Современная электроника №8/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 Зачем нужны квантовые вычисления? Часть 2. Основные этапы развития квантовых компьютеров с вентильной обработкой Во второй части статьи рассматриваются основные этапы развития квантовых компьютеров с вентильной обработкой от формирования первых квантовых алгоритмов до современности. Проводится обзор различных существующих квантовых компьютеров. Виктор Алексеев (victor.alexeev@gmail.com ) В 1992 г. был окончательно сформу- лирован квантовый алгоритм, пред- ложенный Дэвидом Дойчем совмест- но с Ричардом Йожи (Richard Jozsa), ставший одним из первых квантовых алгоритмов, основанных на явлении квантовой запутанности и принципе суперпозиции. Этот алгоритм, получив- ший название «Дойч–Джозса», в различ- ных модификациях используется и в современных моделях QC [1]. На стартовом этапе развития техно- логии квантовых компьютеров (CQC) были разработаны образцы кубитов и доказана принципиальная возмож- ность реализации квантовых вычис- лений. Американский математик ПитерШор (Peter Shor) в 1994 году разработал уни- кальный полиномиальный алгоритм разложения больших чисел на мно- жители для квантового компьютера. Позднее он продемонстрировал воз- можность проведения сложных вычис- лений с помощью квантового компью- тера при наличии слабой декогеренции и использования квантовой алгоритми- ческой коррекции ошибок [2]. Теорети- чески алгоритм Шора для квантовых компьютеров может быть использован для взлома шифров. Однако, например, чтобы взломать протокол RSA-1024, нужно разложить на простые мно- жители число 2 1024 . Мощному совре- менному компьютеру, классическому КДЛ, потребуются сотни лет непрерыв- ной работы, чтобы решить эту задачу с использованием существующих мате- матических средств. Алгоритм Шора, который может быть использован для решения задач факторинга, обеспе- чивает экспоненциальное ускорение процесса разложения больших чисел на простые множители по сравнению с классическими алгоритмами бинарной логики. Тем не менее для взлома прото- кола шифрования RSA-1024 в режиме реального времени понадобится уни- версальный квантовый программиру- емый вентильный квантовый компью- тер с квантовой коррекцией ошибок вычислений, содержащий сотни тысяч кубитов. По оценкам специалистов, соз- дание такого компьютера невозможно, по крайней мере, в ближайшее десяти- летие [3]. В 1996 Лов Гровер (Lov Grover) пред- ложил квантовый алгоритм, который сейчас известен как «алгоритм Грове- ра». Этот алгоритм позволяет кванто- вому компьютеру выполнять поиск в несортированной базе данных с гораз- до большей скоростью, чем классиче- ский компьютер [4]. Теоретические работыШора, Грове- ра, Дойча и многих других их последо- вателей естественно вызвали взрывной интерес к тематике квантовых компью- теров. Поскольку для компьютеров КДЛ подобные алгоритмы разложения были неизвестны, сообщения в серьёзных научных изданиях о том, что UDQGC может взломать любой код, стало явной сенсацией. Таким образом, в конце 90-х зна- чительно вырос интерес к проблеме квантовых компьютеров. К этому вре- мени окончательно были сформули- рованы основные принципы работы цифрового квантового компьютера с вентильной обработкой «Universal Digital Gate Quantum Computer (UDGQC)». Имеет смысл пояснить название UDGQC, которое отличает этот тип от всех других квантовых вычислителей: ● универсальный – способность адре- совать и измерять состояние каждо- го кубита по отдельности, а также решать широкий круг прикладных задач; ● вентильный – управление кубитами реализуется с помощью набора уни- версальных вентилей; ● цифровой – управление и програм- мирование управляющих вентилей осуществляется дискретно через внешний цифровой интерфейс; ● квантовый – в качестве информаци- онных носителей используются кван- товые биты – кубиты; ● компьютер – один из вариантов пе- ревода на русский язык английско- го термина «computer», как наиболее близкий в философском плане поня- тию классического компьютера. Первый квантовый компьютер на основе ЯМР с двумя кубитами в 1998 г. создали американские физики Исаак Чуанг (Isaac Chuang), Нил Гер- шенфельд (Neil Gershenfeld) и Марк Кубинец (Mark Kubinec). Работа пер- вого квантового компьютера основы- валась на эффекте ядерно-магнитного резонанса (NMR), при котором кубиты кодировались во внешнем магнитном поле. При этом логические операции совершались не над отдельными атома- ми и ионами, а над совокупностью всех молекул в водном растворе хлорофор- ма (CHCl 3 ) при комнатной температуре. Ориентированный с помощью внеш- него поля спин изотопа углерода С-13 в молекуле хлороформа можно было интерпретировать как 1, а антипарал- лельный спин — как 0. Ядра водорода и углерод-13 можно было рассматри- вать вместе как 2-кубитную систему. В дополнение к внешнему магнитно- му полю применялись радиочастот- ные импульсы, заставлявшие спино- вые состояния «переворачиваться», тем самым создавая наложенные параллельные и антипараллельные состояния. Кроме того, высокочастот- ное излучение было использовано для выполнения простого вычислительно- го алгоритма и проверки конечного состояния системы. Время когерентно- сти кубитов этого первого компьюте- ра составляло всего несколько нано- секунд. В 1997 году Давид Ди Винченцо (David P. DiVincenzo) сформулировал