Квантовый компьютинг в двух словах
   О квантовом компьютинге «КТ» писала не раз, впервые — в теме «Игра в кубики» (#224, 1997 г.). Напомним основные принципы квантового вычисления. Квантовый компьютер (КК) — система так называемых кубитов (qubits, квантовых битов), квантовых объектов, при измерении переходящих в одно из двух базовых состояний, 0 или 1 (впрочем, теоретики, а теперь уже и экспериментаторы иногда работают с кутритами и куквартами, имеющими соответственно три или четыре базовых состояния). В процессе квантового вычисления кубиты находятся в «квантовом состоянии», образуя физическую систему, живущую по парадоксальным законам квантовой теории, — например, частицы (или другие объекты, реализующие кубиты) иногда ведут себя как единое целое, даже если никакого взаимодействия между ними нет, в этих случаях говорят о «запутанном» (entangled) состоянии системы. КК в соответствии с заданной программой управляет динамикой этого роя кубитов и оперирует не нулями и единицами, как обычный компьютер, а векторами с комплексными координатами в пространстве колоссальной размерности. Когда нужное состояние системы достигнуто (точнее, мы думаем, что оно достигнуто, — проверить это, не разрушив квантовое единство, невозможно), производится измерение, которое переводит кубиты в базовые состояния. Полученная строка привычных нулей и единиц дает ответ (правда, лишь с определенной вероятностью, которую теоретически можно сделать очень высокой).
   Жгучий интерес к КК был стимулирован открытием в середине 1990-х годов нескольких алгоритмов, позволяющих (тоже теоретически; в области КК пока что почти все делается теоретически) за разумное время решать на таком устройстве безнадежные для классического компьютера задачи. Питер Шор (Peter Shor) придумал быстрый квантовый алгоритм для важнейших в современной криптографии задач факторизации и дискретного логарифмирования. Лов Гровер (Lov Grover) доказал совсем уж контринтуитивный результат — КК может найти запись в массиве из N записей за N попыток.
   Однако сегодня наибольший интерес ученых вызывает самая естественная сфера потенциального применения КК, точное моделирование квантовых систем — атомов, молекул, их сложных взаимодействий в химических реакциях и живых организмах.
   Каковы же требования к точности?
   Юрий Богданов: Для задач квантового компьютинга нужна точность в четыре-пять девяток (99,999%). Этого, с учетом алгоритмов (весьма ресурсоемкого) исправления ошибок, достаточно для реализации сложных квантовых вычислений. В наших работах с группой Кулика (они опубликованы в ведущих международных и российских научных журналах) мы получаем точность 99,98%. Сегодня это лучший результат в мире. Нет сомнения, что на более качественной аппаратуре наши методы позволят достичь большей точности.
   Но работа с кубитами не единственная наша задача. Мы преследуем прежде всего фундаментальные цели — продемонстрировать конструктивный подход к квантовой механике, показать, что пси-функция — реальный объект, который можно измерить (просто для этого нужно использовать ансамбль представителей).
   Второе экспериментальное направление, развиваемое учеными ФТИАН, — кубиты на основе цепочек ядерных спинов.
   Владимир Лукичёв: Используя современную технологию создания структур в полупроводнике размером в несколько нанометров, мы можем имплантировать в узкий канал в кремнии линейную цепочку ионов фосфора. Одна такая цепочка содержит от десяти тысяч до миллиона атомов (ядерный спин очень мал, и чтобы управлять им и надежно его детектировать, надо набрать достаточно большое число частиц). Это один логический кубит.
   Эксперименты с такими кубитами запланированы на следующее лето. Сейчас мы строим «чистую комнату», в которую будет установлен электронный литограф (он стоит 1,2 млн. евро, финансирование идет из госбюджета, по целевым программам). Это оборудование позволяет создавать структуры по 32-нанометровой технологии, их мы будем использовать для экспериментов с квантовыми устройствами. Первая задача — создать хотя бы пару кубитов и научиться ими управлять.
   Еще один экспериментальный проект связан с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП).
   Владимир Лукичёв: В нашем институте ведется и проект по созданию так называемого р-контакта. В этом случае кубит создается на границе ВТСП двух разных типов (SDS-переход). Потенциальная энергия такого перехода имеет два минимума, при значениях фазовой переменной 0 и р. Они соответствуют двум базовым состояниям кубита.
   Часть экспериментов по этому направлению мы выполняем совместно с одним из университетов Дании, а также с Институтом радиотехники и электроники РАН.
   Четвертое направление экспериментальных исследований — кубиты на ионных ловушках — находится в стадии планирования. По этой технологии в мире уже получены сложные квантовые состояния десятков ионов меди или магния. Для такой работы нужна серьезная лазерная техника, и сейчас налаживается сотрудничество с Каширским лазерным центром.
   В лаборатории есть и теоретический проект — КК на квантовых точках с оптическим управлением.
   Александр Цуканов: Квантовые точки называют еще искусственными атомами. Это макрообъекты, разделенные полупроводником с параметрами, позволяющими удерживать в каждой точке отдельные электроны. Поэтому квантовые точки можно «заселять» определенным количеством электронов. Они допускают кодировку квантовой информации, устойчивую к некоторым типам шумов (а это главная проблема при конструировании кубитов). Квантовая информация, закодированная таким способом, может храниться долго — по квантовым меркам, конечно: от десятков наносекунд до микросекунд. Пару квантовых точек можно трактовать как кубит: электрон в левой точке — ноль, в правой — единица.
   Сейчас в мире, в том числе и в России, идет много проектов по квантовым точкам, считается, что это одно из самых перспективных направлений, в частности потому, что квантовые точки сравнительно легко изготовить, причем можно контролировать их форму, размеры и состав.
   Впрочем, как заметил Юрий Богданов, никто пока не может сказать, на какую из технологий кубитового харда надо делать ставку. ФТИАН стремится следовать принципу «пусть расцветают сто цветов» — но в применении к кубитам ни одна организация на планете не может воплотить этот принцип в полной мере. В институте отдают предпочтение твердотельным технологиям, но и они так разнообразны, что охватить все невозможно.
Философия
   Еженедельный семинар лаборатории Валиева его участники сравнивают с гоголевской «Шинелью» — он объединяет почти всех ученых, занимающихся КК в России. Институт сотрудничает с коллегами из стран СНГ (Белоруссия, Армения), есть совместные проекты с университетами Дании и Франции, с Академией наук Словакии. Но все это чисто научные связи. Исследования по квантовому харду и софту пока не могут приносить денег непосредственно из промышленности. Институт зарабатывает деньги на других вещах — плазменных технологиях, например. Квантовый компьютинг — задел на будущее, а главное — возможность заниматься действительно фундаментальными проблемами.
   Юрий Ожигов: Эксперименты по КК — это моя точка зрения — передний край физики. Всей физики. Здесь проверяются фундаментальные основы квантовой теории многочастичных систем. Чем сложнее состояния, чем больше частиц, тем быстрее наступает декогерентность — разрушение квантового состояния, в котором только и может работать КК. А декогерентность сводится к коллапсу волновой функции — это некий артефакт квантовой физики. Он лежит, строго говоря, за пределами квантовой теории в ее нынешнем варианте. И здесь возможны любые фантазии.
   Эксперименты с разными технологиями КК как раз и проверяют те механизмы, которые есть в формализме квантовой механики. Но сам этот формализм уже не допускает введения новых механизмов. То есть все подобные проблемы уходят куда-то вдаль…
   С этими проблемами связаны идеи из известных книг Роджера Пенроуза — о природе коллапса волновой функции, даже о квантовых механизмах сознания. Скажите, в среде практически ориентированных физиков такие вещи обсуждаются?
   Юрий Ожигов: Каждый второй наш семинар завершается обсуждением чего-то в этом роде. Но с этим надо бороться. Потому что физика все-таки должна оставаться естественной наукой, в этом ее сила. Она должна не философию осваивать, а скорее химию, вот куда она должна идти.
   Владимир Лукичёв: Согласен. Один мой сотрудник любит провоцировать меня на «философские» разговоры. А я ему отвечаю: за всю историю науки философские представления ни разу не помогли сделать в физике что-то конкретное.
   Но у Пенроуза же есть целая исследовательская программа по проблеме коллапса волновой функции?
   Юрий Ожигов: Пенроуз — серьезный математик. Он развивает свои идеи, связанные с космологией, с тяготением. Коллапс волновой функции он связывает с тяготением на микромасштабах.
