3.3 Нанокомпьютеры
Наноэлектроника в настоящее время вплотную приблизилась к созданию и новых типов вычислительной техники – нанокомпьютеров. Можно предположить, что нанокомпьютеры будут развиваться одновременно по нескольким направлениям, реализующим различные способы представления информации (на основе квантовой логики, классической логики), а также появятся некоторые другие, например, генетические, молекулярно-биологические, молекулярно- механические. Рассмотрим одно из направлений разработки нанокомпьютеров, основанное на теории квантовых вычислений с помощью квантовомеханических логических операций. Устройства, построенные на таком типе вычислений, называются квантовыми компьютерами. Квантовый компьютер – вычислительное устройство, использующее при работе квантовомеханические эффекты и реализующее выполнение квантовых алгоритмов. Квантовые компьютеры работают на основе квантовой логики. Идея квантовых вычислений впервые была высказана Ю.И. Маниным в 1980 году, но активно эта проблема стала обсуждаться после появления в 1982 году статьи американского физика-теоретика Р. Фейнмана. В этих работах было предложено использовать для вычислений операции с состояниями квантовой системы. Каждое состояние квантовой системы, в отличие от классической, может находиться в состоянии суперпозиции. В терминах классического компьютера квантовый бит (кубит) в соответствии с законами квантовой механики может находиться одновременно в двух равновероятных состояниях «0» и «1». Тогда два кубита могут быть уже в четырёх смешанных состояниях – 00, 01, 10 и 11, представляя четыре числа сразу. Видно, что увеличение растёт по степенному закону: на m кубитах можно выполнять одновременно вычисление над 2m числами параллельно. Это значит, что, используя всего несколько сотен кубитов, можно представить одновременно больше чисел, чем имеется атомов во Вселенной. Данный факт также позволяет предполагать такое же увеличение скорости вычислений квантового компьютера по сравнению с классическим. Это предположение основано на том, что при квантовых вычислениях элементарным шагом является отдельная операция над m-кубитной суперпозицией – принцип квантового параллелизма. Иначе говоря, когда в классическом компьютере вычисляется единственное выходное значение для одного входного состояния, в квантовом компьютере вычисляются выходные значения для всех входных состояний. Иначе говоря, квантовый компьютер может за короткое время решать задачи, с которыми современные компьютеры не могли бы справиться в течение сотен лет. Конечно, на пути практической реализации квантовых компьютеров стоит огромное количество сложнейших теоретических и практических задач. На сегодняшний день предложены варианты конструкции квантовых компьютеров на основе квантовых точек и сверхпроводящих переходов. Более того, есть заявления коммерческих организаций о создании реальных процессоров на базе кубитов, например, компьютер «Orion». Он основан на микросхеме, содержащей 16 «кубитов» (Рис. 3.4.). Однако здесь необходимо оговориться, что в квантовых компьютерах существуют проблемы, связанные с неоднозначностью интерпретации информации, поэтому заявления о создании квантовых компьютерах ставятся в научном сообществе под сомнение. Каждый такой кубит состоит из частиц ниобия, окруженных соленоидами. По сути, «Orion» представляет собой аналоговый компьютер, решающий задачи методом физического моделирования. Такой компьютер лучше всего подходит для расчета сложных и занимающих много машинного времени моделей – финансовых, химических или фармацевтических.
Рисунок 3.4-16-q-битный процессор «Orion»: его схема (а) и фотография (б)
Таким образом, все приведенные здесь факты и бурное развитие нанотехнологий позволяют надеяться на то, что фантастические мечты о суперкомпьютерах в скором времени найдут реальное воплощение.[8]
=============================================================
|
