ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО - НАУЧНО – ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

Кафедра «Физика»

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Физика»

«Квантовый компьютер».

Выполнил студент группы 11 Мх

Антонов С. Д.

Проверил преподаватель:

Рагожина Т. С.

Орел, 2012 г.

Квантовые компьютеры: от безумной идеи к реальности

В современной науке отрабатывается много различных идей и теорий, многие из которых кажутся совершенно фантастическими, но которые открывают со временем новые возможности, недоступные теперь. Присматриваясь к ним, можно разглядеть контуры будущего, в том числе весьма отдаленного. На этом тщательном изучении научных разработок основаны великолепные прогнозы будущего, созданные Жюлем Верном и Станиславом Лемом. Одной из таких идей, которые развиваются в настоящее время, является развитие квантового счисления и квантовых компьютеров.

Начало и безумные идеи

Квантовое счисление началось с опыта с интерференцией света, создаваемого излучением лазера, пропускаемого через перегородку с четырьмя очень узкими отверстиями. Излучение подавалось таким образом, что свет излучается буквально отдельными квантами. В ходе такого эксперимента выявляется удивительная картина: свет, испускаемый малым количеством квантов, который должен был бы свободно пройти через очень узкую щель и оставить узкую яркую полоску света, по толщине точно соответствующую ширине прорези. Но этого не происходит, и полосы света на экране видны размытыми. Свет на что-то наталкивается и рассеивается.

Эти квантовые эффекты были известны достаточно давно, но исследователи видели в них проблему, препятствующую решению ряда практических задач, к примеру, задач по миниатюризации микросхем. Физик из Принстонского университета Хью Эверетт в 1957 году предложил оригинальное объяснение квантовым эффектам. Он заявил, что подобные эффекты вызывают теневые фотоны, то есть фотоны, которые принадлежат другим вселенным. Они не существуют в нашей вселенной, но могут быть обнаружены в потоке фотонов. Это так называемая многомировая интерпретация квантовой механики. Эверетту эта теория обошлась расставанием с теоретической физикой. Хью Эверетт умер в 1982 году, став известным консультантом, аналитиком и миллионером.

Другой известный физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейман, участник американского атомного проекта и испытаний первой атомной бомбы, в 1982 году пошел дальше и предложил совершенно фантастическую идею — использовать многомировую интерпретацию Эверетта для создания вычислительных машин. С этой идеей Фейман свободно входит в десятку самых фантастических идей в физике, и имеет весьма неслабые шансы побороться за лидерство. Учитывая его заслуги в атомном проекте, и что он же впервые выдвинул идею манипулирования атомами, как предметами, чем положил начало нанотехнологии, можно сказать, что Фейман оказал огромное влияние на развитие науки и техники во второй половине ХХ века.

Итак, была выдвинута фантастическая идея — создать вычислительную машину, работающую с использованием параллельных вселенных. Однако, несмотря на всю фантастичность этой идеи, первые образцы квантовых вычислительных машин были созданы и испытаны.

Что такое устройство для произведения квантовых вычислений? Это устройство должно обладать способностью испускать отдельные, одинаковые кванты. Информация в двоичном коде, единица и ноль, передаются квантами. К счастью, такое устройство в технологии имеется — это лазер. Он испускает монохромное (одной длины волны), когерентное (одной частоты) излучение. Если описывать устройство квантового компьютера, его принципиальную схему, то это можно сделать так. Квантовый компьютер представляет собой соединение обычного компьютера с лазером. По специальной программе обычная электронно-вычислительная машина программирует излучение лазера. Это излучение отражается в системе зеркал, позволяющих проследить буквально за каждым квантом света, и считывается фотоэлементами, результаты чего обрабатываются в электронно-вычислительной машине. Это лишь грубое описание принципиальной схемы квантового компьютера, основанное на работе самых первых лабораторных образцов, и далекое от тонкостей и нюансов этой сложной машины в том виде, в каком она создается сейчас. Ученые вскоре перешли от классических опытов с лазером к исследованию управления субатомными частицами. Это оказался весьма продуктивный путь и почти все созданные к настоящему времени прототипы квантовых компьютеров основаны на управлении субатомными частицами некоторых элементов (ниобия, фосфора) с помощью магнитных полей, и измерению изменений магнитных полей, которые переводятся в результат счисления.

В чем физический смысл квантовых вычислений? К сожалению, в этом вопросе лучше всего разбирается лишь один человек — Дэвид Дойч, автор книги «Структура реальности», и передать точный смысл его теории довольно трудно. Но автор дал краткое определение принципу квантового счисления:

«Квантовое вычисление, которое сейчас находится в зачаточном состоянии, — качественно новый этап этого движения. Это будет первая технология, которая позволит выполнять полезные задачи при участии параллельных вселенных. Квантовый компьютер сможет распределить составляющие сложной задачи между множеством параллельных вселенных, а затем поделиться результатами».