Путь строительства квантового компьютера.

Попыток строить квантовый компьютер много, но все они строятся на различных элементах, которые представляются квантами различных химических элементов или даже схемами.

Например, на джозефсоновских переходах. Я попытаюсь предложить практические шаги строительства квантового компьютера на кванте, точнее фотоне, энергии.

Это довольно сложная штука. Нам придется научится отличать один фотон от другого, потому что каждый фотон будет представлять какую-то одну цифру основания нашего исчисления. Надо будет научится генерировать конкретные фотоны (цифры). Считывать (излучать) эти фотоны с соответствующих электронов в атомах и канализировать их в требуемых направлениях. И, наверное, понять еще много чего, если хотим, чтобы наш паровоз поехал, а не только свистел.

Конечно, если вы приняли фотон как электромагнитную волну без определенной амплитуды, без определения ее длины и объема, а только с определенной частотой, то это нечто не понятное. Квантов энергии может быть сколько угодно. Для каждой частоты существует свой квант. Понятие квант лишается своего содержания. 

В природе не существует одномерных объектов. Это игла без толщины и ширины. Она очень и очень тонкая, и будет проходить через все вещества, не взаимодействуя с ними. Такой объект ничто не сможет ни поглотить, ни отразить, да и неизвестно как его генерировать. Когда фотон представлен объемом в виде вихрей, то он может взаимодействовать с веществом.

Если мы поняли сущность фотона, то первым шагом надо научится его производить. Бессознательно человечество уже давно научилось генерировать фотоны. Это простейший костер: он излучал фотоны видимого спектра, теплового спектра и некоторые другие спектры. В позапрошлом веке Роберт Бунзен генерировал фотоны различной энергии при помощи своей горелки и различных химических элементов. Но что это были фотоны никто толком не знал до времени Планка и Эйнштейна. Раньше считали, что это непрерывное излучение, пока Планк не разбил эту непрерывную синусоиду на кусочки, представляемые как кванты. Энергия этих кусочков зависела от частоты колебания этой синусоиды и ничего не говорилось об ее амплитуде и количестве колебаний в этом кванте. Величина энергии никак не может зависеть от частоты. Обычную частоту в 50 герц, можно преобразовать в любую частоту той же амплитуды хоть в 5000 герц. Но энергия этой сети не увеличится в 100 раз или даже 2 раза. А вот от амплитуды и общей длины этих частот энергия зависит пропорционально этим величинам. Вот это и надо выяснить, чтобы сравнивать два фотона.

И так, помещая те или иные вещества в пламя горелки, мы можем получить довольно узкую полоску или несколько полосок излучения. Как, например, эти:

Это спектр водорода. Откуда взялись эти линии? От каких излучений? А вот с этих переходов.

Как видите это модель атома водорода. Электрон может находится на одной из этих орбит и никакой вероятности, о которой так упорно нам рассказывает Шредингер, нет и в помине. В действительности между этими орбитами существует еще множество других орбит, пока мало наблюдаемыми. Википедия так и пишет:

“У водорода существуют линии, не попадающие в эти серии, как, например, 21 сантиметровая линия. Эти линии соответствуют более редким процессам в атоме, таким как сверхтонкие переходы. Тонкая структура также влечёт единые спектральные линии, появляющиеся в виде двух и более тесно сгруппированных тонких линий, из-за релятивистских эффектов.” 

Так вот наша исследовательская работа должна быть направлена на то чтобы мы смогли сначала устойчиво получать хотя бы несколько различных фотонов излучения. Для этого следует попытаться научится устанавливать атом в определенное фиксированное состояние. Ну, например, добиться, чтобы в атоме водорода электрон каждый раз устанавливался на уровне 2 или на каком-нибудь другом уровне. Возможно это можно сделать под управлением какого-нибудь лазерного излучения, или какой-нибудь химической реакции, или поля, или чего-нибудь другого. Некоторые опыты по этим действиям уже есть. Статья “Кубит продержался 39 минут при комнатной температуре” https://habr.com/ru/post/202372/

После этого надо научится заставить переходить электрон с этого уровня на какой-нибудь другой с излучением соответствующего фотона. В природе это делается в основном при помощи химических реакций, например, в мозгу в нейромедиаторах и рецепторах. Эту химию тоже надо изучать досконально, а не тупо втыкать в нейроны живых существ электроды.

