Вперед за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 2
Вперед за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 2
Продолжение. Начало в КГ №29'2004.
Продолжим наше знакомство с самыми экзотическими видами компьютеров. Именно они призваны помочь перешагнуть предел скорости, предсказанный привычным нам "кремниевым машинам". Некоторые из них даже трудновато назвать компьютерами, поскольку существуют они только в проекте либо первые образцы по мощности едва могут сравниться с обыкновенным калькулятором. Однако ученые утверждают, что будущее именно за ними… Что ж, нам остается лишь покорно верить и продолжать наблюдать за развитием ситуации со стороны. На этот раз мы сделаем небольшой обзор такого интересного проекта, как квантовые компьютеры.
Начнем-с… Проскакивающая в массы информация об этом поистине интересном направлении развития электроники скудна. Но сильно вдаваться в принципы работы квантового компьютера мы и не собирались.
Где же проводятся исследования в этой области и испытания образцов? Область действительно перспективная, и центров исследования тоже немало:
1. Центр квантовых вычислений Оксфордского университета.
2. Мичиганский университет.
3. Кембриджский университет.
4. Lucent Bell Labs.
5. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Калифорнийского университета.
6. Центр исследования сознания университета Аризоны.
7. Группа квантовой информатики MITRE Corporation.
8. Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технического института.
9. Институт теоретической физики университета Инсбрука.
10. Argonne National Laboratory.
11. Токийский университет.
12. Школа в Канберре (Австралия).
13. Детройтский университет.
Приведу и некоторые основные направления их работ:
1. квантовые компьютеры;
2. квантовая криптография;
3. квантовая коммуникация.
Если быть точным, то нужно упомянуть, что квантовые компьютеры существуют уже сегодня, только вот компьютерами их назвать еще трудно. Экспериментально удается собрать лишь машины, состоящие всего из нескольких квантовых битов (так называемых кубитов). Основные проблемы — недостаточная управляемость таких компьютеров и сильная подверженность влиянию посторонних шумов.
Вариантов исполнения кубитов предложено уже немало. Российский исследователь М.В. Фейгельман предлагает в качестве кубитов использовать миниатюрные сверхпроводниковые кольца. Состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце: по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем.
В Физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К.А. Валиева предложила 2 варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита будет выполнять электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника. Состояниям 0 и 1 соответствуют положения электрона в одной из этих ям. Переключение кубита осуществляется изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупроводника. Состояния 0 и 1 — направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.
Но не будем сильно вдаваться в физику. Ограничимся более поверхностными понятиями. Для наиболее компактного и четкого освещения ситуации в мире квантовой электроники я воспользуюсь тезисами из докладов ученых и специалистов по квантовой электронике, прозвучавших на конференции в США.
Еще рано прогнозировать, насколько существенные изменения могут произойти в развитии информационных технологий в связи с их выходом в субатомную область. Скорее всего, модели классических компьютеров воспроизводиться не будут, потребуются серьезные мировоззренческие сдвиги для дальнейшего прогресса в этой области.
Один из проектов. Предложена идея создания аналогового квантового компьютера с электронами, плавающими над жидким гелием, способного решать задачи, недоступные никаким классическим цифровым компьютерам. Главная проблема — в выборе подходящей физической системы, которая допускала бы легкое манипулирование кубитами: их легкое считывание и почти полную изоляцию системы от остальной Вселенной. Предлагается в качестве такой системы использовать ансамбль из 1<N<109 электронов, захваченных над пленкой жидкого азота при температуре, близкой к абсолютному нулю (T?0,01 К). Такие электроны представляют собой почти идеально чистый вакуум, нигде во Вселенной больше не встречающийся. Даже самое слабое взаимодействие с внешним миром контролируется посредством термальных кругов на поверхности жидкого сверхтекучего гелия. Такие процессоры могут быть созданы уже в ближайшее время.
Прогрессирующая миниатюризация электронных приборов неуклонно приводит их к той границе, когда существенными становятся квантовые эффекты. Это предполагает необходимость развития квантовых технологий, которые дополнили бы или даже заменили существующие технологии. Ожидаемый результат — это не просто более быстрые и миниатюрные процессоры, а совершенно новый класс устройств, требующий коренного изменения самой идеологии компьютера. Развитие логики и математики существенно зависит от знания физических законов, в частности, законов микромира.
Если квантовые компьютеры будут созданы, насколько сильно они будут отличаться от обычных компьютеров? В настоящее время простейшие квантово-логические шлюзы моделируются в особых лабораторных условиях. Например, это может быть отдельный атом, удерживаемый электромагнитными полями в вакуумной трубке, или отдельные фотоны, движущиеся между двумя почти идеальными зеркалами (99,9999% отражения). А это слишком не похоже на современные твердотельные устройства. Да последнее и не подходит для накапливания квантовой информации. Так что новые технологии, скорее всего, будут кардинально отличаться от ныне существующих.
Растущий в последнее время интерес к квантово-информационным процессам связан прежде всего с надеждой на решение вычислительных задач, трудно решаемых (или совсем не решаемых) традиционными средствами. Одна из таких областей — квантовая криптография, в которой предполагается создание в принципе невзламываемых криптографических ключей. В настоящее время разрабатываются квантовые криптографические системы для беспроводных и оптоволоконных каналов "земля-земля", "земля-спутник", "воздух-спутник" и "спутник-спутник". Предлагается особая квантовая криптосистема на основе нового метода высокоскоростного детектирования фотонов, которая может достигать высокой производительности в реальных разработках для различных реалистичных сред.
Обсуждается возможность создания сверхчувствительных инерциальных сенсоров на основе атомных интерферометров, в которых используются квантовые (волновые) свойства атомов. Для их создания предполагается использование техники лазерного охлаждения и управления нейтральными атомами, разработанной еще в 80-е годы ХХ века. Уже созданные лабораторные образцы таких сенсоров продемонстрировали значительно более высокую производительность по сравнению с существующими приборами. Рассматриваются физические принципы построения новых приборов и перспективы их применения в наземных и космических исследованиях.
Квантовая оптика предоставляет уникальную возможность манипулировать изолированными атомами и фотонами и управлять их взаимодействиями на квантовом уровне без потери когерентности. Для использования квантовых процессоров предлагается использовать технику лазерного захвата атомов или ионов и управления ими посредством внешних электромагнитных полей. При этом может открыться перспектива манипулирования мезоскопическими атомными ансамблями вместо отдельных атомов для накопления и управления кубитами.
Особое внимание уделяется биомедицинским применениям квантовых компьютеров и применениям достижений молекулярной биологии в развитии квантовых информационных технологий. В соответствии с современными данными, за передачу и обработку информации в живом организме отвечают так называемые микротубулы (микротрубочки). Это цилиндрические полимеры белка тубулина, которые образуют внутренности живых клеток. Эти микротубулы участвуют и в классических, и в квантовых вычислениях, которые лежат в основе психических процессов, в том числе и сознания. Доступ к информационным процессам этого уровня имел бы большое терапевтическое и технологическое значение, в частности:
– в квантовой фармакологии — для производства лекарств, которые воздействуют на протекание квантовых процессов в белках (антидепрессантов, антипсихотических и анестетических препаратов);
– в кремниевых, нанотубулярных реализациях топологии и геометрии квантово-вычислительных процессов в микротубулах, коррекции ошибок и экранирования от воздействия окружения;
– для объяснения болезней типа Альцгеймера и подобных;
– в нанотехнологиях, основанных на микротубулярном информационном интерфейсе.
Не исключено, что первые квантовые компьютеры будут очень громоздки, и обслуживать их будет большой штат специалистов. Но ведь точно так же начиналась и эра привычных нам обычных компьютеров. И квантовые компьютеры так же ждет миниатюризация. А с появлением квантовой связи станет возможно и появление квантового Интернета! Да и от прослушивая такая связь будет надежно защищена. Но это уже совсем другая история…
Константин Яшин, доцент, Сергей Юшко aka Gedemin, gedemin@tut.by
Продолжение следует
Продолжение. Начало в КГ №29'2004.
