Как и всё новое , компьютеры , и , в особенности , персональные компьютеры всех видов, кроме явных преимуществ и положительного эффекта от использования , принесли осознание того , что эти самые умные и полезные инновации несут в себе и очень многие проблемы

Как оказалось устранить такие проблемы исключительно сложно, а в большинстве случаев проактически невозможно в пределах допустимых финансовых затрат

Особенно это явление укрепилось и распространилось на новые отрасли и технологические направления с появлением интернета

В этой связи наибольшую перспективу представляют так называемые квантовые компьютеры

У этих типов компьютеров , общие признаки которых до сих пор окончательно не определены и не до конца исследованы , также уже , даже на начальном этапе развития , определены и выявлены специфические проблемы , также требующие решения для расширения и интенсификации инновационного фронта проектов по развитию инфраструктуры квантовых компьютеров

Физики установили, что квантовая запутанность - коррелирование измерений физических характеристик объектов (например спинов фотонов), которая считалась "основной силой" квантовых компьютеров, может быть для них вредна. Использование некоторых особенно запутанных состояний приводит к тому, что подобные машины проигрывают своим классическим аналогам. Статья исследователей появилась в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение доступно на сайте Американского физического общества.

В рамках своей работы, которая носила сугубо теоретический характер, исследователи изучали модель квантового компьютера, предложенную немцами Гансом Бригелем и Робертом Рауссендорфом в 2001 году. В рамках этой модели компьютер представляет собой бинарную функцию (программу), которая по очереди проводит измерения подсистем некоторой квантовой системы, представляющей собой начальные данные программы. Работа функции на каждом шаге определяется, в том числе, и результатами уже сделанных измерений.

В работе всякого квантового компьютера присутствует элемент случайности, поскольку он основан на принципах квантовой механики, в основе которой лежит понятие вероятности. В данной работе элемент случайности характеризовался так называемой геометрической мерой запутанности. В качестве системы, на которой проходила работа функции-программы использовалась система из n кубитов, а запутывались различные подмножества этой системы.

В результате исследователям удалось установить, что основная доля исходных состояний системы - состояния, при которых после работы программы геометрическая мера запутанности оказывается выше, чем если бы задачу на каждом этапе алгоритма решали подбрасыванием монетки в воздух. По словам исследователей, данный результат показывает, что, чтобы быть пригодными для практического исследования, квантовые компьютеры должны использовать не только явление квантовой запутанности, но и другие особенности микромира.

Сразу две группы физиков заявили о создании систем из трех запутанных сверхпроводящих кубитов. Подобные системы, теоретически, дают возможность минимизировать количество ошибок, допускаемых квантовым компьютером. Работы обеих групп опубликованы в журнале Nature. Коротко они описаны на портале Nature News.

Запутанность - это особое свойство квантовых систем, которое проявляется в том, что они оказываются связаны друг с другом, даже находясь на значительном расстоянии. Если состояние одной из систем изменяется, то одновременно изменяется и состояние остальных. Эта особенность позволяет наблюдателю узнавать состояние всех запутанных систем, проводя измерения только для одной из них.

Считается, что запутанность может оказаться полезной при создании квантовых компьютеров - вычислительных устройств, которые смогут проводить намного больше вычислений в единицу времени, чем обычные компьютеры, благодаря тому, что квантовые системы одновременно находятся в нескольких состояниях - так называемая суперпозиция. Однако при проведении вычислений такие компьютеры неизбежно ошибаются - из-за особенностей своей природы они теряют часть информации.

Для того чтобы обойти эту трудность, необходимо использовать для вычислений системы из более чем трех кубитов (квантовых аналогов битов). Чтобы узнать, не произошла ли ошибка, необходимо провести измерение, а это разрушает суперпозицию. Но если каждый кубит запутан с еще двумя, то можно измерить состояние двух из них, в то время как третий продолжит "работать".