Затем также научится переходить электрон с нашего начального уровня на другой более высокий (условно). И так далее. Каждый уровень будет соответствовать определенной цифре нашего основания для компьютера. Освоим 3 уровня, основание будет троичным, освоим 10 уровней – вычисления будут производится в десятичной системе и так далее.

Следующим шагом в построении квантового компьютера будет освоение путей передачи фотонов, излученных одним атомом, к другому атому. Если позволительно сказать – проводов компьютера. Конечно, это может быть, например, оптоволокно, но пока мы не знаем ширины своего спектра излучения и по сему лучше обратится к изучению белка меелина, ибо именно его природа избрала для канализации фотонов. После этого мы сможем изучать процедуру излучения фотона одним атомом и затем процесс поглощения или ретрансляции этого фотона другим атомом.

Дальше мы можем попытаться направить на какой-то атом два фотона из двух других атомов, то есть осуществить процедуру сложения фотонов. Скажем если один фотон излучен в одном атоме из уровня 1, и второй фотон излучен из уровня 2 второго атома, то при их подаче на третий атом они должны перевести электрон в третьем атоме на третий уровень. Если у нас будет основание, например, десятичное, то мы так и сможем в каждый наш кубит записывать цифры от 0 до 9 и осуществлять некоторые операции сложения.

С вычислением несколько будет сложнее. В этом случае в третьем атоме должна запомнится разность чисел, то есть это атом должен поглотить, скажем, 2 если на него подать фотоны энергии 3 и 1. Но ведь природа не математика, она может оперировать только с реально существующими объектами и силами. Для этого у природы существуют пары фотонов с противоположной поляризацией. Один и тот же фотон, например, электрический отрицательный, может состоять из вихрей, вращающихся по часовой стрелке или вихрей, вращающихся против часовой стрелки. Эти фотоны генерируются электронами в атоме с противоположными спинами. Такие фотоны являются хиральными. Если в нашем примере на третий электрон (атом) приходит фотон 3, состоящий из трех квантов требуемой поляризации, то он начнет поглощаться электроном. Если во время процедуры поглощения на этот же электрон придет фотон 1, содержащий 1 квант, но противоположной поляризации, то он просто нивелирует работу одного из трех квантов фотона 3. И если принимающий атом окажется резонансным для фотона 2, то он и запомнит этот фотон. Произошло вычитание. Не поглощенные два кванта противоположной поляризации ретранслируются дальше и все.

Чтобы производить операции сложения и вычитания можно попытаться исследовать два пути.

Первый путь иметь для хранения будем называть положительных и отрицательных чисел отдельные кубиты.

И второй путь – это изменять поляризацию (хиральность) кубитов.

Это почти все что может делать природа и делает. А таких вещей как например умножение природа не может делать. Нет ни одного такого объекта, чтобы на него пришла энергия в 2 единицы и 3 единицы (в виде фотонов) и мы потом сняли с этого объекта фотон с энергией в 6 квантов. Нет в природе таких операторов. Конечно, если не считать голов наших ученых. Да и в них то не получится.

Это вот примерно такая предлагается, так сказать, дорожная карта. Как же ее реализовать на практике?

Как уйти в более мелкие шаги? Можно сначала попытаться работать не с одиночными фотонами, а с сериями фотонов, чтобы их можно было легче наблюдать. Для этого сначала надо научится хранить фотоны. В этом направлении делаются некоторые шаги. Фотоны пытаются хранить в так называемом фотонном ящике. Лауреат нобелевской премии С. Арош в своей статье “Управление фотонами в ящике и изучение границы между квантовым и классическим” рассказывает об этих процессах. Вот реквизиты статьи:

Краткий смысл его опыта заключается в том, чтобы произвести подсчет количества фотонов, заключенных в фотонном ящике. Ящик представляет собой два зеркала, между которыми движутся фотоны. Вот картинка:

По существу, между двумя зеркалами мечется световой “зайчик”.

Вся проблема заключается в том, что это “зайчик” держится в ящике короткое время. Экспериментаторы добились время жизни фотона в ящике примерно 140 миллисекунд. Этого времени оказалось достаточно для данного эксперимента.

Через эти фотоны пропускался поток специально приготовленных атомов в так называемое ридберговское состояние. Примерно так как изображено на рисунке.

В атоме, находящемуся в ридберговском состоянии, фотон может перевести электрон с одной орбиты на другую орбиту без поглощения этого фотона. Подсчитывая такие возбужденные атомы (отдавая долг квантовым понятиям Арош называет их, находящимися в суперпозиции) можно судить о количестве фотонов в ящике.

Что можно взять полезного из этой статьи для работы над квантовым компьютером?

Первое это сам ящик, только его надо модифицировать с целью увеличения длительности времени хранения в нем фотонов. Фотон находится короткое время в ящике по двум причинам. Одна из них – это точность изготовления параллельности зеркал и точность запуска фотонов. Если зеркала строго не параллельны или фотон запущен не строго перпендикулярно зеркалам, то из-за закона физики угол падения света равен углу отражения, фотон довольно скоро выйдет за пределы зеркал. Чтобы устранить эту причину Арош делал зеркала специальной формы и различных материалов. Дорогостоящее удовольствие.

И вторая причина, по которой фотон выходит из-под зеркал, и которую не учел Арош, следующая. Фотон движется прямо относительно вакуума и ящик движется относительно вакуума. И если эти направления не совпадают, то пока фотон будет находится в полете ящик будет сдвигаться относительно траектории движения фотона, то есть ускользать из-под фотона. Ориентируя пространственное положение ящика, можно добиться более длительного хранения фотонов в ящике.

После того как мы получим возможность более длительного хранения фотонов, можно попробовать генерировать различные фотоны в самом ящике химическим путем. На данном этапе развития науки мы можем оперировать одиночными атомами. Надо попытаться находить такие пары атомов или молекул, которые могут образовывать химические соединения без катализатора и с выделением каких-нибудь фотонов. Для начала можно взять молекулы или атомы из реакции Белоусова-Жаботинского, так как в этом случае выделяются фотоны видимого спектра. Конечно если мы возьмем по одному атому реагирующих веществ, то хоть и генерируется фотон видимого спектра, мы вряд ли его увидим. Но, увеличивая количество реагирующих веществ, возможно мы получим видимый “зайчик” какого-то цвета. Эти же вещества в другом состоянии дадут другие фотоны, то есть другой цвет “зайчиков”. 

Вмонтировав в стенку ящика термопары, можно улавливать тепловые фотоны. Было бы не плохо, если бы удалось уловить спектр излучения реакций веществ, происходящих в нейромедиаторах и рецепторах. Так или иначе если нам удастся получить несколько различных фотонов в нескольких ящиках, допустим двух, то дальше следует попробовать с ними работать. Проложить пути от этих ящиков к какому-нибудь ящику 3 с атомом, чтобы доставить фотоны с ящиков 1 и 2 к атому, в надежде получить суммарный фотон. Чтобы быть более уверенными, что это именно наши фотоны дошли до атома, пути лучше всего строить из белка меелина или для видимого спектра из оптоволокна. Все: принципиально квантовый компьютер готов.

Дальше ящики заменим атомами для приема фотонов, хранения их и излучения. В этом случае атом будет служить не носителем информации, а ячейкой для хранения информации, а носителем информации будет служить фотон. У нас в головах происходят именно такие процессы. Никакой вероятности, никакой суперпозиции.