В самой знаменитой квантовой программе, алгоритме факторизации Шора, запутанность используется, чтобы позволить двум группам кубитов хранить набор взаимосвязанных чисел, где каждое число во второй группе задается фиксированной математической операцией (например, возведением в степень), проводимой над соответствующим числом из первой группы. Квантовая программа велит компьютеру манипулировать первой группой таким образом, чтобы посредством чудес запутанности проявилось общее свойство всех чисел во второй группе, то есть чтобы выяснилось, все ли они четные, или открылись все кратные какого-то неизвестного числа. Эту информацию можно использовать для определения простых множителей любого целого числа, что, по случайности, приведет ко взлому самых секретных схем шифрования, в настоящее время используемых в мире бизнеса и политики.

Сейчас ученые хотят как можно быстрее построить первый квантовый компьютер, но запутанность представляет собой очень тонкое свойство и пока достаточно точный контроль за большим количеством кубитов остается за пределами наших технологических возможностей.

Логический вентиль представляет собой вычислительное устройство, которое выполняет простую операцию при загрузке в него одного или более битов информации. Применяемый им для этого способ основан на области математики, известной как «Булева алгебра», которая названа в честь Джорджа Буля, разработавшего ее в XIX веке. Сложные логические схемы, из которых состоит «мозг» компьютера, собраны из таких вентилей, которые получают входящий сигнал из бинарных единиц и нулей, а затем следуют простым инструкциям, чтобы что-нибудь с ними сделать. Транзистор выступает в качестве логического вентиля, выполняющего такую операцию посредством преобразования двух входящих сигналов, каждый из которых может быть как О, так и 1, в единственный исходящий сигнал, принимающий значение либо О, либо 1.

Существуют различные типы логических вентилей, например вентиль «И» (на выходе будет единица, только если на входе получены две единицы) или вентиль «ИЛИ» (на выходе будет единица, когда на входе получены либо одна, либо две единицы). Создание комбинаций этих простых вентилей, а также вентиля «НЕ» (который берет один из входящих сигналов и переключает его: 0 на 1 или 1 на 0) позволяет конструировать более сложные логические операции. Так, комбинация двух вентилей «НЕ», двух вентилей «И» и одного вентиля «ИЛИ» дает элементарное устройство сложения (называемое вентилем «исключающее ИЛИ»).

Квантовая логика работает сходным образом, только теперь нам приходится отслеживать все возможности. Квантовые алгоритмы вроде алгоритмов Шора и Гровера основываются на особом порядке, в котором логические операции производятся над двумя или более кубитами. Однако вместо подачи электрического тока на полупроводниковые диоды мы теперь манипулируем суперпозициями квантовых состояний при помощи лазеров и магнитных полей.

Простейший пример кубита представляет собой отдельный электрон (или любая частица с квантовым спином, который может быть либо параллелен, либо антипараллелен действующему магнитному полю). Под действием дополнительного электромагнитного импульса в течение нужного периода времени спин электрона может развернуться. Это пример квантового вентиля «НЕ». Другая квантовая операция соответствует развороту спина электрона лишь наполовину. Это вводит его в суперпозицию вращения вверх (1) и вниз (0) одновременно. Такая операция называется операцией «квадратный корень из НЕ». Имея два запутанных электрона, которые начинают с вращения в одну сторону, эта операция вводит их в суперпозицию четырех возможных состояний: 00, 01, 10 и 11. Большее количество кубитов позволяет строить более сложные квантовые алгоритмы. Например, исследователи с успехом создали квантовый эквивалент вентиля «исключающее ИЛИ», позволяющего им осуществлять простое сложение.

Как только алгоритм осуществлен, выбирается одно из возможных итоговых состояний, которое затем необходимо усилить таким образом, чтобы его можно было считать с помощью какого-либо макроскопического устройства. Само собой, это лишь одна из многих важнейших проблем реализации, которые еще предстоит разрешить.

Многие удивительные новые достижения и перспективные будущие применения квантовой механики, такие как квантовая криптография и квантовые вычисления, основываются на относительно новой области квантовой информационной теории. Со всеми этими технологиями связано еще не до конца изученное квантовое клонирование.

Хотя мы знаем об успехах в генетике и клонировании животных, а однажды, возможно, и людей, важно подчеркнуть, что в этих случаях клон не идентичен оригиналу, а лишь наделен той же генетической схемой. В квантовой механике клон во всех отношениях идентичен частице или квантовой системе, с которой он скопирован. В 1982 году Уильям Вуттерс и Войцех Зурек вывели простое математическое доказательство невозможности идеального клонирования произвольной квантовой системы. Конечно, если мы заранее знаем квантовое состояние, теоретически мы можем сконструировать устройство для квантового клонирования, которое будет производить идентичные копии этого состояния, однако ни одно такое устройство не будет универсально применимо к любой квантовой системе.

Чтобы клонировать объект, нам прежде всего нужно получить всю информацию о нем. Это достигается путем проведения измерений. Собрав все необходимые сведения, мы можем использовать их для конструирования клона. Но вы уже видели, что измерение квантовой системы не позволяет нам этого – в процессе измерения что-то неизменно теряется. Это происходит потому, что мы конвертируем квантовую информацию в классическую. Например, фотон, пребывающий в произвольной суперпозиции различных состояний спина или поляризации, при измерении откажется от одного из этих состояний, но не от суперпозиции. Следовательно, мы не можем знать относительную амплитуду разных частей оригинальной суперпозиции или то, как именно они комбинируются (их фазу). Для клонирования этого недостаточно.

После доказательства Вуттерса и Зурека ученые выяснили, что теоретически они могут сконструировать так называемое универсальное квантовое устройство клонирования, которое, не будучи совершенным, может обладать определенным коэффициентом успешности, или «точностью».

Квантовое клонирование может оказаться полезным, если мы когда-нибудь сумеем построить квантовый компьютер. Вместо осуществления последовательности операций на кубите, этот кубит можно будет сначала несколько раз клонировать и обеспечить тем самым гораздо более эффективную обработку данных при одновременной работе всех клонов. Более важно в настоящее время понять, насколько безопасной будет квантовая криптография, если шпион сможет создавать хотя бы примерные клоны фотонов, используемых для передачи сообщений.

В настоящее время существует несколько способов реализации мечты о практическом создании квантового компьютера. В основе всех этих способов лежит идея манипуляции запутанными суперпозициями атомов, но все они в итоге сталкиваются с одной и той же проблемой: как не допустить возникновения декогеренции, которая может разрушить все тонкие вычисления. Я опишу две техники, которые исследуются в настоящее время. Одна из них эксплуатирует идею лазерного манипулирования ультрахолодными атомами, а другая использует ЯМР (ядерный магнитный резонанс).

Первый метод я уже упоминал при описании различных экспериментов, проведенных в Париже (группа ENS) и в Колорадо (группа NIST). К примеру, группа NIST предложила способ, перекликающийся с оригинальной идеей Дэвида Дойча из его статьи 1985 года. Они предложили поймать цепочку атомов, отстоящих друг от друга примерно на двадцать микронов, в так называемый квантовый процессор с ионной ловушкой. Пары пересекающихся лазерных пучков вводят каждый атом (выступающий в качестве одного кубита) в суперпозицию двух энергетических состояний. Атомы на самом деле представляют собой заряженные ионы и потому чувствуют электрическое отталкивание друг друга, а следовательно, находятся во взаимодействии и в общем запутанном состоянии. Они контролируемым образом вибрируют, и их относительное движение связывается путем обмена квантами вибрационной энергии.