Авторам двух новых работ впервые удалось запутать три кубита, представляющие собой сверхпроводящие электрические контуры - именно они считаются самыми перспективными конструкциями для создания квантовых компьютеров, так как с ними можно оперировать практически так же, как с обычными электронными устройствами. Одна из групп смогла добиться состояния квантовой запутанности GHZ, которое является суперпозицией трех кубитов в состоянии 0 или 1. Второй коллектив реализовал так называемое состояние W, когда два из трех запутанных кубитов представляют логическое значение 0, а один - 1.

Пока ни одна из групп на практике не показала, насколько в созданных им системах возможно исправление ошибок.

Хотя запутывание трех сверхпроводящих контуров является значительным достижением, при создании других квантовых систем физики умеют запутывать куда большее количество составляющих. Так, ученым удалось создать систему из восьми запутанных ионных кубитов и десяти фотонных. Кроме того, недавно был предложен алгоритм, теоретически, позволяющий запутывать произвольное число частиц.

Важность и захватывающие перспективы дальнейшего развития темы , активно восприняты инновационным сообществом и это дало толчёк к новым и новым исследованиям и идеям

Физики разработали квантовый компьютер, вычислительная мощность которого при масштабировании способна во много раз превзойти способности классических ЭВМ. Результаты четырех независимых групп исследователей по созданию сходных устройств появились в журнале Science и архиве Корнельского университета, кратко суть публикаций пересказывает Nature News и Science Now.

Устройство состоит из расположенных на микрочипе нескольких стеклянных волноводов, несколько раз перекрещивающихся между собой. Одиночные фотоны подаются на ввод устройства и детектируются на его выходе.

То, в какие выводы попадут фотоны, зависит от их взаимодействия между собой в местах перекрещивания. Это взаимодействие можно довольно просто смоделировать на обычном компьютере, но только до тех пор, пока фотонов очень мало. С ростом их числа вычислительная сложность такой задачи возрастает экспоненциально. При 25 фотонах на 400 каналах измерить получившийся результат становится уже проще, чем его вычислить.

Ученые обращают внимание на то, что созданное оптическое устройство является фактически квантовым компьютером, вычисления в котором проводятся при помощи взаимодействия фотонов. При моделировании поведения фотонов компьютер решает задачу вычисления перманента матрицы - та же самая задача в созданном оптическом устройстве решается "физически". Перманент матрицы - это функция от элементов этой матрицы, используемая в дискретной математике и комбинаторике. Формула для перманента выглядит как формула для определителя матрицы, в которой все минусы заменены на плюсы. В отличие от определителя вычисление перманента является крайне сложной с вычислительной точки зрения задачей.

Главным недостатком созданного устройства является его узкая специализация для решения одной задачи. Пока "компьютер" способен справляться только с одной задачей - вычислением перманента, но авторы подчеркивают, что главное при его создании - показать потенциальные способности устройства.

Для создания более привычных квантовых компьютеров обычно используются ионизированные атомы, собранные в квантово запутанные системы. Вычисления в них проводятся при помощи изменения спинов. Ключевым отличием квантовых устройств от классических является то, что они способны одновременно находиться в нескольких состояниях, поэтому вычисления в них проводятся одновременно, а не последовательно, и полученный результат имеет вероятностный характер.

Европейские физики рассмотрели динамику поведения спинов в системе наномагнитов, облучив их комплексы нейтронами. Работа ученых опубликована в журнале Nature Physics, а ее краткое содержание можно прочитать на сайте Института имени Лауэ-Ланжевена в Гренобле.

Авторы изучали наномагниты на основе кольцевых органических комплексов, которые несут несколько атомов металлов. Спины электронов обладают в таких системах необычными свойствами, что объясняется строгим конечным размером последних. Подобные комплексы интересуют ученых как потенциальные устройства хранения информации в квантовых компьютерах.

Ученые показали, что поведение спинов электронов в таких системах можно измерить напрямую, без использования компьютерного моделирования. Для этого физики облучали кристаллические образцы пучком нейтронов и фиксировали их рассеяние. Измерение позволило составить карту магнитных моментов в комплексе и проследить их динамику.

Ранее математики из Массачусетского технологического института показали, что в квантовых системах с тремя состояниями спина запутанность растет с увеличением количества частиц. Это означает, что в будущем возможно создание квантовых систем с большим количеством одновременно запутанных частиц. Такие системы требуются для любых относительно сложных квантовых вычислений.

Группе физиков из Японии, Китая и США впервые удалось построить на практике квантовый компьютер по архитектуре фон Неймана - то есть с физическим разделением квантового процессора и квантовой памяти. Статья ученых появится в журнале Science, а ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

В настоящий момент для практической реализации квантовых компьютеров (вычислительных машин, в основу которых положены необычные свойства объектов квантовой механики) физики используют разного рода экзотические объекты и явления - захваченные в оптическую ловушку ионы, ядерный магнитный резонанс. В рамках новой работы ученые полагались на миниатюрные сверхпроводящие схемы - возможность реализации квантового компьютера с помощью таких схем была описана в Nature в 2008 году.

Собранная учеными вычислительная машина состояла из квантовой памяти, роль которой выполняли два микроволновых резонатора, процессора из двух кубит, соединенных шиной (ее роль тоже играл резонатор, а кубиты представляли собой сверхпроводящие схемы), и устройств для стирания данных. При помощи этого компьютера ученые реализовали два основных алгоритма - так называемое квантовое преобразование Фурье, и конъюнкцию при помощи квантовых логических элементов Тоффоли.

Первый алгоритм представляет собой квантовый аналог дискретного преобразования Фурье. Его отличительной особенностью является гораздо меньшее (порядка n2) количество функциональных элементов при реализации алгоритма по сравнению с аналогом (порядка n 2n). Дискретное преобразование Фурье применяется в самых разных областях человеческой деятельности - от исследования дифференциальных уравнений в частных производных до сжатия данных.

В свою очередь квантовые логические элементы Тоффоли представляют собой базовые элементы, из которых, с некоторыми дополнительными требованиями, можно получить любую булеву функцию (программу). Отличительной особенностью этих элементов является обратимость, что, с точки зрения физики, среди прочего позволяет минимизировать тепловыделения устройства.

По словам ученых, созданная ими система обладает одним замечательным плюсом - она легко масштабируется. Таким образом, она может служить своего рода строительным блоком для будущих компьютеров. По словам исследователей, новые результаты наглядно демонстрируют перспективность новой технологии.

Инженеры Массачусетского технологического института создали на основе графена и нанофиламентов оксида цинка гибкие гибридные фотоэлементы. Описание работы опубликовано в журнале Nano Letters, а ее краткое содержание пересказывается на сайте института.

Устройство состоит из одноатомного слоя графена, покрытого защитным полимерным слоем. На нем расположены нанофиламенты оксида цинка, покрытые квантовыми точками из сульфида свинца или органическим полимером P3HT. Графен выступает в качестве прозрачного электрода, через который в устройство попадает свет, а квантовые точки являются поглотителями излучения.

Фотоэлементы подобной архитектуры уже создавались ранее, но вместо графена в них обычно использовался оксид индия-олова (ITO). Применение графена вместо неорганического оксида сделало новое устройство гибким.

Эффективность работы созданного авторами прототипа достигает 4,2 процентов, что достаточно мало по сравнению со стандартными кремниевыми фотоэлементы, но сравнимо с эффективностью подобных экспериментальных устройств.

Ранее исследователи использовали графен для создания полностью углеродного фотоэлемента. В качестве светопоглощающего вещества в нем выступали углеродные нанотрубки. При этом эффективность экспериментальной солнечной батареи не превышала одного процента.