Все исследователи, созерцавшие открытие Шора, поняли, что создание полезного квантового компьютера собирается быть дьявольски трудным. Проблема состоит в том, что почти любое взаимодействие с окружающей средой – скажем, атом, сталкивающийся с другим атомом, или рассеянный фотон – составляет измерение. Суперпозиция квантово-механических состояний тогда коллапсирует в единственное очень хорошо определенное состояние – то, что детерминируется наблюдателем. Это явление, известное как декогерентность, делает дальнейшие квантовые вычисления невозможными. Поэтому внутренняя работающая часть квантового компьютера должна быть как-то отделена от окружающей среды, чтобы поддерживать когерентность. Но она должна быть также легко доступна, чтобы вычисления могли быть загружены, выполнены и результаты выведены.
Предшествующая работа, включавшая элегантные эксперименты.
К. Монро и Д. Вайлэнда из Национального института Стандартов и Технологии и X. Кимбла из Калифорнийского Технологического института, делала попытку решить эту проблему тщательной изоляцией квантово-механического сердца их компьютера. Например, магнитное поле может захватить несколько заряженных частиц, которые потом могут быть заморожены в чисто квантовом состоянии. Но даже такие героические усилия продемонстрировали только элементарные квантовые операции, так как эти новые приборы содержат только несколько битов и они теряют когерентность очень быстро.
К тому же, как тогда квантовый компьютер можно использовать, если он нуждается в такой хорошей изоляции от окружающей среды? В прошлом году мы обнаружили, что обычная жидкость может исполнить все операции квантово-механических вычислений: загрузка в начальное состояние, применение логических операций к скрещенным Основные элементы настольного суперпозициям и вывод конечквантового компьютера, собранного авторами. Через несколько лет такой прибор будет работать даже лучше, чем коммерческий ЯМР-спектрометр, который они используют сейчас для своих исследований. ного результата. Вместе с группой из Гарвардского Университета и Массачусетского Технологического Института мы обнаружили, что методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) (подобные методам, используемым для магнитно-резонансных изображений – МРИ) можно манипулировать квантовой информацией в том смысле, что она может представлять собой классическую жидкость.

Оказывается, наполнение пробирки жидкостью, состоящей из подходящих молекул – то есть использование огромного числа индивидуальных квантовых компьютеров вместо одного – непосредственно связано с проблемой декогерентности. Представляя каждый кубит огромным набором молекул, можно допустить взаимодействие с несколькими из них, не нарушая состояния остальных. Фактически химики, которые используют ЯМР в течение десятилетий, чтобы изучать сложные молекулы, все это время производили квантовые вычисления.

Магнитные ядра ведут себя как вращающиеся волчки. Ось спина в нормальном положении ориентирована вдоль направления приложенного постоянного магнитного поля (в центре). Подходящее переменное поле может вызвать переориентацию спина. Например, 180 -градусный импульс (слева) заставляет вращающееся ядро полностью перевернуться. 90 -градусный импульс (справа) заставит его наклониться перпендикулярно к постоянному магнитному полю (вертикальная стрелка). После такого отклонения ось спина будет сама собой медленно вращаться (прецессировать), совсем как детская игрушка.

Ядерный магнитный резонанс оперирует с квантовыми частицами в ядрах внутри молекул жидкости. Частицы со «спином» действуют как крошечные магнитики и будут выстраиваться вдоль приложенного внешнего магнитного поля. Две противоположные ориентации (параллельно и антипараллельно внешнему полю) соответствуют двум квантовым состояниям с различными энергиями, которые естественно составляют кубит. Можно положить, что параллельный спин соответствует числу 1 и антипараллельный числу 0 . Параллельный спин имеет более низкую энергию, чем антипараллельный, на величину, которая зависит от напряженности приложенного внешнего магнитного поля. Обычно противоположные направления спинов присутствуют в жидкости в равных количествах. Но приложенное поле создает более выгодные условия для параллельных спинов, поэтому возникает легкий дисбаланс между двумя состояниями. Этот незначительный излишек, составляющий, возможно, лишь одно ядро на миллион, измеряется во время ЯМР-экспериментов.

В дополнение к этому постоянному магнитному полю ЯМР-процедура также использует переменные электромагнитные поля. Прикладывая переменное поле на правильной частоте (определяемой величиной постоянного поля и внутренними свойствами частицы, к которой оно прикладывается), определенные спины можно заставить перевернуться в другое состояние. Эта особенность позволяет переориентировать ядерные спины по желанию.

