Современные информационные технологии/2.
Вычислительная техника и программирование
Криони А.Е.
Кузбасский государственный
технический университет имени Т.Ф. Горбачева, Россия
Квантовый компьютер – технология
будущего
Революции
в развитии вычислительной техники стали основой развития многих информационных
технологий. Первые компьютеры были громоздкими ящиками на базе элементной
схемы, включающей полупроводниковые диоды и лампы, достигающие больших размеров
и мощностей. Исходя из этого, логично предположить, что нужны были хорошие
системы охлаждения данного оборудование и так далее. Но еще тогда компьютеры
были не высокопроизводительные, а именно скорость обработки информации была не
велика, о чем и говорила в основном архитектура процессора. Процессоры (процессор
– это важнейшая часть любого
вычислительного устройства, проще говоря “мозг”, выполняющий все вычисления, то
есть проводящий полноценную обработку входных данных в выходные на основе
какого-либо алгоритма) могли обрабатывать команды длиной не более чем 4 или 6
бит (бит – минимальная единица
измерения информации, бит принимает два состояния 0 или 1, физическим языком –
есть напряжение, нет напряжения). Соответственно комбинация из таких состояний
называется машинным словом, чтобы точно было понятно приведу пример: допустим
мы знаем что один бит принимает 0 или 1, а значит мы можем записать любую
комбинацию из этих чисел и получить так называемое машинное слово – 01001010 в
данном случае длина слова равна 8, или же 8 разрядов, то есть на уровни физических
процессов это просто колебание физической величины в схеме (1 – есть сигнал, 0 – нет сигнала), исходя из вышесказанного машинное слово длинной 4
бита принимает вид – 0101 и имеет длину 4. К чему вся эта манипуляция нулями и
единицами, спросите Вы? Все просто. Дело в том, что компьютер, может работать
только с дискретными образами, а именно с дискретным множеством значений
(конечным, счетным) в виде нулей и единиц на абстрактном уровне и в виде
колебаний физических величин на физическом уровне. Так как процессор мог обрабатывать команды длинной 4 или 6 бит, то можно
смело утверждать, что архитектура процессора – 4 разряда и 6 разрядов
соответственно. То есть компьютер мог
обработать одно слово за один раз. Тогда даже такая скорость обработки была
весьма значительная [1].
Далее
мы подходим вплотную к модернизации компьютерной техники и появлению так
называемых персональных компьютеров. Этому
послужило открытие полупроводниковых транзисторов, пришедших на замену лампам,
что сделало компьютер более компактным. Начали делать интегральные схемы на
одном кристалле, все элементы материнской платы компьютера стали умещаться в
так называемом системном блоке размером с табуретку. И это был серьёзный
технологический прорыв в компьютерной индустрии: стали появляться и развиваться
все более новые компоненты материнской платы, процессоры приобрели архитектуру
32 и 64 разрядные (х64 – 64 бита, х86 – 32 бита), начало развиваться
программное обеспечение, появился интернет и многое другое. Не будем вдаваться
в более сложные и глубокие технические подробности и процесс в целом, самое
важное - понять поверхностно: как устроен квантовый компьютер. Цель моей статьи
– пояснить о еще развивающейся сфере
квантовой механики. Вся ее теория применима к актуальным исследованиям в сфере
компьютерной техники [2].
Мир
находится на пороге квантовой революции. Первый квантовый компьютер будет
способен мгновенно решать задачи, на которые самое мощное современное
устройство сейчас тратит месяцы, а порой и годы. На рисунке 1 приведен пример
квантового процессора от компании IBM – компании, выпускающей различную
электронную аппаратуру, а так же программное обеспечение [1].
