Міністерство освіти Російської Федерації

Уральський державний технічний університет - УПІ

Факультет економіки і управління

Кафедра аналізу систем і прийняття рішень

Спеціальність "Прикладна інформатика в економіці"

РЕФЕРАТ

За курсом концепцій сучасного природознавства на тему

"Чи є межі розвитку та мініатюризації комп'ютерів?"

Студент
Озорнін П.М. (група І-154)

Викладач доцент, кандидат техн. наук Глазиріна Л.М.

Єкатеринбург

2001

Зміст

Вступ ............ ............................................... с.3

Глава 1. Історія розвитку та перспективи молекулярної електроніки

1.1 "Минуле" молекулярної схемотехніки ............................... ........ с.5

1.2 Існуючі наукові розробки молекулярних комп'ютерів .............. c.6

3. Абстракційної "конструювання" молекулярного комп'ютера ................ с.7

1.4 Чи є у молекулярних комп'ютерів майбутнє ?.......... ..................................... с.10

Глава 2. Квантові комп'ютери - міф чи майбутня реальність?

2.1 Історія розвитку теорії квантових обчислювальних пристроїв ................ с.12

2. Виробництво квантових комп'ютерів: технологічні труднощі і перспективи ................... с.14a. a) Межа перший швидкодію ........ с.15 b) Межа друга: пам'ять ...................... с.16b. c) Перспективи розвитку квантових

ЕОМ ..................................... ............................ с.17

Висновок ........... .......................................... с.19 < p> Бібліографія ............................................... .. с.21

Введення

Науковий прогрес рухається перебільшенимиочікуваннями

Жуль Верн

Прогноз - справа невдячна. Ця набила оскому прописна істиназ часом не стає менш актуальною. Навпаки - з плиномчасу вона підтверджується багато разів. Так, прогноз - справаневдячна, але дуже цікаве. Завжди цікаво хоч краєм оказаглянути на кілька років наперед і подивитися, яке воно, майбутнє.
Всілякі провісники існували на всьому протязі людськоїцивілізації. Хтось пророкував майбутнє по снам, хтось - за карткамитаро, хтось - по зірках. Найбільш відомий з оракулів - Нострадамус
- Вдягався свої передбачення у віршовані форми, відомі нам як
"Центурії".

Прогнози робляться і зараз. В основному політичні, рідше --економічні. І вже зовсім рідко - технологічні.

Інформаційні технології за останнє десятиліття у своєму розвиткузробили такий гігантський стрибок вперед, що передбачити, яким буде,наприклад, персональний комп'ютер років через п'ять, мало хто зважиться.

Стрімкий прогрес у розвитку комп'ютерної техніки за останнідесятиліття мимоволі змушує задуматися про майбутнє комп'ютерів.
Чи залишаться вони колишніми або зміняться до невпізнанності? Сьогодні багатоговорять про те, що традиційні напівпровідникові ЕОМ скоро себевичерпають. Очікується, що вже через 5-10 років їх витіснять більш потужнімолекулярні, квантові, біологічні та інші досить екзотичніобчислювальні пристрої.

До яких пір будуть зменшуватися розміри обчислювальних пристроїв ізростати їх швидкодію? Уже понад тридцять років розвитоккомп'ютерів підкоряється емпіричному законом, сформульованим Гордоном
Муром в 1965 році, згідно з яким щільність транзисторів намікросхемі буде щорічно подвоюватися. Правда з часом практикамікроелектронного пристрої внесла до нього невелику поправку: сьогоднівважається, що подвоєння числа транзисторів відбувається кожні 18 місяців. З кожним роком слідувати "закону Мура" стає дедалі важче,тому його близький кінець прогнозували вже неодноразово. Однаклюдський геній і винахідливість знаходять все нові оригінальнівиходи з технологічних і виробничих складнощів, що встають нашляху нестримною "комп'ютерної гонки". І все-таки прогрес обчислювальноїтехніки не може тривати вічно, рано чи пізно ми наткнемося намежа, зумовлений як законами природи, так і економічнимизаконами.

Ось чому сьогодні фахівці в різних галузях науки і технікишукають альтернативні шляхи подальшого розвитку мікроелектроніки.

Який же буде останній, самий потужний, "граничний"комп'ютер? Навряд чи сьогодні можна зі стовідсотковою впевненістю сказати,як саме він буде влаштована, тому не дивно те, що питання промайбутньому електронних обчислювальних пристроїв і, зокрема,комп'ютерів до цих пір залишається відкритим.

