|
Идея квантовых вычислений была впервые высказанна советским математиком Ю.И.Маниным в 1980 году. Суть состоит в следующем:
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 виде вектора 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.
Для квантовых компьютеров можно ввести, подобно классическим компьютерам, элементарные логические операции: дизъюнкцию, конъюнкцию, квантовое отрицание. Эти функции - логическая основа работы квантового компьютера.
Элементарным шагом при квантовых вычислениях является унитарная операция над суперпозицией состояний системы из L двухуровневых квантовых элементов (которые тоже принято называть кубитами, как и единицу измерения информации), при этом в квантовых компьютерах выполняется параллельная обработка сразу всех 2 в степени L булевых состояний, тогда как для классического компьютера подобная операция потребовала бы 2 в стерени L отдельных элементарных шагов. Такое свойство называется квантовым
параллелизмом в работе квантовых устройств, оно приводит к экспоненциальному ускорению вычислительного процесса. В этом заключается одно из главных преимуществ квантового компьютера.
Для реализации квантового компьютера следует обеспечить выполнение следующих пяти основных требований:
1. Квантовый компьютер должен содержать достаточно большое число квантовых элементов для выполнения квантовых операций.
2. Необходимо обеспечить возможность ввода данных в компьютер.
3.Необходимо обеспечить максимальное подавление эффектов декогерентизации квантовых состояний, обусловленное взаимодействием системы квантовых элементов с окружающей средой. Для этого система квантовых элементов должна быть слабо связана с окружающей средой.
4. Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование.
5.Необходимо обеспечить с достаточно высокой надежностью измерение состояния квантовой системы на выходе. Проблема измерения квантового состояния без его разрушения 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 значений кубитов уровней энергии ионов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до микрокельвиновых температур.
2) Использование в качестве значений 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.
3) Использование в качестве значений кубитов зарядовых состояний куперовских пар в квантовых точках, связанных переходами Джозефсона.
4) Важные перспективы открываются перед направлением твердотельных ЯМР квантовых компьютеров, было предложено использовать в качестве значений кубитов ядерные спины донорных атомов с изотопами 31P, которые имплантируются в кремниевую структуру.
5) Еще одним интересным направлением является использование в качестве состояний кубитов двухспиновых или двухзарядовых электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах.
Наиболее перспективным направлением в создании квантового компьютера считается использование быстрой одноквантовой логики. Быстрая одноквантовая логика основана на явлении квантизации магнитного потока в сверхпроводниках.
Любое сверхпроводниковое кольцо может не содержать магнитного поля вообще, содержать один квант, два, три... И даже "минус один" квант! (Поле противоположной полярности.)Устройство, ответственное за проникновение квантов в кольцо и обратно называется Джозефсоновским переходом.
Классическая БОКЛ придерживается следующего соглашения:
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 магнитного потока рассматривается как логический ноль.
Проектируемый квантовый компьютер на быстрой одноквантовой логике получил название гиперкомпьютера. В гиперкомпьютере предусматривается два типа полупроводниковой оперативной памяти: статическая (возможно, охлажденную до температуры жидкого азота, 77 градусов Кельвина) и динамическая.
Разрабатывается новая Гибридно-технологическая Многопоточная Архитектура (ГТМПА, Hybrid Technology Multithreaded Architecture, HTMT). В основе ГТМПА лежит использование нетрадиционных технологий ("гибридность") и расщепление параллельных процессов на более мелкие независимые фрагменты: потоки и нити ("многопоточность").
Каждый из 4096 микропроцессоров гиперкомпьютера аппаратно поддерживает 16 параллельных процессов ("потоков"). Каждому потоку предоставляется набор из шестидесяти четырех 64-битных регистров общего назначения, необходимые контрольные регистры и целочисленное АЛУ, образующие аппаратный контекст потока (АКП). Функциональные устройства с плавающей точкой и закрепленный за процессором буфер памяти (СвОЗУ) одинаково доступны для всех 16 потоков.
Необходимо отметить, что проект гиперкомпьютера (США) 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 "Вихрь Данных" ("Data Vortex"), широкополосная оптическая многоступенчатая пакетная сеть. Эта сеть соединяет друг с другом все банки динамической и статической полупроводниковой памяти.
Еще одна оптическая компонента гиперкомпьютера - голографическая память. Один кристалл голографической памяти будет вмещать 1 гигабайт информации.
В настоящее время в мире насчитывается более двух десятков групп, ведущих исследования в области БОКЛ.
|
