Квантовые компьютеры: принципы работы. Компьютер фотонный


На что способны квантовые компьютеры!

Это звучит как что то из фантастического фильма - квантовый компьютер! Правда? Сразу складывается ощущение, что это такой компьютер, который все что угодно в 1000 раз быстрее сделает чем обычная ЭВМ. Ну я не знаю там, рассчитает движение атмосферного циклона, отрендерит сцену голливудского фильма.

Однако, когда мы с вами изучали тему "Квантовый компьютер поступил в продажу" меня насторожила такая мысль: "квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Другими словами, если вы посчитаете 2+2, то 4 получится только с некоторой долей точности. Точно 4 вы не получите никогда. Логика его процессора совсем не похожа на привычный нам процессор. У публики создается впечатление, что квантовый компьютер, это тоже, что и обычный PC (те же 0 и 1), только быстрый и дорогой. Это принципиально не так."

А дальше была тема про то, что теперь "Каждый желающий может воспользоваться квантовым компьютером"

Так на что в конце концов сейчас уже способен квантовый компьютер?

Только сейчас, спустя десятилетия постепенного прогресса, ученые, наконец, приблизились к созданию квантовых компьютеров, достаточно мощных, чтобы делать то, что обычные компьютеры делать не могут. Этот ориентир красиво называют «квантовым превосходством». Движение к этому ориентиру возглавляет Google, за ним следуют Intel и Microsoft. Среди них — хорошо финансируемые стартапы: Rigetti Computing, IonQ, Quantum Circuits и другие.

И все же никто не может сравниться с IBM в этой области. Еще 50 лет назад компания добилась успехов в области материаловедения, которая заложила основы для компьютерной революции. Поэтому в прошлом октябре MIT Technology Review отправились в Исследовательский центр Томаса Уотсона при IBM, чтобы ответить на вопрос: в чем квантовый компьютер будет хорош? Можно ли построить практический, надежный квантовый компьютер?

Зачем нам нужен квантовый компьютер?

Этот исследовательский центр, расположенный в Йорктаун-Хайтс, немного похож на летающую тарелку, как и задумывалось в 1961 году. Он был спроектирован архитектором-неофутуристом Ээро Саариненом и построен во время расцвета IBM как создателя крупных мейнфреймов для бизнеса. IBM была крупнейшей компьютерной компанией в мире, и за десять лет строительства исследовательского центра она стала пятой крупнейшей компанией в мире, сразу после Ford и General Electric.

Хотя коридоры здания смотрят на деревню, дизайн таков, что ни в одном из офисов внутри нет окон. В одной из таких комнат и обнаружился Чарльз Беннет. Сейчас ему 70, у него большие белые бакенбарды, он носит черные носки с сандалиями и даже пенал с ручками. В окружении старых компьютерных мониторов, химических моделей и, неожиданно, небольшого диско-шара, он вспоминал рождение квантовых вычислений так, будто это было вчера.

Когда Беннетт присоединился к IBM в 1972 году, квантовой физике уже было полвека, но вычисления все еще полагались на классическую физику и математическую теорию информацию, которую Клод Шеннон разработал в MIT в 1950-х годах. Именно Шеннон определил количество информации числом «битов» (этот термин он популяризовал, но не изобрел), необходимых для ее хранения. Эти биты, 0 и 1 бинарного кода, легли в основу традиционных вычислений.

Спустя год после прибытия в Йорктаун-Хайтс Беннетт помог заложить основу для теории квантовой информации, которая бросила вызов предыдущей. Она использует причудливое поведение объектов в атомных масштабах. В таких масштабах частица может существовать в «суперпозиции» множества состояний (то есть в множестве позиций) одновременно. Две частицы также могут «запутываться», так что изменение состояния одной мгновенно отзывается на второй.

Беннетт и другие поняли, что некоторые виды вычислений, которые занимают слишком много времени или вообще невозможны, можно было бы эффективно проводить при помощи квантовых явлений. Квантовый компьютер хранит информацию в квантовых битах, или кубитах. Кубиты могут существовать в суперпозициях единиц и нулей (1 и 0), и запутанность и интерференцию можно использовать для поиска вычислительных решений в огромном числе состояний. Сравнивать квантовые и классические компьютеры не совсем правильно, но, выражаясь фигурально, квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов может производить больше вычислений одновременно, чем атомов в известной вселенной.

Летом 1981 года IBM и MIT организовали знаковое мероприятие под названием «Первая конференция по физике вычислений». Оно проходило в отеле Endicott House, особняке во французском стиле недалеко от кампуса MIT.

На фото, которое Беннетт сделал во время конференции, на лужайке можно увидеть некоторых из самых влиятельных фигур в истории вычислительной и квантовой физики, включая Конрада Зузе, который разработал первый программируемый компьютер, и Ричарда Фейнмана, внесшего важный вклад в квантовую теорию. Фейнман держал на конференции ключевую речь, в которой поднял идею использования квантовых эффектов для вычислений.

«Самый большой толчок квантовая теория информации получила от Фейнмана», говорит Беннетт. «Он сказал: природа квантовая, мать ее! Если мы хотим имитировать ее, нам понадобится квантовый компьютер».

Квантовый компьютер IBM — один из самых перспективных из всех существующих — расположен прямо по коридору от офиса Беннетта. Эта машина предназначена для создания и манипуляции важным элементом квантового компьютера: кубитами, которые хранят информацию.

Пропасть между мечтой и реальностью

Машина IBM использует квантовые явления, которые протекают в сверхпроводящих материалах. Например, иногда ток течет по часовой и против часовой стрелки одновременно. Компьютер IBM использует сверхпроводниковые микросхемы, в которых кубит составляют два разных электромагнитных энергетических состояния.

Сверхпроводимый подход имеет массу преимуществ. Аппаратное обеспечение можно создавать при помощи хорошо известных устоявшихся методов, а для управления системой можно использовать обычный компьютер. Кубиты в сверхпроводящей схеме легко поддаются манипуляции и менее деликатны, чем отдельные фотоны или ионы.

В квантовой лаборатории IBM инженеры работают над версией компьютера с 50 кубитами. Вы можете запустить симулятор простого квантового компьютера на обычном компьютере, но при 50 кубитах это будет практически невозможно. И это значит, что IBM теоретически приближается к точке, за которой квантовый компьютер сможет решать проблемы, недоступные классическому компьютеру: другими словами, квантовое превосходство.

Но ученые из IBM скажут вам, что квантовое превосходство — это неуловимая концепция. Вам понадобится, чтобы все 50 кубитов работали идеально, когда в реальности квантовые компьютеры сильно страдают от ошибок. Также невероятно трудно поддерживать кубиты на протяжении заданного периода времени; они склонны к «декогеренции», то есть к утрате своей деликатной квантовой природы, словно колечко дыма растворяется при малейшем дуновении ветерка. И чем больше кубитов, тем сложнее справиться с обеими задачами.

«Если бы у вас было 50 или 100 кубитов и они действительно работали бы достаточно хорошо, а также были полностью избавлены от ошибок, вы могли бы производить непостижимые вычисления, которые нельзя было бы воспроизвести на любой классической машине, ни сейчас, ни тогда, ни в будущем», говорит Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета и основатель компании Quantum Circuits. «Обратная сторона квантовых вычислений заключается в том, что есть невероятное число возможностей для ошибки».

Другая причина для осторожности заключается в том, что не совсем очевидно, насколько полезен будет даже идеально функционирующий квантовый компьютер. Он не просто ускоряет решение любой задачи, которую вы ему подбросите. По сути, во многих родах вычислений он будет несоизмеримо «тупее» классических машин. Не так много алгоритмов было определено к настоящему моменту, в которых квантовый компьютер будет иметь очевидное преимущество. И даже с ними это преимущество может быть недолговечным. Самый известный квантовый алгоритм, разработанный Питером Шором из MIT, предназначен для поиска простых множителей целого числа. Многие известные криптографические схемы полагаются на тот факт, что этот поиск крайне трудно осуществить обычному компьютеру. Но криптография может адаптироваться и создать новые виды кода, не полагающиеся на факторизацию.

Вот почему, даже приближаясь к 50-кубитной вехе, исследователи IBM сами пытаются развеять шумиху. За столом в коридоре, который выходит на пышный газон снаружи, стоит Джей Гамбетта, высокий австралиец, исследующий квантовые алгоритмы и потенциальные приложения для оборудования IBM. «Мы находимся в уникальном положении», говорит он, осторожно выбирая слова. «У нас есть это устройство, которое сложнее всего, что можно смоделировать на классическом компьютере, но оно пока не контролируется с достаточной точностью, чтобы проводить через него известные алгоритмы».

Что дает всем айбиэмщикам надежду на то, что даже неидеальный квантовый компьютер может быть полезным.

Гамбетта и другие исследователи начали с приложения, которое Фейнман предвидел еще в 1981 году. Химические реакции и свойства материалов определяются взаимодействиями между атомами и молекулами. Эти взаимодействия управляются квантовыми явлениями. Квантовый компьютер может (по крайней мере в теории) моделировать их так, как не может обычный.

В прошлом году Гамбетта и его коллеги из IBM использовали семикубитную машину для моделирования точной структуры гидрида бериллия. Состоящая всего из трех атомов, эта молекула является самой сложной из всех, которые моделировались с применением квантовой системы. В конечном итоге ученые смогут использовать квантовые компьютеры для проектирования эффективных солнечных батарей, препаратов или катализаторов, преобразующих солнечный свет в чистое топливо.

Эти цели, конечно, еще невообразимо далеки. Но как говорит Гамбетта, ценные результаты можно получить уже из работающих в паре квантового и классического компьютеров.

Что для физика мечта, для инженера кошмар

«Шумиху подталкивает осознание того, что квантовые вычисления реальны», говорит Айзек Чуань, профессор MIT. «Это уже не мечта физика — это кошмар инженера».

Чуань руководил разработкой самых первых квантовых компьютеров, работая в IBM в Альмадене, Калифорния, в конце 1990-х – начале 2000-х годов. Хотя он больше не работает на них, он также считает, что мы находимся в начале чего-то очень большого и что квантовые вычисления в конечном итоге сыграют роль даже в развитии искусственного интеллекта.

Он также подозревает, что революция не начнется, пока новое поколение студентов и хакеров не начнет играть с практическими машинами. Квантовые компьютеры требуют не только иных языков программирования, но и принципиально иного способа мышления о программировании. Как говорит Гамбетта, «мы на самом деле не знаем, что эквивалентно «Привет, мир» на квантовом компьютере».

[источники]источникиhttps://hi-news.ru/computers/sereznye-kvantovye-kompyutery-gotovy-k-rabote-na-chto-oni-sposobny.html

masterok.livejournal.com

Русский фотонный компьютер - Новая Теория

NewTheory 1 Comment

фотонный компьютерУчёные Новосибирского института создали прототип германиевых алмазов для вычислительных машин нового поколения. В компьютерах будущего электронную начинку заменят фотоны, что обеспечит значительный прирост в быстродействии и приведёт к появлению нового поколения вычислительной техники.

Фотоны — элементарные безмассовые частицы, двигающиеся со скоростью света (порядка 300 000 км/c) и не обладающие массой покоя. Таким образом, используя их можно передавать куда больше информации и в разы быстрее, чем с помощью электронов.

Так называемые «дефектные» алмазы, которые заложат базу для фотонной вычислительной техники, смогли получить новосибирские геологи, о чём сообщил директор учреждения в пресс-центре ТАСС Новосибирска.

В своей речи он упомянул, что искусственные кристаллы были получены путём изменения структуры их кристаллической решётки, а именно центральных атомов. Изобретение является очень важной вехой на пути к изобретению высокопроизводительных компьютеров. Директор так же отметил, что первенство в этом изобретении принадлежит именно России; следом идёт Германия.

фотон

Учёные поместят в кристаллы атомы германия взамен атомов углерода. Именно фактор замены дал новым кристаллам соответствующее «дефектное» название.

Разработка института была передана учёным других институтов для дальнейшего исследования и создания продвинутой техники.

Главной особенностью вычислительной техники будущего станет обновлённая база. Электронную начинку вытеснят фотоны, что обеспечит огромный прирост производительности — более чем в 10 миллионов раз. По заявлению учёного, подобная мощность позволит создать даже продвинутый искусственный интеллект. Гипотетически, все вычисления в подобной технике будут выполняться именно с помощью фотонов, сгенерированных оптическими транзисторами — лазерами или диодами. Согласно прогнозам, первым шагом на пути к созданию таких транзисторов станут «дефектные» кристаллы и их разновидности.

Еще одна особенность фотонных компьютеров — рабочий диапазон температур. Новая техника будет способна вынести нагрев вплоть до +900 градусов.

Похиленко добавил, что скорость работы современных и фотонных компьютеров будет различаться примерно так же, как скорость улитки и ракеты.

Учёные предсказывают, что разработка фотонных компьютеров займёт не меньше десяти лет.

К моменту создания фотонных компьютеров обучение в школах наверняка станет еще более информационным, но задания на дом вряд ли исчезнут из системы образования. Готовые Домашние Задания и решебники, со-второго по одиннадцатый класс, уже сегодня можно найти перейдя по указанной ссылке.

www.newtheory.ru

принципы работы — Naked Science

По прогнозам экспертов уже совсем скоро, лет через 10, микросхемы в компьютерах достигнут атомных измерений. Представляется логичным, что грядет эпоха квантовых компьютеров, с помощью которых скорость вычислительных систем может повыситься на несколько порядков.

 

Идея квантовых компьютеров сравнительно нова: в 1981 году Пол Бениофф впервые теоретически описал принципы работы квантовой машины Тьюринга.

 

В 1930-х Алан Тьюринг впервые описал теоретическое устройство, представляющее собой бесконечную ленту, разделенную на маленькие ячейки. Каждая ячейка может содержать в себе символ 1 или 0, или же остается пустой.

 

Управляющее устройство перемещается по ленте, считывая символы и записывая новые. Из набора таких символов составляется программа, которую машина должна выполнить.

 

В квантовой машине Тьюринга, предложенной Бениоффом, принципы работы остаются теми же, с той разницей, что как лента, так и управляющее устройство находятся в квантовом состоянии.

 

Это значит, что символы на ленте могут быть не только 0 и 1, но и суперпозициями обоих чисел, т. е. 0 и 1 одновременно. Таким образом, если классическая машина Тьюринга способна одновременно исполнять лишь одно вычисление, то квантовая занимается несколькими вычислениями параллельно.

 

Сегодняшние компьютеры работают по тому же принципу, что и нормальные машины Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые могут содержать суперпозиции обоих состояний.

 

Работа над частью квантового компьютера D-Wave  

©D-Wave Systems

 

Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Фактически, если сделать элементарные частицы носителями информации, с помощью них можно построить компьютерную память и процессоры нового поколения.

 

Благодаря суперпозиции кубитов квантовые компьютеры изначально рассчитаны на выполнение параллельных вычислений. Этот параллелизм, по мнению физика Дэвида Дойча, позволяет квантовым компьютерам выполнять одновременно миллионы вычислений, в то время, как современные процессоры работают лишь с одним единственным.

 

30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (триллион операций в секунду). Мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь гигафлопсах (миллиард операций в секунду).

 

Другое важное квантовомеханическое явление, которое может быть задействовано в квантовых компьютерах, называется «запутанностью». Основная проблема считывания информации из  квантовых частиц заключается в том, что в процессе измерения они могут изменить свое состояние, причем совершенно непредсказуемым образом.

 

Фактически, если считать информацию с кубита, находящегося в состоянии суперпозиции, получим лишь 0 или 1, но никогда не оба числа одновременно. А это значит, что вместо квантового, мы будем иметь дело с нормальным классическим компьютером.

 

Чтобы решить эту проблему, ученые должны использовать такие измерения, которые не разрушают квантовую систему. Квантовая запутанность предоставляет потенциальное решение.

 

В квантовой физике, если приложить внешнюю силу к двум атомам, их можно «запутать» вместе таким образом, что один из атомов будет обладать свойствами другого. Это, в свою очередь, приведет к тому, что, например,  измеряя спин одного атома, его «запутанный» близнец сразу примет противоположный спин.

 

Такое свойство квантовых частиц позволяет физикам узнать значение кубита, не измеряя его непосредственно.

 

В один прекрасный день квантовые компьютеры могут заменить кремниевые чипы, подобно тому, как транзисторы пришли на смену вакуумным трубкам. Однако современные технологии пока еще не позволяют строить полноценные квантовые компьютеры.

 

Сборка процессора квантового компьютера D-Wave Two

©D-Wave Systems

 

Тем не менее, с каждым годом исследователи объявляют о новых достижениях в области квантовых технологий, и надежда, что когда-нибудь квантовые компьютеры смогут превзойти обычные, продолжает крепнуть.

 

1998

 

Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.

 

2000

 

В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.

 

2001

 

Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.

 

2005

 

В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.

 

2007

 

Канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.

 

С 2011 года D-Wave предлагает за $11 млн долларов квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию.

 

naked-science.ru

Будущее наступило: когда без квантовых компьютеров не получится обойтись :: Технологии и медиа :: Журнал РБК

Команда Михаила Лукина создала в 2017 году один из самых мощных квантовых компьютеров. С помощью ученого РБК разбирается, каковы критерии успеха в квантовой гонке и когда стоит ждать квантового превосходства

Фото: Фото: Саша Маслов (Sasha Maslov) для РБК

Двадцать лет назад квантовые компьютеры считались фантастикой, а скоро они будут удивлять нас не больше, чем обычный ПК. «Я думаю, лет через пять-десять уже во многих областях человеческой деятельности без квантовых технологий обойтись будет невозможно», — говорит профессор Гарварда Михаил Лукин, команда которого в 2017 году создала один из самых мощных квантовых компьютеров.

Михаил Лукин уехал в Америку около четверти века назад. В 1993 году выпускника факультета физической и квантовой электроники МФТИ пригласил в аспирантуру Техасского университета A&M Марлан Скалли, всемирно известный исследователь в сфере квантовой оптики. В Техасе в 1998 году Лукин защитил диссертацию об использовании лазеров для контроля над средой. Но свои главные научные эксперименты Михаил Лукин сделал в следующем десятилетии в Гарвардском университете. Здесь он стал профессором физики, затем — содиректором Гарвардского центра квантовой физики и Центра ультрахолодных атомов.

«Мне очень повезло: в Гарварде я оказался на особых условиях. Обычный постдок (ученый, недавно получивший степень PhD, что примерно соответствует российскому кандидату наук. — РБК) должен работать в одной научной группе и заниматься каким-то конкретным узкоспециал

www.rbc.ru

Что придет на смену нашим компьютерам, гаджетам и бытовым приборам

Эпоха электроники движется к своему закату. Существующим сегодня компьютерам уже не хватает мощности и скорости для решения научных и производственных задач, от которых зависит жизнь и благополучие человечества. Поэтому физики и математики всего мира пытаются создать совершенно новый продукт — вычислительную машину, работающую в разы эффективнее. И это такая же важная проблема, как для миллионов врачей поиск лекарства от ВИЧ-инфекции

Ток побежал по спину

Подготовка к свержению электрона с пьедестала главной элементарной частицы, при помощи которой работают все устройства, приводимые в действие за счет электрического тока, — компьютеры, всевозможные гаджеты и бытовая техника, — началась не пять и даже не десять лет назад, а намного раньше.

Мысль, что ток может проходить по приборам без участия заряда электрона, стала актуальна после того, как физики Альбер Ферт и Петер Грюнберг в 1988 году независимо друг от друга открыли эффект гигантского магнетосопротивления (Giant magnetoresistance — GMR). За это через девятнадцать лет они получили Нобелевскую премию по физике. Но этого могло и не случиться, если бы еще раньше исследователи Отто Штерн и Вальтер Герлах не обнаружили наличие у электрона спина — некоего подобия маленькой оси, вокруг которой он вращается.

Все по школьным урокам физики знают, что у электронов есть заряд и есть спин, и электрический ток получается тогда, когда мы воздействуем на заряд. Однако спин тоже можно двигать при помощи магнитного поля, и от направления спина зависит поведение электрона.

Так вот, Фер и Грюнберг, проводя опыты в своих лабораториях, заметили, что электрону свойственно бежать туда, куда указывает его спин, подверженный воздействию магнитного поля, — это они и назвали эффектом GMR. Однако управлять спином электрона можно только в том случае, если частица перемещается по сверхтонкому наноразмерному полупроводнику. Если же электрон путешествует по толстенному металлическому проводу, магнитное поле не может дотянуться до спина. Электрон сам постоянно меняет направление оси и несется туда, куда его влечет, то есть постоянно в разные стороны.

Когда в науке были открыты и сложились все ключевые компоненты — спин и способность им управлять, — тогда появилась возможность создавать наноматериалы. И созрела такая научная область — спинтроника. Сейчас ею занимаются в тысячах лабораторий по всему миру.

В одной из таких, расположенной в Институте физики металлов УрО РАН, ученые создают спинтронные устройства. 

— Почему спинтроника так интересна? Почему она может заменить электронику? Потому что приборы на спиновом токе намного (в разы) компактнее. И что еще важнее — благодаря тому, что носителями для тока у нас становятся не толстые полупроводники, а малюсенькие наноструктуры, спинтронные устройства получаются сверхчувствительными и точными, — рассказывает директор института Владимир Устинов, шагая впереди меня по отделу наноспинтроники, обстановка в котором смахивает на декорации из фантастического фильма. Мы отражаемся в огромных зеркальных металлических пластинах, привинченных к стенам, из-за приоткрытых дверей в лабораториях видны приборы, опутанные серебристыми и цветными проводками. Уже около десяти лет здесь сотрудники института и специалисты уральского НПО автоматики создают спинтронные датчики для космических спутников и авиационной техники.

— С 1997 года за рубежом начали делать такие спинтронные устройства для компьютеров, как считывающие головки. Так что это направление физики уже давно имеет не только хорошую фундаментальную базу, но и практический опыт, — продолжает экскурсию директор и показывает мне блестящие установки, на которых происходит напыление на маленькую кремниевую платинку ферромагнитного нанослоя для изготовления спинтронных чипов. — А вот тут мы занимаемся начальным этапом работы по созданию магнитной оперативной памяти для компьютеров — MRAM (Magnetic Random Access Memory). На Западе это уже активно развивается. Вот обычные электронные компьютеры основаны на использовании полупроводниковых транзисторов и динамической памяти — DRAM (Dynamic Random Access Memory). А магнитная память — более высокий уровень. Эта память может быть энергонезависимой, и ее содержимое не исчезает при отключении питания. Она отличается быстродействием, потому что спин заставляет электрон реагировать быстрее, чем это делает заряд. А еще она устойчива к воздействию радиации — а значит, идеально подходит для применения в космосе или в автоматизированных системах на атомных станциях, атомных подлодках.

Все эти преимущества позволяют рассуждать о спинтронике как о неплохой базе для компьютеров нового поколения. К тому же в 2007 году исследователи Делавэрского университета и английской компании Cambridge NanoTech совершили в этом направлении еще один прорыв — создали первый в мире спинтронный транзистор на кремнии. Транзистор — то самое устройство, которое является основой основ любого существующего компьютера, именно оно кодирует информацию в битах при помощи двоичной системы, чередующихся ноликов и единиц. О своем изобретении ученые написали в статье, опубликованной в том же году в научном журнале Physical Review Letters.

По сути, разработка спинтронного транзистора означает, что ученые смогли крепко ухватить электрон за спин и заставить эту частицу бежать в указанном направлении на большие расстояния. Однако только 40% электронов, изначально присутствующих на полупроводнике, физикам удалось сдвинуть с места. Остальные частицы рассеялись или были поглощены одним из нанослоев. Эксперименты продолжились, но пока добиться стопроцентного подчинения электронов магнитному полю у ученых не вышло.

Сейчас физики ищут новые наноматериалы, по которым спин будет толкать электрон быстрее и без потерь. Впрочем, некоторые ученые скептически относятся к этим попыткам и предлагают еще одну альтернативу электронике.

Связанные фотоны

— Если хотите понять, почему электроника и даже спинтроника скоро окажутся в хвосте прогресса, нужно уяснить одну простую вещь: электроны очень медленные, хоть и маленькие, а вот фотоны невероятно быстрые, пусть и большие. Так как перед нами стоит задача создания устройства, работающего на огромной скорости и очень чувствительного, — лучше всего выбирать фотоны. Ведь что еще может быть быстрее скорости света? — рассуждает Наталья Берлова, физик, декан Сколковского института науки и технологий, заведующая кафедрой квантовых жидкостей факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета.

Использовать свет в качестве передатчика информации начали еще в 1970-х годах, позже появились оптоволоконные сети, через которые в дома людей побежал интернет, цифровое телевидение и телефонная связь. И только в начале XXI столетия на основе частиц света (фотонов), двигающихся по стеклянным или полимерным трубочкам значительно быстрее, чем электроны по металлическим проводам, физики взялись создавать вычислительные устройства.

Компьютер на фотонах будет иметь массу преимуществ, кроме уже не раз упомянутой невероятной скорости. Во-первых, информация будет передаваться по оптоволокну почти без потерь тепла и энергии. Во-вторых, волны света разной длины не смешиваются между собой и в пучке представляют собой множество разных каналов. Таким образом, появляется возможность единовременно запускать в работу несколько вычислительных процессов, за каждый из которых будет отвечать конкретная световая волна. Это называется параллелизацией при передаче и обработке данных.

Для чего нужна параллелизация? Например, для того, чтобы компьютер в одно мгновение мог проанализировать множество разных метеорологических показателей: замеры атмосферного давления, температуры, силы ветра, силы солнечной активности, — и быстро выдать самый точный недельный прогноз погоды по всем городам России.

— В применении фотонов вместо электронов множество плюсов, но есть один гигантский минус, который нивелирует преимущества. Фотонный компьютер — это совершенно иной механизм, нежели наши обычные компьютеры, — поясняет Берлова. — И работать такое устройство будет совсем по иным принципам. В нем невозможно использовать стандартную для обычных электронных вычислительных машин архитектуру фон Неймана, вычисления не будут производиться при помощи двоичного кода, на котором написаны сейчас все программы. Получается, нужно изобретать совершенно другую вычислительную систему, кодировку и архитектуру, а это уже требует новых инженерных решений, которых пока не существует.

Фотонный и электронный компьютер можно сравнить с разными формами жизни. Наши нынешние компьютеры или ЭВМ — это, допустим, земная форма жизни на углероде, а фотонные машины —как будто альтернативная форма жизни на основе азота и фосфора или кремния. Решить новые инженерные задачи — значит перестроить всю базу, а на это уйдет много сил, денег и, что самое важное, времени.  

Несмотря на эти сложности, ученым все же не хочется отказываться от суперскоростного фотона, и они начинают экспериментировать с гибридными устройствами: связывать фотон с тем же электроном. То есть пускать очень быстрый сигнал в виде световых волн, но потом преобразовывать его в стандартный электронный сигнал, который хорошо считывается существующим способом и кодируется в привычные всем биты.

Первый прототип устройств на основе связанных состояний (фотонов, соединенных с электронами) появился в 1990-е годы. Пионером в этом деле стала американская компания Bell Laboratories. Но их изобретение так и не стало продуктом массового потребления, потому что изначально разрабатывалось на деньги военных и могло решать только узкие задачи. Оно совсем не было предназначено для обработки фото, видео, музыки и текстов одновременно, как наши ныне действующие персональные компьютеры.

— Сейчас перед учеными и компаниями стоит задача совершенствовать эти технологии. Успешно этим занимается, например, всем знакомая компания Intel, — рассказывает Наталья. —  Они продолжают выпускать стандартные компьютеры, но вместе с тем очень серьезно занялись фотоникой и сообщают, что представят миру свои прототипы и наработки уже в течение двух ближайших лет. Вообще, фотоника входит в приоритет всех западных программ. Например, недавно Европейская комиссия обозначила шесть ключевых направлений в сфере физики и компьютерных технологий и на исследования выделила примерно семь миллиардов евро до 2020 года. Одно из направлений — фотоника и оптоэлектроника. Но не только европейцы этим занимаются — лаборатории в США и России тоже всерьез взялись за эту тему: можно назвать физтех МГУ и Физико-технический институт в Питере. Поэтому хоть пока и нет каких-то громких результатов, будоражащих сознание людей, это не означает, что ничего не получится. Революция все равно случится.

Дивный квантовый мир

Самая удивительная и самая ожидаемая машина, которая сможет заменить ЭВМ, — это квантовый компьютер. Над ним работают уже около двадцати лет. И действительно, сделано уже многое: собраны все элементы этого устройства и даже создана инженерная база для программирования на нем, которая, как и в случае с оптическими компьютерами, должна была писаться полностью с нуля.

Ударными темпами квантовый компьютер конструируют неспроста. Потребность в создании такой машины еще в 1982 году высказывал гениальный американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своей научной статье в издании International Journal of Theoretical Physics.

Ученый писал, что заниматься квантовой физикой, изучать и моделировать особые законы микромира, которые совершенно отличаются от законов классической физики, невозможно на стандартных компьютерах. Ведь для этого требуется выполнять невообразимо много вычислений единовременно — с чем не может справиться ни одна ЭВМ. Поэтому необходимо создавать квантовую машину, которой это будет по силам.

— Фейнман утверждал, что эта установка смогла бы работать с такой скоростью и мощностью обработки информации, что когда бы на ней моделировали эксперимент, например пытались сделать компьютерную модель какого-либо квантового явления, машина бы анализировала все и показывала ученым уже готовый результат за секунды. А такое количество информации, которое нужно обработать для создания моделей квантовой физики, действительно не потянет нынешний компьютер, — отмечает Наталья Берлова.

Такими сверхспособностями квантовый компьютер обладает потому, что информация на нем кодируется иначе. В обычной электронике есть стандартный двоичный код типа 1001010, где единички и нолики — это два разных положения спина: направленный вверх спин обозначает 1, направленный вниз — 0. В квантовой физике элементарные частицы и спин гипотетически рассматриваются в таком приближении, когда можно разглядеть, как спин поворачивается не вверх или вниз, а в сторону, то есть можно заметить еще одно положение спина, которое находится уже не в двухмерной системе координат, а в трехмерном пространстве. Когда спин смотрит в сторону, в квантовой физике это называется суперпозицией. Таким образом, получается, что на квантовом компьютере мы можем записать и закодировать не только 0 или 1, которые представляют собой классический бит информации, но еще и эту суперпозицию, то есть объемную, а значит, очень большую единицу измерения — кубит.

Чтобы понять, какие возможности это дает, можно пофантазировать. Сначала представить один бит (0 или 1) как правую или левую руку, которые выполняют только одну или другую задачу. А вот один кубит — это сразу 1 и 0, и еще какое-то n-ное положение спина — как будто сразу несколько рук, которые могут одновременно совершать разные команды. Именно так становится доступной кодировка сразу нескольких возможных состояний спина — и, как следствие, обработка множества потоков информации параллельно.

Главная проблема, которая пока так и не дает построить эту чудо-машину, — неспособность масштабировать количество кубитов. Ученые уже смогли создать все элементы компьютера, однако до сих пор не способны построить систему с большим числом кубитов, потому что микромир квантовых объектов очень нестабилен и плохо подчиняется организации.

Хотя в 2011 году канадская компания D-Wave Systems заявила, что якобы построила квантовый компьютер с 128-кубитным процессором. Эта машина даже проходила вычислительное тестирование, результаты которого зафиксированы в научной статье, опубликованной в Корнельском университете. Беда в том, что многие физики сегодня критикуют эту разработку и итоги эксперимента, утверждая, что пока эта машина справляется с вычислениями немногим лучше обычного электронного процессора. 

Тем не менее сегодняшних наработок в области квантовых вычислений хватает для того, чтобы по пути к большой цели создать другие не менее важные устройства. Например, такие как квантовые часы, которые работают на кубитах и являются главным элементом в системе спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС. Сейчас их же используют для создания автомобилей-роботов.

Еще одна шикарная идея попутного применения квантовых технологий — это квантовые деньги, которые невозможно будет украсть, так как каждая единица квантовой валюты будет закодирована в кубитах. Такая шифровка — самая надежная. Так происходит из-за нестабильного состояния квантовой системы — однажды закодированная, она уже никогда не вернется в подобное состояние, будет непрерывно искажаться.

— Может быть, сейчас и не совсем понятно, когда именно появятся квантовые компьютеры. Но идею точно должны реализовать, поскольку эта машина так же значима, как и какой-нибудь эликсир бессмертия, — смеется директор уральского Института физики металлов Устинов. — Просто обе эти великие вещи будут работать на разные цели: эликсир — на вечную жизнь, а квантовый компьютер — на создание несокрушимой компьютерной безопасности.

expert.ru

Чем отличается квантовый компьютер от обычного и существует ли он сегодня?

Квантовый компьютер - правда или вымысел?

Последние десятилетия компьютеры развивались очень быстро. Фактически на памяти одного поколения они прошли путь от громоздких ламповых, занимающих огромные помещения до миниатюрных планшетов. Стремительно увеличивалась память и скорость. Но наступил момент, когда появились задачи, неподвластные даже сверхмощным современным компьютерам.

Что такое квантовый компьютер?

Появление новых задач, неподвластных обычным компьютерам, заставило искать новые возможности. И, как альтернатива обычным компьютерам, появился квантовый. Квантовый компьютер - это вычислительная техника, в основу действия, которой положены элементы квантовой механики. Основные положения квантовой механики были сформулированы в начале прошлого века. Ее появление позволило решить многие задачи физики, которые не находили решения в классической физике.

Хотя теория квантов уже насчитывает второе столетие, она по-прежнему остается понятной только узкому кругу специалистов. Но есть и реальные результаты квантовой механики, к которым мы уже привыкли – лазерная техника, томография. А в конце прошлого века была разработана теория квантовых вычислений советским физиком Ю. Маниным. Через пять лет Дэвид Дойч обнародовал идею квантовой машины.

Существует ли квантовый компьютер?

Но воплощение идей оказалось не столь простым. Периодически появляются сообщения о то, что создан очередной квантовый компьютер. Над разработкой такой вычислительной техники работают гиганты в области информационных технологий:

  1. D-Wave – компания из Канады, которая первой начала выпуск действующих квантовых компьютеров. Тем не менее идут споры специалистов, насколько реально являются квантовыми эти компьютеры и какие преимущества они дают.
  2. IBM – создала квантовый компьютер, причем открыла к нему доступ для пользователей интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. К 2025 году компания планирует создать модель, способную решать уже практические задачи.
  3. Google – анонсировала выпуск в этом году компьютера, способного доказать превосходство квантовых на обычными компьютерами.
  4. В мае 2017 г. Китайские ученые в Шанхае заявили, что создан самый мощный квантовый компьютер в мире, превосходящий аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
  5. В июле 2017 г. На Московской конференции по квантовым технологиям было заявлено о том, что был создан 51-кубитный квантовый компьютер.
квантовый компьютер принцип работы

Чем отличается квантовый компьютер от обычного?

Принципиальное отличие квантового компьютера в подходе к процессу вычисления.

  1. В обычном процессоре все вычисления строятся на основе битов, бывающих в двух состояний 1 либо 0. То есть, вся работа сводится к анализу огромного количества данных на предмет соответствия заданным условиям. В основу квантового компьютера положены кубиты (квантовые биты). Их особенностью является возможность быть в состоянии 1, 0, а также одновременно 1 и 0.
  2. Возможности квантового компьютера значительно возрастают, так как нет необходимости искать нужный ответ среди множества. В этом случае ответ выбирается из уже имеющихся вариантов с определенной долей вероятности соответствия.
первый квантовый компьютер

Для чего нужен квантовый компьютер?

Принцип квантового компьютера, выстроенный на выборе решения с достаточной долей вероятности и способность находить такое решение в разы быстрее, чем современные компьютеры, определяет и цели его использования. Прежде всего, появление такого вида вычислительной техники беспокоит криптографов. Это связано со способностями квантового компьютера с легкостью вычислять пароли. Так, самый мощный квантовый компьютер, созданный российско-американскими учеными, способен получить ключи к существующим системам шифрования.

Есть и более полезные прикладные задачи для квантовых компьютеров, они связаны с поведением элементарных частиц, генетикой, здравоохранением, финансовыми рынками, защитой сетей от вирусов, искусственным интеллектом и множеством других, решить которые пока не могут обычные компьютеры.

Как устроен квантовый компьютер?

Устройство квантового компьютера базируется на применении кубитов. В качестве физического исполнения кубитов в настоящее время используются:

  • кольца из сверхпроводников с перемычками, с разнонаправленным током;
  • отдельные атомы, под воздействием лазерных лучей;
  • ионы;
  • фотоны;
  • разрабатываются варианты использования нанокристалов полупроводников.
самый мощный квантовый компьютер в мире

Квантовый компьютер - принцип работы

Если с классическим компьютером в работе есть определенность, то на вопрос, как работает квантовый компьютер, ответить непросто. Описание работы квантового компьютера основывается на двух малопонятных для большинства словосочетаниях:

  • принцип суперпозиции – речь о кубитах, способных находиться одновременно в позиции 1 и 0. Это позволяет вести одновременно несколько вычислений, а не перебирать варианты, что дает большой выигрыш во времени;
  • квантовая запутанность – феномен, отмеченный еще А. Эйнштейном, заключающийся во взаимосвязи двух частиц. Говоря простыми словами, если одна из частиц имеет положительную спиральность, то вторая моментально принимает положительную. Такая взаимосвязь происходит вне зависимости от расстояния.

Кто изобрел квантовый компьютер?

Основа квантовой механики была изложена еще в самом начале прошлого века, как гипотеза. Развитие ее связано с такими гениальными физиками, как Макс Планк, А. Эйнштейн, Поль Дирак. В 1980 г. Ю.Антонов предложил идею о возможности квантовых вычислений. А уже через год Ричард Фейнеман в теории смоделировал первый квантовый компьютер.

Сейчас создание квантовых компьютеров в стадии разработок и даже трудно предположить, на что способен квантовый компьютер. Но абсолютно ясно, освоение этого направления принесет людям много новых открытий во всех областях науки, позволит заглянуть в микро и макромир, узнать больше о природе разума, генетики.

 

womanadvice.ru

Что такое фотонный компьютер? | Бакарабан

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня увидел новость, что в США cоздали первый фотонный процессор. Я рeшил разобратьcя, что это за штука, и что она нам даст.

Для начала разберемся, что такое фотоника и фотоны.

 

фотонфотон в нейтринном микроскопе

Фотон — частица без массы и без заряда, квант света, в вакууме существует только двигаясь со скоростью света. Также он проявляет свойства и частицы, и волны.Фотоника занимается созданием устройств на основе свойств фотонов, также она в будущем может стать аналогом электроники (использует электроны), по сравнению с электроникой фотоника обладает рядом преимуществ: меньшие энергопотери, меньшая потребляемая мощность, большая дальностью передачи и ширина полосы пропускания сигнала, возможность создания миниатюрных устройств.

 

Кремниевый процессор против фотонного

Intеl Corе i7-5960XIntеl Corе i7-5960X

Сегодня мы используем кремниевые процессоры, но настанет тот день, когда производительных мощностей такого процессора просто не будет хватать, и здесь приходится искать альтернативу, неограниченную скоростью электрона (электрон движется в проводнике гораздо медленнее скорости света). Оптический процессор способен выполнять 10^13 – 10^15 операций в секунду (для сравнения Intеl Corе i7-5960X (Haswеll), чаcтоты 3,0-3,5 ГГц (2014) — до 350 гигафлопсов, то есть 3.5*10^11 операций в секунду.Обычный домашний компьютер сегодня может принимать и отправлять сигнал по оптоволоконным сетям по схеме фотон-электрон-фотон, в фотонном компьютере схема будет фотон-фотон, что очень ускорит процесс и снизит потери передачи данных.

bd841b49184654043e022b782d34071eЭто станет возможно благодаря «диоду для света»(состоит из Garnet — гранат, Si — rремний, SiO2 — оксид кремния (кремнезём)).

 

 

 

Ученые из Колорадского университета в Боулдере создали первый прототип

Сегодняшний фотонный процессор не является полностью оптическим, это, так сказать, гибрид с процессором на полупроводниках, но уже его производительность выше обычного компьютера в десятки раз. Размеры его очень малы (3-5 мм), он состоит из двух ядер.К началу 2017 года ожидается появление первых тестовых коммерческих образцов.Проблемой для полностью фотонных компьютеров сегодня может стать то, что в них невозможны операции над битами, на замену битам должна придти коммутация длин волн.

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Google+

bakaraban.ru


Читайте также
  • Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
    Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
  • Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
    Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
  • Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
    Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
  • Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
    Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
  • Найден источник водородных газов для нашей Галактики
    Найден источник водородных газов для нашей Галактики