Современная электроника №7/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 29 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 вую поляризацию, а другой левую, то при изменении поляризации одного из них одновременно изменяется поляри- зация другого. Причём подобная взаи- мозависимость сохраняется независи- мо от расстояния между ними. Это один из парадоксов квантовой механики, тем не менее неоднократно подтверждён- ный экспериментально. Группа физиков из Университета Глазго разработала установку, в кото- рой поток запутанных фотонов из квантового источника света пропу- скался через систему специальных фильтров, изменявших фазы враще- ния (рис. 4). Регистратор отдельных фотонов срабатывал только тогда, ког- да на него попадали запутанные кванты света. В результате им удалось получить визуальную картину, демонстрирую- щую эффект запутанности парыфото- нов [36]. В квантовом компьютере для того, чтобы определить текущее состояние системы из N кубитов, нужно знать зна- чения вероятностей нахождения каж- дого из кубитов в крайнем состоянии. Например, два кубита могут быть в двух состояниях и содержать четыре бита информации. Три кубита дают 8 воз- можных состояний. Продолжая этот процесс, получим, что 4 кубита – 16 воз- можных состояний, а N кубитов содер- жат 2 N бит информации. Поскольку квантовый компьютер работает не c самими конечными состояниями ноль или единица, а веро- ятностями их появления, то в принци- пе возникает возможность обрабаты- вать все возможные состояния как бы параллельно, что является существен- ным преимуществом квантового ком- пьютера над обычными компьютера- ми КДЛ. Однако нужно чётко понимать, что преимущество квантового компью- тера перед обычным компьютером КДЛ заключается не в скорости выполне- ния операций, а в объёме обрабатыва- емых одновременно данных при реше- нии только определённого круга задач. Поэтому квантовый компьютер никог- да не заменит классический компью- тер КДЛ, и наоборот. Просто у них изна- чально разные задачи. Ещё раз следует подчеркнуть, что квантовый компьютер – это не каль- кулятор, и он не может точно решить, например, такую задачу: найти Y, если Y 2 = 4. В отличие от классического ком- пьютера КБЛ, который мгновенно отве- тит, что Y = 2, квантовый компьютер после долгих и мучительных поисков, перебирая различные варианты, ска- жет, что с вероятностью 99% Y = 2, но есть вариант, что с вероятностью 1% Y = 5. Квантовый компьютер использу- ется только для моделирования некото- рых процессов, для которых существу- ют конкретные квантовые алгоритмы, разработанные под конкретный кван- товый компьютер, имеющий опре- делённую структуру и определённый набор квантовых вентилей. При этом ответ будет получен не абсолютно точ- но, а с некоторой вероятностью. Например, существует один из про- стейших квантовых алгоритмов Изин- га, предназначенный для описания модели намагничивания материалов. Идея модели Изинга заключается в том, что все магнитные моменты развора- чиваются под действием сильного маг- нитного поля в определённом направ- лении. После снятия магнитного поля система переходит в наименьшее энер- гетическое состояние, которое и явля- ется вероятностным результатом моде- ли. Точного аналитического решения в общем случае эта задача не имеет. Однако она может быть решена с помо- щью стандартного компьютера КДЛ статистическими методами в двумер- ном варианте. В работе [37] было пока- зано, что одномерную модель Изинга также можно успешно задействовать в квантовых вычислениях с помощью квантового алгоритма Изинга. Посте- пенно выяснилось, что к квантовому алгоритму Изинга можно формально свести и другие задачи в таких приклад- ных областях, как, например, модели- рование молекул, различных физиче- ских явлений, процессов в твёрдом теле и т.д. Таким образом, можно применять квантовые вычисления для решения определённого класса задач, исполь- зуя разработанные и проверенные алгоритмы [38]. На рис. 5 [39] показана структурная схема универсального цифрового кван- тового компьютера с вентильной обра- боткой (UDGQC). Квантовый чипсет небольших раз- меров содержит: квантовый регистр, состоящий из вычислительных куби- тов; квантовые вентили; интерфейс для снятия показаний состояния кубитов. Управляется квантовый чипсет внеш- ней стандартной электроникой. По аналогии с обычным компьюте- ром КДЛ, управление универсальным квантовым компьютером реализуется с помощью логических вентилей, позво- ляющих выполнять простейшие опе- рации над одним или двумя кубитами. В литературе встречается также назва- ние «квантовый гейт», являющееся каль- кой с английского термина «quantum gate», который дословно переводится как «квантовый вентиль». Логические квантовые вентили, кото- рые используются в квантовых вычис- лениях, имеют иные цели, чем те, кото- рые используются в классических КДЛ. Квантовые логические вентили работа- ют как квантовые операторы. Являясь, по существу, унитарными матрицами, они преобразуют одни текущие веро- ятностные состояния кубитов в другие состояния с другими вероятностями. Иными словами, квантовые вентили – это базовые управляющие элементы, манипулирующие кубитами в кванто- вом компьютере. В квантовых компьютерах нет того привычного регистра, как в классиче- Рис. 5. Структурная схема универсального цифрового квантового компьютера с вентильной обработкой