WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 58 |

В действительности вспомогательноеквантовое аппаратное обес­печение тоже было бы компьютером. Например, интерферометр мог быдействовать, как подобный прибор, и. как любой другой физичес­кий объект, его можно было бысчитать компьютером. Сегодня мы на­звали бы его специализированнымквантовым компьютером. Мы «про­граммируем» его, устанавливаязеркала так, чтобы создать определен­ную геометрию, и затем направляемодин фотон на первое зеркало. В эксперименте с неслучайной интерференцией фотонвсегда будет по­являться в одном конкретном направлении, определяемом установкойзеркал, и мы можем интерпретировать это направление как указываю­щее результат вычисления. В болеесложном эксперименте с нескольки­ми взаимодействующими частицами такое вычисление запросто моглобы, как я уже объяснил, стать «труднообрабатываемым». Но посколь­ку мы смогли получить егорезультаты, просто проведя эксперимент, значит, его все-таки нельзя назватьдействительно труднообрабатыва­емым. Нам теперь следует быть более осторожными в вопросахтер­минологии.Очевидно, что существуют вычислительные задачи, кото­рые «с трудом поддаютсяобработке», если мы пытаемся решить их с помощью любого существующегокомпьютера, но которые перешли бы в разряд легко обрабатываемых, если бы вкачестве специализиро­ванных компьютеров мы использовали квантово-механическиеобъек­ты. (Обратитевнимание, что возможность использования квантовых явлений для выполнениявычислений с помощью такого метода обу­словлена тем, что эти явления неподвержены хаосу. Если бы резуль­тат вычислений был функцией, чрезмерно чувствительной кначально­му состоянию,«запрограммировать» такое устройство, установив его в подходящее начальноесостояние, было бы непосильно сложной зада­чей).

Использование вспомогательного квантовогоустройства таким об­разом можно было бы посчитать надувательством, так как очевидно,что любую среду гораздопроще передать, имея доступ к ее запасной копии для проведения измерений вовремя передачи! Однако Фейнман выдвинул гипотезу, что нет необходимости виспользовании точной ко­пии передаваемой среды: что можно найти вспомогательное устройствос гораздо более простой конструкцией, но интерференционные свойства которого,тем не менее, будут аналогичны свойствам передаваемой сре­ды. Оставшуюся часть передачиспособен осуществить обычный ком­пьютер, работающий аналогичным образом между вспомогательнымустройством и передаваемой средой. Фейнман ожидал, что эта зада­ча будет легкообрабатываемой.Более того, он предполагал, как ока­залось, правильно, что все квантово-механические свойства любойпе­редаваемой средыможно смоделировать с помощью вспомогательных устройств конкретного вида,который он точно определил (а именно, совокупности вращающихся атомов, каждыйиз которых взаимодейст­вует со своими соседями). Он назвал весь класс таких устройствуни­версальным квантовым имитатором.

Однако этот имитатор не былотдельной машиной, какой он должен был бы быть, чтобы называться универсальным компьютером.Взаимодействия, которым пришлось бы подвергнуться атомам имитатора, нельзя былоустановить однажды и навсегда, как в универсальном ком­пьютере, их нужно былопереустанавливать для каждой передаваемой среды. Однако смысл универсальности втом, что должно быть возмож­ным запрограммировать отдельную машину, точно определенную раз инавсегда, для выполнения любого возможного вычисления или пере­дачи любой возможной среды. В 1985году я доказал, что в квантовой физике существует универсальный квантовый компьютер. Этодоказа­тельство былоабсолютно прямым. Все, что мне пришлось сделать, это скопировать устройстваТьюринга, но для определения лежащей в их основе физики воспользоваться неклассической механикой, которую Неявно принимал Тьюринг, а квантовой теорией.Универсальный кван­товый компьютер может выполнить любое вычисление, которое можетвыполнить любой другой квантовый компьютер (или любой компьютер типа машиныТьюринга), а также он может передать любую конечную физически возможную среду ввиртуальной реальности. Более того, С тех пор было показано, что время иостальные ресурсы, которые ему понадобятся для осуществления всего этого, небудут увеличиваться экспоненциально с ростом размеров или числа деталейпередаваемой среды, так что важные вычисления будут легкообрабатываемы всоот­ветствии снормами теории сложности.

Классическая теория вычисления, которая втечение полувека оставалась неоспоримым основанием вычисления, сейчас устарела,пре­вратившись развечто, как и остальная классическая физика, в схему аппроксимации. Сейчастакой теорией вычисленияявляется квантовая теория вычисления. Я сказал, что Тьюринг в своем устройственеявно использовал «классическую механику». Но, оценив прошедшие события,сейчас мы можем увидеть, что даже классическая теория вычисления не полностьюсоответствовала классической физике и содержала серь­езные предзнаменования квантовойтеории. Совсем не совпадение, что слово бит, означающее наименьшее возможноеколичество информа­ции, которым способен управлять компьютер, в сущности значит то жесамое, что и квант,дискретный компонент. Дискретные перемен­ные (переменные, которые не могутпринимать непрерывный диапа­зон значений) чужды классической физике. Например, если переменнаяимеет только два возможных значения, скажем, 0 и 1, как она вообще попадает из0 в 1 (Я задавал этот вопрос в главе 2). В классической физике ей пришлось быпереместиться из одного значения в другое с пе­рерывом, что несовместимо сработой сил и движений в классической механике. В квантовой физике нетнеобходимости в прерывном измене­нии —даже несмотря на то, что все измеримые величины дискретны. Это происходитследующим образом.

Для начала давайте представим несколькопараллельных вселен­ных, сложенных подобно колоде карт, причем вся колодапредставля­ет собойсовокупность вселенных. (Такая модель, в которой вселен­ные располагаются последовательно,весьма преуменьшает сложность мультиверса, но она вполне достаточна, чтобыпроиллюстрировать то, о чем я говорю). Теперь давайте изменим эту модель, чтобыучесть тот факт, что мультиверс — это не дискретный набор вселенных, а конти­нуум, и то, что не все вселенныеразличны. В действительности, для каждой вселенной, которая там присутствует,также существует конти­нуум идентичных вселенных, содержащий определенную крошечную, ноотличную от нуля долю мультиверса. В нашей модели эту долю можно представитьчерез толщину карты, причем каждая карта те­перь представляет все вселенныеданного типа. Однако, в отличие от толщины карты, доля каждого типа вселенныхизменяется со време­нем по квантово-механическим законам движения. Следовательно, долявселенных, обладающих данным свойством, тоже изменяется и изменя­ется непрерывно. В случае сдискретной переменной, которая изменя­ется от 0 до 1, допустим, что этапеременная принимает значение 0 во всех вселенных до начала изменения, а послеизменения она принима­ет значение 1 во всех вселенных. Во время изменения долявселенных, в которых значение равно 0, равномерно уменьшается от 100% до нуля,а доля вселенных, в которых это значение равно 1, соответственнорас­тет от нуля до100%. На рисунке 9.4 показана точка зрения мультиверса на подобноеизменение.

Рис. 9.4.Перспектива мультиверса на неприрывное изменение бита от 0 до 1

Из рисунка 9.4 может показаться, что хотяпереход от 0 к 1 объек­тивно непрерывен с перспективы мультиверса, он остаетсясубъектив­но прерывнымс перспективы любой отдельной вселенной — представ­ленной, скажем, горизонтальнойлинией, доходящей до середины рисун­ка 9.4. Однако это всего лишь ограничение диаграммы, а не реальнаяхарактеристика того, что происходит на самом деле. Хотя диаграмма выглядит так,словно в каждое мгновение существует конкретная все­ленная, которая «только чтоизменилась» от 0 до 1, потому что она только что «пересекла границу», на самомделе это не так. Так быть не может, потому что такая вселенная строго идентичналюбой другой вселенной, в которой бит в данный момент имеет значение 1.Поэто­му, если быжители одной из них испытывали прерывное изменение, То жители всех другихиспытывали бы то же самое. Значит, ни одна из них не может иметь такой опыт.Обратите также внимание, что, как я объясню в главе 11, идея о чем-то, чтодвижется черездиаграм­му, подобнуюрисунку 9.4, на которой уже представлено время, просто ошибочна. В каждоемгновение бит имеет значение 1 в определенной доле вселенных и 0 — в другой. Все эти вселенные вкаждый момент времени уже показаны на рисунке 9.4. Они никуда недвижутся!

Еще один показатель неявного присутствияквантовой физики в классическом вычислении — это зависимость всех вариантовпрак­тическойреализации компьютеров типа машины Тьюринга от таких вещей как твердая материяили намагниченные материалы, которые не могли бы существовать в отсутствиеквантово-механических эффек­тов. Например, любое твердое тело состоит из совокупности атомов,состоящих из электрически заряженных частиц (электроны и прото­ны в ядре). Но из-за классическогохаоса ни одна совокупность заря­женных частиц не могла бы оставаться устойчивой при классическихзаконах движения. Положительно и отрицательно заряженные части­цы просто вылетали бы со своегоместа, сталкиваясь друг с другом, и конструкция распалась бы. Только сильнаяквантовая интерферен­ция между различными траекториями движения заряженных частиц впараллельных вселенных предотвращает такие катастрофы и делает возможнымсуществование твердой материи.

Создание универсального квантовогокомпьютера действительно выходит за рамки современной технологии. Как я ужесказал, что­быобнаружить явление интерференции, нужно вызвать соответству­ющее взаимодействие всех переменных, которые были отличнымиво вселенных, вступивших в интерференцию. Чем больше взаимодейст­вующих частиц, тем сложнееспровоцировать взаимодействие, кото­рое продемонстрировало бы интерференцию, то есть результатвычис­ления. Средимножества технических сложностей работы на уровне одного атома или электронаодна из важнейших состоит в огражде­нии среды от воздействия различных интерферирующихсубвычисле­ний.Поскольку, когда группа атомов подвергается явлению интерфе­ренции, причем эти атомыдифференцированно воздействуют на дру­гие атомы этой среды, тоинтерференцию уже невозможно обнару­жить с помощью измерений только исходной группы, и эта группа ужене выполняет какое бы то ни было полезное квантовое вычис­ление. Это называется декогерентностью. Следует добавить, чтоэту проблему часто представляют в ложном свете: нам говорят, что«кван­товаяинтерференция — оченьчувствительный процесс, и его следует ограждать от любых внешних воздействий».Но это не так. Внешние воздействия способны вызвать малейшие несовершенства, ноименно эффект квантового вычисления внешнего мира вызываетдекогерентность.

Таким образом, ставка делается на созданиесубмикроскопических систем, в которых переменные, несущие информацию,взаимодейству­ют другс другом, но оказывают на свою среду возможно меньшее вли­яние. Другое новое упрощение,уникальное для квантовой теории вы­числения, частично компенсирует сложности, вызываемыедекогерент­ностью.Оказывается, что в отличие от классического вычисления, где необходиморазрабатывать точно определенные классические логичес­кие элементы, как-то И,или и НЕ, при квантовомвычислении точная форма взаимодействий вряд ли имеет значение. В сущности,любую систему взаимодействующих битов атомного масштаба, если она недекогерирует, можно приспособить для выполнения полезных квантовыхвычислений.

Известны интерференционные явления,включающие огромные ко­личества частиц, например, суперпроводимость или супертекучесть,но кажется, что ни одно из них невозможно использовать для выпол­нения хоть сколь-нибудь интересныхвычислений. Во время написания книги в лаборатории можно было без трудавыполнить только одно­битовые квантовые вычисления. Однако, экспериментаторы уверены,что в течение нескольких последующих лет будут созданы двух- и бо­лее битовые квантовые логические элементы (квантовыеэквивален­тыклассических логических элементов). Это основные составляющие квантовыхкомпьютеров. Некоторые физики, особенно Рольф Ландауер из ИсследовательскогоЦентра IBM, настроены пессимистично отно­сительно перспектив будущихдостижений. Они полагают, что декогерентность никогда не будет сведена до тогоуровня, где можно будет выполнить больше, чем несколько последовательных этаповквантового вычисления. Большинство исследователей из этой области настроеныгораздо более оптимистично (хотя возможно, это связано с тем, что над квантовымвычислением решаются работать только очень большие оп­тимисты!). Уже были построенынекоторые специализированные кван­товые компьютеры (смотри ниже), и лично я думаю, что появлениеболее сложных квантовых компьютеров — скорее дело нескольких лет, чемдесятилетий. Что касается универсального квантового компьюте­ра, то я считаю, что его создание— это тоже толькодело времени, хотя мне не хотелось бы предсказывать, сколько времени на этоуйдет: десятилетия или века.

Тот факт, что репертуар универсальногоквантового компьюте­расодержит среды, передача которых является труднообрабатываемой дляклассического вычисления, говорит о том, что новые классы чис­то математических вычислений тожедолжны стать легкообрабатыва­емыми на этом компьютере. Как сказал Галилео, законы физикивыра­жаются на языкематематики, а передача среды эквивалентна оценке определенных математическихфункций. Действительно, в настоящее время обнаружено множество математическихзадач, которые можно было бы эффективно решить с помощью квантового вычисления,так как для всех известных классических методов они являются трудно­обрабатываемыми. Наиболееэффектной из этих задач является задача разложения на множители больших чисел.В 1994 году Питер Шор, ра­ботающий в Bell Laboratories, открыл метод, известный какалгоритм Шора. (Пока этакнига корректировалась, были открыты другие эф­фектные квантовые алгоритмы,включая алгоритм Гроверадля очень быстрого поиска длинных списков).

Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 58 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.