ЯМР-компьютеры

I.L. Chuang et al., "Phys. Rev. Lett", 1998, v.80, р.3408;
В.Е.Саnе, "Nature", 1998, v.393, р. 133

Уменьшить элементы электронных схем до атомно-молекулярных размеров - значит вторгнуться в мир квантов, в котором, как предсказал в 1982 году Р.Фейнман, откроются принципиально новые вычислительные возможности. Суть в том, что в квантовых системах можно использовать их волновые свойства для распараллеливания операций, что обеспечит более высокую произво- дительность.

В квантовых компьютерах один бит (его называют кубитом) представляет собой суперпозицию двух состояний, каждое из которых реализуется с определенной ве- роятностью. Отдельные кубиты должны сохранять согласованность поведения, или когерентность, для чего их необходимо избавить от неконтролируемых контактов с внешним окружением и между собой. Сначала думали, что для этого молекулы или атомы придется сильно охлаждать, помещая их в магнитные или световые ловушки, а это сложно и неудобно. Потом ученых осенило, что хранение и обработку информации можно организовать на нечувствительном к тепловым столкновениям и другим помехам ядерном уровне, используя давно известный метод ЯМР (оказывается, ЯМР-спектроскописты всегда занимались, не зная того, квантовыми компьютерами).

Итак, нужно просто взять раствор молекул и поместить его при комнатной температуре во внешнее магнитное поле. При этом ядра, как маленькие магниты, займут одно из двух положений - по полю и против него (это один кубит), а переходы между ними можно вызывать резонансными радио- импульсами. В молекулах между ядрами разных атомов через общие валентные электроны происходят спин-спиновые взаимодействия. Эти связи кубитов должны служить для установления между ними логических отношений.

Американские специалисты отрабатывали эту идею на двухкубитовых молекулах хлороформа ¹³CHC₃. Один кубит - ядро углерода, второй - водорода, а хлор в игре не участвует. Подобрав определенную последовательность радиоимпульсов (в этом состоит программирование в таких компьютерах), им удалось построить логическую функцию "НЕ" в зависимости от условия - состояние первого кубита изменяется, если второй "1", и остается прежним, если он "0". Из подобных логических элементов можно строить схемы, выполняющие тот или иной алгоритм. Сразу возник вопрос: а можно ли перейти к макромолекулам, в которых много кубитов? Если их число превысит десять, то работать с такими молекулами станет чересчур сложно, но, как
полагают, это препятствие все же удастся преодолеть с помощью полимерной цепочки (каждый мономер - несколько кубитов), по которой будет распространяться волна вычислений. То есть вводим исходные данные задачи в один конец молекулы, считываем ответ - с другого.

Интересно, а что вычисляют биополимеры в живой клетке и не эти ли их свойства естественных квантовых компьютеров сыграли решающую роль в возникновении жизни?

Тем временем австралийский исследователь (вторая статья) выдвинул "гибридную" концепцию - он придумал, как включить ЯМР- кубиты в привычные микроэлектронные схемы. Ученый предлагает ввести в кремний малые добавки фосфора-31, атомы которого должны образовать в нем упорядоченную решетку. При комнат- ной температуре каждый атом этой донорной примеси отдает один электрон в "общее пользование", но при охлаждении до 0,1 К лишний электрон уже не уйдет от иона ³¹Р, а останется слабо связанным с ним. Над каждым кубитом (через слой изолятора) надо поместить металлический микроэлектрод-затвор - электрическим потенциалом на нем можно будет вызывать электронную поляризацию (смещать орбиту этого электрона), что слегка повлияет на энергетические уровни спиновых ориентаций ядра ³¹Р. Значит, немного изменятся и радиосигналы, необходимые для переброски ядра из одного состояния в другое во внешнем магнитном поле. Кроме того, между атомами фосфора должны быть установлены другие электроды, регулирующие взаимные влияния соседних кубитов, что обеспе- чит реализацию логических функций.

Главное, что при таком подходе можно избирательно - по их адресу в решетке - оперировать отдельными кубитами. А воплотить в жизнь эту систему автор предлагает средствами нанотехнологии с ее способностью манипулировать единичными атомами. Конечно, тут предстоит решить еще много проблем, но это уже не "квантастика", а область научных разработок.

Кстати, американец Дж.Фрэнсон пытается основывать квантовые вычисле- ния на оптических эффектах. Кубит у него - это два направления поляризации света ("New Scientist", 6 June 1998, p.37).