Продолжим наше знакомство с самыми экзотическими видами компьютеров. Именно они призваны помочь перешагнуть предел скорости, предсказанный привычным нам "кремниевым машинам". Некоторые из них даже трудновато назвать компьютерами, поскольку существуют они только в проекте либо первые образцы по мощности едва могут сравниться с обыкновенным калькулятором. Однако ученые утверждают, что будущее именно за ними… Что ж, нам остается лишь покорно верить и продолжать наблюдать за развитием ситуации со стороны. На этот раз мы сделаем небольшой обзор такого интересного проекта, как квантовые компьютеры.
Начнем-с… Проскакивающая в массы информация об этом поистине интересном направлении развития электроники скудна. Но сильно вдаваться в принципы работы квантового компьютера мы и не собирались.
Где же проводятся исследования в этой области и испытания образцов? Область действительно перспективная, и центров исследования тоже немало:
1. Центр квантовых вычислений Оксфордского университета.
2. Мичиганский университет.
3. Кембриджский университет.
4. Lucent Bell Labs.
5. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Калифорнийского университета.
6. Центр исследования сознания университета Аризоны.
7. Группа квантовой информатики MITRE Corporation.
8. Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технического института.
9. Институт теоретической физики университета Инсбрука.
10. Argonne National Laboratory.
11. Токийский университет.
12. Школа в Канберре (Австралия).
13. Детройтский университет.
Приведу и некоторые основные направления их работ:
1. квантовые компьютеры;
2. квантовая криптография;
3. квантовая коммуникация.
Если быть точным, то нужно упомянуть, что квантовые компьютеры существуют уже сегодня, только вот компьютерами их назвать еще трудно. Экспериментально удается собрать лишь машины, состоящие всего из нескольких квантовых битов (так называемых кубитов). Основные проблемы — недостаточная управляемость таких компьютеров и сильная подверженность влиянию посторонних шумов.
Вариантов исполнения кубитов предложено уже немало. Российский исследователь М.В. Фейгельман предлагает в качестве кубитов использовать миниатюрные сверхпроводниковые кольца. Состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце: по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем.
В Физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К.А. Валиева предложила 2 варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита будет выполнять электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника. Состояниям 0 и 1 соответствуют положения электрона в одной из этих ям. Переключение кубита осуществляется изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупроводника. Состояния 0 и 1 — направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.
Но не будем сильно вдаваться в физику. Ограничимся более поверхностными понятиями. Для наиболее компактного и четкого освещения ситуации в мире квантовой электроники я воспользуюсь тезисами из докладов ученых и специалистов по квантовой электронике, прозвучавших на конференции в США.
Еще рано прогнозировать, насколько существенные изменения могут произойти в развитии информационных технологий в связи с их выходом в субатомную область. Скорее всего, модели классических компьютеров воспроизводиться не будут, потребуются серьезные мировоззренческие сдвиги для дальнейшего прогресса в этой области.
Один из проектов. Предложена идея создания аналогового квантового компьютера с электронами, плавающими над жидким гелием, способного решать задачи, недоступные никаким классическим цифровым компьютерам. Главная проблема — в выборе подходящей физической системы, которая допускала бы легкое манипулирование кубитами: их легкое считывание и почти полную изоляцию системы от остальной Вселенной. Предлагается в качестве такой системы использовать ансамбль из 1<N<109 электронов, захваченных над пленкой жидкого азота при температуре, близкой к абсолютному нулю (T?0,01 К). Такие электроны представляют собой почти идеально чистый вакуум, нигде во Вселенной больше не встречающийся. Даже самое слабое взаимодействие с внешним миром контролируется посредством термальных кругов на поверхности жидкого сверхтекучего гелия. Такие процессоры могут быть созданы уже в ближайшее время.
Прогрессирующая миниатюризация электронных приборов неуклонно приводит их к той границе, когда существенными становятся квантовые эффекты. Это предполагает необходимость развития квантовых технологий, которые дополнили бы или даже заменили существующие технологии. Ожидаемый результат — это не просто более быстрые и миниатюрные процессоры, а совершенно новый класс устройств, требующий коренного изменения самой идеологии компьютера. Развитие логики и математики существенно зависит от знания физических законов, в частности, законов микромира.
