Перспективы развития квантовых вычислений - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Реферат по курсу концепций современного естествознания на тему "Есть... 1 291.4kb.
Рассмотрение подходов к реализации симулятора квантовых вычислений... 1 82.71kb.
Моделирование стохастических процессов в вероятностной машине Тьюринга А. 1 47.17kb.
Моделирование стохастических процессов в вероятностной машине Тьюринга А. 1 61kb.
Моделирование стохастических процессов в вероятностной машине Тьюринга А. 1 47.17kb.
Программа курса «Основы квантовой механики и квантовых вычислений» 1 21.75kb.
Педагогический совет «От детского сада к школе. Преемственность. 1 120.29kb.
Международная научная заочная конференция Перспективы научного развития... 1 25.19kb.
Численный анализ в системе трех одномерных одноименно заряженных... 1 27.18kb.
I научно-практическая конференция «Перспективы скоординированного... 1 40.91kb.
Ты вычислений 1 35.64kb.
1. Аналоговое и цифровое представление информации. Особенности аналоговых ЭВМ 1 27.05kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

Перспективы развития квантовых вычислений - страница №1/1

Перспективы развития квантовых вычислений

студенты гр. РЭА-27аД Евстратов А.А., Соломаев М.В.

Технологический институт ВНУ им. В. Даля

(г. Северодонецк)


Цель работы - развитие альтернативной технологии принципа обработки цифровой информации.

В настоящее время компьютер, в любом его исполнении, является необходимой вещью не только для научных исследований или, например, автоматизации производственных процессов, но и для повседневных задач, как дома, так и в офисе, учебном заведении, больнице или магазине. Действительно, компьютеры, так или иначе, можно встретить на каждом шагу. Мы используем их для работы, возвращаемся к ним на досуге, без них зачастую не обходиться и при общении. Но кроме персональной техники большое значение имеют промышленные системы. Развивающаяся наука и производство остро нуждается в повышении вычислительных мощностей. Пример тому масштабный проект ЦЕРНа – Большой адронный коллайдер. Информация, которая будет поступать с датчиков коллайдера при его работе, может достигать скоростей 300 Гб/с. За пару секунд при этом будет заполняться вся память среднего персонального компьютера, а ведь эту информацию нужно не только сохранить, но и обработать. Для решения этих проблем ЦЕРН спроектировал и построил распределённую вычислительную сеть LCG, которая имеет древовидную структуру и охватывает собой, в прямом смысле слова, полмира. К сожалению, на данном этапе развития вычислительной техники, такой способ решения задачи являться наиболее эффективным.

Но возможно вскоре появиться альтернатива огромным тысячекомпьютерным системам. Как известно, сегодня принцип обработки цифровой информации лежит в связном переключении из одного состояния в другое множества транзисторов – полупроводниковых приборов, управляемых электрическим током. Недостатком их является малая скорость переключения, достаточно высокое потребление энергии и, конечно же, их размер. Проблема заключается в том, что имея дело с такими частотами работы микропроцессорных устройств, какие есть сегодня, значение имеет даже скорость света, с которой передаются сигналы внутри устройства, не говоря уже о переходных процессах в электрических схемах этих устройств, они занимают очень много времени. Один из вариантов решения данной проблемы – принципиально новые технологии обработки информации, например, операции на основе квантовых процессов. Такие операции должны выполняться на так называемых квантовых компьютерах.

Идея квантовых вычислений, предложенная Ю. И. Маниным и Р. Фейнманом, заключается в построении логических элементов – квантовых битов (в дальнейшем кубитов) в виде квантовых состояний атома или элементарной частицы. Такая частица одновременно может находиться в двух состояниях, каждое из них имеет определённую вероятность. Такое состояние называется состоянием суперпозиции. Это состояние записывается в виде:



,

где и – состояния кубита, аналогично состояниям 0 и 1 классических битов;

a и b – вероятности нахождения элементарной частицы или атома в этом состоянии.

Суперпозиция двух кубитов будет выглядеть как:



– уже четыре составляющих, каждое из которых описывает вероятность одного из состояний двухъячеечной системы. Суперпозиция N кубитов будет иметь 2N слагаемых. Их количество, таким образом, увеличивается экспоненциально.

Элементарным шагом вычислений квантового процессора является операция над суперпозицией из N кубитов. Эта операция схожа с 2N операциями классического компьютера. Увеличение быстродействия, в сравнении с полупроводниковыми микросхемами заключается в том, что полупроводниковому процессору понадобилось бы либо 2N тактов с одним классическим битом, либо один такт с использованием 2N битов для решения задачи подобной сложности. Если проще, квантовый компьютер работает быстрее, чем обычный (с тем же количеством логических элементов) в раз.

Входные данные должны вводиться в квантовый компьютер в виде начального состояния системы кубитов, после чего в результате взаимодействия кубитов друг с другом в процессе работы алгоритма образуется новое состояние этой системы, что и является выходными данными, которые нужно прочитать.

Физически реализовать квантовый компьютер можно несколькими способами:



  1. На отдельных атомах или ионах, например, используя энергетические уровни электронов или спины ядер.

  2. При помощи ядерного магнитного резонанса, когда один кубит – это атом, а весь компьютер – молекула, атомы которой взаимодействуют друг с другом.

  3. При помощи сверхпроводящих гранул, за счёт изменения их заряда.

Уже создан экспериментальный образец, в котором кубиты выполнены в виде ионов бериллия в магнитной ловушке размером 200 нанометров. Точность этого образца приблизительно 80%, чего недостаточно для полноценной работы компьютера, но позволяет говорить о некотором успехе технологии.

Независимо от физической реализации структура квантового компьютера выглядит приблизительно так, как показана на рис.1.




В результате воздействия атомов внешней среды на атомы или молекулы, выступающие в роли кубитов, из-за теплового движения могут возникать ошибки в работе квантового компьютера. Чтобы устранить влияние внешней среды, необходимо охлаждать рабочее тело квантового компьютера до температур порядка 10-3К. Процесс охлаждения требует больших затрат энергии. Кроме того, его недостаточно просто охладить, необходимо поддерживать заданную температуру во время работы, что можно гораздо проще сделать в условиях отсутствия земной атмосферы. Поэтому одна из возможностей – поместить квантовый компьютер на искусственном спутнике Земли. Такое решение позволит без лишних затрат энергии удерживать температуру на уровне нескольких Кельвинов. Дальнейшее снижение температуры будет достигаться при помощи лазерного охлаждения в ионных ловушках. Питание будет обеспечиваться солнечными батареями, которые к тому же будут исполнять роль щитов, защищающих квантовый компьютер от нагрева солнечным излучением. Так как алгоритмы выполняющиеся на таком типе компьютеров не требуют постоянного ввода-вывода информации, достаточно будет загрузить входные данные через беспроводный канал и по выполнении принять результат вычислений, что избавляет нас от проблем связанных с задержкой сигнала.

Квантовый компьютер совершенно новое устройство для обработки информации, но насколько его технологии связаны с электроникой и не отойдут ли на задний план организации и предприятия, занимающиеся проектированием и производством полупроводниковых микросхем и классических компьютеров на задний план после активного развития квантовых технологий? Сегодня предвидится несколько вариантов развития квантовых компьютеров и перспективно выглядит система кубитов, выполненная на твёрдом кристалле в виде упорядоченных атомов примеси. В роли кристалла может выступить кремний. Дело в том, что технологии получения кристаллов кремния и его очистки доступны уже сегодня. Этим занимается электронная промышленность, и если квантовый компьютер будет признан перспективным, перед научно-исследовательскими организациями будет стоять задача разработать новые методы очистки кремния и введения примесей в полупроводниковые кристаллы. Кроме того, даже полноценный квантовый процессор будет нуждаться в периферии и системах управления, которые по-прежнему будут строиться по полупроводниковым технологиям.



На данный момент остаётся множество недостатков квантового компьютера, как например отсутствие алгоритмов, которые бы позволили сделать квантовый компьютер более универсальным, недостаточно проработанные технологии для построения и обеспечения его нормальной работы, слишком большое число ошибок связанных с воздействием окружающей среды, и которые даже в перспективе являются неотъемлемой частью работы квантового процессора. Но все эти проблемы решаемы, например, предпринимаются попытки разработать новые алгоритмы, которые позволят решать принципиально новые задачи, уже создан рабочий квантовый компьютер на двух кубитах. И хотя пока что он несравнимо медленнее обычных компьютеров, необходимо двигаться в этом направлении, ведь полупроводниковые микросхемы рано или поздно исчерпают свои возможности и к тому времени наука должна иметь готовые предложения и квантовый компьютер может стать одним из них.