Квантовые компьютеры и телепортация

Такие философские дискуссии могут показаться безнадежной со-
фистикой, без малейшей возможности практического применения
в нашем мире. Только вместо того, чтобы спорить о том, сколько ан-
гелов может танцевать на кончике иглы, квантовые физики, кажется,
обсуждают то, в скольких местах одновременно может находиться
электрон.

Однако это не праздные измышления ученых в башне из слоно-
вой кости. Когда-нибудь эти идеи могут найти самое что ни на есть
практическое применение — стать двигателем мировой экономики.
Когда-нибудь богатство всех наций может оказаться зависимым от
тонкостей проблемы кота Шрёдингера. К тому времени, возможно,
наши компьютеры уже будут производить расчеты в параллельных
вселенных. Сегодня почти вся компьютерная инфраструктура бази-
руется на силиконовых транзисторах. Закон Мура, который гласит,
что компьютерная мощность удваивается каждые полтора года,
на данный момент верен потому, что мы можем всаживать в сили-
коновые чипы все меньшие и меньшие транзисторы при помощи
ультрафиолетовых лучей. Хотя закон Мура продолжает потрясать
технологический пейзаж, его действие не может длиться вечно.
В самом современном чипе Пентиум используется слой в 20 атомов.
В течение 15-20 лет ученые смогут задействовать слои, возможно,
в 5 атомов. На таких неимоверно малых расстояниях нам придется
уйти от Ньютона и руководствоваться принципами квантовой ме-
ханики, где вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга.

В результате мы больше не будем знать, где находится электрон. Это
означает, что будут происходить короткие замыкания в тот момент,
когда электроны будут выскакивать из непроводников и полупрово-
дников, вместо того чтобы оставаться внутри них.

Когда-нибудь возможности электроники, основанной на кремнии,
исчерпаются. И это возвестит приход квантовой эры. Силиконовая
долина может прийти в упадок. Когда-нибудь нам, возможно, при-
дется считать на самих атомах, что приведет к полному изменению
архитектуры компьютера. Сегодня компьютеры основаны на двоич-
ной системе исчисления — любое число представляется нулями и
единицами. У атомов же спин может быть направлен вверх, вниз или
в стороны одновременно. На смену компьютерным битам (нулям и
единицам) могут прийти «кубиты» (любое число между единицей и
нулем), что сделает вычисления с помощью квантовых компьютеров
намного более продуктивными, чем при помощи обычных компью-
теров.

Для примера, квантовый компьютер мог бы потрясти самое осно-
вание международной безопасности. Сегодня большие банки, транс-
национальные корпорации и индустриальные страны кодируют свои
секретные данные при помощи сложных компьютерных алгоритмов.
Многие секретные коды построены на разложении на множители
огромных чисел. Современному компьютеру понадобились бы века
для того, чтобы разложить на множители, скажем, стозначное число.
Но для квантового компьютера такие вычисления не представляют
никакой сложности, а потому при помощи квантового компьютера
можно с легкостью взломать любые секретные коды в мире.

Чтобы представить себе, каким образом функционирует кванто-
вый компьютер, давайте скажем, что мы выстроим в ряд несколько
атомов, спины которых однонаправлены в магнитном поле. Затем мы
просвечиваем ихлазером таким образом, что многие из спинов пере-
вернутся в момент, когда лазерный луч отразится от атомов. Измерив
отраженный свет лазера, мы записываем сложную математическую
операцию — рассеивание света атомами. Если мы рассчитаем этот
процесс, используя квантовую теорию, вслед за Фейнманом мы долж-
ны сложить все возможные положения атомов, вращающихся во всех
возможных направлениях. Даже простой квантовый подсчет, для
которого потребовались бы доли секунды, на обычном компьютере

выполнить практически невозможно, вне зависимости от того, сколь-
ко времени для этого будет отведено.

В принципе, как подчеркнул Дэвид Дойч из Оксфорда, это озна-
чает, что, когда мы начнем пользоваться квантовыми компьютерами,
нам придется складывать все возможные параллельные вселенные.
Хотя мы не можем вступить в прямой контакт с этими другими все-
ленными, атомный компьютер мог бы их вычислить при помощи по-
ложений спинов в параллельных вселенных. (Хотя мы не когерентны
с другими вселенными в нашей гостиной, атомы квантового компью-
тера по своей конструкции когерентно вибрируют в унисон.)

Хотя потенциал квантовых компьютеров поистине ошеломля-
ет, на практике масштабы возникающих проблем столь же велики.
В настоящий момент мировой рекорд по числу атомов, использую-
щихся в квантовом компьютере, равен семи. В лучшем случае на этом
квантовом компьютере мы можем умножить три на пять и получить
пятнадцать, что вряд ли произведет большое впечатление. Чтобы
квантовый компьютер стал сравним по мощности со стандартным
современным лэптопом, необходимы сотни, а возможно, и миллионы
атомов, вибрирующих когерентно. Поскольку столкновение даже с
одной-единственной молекулой воздуха может стать причиной того,
что атомы компьютера декогерируют, необходимы чрезвычайно сте-
рильные условия для изоляции атомов от воздействия окружающей
среды. (Чтобы сконструировать квантовый компьютер, по скорости
превосходящий современные компьютеры, понадобятся тысячи, а то
и миллионы атомов, а потому от реальных квантовых компьютеров
нас отделяют, по меньшей мере, десятилетия.)