Литература

1] Р. Slichter. Principles of Magnetic Resonance. Third edition. Charles Springer-Verlag, 1992.

2] C.H.Bennett. Quantum Infomation AND Computation. Physics Today. Vol. 48, № 10, p. 24-30; October 1995.

3] S.Lloyd. Quantum-Mecanical Computers. Scientific American, Vol. 273, №4, p. 44-50; October 1995.

4] N. A. Gershenfeld and I. L. Chuang. Bulk Spin-Resonance. Quantum Computation. Science, Vol. 275, pp. 350-356; January 17, 1997.

5] L. K. Grover. Quantum Mechanics hepls in searching for a needle in a haystack. Physical Review Letters, Vol. 79, №2, p. 325-328; July 14, 1997. (Cm. предыдущую статью настоящего сборника.)

Быстрый поиск с ядерпо-магпитпым резопапспым компьютером

Джонатан А. Джоунс (Jonathan А. Jones)

Квантовые компьютеры могут совершить революцию во многих отраслях науки благодаря своей способности решать задачи, которые слишком трудны для обычных компьютеров. Хотя теория проста (см. сопутствующий комментарий Гровера [1]), реальное построение квантовых компьютеров оказывается чрезвычайно трудным, и до недавнего времени было возможно демонстрировать только очень простые операции. Однако, последние несколько лет стали временем чрезвычайно быстрого развития компьютеров, основанных на ядерно-магнитной резонансной (ЯМР) спектроскопии. Исследователи в IBM, Массачусет-ском Технологическом Институте и Университете Калифорнии в Беркли [2], а также мои коллеги в Оксфорде [3] продемонстрировали в настоящее время мощный квантовый алгоритм поиска с малыми ЯМР-ком-пьютерами.

Все действующие конструкции построены из тех же самых основных компонентов, квантовых битов (кубитов) и квантовых логических гейтов. Кубиты являются квантовым аналогом классических битов, но если биты могут принимать только две различные величины О и 1, кубиты не ограничены этими двумя базисными состояниями, обозначаемыми как 0) и а могут также существовать в таких состояниях, как 0) + называемых суперпозициями. Кубит в этом состоянии не находится ни просто в состоянии 0) или ни в промежуточном состоянии; скорее кубит находится в обоих состояниях одновременно. Квантовые логические гейты действуют на кубиты так же, как классические логические операции действуют на классические биты, но квантовые гейты также работают с суперпозициями и поэтому могут совершать множество операций в одно и то же время.

Centre for Quantum Computating and the Oxford Centre for Molecular Sciences, New Chemistry Laboratory, South Parks Road, Oxford 0X1 3QT UK. E-mail: jones@bioch.ox.ac.uk. Перевод 0. Д. Тимофеевской.

Кубит можно приготовить из любой квантово-механической системы с двумя состояниями. В ЯМР-компьютерах используются два спиновых состояния атомного ядра со спином У2 в магнитном поле. Различные атомы в молекуле можно отличить друг от друга, поэтому молекула может быть использована как квантовый компьютер, где каждый спин У2 ядра обеспечивает один кубит. Простые логические гейты, которые воздействует только на единственный кубит, могут

ыть легко реализованы радиочастотными полями. Эти поля сильно взаимодействуют с ядерными спинами, позволяя контролировать их с

громной точностью. Однако, чтобы выполнить интересные вычисления, нужны более сложные гейты, которые позволяют состоянию одного кубита действовать на другие кубиты в компьютере. Здесь тре-

уется такое взаимодействие между ядерными спинами, при котором

дин спин может чувствовать состояние других спинов в молекуле. К счастью, имеющееся в природе спин-спиновое парное взаимодействие имеет нужную форму.

ЯМР-сигнал от единственной молекулы слишком слаб, чтобы быть зарегистрированным, и поэтому для усиления сигнала необходимо использовать большое число тождественных копий. Это сделать нетрудно, так как даже несколько миллиграммов химического соединения будет содержать требуемое число молекул. Невозможно, однако, быть уверенными, что все копии начинают вычисления в том же самом начальном состоянии, и поэтому различные копии будут на самом деле выполнять различные вычисления, что делает чрезвычайно трудным извлечение нужного результата. Эта неспособность приготовить ЯМР-ком-пьютеры в хорошо определенном начальном состоянии препятствовала их использованию многие годы.

В 1997 году были опубликованы два независимых решения (4) этой проблемы. Оба доклада описали, как «выудить» эффективно чистое начальное состояние из сложной смеси и, таким образом, запустить счет, представляющий интерес (сигналы от других начальных состояний при

том можно скомпенсировать так, чтобы их общий результат свелся к нулю). После этого были построены два различных двубитных компьютера: один - Чангом с сотрудниками (2) на основе Н и С ядер в изотонически помеченном хлороформе (см. рисунок) и второй - одной из моих исследовательских групп в Оксфорде, используя два ядра Н в цитозине (3). Обе системы были использованы для выполнения простого квантового алгоритма решения задачи Дойча (5), которая вычисляет