Опубликован: 24.04.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 2066 / 702 | Длительность: 06:18:00
Лекция 4:

Сохранение информации

< Лекция 3 || Лекция 4: 12345 || Лекция 5 >

Перспективные компьютеры

Ожидается, что компьютеры нового поколения будут хранить информацию эффективнее предыдущих. Рассмотрим, какими могут быть компьютеры будущего.

Величайшее достижение науки XX в. - это создание квантовой механики. Физическая теория квантовой механики описывает поведение микрочастиц, образующих пространство вокруг нас: от молекул кислорода в легких до фотонов (частиц света), попадающих в глаза, от атомов, из которых состоит наше тело и биосфера в целом, до электронов, пронизывающих всю архитектуру компьютеров. Ученые в области нанотехнологий и ИКТ (информационно-коммуникационные технологии) в конце XX - начале XXI в. пришли к идее создания наноэлектроники и квантовых компьютеров. Идея квантового компьютера предложена лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом в 1982 г.

Квантовый компьютер - это вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов использует квантовомеханические эффекты. Квантовые компьютеры принципиально отличаются от традиционных, базирующихся на транзисторных технологиях, а также от таких перспективных компьютеров, как, например, ДНК-компьютеры, оптические компьютеры, использующие принципы суперпозиции электромагнитных волн, биокомпьютеры и т.д. В традиционных или так называемых "классических" компьютерах информация хранится в битах (0 или 1), которые реализуются через импульсное напряжение, использующее миллионы электронов. В квантовых компьютерах информация хранится в квантовых битах, или кубитах.

В области квантовой механики наблюдается все возрастающая тенденция конвергенции квантовой оптики, атомно-молекулярной физики и нанотехнологий. Результаты исследований в этой области достигли такой точки, когда квантовые технологии, такие как квантовые вычисления, операции и обработка квантовой информации и другие, начали привлекать внимание исследователей к возможностям фотонных технологий. В целом междисциплинарные исследования и конвергенция перспективных технологий в промышленно развитых странах включают следующую тематику:

  • квантовые сети (в том числе квантовые световые источники, вещественно-фотонные интерфейсы, квантовая память и репиторы);
  • обработка квантовой информации, использование технологий ионных ловушек и атомов, ультрахолодные молекулы, квантовая электродинамика;
  • квантовые симуляторы, работающие на фотонах, ионах и атомах;
  • гибридные квантовые вычислительные операции и др.

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер дает возможность расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надежным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Для того чтобы получить, например, доступ к кредитной карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных суперкомпьютеров выполнение этой задачи заняло бы в сотни раз больше времени, чем возраст Вселенной. Эта задача может быть выполнена, если будет создан квантовый компьютер. Разработка квантовых компьютеров активно ведется в ряде промышленно развитых стран.

В настоящее время исследования в области суперкомпьютеров активизировались не только в промышленно развитых странах, но и в таких странах, как Китай и другие страны Юго-Восточной Азии, а также в России. Суперкомпьютеры - это самые мощные в мире по производительности и объему памяти вычислительные системы, используемые в области обороны (моделирование взрывов ядерных зарядов), при проектировании сложных инженерно-технических изделий, прогнозах погоды и моделировании изменений глобального климата, исследований ДНК, искусственного мозга и в других инженерных и научных областях знаний. Производительность суперкомпьютеров принято измерять в терафлопах (TF), гигафлопах (GF) и пентафлопах (PF). Для характеристики суперкомпьютеров вводятся также показатели пиковой производительности Rpeak и максимальной производительности R max 5 .

Создателем первого суперкомпьютера считается американец Сеймур Крей, который в 1957 г. создал электронную компанию Control Data Corporation., начавшую исследования, проектирование и создание мощных вычислительных систем, которые стали родоначальниками современных суперкомпьютеров. В 1972 г. он основал свою частную фирму Cray Research, которая занялась исследованиями, проектированием и производством реальных суперкомпьютеров. В середине 1970-х гг. были созданы такие компьютеры, как Сгау-1 и Сгау-2, имевшие скорость 1-2 гигафлопа. В то время стоимость работы такого компьютера составляла 1 тыс. долл./ч. По некоторым данным Cray планирует разработать и выпустить суперкомпьютеры Granite и Marble производительностью до 10 пентафлопов уже в ближайшей перспективе.

Значительный объем исследований по созданию квантовых компьютеров реализуется в США по линии Национального института стандартов и технологий NIST (National Institute of Standards and Technology). Этот институт начал работы по обработке квантовой информации еще в начале 1990-х гг. В 1999 г. в рамках Лаборатории физики, Лаборатории информационных технологий и Лаборатории электроники и электроинжиниринга NIST была начата одна из первых в мире междисциплинарных программ по квантовой информации QI (Quantum Information). Программа опирается на конвергенцию физики, электронных технологий, математики и других наук и технологий.

Квантовая вычислительная техника даст возможность параллельной обработки колоссального объема информации. В отличие от традиционных коммутаций в чипах современных компьютеров, которые либо включены, либо выключены, кубиты в квантовых компьютерах могут находиться в суперпозиции, т.е. совмещении, сочетании включения и выключения в одно и тоже время, т.е. отвечая законам квантовой механики. Это дает возможность квантовому компьютеру решить проблему вычислений за гораздо более короткий срок, чем в современных традиционных компьютерах. Исследователи часто отмечают, что квантовый компьютер с 300 кубитами имеет гораздо более мощную производительность по обработке информации, чем классический компьютер, содержащий количество бит, равное количеству частиц в Универсуме в целом.

Программа исследований по созданию квантового компьютера, реализуемая NIST, имеет два основополагающих направления.

Первое направление преследует следующие цели:

  1. продемонстрировать простой квантовый компьютер с процессором до 10 кубит;
  2. осуществить итерационную коррекцию квантовых ошибок до 3 кубит и более;
  3. продемонстрировать квантовый ретранслятор для квантовых коммуникаций на большие расстояния;
  4. использовать квантовые логические схемы для повышения быстродействия стандартов частоты.

Второе направление исследований - использование принципов квантовой механики в криптографии. В настоящее время безопасность современных криптографических систем зависит от сложности факторинга (разложения на множители) больших чисел. По оценке ученых NIST, информационной сети, состоящей из современных классических суперкомпьютеров (с триллионами бит памяти и осуществляющих триллионы операций в секунду), потребуется несколько лет, чтобы обработать (разложить на множители) 200-значные числа. Относительно маленький квантовый компьютер, состоящий из 100 000 кубит, может осуществить это всего за несколько минут или менее того. Однако квантовые компьютеры потребуют разработки принципиально новых программных средств, отличающихся от традиционных кремниевых технологий, используемых в современных компьютерах.

NIST, так же как и в программах исследований в Европе, использует три основных подхода к квантовой обработке информации:

  1. ионы, захваченные ловушкой;
  2. нейтральные атомы;
  3. "искусственные атомы", созданные на основе сверхпроводящих электросетей".

Ученые Калифорнийского университета в Санта- Барбаре создали новый тип сверхпроводящих цепей, которые работают на принципах квантовой механики, но имеют до 5 энергетических уровней вместо двух, характерных для кубитов.

В контексте задачи по созданию реального квантового компьютера ученые NIST недавно продемонстрировали устойчивую и надежную технологию обработки квантовой информации на основе электрически заряженных атомов (ионов). Они осуществили комбинированную последовательность пяти квантовых логических и десяти транспортных операций на основе бинарности данных (0 и 1), хранившихся в ионах, которые выполняли роль квантовых битов (кубитов) для гипотетического квантового компьютера и давали возможность манипулировать этой информацией.

Как считают в NIST, квантовые исследования приведут к созданию еще более точных часов и других измерительных приборов.

Анализ показывает: США расходуют значительные средства на исследования в области обработки квантовой информации, имея в виду, что квантовые компьютеры, являясь перспективными инновационными компьютерами, заменят рынок традиционных компьютеров в первой половине XXI в.

Имеются и пессимистические оценки, в соответствии с которыми создать квантовый компьютер будет практически невозможно в ближайшей перспективе. Но вполне очевидно, что тот, кто первым разработает и первым выйдет на рынок квантовых компьютеров, займет лидирующее положение в мировой торговле ИКТ XXI в.

Вопрос о развитии квантовых компьютеров был рассмотрен в Комитете по науке палаты представителей Конгресса США еще в 2000 г. Были проведены слушания по переходу в перспективе от традиционных кремниевых компьютерных технологий к технологиям квантовых и молекулярных компьютеров. Некоторые ученые, входящие в состав Национальной академии наук США, считают, что грядет новая научно-технологическая эра в области развития ИКТ. В этом контексте ими для администрации президента США был подготовлен специальный доклад "Вторая квантовая революция", в котором, в частности, отмечается, что создание квантовых компьютеров будет в значительной степени опираться на результаты развития нанонаук и нанотехнологий.

Нельзя не отметить программу "Квантовые суперпозиции в науке и технологиях", реализуемую военным агентством США DARPA. В ее рамках проводятся исследования по созданию новых технологий, основанных на использовании законов квантовой механики в области разработки ИКТ. Программа включает разработку инновационных квантовых алгоритмов, а в перспективе и создание квантовых компьютеров.

Национальный научный фонд США является независимым федеральным агентством США, которое поддерживает фундаментальные исследования и систему образования во всех областях науки и инжиниринга.

