Размышления о думающих машинах. Тьюринг. Компьютерное исчисление

Полезность квантовой запутанности в системах шифрования с военными или коммерческими целями очевидна, так как если два человека совместно владеют запутанными объектами, несанкционированное вмешательство в систему третьего лица изменит один из двух объектов и таким образом выдаст присутствие постороннего. Сегодня ведутся исследования в системах этого класса с использованием поляризованного света, волны которого совершают колебания в одной плоскости, при этом считается, что горизонтальные колебания соответствуют состоянию 0, а вертикальные — состоянию 1. Таким образом, в квантовом компьютере кубит может находиться в состояниях |0, |1, состоянии суперпозиции между |0 и |1 или может быть запутанным с другим кубитом, и это позволяет преодолеть ограничения универсальной машины Тьюринга, или, если угодно, компьютера.

Наконец, если комплектующие компьютера используют вентили И, ИЛИ и другие, в квантовом компьютере используются квантовые вентили, оперирующие кубитами, и их операции имеют реверсивный характер. Например, при использовании вентиля ИЛИ в обычном компьютере, если выход равен 1, выполненная операция не реверсивна. Это означает, что невозможно установить, какими были входные данные: 0 или 1,1 или 0,1 или 1. Кроме того, класс операций с кубитами, которые может совершать квантовый компьютер, выше, чем класс операций с битами, так как состояния, в которых может находиться кубит, могут быть представлены как вектор в сфере, называемой сферой Блоха (схема 4). Программа blochsphere симулирует один кубит, а также операции, которые можно с ним выполнить.

Кроме логических операторов булевой алгебры (И, ИЛИ и другие), возможны другие операции с кубитами, определяющие вращение вектора по осям X, Y, Z сферы Блоха. Эти операции являются результатом применения так называемых квантовых вентилей, то есть квантовых цепей, производящих операцию над одним или несколькими кубитами. Например, вентили Паули и Адамара позволяют совершать вращения. Необходимо помнить, что хотя кубит представлен в сфере Блоха как вектор, на самом деле квантовые операторы представляют матрицы, которые при умножении на вектор-кубит дают новый вектор — измененный кубит. Вот простой пример оператора Паули класса х с матрицей

При применении ее к кубиту произойдет вращение сферы Блоха по оси Х и изменение |0 на |1 и |1 на |0. Это эквивалентно оператору НЕ на обычном компьютере. Вентиль Адамара представляет особый случай: вращение вектора происходит одновременно по осям X и Z:

Другие операторы, такие как контролируемое отрицание (CNOT), swap, вентиль Тоффоли, позволяют выполнять контролируемые операции с двумя или тремя кубитами.

РИС. 4

Сфера Блоха. Кубит представлен вектором |. Состояния |0 и |1 находятся на севере и юге сферы, в остальных частях сферы — состояния суперпозиции.

РИС. 5

Еще одной особенностью квантового компьютера является то, что операции выполняются параллельно, то есть одновременно по разным линиям, например по линиям L1 и L2, комплектующие квантового компьютера предусматривают соединение одного за другим квантовых вентилей (U; рисунок 5).

В 2011 году канадская фирма D-Wave Systems объявила о старте продаж первого коммерческого квантового компьютера под названием D-Wave One. По заверениям фирмы, компьютер обладал микропроцессором на 128 кубит. В том же году команда исследователей из США, Китая и Японии объявила, что такой класс компьютеров может быть построен в соответствии с моделью архитектуры фон Неймана. В 2012 году IBM также сообщила, что сделаны значительные успехи в создании машины с такими характеристиками. Больше чем через полвека повторяется сценарий, имевший место с ENI АС, Colossus и другими компьютерами. Однако это не совсем верно, так как строительство квантового компьютера является настолько сложным проектом, что разные страны объединили усилия, создав многонациональные команды и оставив в прошлом межнациональное соперничество. Ожидается, что квантовый компьютер найдет применение не только в криптографии: с его помощью станет возможным более реалистическое моделирование, например воздействия медикаментов на человека, а также выполнение расчетов в физике, химии, астрономии и решение масштабных математических задач, таких как факторизация больших чисел.

Скорее из любопытства ученые уже создали квантовые версии игры «Жизнь» Конвея. Также в последнее время были предложены различные модели искусственных нейронных цепей, в которых нейроны симулируются квантовыми операторами, что открывает путь для дальнейших исследований в области квантового искусственного интеллекта. Еще одним применением квантового компьютера может стать генерация истинно случайных чисел, которые будут не псевдослучайными, а будто бы вытащенными из лотерейного барабана. Уже сегодня интернет дает возможность получить случайные числа с помощью квантовых феноменов (см. www.randomnumbers. info).

ЭМУЛЯЦИЯ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА