Ученые пытаются построить квантовый компьютер, не до конца понимая, что такое квантовый бит. Так называемый – кубит.

У всех видов памяти от триггера, построенного на лампах, до мельчайшей микросхемы есть один обязательный элемент: конденсатор иначе емкость. Так вот, эта самая емкость и хранит информацию, то есть бит – 0 или 1. Как это происходит? В емкости скапливается определенное количество электронов, создающих определенный потенциал. Если потенциал определенной величины присутствует, то мы говорим, что ячейка памяти хранит 1. Если же потенциал отсутствует или он не должной величины, то мы говорим, что ячейка хранит 0. Величина потенциала зависит от количества электронов в этой емкости, как количество воды в стакане зависит от количества молекул воды в нем.

Современная техника позволяет изготавливать емкости размеров до 10^-13мм, а может быть и меньше. Значит, в этих емкостях можно хранить сотни или даже десятки тысяч электронов. Все, уменьшая и уменьшая нарезку (емкости как-то вырезаются на пластинках из соответствующего материала или напротив напыляются соответствующие вещества на подложки), мы можем дойти до размера емкости, хранящей всего один электрон. Тогда если в емкости один электрон то это – 1, если электрон отсутствует то это – 0. В современных видах памяти на емкости хранятся сотни, или возможно десятки тысяч электронов.

Дальше абсолютно минимизировать память можно только, уменьшая размеры электрона, чего нельзя делать по объективным причинам, но можно минимизировать ее относительно, то есть увеличивать на несколько процентов размер памяти, а ее емкость увеличивать на больший процент. Для этого следует электроны пронумеровать или как-то пометить, тогда два электрона в одной емкости увеличат память в четыре раза, а ее размеры увеличатся всего в два раза. Три нумерованных электрона увеличат размер памяти в три раза, а объем памяти увеличится в восемь раз и т.д. Таким образом, мы увеличиваем объем памяти, но все же растут и размеры памяти, хотя и не такими темпами, как объем памяти.

Стремление уменьшить размеры памяти и остальных узлов компьютера диктуется не столько потребностью уменьшить габариты устройства и, соответственно, уменьшения его материалоемкости. Главным мотивом минимизации компьютера является его быстродействие. Чем короче пути распространения сигналов, тем меньшие их индуктивности и емкости, и, следовательно, тем быстрее работает компьютер.

Кроме минимизации размеров, ученые ринулись по различным другим путям увеличения мощностей компьютеров.

Одним из таких путей является увеличение скорости движения сигнала.

Например, группа в Сколково, о ней рассказала приглашенная на эту работу Наталья Берлова декан Сколковского университета науки и технологий, пытается увеличить скорость распространения частиц путем скрещивания их с фотонами. Очевидно, они полагают, что в современных компьютерах сигналы информации передаются электронами, которые движутся по проводникам медленно и для увеличения их скорости их следует объединить с быстрыми фотонами. Наверное, в этом университете не понимают что такое ток проводимости и ток смещения. Долго придется ждать нового компьютера.

Другой путь увеличения быстродействия компьютера строится на принципе телепортации. В журнале “Наука” №39-2002 в статье “Квантовая телепортация” говорится:

“Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами - электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более стабильной. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды”.
Да, успехи в чем-то да есть. Но нам хотелось бы знать по конкретней, что же такое фотон. Мы, например, поляризацию одного из запутанных фотонов можем измерить простым поляроидом. Во время измерения второй фотон должен приобрести противоположную поляризацию. Отрицать наличие поляризации фотона вообще как-то нелепо. Фотон без объективно существующей поляризации не может жить. Поляризация электрического и магнитного полей в фотоне подтверждается опытом. Не может же так быть, что фотон существует без поляризации, а когда мы пропускаем парный ему фотон через регистрирующую систему, то у нашего фотона появляется поляризация. Слишком это мудрено. Но допустим, что это так. Тогда возникает вопрос: а за какое время у нашего фотона появится поляризация?  Тоже мгновенно или будет какой-то переходный временной период? Какое время пройдет с того момента когда наш измеритель (Алиса) начнет контакт с фотоном и до момента, когда наш приемник (Боб) обнаружит поляризацию своего фотона? Никто об этом даже и не задумывается. А возможно будет так, что время переходных процессов будет значительно больше времени распространения света от передатчика до приемника, так что нам нулевое время распространения телепортационного процесса будет не так важно. Мы сейчас точно знаем, что существует возможность сделать при помощи обычного распространения света так, чтобы информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды. Если добьемся здесь устойчивых результатов, тогда можно запутывать частицы.

Но убивает наповал в данной статье Науки такое размышление:

Если же к квантовому копированию подходить строго, то рождение клона должно сопровождаться уничтожением исходника. А это и есть телепортация.

Это означает только то, что на квантовом компьютере, основанном на телепортации, можно ставить крест. Действительно, что это за память, которая исчезает после первого съема с нее информации. 

Это какой-то промежуточный регистр. С него сняли информацию и он готов к приему другой информации. Память должна хранить информацию и позволять считывать эту же информацию множество раз. В природе не существует телепортационной памяти.  В нашем мозгу электроны белков хранят некоторую информацию с детства. Мы можем вспоминать давнишние события множество раз, и никакогоуничтожения исходника  из-за воспоминаний не происходит. Если мы будем биться над построением телепортационного компьютера и не пытаться его построить безо всякого запутывания, то истратим впустую много средств, и толку не будет. И даже если мы его и построим, то выгода будет сомнительной.

Вычислительная мощность компьютера зависит от скорости распространения сигнала, но не так сильно как от основания, с которым работает компьютер. Наши почти все компьютеры работают с двоичной системой исчисления. Одна ячейка памяти может хранить только два значения: 0 или 1. В троичной системе одна ячейка может хранить три значения: 0, 1 и 2. В десятичной системе – десять значений и т.д. В десятичной системе компьютер работает быстрее, чем в двоичной системе.  При сложении чисел, пока не произойдет сложения младшего разряда, следующий разряд должен выжидать результата сложения.  Чем длиннее операнды, тем дольше время ожидания. Конечно, это можно до некоторой степени минимизировать, например, надстройки этажей суммирования переносов или еще какими-нибудь ухищрениями. Но всему есть предел и, конечно, такие же ухищрения можно применять во всех компьютерах. А в пределах основания вообще нет переносов. В десятичной системе операция три плюс три выполнится за один такт, а в двоичной на эту операцию потребуется два такта.

В электроне хранится 10⁴¹ квантов, из которых формируются при излучении фотоны различной энергии: от одного кванта (нейтрино) до фотона, содержащего все  10⁴¹ кванта. Последнее происходит при аннигиляции. В этом процессе электрон полностью разворачивается из частицы в электромагнитную форму. Вот теоретически такое основание может быть у квантового компьютера.  

В действительности даже наш мозг, работающий с фотонами, со всем спектром этих фотонов не работает. Фотоны, с которыми работает мозг человека, находятся в пределах горба кривой излучения абсолютно черного тела. Но и в этих пределах ширина спектра очень большая. Например, Вы нашли доллар. Во-первых, это на некоторое время запомнится и, возможно, принесет хоть чуть радости.  Нашли сто долларов – радость больше. Десять тысяч выиграли – можно плясать и т.д. Каждой степени радости соответствует соответствующее квантовое состояние мозга (см. “Что такое душа”). Каждый доллар производит изменения в состоянии “хорошо”, хотя этого иногда мы можем не чувствовать. Это видно на таком примере. Предположим, что крайне необходимо некоторое лекарство стоимостью 1001 долларов. Человек обладает только 1000 долларов, и он не может купить это лекарство и достать необходимый доллар сложно. Но когда он все-таки находит этот доллар, энергетическое состояние мозга изменяется чувствительным образом.

Также изменяется квантовое состояние мозга и в сторону “плохо”. Потерю одного доллара можно и не заметить. Потерянные десять долларов могут вызвать легкую досаду, если они не входили в сумму для покупки вышеуказанного лекарства. Украденная тысяча может нарушить семейный бюджет и т.д.

Вот это количество потерянных и приобретенных долларов примерно и есть основание, с которым работает наш мозг.

Все это теоретические предпосылки, на которые маститые ученые не будут обращать внимания, а альтернативщики напрочь отвергать.

Попытаемся найти хоть какой-нибудь путь, по которому, по мнению автора, нужно следовать, чтобы построить квантовый компьютер. Материалов по практическому плану построения квантового компьютера очень мало. Действительно как на практике применить скрещенные гибриды частиц и фотонов или явление телепортации в строительстве компьютера. Это довольно сложная проблема. С обычным фотоном все выглядит несколько проще.

Для начала надо разбить задачу на два этапа.

1. Строить квантовый компьютер с двоичным основанием.
2. Строить квантовый компьютер с произвольным основанием.

Для компьютера с двоичным основанием уже есть некоторые наработки. Чтобы были более понятные положения этого материала, следует ознакомиться со статьей С. Ароша “Управление фотонами в ящике и изучение границы между квантовым и классическим”. Статья напечатана в журнале “Успехи физических наук” том 184, №10 октябрь 2014 г. Как видите статья свежая.

При строительстве квантового компьютера с двоичным основанием будет использоваться один тип фотона, то есть фотон одной энергии. Это первая проблема. Следует выбрать фотон, который легко генерировать, который легко взаимодействует с частицами. Возможно, это фотон с верхушки горба кривой излучения абсолютно черного тела. Серию таких фотонов получить легко, но как выделить один фотон из этого излучения пока не понятно.  Далее следует выбрать соответствующие атомы, с элементами, которого, будет взаимодействовать наш фотон. Здесь снова пути построения раздваиваются. Один из них просматривается в практике Ароша.

Набираем ряд фотонных ящиков, например, байт. Инжектируем в соответствующие разряды фотоны. Есть фотон в ящике – 1, в противном случае – 0. Теперь задача состоит в том, чтобы сосчитать эту информацию. Эту задачу отчасти и решил Арош. Для этого через ящики необходимо пропустить атомы, которые могут изменить свое состояние в зависимости от того есть в ящике фотон или нет. Естественно не каждый атом может изменить свое состояние под воздействием данного фотона, поэтому выбираются так называемые ридбергсковые атомы. Эти атомы рукотворные, точнее их состояние. Выбирают требуемый атом (Арош говорит о рубидии) и, обрабатывая его определенным излучением, переводят его в состояние близкое к ионизации. В фотонном ящике атом ионизируется. Детектор обнаруживает этот атом, и мы заключаем, что в таком-то ящике хранилась 1. Так мы сосчитали байт. Конечно на практике все это сложнее, чем в теории, но все-таки над чем-то можно работать. Правда, это еще не элементы квантового компьютера. Практически фотонный ящик почти тот же конденсатор, как в обычном компьютере. Мы просто электрон заменили фотоном.

Возможен и другой путь построения полностью квантового компьютера. Для этого надо набрать цепочку атомов, из которых приготавливаются ридбергсковые состояния. Тот же байт. Если разряд байта должен содержать 1 запускается возбуждающая система этого разряда и атом переходит в ридбергсковое состояние. Теперь можно пропустить фотон через весь байт, и мы обнаружим возбужденные атомы. Теоретически и практически фотон может ретранслироваться множество раз без ущерба для себя. Это и показывает Арош. У него фотон воздействует на атом находящийся в суперпозиции, где принцип неопределенности Гейзенберга не приводит к критической ситуации разрушения чего-либо. Это становится более понятным, если просмотреть статьи “Спонтанное излучение” и ”Вынужденное излучение”. Но есть и на этом пути сложности. Как направить фотон от атома к атому байта? В теории эта проблема решается напылением атомов с учетом коэффициента преломления этих атомов (см. “Дисперсия в квантовом представлении”).  Теперь надо решить проблему фиксации состояния атомов байта. Здесь возможны два пути для ее решения.

1. Возможно, как предложено в статье С. Ароша, фиксировать ионизацию ридбергсковых атомов.
2. Пытаться регистрировать выбитый из атома фотон или электрон, потеря которого, привела к ионизации.

Выбитый фотон можно обрабатывать так же, как и в широко исследованном фотоэффекте. А выбитый фотон – это обменный фотон и с ним можно работать как с фотоном мазера или лазера. На первый взгляд с лазерным вариантом проще. На какой-нибудь подложке выложить, как было указано выше, цепочку байта из атомов и против каждого атома можно попытаться напылить микро резонаторы, если нам надо вывести эти данные на макроуровень. Если эти фотоны, как считанная информация, должны поступать на обработку, то следует проложить каналы распространения фотонов до регистров вычислителя. Это тоже можно сделать, опираясь на процесс дисперсии.

Вычислитель автоматически создала природа. Это все тот же электрон. Выбираем требуемый атом и подводим к нему каналы связи от двух регистров. Сумма двух фотонов будет зафиксирована в новом состоянии электрона. Так как мы проектируем компьютер с двоичной основой, то обменные фотоны, считанные из регистров должны быть такими, что поодиночке они переводят электрон сумматора в ридбергсковое состояние, а сумму фотонов электрон этого атома не должен чувствовать. Для этого должен быть другой атом, который будет фиксировать своим ридбергсковым состоянием данную сумму.  Это алгоритм работы обычного вычислителя, просто конденсатор мы заменили электроном, а электрон заменили фотоном. Но этого мало для понимания отличия работы обычного и квантового компьютеров.

Мы знаем, что все другие операторы математики в обычном компьютере сводятся к оператору сложения. И это не случайно. Так происходит, потому что объективно в природе других операторов просто не существует. Даже вычисление и то сводится к сложению. В обычном компьютере вычитаемый операнд превращается в дополнительный или обратный код и затем складывается с операндом, из которого вычитается. Для инвертирования операнда в обычном компьютере существуют соответствующие элементы. В природе есть, как положительные (условно) числа, так и отрицательные. Это левая и правая ориентации фотонов. Воздействие таких противоположных на электрон переведет его в состояние соответствующее разности энергий фотонов, то есть произойдет вычитание. И тут нам придется решать задачу инвертирования фотонов. Для этой цели в природе (вернее так получилось в природе) существует явление хиральности. С ним мы сталкивались (головная боль для ученых, пытающиеся синтезировать живую ДНК) в молекулярной биологии. Наш мозг работает с обеими поляризациями фотонов. Мы видим предметы в любом свете, а где они формируются вовне или в мозгу – неизвестно. Наличие хиральных аминокислот косвенно говорит, что хиральность в белках какую-то роль играет. Очевидно, и нам при построении квантового компьютера придется так или иначе с хиральностью работать.

После того, как мы научимся работать с одним атомом и одним фотоном, можно будет делать следующий шаг в усовершенствовании квантового компьютера. А именно. Надо научиться устанавливать атом не в одно ридбергсковое состояние, а на первом шаге хотя бы в два. Так мы перейдем к троичной системе исчисления. Если нам удастся получить какой-то алгоритм такой установки, то будет возможно это распространить на высшие системы исчисления. Сначала это можно попытаться делать различными видами излучения. Наличие перестраиваемых лазеров подсказывает, что это возможно. Естественно, что полное решение проблемы квантового компьютера произойдет тогда, когда все установки будут происходить под управлением своего фотона. В живой природе и в обычных компьютерах все так и осуществляется. Но это архисложная задача. Может быть, для ее решения следует более внимательней изучить белковые структуры мозга. Именно там находятся все регистры, вычислители, память и все остальное.

И, наконец, вообще фантастическая мечта. Когда мы построим такие компьютеры, то это, по сути, будут нейроны, то нам останется только построить широкополосный интерфейс между всеми нейронами. А это не что иное, как синапсы и нервные провода.  

В вышеуказанной статье говорится:

“После создания надежных методов квантовой телепортации возникнут реальные предпосылки для создания квантовых вычислительных систем”. 

Думается, что пока при постройке квантовых вычислительных систем можно обойтись без явлений квантовой телепортации. Но создавать эти методы все же необходимо, и вот по какой причине. Фотоны и кванты движутся самостоятельно со своей природной скоростью. Но если сборный объект движется со своей скоростью, то некоторые его элементы движутся со скоростью большей, чем скорость объекта. Как бы не двигался человек, автомобиль, ракета или что угодно, в них есть элементы, которые обязаны превышать ихнюю скорость. У человека это, например, ноги. Когда одна нога стоит, то другая движется с удвоенной скоростью. Верхняя точка колеса автомобиля всегда движется с удвоенной скоростью всего автомобиля. Скорость частиц истекающего газа из сопла ракеты вообще может быть много больше скорости ракеты. Точно тоже происходит и с квантом. Он состоит из магнитного и электрического полей. И не смотря на то, что весь квант движется со скоростью света, составляющие его поля должны двигаться быстрее скорости света.

Возможно, что фиксация этих полей в опытах и была принята за скорость движения кванта. В принципе это можно попытаться проверить экспериментом, как предложено в статье “Что такое гравитация” (Часть 3).