Ученые из Национальной лаборатории высокомагнитных полей и факультета химии и биохимии Университета штата Флорида создали материал, который может быть использован для компьютеров будущего, точно так же как сегодня используется кремний, созданный ранее для классических компьютеров. Этот сложный компаундный материал состоит из элементов калия, ниобия и кислорода с ионами хрома (Сг). В перспективе он может быть использован, как считают ученые, в качестве инновационной квантовой компьютерной технологии.

В настоящее время используются различные подходы к построению квантового компьютера.

В последние годы Европейская комиссия увеличила финансирование высокорисковых исследований в области ИКТ. Эксперты комиссии считают, что подобные исследования, осуществленные ранее по линии 6-й рамочной программы, доказали свою экономическую эффективность. Европа начала финансирование футуристических, высо-корисковых проектов исследований, например по созданию компьютеров, способных читать человеческие мысли, и так называемых "дружески настроенных роботов-компаньонов".

Вместе с тем одним из важнейших направлений работы в рамках FET'остаются квантовые компьютеры, помимо искусственного интеллекта и роботов. Цель FET заключается в том, чтобы выйти за традиционные границы ИКТ и создать совместные фирмы в еще неизученных областях знаний. Будущие вызовы, связанные с созданием перспективных инновационных технологий, как считают в Европейской комиссии, должны в полной мере охватывать социально-экономические, гуманитарные и экологические проблемы, которые могут возникнуть в результате использования этих технологий.

Европа в результате реализации программы FET вышла в мировые лидеры по разработке квантовых информационных технологий, например, квантовых сетей. По мнению представителей Европейской комиссии, в период экономической неопределенности и глобальных финансово-экономических кризисов, развитие исследований в области ИКТ, особенно перспективных квантовых компьютеров, становится исключительно важным с точки зрения "оживления экономики", улучшения ее эффективности, создания импульсов для ее инновационности и новых рабочих мест.

Еще в рамках 6-й рамочной программы ЕС в 2005 г. был принят проект "Использование кубита", выполняемый мощным научно-исследовательским консорциумом, состоящим из 35 академических и промышленных групп. Одной из основополагающих задач консорциума была разработка и реализация инновационных методов обработки квантовой информации, а также выход на рынок в ближайшей перспективе с оборудованием для квантовой криптографии, работающей на больших расстояниях (пилотное оборудование, работающее на небольших расстояниях, уже было продемонстрировано ранее). Консорциумом было подготовлено более 600 докладов и научных материалов в рамках данного проекта. На финансирование проекта выделено 13 млн. евро, 9,9 млн. из которых были предоставлены ЕС. В рамках программы FET создана подпрограмма "Обработка квантовой информации и коммуникации в Европе" QUROPE (Quantum Information Processing and Communication in Europe).

Как считают западные аналитики, разработка технологий квантовой обработки информации продвигается вперед революционными темпами. Так, в настоящее время в странах ЕС, США и Японии ряд систем находятся в стадии исследований с целью определения применимости их для создания квантового компьютера. Они включают системы захвата соответствующими ловушками ионов, нейтральных атомов и квантовых электродинамических резонаторов CQED. Это устройства, которые могут выполнять роль сверхпроводников для кубитов в комбинации с сетями CQED и спиновыми кубитами, оптическими системами, так же как и спинами в твердых, одномолекулярных магнитах. Именно на основе этих систем и устройств в последние годы в Европе были достигнуты определенные успехи в разработке и создании "строительных блоков" квантового компьютера.

В настоящее время исследования в ЕС в рамках FET ведутся в довольно широком спектре тем, включая масштабируемость и модульную наращиваемость квантовых информационных систем. Разработка такой компьютерной архитектуры должна привести к созданию интерфейса с квантовыми коммуникациями, а в перспективе и к созданию квантовых информационных сетей. По оценке аналитиков программы FET, многие международные компании проявили интерес и поддержку проектов FET, имея в виду создание инновационной отрасли промышленности, связанной с новыми квантовыми системами, основанными на квантовом манипулировании. В принципе создание квантовых технологий окажет громадное воздействие на науку, инновационные технологии, экономику и общество в целом, на разработку нанотехнологий, новых материалов и биотехнологий, т.е. фактически на конвергенцию NBIC- технологий.

Европейские исследователи разработали инновационную концепцию спинтронных аппаратов, работающих на основе ферромагнитных полупроводников. Спинтронное оборудование создало громадные преимущества в микроэлектронике, значительно увеличив размеры памяти для хранения информации.

< Лекция 3 || Лекция 4: 12345 || Лекция 5 >
Семён Бессонов
Семён Бессонов
Анна Непомнящая
Анна Непомнящая

Привет, Я библиотекарь подскажите какие нибудь интересные курсы ....