199808_molekularne_komputery_kw.pdf

Molekularne

komputery kwantowe

Wykorzystujc jdrowy rezonans magnetyczny,

naukowcy potrafi nak¸oni czsteczki zwyk¸ej cieczy,

aby funkcjonowa¸y jak niezwyk¸y rodzaj komputera

Neil Gershenfeld i Isaac L. Chuang

czynniki pierwsze Ð problem, kt-

rego rozwizanie umoýliwi¸oby

z¸amanie niektrych kodw Ð nawet naj-

szybszemu z istniejcych superkompu-

terw zaj¸by miliardy lat. Tymczasem

wymyælony niedawno nowy rodzaj ma-

szyn, wykorzystujcych oddzia¸ywania

kwantowo-mechaniczne, moýe tego do-

kona w cigu roku, rozprawiajc si«

w ten sposb z wieloma najbardziej za-

awansowanymi systemami kryptogra-

ficznymi. Tajne dane s na razie bez-

pieczne, nikomu bowiem nie uda¸o si«

jeszcze zbudowa dzia¸ajcego kwanto-

wego komputera. Jednak naukowcy juý

udowodnili, ýe jest to wykonalne. Taki

komputer w niczym nie przypomina¸by

maszyny na biurku, podobny by¸by ra-

czej do stojcej obok filiýanki z kaw.

Podobnie jak inni naukowcy wierzy-

my, ýe komputery kwantowe, u podstaw

dzia¸ania ktrych leýy zachowanie si« cz-

steczek w cieczy, pewnego dnia pomog

przezwyci«ýy wiele ograniczeÄ kompu-

terw konwencjonalnych. Przeszkody

w udoskonalaniu tych ostatnich pojawi

si« wczeæniej czy pniej i zwizane b«-

d z fizycznymi ograniczeniami procesu

miniaturyzacji (np. wiadomo, ýe tranzy-

story i po¸czenia elektryczne mi«dzy ni-

mi nie mog by cieÄsze niý ærednica ato-

mu). Pojawi si« teý problemy czysto

praktyczne: najprawdopodobniej produk-

cja coraz pot«ýniejszych procesorw sta-

nie si« zbyt kosztowna. Jednak dzi«ki ma-

gii mechaniki kwantowej moýe uda si«

rozwiza oba te problemy naraz.

Zalety komputerw kwantowych wy-

nikaj ze sposobu, w jaki koduj one bi-

ty b«dce podstawowymi jednostkami

informacji. W klasycznym komputerze

cyfrowym bit okreælony jest przez jedn

cyfr«: 0 lub 1. S¸owo n -bitowe zapisane

w systemie dwjkowym w zwyk¸ym

komputerze sk¸ada si« wi«c z cigu n zer

i jedynek. Bit kwantowy, zwany qubi-

tem, moýe by reprezentowany przez

atom znajdujcy si« w dwch rýnych

stanach, ktre rwnieý oznaczane s 0

lub 1. Dwa qubity Ð podobnie jak dwa

bity klasyczne Ð wyst«powa mog

w czterech dobrze okreælonych stanach

(0 i 0, 0 i 1, 1 i 0 lub 1 i 1).

W przeciwieÄstwie do bitw klasycz-

nych qubity mog istnie jednoczeænie ja-

ko 0 i 1, a prawdopodobieÄstwo kaýdego

z tych stanw okreæla wsp¸czynnik licz-

bowy. Tak wi«c opis dwuqubitowego

komputera kwantowego wymaga poda-

nia czterech wsp¸czynnikw. W ogl-

noæci do opisu n qubitw potrzeba

2 n liczb; dla wi«kszych wartoæci n tworz

one ca¸kiem spory zbir. Na przyk¸ad do

opisania wszystkich moýliwych stanw

komputera kwantowego dla n rwnego

50 potrzeba oko¸o 10 15 liczb, co przekra-

cza pojemnoæ pami«ci najwi«kszych

komputerw konwencjonalnych. Nadzie-

je pok¸adane w komputerze kwantowym

wiý si« z faktem, ýe moýe on istnie

w wielu stanach jednoczeænie (zjawisko to

nosi nazw« superpozycji) i w tym samym

czasie dokonywa operacji na kaýdym ze

stanw. Tak wi«c komputer kwantowy

da rad« wykonywa rwnolegle miriady

operacji, wykorzystujc przy tym tylko

jeden procesor.

Dzia¸anie na odleg¸oæ

Inna w¸asnoæ qubitw jest jeszcze bar-

dziej dziwaczna, acz uýyteczna. Wyobra-

my sobie proces fizyczny polegajcy na

emisji dwch fotonw (elementarnych

pakietw æwiat¸a) o przeciwnych orien-

tacjach (polaryzacjach) ich oscylujcego

pola elektrycznego Ð jednego w lewo,

a drugiego w prawo. Do chwili detekcji

polaryzacja kaýdego z fotonw jest nie-

okreælona. Pod koniec lat trzydziestych

Albert Einstein wraz ze wsp¸pracowni-

kami zauwaýy¸, ýe w chwili, gdy doko-

nuje si« pomiaru polaryzacji jednego z fo-

tonw, polaryzacja drugiego natychmiast

rwnieý si« ustala Ð niezaleýnie od tego,

jak daleko si« on znajduje. Takie natych-

miastowe dzia¸anie na odleg¸oæ jest rze-

czywiæcie zadziwiajce. Zjawisko to po-

zwala, by uk¸ady kwantowe wchodzi¸y

50 å WIAT N AUKI SierpieÄ 1998

R ozk¸ad 400-cyfrowej liczby na

KONWENCJONALNE KOMPUTERY ELEKTRONICZNE powo-

li osigaj kres swych moýliwoæci, ale komputery kwantowe,

oparte na czsteczkach w cieczy utrzymywanych przez pole magne-

tyczne, z czasem stan si« pot«ýnymi maszynami liczcymi.

ze sob w niezwyk¸e zwizki zwane spl-

taniem, ktre w kwantowym kompute-

rze odgrywa rol« kabla ¸czcego quibi-

ty. Ten sam efekt leýy u podstaw zjawiska

kwantowej teleportacji, zademonstrowa-

nego w zesz¸ym roku przez Antona

Zeilingera i jego zesp¸ z Uniwersytetu

w Innsbrucku w Austrii.

W 1994 roku Peter W. Shor z AT&T

wymyæli¸ sposb wykorzystania zjawiska

spltania i superpozycji do odnajdowa-

nia czynnikw pierwszych liczb natural-

nych. Doszed¸ on do wniosku, ýe kom-

puter kwantowy moýe tego dokona

w zasadzie znacznie szybciej niý najlep-

sza klasyczna maszyna liczca. Odkrycie

to spotka¸o si« z ogromnym zaintereso-

waniem. Z dnia na dzieÄ bezpieczeÄstwo

systemw kryptograficznych opartych na

rozk¸adzie duýych liczb na czynniki

pierwsze stan«¸o pod znakiem zapytania.

Poniewaý wiele transakcji finansowych

jest obecnie chronionych takimi w¸aænie

metodami kryptograficznymi, algorytm

Shora spowodowa¸ trz«sienie ziemi we

wszystkich zaktkach æwiatowej gospo-

darki elektronicznej.

Nikt nie przypuszcza¸, ýe odkrycie te-

go kalibru narodzi si« poza naukami

komputerowymi czy matematyczn teo-

ri liczb. Prace Shora sk¸oni¸y teoretykw

komputerw do zaj«cia si« mechanik

kwantow, fizykw zaæ Ð do zaintereso-

wania si« naukami komputerowymi.

komputera kwantowego musi by Ð

w celu zachowania koherencji Ð w jakiæ

sposb odizolowana od otoczenia. Musi

by ona jednak rwnoczeænie dost«pna,

tak aby dane mog¸y zosta wprowadzo-

ne, procedury wykonane, a ich wynik

odczytany.

Wczesne prace obejmujce eleganckie

doæwiadczenia Christophera R. Mon-

roe i Davida J. Winelanda z National In-

stitute of Standards and Technology oraz

H. Jeffa KimbleÕa z California Institute

of Technology mia¸y na celu dok¸adne

odizolowanie od otoczenia kwantowo-

-mechanicznych serc ich komputerw.

Na przyk¸ad pola magnetyczne mog

uwi«zi kilka czstek na¸adowanych,

ktre nast«pnie da si« och¸odzi do czy-

stych stanw kwantowych. Jednak na-

wet w wyniku tych heroicznych wysi¸-

kw uda¸o si« przeprowadzi jedynie

podstawowe operacje kwantowe, po-

niewaý badane urzdzenia mia¸y zaled-

wie kilka bitw i bardzo szybko traci¸y

koherencj«.

W jaki wi«c sposb korzysta z kom-

putera kwantowo-mechanicznego, sko-

Manipulowanie spinami

Naukowcy analizujcy odkrycie Sho-

ra zrozumieli, ýe budowa komputera

kwantowego, ktry da¸oby si« zastoso-

wa w praktyce, b«dzie piekielnie trud-

na. Problem polega na tym, ýe kaýde

oddzia¸ywanie uk¸adu kwantowego

z otoczeniem Ð powiedzmy, zderzenia

atomu z innym atomem lub zab¸kanym

fotonem Ð jest pewnego rodzaju pomia-

rem. W jego wyniku superpozycja sta-

nw kwantowo-mechanicznych kolap-

suje do pewnego konkretnego stanu,

w¸aænie tego, ktry zarejestrowany zo-

sta¸ podczas obserwacji. Zjawisko to,

zwane dekoherencj, sprawia, ýe dalsze

obliczenia kwantowe staj si« niemoýli-

we. Tak wi«c wewn«trzna maszyneria

å WIAT N AUKI SierpieÄ 1998 51

POüCZENIA

ELEKTRYCZNE

Okazuje si«, ýe wype¸nienie rurki cie-

cz sk¸adajc si« z odpowiednich cz-

steczek Ð tzn. uýycie olbrzymiej liczby

kwantowych komputerw zamiast jed-

nego Ð doskonale rozwizuje problem

dekoherencji. Reprezentujc kaýdy qu-

bit poprzez olbrzymi zestaw czsteczek,

moýna pozwoli sobie na oddzia¸ywanie

pomiarowe z kilkoma z nich. Chemicy,

ktrzy od kilkudziesi«ciu juý lat stosuj

metod« jdrowego rezonansu magne-

tycznego do badania skomplikowanych

czsteczek, w pewnym sensie przez ca¸y

ten czas, nie zdajc sobie z tego sprawy,

dokonuj obliczeÄ kwantowych.

Jdrowy rezonans magnetyczny wy-

korzystuje zachowanie czstek kwanto-

wych w jdrach atomowych czsteczek

cieczy. Czstki majce spin zachowu-

j si« jak malutkie magnesy sztabkowe

i uk¸adaj wzd¸uý linii si¸ zewn«trzne-

go pola magnetycznego. Dwa moýliwe

ustawienia (rwnoleg¸e lub antyrw-

noleg¸e) odpowiadaj dwm stanom

kwantowym o rýnych energiach: sta-

ny te w naturalny sposb tworz qubit.

Moýna przyj, ýe spin ustawiony rw-

nolegle odpowiada liczbie 1, spin zaæ

antyrwnoleg¸y Ð liczbie 0. Spin rw-

noleg¸y ma niýsz energi« niý spin

antyrwnoleg¸y, a rýnica pomi«dzy ty-

mi energiami zaleýy od nat«ýenia przy-

¸oýonego zewn«trznego pola magne-

tycznego. W normalnych warunkach

taka sama liczba spinw w cieczy u¸o-

ýona jest w kaýdym z kierunkw. Przy-

¸oýenie pola magnetycznego sprzyja

jednak rwnoleg¸emu u¸oýeniu spi-

nw, tak wi«c pojawia si« niewielka nie-

rwnowaga pomi«dzy tymi dwoma

stanami. T« nadwyýk«, rz«du jednego

jdra na milion, moýna zmierzy w eks-

perymencie z jdrowym rezonansem

magnetycznym.

Oprcz sta¸ego pola magnetycznego

w procedurach wykorzystujcych jdro-

wy rezonans magnetyczny stosuje si«

rwnieý dodatkowo zmienne pole elek-

tromagnetyczne. Przyk¸adajc oscyluj-

ce pole o dok¸adnie ustalonej cz«stoæci

(okreælone przez nat«ýenie sta¸ego pola

i wewn«trzne w¸asnoæci czsteczek),

moýna doprowadzi do tego, ýe niekt-

re spiny przeskocz z jednego stanu do

drugiego. Pozwala to na planowan

zmian« kierunku spinw jdrowych.

Na przyk¸ad protony (jdra atomu

wodoru) umieszczone w polu magne-

tycznym o nat«ýeniu 10 T moýna zmu-

si do zmiany kierunku za pomoc oscy-

lujcego pola magnetycznego o cz«sto-

æci oko¸o 400 MHz, co odpowiada fali

radiowej. W chwili w¸czenia takiego

pola, zazwyczaj na kilka milionowych

cz«æci sekundy, owe fale radiowe obra-

caj spiny wok¸ kierunku oscyluj-

RURKA

WYPEüNIONA

CIECZ

PODSTAWOWE ELEMENTY niewielkiego

komputera kwantowego skonstruowanego

przez autorw artyku¸u. Za kilka lat urz-

dzenia takie b«d pracowa lepiej niý sto-

sowane obecnie w badaniach komercyjne

spektrometry, w ktrych wykorzystuje si«

jdrowy rezonans magnetyczny.

BIEGUNY MAGNESU

MAGNES

STAüY

ûELAZNE

JARZMO

ro trzeba go tak dok¸adnie izolowa od

otoczenia? W ubieg¸ym roku zdaliæmy

sobie spraw«, ýe zwyk¸a ciecz pozwala

wykona wszystkie kroki obliczeÄ

kwantowych: wprowadzenie warun-

kw pocztkowych, zastosowanie ope-

racji logicznych do spltanych superpo-

zycji stanw i odczytanie ostatecznych

wynikw. Wsplnie z inn grup bada-

czy z Harvard University i Massachu-

setts Institute of Technology odkryli-

æmy, ýe techniki jdrowego rezonansu

magnetycznego (NMR Ð nuclear magne-

tic resonance) Ð podobne do metod sto-

sowanych w obrazowaniu za pomoc

rezonansu magnetycznego (MRI Ð ma-

gnetic resonance imaging) Ð mog po-

s¸uýy do manipulowania informacja-

mi kwantowymi w oærodkach b«dcych

klasycznymi cieczami.

52 å WIAT N AUKI SierpieÄ 1998

cego pola, ktry zazwyczaj ustawio-

ny jest pod ktem prostym do pola sta¸e-

go. Jeæli oscylujcy z cz«stoæci radiow

impuls trwa wystarczajco d¸ugo, aby

obrci spiny o 180¡, nadwyýka jder

magnetycznych, u¸oýonych poprzednio

rwnolegle do sta¸ego pola magnetycz-

nego, ustawia si« w przeciwnym anty-

rwnoleg¸ym kierunku. Impuls trwa-

jcy po¸ow« tego czasu pozostawi po

swoim przejæciu czstki z rwnym

prawdopodobieÄstwem u¸oýone rw-

nolegle, jak i antyrwnolegle.

Stosujc terminologi« mechaniki

kwantowej, moýna powiedzie, ýe spi-

ny znajd si« jednoczeænie w obu sta-

nach: 0 i 1. Zwyk¸y klasyczny obraz po-

wsta¸ej sytuacji odpowiada b«dzie osi

spinu ustawionej pod ktem 90¡ w sto-

sunku do kierunku sta¸ego pola magne-

tycznego. W takim przypadku oæ spinu

obraca si« (wykonuje precesj«) wok¸

kierunku pola magnetycznego z pew-

n charakterystyczn cz«stoæci, podob-

nie jak dzieci«cy bk wirujc, odchyla

si« od pionu wyznaczonego przez gra-

witacj«. W trakcie tej precesji emitowa-

ne s s¸abe fale radiowe, ktre potrafi

wykry aparatura wykorzystujca j-

drowy rezonans magnetyczny.

W rzeczywistoæci na czstki w do-

æwiadczeniach z zastosowaniem jdro-

wego rezonansu magnetycznego dzia¸a

nie tylko zewn«trzne pole magnetycz-

ne, ale rwnieý pole wytwarzane przez

inne czsteczki znajdujce si« w otocze-

niu. W cieczy ten dodatkowy efekt ni-

welowany jest w duýym stopniu dzi«ki

cig¸emu ruchowi czsteczek wzgl«dem

siebie. Jednak jdro magnetyczne mo-

ýe wp¸yn na inne jdro tej samej cz-

steczki, gdy zmienia ono ruch elektro-

nw krýcych wok¸ ich obu.