Тому метою даної роботи є з'ясування питання про подальшіможливості та шляхи розвитку ЕОМ.

У відповідності з поставленою метою, завданнями даної роботиє:

1) Аналіз провідних з існуючих на сьогоднішній день теорій
(концепцій) обчислювальних пристроїв (комп'ютерів зокрема) всукупності з коротким екскурсом в історію їх розвитку, що, на нашпогляд, необхідно для складання детальних уявлень про завдання,проблеми та методи їх рішень в даної теорії і тісно пов'язане зможливими варіантами прогресу комп'ютерної техніки на базі даноїтеорії.

2) Прогноз можливих шляхів розвитку ЕОМ на основі розглянутихтеорій.

Актуальність вишеобозначенной теми безперечна: увійшовши в життялюдського суспільства, комп'ютери взяли на себе величезне коло завдань --починаючи від найпростіших алгебраїчних обчислень і закінчуючи організацієюпроцесів біржової діяльності, міжнародних телеконференцій,моделюванням складних фізичних, хімічних, технологічнихпроцесів, мультимедійними та віртуальними розвагами, нарешті.
Саме завдяки ЕОМ людство вийшло в космос, відкривши собі дорогу доосвоєння величезних космічних просторів, сотень планет і світів. Підв чому завдяки комп'ютерній техніці стало можливим поява ірозвиток таких сучасних наукомістких галузей як молекулярнабіологія, генна інженерія, квантова фізика та ін, стала можливимвелика інтеграція накопичених наукових знань. І це, безперечно, немежа. Питання лише в тому, які ще функції зможе взяти на себе ЕОМ іяк скоро це станеться. В рамках даної роботи ми і спробуємовідповісти на це питання, розглянувши перпектіви розвитку ЕОМ у рамкахдвох провідних наукових концепцій - квантової механіки та молекулярноїелектроніки (молетронікі).

Глава 1

Історія розвитку та перспективи молекулярної електроніки

1.1 "Минуле" молекулярної схемотехніки

Вперше теорія використання органічної молекули якелементної бази мікроелектроніки виникла в 1974 році, коли провідніінженери фірми IBM А. Авірам та М. Ратнер запропонували модель випрямляча
(діода), що складається з однієї органічної молекули. Дві половинки цієїмолекули володіють протилежними властивостями по відношенню до електрона
: Одна може тільки віддавати електрон (донор), а інша - тількиприймати (акцептор). Якщо помістити таку асиметричну молекулуміж двома металевими електродами, то вся система буде проводитиструм тільки в одному напрямку.

Пропозиції Авірамові і Ратнера про створення молекулярних систем зспрямованої електронною провідністю ініціювали експериментальнийроботи по синтезу та вивченню властивостей таких молекул. Висувалися такожідеї створення на їх основі аналога напівпровідникового транзистора зарахунок впровадження між донорно і акцепторній частинами молекулидодаткової керуючої молекулярної угруповання (затвора),властивості якого можуть бути змінені будь-яким впливом (подачеюнапруги, освітленням і т.п.). Якщо з'єднати два таких транзистора,вийде аналог напівпровідникового тригера (або вентиля) --пристрою, який може перемикатися між двома стійкимистанами, що виконують роль логічного "0" і "1". А це, по суті,базовий елемент будь-якого комп'ютера, що працює за принципом бінарної
(двійковій) логіки.

Наступним важливим кроком у розвитку молекулярної схемотехнікистала відмова від простого копіювання напівпровідникових схем із заміною вних звичайних транзисторів на молекулярні. Справа в тому, що існуєбезліч як природних, так і синтезованих людиною молекул,які самі по собі можуть служити логічними елементами. Їхподіляють на два типи. До перших відносяться молекули, що володіють двомастійкими станами, яким можна приписати значення "0" і "1".
Навчившись перемикати їх з одного стану в інший за допомогоюзовнішніх впливів, ми фактично отримаємо вже готовий вентиль.
Молекули другого типу містять фрагменти, здатні виконувати рользгаданих вище керуючих угруповань. Одна така молекула можепрацювати як логічно активний елемент НЕ-І, НЕ-АБО і т.д. На основіунікальних властивостей органічних молекул вже сьогодні розробленобезліч варіантів схем для гіпотетичного молекулярного комп'ютера.

2. Існуючі наукові розробки молекулярних комп'ютерів

Що ж має включати в себе молекулярний комп'ютер? Очевидно,що його основні компоненти повинні бути тими ж, що і у звичайногокомп'ютера: система введення інформації, обчислювальний блок
(процесор), система збереження інформації (пам'ять) і, нарешті, системавиведення інформації. Ну і, звичайно, проведення й блок живлення.

Процесор, як видно, буде складатися з молекулярнихлогічних елементів. Наведемо кілька прикладів уже існуючихрозробок:
1) В якості тригерів зручніше всього використовувати молекули,мають ізомерні форми, які мають однакову молекулярноїмасою і складом, але розрізняються будовою або розташуванням атомів упросторі. Деякі з них можна переводити з однієї форми віншу шляхом зовнішнього воздействія.Напрімер, молекула сполуки типуспіробензіпірана може бути переключена зі стану "0" у стан
"1" за допомогою ультрафіолетового випромінювання, а у зворотному напрямку здопомогою світла видимого діапазону. На основі такого тригера можнабудувати як пристрої оперативної пам'яті, так і елементи, які виконуютьлогічні функції.
2) Останнім часом в кількох наукових центрах розроблені ізапатентовані перемикаючі елементи на дзеркально симетричних --хіральних (від грец. Хіросі - рука) - ізомерів, які також можутьзастосовуватися для зберігання і обробки інформації: функції логічних
"0" і "1" виконують "права" і "ліва" форми молекули [7].
Переключення такого тригера, званого хіроптіческім, з одногостану в інший проводиться при одночасній дії світла іелектричного поля: світло повідомляє молекулі енергію, а електричнеполе задає напрям перемикання. Зчитування інформації відбуваєтьсяоптичним способом.

3) Нещодавно компанія Hewlett-Packard оголосила про свої успіхи ввиготовленні логічних вентилів на основі молекул ротаксанов. [9]
Такий вентиль складається з молекул двох типів: циклічної (такзваної "намистини") і лінійної ( "нитки"). У працюючому пристрої
"Намистина" виявляється сопілок "нитка", розташовуючи на ній в одномуз двох можливих стійких положень. Перехід з одного стану вінше, тобто переключення вентиля, відбувається за рахунок зміникислотно-лужного балансу середовища. Такий перехід є оборотним, іїм можна управляти за допомогою електричних сигналів. У процесіперемикання значно зсувається смуга поглинання світла молекуламиротаксанов, що дає можливість зчитувати інформацію оптичнимспособом. Молекули ротаксанов можуть бути об'єднані в полімерні ланцюгирізної довжини та складності, які будуть виконувати логічніфункції за рахунок передачі сигналу перемикання вздовж ланцюгів.

4) Розглянемо ще один варіант молекулярних пристроїв,здатних виконувати логічні операції. Уявімо собі довгумолекулу, що складається з двох типів чергуються структурнихугруповань, одні з яких є потенційними ямами,. а інші --потенційними бар'єрами для проходження електрона уздовж молекули.
Таким чином, ця молекулярна ланцюжок являє собою "смугуперешкод "для електрона. Початковий стан молекули задається так,що електрон може легко пройти її (за рахунок ефекту резонансноготунелювання). Проте варто тільки впливом на одну зугруповань змінити висоту бар'єру або глибину ями, - і проходженняелектрона стане неможливим. Припустимо, наша молекула має чотирипотенційні ями, глибиною яких ми можемо керувати шляхомоптичного або електричного взаємодії. Тоді вона здатнапрацювати як логічекій елемент НЕ-І з чотирма входами. Тобтоелектрон через молекулярну ланцюжок буде проходити тільки в тімоменти, коли сигнал на всіх чотирьох входах відсутній. [1]

1.3 абстракційної "конструювання" молекулярного комп'ютера

Використовуючи в якості будівельних блоків хоча б одне зперерахованих вище молекулярних пристроїв, теоретично можна побудуватисхему, яка виконує як завгодно складні логічні операції іобчислення. З цих же елементів можна створювати і блоки оперативноїпам'яті (ОЗУ), а також постійні запам'ятовувальні пристрої (ПЗУ). Дляроботи останніх необхідно, щоб час життя використовуваних у нихмолекул в тому чи іншому стані було досить велике. Тільки тодіінформація зможе зберігатися дітельное час.

Отже, у нас вже є набір необхідних базових елементівмолекулярного комп'ютера. Як же об'єднати їх в єдиний обчислювальнийкомплекс? Сучасні методи хімічного синтезу дозволяють "зшивати"великі органічні молекули, хімічно поєднуючи "виходи" однихлогічних елементів з "входами" інших.