   Владимир Лукичёв: Именно здесь передний край физики (как сказал Юрий) смыкается, если так можно выразиться, с задним ее краем, связанным с космологией. И вот тут как раз остается место и для «философской» прослойки, и для всевозможных спекуляций.
   Возвращаясь к проблеме КК — какое резюме можно дать, в двух словах?
   Юрий Ожигов: Теоретические возможности КК мы знаем сегодня очень хорошо. Самое интересное — существует ли он вообще (масштабируемый вариант). Это вопрос вопросов.
 
Физики все еще шутят (Квантовая теория на трех страницах)
   Группа авторитетных специалистов по квантовой физике (в том числе и Артур Экерт, один из главных активистов квантовой информатики в мире, чье обширное интервью вышло в 200 году в «КТ» #373) год назад опубликовала трехстраничный трактат под названием «Квантовая физика от А до Я» («Quantum physics from A to Z»; arXiv:quant-ph/0505187). Он состоит из комментариев к высказываниям, приписываемым австрийскому профессору Антону Цайлингеру (Anton Zeilinger), одному из современных «гуру» этой науки, — широкая публика знает его как руководителя знаменитых экспериментов по квантовой телепортации. Трактат был выпущен в ходе венской конференции QUPON (Quantum Physics of Nature).
   Вот выдержки из этого замечательного документа, где тесно переплелось шутливое и серьезное. Судя по всему, квантовая теория сегодня — на переднем крае не только серьезной, но и шуточной физики. — Л.Л.М.
   Поскольку «Принцип Цайлингера» уже начинают обсуждать философы [1—3], мы решили выяснить точку зрения научного сообщества — что же это такое может быть? Начнем с (крайне неполного) собрания утверждений, приписываемых Антону Цайлингеру.
   — Квантовой информации не существует. Есть только квантовый способ работы с информацией.
   — Фотоны — это щелчки в детекторе фотонов.
   — Описание экспериментов с фотонами не должно использовать термин «вакуум».
   — Объективная случайность — вероятно, самый важный элемент квантовой физики.
   — Что отнести к классическим явлениям, а что к квантовым — всего лишь вопрос денег.
   — Все простые эксперименты уже проведены.
   — Хорошая (научная) статья должна быть «секси»[ Раньше я пропагандировал перевод слова «sexy» как «прикольно». После дискуссии по поводу истинного смысла слова «прикольно», а также прикольности как таковой («КТ» #631) не вижу лучшего варианта, чем прямое калькирование. Если в русском языке есть слово «секс», почему в нем не может появиться слово «секси»? Раз уж встали на этот путь, сворачивать поздно. — Л.Л.-М.].
   Чтобы стимулировать обсуждение, мы приводим наши личные мнения по поводу Цайлингеровской философии физики.
   Маркус Арндт (Markus Arndt): Должен существовать объект такого размера, что монетарных ресурсов всех стран мира не хватит, чтобы изолировать его в квантовом состоянии. Но для вирусов или бактерий, возможно, это действительно вопрос денег и технических инноваций.
   Райнгольд Бертлманн (Reinhold Bertlmann): Не только статьи должны быть «секси» — их авторы тоже!
   Давид Мермин (N. David Mermin): В прошлом году я написал колонку в Physics Today — о том, говорил ли когда-либо Бор то, что говорят, что он говорил, и еще одну о том, что Фейнман вряд ли сказал то, что все говорят, что он сказал (потому что на самом деле это сказал я). Поэтому я с большим подозрением отношусь и к тому, что говорят о том, что будто бы сказал Антон Цайлингер. Надеюсь, я выразился достаточно ясно. Перехожу к комментариям.
   «Квантовой информации не существует. Есть только квантовый способ работы с информацией». Я полностью согласен. Это очень близко к основной мысли моего доклада на конференции QUPON. Добавлю только, что классическая информация, по крайней мере в случае квантовых компьютеров, сводится к считыванию исходных, промежуточных и окончательных однокубитных измерительных гейтов (а также к структуре квантовой схемы).
   «Фотоны — это щелчки в детекторе фотонов». Это частный случай правила Оге Бора (Aage Bohr) и Оле Ульфбека (Ole Ulfbeck). Оно гласит, что вообще никаких частиц не существует, есть только щелчки. Согласится ли Антон с тем, что электроны — это щелчки в счетчике электронов? Что фуллерены — щелчки в счетчике фуллеренов? Что Антон — щелчок в счетчике Антонов?
   «Описание экспериментов с фотонами не должно использовать термин “вакуум”». Антон, большое спасибо. Когда я дохожу в статье до слова «вакуум», я прекращаю ее читать, потому что знаю, что дальше все будет непонятно. Если же мне обязательно нужно разобраться в этой статье, я всегда могу найти человека, который мне объяснит ее в более ясных выражениях.
   «Все простые эксперименты уже проведены». Не знаю. Но меня всегда настораживают трудные эксперименты, единственный интерес которых в том, что они такие трудные. Это то же самое, что для теоретика поиск точных решений уравнения, интересного только тем, что у него есть точные решения.
   «Хорошая (научная) статья должна быть “секси”». Лучше сказать — «развлекающей». Я имею в виду, что секс не единственное доступное нам развлечение. А нечитаемые или просто занудные статьи — бич нашего времени.
   «Объективная случайность — вероятно, самый важный элемент квантовой физики». Почему «вероятно»? Необычная для автора осторожность в формулировках или шутка на 4 с плюсом? Раньше я и сам так думал, но Крис Фукс (Chris Fuchs) научил меня избегать совместного употребления слов «объективный» и «вероятность». Теперь я предпочитаю говорить, что великий урок квантовой физики в том, что наше знание может быть лишь вероятностным.
   Терри Рудольф (Terry Rudolph): Без Цайлингеров, Ведралов и других прославленных шимпанзе (glorified chimpanzees) информация вообще была бы никому не нужна.
   Петер Цоллер (Peter Zoller): Вот еще одна цитата из А. Ц.: «В будущем физика станет обращать меньше внимания на уравнения, на математику, и больше — на понимание на уровне слов».
   Влатко Ведрал (Vlatko Vedral): Классической информации не существует. Энтропия Вселенной постоянна и равна нулю [1, 2]. Квантовых измерений не существует. Обратимость — это вопрос денег.
   Филип Вальтер (Philip Walther): Квантовая механика — это организованная самозащита природы, не желающей выдавать свои тайны. Ну почему соавторы никогда не бывают «секси»?!
   Марек Жуковский (Marek Zukowski): Название нашей статьи в общем-то «секси» — но недостаточно «секси»!
Литература
   [1] Q. Schiermeier, Quantum physics: The philosopher of photons. Nature 434, 1066-1066 (2005).
   [2] H. Hille, Zeilinger und die Entdeckung des Subjekts. Sein Buch Einsteins Schleier. Abstract AKPHIL 5.1, German Physical Society Spring Meeting, Berlin 2005.
   [3] en.wikipedia.org/wiki/Information Theory.

ФМ-ВЕЩАНИЕ: Gbase > Gtalk > Gbuy > Gend?

   Автор: Феликс Мучник
   Ну вот, в очередной раз разнеслись слухи о платежной системе Google под кодовым названием Gbuy. Может быть, к моменту выхода номера из печати ее уже и запустят. Пора, пора. А то что-то давно акции в цене не поднимались, перед очередной эмиссией.
   Gbuy vs Ebay — что-то не звучит в рифму, как, впрочем, уже и не ласкает слух Google vs Microsoft. После выпуска электронных таблиц от Google, как я писал в своем блоге, возникло ощущение дежавю — Supercalc пятнадцатилетней давности. Причем, кроме расшаривания таблиц с товарищами по счастливому обладанию аккаунтом в Gmail, не с кем больше ее расшарить, потому как … А почему, кстати? Почему так упорно некоторые, не будем показывать пальцем, продолжают ограничивать доступ новым членам в «привилегированное» сообщество бета-тестеров? Ведь поток жаждущих и страждущих давно превратился в скромный ручеек. Мне так просто некому послать накопившиеся приглашения. Кто хотел, тот давно уже его получил.
   Первое объяснение, естественно, лежит на поверхности. Просто-напросто не хватает мощности. Не предусмотрели при задании цели должной масштабируемости. Когда-то, в доперестроечные времена, был популярен анекдот: «Приходят проверяющие на завод и видят на заводском дворе людей, бегающих с пустыми тележками. — Товарищи, вы чего бегаете? — Так вчера объявили, что теперь „пятилетка ускорения“. — Понятно. А тележки чего пустые? — А мы так сильно ускорились, что нагружать просто не успеваем!». Вот и здесь сервисов понарожали, а до качественного обслуживания пользователей уже и руки не доходят. Все ведь сталкивались с периодическими отключениями гугловской почты, к примеру. Хотели халявы? — какие претензии к качеству.
   Второе объяснение похуже. А что, собственно, кроме давно (по понятиям внутреннего времени Интернета) существующих сервисов — поисковика, почты, adwords-sense — получат эти новые пользователи. Недоделанного тонкого клиента в виде редактора и электронных таблиц? Так у всех пока есть, в зависимости от пристрастий, легальный/нелегальный MS Office, Corel Office, бесплатный OpenOffice и прочие альтернативы. Шило на мыло менять никто не собирается, так только, если попробовать как это, прикольно или нет, через Explorer табличку редактировать. Попробовали, поняли, что можно, и успокоились. Интересно узнать у аналитиков Google, сколько реальных пользователей набили больше двух документов и таблиц в их сервисах. Да, и сколько человек общается через Gtalk, тоже интересно. Собственно, опубликованные цифры количества пользователей MSN (145 млн.) и Google (25 млн.) говорят сами за себя.
   Ну хорошо, вроде осенью осознали эту опасность и сваяли Gbase. Задумка была хорошая — сделать совмещенную доску объявлений и одновременно заменить свой поисковик по товарам. Понятное и логичное развитие рекламной модели. Сюда же логично вроде добавился Google Finance. Ведь всем понятно, что теперь только ленивый монстр не сделает свой движок для контекстной рекламы. Площади рекламные уходят из-под крыла, а спрос на рекламу растет. Надо или покупать, или делать свои контент-проекты. Путь, в общем-то, стал достаточно предопределенным — портальная схема с лидирующим поисковиком в центре с рекламной моделью бизнеса. Собственно, можно перечитать мою статью сентября прошлого года.
   Хотя гугловцы, видимо, ее тоже читали, но поняли неправильно. Мало быть лидером в своей нише и стараться не подпустить конкурентов близко. С какого-то перепугу они решили, что компания уже не просто компания — а суперкорпорация, с налаженной системой управления, сверхлояльными клиентами и потому — «все могут короли». Ну-ка, мы все будем делать сами и не вид сделаем, что конкурируем со всеми, а и правда начнем конкурировать. Сбацаем свою платежную систему Gbuy, к примеру, и в соединении с Gbase+Gtalk получится почти Ebay+PayPal+Skype. Как там по Станиславскому? — Не верю! Абсолютно другая модель бизнеса — транзакционная. Абсолютно другая модель обслуживания клиентов. Абсолютно другая логистика. И при этом — очень жесткая конкуренция.
   Да, осталось только выпустить свою операционную систему и назвать ее Gend. Все-таки сапоги должен тачать сапожник, а пироги печь — пирожник. Делали бы больше и лучше, что и так умеют хорошо, а остальное либо аутсорсили, либо уж покупали бы дорогие и лучшие проекты, аккуратно интегрируя их в себя. Не думаю, что публичность компании заставляет совершать столь бессмысленные поступки. Просто хваленая «Google strategy» постепенно превращается в «No strategy».

КАФЕДРА ВАННАХА: О войне без биологии

   Автор: Ваннах Михаил
   В заметке «Продолжение политики иными средствами, или?..» («КТ» #639) Дмитрий Шабанов говорит о войне как о возможной причине антропогенеза. Согласно исследованиям, на которые он ссылается, организованные нападения на группы себе подобных совершают не только люди, но и шимпанзе и даже паукообразные обезьяны. Заметка завершается предположением: не мог ли именно этот феномен сыграть важную роль в возникновении разума. Опять Гераклит, «Война — отец всех»?
   В вопросе этом стоит разобраться. Дело в том, что война обрушивается на наши головы помимо нашей воли — независимо от того, хотим ли мы драться или склонны сочинять сонеты.
