Я познаю мир. Компьютеры и интернет

Поэтому при выборе той или иной технологии прежде всего принимается во внимание число «шагов вычисления», которое можно успеть совершить, пока процесс не будет разрушен. К этому моменту результат вычислений должен быть «снят» и «переброшен» в другую ячейку или вообще в другой квантовый компьютер.

Схема работы логических устройств в квантовом компьютере. Логическая схема «нет» создает на выходе единицу, если на ней был ноль, и наоборот. В квантовом компьютере ее роль может выполнять атом с двумя энергетическими уровнями. Для копирования сигнала необходима пара атомов А и В. Атом В находится в основном состоянии (0),аА либо в основном, либо в возбужденном (1). Из–за близкого соседства атомов их состояния связаны и влияют друг на друга. Поэтому, когда А соответствует 1, В поглощает фотон и совершает переход 0->1. На выходе схемы появляются две единицы. Если же оба атома А и В находятся в основном состоянии, поглощения энергии не происходит, их состояние не меняется, и на выходе возникает пара нолей

Схема работы логического устройства в квантовом компьютере. Операцию «и» осуществляет логическая схема из трех атомов двух «сортов» – А, В, А. Атом В, «зажатый» между двумя атомами А, находится в основном состоянии, а возможность его возбуждения определяется энергетическим состоянием соседей. Он способен поглотить фотон с переходом 0->1, только если оба атома А находятся в состоянии 1. Если хотя бы один из них имеет нулевое состояние, на выходе схемы окажется ноль

Например, система на ядерных спинах успевает совершить «всего» 10 млн шагов вычислений. (Причем «спин» в данном случае характеристика атома, показывающая, насколько быстро он вращается вокруг собственной оси.)

А вот для системы с так называемой ионной ловушкой время декогерентности измеряется уже числом 1013 шагов.

Технологические заморочки

Вслед за теоретиками за дело взялись и экспериментаторы.

Интересно, что технологию счета ка ядерных спинах они окрестили «компьютером в чашке кофе», так как первый в истории кубит па ее основе был реализован с помощью молекул горячей жидкости.

В 1997 году была построена модель квантового компьютера на двух кубитах. Группа исследователей из «ИБМ», Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли использовала для этого молекулы хлороформа.

Тут же выяснилось, что у технологии есть существенный недостаток: построение компьютера хотя бы из десятка таких кубитов требует охлаждения молекул до температур, всего на тысячные доли градуса отличающихся от абсолютного нуля (–273 градуса по Цельсию). А где взять такой холодильник?..

Атомные или ионные ловушки выглядят более технологично благодаря недавно разработанному методу охлаждения и пленения атомов лазерным лучом. Кубитом здесь служит атом или ион, который помещают в ловушку (изолируют и «подвешивают» с помощью электромагнитного поля или лазерного луча) и обстреливают лазерными импульсами. Управляя частотой и длительностью импульсов, можно организовать переходы пойманного атома из одного состояния в другое, то есть «считать на энергетических уровнях».

Ныне также разрабатываются методы квантовых вычислений на основе так называемого джозефсоновского контакта, электронных квантовых точек в полупроводнике и т. д. Так или иначе, для создания полноценного квантового компьютера еще предстоит сделать многое. Но главное исследователи уже поняли: принципиальных запретов со стороны природы для достижения этой цели нет.

Между тем один из отцов–основателей советской физики Абрам Федорович Иоффе любил повторять: «Физика сегодня – это промышленность завтра». Так что, похоже, современным микросхемам и нынешним компьютерам осталось существовать уже недолго. На смену им придут устройства, для работы которых будет достаточно пригоршни атомов и лазерного луча.

Ошибочка выйдет...

И наконец, еще об одной проблеме, связанной с квантовыми компьютерами.

Теоретики говорят, что можно создать вычислительное устройство, устойчивое к сбоям или отказам отдельных его компонентов. Иными словами, его можно сконструировать так, чтобы правильный ответ достигался даже при случайном сбое в одной из его составных частей.

В 1995 году американцы Питер Шор и Эндрю Стин независимо друг от друга обнаружили, что коррекция квантовых ошибок вполне возможна. Если эти ошибки малы, квантовая система сама быстро возвращается в исходное состояние.

Впрочем, пропасть между существующими технологиями и теми, что потребуются в будущем, огромна. Так что понадобятся еще немалые усилия физиков, специалистов по теории вычислений, а также инженеров, чтобы первые квантовые компьютеры вышли из стен лабораторий.

Оптические компьютеры

Параллельно с созданием первых квантовых устройств физики решают и еще одну задачу. Они выяснили, что движение тока по проводникам происходит довольно медленно по сравнению, например, с движением квантов света – фотонов, которые перемещаются со скоростью порядка 300 тыс. км/с!

Поэтому с таким интересом было встречено специалистами известие о возможности создания фотонных компьютеров или оптических вычислительных машин (ОВМ), в которых электронные элементы могут быть заменены оптическими.

Светоносный собрат транзистора

Сразу отметим, что сама по себе идея не нова, она появилась еще полвека назад в пору становления лазерной техники. Осуществление ее сулило многое – ЭВМ стали бы надежнее, да и быстродействие их увеличилось бы более чем в 1000 раз.

Но как совместить транзисторные структуры – основу схемотехники двоичной системы счисления – с оптическими каналами связи? Такой гибрид обязательно потребует преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот. А это новые потери и энергии, и времени... И вот после длительных поисков в лабораториях исследователей появился оптический брат транзистора – трансфазор, обладающий двумя устойчивыми информационными состояниями и переключающийся управляющим оптическим сигналом.

В основе работы трансфазора лежит свойство некоторых материалов изменять в зависимости от освещенности свой показатель преломления света. Оно и позволило создать так называемую бистабильную ячейку – основу логических элементов вычислительных систем. Зависимость интенсивности выходного пучка от суммы входных позволяет иметь два состояния: «открыто – закрыто», «да – нет», «1–0», что и нужно для цифровой обработки информации. Вот и вся суть трансфазора.