Квантовый компьютер
Элементная база компьютеров основана на классическом электронном принципе. Ограничения, связанные с волновой природой микрочастиц, мешают модернизации элементной базы. Поэтому для дальнейшего развития компьютерных технологий необходимы совершенно новые идеи, одной из которых является создание альтернативного компьютера – квантового.
Для того, чтобы понять принцип действия квантового компьютера, необходим достаточно высокий уровень знания квантовой механики.
Основной ячейкой квантового компьютера является квантовый бит, который сокращенно называется кубит (q-бит). Кубит – это квантовая частица, которая имеет два базовых состояния, обозначающихся 0 и 1. Двумя значениями квантового бита могут быть направления вниз и вверх спина ядра атома, два положения электрона в полупроводнике и т.д.
Устройство квантового регистра практически такое же, как и устройство классического регистра – это цепочка кубитов, над которыми можно проводить однобитные и двухбитные операции.
Рисунок 1. Квантовый регистр. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Так же, как и в классическом регистре, к базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относят последовательности нулей и единиц. Таких комбинаций может быть 2L. Однако, в отличие от классического регистра, возможные значения квантового регистра этими базовыми состояниями не ограничиваются, так как кроме них существуют состояния суперпозиции. У большинства возможных значений квантового регистра, за исключением базовых, не существует классического аналога. Состояния классического регистра являются лишь малой долей всего разнообразия состояний квантового.
Квантовый регистр способен обрабатывать информацию в несколько раз быстрее классического компьютера. Квантовый компьютер с объемом памяти в несколько килокубитов будет при совершении некоторых задач гораздо быстрее классического компьютера, даже имеющего терабайты памяти. Однако, есть задачи, при выполнении которых квантовые алгоритмы не будут быстрее по сравнению с классическими. Тем не менее, квантовые компьютеры являются новым этапом в эволюции компьютерной техники.
Первые прототипы квантовых компьютеров состояли всего из нескольких кубитов.
Первым квантовым компьютером стал созданный канадской компанией D-wave 16 кубитный квантовый компьютер. В области производства коммерчески доступных квантовых компьютеров эта компания является первопроходцем. В 2015 году поступил в продажу 1000 – кубитный квантовый компьютер, который был закуплен NASA b Google. Каждые два года количество кубитов увеличивается. И в 2017 году канадская компания представила 2000-кубитный компьютер. Размер самого процессора не больше пары сантиметров. Основную часть трехметрового вычислителя занимает система охлаждения. Для надежной работы процессора, состоящего из более 128 тысяч джозефсоновских контактов система охлаждается до 15 милликельвин, то есть температура ниже, чем в открытом космосе.
С внедрением квантового компьютера станет возможной квантовая связь, которая позволит обеспечить защищенное соединение. Информация в квантовых базах данных будет надежнее защищена от несанкционированного доступа и копирования.
Фотонный компьютер
Еще одной альтернативой современным компьютерам является фотонный компьютер, в основе которого лежит использование квантов света – фотонов. Преимущества фотонного компьютера связаны с особенностями распространения света:
- световые лучи характеризуются устойчивостью к посторонним электромагнитным шумам
- передача световых лучей может осуществляться на высоких частотах
- световые лучи при пересечении не возмущают друг друга, это даст возможность одновременной передачи и обработки информации.
Однако проблема заключается в том, что разработать оптические аналоги электрических проводников пока не удалось. Оптические волокна, по которым передаются световые лучи, не получается вместить в небольшие объемы. Плотность упаковки электрических элементов гораздо выше.
Зеркала и линзы, способные играть роль логических схем для фотофонов, имеют размеры, исключающие возможность создания производительных процессов. Практической основой фотонного компьютера могут служить фотонные кристаллы, которые способны пропускать или задерживать свет только с определенной длиной волны. Образцы фотонных кристаллов, разработанные учеными, имеют микронные размеры что представляет интерес для телекоммуникаций.
Таким образом, в фотонном компьютере операции будут производиться при помощи сгенерированных маленькими лазерами и распространяющихся по чипу с помощью отражателей, фотонов.
В Российском федеральном ядерном центре удалось разработать фотонную вычислительную машину. Этот компьютер способен решать задачи, которые не под силу полупроводниковым компьютерам. Применение фотонных технологий даст возможность в сотни тысяч раз уменьшить количество потребляемой энергии.
Биокомпьютеры
Молекула ДНК – живой компьютер, созданный природой. В ДНК заложена программа, в которой при помощи набора генов реализуется необходимый для организма алгоритм, что обусловливает особенности его развития.
Компьютер, имеющий бы подобный принцип работы, не был бы способен выполнять сложные вычисления. Однако, перебирать большое количество вариантов и выбирать наиболее подходящий он смог бы. Теоретическая возможность создания такого компьютера доказана. Более того, проведены первые эксперименты, оказавшиеся довольно успешными. На данный момент на основе исследований и экспериментов создано биоустройство, которое способно отвечать на вопрос «да» или «нет». Доля верных ответов биоустройства составила 99,8%.
Функциональные возможности современной электроники отстают от возможностей человеческого мозга практически в десять раз. Современная кремниевая система имеет число элементов, эквивалентных лишь нескольким десяткам нейронов. Таким образом, есть огромные потенциальные возможности для реализации.
Основной целью биокомпьютерных исследований является создание живых организмов, которые можно было бы генетически запрограммировать на решение прикладных задач. Эксперименты показали, что существование нейронно-кремниевых цепей реально возможно.
Для воплощения этих идей необходимо огромное количество теоретических и экспериментальных исследований. Возможно, в будущем будут созданы эффективные альтернативы современным компьютерным технологиям.
