Опубликован: 03.04.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 351 / 28 | Длительность: 34:17:00
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 8:

Системотехнические аспекты перспективных компьютерных технологий

Управление формой электронного облака осуществляется с помощью затворов, расположенных над атомами. При взаимодействии с орбитальным моментом электрона спин ядра поляризуется, поэтому не требуется внешнее магнитное поле H. Управление ядерным спином осуществляется радиочастотными импульсами, но избирательность по каждому атому обеспечивается разными напряжениями на соответствующих затворах, что приводит к разным частотам ядерного магнитного резонанса (многозначный структурный алфавит переменных). Затворы другого типа обеспечивают перекрытие электронных облаков соседних атомов, включая или исключая взаимодействие между ними. Кроме технологических проблем создания цепочек кубитов с шагом в 100 A в данной схеме не реализовано взаимодействие кубитов по типу "каждый с каждым", а цепная схема взаимодействия N кубитов увеличивает общее количество "вычислительных операций" в О(N) раз. В результате, как считают западные специалисты, теряется преимущество квантовых алгоритмов перед классическими, за исключением алгоритма Шора, который нашел применение в криптографических системах.

IBM Research Division и University of California предложили двухкубит-ный вентиль на основе двух квантовых точек, формируемых по технологии расщепленного затвора, размещаемого над структурой 2DEG [186]. Каждая квантовая точка (QDS) содержит только один электрон, так как второй отталкивается кулоновским взаимодействием. В данном случае кубитом является состояние спина электрона. Перемешивание таких кубитов осуществляется изменением прозрачности потенциального барьера за счет изменения потенциала расщепленного затвора. (high - при более отрицательном напряжении и low - при более положительном). Для управления состоянием кубита используется не локальное магнитное поле, а перескок электрона на соседнюю ферромагнитную точку (FM - рис. 7.6).

Система взаимодействия кубитов без выделения и поглощения энергии

Рис. 7.6. Система взаимодействия кубитов без выделения и поглощения энергии

Для измерения спина электрона предлагается два способа:

  1. С помощью туннелирования (Т) электрона на парамагнитную точку (РМ), которая находится в низкоохлажденном состоянии, и поэтому электрон вызывает спонтанную намагниченность в ней в направлении собственного магнитного момента.
  2. Туннелирование электрона через спиновый клапан (SV) в соседнюю точку, заряд которой затем измеряется электрометром (E).

Еще одну схему взаимодействия для КК предложили австрийские ученые [35], которые перевели в запутанное состояние два фотона, никогда не встречавшиеся и никогда не взаимодействующие друг с другом. Для этих целей они использовали (рис. 7.7) два независимых источника Эйнштейна - Подольского - Розена ( EPR ), представляющих собой оптические нелинейные кристаллы и выдающих запутанные пары фотонов (1, 2) и (3, 4). Если над фотонами 2 и 3 произвести белловское измерение (Bell state measurement), то есть перевести их в одно из белловских состояний, то и фотоны 1 и 4 также оказываются в запутанном состоянии, хотя никаких физических воздействий на них не было оказано.

Схема телепортации фотонов

Рис. 7.7. Схема телепортации фотонов

Для решения проблем произвольной коммутации в КК предложена схема нерезонансного дисперсионного взаимодействия удаленных куби-тов по принципу атом - поле [208]. Утверждается, что эта схема работает идеально даже при наличии ошибок в фотонных каналах за счет парадоксальной ситуации, когда переданные фотоны не несут информации о состоянии кубитов.

Кроме КК дискретного типа, исследуются вычислители и на непрерывных переменных, для которых определены необходимые и достаточные условия, обеспечивающие создание универсальных КК ( УКК ). Показано [209], что УКК, работающий на принципах преобразования амплитуд электромагнитных полей, можно построить из двух типов элементов: линейных, к которым относятся расщепители пучков, фазовращатели, и нелинейных, к которым относятся атомы в оптических резонаторах, волокна с эффектами Керра и т. п.. Такой УКК можно считать "квантовым наследником" оптоэлектронных аналоговых вычислителей со всей проблематикой обеспечения точности и помехозащищенности.

Утверждается, что в нем можно получить эффект "плавающей точки", подавить шумы, достичь конечной точности и выполнить коррекцию ошибок.

Разработка инструментальных систем для КК пока еще отстает от физико-технических исследований, по крайней мере по масштабам, но японская фирма Senko Corporation уже предлагает программный симуля-тор КК стоимостью 3.500 долларов [210]. Этот симулятор ориентирован на специалистов в области квантовых алгоритмов и архитектур. Он позволяет при работе с кубитами задавать произвольные амплитуды электромагнитного поля, причем число рабочих кубитов и квантовых вентилей ограничено ОЗУ кросс-ЭВМ (4 Мб на 16 кубитов). На его основе можно:

  • выводить состояние КК в виде распределения вероятностей (графики, таблицы);
  • задавать квантовые алгоритмы в виде файлов;
  • создавать новые квантовые алгоритмы.

В качестве базовых алгоритмов симулятор содержит четыре:

  • факторизацию Шора;
  • дискретное преобразование Фурье;
  • арифметических операций;
  • поиска в базах данных Гровера.

Анонсирован также параллельный симулятор [211], однако сообщения о разработке операционных систем для КК пока отсутствуют (из доступных источников).

Таким образом, на основе вышеизложенного можно заключить:

  1. Квантовые компьютеры по своей сути являются алгоритмически ориентированными процессорами, в которых каждый поток-оператор поддерживается специфическими для каждого КК физико-техническими процессами, протекающими в специфическом квантовом "рабочем теле". При этом результат выполненных результирующих или промежуточных преобразований отражается во внутреннем состоянии квантового "рабочего тела", которое еще необходимо идентифицировать или измерить с помощью стандартных внешних воздействий. Иными словами, информация в КК содержится как в параметрах сигналов, возбуждающих квантовое "рабочее тело", так и в его структуре, однозначно связанной с его состоянием.
  2. В КК на основе бистабильных кубитов минимальное время деко-герентизации должно превышать цикл исполнения одной словили поток-инструкции, после чего необходимо либо восстановить начальное базисное состояние кубитов, либо полностью регенерировать квантовое "рабочее тело", физические процессы в котором используются как вычислительные.
  3. В схемах телепортации квантовый канал образуется за счет запутанных состояний кубитов отправителя и получателя, а переданное сообщение является самоопределяемой переменной, которая задает допустимое над полученным сообщением преобразование, восстанавливающее
  4. В КК эффект суперпозиции квантовых состояний используется для максимального распараллеливания вычислений на уровне физико-химических процессов. Однако экспериментальным путем удалось получить КК малой размерности, а значит, и с малым уровнем физико-технического распараллеливания. При этом полностью проигнорирована возможность использования суперпозиции квантовых состояний для создания мультистабильных квантовых вентилей многозначной логики. Главное достоинство такого кодирования состоит в том, что переход из одного суперпонированного состояния в другое происходит независимо и без "перечисления" промежуточных состояний. Это позволяет преодолеть основные схемотехнические проблемы, с которыми столкнулись разработчики многозначных микроэлектронных вентилей [59, 212], где из-за "непрерывности" переходных процессов приходилось выделять тр етье промежуточное состояние с помощью "внешних" обратных связей. В результате снижался динамический диапазон изменения токов и напряжений, кодирующих многоуровневые состояния вентилей, увеличивались аппаратные затраты и падала надежность и помехозащищенность.
  5. Инструментальные кросс-средства для КК находятся в начальной фазе и пока используют программные симуляторы. Проблема создания операционных систем и аппаратных кросс-средств для нано-ЭВМ пока остро не стоит. Это указывает на то, что западные фирмы основную ставку делают на технологии булевых вентилей, где в полной мере можно использовать заделы по кремниевым компиляторам, изменив в них библиотечные элементы физико-технического уровня реализации и наложив дополнительные ограничения на правила работы средств коммутации.
  6. Отсутствуют открытые данные о поведении нанометровых, квантовых и супрамолекулярных компьютеров в условиях радиации, которая, по данным фирм Texas Instruments и Intel [213], оказывает катастрофическое влияние на кристаллы ЗУ, выполненные уже по 0,18 мкм топологическим нормам. Авиационные системы на высоте 9000 м испытывают в 10^{3} большее воздействие фонового излучения, чем на уровне моря, и поэтому для восстановления на борту наземных условий требуется бетонная защита в 3 м.