Министерство образования Российской Федерации
Уральский государственный технический университет - УПИ
Факультет экономики и управления
Кафедра анализа систем и принятия решений
Специальность “Прикладная информатика в экономике”
РЕФЕРАТ
По курсу концепций современного естествознания на тему
“Есть ли пределы развития и миниатюризации компьютеров?”
Студент
Озорнин П.Н. (группа И-154)
Преподаватель доцент, кандидат техн. наук Глазырина Л.Н.
Екатеринбург
2001
Содержание
Введение...........................................................с.3
Глава 1 . История развития и перспективы молекулярной электроники
1.1 “Прошлое” молекулярной схемотехники.......................................с.5
1.2 Существующие научные разработки молекулярных компьютеров..............c.6
3. Абстракционное “конструирование” молекулярного компьютера................с.7
1.4 Есть ли у молекулярных компьютеров будущее?...............................................с.10
Глава 2 . Квантовые компьютеры – миф или грядущая реальность ?
2.1 История развития теории квантовых вычислительных устройств................с.12
2. Производство квантовых компьютеров:технологические трудности и перспективы...................с.14
a. a) Предел первый быстродействие........с.15 b) Предел второй : память......................с.16
b. c) Перспективы развития квантовых
ЭВМ.................................................................с.17
Заключение.....................................................с.19
Библиография.................................................с.21
Введение
Научный прогресс движется преувеличенными
ожиданиями
Жюль Верн
Прогноз - дело неблагодарное. Эта набившая оскомину прописная истина
со временем не становится менее актуальной. Наоборот - с течением
времени она подтверждается многократно. Да, прогноз - дело
неблагодарное, но очень любопытное. Всегда интересно хоть краешком глаза
заглянуть на несколько лет вперед и посмотреть, какое оно, будущее.
Всевозможные предсказатели существовали на всем протяжении человеческой
цивилизации. Кто-то предсказывал будущее по снам, кто-то - по картам
таро, кто-то - по звездам. Наиболее известный из оракулов - Нострадамус
- облекал свои предсказания в стихотворные формы, известные нам как
"Центурии".
Прогнозы делаются и сейчас. В основном политические, реже -
экономические. И уж совсем редко - технологические.
Информационные технологии за последнее десятилетие в своем развитии
сделали такой гигантский скачок вперед, что предсказать, каким будет,
например, персональный компьютер лет через пять, мало кто решится.
Стремительный прогресс в развитии компьютерной техники за последние
десятилетия невольно заставляет задуматься о будущем компьютеров.
Останутся ли они прежними или изменятся до неузнаваемости? Сегодня много
говорят о том, что традиционные полупроводниковые ЭВМ скоро себя
исчерпают. Ожидается, что уже через 5–10 лет их вытеснят более мощные
молекулярные, квантовые, биологические и другие весьма экзотические
вычислительные устройства.
До каких пор будут уменьшаться размеры вычислительных устройств и
возрастать их быстродействие? Уже более тридцати лет развитие
компьютеров подчиняется эмпирическому закону, сформулированному Гордоном
Муром в 1965 году, согласно которому плотность транзисторов на
микросхеме будет ежегодно удваиваться. Правда со временем практика
микроэлектронного устройства внесла в него небольшую поправку : сегодня
считается, что удвоение числа транзисторов происходит каждые 18 месяцев. С каждым годом следовать “закону Мура” становится все труднее,
поэтому его близкий конец предсказывался уже неоднократно. Однако
человеческий гений и изобретательность находят все новые оригинальные
выходы из технологических и производственных сложностей, встающих на
пути безудержной “компьютерной гонки”.И все же прогресс вычислительной
техники не может продолжаться вечно, рано или поздно мы наткнемся на
предел, обусловленный как законами природы, так и экономическими
законами.
Вот почему сегодня специалисты в разных областях науки и техники
ищут альтернативные пути дальнейшего развития микроэлектроники.
Каков же будет самый последний, самый мощный, ”предельный”
компьютер? Вряд ли сегодня можно со стопроцентной уверенностью сказать,
как именно он будет устроен, поэтому неудивительно то, что вопрос о
будущем электронных вычислительных устройств и , в частности,
компьютеров до сих пор остается открытым.
Поэтому целью данной работы является выяснение вопроса о дальнейших
возможностях и путях развития ЭВМ .
В соответствии с поставленной целью, задачами данной работы
являются :
1) Анализ ведущих из существующих на сегодняшний день теорий
(концепций) вычислительных устройств (компьютеров в частности) в
совокупности с кратким экскурсом в историю их развитию, что, на наш
взгляд, необходимо для составления детальных представлений о задачах,
проблемах и методах их решений в данной теории и тесно связано с
возможными вариантами прогресса компьютерной техники на базе данной
теории .
2) Прогноз возможных путей развития ЭВМ на основе рассмотренных
теорий.
Актуальность вышеобозначенной темы бесспорна : войдя в жизнь
человеческого общества, компьютеры взяли на себя огромный круг задач –
начиная от простейших алгебраических вычислений и кончая организацией
процессов биржевой деятельности, международных телеконференций,
моделированием сложных физических, химических, технологических
процессов, мультимедийными и виртуальными развлечениями, наконец.
Именно благодаря ЭВМ человечество вышло в космос, открыв себе дорогу к
освоению огромных космических пространств, сотен планет и миров. Во
многом благодаря компьютерной технике стало возможным появление и
развитие таких современных наукоемких отраслей как молекулярная
биология, генная инженерия, квантовая физика и др., стала возможным
обширная интеграция накопленных научных знаний. И это, бесспорно, не
предел. Вопрос лишь в том, какие еще функции сможет взять на себя ЭВМ и
как скоро это произойдет. В рамках данной работы мы и попытаемся
ответить на данный вопрос, рассмотрев перпективы развития ЭВМ в рамках
двух ведущих научных концепций – квантовой механики и молекулярной
электроники (молетроники).
Глава 1
История развития и перспективы молекулярной электроники
1.1 “Прошлое” молекулярной схемотехники
Впервые теория использования органической молекулы в качестве
элементной базы микроэлектроники возникла в 1974 году, когда ведущие
инженеры фирмы IBM А.Авирам и М.Ратнер предложили модель выпрямителя
(диода), состоящего из одной органической молекулы. Две половинки этой
молекулы обладают противоположными свойствами по отношению к электрону
: одна может только отдавать электрон (донор), а другая – только
принимать (акцептор). Если поместить такую ассиметричную молекулу
между двумя металлическими электродами, то вся система будет проводить
ток только в одном направлении .
Предложения Авирама и Ратнера о создании молекулярных систем с
направленной электронной проводимостью инициировали экспериментальные
работы по синтезу и изучению свойств таких молекул. Выдвигались также
идеи создания на их основе аналога полупроводникового транзистора за
счет внедрения между донорной и акцепторной частями молекулы
дополнительной управляющей молекулярной группировки (затвора),
свойства которого могут быть изменены каким-либо воздействием (подачей
напряжения, освещением и т.п.). Если соединить два таких транзистора,
получится аналог полупроводникового триггера (или вентиля) –
устройства, которое может переключаться между двумя устойчивыми
состояниями, выполняющими роль логического “0” и “1”.А это, по сути,
базовый элемент любого компьютера, работающего по принципу бинарной
(двоичной) логики.
Следующим важным шагом в развитии молекулярной схемотехники
стал отказ от простого копирования полупроводниковых схем с заменой в
них обычных транзисторов на молекулярные. Дело в том, что существует
множество как природных, так и синтезированных человеком молекул,
которые сами по себе могут служить логическими элементами. Их
разделяют на два типа. К первому относятся молекулы, обладающие двумя
устойчивыми состояниями, которым можно приписать значения “0” и “1”.
Научившись переключать их из одного состояния в другое с помощью
внешних воздействий, мы фактически получим уже готовый вентиль.
Молекулы второго типа содержат фрагменты, способные выполнять роль
упомянутых выше управляющих группировок. Одна такая молекула может
работать как логически активный элемент НЕ-И,НЕ-ИЛИ и т.д. На основе
уникальных свойств органических молекул уже сегодня разработано
множество вариантов схем для гипотетического молекулярного компьютера.
2. Существующие научные разработки молекулярных компьютеров
Что же должен включать в себя молекулярный компьютер? Очевидно,
что его основные компоненты должны быть теми же, что и у обычного
компьютера : система ввода информации, вычислительный блок
(процессор), система хранения информации (память) и, наконец, система
вывода информации. Ну и, конечно, провода и блок питания.
Процессор, по всей видимости, будет состоять из молекулярных
логических элементов. Приведем несколько примеров уже существующих
разработок : 1) В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы,
имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковой молекулярной
массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в
пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в
другую путем внешнего воздействия.Например, молекула соединения типа
спиробензипирана может быть переключена из состояния “0” в состояние
“1” с помощью ультрафиолетового излучения, а в обратном направлении с
помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно
строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие
логические функции . 2) В последнее время в нескольких научных центрах разработаны и
запатентованы переключающие элементы на зеркально симметричных –
хиральных (от греч. хирос – рука) – изомерах, которые также могут
применяться для хранения и обработки информации : функции логических
“0” и “1” выполняют “правая” и “левая” формы молекулы [7].
Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного
состояния в другое производится при одновременном действии света и
электрического поля : свет сообщает молекуле энергию, а электрическое
поле задает направление переключения. Считывание информации происходит
оптическим способом.
3) Недавно компания Hewlett-Packard объявила о своих успехах в
изготовлении логических вентилей на основе молекул ротаксанов. [9]
Такой вентиль состоит из молекул двух типов : циклической (так
называемой “бусины”) и линейной (“нити”). В работающем устройстве
“бусина” оказывается нанизанной на “нить”, располагаясь на ней в одном
из двух возможных устойчивых положений. Переход из одного положения в
другое, то есть переключение вентиля, происходит за счет изменения
кислотно-щелочного баланса среды. Такой переход является обратимым, и
им можно управлять с помощью электрических сигналов. В процессе
переключения значительно сдвигается полоса поглощения света молекулами
ротаксанов, что дает возможность считывать информацию оптическим
способом. Молекулы ротаксанов могут быть объединены в полимерные цепи
различной длины и сложности, которые будут выполнять логические
функции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей.
4) Рассмотрим еще один вариант молекулярных устройств,
способных выполнять логические операции. Представим себе длинную
молекулу, состоящую из двух типов чередующихся структурных
группировок, одни из которых служат потенциальными ямами,. а другие -
потенциальными барьерами для прохождения электрона вдоль молекулы.
Таким образом, эта молекулярная цепочка представляет собой “полосу
препятствий” для электрона. Исходное состояние молекулы задается так,
что электрон может легко пройти ее ( за счет эффекта резонансного
туннелирования). Однако стоит только воздействием на одну из
группировок изменить высоту барьера или глубину ямы, - и прохождение
электрона станет невозможным. Допустим, наша молекула имеет четыре
потенциальные ямы, глубиной которых мы можем управлять путем
оптического или электрического взаимодействия. Тогда она способна
работать как логичекий элемент НЕ-И с четырьмя входами. То есть
электрон через молекулярную цепочку будет проходить только в те
моменты, когда сигнал на всех четырех входах отсутствует. [1]
1.3 Абстракционное “конструирование” молекулярного компьютера
Используя в качестве строительных блоков хотя бы одно из
вышеперечисленных молекулярных устройств, теоретически можно построить
схему, выполняющую сколь угодно сложные логические операции и
вычисления. Из этих же элементов можно создавать и блоки оперативной
памяти (ОЗУ), а также постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Для
работы последних необходимо, чтобы время жизни используемых в них
молекул в том или ином состоянии было достаточно велико. Только тогда
информация сможет храниться дительное время.
Итак, у нас уже есть набор необходимых базовых элементов
молекулярного компьютера. Как же объединить их в единый вычислительный
комплекс? Современные методы химического синтеза позволяют “сшивать”
большие органические молекулы, химически соединяя “выходы”одних
логических элементов с “входами” других.
Один из методов молекулярной архитектуры – построение объемных
схем молекулярных устройств – технология Меррифильда, разработанная
еще в начале 70-х годов для получения полипептидов с заданной
последовательностью аминокислот. Так,например, на основе этого метода
сотрудник центра молекулярной электроники IBM доктор Джон Линдсней
создал управляемый компьютером синтезатор, предназначенный для
конструирования сложных молекул – компонентов компьютера на
молекулярной основе. [2] В процессе синтеза базовая молекула химически
присоединяется к пластиковой сфере малого диаметра (в реакторной
камере содержатся тысячи таких сфер). Добавление химических соединений в камеру осуществляется специализированным манипулятором под
управлением ЭВМ. Компьютер контролирует также температуру, кислотность
среды и т.д., периодически анализирует продукт реакции для того, чтобы
обеспечит правильное его формирование. В ходе определенной
последовательности химических реакций, предварительно смоделированных
на ЭВМ, к базовой молекуле, прикрепленной к пластиковой сфере,
добавляются новые молекулы. В процессе синтеза, продолжающегося иногда
несколько дней, под управлением компьютера строятся очень сложные
молекулы. Причем каждая из них оказывается точной копией прототипа,
описание которого хранится в памяти машины.
Синтез идет по модульному принципу. На первом этапе
синтезируются молекулярные вентили. На втором этапе из них
конструируются более сложные соединения, способные выполнять функции
логически активных элементов. Полученные компоненты можно затем
использовать для конструирования молекулярного компьютера.
При выполнении каждого шага синтеза необходимо четко понимать,
какие химические процессы происходят в камере. Этого нельзя достичь
без машинного моделирования. Кроме того, для сложного синтеза
необходимо использовать, по возможности, процессы самоорганизации. В
данном случае процесс самоорганизации означает, что в ходе синтеза
добавочные звенья автоматически прикрепляются к молекулярному
соединению в нужных местах. Таким образом, конечный продукт каждой
реакции самоорганизуется так, чтобы полностью определить ход
последующих реакций..
Теоретически можно соединить отдельные молекулярные компоненты “
проводами”, например, из так называемых углеродных нанотрубок –
цилиндрических структур диаметром несколько нанометров – или из
токопроводящих полимеров, называемых иногда «органическими металлами».
Работы по созданию полимеров – проводников были начаты еще в 70-х
годах и с тех пор уже нашли массу применений в обычной электронике. В
2000 году авторам первых работ в этой области –американским ученым А.
Хигеру, А. Мак-Диармиду и японскому ученому Н. Ширакаве присудили
Нобелевскую премию по химии. [2]
Остается еще проблема ввода и вывода информации. Устройства
ввода информации пользователем в молекулярный компьютер в принципе
могут остаться теми же, что и в настоящее время (клавиатура, мышь,
входные порты и т.д.) Однако, поскольку процессы хранения и
переработки информации в молекулярной электронике носят специфический
характер ( отдельные части одного и того же компьютера могут работать
с информацией, представленной в разных формах - электрической,
оптической, химической и др.), встает проблема сопряжения
вычислительных блоков между собой, а также с внешними электронными
устройствами. То есть необходимо иметь преобразователи сигнала из
одной формы в другую.
Для построения химических (газовых) сенсоров уже давно
используются преобразователи сигнала из химической формы в
электрическую и обратно. Что касается преобразования электрических
сигналов в оптические, то для этого подходят молекулярные аналоги
светодиодов и лазеров, в которых используются светоизлучающие молекулы
(хромафоры). Недавно появилось сообщение японских ученых о создании
светоизлучающего устройства, состоящего из одной органической молекулы
дендромера.
Если для вывода и отображения информации в молекулярном
компьютере использовать уже существующие сегодня устройства (мониторы,
проекторы и т.п.), то, как и в случае с вводом, необходимо просто
иметь соответствующие преобразователи сигналов. Вместе с тем,
молекулярная электроника предлагает свои пути решения этой проблемы.
Например, разрабатываются молекулярные устройства, на основе которых
могут быть созданы сверхтонкие жидкокристаллические мониторы. Для
этого под массой жидких кристаллов наносится тонкая органическая
пленка, обладающая ориентирующим эффектом. На каждую молекулу пленки
поступает сигнал из компьютера, меняющий ее конформацию и
соответственно ориентацию нанесенного сверху слоя жидких кристаллов, а
также его отражательные свойства. Таким образом, полученная структура
может служить для вывода информации на экран.
По сходному принципу работают так называемые “электронные
таблетки” – экраны небольшого размера, покрытые слоем хиральных жидких
кристаллов, молекулы которых могут менять тип симметрии в зависимости
от ориентации подложки, изменяя при этом и окраску. Такие таблетки из
полиимидных подложек с внедренными молекулами азокрасителей позволяют
записывать с помощью поляризованного света лазера и отображать очень
большой объем информации, в результате чего они получили название
“газеты будущего” [9]. Такие структуры могут создаваться и на гибкой
полимерной подложке, что делает их еще более удобными для
использования.
Второй возможный тип устройств отображения информации – это
органические светодиоды, то есть активные излучающие устройства на
основе p-n переходов, созданных из органических материалов. Такой
светодиод состоит из одного или нескольких слоев органических молекул,
помещенных между двумя электродами. Излучение света диодом происходит
за счет взаимного уничтожения (аннигиляции) положительных и
отрицательных зарядов в слое органического материала. Эти заряды могут
поступать на светодиод непосредственно из молекулярного компьютера.
Стоит отметить, что используемые в диоде электроды могут быть
изготовлены не только из металла, но и из органических материалов,
например на основе полианилина или полиацетилена. На сегодняшний день
уже достигнут значительный прогресс в получении высоких значений
эффективности светодиодов, в понижении их рабочих напряжений, а также
в выборе цвета излучения. Разработаны устройства с эффективностью
несколько люмен на ватт и со сроком службы несколько тысяч часов .
