Сколько энергии будут потреблять квантовые компьютеры? Дать точный ответ невозможно, пока ученые пытаются ответить на более простой вопрос - какова минимальная энергия, которую необходимо затратить для выполнения одной логической операции.

Квантовые компьютеры - довольно модная тематика. Это значит, что сотни и тысячи научных групп во всем мире бьются над подходами к задаче создания таких устройств, а еще большее количество людей более или менее успешно старается "присоседиться". С практической точки зрения интерес к квантовым компьютерам обусловлен тем, что их создание позволило бы получить огромный выигрыш в скорости вычисления для целого ряда задач.

Нельзя сказать, чтобы работа тысяч и тысяч людей была безрезультатной - первые экспериментальные образцы устройств, способных выполнять квантовые вычисления, уже созданы (см., например, эту новость ). Однако до создания работающих квантовых компьютеров, как говорится, "дистанция огромного размера" - пока еще невозможно даже со стопроцентной уверенностью утверждать, что они могут быть созданы в обозримом будущем. Впрочем, даже и в случае отсутствия впечатляющего практического результата, нельзя будет сказать, что силы потрачены зря - исследования все равно позволят углубить понимание целого ряда достаточно фундаментальных вопросов и получить "побочные" прикладные результаты.

Один из вопросов, который возникает в связи с задачей создания квантового компьютера, какова минимальная необходимая энергия, которую необходимо затратить на проведение элементарной логической операции при квантовых вычислений? Этому вопросу посвящена работа ученого из Арканзасского университета [1]. Помимо "физического" интереса, оценка энерговыделения, сопровождающего работу квантового компьютера, состоящего из достаточного большого числа базовых элементов (квантовых битов - кубитов), очевидно, важна и практической точки зрения.

Первый, что называется, напрашивающийся, вопрос, а нельзя ли сделать так, чтобы выполнение квантовых вычислений (по большей части) происходило без затраты энергии? В процессе выполнения квантовых вычислений происходит изменение квантовых состояний кубитов (в простейшем случае каждый кубит представляет собой квантовую систему с двумя базисными состояниями) и построенных из них логических вентилей. Если базисные состояния имеют разную энергию, то очевидно, что квантовые вычисления сопряжены с расходом энергии, однако можно себе представить кубит, базисные состояния которого вырождены по энергии (например, состояния электрона с противоположно направленными спинами имеют одинаковую энергию). Оказывается, однако, что и в таком случае нельзя избежать затраты энергии; это связано с тем, что для манипуляций с кубитами (например, переключения из одного состояния в другое) необходимо внешнее управляющее воздействие.

От чего же зависит минимальная энергия, необходимая для квантовых вычислений? Принципиальной особенностью квантовых компьютеров является то, что любой реальный кубит "годен к работе" только в течении ограниченного времени. То есть, приведя квантовую систему (кубит) в определенное состояние, мы не можем ожидать, что она будет находиться в этом состоянии бесконечно долго: через некоторое время (время когерентности) система "забудет" о своем первоначальном состоянии, произойдет декогерентизация (смотри об этом в нашей новости ). Из этого факта следуют очевидный вывод: время выполнения отдельных операций должно быть меньше времени когерентности. Но даже выполнение этого условия не позволяет нам надеяться на идеальную работу системы: время когерентности - это, конечно, характерное время, а не жестко фиксированная величина. Поэтому нельзя исключить вероятности того, что кубит "забудет" свое состояние за время, меньшее времени выполнения операции (в таком случае операция не будет выполнена должным образом, произойдет ошибка). Поскольку ошибки при работе квантовых комьютеров неизбежны, необходима разработка специальных алгоритмов коррекции ошибок, а чтобы работа квантового компьютера из-за реализации сложных процедур коррекции ошибок не стала неэффективной, нужно добиться по возможности малой вероятности ошибки при выполнении операции (время выполнения операции должно быть не просто меньше, но много меньше времени когерентности).

Необходимость свести вероятность ошибки при выполнении элементарной логической операции к приемлемой величине (порядка 10^-5) накладывает определенные условия на управление квантовой системой. Управление может осуществляться с помощью изменения статических внешних условий (например, включения/выключения магнитного поля) или с помощью электромагнитного поля. Чтобы обеспечить требуемую точность управления, скажем, с помощью электромагнитного поля, флуктуации поля должны быть достаточно малы. Например, среднее число фотонов в управляющем импульсе должно быть достаточно велико, что, естественно, накладывает ограничение на минимальные затраты энергии. Кроме того, чем меньше время когерентности квантовой системы, тем большее количество управляющих импульсов будет требоваться в единицу времени. Исходя из подобных пальцевых рассуждений, мы видим, что минимальные затраты энергии должны быть тем больше, чем меньше время когерентности (соответственно, и время выполнения логической операции) и чем меньше допустимая вероятность ошибки. Американский ученый, действуя более строго, показал, что необходимость выполнения элементарной операции с данной точностью за определенное время ведет к достаточно простому по виду ограничению E_min ~ h/2p e T, где e   - допустимая вероятность ошибки, а T - время выполнения операции (для случая управления полем E_min ~ hn  /e ).

Рис.1. Расчетное минимальное энергопотребление квантового компьютера из 1000 кубитов при двух способах управления: сплошная линия - с помощью электромагнитного поля, штриховая линия - с помощью статических полей.

Во что же должны вылиться такие ограничения на практике? На рис. 1 показано расчетное минимальное энергопотребление квантового компьютера, состоящего из 1000 квантовых битов, в зависимости от времени когерентности t _c. Как это не удивительно на первый взгляд, устройство, состоящее из ограниченного числа квантовых битов (микроскопических, квантовых систем!), при не столь уж малых временах когерентности (в несколько десятков микросекунд) будет потреблять мощность в десятки кВт или даже несколько МВт! Мягко говоря, сложно себе представить реальный квантовый компьютер, работающий в таких адских условиях. При всей приблизительности подобных оценок, они показывают, что квантовые вычисления большого объема потребуют использования кубитов с очень большим временем когерентности.

1. Julio Gea-Banacloche. Phys.Rev.Lett., v.89, 217901 (2002).

Е.Онищенко