   Начнем с классиков. Вот Гераклит: «Война (Полемос) — отец всех, царь всех… Должно знать, что война общепринята, что вражда — обычный порядок вещей, и что все возникает через вражду и заимообразно». Но в историю мысли Гераклит-то вошел не как апологет милитаризма, а как философ, открывший, что мир есть не сумма всех вещей, а целостность всех событий, изменений, фактов. Как человек, заложивший ту дорогу разума, на которой — уравнения Максвелла и философия процесса Уайтхеда. И его Полемос скорее война стихий, вечные перемены.
   Вот блистательный Карл Филипп Готтлиб фон Клаузевиц. Генерал прусский и российский. В армию вступил двенадцати лет. Несмотря на аристократическое имя происходил из бедной семьи. Ветеран наполеоновских войн. Уже будучи наставником прусского принца, слушал лекции по философии профессора Кизеветтера, известного популяризатора философских трудов Канта. Своим сочинением «О войне» перевернул представления об этом роде человеческой деятельности.
   Воспользуемся менее известным определением Клаузевица «…война — это акт насилия, имеющий целью заставить противника выполнить нашу волю. Насилие использует изобретения искусств и открытия наук…».
   Итак — обратим внимание! Насилие интеллектуальные ценности не создает, но использует! Как сам Клаузевиц использовал философию Канта в своем «Vom Kriegе».
   И воля. Средневековые последователи Дунса Скота и Фомы Аквинского спорили, что первично, разум или воля, но разделить эти понятия не решился никто.
   Вот второе, более известное определение Клаузевица, где он говорит о войне как о продолжении политики. Здесь опять-таки первична политика. Осуществление реальных целей государства. Ну а государство — продукт достаточно развитого общества и свидетельство достаточно далеко зашедшей специализации людей.
   Перейдем к британцам. Вот Джон Фредерик Чарльз Фуллер, апологет высокотехнологических войн тех времен, когда танк был новшеством. Он был склонен рассматривать войну как господствующий фактор истории. И был, конечно, прав. Война для социумов нечто вроде испытательного стенда, распределяющего полупроводниковые кристаллы. Что-то к потребителю, что-то перемаркировать на низшие частоты, а что-то и в помойку.
   Но вряд ли кто скажет, что кристаллы порождает испытательный стенд. И те микросхемы, которые отброшены, несут дефекты в себе самих. И те, которым предстоит успешно работать, — они ведь овеществленная мысль конструктора, а не результат процессов отбора.
   Другой англичанин, Бэзил Лиддел Гарт. Он считал, что целью войны является достижение мира лучшего, чем предшествующий. Но опять — первичен тут мир.
   Автор склонен считать войну всего лишь организованным, узаконенным и оправдываемым моралью убийством. Чем убийство более массово, тем успешнее война. Но термин «убийство» — уже плод морали. Узаконенность предполагает право. И, самое главное, тут необходима совесть. Рефлексия высшего уровня. Способность сочувствовать другому разумному существу.
   Насилие — жену там избивать или (по нынешним временам унисекса) мужа — не имеет никакого отношения к войне. Какая уж тут организация.
   И — охота. Похоже, куда более важный для истории вид человеческой деятельности. Гоминиды, употреблявшие собратьев в пищу, не воевали — охотились. Прихватив ствол карабина к дереву ремнем, выцелив кабана под лопатку и готовясь нежно тронуть шнеллер, человек не воюет со зверем. Он охотится. И нарваться на клыки — это не пасть жертвой ответного насилия. Всего лишь — пренебречь техникой безопасности.
   И выбор веса пули обусловлен не этическим желанием сократить страдания животного. Просто мясо набегавшегося подранка менее вкусно…
   А вот рассуждая о правах животных, мы переходим грань между охотой и войной и невольно начинаем апологизировать последнюю.
   Возьмем знакомый всем «винт». Название «винчестер» прилипло к айбиэмовскому накопителю из-за его сдвоенности — съемный блок на 30 Мбайт и точно такой же фиксированный, что напоминало обозначение патрона (а не ружья) Winchester .30-30 WCF. Первого охотничьего патрона под бездымный порох. Здесь .30 — обозначение калибра в долях дюйма, диаметр пули 7,82 мм, а не 7,92 мм как у трехлинейки; второе число 30 — количество гран бездымного пороха в заряде (1,95 г в первой серии) — может меняться.