1.4 Есть ли у молекулярных компьютеров будущее ?
Хотя теоретические основы молетроники уже достаточно хорошо
разработаны и созданы прототипы практически всех элементов логических
схем, однако на пути реального построения молекулярного компьютера
встают значительные сложности. Внешне очевидная возможность
использования отдельных молекул в качестве логических элементов
электронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за
специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых
к логическим элементам.
В первую очередь логический элемент должен обладать высокой
надежностью срабатывания при подаче управляющего воздействия. Если
рассматривать оптическую связь между элементами, то в системе одна
молекула - один фотон надежность переключения будет невелика из-за
относительно малой вероятности перехода молекулы в возбужденное
состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность, используя
одновременно большое число квантов. Но это противоречит другому
важному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом
должен быть близок к 1, то есть средняя мощность реакции должна быть
соизмерима со средней мощностью воздействия. В противном случае при
объединении элементов в цепь вероятность их срабатывания будет
уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Кроме того, элемент
должен однозначно переключаться в требуемое состояние и находиться в
нем достаточно долго – до следующего воздействия. Для сравнительно
простых молекул это требование, как правило, не выполняется : если
переходом в возбужденное состояние можно управлять, то обратный
переход может происходить спонтанно.
Однако не все так плохо. Использование больших органических
молекул или их комплексов позволяет, в принципе, обойти перечисленные
трудности. Например, в некоторых белках КПД электронно – оптического
преобразования близок к 1. К тому же, для большинства биологических
молекул время жизни возбужденного состояния достиает нескольких
секунд.
Но даже в том случае, если отдельный молекулярный вычислительный
элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых
предшественников, эффективной работы будущего компьютера можно
достичь, комбинируя принципы молетроники и комбинированных вычислений,
применяемых в суперкомпьютерах. Для этого надо заставить несколько
молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда
неправильное срабатывание одного их них не приведет к заметному сбою в
вычислениях. Современный суперкомпьютер, работающий по принципу
массивного параллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может
сохранить высокую производительность даже в том случае, если 75% из
них выйдет из строя. Практически все живые системы используют принцип
параллелелизма. Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных
клеток или генов не мешает им эффективно функционировать.
Сегодня в мире существует уже более десятка научно-
технологических центров, занимающихся разработкой устройств
молекулярной электроники. Ежегодно конференции (в 2000 году прошла уже
14 такая конференция) собирают сотни специалистов в этой области. [7]
Большой интерес к молетронике вызван не только перспективами
построения компьютера, но и широкими возможностями развития новых
технологий. Благодаря высокой чувствительности электронных
молекулярных устройств к свету их можно использовать для создания
эффективных преобразователей солнечной энергии, моделирования
процессов фотосинтеза, разработки нового класса приемников
изображения, принцип действия которых будет напоминать работу
человеческого глаза. Молекулярные устройства можно использовать также
в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный
тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности,
медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживляется
в организм человека с целью контроля за его состоянием.
Для решения стоящих перед молекулярной электроникой проблем
нужны усилия широкого круга ученых, работающих в области академических
знаний от коллоидной химии и биологии до теоретической физики, а
также в области высоких технологий. Кроме того, требуются значительные
финансовые вложения.
Глава 2
Квантовые компьютеры – миф или грядущая реальность ?
2.1 История развития теории квантовых вычислительных устройств
Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и
квантовых вычислений (*) утвердилась в качестве новой области
науки.[2] Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить
первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность
разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман [1].
Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и
обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные
усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и
разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и
интегральных схем), а не на создание принципиально других
вычислительных устройств.
* Теория квантовых компьютеров – одна из современных ветвей
квантовой механики и теории квантовых вычислений. Квантовая механика –
теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц
(элементарных частиц,атомов,молекул,атомных ядер ) и их систем,а также
связь величин, характеризующих частицы и системы, c физическими
величинами, непосредственно измеряемых в макроскопических опытах.
Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения
вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу
химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять
строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан на
специфических законах квантовой механики, которая, в частности,
создала фундамент для такой бурно развивающейся области физики как
квантовая электроника и заложила основы для формирования теории
квантовых вычислений.
В 1960-е годы американский физик Р.Ландауэр, работавший в
корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что
вычисления – это всегда некоторый физический процесс, а значит,
невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не
уточнив, какой физической реализации они соответствуют [2].