Например, протоны (ядра водорода), помещенные в постоянное магнитное поле с напряженностью 10 тесла, можно заставить изменить направление спина, прикладывая магнитное поле, осциллирующее с частотой около 400 МГц – т. е. на радиочастотах. Хотя его включают обычно только на несколько миллионных секунды, такие радиоволны поворачивают спины ядер вокруг направления переменного поля, которое обычно ориентировано под прямым углом к постоянному полю. Если радиочастотный импульс продлится как раз столько, чтобы повернуть спины на $180^{\circ}$, избыток магнитных ядер, первоначально ориентированных вдоль постоянного поля, будет теперь направлен противоположно, т. е. в антипараллельном направлении. Импульс с половинной длительностью будет заставлять частицы с равной вероятностью ориентироваться параллельно или антипараллельно.

В квантово-механических терминах спин будто бы находится в обоих состояниях 0 и 1 одновременно. Обычное классическое толкование этой ситуации изображает оси спинов частиц направленными под углом $90^{\circ}$ к постоянному магнитному полю. Затем, как детский волчок, который отклонился от вертикали под действием гравитации, ось спина частицы сама собой вращается, т. е. прецессирует вокруг магнитного поля с характеристической частотой. При этом излучается слабый радиосигнал, который может быть зарегистрирован ЯМР-аппаратурой.

Фактически, частицы в ЯМР-экспериментах испытывают действие более сильного поля, чем приложенное извне, потому что каждое крошечное атомное ядро влияет на величину магнитного поля в своей окрестности. В жидкости постоянное движение молекул друг относительно друга практически уравновешивает эту локальную магнитную рябь. Но одно магнитное ядро может действовать на другое в той же самой молекуле, когда оно возмушает электроны, вращающиеся вокруг них обоих.

Несмотря на трудности, это взаимодействие внутри молекулы оказывается весьма полезным. Оно позволяет легко построить гейт, основную единицу вычислений, используя два ядерных спина. Для наших экспериментов мы использовали хлороформ ( $\left.\mathrm{CHCl}_{3}\right)$. Мы были заинтересованы воспользоваться взаимодействием между спинами ядер водорода и углерода. Так как ядро обычного углерода, углерода 12, не имеет спина, мы использовали хлороформ, содержащий углерод с дополнительным нейтроном, который придает ядру полный спин.

Предположим, что спин водорода направлен вверх или вниз, параллельно или антипараллельно вертикально приложенному магнитному полю, в то время как спин углерода ориентирован так, что определенно направлен вверх, параллельно этому постоянному магнитному полю. Правильно подобранный радиочастотный импульс может повернуть каждый углеродный спин вниз в горизонтальную плоскость. Ядра углерода будут теперь прецессировать вокруг вертикали со скоростью вращения, которая зависит от того, оказалось ли ядро водорода в той же молекуле также параллельным приложенному полю. После определенного короткого промежутка времени углерод будет находиться в одном направлении или точно противоположном, в зависимости от того, был ли спин соседнего водорода направлен вверх или вниз. В этот момент мы прикладываем другой радиочастотный импульс, чтобы повернуть ядро углерода еще на $90^{\circ}$. Этот маневр перебрасывает ядра углерода в положение вниз, если соседний водород был вверх, или вниз, если водород был вверх.

Эта серия операций соответствует тому, что электротехники называют функцией исключенное ИЛИ, что, возможно, лучше назвать контролируемое НЕ (потому что состояние одного входа контролирует, будет ли сигнал на другом входе перевернут на выходе). Тогда как классическим компьютерам требуются как подобные гейты с двумя входами, так и более простые НЕ-гейты с одним входом в своей конструкции, группа исследователей показала в 1995 году, что квантовые вычисления могут быть выполнены только с помощью вращений, при-
Контролируемый НЕ-гейт переворачивает входные данные на одном из двух входов в зависимости от состояния второго. Авторы создали контролируемый $\mathrm{HE}$-гейт, используя взаимодействие между спинами ядер водорода и углерода в молекуле хлороформа. Во-первых, переменный импульс избирательно поворачивает ядро углерода на $90^{\circ}$. Это ядро прецессирует быстро (если спины ядер водорода и углерода направлены одинаково) или медленно (если их ориентация противоположна). Выбирая подходящий момент времени и прикладывая другой 90 -градусный импульс, заставим углерод перевернуться (слева) или остаться в первоначальном (справа) состоянии, в зависимости от состояния соседнего водорода.

мененных к индивидуальным спинам, и контролируемых НЕ-гейтов. Фактически, этот тип квантовых гейтов гораздо более универсален, чем их классический эквивалент, так как спины, на которых он базируется, могут быть в суперпозиции вверх-вниз состояний. Квантовые компьютеры могут, следовательно, оперировать одновременно на комбинациях кажущихся несовместимыми входов.