К настоящему времени описаны, казалось бы, все возможные физические реализации кубитов. В данной работе предлагается еще один, принципиально новый вид кубита, который обладает преимуществом в плане практической реализации: создать и управлять данным кубитом проще, чем любым из известных видов кубитов.

Предлагаемый тип кубита будем именовать «кольцевой кубит», поскольку материальным носителем служат колебательные моды кольцевых резонаторов.

В кольцевых резонаторах имеют место 2 типа резонансных колебательных мод: резонансы стоячих волн и резонансы бегущих волн. Данные резонансы различаются отношением амплитуды резонансной моды в минимуме (А_min), к амплитуде в максимуме (А_max). Это отношение носит название «коэффициент бегущей волны» КБВ = (А_min/А_max). Для чисто стоячей волны КБВ = 0, для чисто бегущей волны КБВ = 1, а для всех остальных колебательных мод это значение лежит в интервале 0 < КБВ < 1.

Состояние, которое отвечает чисто стоячей волне, обозначим |0>, а состояние, отвечающее чисто бегущей волне, обозначим |1>. Все остальные моды кольцевого резонатора могут быть представлены в виде суперпозиции |Ψ> = α |0> + β |1>, где величины α, β подчиняются условию нормировки α² + β² = 1.

Как известно, точно такой вид имеет квантовый бит информации (кубит), на основании чего можно утверждать, что при выполнении определенных условий, совокупность колебательных мод кольцевого резонатора способна выполнять функцию кубита. Данные условия полностью воспроизводят свойства 2-х уровневой системы, благодаря которым данная система может использоваться в качестве кубита:

1. материал, из которого изготовлен кольцевой резонатор, должен обладать двумя устойчивыми состояниями, которые соответствуют состояниям |0> и |1>,

2. вероятности перехода колебательной моды из состояния с значением КБВ в состояния |0> и |1> должны быть равны р₀ ~ α² ~ (1 - КБВ) и р₁ ~ β² ~ КБВ.

Обоим требованиям можно удовлетворить, если в качестве материала для кольцевого резонатора выбрать антисегнетоэлектрики или антиферромагнетики. Данные материалы обладают двумя подрешетками, в узлах которых располагаются дипольные или спиновые моменты, которые внутри каждой подрешетки параллельны друг другу, но ориентации самих подрешеток противоположны: это состояние |0>.

Бегущая волна достаточно большой интенсивности способна переориентировать (перевернуть) одну из 2-х подрешеток, в результате чего дипольные или спиновые моменты обеих подрешеток будут ориентированы в одном и том же направлении, и кольцевой резонатор перейдет в состояние сегнетоэлектрика или ферромагнетика: это состояние |1>. Вероятность переориентации может быть сделана прямо пропорциональной величине КБВ: р ~ КБВ. Эта задача решается выбором (или изготовлением) соответствующего антисегнетоэлектрика или антиферромагнетика.

Решение данной задачи будет означать, что выполнено соотношение р₁ ~ КБВ ~ β². Из условия нормировки получаем, что вероятность обнаружить кольцевой кубит в состоянии |0> будет иметь величину р₀ ~ (1 - КБВ) ~ α². Соответственно, кубит, образованный колебательными модами кольцевого резонатора, будет иметь вид:

|Ψ> = (1 - КБВ)^1/2 |0> + (КБВ)^1/2 |1>.

Подчеркну, что совокупность колебательных мод кольцевого резонатора будет являться кубитом при выполнении следующих 2-х условий:

1. материал, из которого изготовлен кольцевой резонатор, обладает двумя устойчивыми состояниями, одно из которых реализуется, когда КБВ = 0 (состояние |0>), а другое соответствует КБВ = 1 (состояние |1>),

2. вероятность обнаружить кольцевой резонатор в состоянии |0> имеет величину р(|0>) ~ α² ~ (1 - КБВ), а вероятность обнаружить кольцевой резонатор в состоянии |1> имеет величину р(|1>) ~ β² ~ КБВ.

При выполнении данных условий, кольцевой резонатор вместе с циркулирующими в нем колебательными модами, хотя этот резонатор является макроскопической системой, будет c достаточной точностью моделировать 2-х уровневую квантовую систему и сможет выполнять функцию кубита.

Управление кубитом осуществляется изменением средней длины (ℓ) кольцевого резонатора. Резонанс стоячей волны образуется, когда на средней длине укладывается нечетное число полуволн ℓ = (2n +1) *(λ/2), а резонанс бегущей волны – когда число полуволн является четным: ℓ = (2n) *(λ/2), n – натуральное число.