Okazuje si«, ýe nie stanowi proble-

mu; wr«cz przeciwnie, takie oddzia¸y-

wanie jest bardzo uýyteczne. Pozwala

ono na konstrukcj« ãbramki logicznejÓ Ð

podstawowego elementu s¸uýcego do

wykonania obliczeÄ za pomoc dwch

spinw jdrowych. W naszym ekspery-

mencie z dwoma spinami uýywaliæmy

chloroformu (CHCl 3 ). Interesowa¸o nas

wykorzystanie oddzia¸ywania pomi«-

dzy spinami jder wodoru i w«gla. Po-

niewaý jdro zwyk¸ego w«gla 12 nie ma

spinu, uýyliæmy chloroformu zawieraj-

cego izotop w«gla z jednym dodatko-

wym neutronem, ktry dostarcza¸ jdru

niezb«dny spin.

Przyjmijmy, ýe spin wodoru skiero-

wany jest do gry albo do do¸u, rwno-

legle lub antyrwnolegle do pionowo

przy¸oýonego pola magnetycznego, spin

w«gla zaæ ustawiony zostaje zawsze do

gry, rwnolegle do sta¸ego pola ma-

gnetycznego. Odpowiednio spreparo-

IMPULS

90-STOPNIOWY

JDRA ATOMOWE zachowuj si« podobnie do obracajcego si« bka. Oæ spinu zwykle

ustawia si« wzd¸uý kierunku sta¸ego pola magnetycznego ( poærodku ) . Odpowiednio oscylu-

jce pole moýe nast«pnie wymusi reorientacj« spinu. Na przyk¸ad impuls 180-stopniowy ( z le-

wej ) powoduje, ýe jdro ca¸kowicie si« odwraca. Impuls 90-stopniowy ( z prawej ) powodu-

je jego przechylenie w kierunku prostopad¸ym do sta¸ego pola magnetycznego ( strza¸ki

pionowe ). Nast«pnie oæ spinu zacznie obraca si« powoli, tak jak w dzieci«cej zabawce.

wany impuls fal radiowych moýe obr-

ci spin w«gla w d¸, do p¸aszczyzny

poziomej. Jdro w«gla zacznie wtedy

wykonywa precesj« wok¸ osi piono-

wej, a pr«dkoæ obrotu zaleýe b«dzie

od tego, czy spin jdra wodoru ustawi

si« rwnolegle, czy teý antyrwnolegle

do tej osi. Po pewnym krtkim czasie

w«giel skierowany zostanie albo w jed-

nym kierunku, albo dok¸adnie w prze-

ciwnym Ð w zaleýnoæci od tego, czy spin

pobliskiego wodoru skierowany by¸

w gr«, czy w d¸. W tym momencie

emitujemy nast«pny impuls o cz«stoæci

radiowej, ktry powoduje, ýe jdro w«-

gla obraca si« o dalsze 90¡. W wyniku

tego manewru jdro w«gla ustawi si«

w d¸, jeæli pobliski wodr skierowany

by¸ do gry, lub w gr«, gdy wodr

wskazywa¸ d¸.

Odpowiada to operacji, realizowanej

przez tzw. bramk« logiczn XOR (exclu-

sive-OR), czyli ãLUB wykluczajceÓ, al-

bo Ð co jest zapewne lepszym okreæle-

niem Ð bramk ãkontrolowane NIEÓ (od

stanu jednego wejæcia zaleýy, czy sygna¸

z drugiego wejæcia b«dzie odwrcony).

Komputery klasyczne wymagaj zasto-

sowania podobnych bramek z dwoma

wejæciami, jak rwnieý prostszych bra-

mek NIE z jednym wejæciem, tymcza-

sem grupa naukowcw udowodni¸a

w 1995 roku, ýe obliczenia kwantowe

mog by wykonywane za pomoc ob-

rotw poszczeglnych spinw i bramek

ãkontrolowane NIEÓ. Co wi«cej, ten typ

kwantowej bramki logicznej ma znacz-

nie bardziej wszechstronne zastosowa-

nia niý jej klasyczny odpowiednik, po-

niewaý sk¸adajce si« na ni spiny mog

znajdowa si« w superpozycji stanw

ãdo gryÓ i ãdo do¸uÓ. Obliczenia kwan-

towe b«d zatem dotyczy jednoczeænie

uk¸adu niezgodnych ze sob, zdawa¸o-

by si«, danych wejæciowych.