К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на
вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать
которую следует математикам, а не физикам.
По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся
квантовыми объектами, пришли в выводу о практической невозможности
напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей
всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например
молекулы метана (CH4). Объясняется это тем, что для полного описания
сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально
большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых
квантовых амплитуд. Возникла 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
из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется
суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу
атомов в видимой области Вселенной (!). И в то же время для
исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент
с 30 электронами, поместив их в заданный потенциал и начальное
состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик
Ю.И.Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории
квантовых вычислительных устройств.[1] В 1980-е годы эту же проблему
изучал американский физик П.Бенев, явно показавший, что квантовая
система может производить вычисления, а также английский ученый
Д.Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер,
превосходящий классический аналог. [1]
Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров
привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р.Фейнман. Благодаря его
авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на
квантовые вычисления, увеличилось во много раз.
И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать
гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения
решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик,
сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П.Шор ошеломил научный мир,
предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю
факторизацию больших чисел. По сравнению с лучшим из известных на
сегодняшний день классических методов 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 коллега Шора по работе в Lucent Technologies
Л.Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в
неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных – телефонная
книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а
произвольным образом.) 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. Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по
существу, единственная серьезная проблема – ошибки, или помехи. Дело в
том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит
процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой
проблемы наметил в 1995 году П.Шор, разработав схему кодирования
квантовых состояний и коррекций в них ошибок.
2.2 Производство квантовых компьютеров : технологические трудности и перспективы
Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня. Правда,
пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры,
состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа,
возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке
5-битового квантового компьютера. [4] Несомненно, это большой успех. К
сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить
надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо
очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на
построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь
преодолеть технологические трудности.
К таким трудностям (мы будем называть их пределами) можно отнести
следующие :
a) Предел первый : быстродействие
Все логические операции, осуществляемые компьютером, основаны на
переключении битов между условными значениями “0” и “1”, которым
отвечают два устойчивых физических состояния. Во всех случаях скорость
переключения битов и, следовательно, быстродействие вычислительного
устройства определяются тем, насколько быстро протекает
соответствующий физический процесс. Например, время переключения
транзистора тем меньше, чем больше подвижность электронов в
полупроводнике, скорость перехода молекулы из одной формы в другую
определяется вероятностью этого события и т.д. Времена процессов
переключения, как правило, очень малы (от 1 до 10-15 секунды). И все
же они конечны.
С точки зрения квантовой механики, утверждает физик из
Массачусетского технологического института (США) Сет Ллойд, скорость
вычисления ограничена полной доступной энергией [7]. В 1998 году это
положение было теоретически доказано математиками из Массачусетского
технологического университета (США) Норманом Марголусом и Львом
Левитиным. Им удалось показать, что минимальное время преключения бита
равно одной четверти постоянной Планка, деленной на полную энергию:
1h/4E
Таким образом, чем больше энергия компьютера, используемая им
для вычислений, тем быстрее он считает. По мнению Ллойда, “предельный”
компьютер – это такой компьютер, вся энергия которого будет
расходоваться только на вычислительный процесс.
Исходя из приведенного соотношения, оценим, к примеру,
быстродействие некоторого гипотетического компьютера массой 1
килограмм, состоящего всего из одного бита. Как известно, полная
энергия тела задается фундаментальным соотношением E=mc2, где m-
масса объекта, с – скорость света в вакууме. Итого имеем 1017 Дж. Если
бы всю эту энергию , “погребенную” в массе нашего компьютера, можно
было бы использовать в вычислительном процессе, время переключения
бита достигло бы фантастически малых величин порядка 10-51 секунды!
Полученное значение существенно больше “планковского промежутка
времени”, (10-44 секунды) – минимального временного интервала,
который, с точки зрения квантовой гравитации, требуется для протекания
любого физического события.
Однако мы рассмотрели однобитный компьютер, в то время как на
практике любой ЭВМ требуется не один, а множество битов. Если энергию
нашего гипотетического компьютера распределить между миллиардами
битов, время переключения уже каждого из них будет уже меньше
планковского. Важно, что при этом общее число переключений всех битов
за секунду останется прежним – 1051.
По сравнению с предельным компьютером Ллойда нынешние ЭВМ –
просто черепахи : при тактовой частоте порядка 500 мегагерц типичный
современный компьютер выполняет лишь 1012 операций в секунду.
Предельный компьютер работает в 1039 раз быстрее!. А если он будет
весить не килограмм, а тонну, быстродействие возрастет еще в 1000 раз.
В чем причина медлительности современных ЭВМ? Все дело в том,
считает Ллойд, что полезную работу в них совершают лишь электроны,
перемещающиеся внутри транзисторов. Что касается основной массы
компьютера, то она не только не используется как источник энергии, но,
напротив, препятствует свободному движению носителей зарядов.
Единственная ее функция – поддерживать ЭВМ в стабильном состоянии.
Как избавиться от бесполезной массы? Надо превратить ее в кванты
электромагнитного излучения - фотоны, которые, как известно, не имеют
массы покоя (считается, что она равна 0). Тогда вся энергия,
запасенная в массе, перейдет в энергию излучения, и компьютер из
неподвижного серого ящика превратится в светящийся огненный шар! Как
ни странно,но именно так может выглядеть предельный компьютер,считает
Ллойд. Его вычислительная мощность будет огромна: менее чем за одну
наносекунду он сможет решать задачи, на которые у современных ЭВМ ушло
бы время, равное жизни вселенной!
Однако, остается еще проблема ввода-вывода информации. Как бы мы
не совершенствовали процесс ввода-вывода, описанная модель
“предельного” компьютера имеет один принципиальный недочет. Допустим,
максимальный размер (например,диаметр) нашего компьютера равен 10
сантиметрам. Поскольку фотоны движутся со скоростью света, то все 1031
битов информации, хранящейся в нашем компьютере, не могут быть
“скачаны” из него быстрее, чем за время, требующееся свету для
прохождения расстояния в 10 сантиметров – то есть за 3-10
секунды.Значит, максимальная скорость обмена информацией компьютера с
внешним миром равна 1041 бит в секунду. А предельная скорость
обработки информации, как мы уже выяснили раньше, составляет 1051 бит
в секунду, что в десять миллиардов раз быстрее. Таким образом,
необходимость связи компьютера с внешним миром, а также отдельных его
частей друг с другом может приводить к существенным потерям в скорости
вычислений. “Отчасти решить эту проблему можно, заставив куски
копьютера работать независимо друг от друга, в параллели”,-отмечает
Ллойд.
Есть ли способ повысить скорость ввода-вывода? ”Да,-говорит
Ллойд,-надо уменьшать размера компьютера.” Тогда обмен информацией
будет происходить быстрее, а объем памяти станет меньше. При этом доля
последовательных операций в компьютере может возрасти, а доля
параллельных – уменьшиться.
Заметим, что до сих пор все наши рассуждения касались только
быстродействия предельного компьютера, но мы забыли о такой важной
его характеристике, как память. Существует ли предел запоминающей
способности вычислительных систем?
b) Предел второй : память
Память компьютера ограничена его энтропией, утверждает Сет
Ллойд, то есть степенью беспорядка, случайности в системе. [5] В
теории информации понятие энтропии – аналог понятия количества
информации. Чем более однородна и упорядочена система, тем меньше
информации она в себе содержит.
Величина энтропии S пропорциональна натуральному логарифму
числа различимых состояний системы (W): S =k*ln(W), где k –
постоянная Больцмана. Смысл этого соотношения очевиден: чем больший
объем информации вы хотите сохранить, тем больше различимых состояний
вам потребуется. Например, для записи одного бита информации
необходимо два состояния: включено и выключено. Чтобы записать два
бита, потребуется уже 4 различных состояния, 3 бита - 8, n битов –
2eN состояний.
Таким образом, чем больше различных состояний в системе, тем
выше ее запоминающая способность.
Чему равна энтропия “предельного” квантового компьютера?
Во-первых, она зависит от объема компьютера: чем он больше, тем
большее число возможных положений в пространстве могут занимать его
частицы. Во-вторых, необходимо знать распределение частиц по энергиям.
Для этого можно воспользоваться готовым расчетом, выполненным еще сто
лет назад Максом Планком при решении задачи о так называемом черном
теле. Что же мы получим? Оказывается, литр квантов света может хранить около 1031 битов информации – это в 1020 раз больше, чем можно
записать на современный 10-гигабайтный жесткий диск! Откуда такая
огромная разница? По мнению Ллойда ,все дело в том, что способ,
которым в современных компьютерах записывается и хранится информация,
чрезвычайно неэкономен и избыточен. За хранение одного бита отвечает
целый “магнитный домен” – а ведь это миллионы атомов . Таким образом,
вновь встает вопрос об уменьшении размеров ЭВМ.
с ) Перспективы развития квантовых устройств
На сегодня существует несколько идей и предложений, как сделать
надежные и легко управляемые квантовые биты.
И. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов
спинов ядер некоторых органических молекул.
Российский исследователь М. В. Фейгельман, работающий в
институте теоретической физики им. Ландау РАН, предлагает собирать
квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводниковых колец. Каждое
кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют
направления электрического тока в кольце-по часовой стрелке и против
нее.[2] Переключать такие кубиты можно магнитным полем.
В физико-технологическом институте РАН группа под руководством
академика К. А. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в
пролупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет
электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением,
приложенным к мини–электродам на поверхности полупроводника.
Состояния 0 и 1 – положение электрона в одной из этих ям.
Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В
другом варианте ядром 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. [2]
Таким образом, исследования активно ведутся, и можно предположить,
что в самом недалеком будущем – лет через 10 – эффективный квантовый
компьютер будет создан.
Заключение
Итак, подведем итоги. На основе анализа существующих научных теорий,
приоритетных направлений развития микроэлектроники можно сделать
следующие выводы :
1) Дальнейший прогресс компьютерной техники, бесспорно, возможен.
Он будет двигаться в направлении дальнейшей миниатюризации ЭВМ с одновременным увеличением ее быстродействия .
2) Современные полупроводниковые компьютеры скоро исчерпают свой потенциал, и даже при условии перехода к трехмерной архитектуре микросхем их быстродействие будет ограничено значением 1015 операций в секунду.
3) Устройство “компьютеров будущего” будет основано на применении главным образом передовых отраслей широкого спектра
научных дисциплин (молекулярная электроника, молекулярная биология, робототехника), а также квантовой механики,органической химии и др. А для их производства компьютеров будут необходимы значительные экономические затраты, в несколько десятки раз превышающие затраты на производство современных “классических” полупроводниковых компьютеров.
4) Разнообразие существующих на сегодняшний момент научных разработок в области микроэлектроники, а также обширности
накопленных знаний в области других научных дисциплин (см.выше) позволяет надеяться на создание “суперкомпьютера” в сроки 100-300 лет.
4) 5) Скорость компьютерных вычислений достигнет значения 1051 операций в секунду.
6) Область применения ЭВМ будет чрезвычайно обширной.
Они будут:
a) по мере поступления рыночной информации автоматически управлять процессами производства продукции;
b) накапливать человеческие знания и обеспечивать получение необходимой информации в течение нескольких минут;
c) ставить диагнозы в медицине;
d) обрабатывать налоговые декларации;
e) создавать новые виды продукции;
f) регулировать движение всех видов транспорта;
g) вести домашнее хозяйство;
h) вести диалог с человеком и т.д.
И хотя многие из перечисленных функций могут
представляться нам утопическими, все же не следует исключать
возможность создания своего рода симбиоза "человек-ЭВМ".
Лишь после того, как компьютер превратится в пылающий
огненный шар либо в микроскопическую черную дыру, прогресс
вычислительной техники прекратится. Фантастика? Нет, ”еще одно
свидетельство тесной связи физики и теории информации” [5]. Конечно,
сегодня мы даже не можем себе представить, как достичь этих
невероятных пределов. Однако не стоит отчаиваться. Если развитие ЭВМ
будет идти теми же темпами, все описанное станет реальностью через
каких-нибудь две сотни лет.
Библиография
1) Н.Л.Прохоров,К.В.Песелев.Перспективы развития вычислительной техники.Книга 5 : Малые ЭВМ.
М.,Наука.1989.
2) Л.Федичкин.“Квантовые компьютеры”(c. 24-29). Наука и жизнь.Москва.,издательство “Пресса”.2001.№1.
3) Р.Фейнман.Моделирование физики на компьютерах //
Квантовый компьютер и квантовые вычисления : Сб. в 2-х т. – Ижевск
: РХД, 1999. Т2, с96-123.
4) Р.Фейнман.Моделирование физики на компьютерах //
Квантово-механические компьютеры : Сб. в 2-х т. – Ижевск : РХД,
1999. Т2, с123-156.
5) А.Шишлова.“Последний из компьютеров” (c. 68-72).
Наука и жизнь.М.,издательство “Пресса”.2001.№2.
6) А.Шишлова.”Молетроника.Системы исчисления. Органические материалы в современной микроэлектронике”(c. 64-70).Наука и жизнь.Москва, издательство “Пресса”.2000.№1.
7)New Scientist. Annals of the New York Academy of
Sciences.2001.№1.
8) Интернет : http://www.asphi.it/
9) Интернет http://europa.eu.int/comm/external_relations