Квантовый компьютер и вычисления

Перспективной областью, в которую в основном идут средства, является создание квантовой криптографии, то есть шифров. Квантовый компьютер, благодаря своим качествам, способен разложить 250-значное число не за 800—1000 лет, как современные самые мощные электронно-вычислительные машины, а за 30 минут. С такой машиной спецслужбы могут быстро взломать любой, самый сложный шифр.

У квантовых компьютеров есть еще одна сфера применения, огромное значение которой понятно уже сегодня. Гигантская вычислительная мощь квантового компьютера позволит переложить на плечи машины самую разнообразную интеллектуальную деятельность. Машина может не только накапливать, хранить и обрабатывать информацию, но и производить с ней операции, совершенно недоступные даже самым мощным современным компьютерам.

Что имеется в виду? Квантовые компьютеры позволят создать экспертные системы нового поколения. Как известно, экспертная система — это компьютерная система, которая использует знания одного или нескольких экспертов в формализованном виде, а также логику принятия решений. Эта система предназначена для принятия обоснованного решения в тяжелых условиях, когда не хватает ни времени, ни опыта, ни знаний, ни информации.

Что такое устройство для произведения квантовых вычислений с физической точки зрения? Это устройство должно обладать способностью испускать отдельные, одинаковые кванты. Информация в двоичном коде, единица и ноль, передаются квантами. К счастью, такое устройство в технологии имеется — это лазер. Он испускает монохромное (одной длины волны), когерентное (одной частоты) излучение. Если описывать устройство квантового компьютера, его принципиальную схему, то это можно сделать так. Квантовый компьютер представляет собой соединение обычного компьютера с лазером. По специальной программе обычная электронно-вычислительная машина программирует излучение лазера. Это излучение отражается в системе зеркал, позволяющих проследить буквально за каждым квантом света, и считывается фотоэлементами, результаты чего обрабатываются в электронно-вычислительной машине. Это лишь грубое описание принципиальной схемы квантового компьютера, основанное на работе самых первых лабораторных образцов, и далекое от тонкостей и нюансов этой сложной машины в том виде, в каком она создается сейчас. На сегодняшний день ученые перешли от классических опытов с лазером к исследованию управления субатомными частицами. Это оказался весьма продуктивный путь и почти все созданные к настоящему времени прототипы квантовых компьютеров основаны на управлении субатомными частицами некоторых элементов (ниобия, фосфора) с помощью магнитных полей, и измерению изменений магнитных полей, которые переводятся в результат счисления.

Теперь о единице информации квантовых компьютеров. Как известно, классический компьютер оперирует информацией, состоящей из мельчайших частиц — битов, представляющих собой соответственно или 0 (основное базисное состояние), или 1 (не основное базисное состояние). Таким образом, данные — это определенная последовательность нулей и единиц, так называемый классический регистр. Квантовый компьютер оперирует так называемыми кубитами — квантовыми битами (quantum bit, qubit).

Главное различие между кремниевыми компьютерами и квантовыми. Классический бит может принимать только два состояния — 0 или 1. Третьего не дано. А вот кубит может быть наполовину 1 и наполовину 0. Он может быть с вероятностью в 34% — ноль, и 66% — единица. Но самое интересное — это так называемая суперпозиция, когда состояние кубита выражается комбинацией всех возможных значений. То есть 8 классических бит в конкретный момент времени могут находиться только в одном состоянии, например 10010110. А вот для 8 кубит базисным состоянием будут все 256 возможных вариаций, от 00000000 до 11111111. Причем одновременно. Таким образом, одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые эта группа может принимать.

Если упрощать, то весь процесс вычисления сводится к импульсным воздействиям, которыми управляют классические компьютеры.

Рис. 1 – Схематическая структура квантового компьютера.

После реализации преобразований в квантовом компьютере новая функция суперпозиции представляет собой результат вычислений в квантовом процессоре. Остается лишь считать полученные значения, для чего производится измерение значения квантовой системы.

Долгое время идея квантового компьютера считалась ненаучной фантастикой, пока в 1994 году Питер Шор из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для разбиения на простые множители (факторизации) больших чисел. В 1998 году в Калифорнийском университет Беркли под руководством доктора Айзека Чуанга был создан первый 2-кубитовый квантовый компьютер. Этот компьютер позволял реализовать четыре вычислительных потока.

В феврале 2007 года канадская компания D-Wave Systems представила первый работающий прототип квантового компьютера Orion. Компьютер представлял собой 16-кубитовый кремниевый чип, состоящий из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности. Работа квантового компьютера основана на измерении магнитных полей и переводу их изменений, вызванных ниобием, в результат счисления. Этот компьютер функционирует при температуре - 273,15 град Цельсия и охлаждается жидким гелием.

Так выглядит рабочий узел пресловутого квантового компьютера фирмы D-Wave

Так выглядит рабочий узел квантового компьютера изнутри. Температура процессорной зоны должна быть близка к абсолютному нулю, для чего ее погружают в жидкий гелий. Разумеется, до бытовых «персоналок» этому монстру еще долго эволюционировать

А это — его сердце, квантовый чип Orion. Создатели уверяют, что сегодняшний Orion — 16-кубитный.

____- ДНК-компьютер.

____ ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Молекулы ДНК и компьютеры казалось бы, совершенно не связанные между собой понятия. Однако природа постаралась на славу, заключив в спиралевидной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты генетическую информацию о будущих поколениях организма.
____ В одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе СD. Ученые решили использовать изобретение природы и применить молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.

____ ДНК-вычисления впервые были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эделманом (р. 1945), профессором Университета Южной Калифорнии, для решения задачи коммивояжера. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семь), в каждом из которых можно побывать только один раз. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает.
____ В пробирку помещают около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними. Затем за счет взаимного притяжения нуклеотидов отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Остается лишь выделить среди них те, что отвечают искомому решению. (ДНК состоит из гуанина, аденина, тимина и цитозина)

____ При масштабировании задачи коммивояжера возникают трудности. ДНК-компьютер Эделмана искал оптимальный маршрут для 7 узлов. Но чем больше городов надо объехать коммивояжеру, тем больше ДНК-материала требуется биологическому компьютеру. Было подсчитано, что если увеличить количество узлов до 200, то потребуется ДНК-цепочка, вес которой превышает вес Земли.

____ Вслед за работой Эделмана последовали другие. Интересную разработку предложили израильские ученые из Вейцманновского института. Команда во главе с профессором Эхудом Шапиро (р. 1955) решила создавать не специализированную методику для решения строго конкретной задачи, а технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы.
____ Эхуд Шапиро смог реализовать модель биокомпьютера, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Для работы биокомпьютера необходимо составить правильную молекулярную смесь, риблизительно через час смесь самостоятельно порождает молекулу ДНК, в которой закодирован ответ на поставленную перед вычислителем несложную задачу.

____ В одной пробирке помещается около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений достигает миллиарда операций в секунду, а точность 99,8 %. Пока биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: истина или ложь.

____ В настоящее время область ДНК-вычислений пребывает на том этапе подтверждения концепции, когда возможность реального применения лишь маячит на горизонте. С уверенностью можно утверждать, что в ближайшие десятилетия технология громко заявит о себе, продемонстрировав свои реальные возможности. А пока можно лишь гипотетически просчитывать, насколько полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества.

Литература:

http://www.mobi.ru/Articles/3190/Kvant_vsemogushii.htm

http://www.compress.ru/article.aspx?id=17653&iid=817

http://www.nkj.ru/archive/articles/5309/

http://www.apn.ru/publications/article17828.htm

http://www.t-generation.ru/030_new.html- основная часть

http://www.xakep.ru/magazine/xs/074/082/1.asp

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: