Главные технологии для квантового компьютера:

1. Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определенной точке) либо направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние потенциалы или лазерным импульсом.

2. Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, сквиды и др.). В качестве логических кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определенной пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.

3. Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических кубитов используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы + колебательные моды ионного ансамбля.

4. Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или как элементы управления классическими вычислительными сетями.

Первые прототипы

Долгое время идея квантового компьютера считалась ненаучной фантастикой, пока в 1994 году Питер Шор из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для разбиения на простые множители (факторизации) больших чисел. В 1998 году в Калифорнийском университет Беркли под руководством доктора Айзека Чуанга был создан первый 2-кубитовый квантовый компьютер. Этот компьютер позволял реализовать четыре вычислительных потока.

В феврале 2007 года канадская компания D-Wave Systems представила первый работающий прототип квантового компьютера Orion. Презентация работающего в Ванкувере компьютера производилась в Силиконовой долине. Компьютер представлял собой 16-кубитовый кремниевый чип, состоящий из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности. Работа квантового компьютера основана на измерении магнитных полей и переводу их изменений, вызванных ниобием, в результат счисления. Этот компьютер функционирует при температуре - 273,15 град Цельсия и охлаждается жидким гелием.

«Созданная система имеет разрядность всего 16 кубитов, что не превышает возможностей компьютеров обычной архитектуры, но это еще только первый прототип, лишь демонстрирующий возможности будущего квантового компьютера. В будущем сотрудники компании будут работать над повышением мощности квантовых процессоров, которую уже в ближайшие несколько лет можно довести до 1000 квантовых разрядов. После чего у нас есть планы выпустить такие процессоры на коммерческий рынок», — заявил глава компании D-Wave Херб Мартин. 16-ти разрядный квантовый компьютер позволяет реализовать 65536 вычислительных потоков.

Работают над квантовыми компьютерами и в России. Институт теоретической физики им. Ландау РАН и Физико-технологический институт РАН проводят опыты с разной архитектурой квантовых компьютеров, с разными материалами.

«Разработка квантовых компьютеров — очень и очень трудная задача. Мы движемся сразу по нескольким направлениям исследований, разрабатываем разные архитектуры квантовых процессоров и смотрим, какие из них будут наиболее эффективными. Кроме того, мы следим и за творчеством коллег из—за океана. Так вот, та информация, что имеется, склоняет нас к мысли, что устройство, представленное D-Wave, не является полноценным квантовым компьютером. Канадцы поспешили объявить миру, что совершили революцию, но на деле это всего лишь преувеличение... По нашим предположениям, такой компьютер может появиться примерно к 2030 году. И пока рано рисовать радужные картины», — заявил директор Физико-технологического института РАН, академик Александр Орликовский.

Но нужно сказать, что пока нет четкого определения, что понимать под квантовыми компьютерами. Разные компании и институты называют так совершенно несхожие разработки. К примеру, IBM экспериментирует с субатомными частицами, в которых двоичный код соответствует разным направлениям вращения частицы. В силу законов квантовой механики на субатомном уровне, квантовый бит может иметь промежуточное состояние.

Институт теоретической физики им. Ландау экспериментирует с миниатюрными сверхпроводимыми кольцами, в которых двоичный код соответствует разным направлениям тока, — квантовыми регистрами, которые переключаются с помощью магнитного поля.

Это достаточно интересные разработки в области разработки нанопроцессоров, в которых используются принципы квантовой механики. Пока эксперименты не пошли дальше нескольких квантовых регистров. Американцы в 2000 году сумели создать рабочую структуру из 5 атомов.

Канадцы планируют закрепить успех и создать квантовые компьютеры с 512-кубитовой системой, а потом и 1024-кубитовой системой.