Рис.1 Квантовый
процессор на пяти кубитах от IBM
Для
чего же все-таки он нужен и чем он отличается от обычного компьютера? Это
зависит в каком виде у нас будет представлена информация, как уже было сказано
в начале, в обычном компьютере вся информация представлена в виде нулей и
единиц – бит, а в квантовом компьютере на смену им приходят квантовые биты
(кубиты). Квант принимает, как и обычный бит два состояния 0 и 1, но природа
его такова, что за счет свойства “суперпозиции” он может находиться в
нескольких состояниях сразу. Например, имея 3 бита обычного компьютера, мы
можем описать его тремя битами квантового: 
,
то есть мы можем закодировать 8 различных объектов бинарной
последовательностью, если обычный компьютер имеет 8 состояний полученных 3
битами, то квантовый компьютер может принимать сразу все кодовые комбинации за
раз. Теперь – пример из жизни: Допустим у нас в системе стоит четырехзначный
пароль, к примеру 1647. Процессор в обычном компьютере, чтобы взломать этот
пароль, будет искать соответствия методом перебора от 0000 до 9999. На это
уйдет немало процессорного времени, особенно, если в пароле присутствует много
символов. А квантовый компьютер уже сразу найдет этот пароль потому, что кубит
может находиться во всех состояниях сразу. Если обычные 3 бита – это 8 состояний,
то обычные 3 кубита – это одно состояние всех 8 состояний [3].
Большую
значимость имеет использование квантового компьютера для моделирования
физической реальности с учетом ее квантовой природы. Это направление сулит
большие перспективы, так как станет возможным моделировать новые материалы с
заданными свойствами или сложные лекарственные соединения в сотни раз быстрее,
точнее и дешевле [2].
Как
уже было упомянуто вышел, главную функцию квантовый компьютер выполняет за счет
кубит. В 1930-х было впервые описано теоретическое
устройство, представляющее собой бесконечную ленту (перфокарту), 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 [3].
Раньше перфокарты программировали только напрямую
прописывая кодовые последовательности из нулей и единиц, что составляло большой
труд для инженеров и программистов, так как одна кодовая последовательность – это одна закодированная команда, которую выполняет
процессор, а перфокарта состоит из совокупности команд (инструкции для процессора)
– программ, соответственно программист заранее должен знать или искать
подходящие кодовые комбинации для получения нужного результата на выходе. В
квантовой машине принципы остаются теми же самыми: как лента, так и управляющее
устройство находятся в квантовом положении. Это значит, что любые символы на
перфокарте могут представлять из себя не только 0 и 1, но и суперпозицию, то
есть 0 и 1 одновременно. И поэтому квантовый компьютер может заниматься
параллельными вычислениями. Следовательно он может выполнять миллион вычислений
одновременно, в то время как обычный компьютер работает лишь с одним. 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. Другое важное квантово-механическое явление,
которое может быть задействовано в квантовых компьютерах, называется
«запутанностью». Проблема
состоит в том, что считывание информации из квантовых частиц – сложный процесс,
поскольку частицы могут изменять свое состояние. 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 [4].
В
разработке и проектировании квантового компьютера заинтересованы практически
все. Это даст большой толчок в области криптографических алгоритмов, связи,
медицины и так далее. Применение ему будет всегда, особенно это повлияет на
большие и сложные расчеты, которые смогут выполняться в считанные секунды.
Появится возможность создавать сложные модели различных объектов в кратчайшие
сроки, что позволит уменьшить затраты финансовых и трудовых ресурсов на
предприятиях. Квантовый компьютер облегчит выполнение сложных задач во многих
наукоемких сферах производства, тем самым способствуя росту темпов и
эффективности производства. В социальной сфере внедрение технологии квантового
компьютера позволит выводить и производить новые лекарственные соединения для
лечения опасных заболеваний в кратчайшие сроки, что позволит быстро и
эффективно оказывать больным эффективное лечение.
Таким
образом, разработка квантового компьютера окажет эффективное влияние на многие
сферы деятельности человека.
Литература:
1. Глушков Е. Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен [Электронный ресурс] //
Хайтек: сайт. – URL:
https://theoryandpractice.ru/posts/13588-kvantovyy-komputer (дата обращения 27.11.2017)
2.
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура
компьютера. – 6-е изд. – СПб: Питер,
2013. – 816 с.