Э.П.ЛАНИНА

КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР, ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

Иркутский государственный технический университет

Рассматриваются основы квантовых вычислений, проблемы создания квантового компьютера, возможные решения и трудности  реализации

 В 1958  году фон Нейман, моделируя на компьютере квантовые процессы, пришел к выводу, что для решения многочастичных квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен. Уже при решении задачи с 1000 электронными спинами в памяти должно быть  2 в степени 1000 ячеек памяти, предназначенных для хранения переменных. А гигабайт памяти - это всего лишь 2 в степени 30. 

В 1960 году Фейнман  высказал мысль о том, что природе задачи должен соответствовать способ ее решения. Существует парадоксальная ситуация, зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной. В то же время, для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами,  задав потенциал и начальное состояние.

Идея квантовых вычислений была впервые высказанна советским математиком Ю.И.Маниным в 1980 году.  В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, английский ученый Д. Дойч, теоретически доказавший возможность построения универсального квантового компьютера. В 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор предложил квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел. По сравнению с лучшим, из известных на сегодня, классическим методом квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.

     В 1996 году  Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных.  Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума.

В середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. 

          Суть квантовых вычислений состоит в следующем:

1. Принцип работы квантового компьютера  определяется свойствами атомов или других частиц, поведение которых подчиняется законам квантовой теории.

2. За единицу измерения информации в квантовых компьютерах принят кубит или квантовый бит (qubit, Quantum Bit).

Состояние квантовой системы описывает волновая функция, которая может принимать большое количество значений, т. е. может быть представлена вектором допустимых значений. Каждому допустимому значению соответствует собственная функция. Таким образом, волновую функцию можно представить в виде линейной комбинации собственных функций. Отдельные составляющие вектора могут принимать состояния “0” или “1”, это означает, что кубит в определенный момент времени с некоторой вероятностью равен и “0”, и “1”. Вероятность логического состояния (0) определяет величина , вероятность логического состояния (1) величина ,вероятность того, что кубит находится в одном из возможных состояний, равна единице. Этот факт отражен в записанном ниже уравнении. 

                                         + =1 

Например, квантовый компьютер может быть основан на спинах электронов и атомных ядер. Когда спин частицы направлен вверх, состояние атома может быть принято за  “1”, а направление вниз за “0”. При измерении состояния частицы ее волновая функция как бы стягивается (коллапсирует) к тому значению, которое фиксируется, а затем опять начинает расплываться.

Результат измерения величины не может быть предсказан заранее. Заранее известно только, с какой вероятностью мы получим то или иное значение.

В классическом компьютере изменение состояния отдельного бита не связано с изменением состояния других битов. В квантовом компьютере управление состоянием одной частицы вызывает изменение состояния других частиц. Состояния квантовых частиц, даже если они хорошо изолированны друг от друга, зависят друг от друга, поэтому они находятся в запутанном состоянии (entangled state). 

Состояние квантового компьютера из 8 кубитов может быть описано волновой функцией (ВФ), представимой в виде .,  где коэффициенты a,b,... - комплексные числа, причем вероятность того, что компьютер находится в состоянии 01110010  - равна a², а того, что он находится в состоянии 11101010 - равна  b², и так далее.

3.  Для волновых функций, благодаря их способности интерферировать, может быть введено понятие когерентности. Именно это свойство используется в когерентном квантовом компьютере. Набор кубитов представляется когерентными волновыми функциями.

4.  Существует вполне определенный класс воздействий на квантовую систему, называемый унитарными преобразованиями, при которых не теряется записанная в кубит информация и не нарушается когерентность кубитов. Унитарные преобразования обратимы - по результату можно восстановить исходные данные.

Элементарным шагом квантовых вычислений является унитарная операция над суперпозицией состояний системы из N двухуровневых квантовых элементов. Для квантовых компьютеров можно ввести, подобно классическим компьютерам, элементарные логические операции: дизъюнкцию, конъюнкцию, квантовое отрицание. Эти функции - логическая основа работы квантового компьютера.

5.  В квантовых компьютерах выполняется параллельная обработка сразу всех 2^N булевых состояний, тогда как для классического компьютера подобная операция потребовала бы 2^N отдельных элементарных шагов. Такое свойство называется квантовым параллелизмом в работе квантовых устройств, и оно приводит к экспоненциальному ускорению вычислительного процесса. В этом  основное преимущество   квантовых вычислений.

Из-за того, что для представления информации используются кубиты, в которых записано сразу оба значения - и “0”, и “1”, в процессе  вычислений  происходит параллельная обработка сразу всех возможных вариантов комбинаций битов в процессорном слове. Таким образом, в квантовом компьютере реализуется естественный параллелизм, недоступный классическим компьютерам. За счет возможности параллельной работы с большим числом вариантов, в идеале равным 2^N (где N - число кубитов), квантовому компьютеру необходимо гораздо меньше времени для решения определенного класса задач. Благодаря этому эффекту квантовый компьютер может иметь феноменальную производительность. Для определенных типов вычислений, подобных сложным алгоритмам криптографии квантовый компьютер может использовать сотни атомов. На классическом компьютере это бы соответствовало выполнению миллиардов операций одновременно. Квантовый компьютер можно будет использовать и для вполне прагматических целей, помимо специальных, например, для поиска в базах данных (в частности, в больших массивах Internet).

Кроме того, предполагается использовать квантовые компьютеры для моделирования квантовых систем, что трудно или вообще невозможно сделать на обычных компьютерах.

6. Любое воздействие на когерентную квантовую систему, которое принципиально позволяет получить информацию о состоянии кубитов системы, разрушает их когерентность.

Воздействием, нарушающим когерентность, является и проверка когерентности. При коррекции ошибок возникает своего рода замкнутый круг: для того чтобы обнаружить потерю когерентности, нужно получить информацию о кубитах, а это, в свою очередь,  нарушает когерентность. В качестве выхода предложено много специальных методов коррекции, построеных на основе методов избыточного кодирования.

7.  Выполнение унитарных логических операций над элементами в квантовых компьютерах предполагается осуществлять с помощью соответствующих внешних воздействий, которыми управляют классические компьютеры. Фейнман предложил следующую схему квантового компьютера (рис. 1.)



Рис.1. Схема квантового компьютера

При выборе конкретной схемы любого квантового компьютера необходимо решить три вопроса: во-первых, выбрать физическую систему, представляющую требуемую систему квантовых элементов, во вторых, определить физический механизм, определяющий взаимодействие квантовых элементов, необходимое для выполнения двухкубитовых операций, в третьих, определить способы селективного управления квантовыми элементами и измерения их состояния на выходе. Все это вместе взятое аналогично "аппаратному обеспечению" (hardware) классического компьютера.

Считается, что для реализации полномасштабного квантового компьютера, превосходящего по производительности любой классический компьютер, на каких бы физических принципах он не работал, следует обеспечить выполнение следующих пяти основных требований:

  1.  Физическая система, представляющая полномасштабный квантовый компьютер, должна содержать достаточно большое число хорошо различаемых квантовых элементов для выполнения соответствующих квантовых операций.

  2.   Необходимо обеспечить условия для установки входного регистра в исходное основное базисное состояние, то есть возможность процесса инициализации.

 3. Необходимо обеспечить максимальное подавление эффектов декогерентизации квантовых состояний, обусловленное взаимодействием системы кубитов с окружающей средой, что приводит к разрушению суперпозиций квантовых состояний и может сделать невозможным выполнение квантовых алгоритмов. Время декогерентизации должно, по крайней мере, в 10 раз превышать время выполнения основных квантовых операций (времени такта). Для этого система квантовых элементов должна быть достаточно слабо связана с окружающей средой.

4. Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование. Эта совокупность должна содержать определенный набор двухкубитовых операций, типа контролируемый инвертор или контролируемое НЕ (Controlled NOT є CNOT) (аналог исключающего ИЛИ в классических компьютерах). Двухбитовые операции осуществляют операции поворота вектора состояния двух взаимодействующих квантовых элементов в четырехмерном гильбертовом пространстве. Однокубитовые операции осуществляют поворот вектора состояния квантового элемента в двухмерном гильбертовом пространстве ( операции НЕ, например).

5.  Необходимо обеспечить с достаточно высокой надежностью измерение состояния квантовой системы на выходе. Проблема измерения конечного квантового состояния является одной из основных проблем квантовых вычислений.

В настоящее время наиболее широко обсуждаются следующие основные направления в развитии элементой базы будущих квантовых компьютеров:

1) Использование для модельной реализации квантовых компьютеров в качестве кубитов уровней энергии ионов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до микрокельвиновых температур.