Dwie rzeczy naraz

W 1996 roku wraz z Markiem G. Ku-

binecem z University of California w

Berkeley przystpiliæmy do budowy

skromnego dwubitowego komputera

kwantowego wykonanego z niewielkiej

iloæci chloroformu. Jednak przygotowa-

nie danych wejæciowych nawet dla tego

dwubitowego urzdzenia wymaga¸o

sporego wysi¸ku. Seria impulsw radio-

wych musia¸a przekszta¸ci niezliczone

jdra w doæwiadczalnym p¸ynie w uk¸ad,

ktry ma nadwyýk« spinw skierowa-

nych w okreælonym kierunku. Nast«p-

nie qubity te trzeba by¸o kolejno mody-

fikowa. W przeciwieÄstwie do bitw

w komputerach konwencjonalnych, kt-

re w trakcie rachunkw w uporzdko-

wany sposb w«druj przez sie bramek

logicznych, qubity si« nie przemieszcza-

j. Zamiast tego za pomoc rýnych ma-

nipulacji wykorzystujcych jdrowy re-

zonans magnetyczny doprowadza si« do

nich bramki logiczne. W istocie program

komputerowy, ktry ma zosta zrealizo-

wany, zakodowany jest w postaci szere-

gu impulsw o cz«stoæciach radiowych.

Pierwszy rachunek, ktry przeprowa-

dziliæmy, wykorzystywa¸ wyjtkowe

moýliwoæci obliczeÄ kwantowych wyni-

kajce z pomys¸owego algorytmu prze-

szukiwania opracowanego przez Lova

K. Grovera z Bell Laboratories. Typowy

komputer szukajcy wybranego elemen-

tu ukrytego gdzieæ w bazie danych sk¸a-

dajcej si« z n fiszek potrzebuje na jego

znalezienie przeci«tnie n /2 prb. Oka-

å WIAT N AUKI SierpieÄ 1998 53

IMPULS

180-STOPNIOWY

90¡ W Dîü

OBRîT

JDRA W¢GLA

ZA POMOC

IMPULSU

90¡ W Dîü

bywa si« to bez koniecznoæci zamroýe-

nia cieczy, co mog¸oby si« skoÄczy

utrat jej zdolnoæci do zachowania d¸u-

gich okresw koherencji.

Tak wi«c da si« zbudowa wi«ksze

komputery kwantowe. Jak szybkie mo-

g one by? Efektywny okres jednego cy-

klu komputera kwantowego okreæla naj-

d¸uýszy czas potrzebny, aby spiny si«

obrci¸y. Ten z kolei zdeterminowany

jest przez oddzia¸ywanie spinw i za-

wiera si« w przedziale od kilkuset do kil-

ku cykli na sekund«. Cho operowanie

tak niewieloma cyklami wydaje si« nie-

zwykle powolne w porwnaniu z mega-

hercow pr«dkoæci komputerw kon-

wencjonalnych, komputer kwantowy

z odpowiedni liczb qubitw mg¸by

osign taki stopieÄ kwantowej rwno-

leg¸oæci obliczeÄ, ktry zdo¸a¸by roz¸o-

ýy 400-cyfrow liczb« na czynniki

pierwsze w czasie oko¸o roku.

B«dc pod wraýeniem takich perspek-

tyw, rozmyælaliæmy usilnie, jak zbudo-

wa taki komputer w praktyce. Znale-

zienie czsteczek o wymaganej liczbie

atomw nie jest trudne. Problem jednak

w tym, ýe wraz ze wzrostem rozmiaru

czsteczki oddzia¸ywania pomi«dzy naj-

bardziej oddalonymi od siebie spinami

staj si« zbyt s¸abe, aby da¸o si« je za-

stosowa jako bramki logiczne. Nie

wszystko jednak stracone. Seth Lloyd

z MIT wykaza¸, ýe moýna w zasadzie

skonstruowa pot«ýny komputer kwan-

towy nawet wtedy, gdy kaýdy atom od-

dzia¸uje jedynie z kilkoma najbliýszymi

ssiadami Ð podobnie jak dziæ buduje

si« komputery rwnoleg¸e. Ten rodzaj

komputera kwantowego mg¸by zosta

wykonany z d¸ugich czsteczek w«glo-

wodorowych i oparty by¸by rwnieý na

technikach jdrowego rezonansu ma-

gnetycznego. Spiny wielu u¸oýonych

w d¸ugi ¸aÄcuch jder atomowych s¸uýy-

¸yby jako qubity.

Inn barier na drodze do praktycz-

nego wykorzystania jdrowego rezonan-

su magnetycznego w obliczeniach jest

koherencja. Obracajce si« w cieczy j-

dra zaczn Ð podobnie jak pozbawione

odpowiednich instrukcji p¸ywaczki syn-

chroniczne Ð traci koherencj« po czasie

od kilku sekund do kilku minut. Porw-

nanie najd¸uýszego czasu koherencji dla

p¸ynw z okresem charakterystycznym

jednego cyklu wskazuje, ýe z zachowa-

niem kwantowej koherencji moýna b«-

dzie wykona oko¸o 1000 operacji. Na

szcz«æcie okazuje si«, ýe czas ten da si«

wyd¸uýy, dodajc qubity w celu korek-

cji b¸«dw kwantowych.

Cho w klasycznych komputerach

teý stosuje si« dodatkowe bity do de-

tekcji i korygowania b¸«dw, wielu eks-

pertw by¸o zaskoczonych, gdy Shor

SZYBKO

WOLNO

SZYBKO

WOLNO

SZYBKO

WOLNO

90¡ DO GîRY

ODWRîCENIE

ZA POMOC

IMPULSU

90¡ DO GîRY

OBRîCONY

NIEOBRîCONY

BRAMKA LOGICZNA ãKONTROLOWANE NIEÓ odwraca jedno z dwch wejæ w spo-

sb warunkowany stanem drugiego wejæcia. Autorzy artyku¸u zbudowali kwantow bram-

k« ãkontrolowane NIEÓ, wykorzystujc oddzia¸ywania pomi«dzy spinami wodoru i w«gla

w czsteczce chloroformu. Najpierw impuls oscylujcy obraca jdro w«gla o 90 o . Nast«p-

nie jdro to wykonuje precesj« Ð szybk, jeæli ssiedni wodr jest w jednym stanie; lub

woln, jeæli wodr znajduje si« w innym stanie. Po odpowiednim czasie stosuje si« kolej-

ny impuls 90-stopniowy, ktry powoduje, ýe w«giel albo odwraca si« ( z lewej ), albo wra-

ca do swojego stanu pocztkowego ( z prawej ), w zaleýnoæci od stanu, w jakim znajduje

si« ssiedni atom wodoru.

zuje si«, ýe algorytm kwantowego prze-

szukiwania zaproponowany przez Gro-

vera pozwala dokona tego w trakcie

Ö n prb. Przyk¸adem tej oszcz«dnoæci

jest nasz dwubitowy komputer kwanto-

wy, ktry potrafi odszuka element ukry-

ty na czteroelementowej liæcie w jednym

zaledwie kroku. Klasyczne rozwizanie

tego problemu przypomina prb« otwo-

rzenia dwubitowej k¸dki metod prb

i b¸«dw; ma¸o prawdopodobne jest zna-

lezienie odpowiedniej kombinacji za

pierwszym razem. Okazuje si«, ýe kla-

syczna metoda rozwizania problemu

wymaga przeci«tnie wykonania dwch

lub trzech prb.

Podstawowym ograniczeniem kom-

putera chloroformowego jest ma¸a licz-

ba zawartych w nim qubitw. Da si« j

zwi«kszy, ale nie moýe ona przekro-

czy liczby atomw w stosowanej cz-

steczce. Za pomoc istniejcej aparatu-

ry wykorzystujcej jdrowy rezonans

magnetyczny moýna skonstruowa

komputer majcy co najwyýej 10 qubi-

tw (wynika to z faktu, ýe w temperatu-

rze pokojowej nat«ýenie wymaganego

sygna¸u spada gwa¸townie wraz ze

wzrostem liczby magnetycznych jder

w czsteczce). Aparatura ta, zaprojek-

towana specjalnie do obserwacji odpo-

wiednich czsteczek, moýe podwyýszy

ten wskanik trzy- lub czterokrotnie.

Jednak do zbudowania wi«kszych kom-

puterw trzeba zastosowa inne tech-

nologie, takie jak pompowanie optycz-

ne konieczne do ãch¸odzeniaÓ spinw:

æwiat¸o odpowiedniego lasera pozwala

na efektywne u¸oýenie jder dzi«ki eli-

minacji ruchu termicznego moleku¸. Od-

54 å WIAT N AUKI SierpieÄ 1998

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: