Квантовый компьютер Савина К.В. М-45051
Содержание Настоящее и будущее квантового компьютера Квантовый компьютер Возможности трубки Защита информации Принцип работы Кошка Шредингера «Квантовый параллелизм» Для чего нужен квантовый компьютер
Настоящее и будущее квантового компьютера «Производительность вычислительных устройств удваивается каждые месяца». Это так называемый закон Мура, который соблюдается уже более ста лет. Но, как показывает практика, раз есть правило значит, должно быть и исключение. Исключение кроется в том, что в ближайшей перспективе будет достигнут предел развития классических компьютеров. Уже сегодня процессоры создаются по 0,1 микронной технологии. Такими темпами лет через десять размеры компонентов полупроводниковых приборов приблизятся к размерам атомов. Дальнейшее совершенствование компьютеров «вглубь», как это происходит сейчас, станет невозможным, а повышение производительности будет достигаться за счет увеличения размеров вычислительной техники. Таким образом, правило Мура перестанет действовать, так как для его соблюдения пришлось бы каждые два года увеличивать размеры процессоров и модулей памяти вдвое.
Квантовый компьютер Квантовые компьютеры, устройства с нетрадиционной логикой и непривычным быстродействием, могут совсем скоро сделать ненужными суперкомпьютеры. Не из-за избытка памяти или сверхмощных процессоров, а просто потому, что мыслят совсем иначе. Возможно, даже так, как мы сами. В конце января научные сайты переписывали друг у друга новость: небольшая канадская компания D-Wave Systems получит $17 млн., чтобы в очередной раз перевернуть цифровой мир. Всего год назад в Силиконовой долине D-Wave впервые показала публике квантовый компьютер Orion прибор без оперативной памяти, жестких дисков и всего того, с чем обычно ассоциируется само слово «компьютер». Новый гаджет не отличается ни удобством, ни дизайном: это вытянутая трубка с микрочипами, которую к тому же приходится охлаждать жидким гелием.
Перед нами немецкий электронный литограф приземистый куб с герметичной массивной дверью. На кремниевые пластины, помещенные внутрь куба, наносится слой окисла. Затем специальными способами «пробивают» в этом слое маленькие дырочки такие, чтобы внутрь каждой мог лечь один ион фосфора. Каждый такой ион и будет кубитом вычислительным элементом квантового компьютера.
Рабочий узел квантового компьютера фирмы D-Wave А так выглядит рабочий узел квантового компьютера изнутри. Температура процессорной зоны должна быть близка к абсолютному нулю, для чего ее погружают в жидкий гелий.
А это его сердце, квантовый чип Orion. Создатели уверяют, что сегодняшний Orion 16-кубитный, и в 2008 году обязуются проапгрейдить его до заветных 512 кубит.
Возможности трубки Если оценивать компьютерные достоинства терагерцами и гигабайтами, трубка, представленная D-Wave, выглядит и вовсе неубедительно: Orion, как было заявлено с самого начала, способен обрабатывать всего 16 единиц информации. Столько места занимают в компьютерной памяти две буквы. И все-таки экспертам, собравшимся в Музее компьютерной истории, было на что посмотреть. В присутствии 400 человек трубка сыграла в логическую игру судоку, решила математическую головоломку о рассаживании гостей и подобрала молекулу с нужными свойствами в базе данных. Обычные компьютеры, несмотря на гигагерцы и терабайты, проделывают все это с трудом. Одними головоломками удивить кого-либо сложно, но Orion всего- навсего экспериментальная установка. Полноценный образец, говорят разработчики, сможет соревноваться с суперкомпьютерами уже через год.
Защита информации. Сегодня реализуются на практике квантово-криптографические системы, обеспечивающие абсолютную защиту информации от прослушивания. Принцип работы основывается не на математических методах защиты, а на самой физике информации. Так, процесс отправки и приема сообщений может осуществляться при помощи электронов в электрическом токе или фотонов в линиях оптоволоконной связи. При этом перехватить сообщение, не изменив его, т.е. не превратив в бессмыслицу, невозможно. На сегодняшний день уже существует несколько сетей, обеспечивающих стопроцентную защиту информации.
Принцип работы Самой идее больше 30 лет. Нескольких ученых (среди которых были нобелевский лауреат физик Ричард Фейнман и российский математик Юрий Манин) тогда посетила «пифагорейская» мысль, что простейшие процессы, происходящие в природе, не что иное, как разновидность расчета. И яблоко не просто падает с дерева, а тем самым решает уравнение Ньютона. Ричард Фейнман, нобелевский лауреат, физик Юрий Манин, математик
Главное преимущество квантового компьютера перед классическим беспрецедентное быстродействие при решении ряда задач. Благодаря своему строению квантовый компьютер обладает рядом практически волшебных свойств, обеспечивающих качественно новый уровень вычислений и хранения информации. Приведу простой пример. Как известно, классический компьютер оперирует информацией, состоящей из мельчайших частиц битов, представляющих собой соответственно или 0 (основное базисное состояние), или 1 (не основное базисное состояние). Таким образом, данные это определенная последовательность нулей и единиц, так называемый классический регистр. Классический бит может принимать только два состояния 0 или 1. Третьего не дано. А вот кубит может быть наполовину 1 и наполовину 0. Он может быть с вероятностью в 34% ноль, и 66% единица.
Кошка Шредингера Мысленный эксперимент, демонстрирующий странности кубитов (точнее, гипотезы, что квантовое состояние «коллапсирует» только в момент наблюдения) придумал еще в 1934 году Эрвин Шредингер. Запрем, предлагал он, в черном ящике кошку, ампулу синильной кислоты и атом изотопа с 50-процентными шансами распасться. Если распад произойдет, ампула разбивается и кошка гибнет. Но пока ящик не вскроют (то есть не вмешается наблюдатель), кошку необходимо считать «ни живой, ни мертвой» другими словами, размазанной по двум состояниям, как и атом.
«Квантовый параллелизм» I=2 Q Итак, если в классическом компьютере количество хранимой информации растет линейно в зависимости от количества бит, то в квантовом экспоненциально. Если выразить математически, получится примерно следующее. Пусть I количество информации, N количество бит, а Q количество кубит. Тогда для классического компьютера I = N, а для квантового I = 2 Q. Простой пример: в классическом компьютере два бита это вдвое больше информации, чем в одном бите. 8 бит соответственно, в 8 раз больше. В квантовой вычислительной машине 2 кубита это уже в 4 раза больше информации, чем в одном. А 8 кубит это в 256 раз больше. Тут возникает интересный момент. Математически нетрудно написать формулу для сравнения классического компьютера и квантового. Это будет N = 2 Q. Из этого следует, что если есть квантовый компьютер, например, с 512 кубитами, то его классический аналог, равный по количеству хранимой информации, должен иметь на борту = бит. Ну, или 125х Гбайт. Для сравнения, число атомов в обозримой части Вселенной насчитывает «всего лишь»
Для чего нужен квантовый компьютер Среди первых задач квантовых компьютеров - предсказание погоды и расчет климатических изменений, создание онкологических препаратов, обработка сигналов из Вселенной для поиска внеземных цивилизаций.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!