В 1996 году мы намеревались с Марком Кубинеком из Университета Калифорнии, Беркли, построить современный двубитный квантовомеханический компьютер, сделанный из хлороформа. Подготовка входа даже для этого двубитного прибора требует значительных усилий. Серия радиочастотных импульсов должна трансформировать бесчисленное число ядер экспериментальной жидкости в совокупность, у которой все избыточные спины ориентированы нужным образом. Потом эти кубиты должны быть последовательно модифицированы. В противоположность битам в традиционном электронном компьютере, которые мигрируют упорядоченным образом через последовательность гейтов в процессе вычислений, кубиты никуда не идут. Вместо этого гейты доставляются им благодаря различным ЯМР-манипуляциям. В сущности, выполняемая программа скомпилирована в серию радиочастотных импульсов.

Первое вычисление, применяющее уникальные возможности квантово-механических вычислений, которое мы выполнили, следовало остроумному алгоритму поиска, изобретенному Ловом Гровером из Белловской Лаборатории. Типичный компьютерный алгоритм поиска желаемого элемента, который затерялся где-то в базе данных из $n$ элементов, потребовал бы в среднем около $n / 2$ попыток, чтобы его найти. Изумительно, но квантовый поиск по Гроверу может засечь нужный элемент примерно за $\sqrt{n}$ попыток. Как пример такой экономии, мы продемонстрировали, что наш двубитный компьютер смог найти элемент, спрятанный в списке из четырех возможностей, за один шаг. Классическое решение этой задачи сродни открыванию двубитных висячих замков наугад: было бы невероятно найти правильную комбинацию с первой попытки. Фактически, классический метод решения потребовал бы в среднем между двумя и тремя попытками.

Ясно, что основное ограничение компьютера на хлороформе – маленькое число кубитов. Число кубитов можно бы было расширить, но $n$ не может быть больше, чем число атомов в используемой молекуле. С существующим ЯМР-оборудованием самый большой квантовый компьютер, который можно сделать: имел бы только около 10 кубитов

Классический кодовый замок

Взлом секретного замка с помощью квантового колдовства требует меньше попыток. Например, двубитный классический замок может потребовать четыре попытки, чтобы его открыть (вверху). В среднем, $n$-битный замок требует $n / 2$ попыток. Так как квантовый замок может быть поставлен во множество состояний сразу, потребуется только около $\sqrt{n}$ шагов, чтобы открыть его, если использовать алгоритм Гровера. Эксперименты авторов соответствуют открыванию двубитного квантового замка, который (при соответствующей подготовке) может быть поставлен в правильную комбинацию за один шаг (внизу). Числа на циферблате указывают относительную вероятность для каждого из четырех квантовых состояний.
(так как при комнатной температуре величина нужного сигнала быстро уменьшается, когда число магнитных ядер в молекуле увеличивается). Специальное ЯМР-оборудование, предназначенное для подходящей молекулы, могло бы предположительно увеличить это число раза в три-четыре. Но чтобы создать компьютеры еще больше, понадобились бы другие методы, такие как оптическая накачка, чтобы «охладить» спины. Это означает, что свет от подходящего лазера мог бы помочь ориентировать ядра, эффективно устраняя тепловое движение молекул – но без реального замораживания жидкости и сохраняя большие времена когерентности.

Итак, можно построить более крупные квантовые компьютеры. Но насколько быстрыми они бы были? Эффективное время цикла квантового компьютера определяется наименьшей скоростью, с которой спины повернутся на полный оборот. Эта скорость, в свою очередь, диктуется взаимодействием между спинами и обычно заключена между сотнями циклов в секунду до нескольких циклов в секунду. Хотя работа цикла, составляющая доли секунды, кажется ужасно медленной по сравнению с мегагерцовой скоростью современных компьютеров, квантовые компьютеры с достаточным числом кубитов могли бы достигать такого массивного квантового параллелизма, что дало бы еще множитель в 400 десятичных знаков, что составляет обратный год.

Давая такое обещание, мы очень много думали, как квантовый компьютер можно физически сконструировать. Найти молекулы с достаточным числом атомов – не проблема. Расстройство планов связано с тем, что по мере того как размеры молекул увеличиваются, взаимодействие между наиболее удаленными спинами становится слишком слабым, чтобы использовать его для логических гейтов. Но не все еще потеряно. С.Ллойд из М.I.T. показал, что мощные компьютеры могут быть в принципе построены, даже если атом взаимодействует только с несколькими из своих ближайших соседей, во многом подобно тому, как работают сегодняшние параллельные компьютеры. Такой вид квантовых компьютеров можно бы было сделать из длинных молекул гидроуглерода, также используя ЯМР-технику. Спины во многих атомных ядрах, которые связаны в длинную цепочку, служили бы тогда кубитами.

Другой барьер для практических ЯМР-компьютеров состоит в когерентности. Вращающиеся ядра в жидкости, подобно пловцам синхронного плавания, теряющим согласованность, начинают терять когерентность через интервал от нескольких секунд до нескольких минут. Наиболее длинное время когерентности для жидкости по сравнению с характеристическим временем цикла предполагает, что может быть проведено около 1000 операций, пока квантовая когерентность все еще сохраняется. К счастью, возможно расширить этот предел, добавляя дополнительные кубиты для исправления квантовых ошибок.

Хотя классические компьютеры используют экстра-биты для обнаружения и исправления ошибок, многие эксперты были удивлены, когда Шор и другие показали, что то же самое может быть сделано квантовомеханически. Они наивно полагали, что квантовое исправление ошибок требует измерения состояния системы и, следовательно, нарушения когерентности. Однако оказалось, что квантовые ошибки могут быть исправлены внутри компьютера, без вмешательства прибора, считывающего ошибочное состояние.

Все же, достичь размеров, которые сделают квантовые компьютеры настолько большими, чтобы конкурировать с самыми быстрыми классическими компьютерами, будет особенно трудно. Но мы полагаем, что принять вызов на такое состязание имеет большое значение. Квантовые компьютеры, даже скромные, будут необходимы суперлаборатории длн изучения принцинов квантовой механики. С этими приборами исследователи будут иметь возможность исследовать другие квантовые системы, представляющие фундаментальный интерес, просто запуская соответствующие программы.

Это звучит иронично, но такие квантовые компьютеры, возможно, помогут ученым и инженерам решить проблемы, с которыми они сталкиваются, когда стараются сконструировать традиционные микрочипы с чрезвычайно маленькими транзисторами, которые ведут себя квантовомеханически, когда уменьшаются в размерах до определенного предела.

Классические компьютеры испытывают огромные трудности, решая такие задачи квантовой механики. Но квантовые могли бы сделать это легко. Именно такая возможность вдохновила позднего Ричарда Фейнмана рассуждать о том, могут ли квантовые компьютеры быть действительно построены.

Быть может, наиболее приятная сторона состоит в понимании того, что создание квантовых компьютеров не потребует производства крошечных микросхем атомных размеров или других сложнейших приборов с использованием нанотехнологии. Действительно, природа уже завершила самую тяжелую часть технологического процесса, собрав основные компоненты. Все время обычные молекулы знали, как выполнять замечательный вид вычислений. Люди только не задавали им правильных вопросов.