Взаимодействие между заряженными ионами в одномерной цепочке этих ловушек осуществляется посредством возбуждения их коллективного движения, а индивидуальное управление ими с помощью лазеров инфракрасного диапазона. Первый прототип квантового компьютера на этих принципах был предложен австрийскими физиками И.Цираком и П.Цоллером в 1995 году. В настоящее время интенсивные экспериментальные работы ведутся в Los Alamos Natl.Lab. (LANL) и Natl.Inst.Stand.Tech. (NIST) в США. Преимущество такого подхода состоит в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами. Основными недостатками этого типа квантовых компьютеров являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояний ионов в цепочке и ограниченность возможного числа кубитов значением L < 40.

2) Использование в качестве значения кубитов состояний атомов с ядерными спинами с I = 1/2, принадлежащих молекулам органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для управления кубитами.

Первые предложения были сформулированы в 1997 году в Massach.Inst.Tech. (MIT), LANL в США и в Clarendon Lab. в Оксфорде в Великобритании. В этом же году были выполнены первые эксперименты на ядерных спинах двух атомов водорода в молекулах дибромотиофена SCH:(CBr)2:CH и на трех ядерных спинах - одном в атоме водорода  и двух в изотопах углерода в молекулах трихлорэтилена CCl2:CHCl. Важным здесь является то, что для селективного воздействия на ядерные спины молекулы необходимо, чтобы они достаточно различались по резонансным частотам. Позднее были осуществлены квантовые операции также в цитозине, хлороформе, аланине и других жидкостях с числом спинов-кубитов L = 3,5,6,7.

Рис. 2. Ориентация ядерных спинов молекул жидкости.

     Магнитные ядра ведут себя как вращающиеся волчки (рис.2).    Ось спина в нормальном положении ориентирована вдоль направления приложенного постоянного магнитного поля. Переменное поле может вызвать переориентацию спина. Например, 180-градусный импульс (слева) заставляет вращающееся ядро  перевернуться на 180 градусов, а 90-градусный импульс  заставит его установиться перпендикулярно к постоянному магнитному полю.

Частицы со спином действуют как крошечные магнитики, ориентирующиеся вдоль приложенного внешнего магнитного поля. Две противоположные ориентации (параллельно и антипараллельно внешнему полю) соответствуют двум квантовым состояниям с различными энергиями. Можно положить, что параллельному спину соответствует значение логическая 1, а антипараллельному - значение логический 0. Параллельный спин имеет более низкую энергию, чем антипараллсльный на величину, которая зависит от напряженности приложенного внешнего магнитного поля. Обычно противоположные направления спинов присутствуют в жидкости в равных количествах. Но приложенное поле создаст более выгодные условия для параллельных спинов, поэтому возникает легкий дисбаланс между двумя состояниями. Этот незначительный излишек, составляющий, возможно, лишь одно ядро на миллион, измеряется во время ЯМР-экспериментов.

В дополнение к этому постоянному магнитному полю ЯМР-процедура также использует переменные электромагнитные поля. Прикладывая переменное поле, определенные спины можно заставить перевернуться в другое состояние. Эта особенность позволяет переориентировать ядерные спины по желанию.

Главным преимуществом такого компьютера является то, что в жидкости действует огромное число практически независимых молекул-компьютеров, обеспечивая тем самым возможность управления ими с помощью хорошо известных в технике ядерного магнитного резонанса (ЯМР) операций над макроскопическим объемом жидкости. Последовательности радиочастотных импульсов, выполняющие в этом случае роль определенных квантовых логических вентилей, осуществляют глобальные унитарные преобразования состояний соответствующих ядерных спинов для всех молекул-компьютеров. Индивидуальное обращение к отдельным кубитам заменяется одновременным обращением к соответствующим кубитам во всех молекулах большого ансамбля. Компьютер такого рода получил название ансамблевого (bulk-ensemble quantum computer) ЯМР квантового компьютера. Замечательно, что он может, в принципе, работать при комнатной температуре. Время декогерентизации квантовых состояний ядерных спинов в жидкости достаточно велико. Оно может составлять несколько секунд.

В области ЯМР квантовых компьютеров на органических жидкостях к настоящему времени достигнуты наибольшие успехи. Они связаны, в основном, с хорошо развитой импульсной техникой ЯМР-спектроскопии, обеспечивающей выполнение различных операций над когерентными суперпозициями состояний ядерных спинов и с возможностью использования для этого стандартных ЯМР-спектрометров, работающих при комнатных температурах.

