2. Квантовая информатика

Спинтроника

Как показывает их название, электроны являются ключевыми элементарными частицами электроники: их перемещение в материалах-проводниках или полупроводниках под действием электромагнитной силы позволяет переносить энергию и информацию. В частности, в главе 18 мы описывали принцип и преимущество перехода к цифровым технологиям: кодировка информации в виде последовательности нулей или единиц позволяет полностью сохранять ее в присутствии помех и легко производить операции с ней.

Мы объяснили, что на практике эта кодировка может осуществляться благодаря последовательной подаче напряжения: например, единице будет соответствовать 15V, а нулю 0 V. И все же объем информации, который можно передать, ограничен тем, что напряжение не может мгновенно перейти от 15V к 0V из-за явления электромагнитной индукции: переход от 0 к 1 не может происходить слишком быстро. В пространственном измерении напряжение также не может вдруг измениться с 15V до 0V, что на этот раз ограничивает плотность накопленной информации.

Если мы хотим продолжать увеличивать информационный потенциал, необходимо найти средство обойти эти временны́е и пространственные пределы: нужно искать другие средства передачи информации, которые заменят электрическое напряжение.

Здесь-то и вмешиваются электроны. Опыт Штерна и Герлаха показывает, что электроны можно легко поделить на две части: электроны, которые отклоняются вверх (которые можно назвать up), и те, которые отклоняются вниз (down). Применительно к спину эти две категории вращаются в противоположных направлениях: можно сказать, что у электронов up спин +1/2, а у электронов down спин – 1/2.

Эта двойная популяция электронов идеальна для бинарного кодирования: например, 0 будет соответствовать электрону down, а 1 электрону up. Кроме того, поскольку электроны уже являются базой электроники, использование их спина не является переворотом в необходимых технологиях: по отношению к классическим системам достаточно суметь разделить популяции up и down (простым воздействием магнитного поля) и осуществить операции по повороту спина. Можно, таким образом, создать череду спинов по своему выбору, чтобы кодировать нужную информацию. В конечном итоге бинарная кодировка цифровой информации – удобный случай, предоставленный природой на самом элементарном уровне…

Теоретическая плотность, которой можно достичь, колоссальна: действительно, в том, что касается спина, каждый электрон соответствует некой информации. Другими словами, электрон = 1 биту информации. 8 электронов соответствуют, таким образом, байту. Если использовать свободные электроны (те, которые способны перемещаться), их плотность в таком металле, как медь, составляет примерно 10²⁹ электронов / м³: это соответствует 10 миллиардам гигабайтов в 1 мм³!

МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЕ

В ожидании, пока информацию спина можно будет обрабатывать на его элементарном уровне, «спинтроника» пока использует его более глобальным способом. Поскольку из своего спина электроны являются маленькими магнитами, их перемещение искажается в намагниченной среде: там электроны передвигаются более или менее легко согласно направлению (up или down) их спина. Другими словами, электрический ток (а значит, и сопротивление материала) очень зависит от ориентации спина электронов: в данном случае говорят о магнетосопротивлении. В конечном итоге дешифровка спина электронов делается с помощью классического сопротивления: это общее измерение спина, которое делается на всем токе, а не на отдельном электроне. За открытие феномена «гигантского магнетосопротивления», сделанное в 1988 г., француз Альбер Ферт в 2007 г. получил Нобелевскую премию. В 1997 г. началось первое коммерческое применение спинтроники в головке считывания жестких дисков. У этой молодой дисциплины впереди, без сомнения, блестящее будущее.

Квантовые компьютеры

В опыте Штерна и Герлаха все атомы серебра идентичны на момент их эмиссии. Однако, когда они проходят рядом с магнитом, половина атомов отклоняется вверх (то есть спин равен ½), а другие отклоняются вниз (спин равен –1/2). То есть акт измерения создает информацию, которой раньше не существовало: до магнита заданный атом серебра имеет 50 % шансов быть отклоненным вверх и 50 % быть отклоненным вниз. Выбор up или down принадлежит природе, и на момент измерения он случаен: таково главное свойство квантовой физики, которое мы уже констатировали в опыте Юнга (глава 23). В конечном итоге до измерения величина спина еще не определилась: спин остается в форме волны, пока его не измерили.

Состояние атома серебра до измерения может, таким образом, быть записано в следующей форме: «половина up, половина down» или «50 % up, 50 % down». Интересная возможность квантовой физики состоит в том, что она позволяет существовать частице, которая необязательно находится в равновесии: например, «75 % up, 25 % down». В этом случае, если мы хотим измерить ее спин, у нас 75 % шансов обнаружить, что спин +1/2, и 25 % шансов, что спин –1/2.

Мы уже говорили о способности, сравнимой с туннельным эффектом (глава 23): пока частица существует в виде волны, она может оказаться одновременно по правую и по левую сторону барьера, но не в равной степени. Можно, например, на 75 % обнаружить частицу слева от барьера и на 25 % справа: все зависит от размера барьера.

Вернемся к спину электрона: во время обнаружения можно получить лишь два значения (+1/2 или –1/2), что соответствует одному биту информации (0 или 1). Но пока спин остается в виде волны, информация, которую он содержит, гораздо объемнее: электрон «75 % up, 25 % down» не такой, как электрон «50 % up, 50 % down» или «10 % up, 90 % down». То есть существует не только два возможных состояния, а бесконечное количество: спин электрона до измерения соответствует не простому биту информации, а «мультибиту», который называется «кубит» (квантовый бит).

Такое бурное развитие возможностей передачи информации кажется интересным для применения в компьютере. Тем не менее существует ограничение в размере: прочесть эту информацию напрямую невозможно, поскольку всякое измерение уничтожает волну. Предположим, что мы хотим проверить, что электрон составляет «75 % up, 25 % down». Для этого понадобится по меньшей мере сотня измерений: 75 раз отмерить up и 25 down, что позволит точно оценить первоначальное состояние электрона. В этом примере в 100 раз больше информации о каждом электроне, но нужно 100 электронов, чтобы ее прочесть: в смысле плотности информации мы не далеко продвинулись…

Зато ничто не мешает проделать манипуляции над спином до измерения, то есть вслепую: спины тогда пребывают в форме волны, что умножает возможности измерения.

Пример квантового подсчета

Чтобы понять, как это можно сделать, приведем простой пример: возьмем датчик, способный измерять состояние поляризации фотона (прямолинейную, правую круговую, левую круговую…). Представим два фотона с круговой поляризацией, но неизвестно, левой или правой. Мы хотим задать компьютеру следующий вопрос: «Одинакова ли поляризация у обоих фотонов?»

С обычным компьютером необходимо проделать два измерения: одно на каждый фотон. Если один из фотонов «левый», а другой «правый», ответ компьютера будет «Нет». Если они оба правые или оба левые, компьютер ответит «Да».

Преимущество квантового компьютера в том, что он может найти ответ за одно измерение: достаточно наложить фотоны друг на друга, чтобы они еще пребывали в форме волны. Если один из них «круговой правый», а другой «круговой левый», мы видели, что полученная волна была прямолинейной. Если оба «круговые левые», волна останется «круговой левой». То же самое, если оба «круговые правые». Другими словами, если компьютер определяет прямолинейную поляризацию, значит, оба фотона вращаются в противоположных направлениях, и он может ответить «Нет». Если компьютер определяет круговую поляризацию, он может ответить «Да».

В этом примере квантовый компьютер действует вдвое быстрее, чем обычный компьютер, поскольку тот должен произвести измерение дважды. Отметим, что он не может прочесть дополнительную информацию: по одному измерению «Нет» он знает лишь, что оба фотона имеют противоположную поляризацию, но не знает, какой из них левый, какой правый. Что до классического компьютера и его двух измерений, он смог определить состояние каждого из двух фотонов, но это значит, что он произвел бесполезные действия: вопрос состоял только в том, одинаковы ли состояния поляризации фотонов. Преимущество квантового компьютера в способности избежать бесполезных операций и сразу ответить на поставленный вопрос. Эта простая возможность чрезвычайно ценится в информатике.

БОРЬБА С ДЕКОГЕРЕНЦИЕЙ

Квантовая информатика основана на операциях, которые производятся с волнами, а не частицами. Между тем мы видели, что из-за явления декогеренции взаимодействие с окружающей средой может уничтожить волну и превратить ее в частицы. Таким образом, вся трудность в том, чтобы суметь произвести операцию до того, как частица-волна превратилась в корпускулу.

Случается, что окружающая среда особенно хаотична в микромасштабе, даже если это происходит только из-за теплового волнения: превращение электрона в частицу происходит быстро. Таким образом, операции должны производиться в очень кратком временном интервале.

Надежда на то, что возможно напрямую манипулировать квантовыми волнами через компьютер, не лишена основания. За последние годы наблюдался быстрый прогресс: в частности, Нобелевской премии за 2012 год был удостоен француз Серж Арош за работу по контролю над декогеренцией.

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Спин соответствует собственному моменту импульса частиц, художественно уподобляемому вращению частиц вокруг своей оси.

• Спин фотона равен 1 и связан с поляризацией света. Спин электрона равен ½ и объясняет намагничивание веществ.

• В том, что касается местоположения, спин имеет корпускулярно-волновую природу: частица обладает всеми возможными спинами сразу, пока не будет измерена. Выбор спина в момент измерения случаен.

• Направление спина электрона составляет бит фундаментальной информации, что открывает многочисленные возможности применения в цифровой электронике.

• Будучи волной, спин представляет кубит информации, что гораздо больше обычного бита. Эта информация не может быть использована напрямую, но она позволяет производить более эффективные операции: это составляет основу развития квантовых компьютеров.