Изменение средней длины кольцевого резонатора, требуемое для преобразования состояния |0> в состояние |1>, равно Δℓ/ℓ ~ ( λ/2)/ℓ. Если на длине резонатора укладывается 50 длин волн (ℓ/ λ ~ 50), то для перехода из состояния |0> в состояние |1> относительное изменение длины резонатора должно составлять всего Δℓ/ℓ ~ 10^-2, т.е. 1%.

Таким образом, для выполнения операции «NOT», которая состоит в замене состояния |0> на состояние |1> (или наоборот), необходимо изменить длину резонатора всего на 1% от их абсолютных величин.

Преобразование Адамара, переводящая кубит в запутанное состояние, осуществляется путем изменения средней длины кольцевого резонатора на λ/4, т.е. в данном случае требуемое изменение длины в 2 раза меньше.

Для осуществления квантовых вычислений требуется еще 2-х кубитная операция: контролируемое НЕ (CNOT). Для осуществления операции CNOT, достаточно расположить два колечка в непосредственной близости друг от друга, например, вложить одно колечко в другое и связь между колечками организовать таким образом, что когда во внутреннем колечке колебательная мода находится в состоянии бегущей волны, т.е. данный кубит находится в состоянии |1>, над вторым кубитом будет осуществляться операция NOT (т.е. внешнее колечко будет укорачиваться или удлиняться на λ/2). Добиться такого результата возможно, если материал резонансных колечек будет обладать электрострикционными или магнитострикционными свойствами.

Перечисленных 3-х операций вполне достаточно для реализации любого квантового алгоритма. Все 3 операции осуществляются максимально просто: путем изменения длины средней окружности колечек (этого можно добиться изменением радиуса колечек), причем, относительная величина этих изменений не превышает 1%.

Описанные изменения длины кольцевого резонатора можно сделать достаточно быстрыми, если осуществлять их с помощью колебаний, частота которых всего лишь на 1-2 порядка меньше резонансной колебательной моды, на основе которой построен кубит. Таким образом, управление состоянием кубита не составляет особых сложностей.

Для выполнения всех перечисленных требований вполне можно подобрать (или создать новые) антисегнетоэлектрики или антиферромагнетики, которые будут обладать требуемыми электрострикционными и магнитострикционными свойствами.

Колебательные моды кольцевого кубита могут иметь произвольную природу: это могут быть как электромагнитные, так и акустические волны (акустоэлектрические или акустомагнитные). Это является еще одним аргументом в пользу создания квантового компьютера на кольцевых кубитах: количество возможных модификаций «кольцевых квантовых компьютеров» чрезвычайно велико.

Кольцевой кубит может быть использован в качестве элементарной ячейки информации квантового компьютера. Для создания квантового компьютера необходимо выполнить 4 условия:

1. реализовать квантовый процессор, содержащий по меньшей мере 100 кубитов,

2. иметь возможность управлять состоянием каждого кубита, в частности, в начальном состоянии все кубиты должны быть приведены в состояние |0>.

3. время декогерентности должно по меньшей мере в 10⁴ раз превышать время осуществления квантовых операций, составляющих требуемое унитарное преобразование,

4. необходимо определить, в каком состоянии: |0> или |1> находится каждая ячейка квантового регистра после выполнения вычислений.

В квантовом компьютере, который будет работать на кольцевых кубитах, выполнение всех перечисленных условий не представляет особых сложностей.

1. После того, как будет определен оптимальный материал, можно изготовить сколько угодно колечек требуемого размера. Задача обеспечения связи между колебательными модами может быть решена путем использования ответвителей или нелинейных эффектов.

2. «Нулевое» состояние кубитов достигается соответствующим выбором радиуса колечек, при котором в каждом кольцевом резонаторе образуются стоячие волны. Реализация всех квантовых гейтов осуществляется путем изменения геометрических размеров кольцевых кубитов.

3. Время декогерентности ( Δt) определяется длительностью импульсов ( τ), которые будут создаваться внешним генератором в кольцевых резонаторах, а также добротностью (Q) этих резонаторов: Δt ~ Q* τ. Добротность кольцевых резонаторов можно сделать Q ~ 10³, поэтому даже при длительности импульсов порядка одной миллисекунды, время декогерентности будет иметь величину порядка одной секунды.

4. Интервал времени 1 сек вполне достаточен для осуществления требуемой группы квантовых гейтов и измерения (томографии) конечного результата.