Один з методів молекулярної архітектури - побудова об'ємнихсхем молекулярних пристроїв - технологія Мерріфільда, розробленаще на початку 70-х років для отримання поліпептидів із заданоюпослідовністю амінокислот. Так, наприклад, на основі цього методуспівробітник центру молекулярної електроніки IBM доктор Джон Ліндснействорив керований комп'ютером синтезатор, призначений дляконструювання складних молекул - компонентів комп'ютера намолекулярної основі. [2] У процесі синтезу базова молекула хімічноприєднується до пластикової сфері малого діаметра (в реакторноїкамері містяться тисячі таких сфер). Додавання хімічних сполук в камеру здійснюється спеціалізованим маніпулятором підуправлінням ЕОМ. Комп'ютер контролює також температуру, кислотністьсередовища і т.д., періодично аналізує продукт реакції для того, щобзабезпечить правильне його формування. У ході певноїпослідовності хімічних реакцій, попередньо змодельованихна ЕОМ, до базової молекулі, прикріпленою до пластикової сфері,додаються нові молекули. У процесі синтезу, що триває інодікілька днів, під керуванням комп'ютера будуються дуже складнімолекули. Причому кожна з них виявляється точною копією прототипу,опис якого зберігається в пам'яті машини.

Синтез йде за модульним принципом. На першому етапісинтезуються молекулярні вентилі. На другому етапі з нихконструюються більш складні з'єднання, здатні виконувати функціїлогічно активних елементів. Отримані компоненти можна потімвикористовувати для конструювання молекулярного комп'ютера.

При виконанні кожного кроку синтезу необхідно чітко розуміти,які хімічні процеси відбуваються в камері. Цього не можна досягтибез машинного моделювання. Крім того, для складного синтезунеобхідно використовувати, по можливості, процеси самоорганізації. Уданому випадку процес самоорганізації означає, що в ході синтезудодаткові ланки автоматично прикріплюються до молекулярномуз'єднанню в потрібних місцях. Таким чином, кінцевий продукт кожноїреакції самоорганізується так, щоб повністю визначити хідподальших реакцій ..

Теоретично можна поєднати окремі молекулярні компоненти "проводами ", наприклад, з так званих вуглецевих нанотрубок --циліндричних структур діаметром кілька нанометрів - або зструмопровідних полімерів, які називаються іноді «органічними металами».
Роботи зі створення полімерів - провідників були розпочаті ще в 70-хроках і з тих пір вже знайшли масу застосувань у звичайній електроніці. У
2000 авторам перших робіт у цій області-американським вченим А.
Хігер, А. Мак-Діарміду і японському вченому Н. Ширакава присудили
Нобелівську премію з хімії. [2]

Залишається ще проблема введення і виведення інформації. Пристроївведення інформації користувачем на молекулярний комп'ютер в принципіможуть залишитися тими ж, що і в даний час (клавіатура, миша,вхідні порти і т.д.) Однак, оскільки процеси зберігання іпереробки інформ?? ції в молекулярній електроніці носять специфічнийхарактер (окремі частини одного і того ж комп'ютера можуть працюватиз інформацією, представленої в різних формах - електричної,оптичної, хімічної та ін), постає проблема сполученняобчислювальних блоків між собою, а також із зовнішніми електроннимипристроями. Тобто необхідно мати перетворювачі сигналу зоднієї форми в іншу.

Для побудови хімічних (газових) сенсорів вже давновикористовуються перетворювачі сигналу з хімічної форми велектричну і назад. Що стосується перетворення електричнихсигналів в оптичні, то для цього підходять молекулярні аналогисвітлодіодів та лазерів, в яких використовуються світловипромінюючі молекули
(хромафори). Нещодавно з'явилося повідомлення японських вчених про створеннясвітловипромінювальних пристрої, що складається з однієї органічної молекулидендромера.

Якщо для виведення та відображення інформації у молекулярномукомп'ютері використовувати вже існуючі сьогодні пристрої (монітори,проектори тощо), то, як і у випадку з введенням, необхідно простомати відповідні перетворювачі сигналів. Разом з тим,молекулярна електроніка пропонує свої шляхи вирішення цієї проблеми.
Наприклад, розробляються молекулярні пристрої, на основі якихможуть бути створені надтонкі рідкокристалічні монітори. Дляцього під масою рідких кристалів наноситься тонка органічнаплівка, що володіє орієнтує ефектом. На кожну молекулу плівкинадходить сигнал з комп'ютера, який змінює її конформацію івідповідно орієнтацію нанесеного зверху шару рідких кристалів, атакож його відбивні властивості. Таким чином, отримана структураможе служити для виводу інформації на екран.

За схожим принципом працюють так звані "електроннітаблетки "- екрани невеликого розміру, вкриті шаром хіральних рідкихкристалів, молекули яких можуть змінювати тип симетрії в залежностівід орієнтації підкладки, змінюючи при цьому і забарвлення. Такі таблетки зполіімідних підкладок з вбудованими молекулами азобарвників дозволяютьзаписувати за допомогою поляризованого світла лазера і відображати дужевеликий обсяг інформації, в результаті чого вони отримали назву
"Газети майбутнього" [9]. Такі структури можуть створюватися і на гнучкомуполімерній основі, що робить їх ще більш зручними длявикористання.

Другий можливий тип пристроїв відображення інформації - цеорганічні світлодіоди, тобто активні випромінюють пристрою наоснові pn переходів, створених з органічних матеріалів. Такийсвітлодіод складається з одного або декількох шарів органічних молекул,розміщених між двома електродами. Випромінювання світла діодом відбуваєтьсяза рахунок взаємного знищення (анігіляції) позитивних інегативних зарядів в шарі органічного матеріалу. Ці заряди можутьнадходити на світлодіод безпосередньо з молекулярного комп'ютера.
Варто відзначити, що використовуються в діоді електроди можуть бутивиготовлені не тільки з металу, але і з органічних матеріалів,наприклад на основі поліаніліна або поліацетілена. На сьогоднішній деньвже досягнуто значного прогресу в одержанні високих значеньефективності світлодіодів, у зниженні їх робочих напруг, а такожу виборі кольору випромінювання. Розроблені пристрої з ефективністюкілька люмен на ват і з терміном служби кілька тисяч годин.

1.4 Чи є у молекулярних комп'ютерів майбутнє?

Хоча теоретичні основи молетронікі вже досить добрерозроблені і створені прототипи практично всіх елементів логічнихсхем, однак на шляху реального побудови молекулярного комп'ютерапостають значні труднощі. Зовні очевидна можливістьвикористання окремих молекул як логічних елементівелектронних пристроїв виявляється досить проблематичною черезспецифічних властивостей молекулярних систем і вимог, що пред'являютьсядо логічних елементів.

У першу чергу логічний елемент повинен мати високунадійністю спрацьовування при подачі керуючого впливу. Якщорозглядати оптичну зв'язок між елементами, то в системі одинмолекула - один фотон надійність перемикання буде невелика черезщодо малої ймовірності переходу молекули в збудженийстан. Можна намагатися подолати ці труднощі, використовуючиодночасно велике число квантів. Але це суперечить іншомуважливій вимозі: ККД перетворення сигналу окремим елементомповинен бути близький до 1, тобто середня потужність реакції повинна бутипорівнянна із середньою потужністю впливу. В іншому випадку приоб'єднанні елементів у ланцюг ймовірність їх спрацювання будезменшуватися в міру віддалення від початку ланцюга. Крім того, елементповинен однозначно перемикатися на потрібне стан і перебувати вньому досить довго - до наступного впливу. Для порівнянопростих молекул цю вимогу, як правило, не виконується: якщопереходом в збуджений стан можна керувати, то зворотнийперехід може відбуватися спонтанно.

Проте не все так погано. Використання великих органічнихмолекул або їх комплексів дозволяє, в принципі, обійти перерахованітруднощі. Наприклад, у деяких білках ККД електронно - оптичногоперетворення близький до 1. До того ж, для більшості біологічнихмолекул час життя збудженого стану достіает декількохсекунд.

Але навіть у тому випадку, якщо окремий молекулярний обчислювальнийелемент і не буде мати надійністю своїх кремнієвихпопередників, ефективної роботи майбутнього комп'ютера можнадосягти, комбінуючи принципи молетронікі і комбінованих обчислень,застосовуваних у суперкомп'ютерах. Для цього треба змусити кількамолекулярних логічних елементів працювати паралельно. Тодінеправильне спрацьовування одного з них не призведе до помітного збою вобчисленнях. Сучасний суперкомп'ютер, який працює за принципоммасивного параллелелізма і має багато сотень процесорів, можезберегти високу продуктивність навіть в тому випадку, якщо 75% зних вийде з ладу. Практично всі живі системи використовують принциппараллелелізма. Тому недосконалість організмів на рівні окремихклітин або генів не заважає їм ефективно функціонувати.

Сьогодні у світі існує вже більше десятка науково -технологічних центрів, що займаються розробкою пристроївмолекулярної електроніки. Щорічно конференції (в 2000 році пройшла вже
14 така конференція) збирають сотні фахівців у цій галузі. [7]

Великий інтерес до молетроніке викликаний не тільки перспективамипобудови комп'ютера, але і широкими можливостями розвитку новихтехнологій. Завдяки високій чутливості електроннихмолекулярних пристроїв до світла їх можна використовувати для створенняефективних перетворювачів сонячної енергії, моделюванняпроцесів фотосинтезу, розробки нового класу приймачівзображення, принцип дії яких буде нагадувати роботулюдського ока. Молекулярні пристрою можна використовувати такожв якості селективних сенсорів, які реагують тільки на певнийтип молекул. Такі сенсори необхідні в екології, промисловості,медицині. Сенсор з органічних молекул значно легше імплантуєтьсяв організм людини з метою контролю за його станом.

Для вирішення поставлених перед молекулярної електронікою проблемпотрібні зусилля широкого кола науковців, які працюють у галузі академічнихзнань від колоїдної хімії та біології до теоретичної фізики, атакож у галузі високих технологій. Крім того, потрібні значніфінансові вкладення.

Глава 2

Квантові комп'ютери - міф чи майбутня реальність?

2.1 Історія розвитку теорії квантових обчислювальних пристроїв

Тільки до середині 1990-х років теорія квантових комп'ютерів іквантових обчислень (*) утвердилася в якості нової областінауки. [2] Як це часто буває з великими ідеями, складно виділитипершовідкривача. Мабуть, першим звернув увагу на можливістьрозробки квантової логіки угорський математик І. фон Нейман [1].
Однак у той час ще не були створені не те що квантові, а йзвичайні, класичні, комп'ютери. А з появою останніх основнізусилля вчених були спрямовані в першу чергу на пошук ірозробку для них нових елементів (транзисторів, а потім іінтегральних схем), а не на створення принципово іншихобчислювальних пристроїв.

* Теорія квантових комп'ютерів - один із сучасних гілокквантової механіки та теорії квантових обчислень. Квантова механіка --теорія, що встановлює спосіб опису і закони руху мікрочастинок
(елементарних часток, атомів, молекул, атомних ядер) та їх систем, а такожзв'язок величин, які характеризують частки і системи, c фізичнимивеличинами, безпосередньо вимірюваних в макроскопічних дослідах.
Закони квантової механіки складають фундамент вивчення будовиречовини. Вони дозволили з'ясувати будову атомів, встановити природухімічного зв'язку, пояснити періодичну систему елементів, зрозумітибудову атомних ядер, вивчати властивості елементарних частинок.

Ряд найбільших технічних досягнень 20 ст. заснований наспецифічних законах квантової механіки, яка, зокрема,створила фундамент для такої бурхливо розвивається області фізики якквантова електроніка і заклала основи для формування теоріїквантових обчислень.

У 1960-і роки американський фізик Р. Ландауер, який працював укорпорації IBM, намагався привернути увагу наукового світу на те, щообчислення - це завжди певний фізичний процес, а значить,неможливо зрозуміти межі наших обчислювальних можливостей, неуточнивши, якій фізичній реалізації вони відповідають [2].

На жаль, у той час серед вчених панував погляд наобчислення як на якусь абстрактну логічну процедуру, вивчатияку слід математикам, а не фізикам.

У міру поширення комп'ютерів вчені, що займалисяквантовими об'єктами, прийшли до висновку про практичну неможливістьбезпосередньо розрахувати стан еволюціонує системи, що складаєтьсявсього лише з декількох десятків взаємодіючих частинок, наприкладмолекули метану (CH4). Пояснюється це тим, що для повного описускладної системи необхідно тримати в пам'яті комп'ютера експоненціальновелика (за кількістю часток) кількість змінних, так званихквантових амплітуд. Виникла парадоксальна ситуація: знаючи рівнянняеволюції, знаючи з достатньою точністю всі потенціали взаємодіїчасток один з одним і початковий стан системи,практично неможливо обчислити її майбутнє, навіть якщо система складаєтьсяз 30 електронів у потенційній ямі, а в розпорядженні єсуперкомп'ютер з оперативною пам'яттю, число бітів якої дорівнює числуатомів у видимій області Всесвіту (!). І в той же час длядослідження динаміки такої системи можна просто поставити експериментз 30 електронами, помістивши їх у заданий потенціал та початковастан. На це, зокрема, звернув увагу російський математик
Ю. І. Манін, хто вказав у 1980 році на необхідність розробки теоріїквантових обчислювальних пристроїв. [1] У 1980-і роки цю ж проблемувивчав американський фізик П. Бенева, явно показав, що квантовасистема може робити обчислення, а також англійський учений
Д. Дойч, теоретично розробив універсальний квантовий комп'ютер,переважаючий класичний аналог. [1]

Велику увагу до проблеми розробки квантових комп'ютерівзалучив лауреат Нобелівської премії з фізики Р. Фейнман. Завдяки йогоавторитетному призову кількість фахівців, що звернули увагу наквантові обчислення, збільшилася в багато разів.

І все ж довгий час залишалося неясним, чи можна використовуватигіпотетичну обчислювальну потужність квантового комп'ютера для прискореннявирішення практичних завдань. Але ось у 1994 році американський математик,співробітник фірми Lucent Technologies (США) П. Шор приголомшив науковий світ,запропонувавши квантовий алгоритм, що дозволяє проводити швидкуфакторизації великих чисел. У порівнянні з кращим з відомих насьогоднішній день класичних методів квантовий алгоритм Шора даєбагаторазове прискорення обчислень, причому, чим довше факторізуемоечисло, тим значніше виграш у швидкості. Алгоритм швидкоїфакторизації представляє великий практичний інтерес для різнихспецслужб, які накопичили банки нерозшифрованих повідомлень.

У 1996 році Шора колега по роботі в Lucent Technologies
Л. Гровер запропонував квантовий алгоритм швидкого пошуку вневпорядкованою базі даних. (Приклад такої бази даних - телефоннакнига, в якій прізвища абонентів розташовані не за алфавітом, адовільним чином.) Задача пошуку, вибору оптимального елементасеред численних варіантів дуже часто зустрічається векономічних, військових, інженерних задачах, в комп'ютерних іграх.
Алгоритм Гровера дозволяє не тільки прискорити процес пошуку, а йзбільшити приблизно у два рази число параметрів, що враховуються при виборіоптимуму. Реальному створення квантових комп'ютерів перешкоджала, посуті, єдина серйозна проблема - помилки, або перешкоди. Річ уте, що один і той же рівень перешкод набагато інтенсивніше псуєпроцес квантових обчислень, ніж класичних. Шляхи вирішення цієїпроблеми намітив у 1995 році П. Шор, розробивши схему кодуванняквантових станів і корекцій в них помилок.

2.2 Виробництво квантових комп'ютерів: технологічні труднощі і перспективи

Прототипи квантових комп'ютерів існують вже сьогодні. Правда,поки що експериментально вдається збирати лише невеликі регістри,складаються всього з декількох квантових бітів. Так, нещодавно група,очолювана американським фізиком І. Чангом (IBM), оголосила про збірку
5-бітового квантового комп'ютера. [4] Поза сумнівом, це великий успіх. Дожаль, існуючі квантові системи ще не здатні забезпечитинадійні обчислення, тому що вони або недостатньо керовані, абодуже схильні до впливу шумів. Однак фізичних заборон напобудова ефективного квантового комп'ютера немає, необхідно лишеподолати технологічні труднощі.

До таких труднощів (ми будемо називати їх межами) можна віднестинаступні:

a) Межа перше: швидкодія

Всі логічні операції, що здійснюються комп'ютером, засновані наперемиканні бітів між умовними значеннями "0" і "1", якимвідповідають два стійких фізичних стану. У всіх випадках швидкістьперемикання бітів і, отже, швидкодія обчислювальногопристрої визначаються тим, наскільки швидко протікаєвідповідний фізичний процес. Наприклад, час перемиканнятранзистора тим менше, чим більше рухливість електронів унапівпровіднику, швидкість переходу молекули з однієї форми в іншувизначається ймовірністю цієї події і т.д. Часи процесівперемикання, як правило, дуже малі (від 1 до 10-15 секунди). І всеж вони кінцеві.

З точки зору квантової механіки, стверджує фізик з
Массачусетського технологічного інституту (США) Сет Ллойд, швидкістьобчислення обмежена повної доступною енергією [7]. У 1998 році цеположення було теоретично доведено математиками з Массачусетськоготехнологічного університету (США) Норманом Марголусом і Левом
Левітіним. Їм вдалося показати, що мінімальний час пригод бітадорівнює одній чверті постійної Планка, діленої на повну енергію:

1h/4E

Таким чином, чим більше енергія комп'ютера, яка використовується нимдля обчислень, тим швидше він вважає. На думку Ллойда, "граничний"комп'ютер - це такий комп'ютер, вся енергія якого будевитрачатися тільки на обчислювальний процес.

Виходячи з наведеного співвідношення, оцінимо, наприклад,швидкодію деякого гіпотетичного комп'ютера масою 1кілограм, що складається всього з одного біта. Як відомо, повнаенергія тіла задається фундаментальним співвідношенням E = mc2, де m -маса об'єкта, с - швидкість світла у вакуумі. Разом маємо 1017 Дж. Якщоб всю цю енергію, "поховану" в масі нашого комп'ютера, можнабуло б використовувати в обчислювальному процесі, час перемиканнябіта сягнуло б фантастично малих величин порядку 10-51 секунди!
Отримане значення істотно більше "планковской проміжкучасу ", (10-44 секунди) - мінімального тимчасового інтервалу,який, з точки зору квантової гравітації, потрібний для протіканнябудь-якої фізичної події.

Однак ми розглянули однобітних комп'ютер, у той час як напрактиці будь-який ЕОМ потрібно?? е одна, а безліч бітів. Якщо енергіюнашого гіпотетичного комп'ютера розподілити між мільярдамибітів, час перемикання вже кожного з них буде вже меншепланковской. Важливо, що при цьому загальне число перемикань всіх бітівза секунду залишиться тим самим - 1051.

У порівнянні з граничним комп'ютером Ллойда нинішні ЕОМ --просто черепахи: при тактовою частотою близько 500 мегагерц типовийсучасний комп'ютер виконує лише 1012 операцій в секунду.
Граничний комп'ютер працює в 1039 разів швидше!. А якщо він будеважити не кілограм, а тонну, швидкодія зросте ще в 1000 разів.

У чому причина повільності сучасних ЕОМ? Вся справа в тому,Ллойд вважає, що корисну роботу в них здійснюють лише електрони,пересуваються всередині транзисторів. Що стосується основної масикомп'ютера, то вона не тільки не використовується як джерело енергії, але,навпаки, перешкоджає вільному руху носіїв зарядів.
Єдина її функція - підтримувати ЕОМ у стабільному стані.

Як позбутися від непотрібної маси? Треба перетворити її на квантиелектромагнітного випромінювання - фотони, які, як відомо, не маютьмаси спокою (вважається, що вона дорівнює 0). Тоді вся енергія,запасені в масі, перейде в енергію випромінювання, і комп'ютер знерухомого сірого скриньки перетвориться на світиться вогненна куля! Якне дивно, але саме так може виглядати граничний комп'ютер, вважає
Ллойд. Його обчислювальна потужність буде величезна: менш ніж за однунаносекунду він зможе вирішувати завдання, на які у сучасних ЕОМ пішлоб час, рівне життя всесвіту!

Однак, залишається ще проблема введення-виведення інформації. Як би мине вдосконалювати процес введення-виведення, описана модель
"Граничного" комп'ютера має один принциповий недолік. Припустимо,максимальний розмір (наприклад, діаметр) нашого комп'ютера дорівнює 10сантиметрам. Оскільки фотони рухаються зі швидкістю світла, то всі 1031бітів інформації, що зберігається в нашому комп'ютері, не можуть бути
"Завантажені" з нього швидше, ніж за час, потрібний для світлапроходження відстані в 10 сантиметрів - тобто за 3-10секунди.Значіт, максимальна швидкість обміну інформацією з комп'ютеразовнішнім світом дорівнює 1041 біт в секунду. А гранична швидкістьобробки інформації, як ми вже з'ясували раніше, складає 1051 бітза секунду, що в десять мільярдів разів швидше. Таким чином,необхідність зв'язку комп'ютера із зовнішнім світом, а також окремих йогочастин один з одним може призводити до суттєвих втрат у швидкостіобчислень. "Частково вирішити цю проблему можна, змусивши шматкикопьютера працювати незалежно один від одного, в паралелі ",-зазначає
Ллойд.

Чи є спосіб підвищити швидкість вводу-виводу? "Так,-каже
Ллойд,-треба зменшувати розміру комп'ютера. "Тоді обмін інформацієюбуде відбуватися швидше, а обсяг пам'яті стане менше. При цьому часткапослідовних операцій в комп'ютері може зрости, а часткапаралельних - зменшитися.

Зауважимо, що до цих пір всі наші міркування стосувалися тількишвидкодії пре