Юный техник, 2007 № 06

Иначе говоря, каждый отрезок волоконного кабеля представляет собой некую структуру, своеобразный кристалл, сквозь который световой импульс проходит, отражаясь особым образом. Причем характер отражения, кроме всего прочего, зависит и от того, насколько данный отрезок кабеля натянут или искривлен, нагрет или охлажден.

Подобные структуры или решетки «прочерчиваются» в волокне во время изготовления оптоволоконного кабеля примерно так же, как изготовляются полупроводниковые структуры при производстве микрочипов. И производство это ничуть не сложнее, оно может быть налажено в помощью такого же оборудования…

Готовые изделия, как уже говорилось, монтируются в стеновые панели и служат потом весь срок существования самого здания. Как только запускается контрольный сигнал — по графику или в произвольно выбранное время, — получаемое из кабеля отражение говорит специалистам, все ли в порядке со зданием.

К преимуществам системы относится ее высокая точность — на датчики не влияют ни электромагнитные поля, ни солнечная радиация. Кроме того, оптоволоконные системы не требуют электропитания, постоянного надзора.

Интересно также, что решетки чувствительны не только к деформации, но и к температуре. А это очень важно. И не только потому, что при нагреве или охлаждении бетон, сталь или иной строительный материал деформируется. Оптоволоконная решетка может послужить и сигнализатором возникновения пожара.

В. ДУВИНСКИЙ, спецкор «ЮТ»

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ

Ловушки для невидимок

В 1958 году известный американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заинтересовался проблемой — можно ли моделировать квантовые системы на обычном компьютере? Выяснилось, что нельзя.

Дело в том, что уже при решении задачи, в которой элементарные частицы имеют, например, 1000 электронных спинов [1], в компьютерной памяти должно быть достаточно ячеек, чтобы хранить 2¹⁰⁰⁰ переменных. А гигабайт — это всего лишь 2³⁰.

Так что с задачей, в принципе, не могли справиться не только тогдашние маломощные электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Даже современные компьютеры квантовые задачи решают с весьма грубыми приближениями.

Так выглядит прототип процессора квантового компьютера Orion, созданный канадцами.

Говорят, что квантовый компьютер — это своего рода реактивный двигатель вычислительной техники.

Сегодня уже ясно: количество задач, которые «не по зубам» самым мощным суперкомпьютерам, достаточно велико. Например, если заставить ЭВМ разлагать на простые множители тысячезначное число, то и машине, способной выполнять 10¹² операций в секунду, понадобятся многие миллиарды лет! Не случайно такой класс задач ученые называют «нетрактуемыми», то есть нерешаемыми.

Этим, кстати, пользуются криптографы, создавшие метод шифрования и секретные коды, основанные как раз на разложении больших чисел на простые множители. Так что специалистам нужны не просто сверх, а сверх-сверх-сверхмощные компьютеры.

В общем, когда стало понятно, что с помощью обычной ЭВМ квантовые проблемы не осилить, Фейнман задумался: может, попробовать создать компьютер, работающий по квантовым законам? Дескать, надо действовать по принципу «пусть пироги печет пирожник». Подобную мысль несколько позднее высказал и российский математик Юрий Манин.

В 1994 году американскому теоретику Питеру Шору удалось описать алгоритм работы гипотетического квантового компьютера, который мог бы решить задачу разложения больших чисел на простые множители, проделав при этом «всего» 1000³, то есть миллиард операций. А Сет Лойд из Массачусетского технологического института придумал и возможную схему такого устройства.

Впрочем, не только Шор и Лойд, но и специалисты из других стран взялись за теоретические описания и создание подобных вычислительных систем. Сейчас предложены десятки разных вариантов; упомянем некоторые из них.

Первый квантовый компьютер ученые создали, сами того не подозревая, указывает в одной из своих работ академик К.А. Валиев. Его «опытным образцом» стал импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр, о котором «ЮТ» не раз писал.

Дело в том, что в этом устройстве уже используются Q-биты (кубиты) — единицы измерения квантовой информации. Они представляют собой спины ядер, входящих в состав атомов, которые, в свою очередь, образуют исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу. Каждое ядро имеет свою частоту резонанса в магнитном поле, поясняет К.А. Валиев.

При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает отзываться, словно рояльная струна, остальные же ядра «молчат». Для того, чтобы заставить отозваться второй атом, нужно дать импульс на другой частоте.

Иными словами, процессом вычислений можно управлять импульсами переменного магнитного поля. При этом в молекуле есть прямая связь между спинами, и потому она является идеальной заготовкой для квантового компьютера, а сам спектрометр — почти готовый процессор. Однако в настоящее время удается работать с системами, в которых не более 5–7 спинов, а их нужно не менее 100.

Общий вид квантового компьютера Orion.

Другой подход основан на использовании электромагнитных ловушек, в которых содержатся «подвешенные» в вакууме ионы. Первые ионные ловушки создали еще полвека назад, когда понадобился эталон времени для атомных часов; в таких часах колеблющиеся ионы играют роль маятников. Но для квантового компьютера одного иона недостаточно. Нужна, как минимум, сотня. Создание таких «многоместных» ловушек — задача непростая, но специалисты ее успешно решают.

Больше других преуспели в этом направлении ученые Инсбрукского университета в Австрии и сотрудники Лос-Аламосской лаборатории в США.

Принципиальная схема «ловушек» для кубитов.

Для квантового компьютера, напомним еще раз, нужна хотя бы сотня частиц. А в вытянутой цепочке, как показала практика, пока можно удержать максимум 30 ионов. При большем количестве одномерный кристалл теряет устойчивость — образуется «зигзаг», неустойчивая структура. Решить эту проблему ученые планируют, объединив несколько ловушек — скажем, по 10 частиц в каждой — в одну систему.