В отличие от многих других типов квантовых компьютеров, кольцевой квантовый компьютер будет работать при нормальной температуре.

Проблема масштабируемости даже не возникает: к уже работающему кольцевому квантовому компьютеру всегда можно присоединить еще примерно такое же количество кольцевых кубитов.

В кольцевом квантовом компьютере кубиты могут располагаться не только на одной линии: колечки могут образовывать как двумерную, так и трехмерную структуру. Для каждого конкретного типа задач можно создать свою оптимальную архитектуру кольцевого квантового компьютера.

Примерная конструкция кольцевого квантового компьютера может выглядеть следующим образом. Создается волноводный тракт, который запитывается генератором когерентных колебаний (в оптическом диапазоне это лазер). К волноводному тракту присоединяется требуемое количество колечек, которые будут выполнять функцию кольцевых резонаторов. Чтобы легче было осуществлять 2-кубитные операции, колечки следует размещать парами: одно колечко внутри другого. В каждом сечении волноводного тракта можно собрать примерно 10 пар таких колечек и по всей длине волноводного тракта можно установить порядка 50 таких групп, содержащих по 2*10 = 20 кубитов. В итоге, общее число кубитов достигнет 20*50 ~ 1000 кубит.

Далее в эту конструкцию можно вносить различные усовершенствования, осуществляя все необходимые связи между различными колечками.

Описанный тип квантового компьютера, вероятно, реализуется в живой природе: именно кольцевой квантовый компьютер лежит в основе феномена сознания.

Кольцевые структуры в нейронной сети мозга хорошо известны: это липидные бислои, из которых построены миелиновые оболочки аксонов. Более того, имеется даже 2 типа таких структур: во-первых, это сами липидные бислои, а во-вторых, слои полярных головок липидных молекул, – эти слои являются составной частью липидных бислоев.

Толщина слоя полярных головок на порядок меньше толщины липидного бислоя, вследствие резонансная частота этого слоя на порядок больше резонансной частоты липидного бислоя: эти частоты имеют величины порядка 10¹² Гц и 10¹¹ Гц.

Собственные частоты колебаний частиц, из которых построены данные слои, имеют такой же порядок величины: собственная частота колебаний полярных головок имеет величину ~ 10¹² Гц, а собственные частоты колебаний самих липидных молекул и субъединиц встроенных в липидные бислои белковых молекул имеет величину ~ 10¹¹ Гц. В мембранах нейронов имеются достаточно мощные потоки энергии, благодаря которым происходит синхронизация указанных колебаний, в результате чего образуются когерентные акустоэлектрические колебания с частотами 10¹² Гц и 10¹¹ гц. Это означает, что в миелиновых оболочках аксонов могут формироваться 2 типа кольцевых кубитов, причем эти типы образуют связанные пары, что облегчает выполнение 2-кубитных гейтов.

Таким образом, аксонная сеть мозга может работать как кольцевой квантовый компьютер. Работа информационной системы мозга, как кольцевого квантового компьютера рассмотрена в предшествующей работе [1]. Более подробному рассмотрению будет посвящена одна из последующих работ.

Изложенное понимание работы информационной системы мозга, если оно соответствует действительности, открывает прямой путь к созданию сильного искусственного интеллекта, который будет работать на тех же физических принципах, что человеческое сознание. Искусственный интеллект, основанный на использовании кольцевых кубитов, будет в максимальной степени моделировать работу сознания.

В работе предлагается новый тип кубита, образованного в результате суперпозиции стоячих и бегущих мод кольцевых резонаторов, обладающих специально подобранными свойствами. Для получения этих свойств, наилучшим образом подходят антисегнетоэлектрики и антиферромагнетики, а также жидкие кристаллы.

Основная сложность реализации кольцевого кубита заключается в изготовлении материала кольцевого резонатора, для которого вероятность перехода в состояние |1> пропорциональна КБВ в возможно большем интервале значений 0 < КБВ < 1.

Управление состоянием кубита осуществляется путем изменения средней длины кольцевых резонаторов, т.е. реализуется достаточно просто. Благодаря этому, можно будет достаточно легко разработать и изготовить квантовый компьютер, содержащий сотни или даже тысячи кольцевых кубитов.

Показано, что именно данная разновидность квантовых компьютеров, вероятно, лежит в основе работы информационной системы мозга и в максимальной степени подходит для создания Искусственного Разума, который будет по всем параметрам превосходить интеллект человека.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Каким быть Искусственному Разуму? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25949, 16.12.2018