Экспериментально на ЯМР квантовых компьютерах были осуществлены алгоритм Гровера поиска данных, квантовое фурье-преобразование, квантовая коррекция ошибок, квантовая телепортация, квантовое моделирование и другие операции.

Однако, ЯМР квантовые компьютеры на молекулах органической жидкости не смогут иметь число кубитов, значительно больше десяти. Их следует рассматривать лишь как прототипы будущих квантовых компьютеров, полезные для отработки принципов квантовых вычислений и проверки квантовых алгоритмов.

3) Использование в качестве значений кубитов зарядовых состояний куперовских пар в квантовых точках, связанных переходами Джозефсона, предложенное Д.В.Авериным в 1998 году.

Первый твердотельный квантовый элемент на этих принципах был создан в NEC Fund.Res.Lab. в Японии в 1999 году. Полагают, что перспективность этого направления состоит в возможности создания электронных квантовых устройств высокой степени интеграции на одном кристалле, при этом для управления квантовыми элементами не потребуются громоздкие лазерные или ЯМР установки. Однако на пути создания квантовых компьютеров еще остается нерешенными ряд важных проблем и, в частности, проблема устойчивости состояний квантовых элементов и декогерентизация.  Работы по разработке квантовых компьютеров на высокотемпературных сверхпроводниках в России ведутся в Институте теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН.

Перечисленные выше три, в разной степени реализованных, направления в развитии элементной базы квантовых компьютеров дополним еще двумя, широко обсуждаемыми пока на уровне предложений, направлениями:

1) Важные перспективы открываются перед направлением твердотельных ЯМР квантовых компьютеров.

В 1998 г. австралийским физиком Б.Кейном было предложено использовать в качестве значений кубитов состояния обладающих ядерным спином 1/2 донорных атомов с изотопами 31P, которые имплантируются в кремниевую структуру. Это предложение, которое пока остается нереализованным, открывает потенциальную возможность создания квантовых вычислительных устройств с практически неограниченным числом кубитов В рассматриваемом варианте предполагается использовать температуры достаточно низкие для того, чтобы электроны донорных атомов занимали только нижнее спиновое состояние в магнитном поле.

Каждый донорный атом с ядерным спином - кубит в полупроводниковой структуре предполагается расположить регулярным образом с достаточной точностью под "своим" управляющим металлическим затвором (затвор A), отделенным от поверхности кремния тонким диэлектриком (например, окисью кремния толщиной порядка нескольких нанометров). Эти затворы образуют линейную решетку произвольной длины.  

 Рис. 3. Схематическое изображение двух ячеек полупроводниковой структуры модели Кейна, приближенные размеры lA = 10нм, l=20нм, C=20нм. 

С помощью электрического поля, создаваемого потенциалом затворов A, можно изменять распределение электронной плотности вблизи ядра в основном состоянии, изменяя, соответственно, резонансную частоту каждого ядерного спина, которая определяется сверхтонким взаимодействием его с электронным спином. Это позволяет осуществлять индивидуальное управление квантовыми операциями путем селективного воздействия резонансных радиочастотных импульсов на ядерные спины определенных доноров.

Величиной косвенного взаимодействия между ядерными спинами соседних доноров, которое обеспечивает выполнение двухкубитовых операций, предлагается управлять с помощью затворов J, расположенных между затворами A. Это возможно, если характерные размеры полупроводниковой структуры лежат в нанометровой области. Для формирования таких структур предполагается воспользоваться приемами современной нанотехнологии.

Были предложены и несколько вариантов измерения состояний кубитов, но ни один из них пока не реализован, а также ансамблевые варианты твердотельных ЯМР квантовых компьютеров. В России работы в этом направлении ведутся в Физико-технологическом институте РАН  

2) Еще одним интересным направлением является использование в качестве состояний кубитов двухспиновых или двухзарядовых электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах, в частности в квантовых точках, формируемых в гетероструктурах типа AlGaAs/GaAs, либо со спин-спиновым обменным, либо с электрическим взаимодействием между кубитами. Индивидуальное управление кубитами в случае спиновых электронных состояний предполагается осуществлять, используя так называемые спиновые клапаны, а для измерения состояния отдельного спина - спиновые фильтры из ферромагнитных туннельных барьеров. В случае зарядовых состояний предполагается управлять кубитами либо лазерами инфракрасного диапазона, либо с помощью электрического воздействия на высоту барьера, разделяющего кубиты. Активные поисковые исследования в этом направлении проводятся в исследовательских центрах IBM. Работа по моделированию полупроводниковых кубитовых наноструктур из квантовых точек в России ведется в Физико-технологическом институте РАН. 

Из рассмотренных выше пяти основных направлений наиболее привлекательными с точки зрения создания квантовых компьютеров в настоящее время представляются три конкурирующих направления: полупроводниковые ЯМР квантовые компьютеры, квантовые компьютеры на переходах Джозефсона и квантовые компьютеры на квантовых точках. Все они допускают произвольно большое число кубитов и для них существуют уже многие наработанные приемы микро- и нанотехнологии создания полупроводниковых и сверхпроводниковых интегральных схем. Все три направления предполагают наличие генераторов управляющих импульсов, использование низких температур и, следовательно, использование совсем не миниатюрных обслуживающих систему кубитов устройств, а в случае твердотельного ЯМР квантового компьютера еще и использование магнита.  

Рассказ о квантовых компьютерах, проблемах и решениях был бы неполным без упоминания о проекте  петафлопного гиперкомпьютера, разрабатываемого в США. Проект гиперкомпьютера нельзя назвать проектом квантового компьютера в классическом смысле. В гиперкомпьютере впервые используются квантовые эффекты. В разработке широко принимают участие бывшие советские ученые, открывшие и положившие начало основам быстрой одноквантовой логики (БОКЛ). Противоречивые требования, предъявляемые заказчиками к суперкомпьютеру, привели к необходимости проектирования ЭВМ общего назначения. Для уменьшения энергопотребления и повышения тактовой частоты вычислительного ядра гиперкомпьютера кремниевые полупроводниковые микропроцессоры  уступили место ниобиевым сверхпроводниковым, основанным на быстрой одноквантовой логике. В настоящее время в мире насчитывается более двух десятков групп, ведущих исследования в области БОКЛ.

Быстрая одноквантовая логика основана на явлении квантизации магнитного потока в сверхпроводниках. Некоторые металлы (например, свинец и ниобий), будучи охлажденными до температуры жидкого гелия, становятся сверхпроводниками, то есть обретают способность пропускать электрический ток без падения напряжения. Это означает, что ток в сверхпроводниковом кольце может циркулировать вечно. Существует лишь один способ “выпустить” ток из кольца (как и "впустить") - разрушить сверхпроводимость, подавить ее на время, прорвать "сверхпроводниковую" блокаду.

Согласно современной концепции сверхпроводящего состояния, основой всех наблюдаемых электродинамических свойств сверхпроводников является макроскопическая когерентность носителей сверхтока - куперовских электронных пар, т.е. то, что их совокупность (конденсат) описывается единой волновой функцией. Это, в свою очередь приводит, к ряду специфических когерентных эффектов, наиболее важными из которых являются эффект квантования потока и  эффект Джозефсона.      

Первый из этих эффектов заключается в том, что поток магнитного поля через отверстие сверхпроводящего кольца, может принимать лишь значения равные целому числу квантов магнитного потока. Квант "вошел" в кольцо - и ток увеличился на некую величину, зависящую от геометрических размеров кольца. Квант "вышел" из кольца - и ток уменьшился на ту же самую величину. Любое сверхпроводниковое кольцо может не содержать магнитного поля вообще, содержать один квант, два, три... И даже "минус один" квант (поле противоположной полярности).

Еще большее значение имеет другое когерентное явление – эффект Джозефсона, который происходит при слабом электрическом контакте двух сверхпроводящих образцов. Такой контакт может иметь различные конфигурации; единственным существенным требованием к нему является малость его длины. Этот слабый контакт является джозефсоновским переходом.

В силу “эффекта близости” от одного сверхпроводника к другому может течь небольшой электрический сверхток, даже если на пути находится нормальный, не сверхпроводящий, металл или изолятор. Если же величина тока превышает некий предел (называемый критическим током), сверхпроводимость разрушается, ниобий из сверхпроводника становится нормальным металлом и обретает сопротивление. Фактически, джозефсоновский переход является аналогом p-n перехода и его используют как устройство, ответственное за проникновение квантов в кольцо и обратно.

Если пропустить через разрез дополнительный внешний управляющий ток, то суммарного тока может быть вполне достаточно для подавления сверхпроводимости джозефсоновского перехода. Через образовавшуюся резистивную "дыру" кванты магнитного потока могут выводиться из кольца либо вводиться в него. Получившееся устройство - кольцо с одним джозефсоновским переходом называется одноконтактным интерферометром. Если в кольце сделать еще один разрез - еще один джозефсоновский переход, то первый переход, подпитанный небольшим внешним током, можно использовать для "ввода" квантов в кольцо, а второй переход для вывода их оттуда (или наоборот). Из-за квантизации магнитного потока величина электрического тока, индуцированного одиночным квантом в кольце, зависит от размеров кольца (от его индуктивности L). Наведенный ток либо превышает критический ток джозефсоновского перехода, либо нет. В первом случае двухконтактный интерферометр не в состоянии удержать квант. Такой интерферометр используется для передачи данных. Несколько интерферометров, соединенных друг с другом так, что второй переход  предыдущего устройства является первым переходом последующего, получили название джозефсоновской линии передач и используются для передачи данных на значительные расстояния, выполняя функцию проводов. Квант магнитного потока распространяется вдоль линии в виде узкого импульса напряжения шириной в несколько пикосекунд. Во втором случае квант “хранится” в кольце. На основе БОКЛ легко построить более изощренные схемотехнические элементы: Т- и SR-тригеры, однобитные регистры, ячейки синхронизации, функциональные элементы И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверторы и т.п. Полный перечень БОКЛ содержит несколько десятков разнообразных элементарных ячеек.

Классическая БОКЛ придерживается следующих основ при построении компьютера:

1.  Существует генератор тактовых импульсов (глобальный или локальный) более или менее регулярно испускающий кванты магнитного потока, тактирующие все элементы схемы.

2.    Наличие кванта магнитного потока на входе данных некой ячейки между двумя последовательными тактовыми сигналами рассматривается как логическая единица.

3.    Отсутствие кванта рассматривается как логический ноль.

В гиперкомпьютере устройства, основанные на БОК логике, являются также базовыми элементами сверхпроводниковых буферов памяти и межпроцессорной пакетной сети. Сеть выполняет функции системной шины и позволяет передавать 1 петабайт информации в секунду, что превышает суммарный объём всех экземпляров книг на земном шаре.

Каждый из 4096 микропроцессоров аппаратно поддерживает 16 параллельных процессов (потоков). Каждому потоку предоставляется набор из шестидесяти четырех 64-битных регистров общего назначения, необходимые контрольные регистры и целочисленное АЛУ. Функциональные устройства с плавающей запятой и закрепленный за процессором буфер памяти  одинаково доступны для всех 16 потоков.

Кроме того проект гиперкомпьютера предусматривает два типа полупроводниковой оперативной памяти: статическую (возможно, охлажденную до температуры жидкого азота, 77 градусов Кельвина) и динамическую. С точки зрения процессоров, вся память образует единое адресное пространство.

Важнейшей коммуникационной артерией гиперкомпьютера является широкополосная оптическая многоступенчатая пакетная сеть. Еще одна оптическая компонента - голографическая память. Иерархия памяти включает четыре уровня памяти, отличающиеся вместимостью и скоростью, изготовленные по различным технологиям: сверхпроводник, быстрые буфера, охлаждаемые азотом модули SRAM,охлаждаемые жидкостью - DRAM, и оптическое голографическое хранение.

Выпуск петафлопного гиперкомпьютера планируется осуществить в 2007 году.

Среди нерешенных проблем, сдерживающих развитие квантовых вычислений отметим следующие:

-             в настоящее время отсутствует практическая разработка методов квантовых измерений состояний отдельного ядерного спина или их малых групп;

-             не изучено влияние неидеальности управляющих кубитами импульсных последовательностей и многоуровневой сверхтонкой структуры энергетического спектра на декогерентизацию квантовых состояний;

-             не разработаны способы подавления декогерентизации, определяемой шумами в электронной измерительной системе;

-             не опробованы квантовые методы коррекции ошибок для многокубитовых систем.

Литературные источники:

1. Валиев К.А, Кокин А.А. Из итогов XX века: От кванта

к квантовым компьютерам. www.user.cityline.ru

2. Зиновьев.Д. В погоне за ПетаФлопом. iXBT.COM, опубликовано 8 декабря 1998г., вторая публикация от 25 марта 1999 года.

3. Жувикин.Г. Физики шутят?  КомпьюТерра  №35 (364),2000г.

4. http://www.gamayum.physics.sunysb.edu/RSFQ

5. Лихарев. К.А. "Физические основы сверхпроводимости", 1978г.

6. Зиновьев.Д. Взлеты и падения БОКЛ, 1997г.  http://www.computerra.ru