О квантовых компьютерах сейчас говорят много – и не случайно. Нынешние компьютеры, работающие на кремниевых чипах, когда-нибудь достигнут пределов своих возможностей, которые в конечном счете определяются не человеческой изобретательностью, а фундаментальными законами физики. Скорее всего на смену им придут компьютеры совершенно новых типов, которые будут хранить и обрабатывать информацию с помощью процессов, подчиняющихся уравнениям квантовой механики.
Такие вычислительные устройства пока что существуют только в головах ученых, причем в разных вариантах. К их числу относится и топологический квантовый компьютер, о котором теоретики думают с конца прошлого века. Одним из первых к этой идее пришел старший научный сотрудник подмосковного Института теоретической физики имени Ландау Алексей Китаев, который сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте. Вот что он рассказал:
Главная привлекательность таких систем состоит в том, что они очень удачно решают проблему исправления ошибок. Классические компьютеры в этом смысле очень надежны, их ошибки можно в принципе свести к нулю. А вот квантовые системы довольно уязвимы к внешним возмущениям, так что вероятность ошибок в их работе довольно велика. Правда, ошибки можно устранить с помощью специальных корректирующих кодов, которые уже разработаны. Однако для этого необходимо осуществлять огромный объем дополнительных вычислений и хранить много избыточной информации.
Топологический квантовый компьютер позволяет решить эту проблему куда эффективнее. Он основан на использовании специфических свойств квантовых объектов, которые остаются неизменными при не слишком сильных воздействиях со стороны внешней среды. Поэтому такой компьютер будет работать с минимальными погрешностями и не потребует массированного использования корректирующих кодов. Можно выразиться и иначе: он будет исправлять свои ошибки самостоятельно, просто в силу своей физической природы. Поэтому есть основания считать, что такой компьютер будет проще квантовых компьютеров других типов.
Как можно построить такую квантовую машину? Одиннадцать лет назад я предложил использовать энионы. Это не частицы в обычном смысле слова, а квантованные возбуждения электронов, замкнутых в тонком пограничном слое между двумя полупроводниками с разной структурой. Они не могут покинуть этот слой, а потому перемещаются не в трех измерениях, а в двух. Энионы можно использовать в качестве носителей квантовой информации – но не все, а только самые экзотические.
Дело здесь вот в чем. Возьмем систему одинаковых квантовых частиц в трехмерном пространстве и будем менять эти частицы местами. Такие перестановки можно осуществлять разными способами, но свойства системы от этого не изменятся. Многие энионы ведут себя подобным же образом, хотя существуют не в трехмерном, а в плоском мире. Однако теория утверждает, что можно создать системы, которые будут меняться при перестановках энионов в разных последовательностях. Физики говорят, что такие энионы подчиняются неабелевой статистике.
Система неабелевых энионов имеет несколько основных состояний, обладающих минимальной энергией. Такие состояния можно использовать для кодирования квантовой информации. При движениях энионов эти состояния переходят друг в друга, благодаря чему с их помощью можно осуществлять вычисления. И вот здесь начинается самое интересное. Движение энионов можно описать с помощью траекторий в пространстве-времени, которое в данном случае будет трехмерным – к двум пространственным измерениям добавляется временное. Эти траектории принято называть косами, поскольку они перепутаны друг с другом. Результат вычислений зависит не от конкретного вида кос, а только от их топологических свойств. Небольшие возмущения сдвигают энионные траектории, однако топология косы остается неизменной. Поэтому квантовые компьютеры на неабелевых энионах сами себя защищают от помех и делают меньше ошибок.
Компьютер с такими возможностями можно построить и без энионов, Например, ученые из США, Франции и России предложили использовать контакты между сверхпроводниками. Не исключено, что на практике реализовать такой компьютер будет даже легче. Но вот когда это произойдет, сказать не берусь.