Если квантовые компьютеры будут созданы, насколько сильно они будут отличаться от обычных компьютеров? В настоящее время простейшие квантово-логические шлюзы моделируются в особых лабораторных условиях. Например, это может быть отдельный атом, удерживаемый электромагнитными полями в вакуумной трубке, или отдельные фотоны, движущиеся между двумя почти идеальными зеркалами (99,9999% отражения). А это слишком не похоже на современные твердотельные устройства. Да последнее и не подходит для накапливания квантовой информации. Так что новые технологии, скорее всего, будут кардинально отличаться от ныне существующих.
Растущий в последнее время интерес к квантово-информационным процессам связан прежде всего с надеждой на решение вычислительных задач, трудно решаемых (или совсем не решаемых) традиционными средствами. Одна из таких областей — квантовая криптография, в которой предполагается создание в принципе невзламываемых криптографических ключей. В настоящее время разрабатываются квантовые криптографические системы для беспроводных и оптоволоконных каналов "земля-земля", "земля-спутник", "воздух-спутник" и "спутник-спутник". Предлагается особая квантовая криптосистема на основе нового метода высокоскоростного детектирования фотонов, которая может достигать высокой производительности в реальных разработках для различных реалистичных сред.
Обсуждается возможность создания сверхчувствительных инерциальных сенсоров на основе атомных интерферометров, в которых используются квантовые (волновые) свойства атомов. Для их создания предполагается использование техники лазерного охлаждения и управления нейтральными атомами, разработанной еще в 80-е годы ХХ века. Уже созданные лабораторные образцы таких сенсоров продемонстрировали значительно более высокую производительность по сравнению с существующими приборами. Рассматриваются физические принципы построения новых приборов и перспективы их применения в наземных и космических исследованиях.
Квантовая оптика предоставляет уникальную возможность манипулировать изолированными атомами и фотонами и управлять их взаимодействиями на квантовом уровне без потери когерентности. Для использования квантовых процессоров предлагается использовать технику лазерного захвата атомов или ионов и управления ими посредством внешних электромагнитных полей. При этом может открыться перспектива манипулирования мезоскопическими атомными ансамблями вместо отдельных атомов для накопления и управления кубитами.
Особое внимание уделяется биомедицинским применениям квантовых компьютеров и применениям достижений молекулярной биологии в развитии квантовых информационных технологий. В соответствии с современными данными, за передачу и обработку информации в живом организме отвечают так называемые микротубулы (микротрубочки). Это цилиндрические полимеры белка тубулина, которые образуют внутренности живых клеток. Эти микротубулы участвуют и в классических, и в квантовых вычислениях, которые лежат в основе психических процессов, в том числе и сознания. Доступ к информационным процессам этого уровня имел бы большое терапевтическое и технологическое значение, в частности:
– в квантовой фармакологии — для производства лекарств, которые воздействуют на протекание квантовых процессов в белках (антидепрессантов, антипсихотических и анестетических препаратов);
– в кремниевых, нанотубулярных реализациях топологии и геометрии квантово-вычислительных процессов в микротубулах, коррекции ошибок и экранирования от воздействия окружения;
– для объяснения болезней типа Альцгеймера и подобных;
– в нанотехнологиях, основанных на микротубулярном информационном интерфейсе.
Не исключено, что первые квантовые компьютеры будут очень громоздки, и обслуживать их будет большой штат специалистов. Но ведь точно так же начиналась и эра привычных нам обычных компьютеров. И квантовые компьютеры так же ждет миниатюризация. А с появлением квантовой связи станет возможно и появление квантового Интернета! Да и от прослушивая такая связь будет надежно защищена. Но это уже совсем другая история…
Константин Яшин, доцент, Сергей Юшко aka Gedemin, gedemin@tut.by
Продолжение следует
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 32 за 2004 год в рубрике hard :: технологии
