное состояние атомов, а роль измерения сводится к проектированию состояния измеряемой системы на подпространство перепутанных состояний. Неселективность измерения, связанная с неразличимостью квантовых подсистем по отношению к какому-либо общему для них параметру, приводит к пе-репутыванию атомных состояний. Указанное перепутывание никак не связано с каким-либо коллективным процессом и обусловлено лишь эффективным измерением в перепутанном базисе.
Раздел «Материаловедение». (MS-01: Materials Sciences). Программа «Доступные квантовые технологии» - «Enabling Quantum Technologies». В рамках
этой программы проводятся исследования, связанные с созданием квантовых вычислительных систем на основе нейтральных атомов в оптических ловушках и NV-центров в алмазе. Кроме того, предусмотрены работы, направленные на создание технологии квантовой передачи информации на расстояния 100-5000 км.
В 2011 фин. г. объем финансирования программы «Enabling Quantum Technologies» ориентировочно составил ~ 10,641 млн. долл.
Проект PE № 0601102A (КЦП «Исследования в области оборонных наук»
- «Defense Research Sciences»). Заказчик работ - Отдел научных исследований Армии (сухопутных войск) США - ARO.
Программа «Фундаментальные исследования в области физики» - «Basic research in physics». Одной из задач исследований, предусмотренных этой программой, является изучение явлений, связанных с квантовыми запутанными состояниями, и поиск новых конструкций спиновых кубитов. Объемы финансирования этих исследований неизвестны. Ассигнования, выделенные на всю программу «Фундаментальные исследования в области физики» в 2011 фин. г. составили ~ 12,5 млн. долл.
Проект PE № 0601153N (КЦП «Исследования в области оборонных наук»
- «Defense Research Sciences». Заказчик работ - Отдел научных исследований ВМС США (ONR).
Раздел «Информатика» - «Information Sciences». Одним из направлений работ по разделу являются исследования, направленные на поиск технических решений по созданию новых квантовых компьютеров и систем квантовой криптографии.
Раздел «Датчики, электроника и средства РЭБ» - «Sensors, Electronics and Electronic Warfare (EW)». Запланированы работы по реализации квантовых вычислительных систем на сверхпроводниковых элементах, используя новые технологии криогенного охлаждения и высокоточного измерения магнитных полей.
B. Прикладные исследования (бюджетная категория работ - 6.2).
Проект PE №0602716E, раздел «Технологии электроники», программа «Quantum Information Science (QIS)» (ранее эта программа носила название «Focused Quantum Systems (FoQuS)»). Заказчик - Управление перспективных исследований и разработок МО США (DARPA). Запланированные объемы ассигнований, выделяемых на реализацию программы QIS составляют: 3,416 млн долл. (2010 фин. г.), 10,641 млн долл. (2011 фин. г.), 4,700 млн долл. (2012 фин. г.). Одним из основных направлений работ по программе QIS является разработка перспективных конструкций кубитов на квантовых точках в кремнии и квантовых вентилей на сверхпроводниковых элементах, содержащих контакты Джозефсона.
Надо отметить, что программа QIS (FoQuS) является продолжением завершившейся в 2005 фин. году программы Quantum Information Science and Technology (QuIST).
Проект PE № 0602788F. Заказчик - Отдел научных исследований ВВС США (AFOSR). Программа «Доминирующие информационные технологии» -
«Dominant Information Technology»).
Раздел 625316: «Управление информационными потоками и технологии вычислений». В рамках этого раздела предусмотрены работы направленные на практическое использование квантовых алгоритмов для решения задач поиска информации в неструктурированных базах данных ВВС и разработку методов комплексирования квантовых вычислительных устройств - «многоядерные» квантовые процессоры. Надо отметить, что в период 2005-2008 фин. гг. по заказам ВВС США был проведен комплекс прикладных исследований по изучению возможностей применения квантовых информационных технологий в системах боевого управления и связи. Для этих целей были выделены ассигнования в размере ~12,5 млн долл. В рамках этих работ, например, изучались вопросы использования квантовых изображений (ghost image - изображений «призраков», формируемых с использованием источников запутанных фотонов) в системах разведки и защиты каналов передачи данных.
Анализ целей и содержания американских военных проектов (в том числе рассмотренных выше) позволил выявить и систематизировать направления долгосрочных исследований и разработок в области квантовых вычислительных систем. Ниже представлен перечень научно-технических направлений работ, запланированных Министерством обороны США на долгосрочную перспективу:
1. Развитие теоретических основ квантовых информационных технологий.
1.1. Перепутанные состояния: Описание, создание и регистрация;
1.2. Перепутанные состояния в системах многих тел;
1.3. Метрология использования перепутанных состояний.
2. Разработка квантовых вычислительных систем.
2.1. Квантовые вычислительные операции на нейтральных атомах;
2.2. Квантовые вычислительные устройства на NV-центрах в алмазах;
2.3. Твердотельные кубиты на квантовых точках;
2.4. Квантовые вычислительные устройства на сверхпроводниковых элементах (зарядовые, фазовые и гибридные кубиты на контактах Джозефсона);
2.5. Обеспечивающие теории и научно-технические направления (теория квантовой информации, архитектуры построения, теория и методы преодоления процессов декогерентизации, алгоритмы квантовых вычислений, методы коррекции ошибок, квантовая память, моделирование работы квантовых вычислителей).
3. Создание систем квантовой передачи информации.
3.1. Системы и устройства квантового распределения ключа (КРК) в оптоволоконных каналах связи;
3.2. Системы и устройства КРК в открытом пространстве;
3.3. Системы квантового сверхплотного кодирования информации с использованием запутанных и гиперзапутанных частиц. Квантовая запутанность (специфическая неклассическая корреляция между квантовыми системами) делает возможным так называемое «сверхплотное кодирование информации»: один квантовый бит может переносить до двух обычных битов, что позволяет
увеличить пропускную способность канала квантовой связи.
3.4. Источники и детекторы одиночных фотонов, методы и алгоритмы кодирования в системах квантовой передачи информации;
3.5. Квантовые повторители (реализация операции «entanglement SWAP» -обмен состояниями в результате запутывания).
Таким образом, результаты проведенного анализа свидетельствуют о том, что технологии квантовых вычислений обладают высокой практической ценностью и рассматриваются военными специалистами США в качестве одного из важнейших направлений перспективного развития вычислительных систем военного назначения.
литература
1. Нильсен М. Квантовые вычисления и квантовая информация / М.Нильсен, И.Чанг. - М.: Мир, 2006. - 824 с.
2. A Federal Vision for Quantum Information Science», National Science and Technology Council, Execute Office of President USA, January 5, 2009, 24 p.
3. Department of Defense Fiscal Year (FY) 2012 President's Budget, Research, Development, Test & Evaluation, Budget Activity 1-3, Office of the Under Secretary of Defense (Comptroller), February 2011, 2306 p.
