Квантовые компьютеры

| Категория реферата: Рефераты по кибернетике
| Теги реферата: нормы реферата, реферат театр
| Добавил(а) на сайт: Деникин.

Сильно отличается от двух предыдущих «компьютер в чашке кофе».
Благодаря достоинствам данного метода этот компьютер является наиболее реальным претендентом на то, чтобы достигнуть разрядности 10 бит в ближайшее время. В компьютере на коллективном спиновом резонансе работают молекулы обычных жидкостей (без всяких квантовых вывертов типа сверхтекучести). В качестве кубитов используется ориентация ядерных спинов.
Работа логических ячеек и запись кубитов осуществляется радиочастотными электромагнитными импульсами со специально подобранными частотой и формой.
В принципе, прибор похож на обычные приборы ядерного магнитного резонанса
(ЯМР) и использует аналогичную аппаратуру. Жизнеспособность этого подхода обеспечивается, с одной стороны, очень слабой связью ядерных спинов с окружением и, потому, большим временем сохранения когерентности (до тысяч секунд). Эта связь ослаблена из-за экранирования ядерных спинов спинами электронов из оболочек атомов. С другой стороны, можно получить сильный выходной сигнал, так как для вычислений параллельно используется большое количество молекул. «Не так уж сложно измерить спин четвертого ядра у какого-то типа молекул, если у вас имеется около числа Авогадро (~1023) таких молекул», - говорит Ди Винченцо (Di Vincenzo), один из исследователей. Для определения результата непрерывно контролируют излучение всего ансамбля. Такое измерение не приводит к потере когерентности в компьютере, как было бы в случае использования только одной молекулы.

Ядерные спины в молекулах жидкости при комнатной температуре хаотически разупорядочены, их направления равномерно распределены от 0 до 4(. Проблема записи и считывания кажется непреодолимой из-за этого хаоса. При воздействии магнитного поля спины начинают ориентироваться по полю. После снятия поля через небольшое время система снова приходит к термодинамическому равновесию, и в среднем лишь около миллионной доли всех спинов остается в состоянии с ориентацией по направлению поля. Однако благодаря тому, что среднее значение сигнала от хаотически направленных спинов равно нулю, на этом фоне можно выделить довольно слабый сигнал от
«правильных» спинов. Вот в этих-то молекулах с правильными ядерными спинами и размещают кубиты. Для коррекции ошибок при записи N кубитов используют 2N или больше спинов. Например, для N=1 выбираются такие жидкости, где какие- то два спина ядер в одной молекуле после определенного воздействия полем могут быть ориентированны только одинаково. Тогда по направлению второго спина при снятии результата обработки можно отсеять нужные молекулы, никак не влияя на первый спин.

Как уже было сказано, обработка битов осуществляется радиоимпульсами.
Основным логическим элементом является управляемый инвертор. Из-за спин- спинового взаимодействия резонансная частота, при которой происходит опрокидывание одного спина, зависит от направления другого.

Что касается квантовой передачи данных, к настоящему времени экспериментально реализованы системы обмена секретной информацией по незащищенному от несанкционированного доступа каналу. Они основаны на фундаментальном постулате квантовой механики о невозможности измерения состояния без оказания влияния на него. Подслушивающий всегда изменяет состояние кубитов, которые он подслушал, и это может быть зафиксировано связывающимися сторонами. Данная система защиты информации абсолютно надежна, так как способов обойти законы квантовой механики пока еще никто не выдумал.

Вместо заключения…

Пока квантовым компьютерам по плечу только наиболее простые задачи - например, они уже умеют складывать 1 и 1, получая в результате 2. Было также запланировано взятие другого важного рубежа - факторизации числа 15, его предстоит разложить на простые множители - 3 и 5. А там, глядишь, дойдет дело и до более серьезных задач.

Опытные образцы сейчас содержат менее десяти квантовых битов. По мнению
Нейла Гершенфельда (Nell Gershenfeld), участвовавшего в создании одной из первых действующих моделей квантового компьютера, необходимо объединить не менее 50-100 кубитов, чтобы решать полезные с практической точки зрения задачи. Интересно, что добавление каждого следующего кубита в квантовый компьютер на эффекте объемного спинового резонанса требует увеличения чувствительности аппаратуры в два раза. Десять дополнительных кубитов, таким образом, потребуют увеличения чувствительности в 1000 раз, или на 60 дБ. Двадцать - в миллион раз, или на 120 дБ...

He исключено, что в информационном обществе появление квантового компьютера сыграет ту же роль, что в свое время, в индустриальном, - изобретение атомной бомбы. Действительно, если последняя является средством
«уничтожения материи», то первый может стать средством «уничтожения информации» - ведь очень часто то, что известно всем, не нужно никому.

Литература, содержащая основную информацию о КК.
1. Feynman R. Int. J. Theor. Phys. 21, 1982.
2. Манин Ю.И. Вычислимое и невычислимое. - М.: Советское радио, 1980.
3. Feynman R. Quantum mechanical computers. // Optics News, February 1985,

11, p.11.
4. Deutsch D. Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer. - Proc. R. Soc. London A 400, 97, 1985.
5. Deutsch D. Quantum computational networks. - Proc. R. Soc. London A 425,

73, 1989.
6. Yao А. С.-С. Quantum circuit complexity. //Proceedings of the 34th

Annual Symposium on the Foundations of Computer Science, IEEE Computer

Society Press, Los Alamitos, CA, 1993, p. 352.
7. Shor P.W. Algorithms for Quantum Computation: Discrete log and

Factoring. // Proceedings of the 35th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science, edited by S. Goldwasser, IEEE Computer Society

Press, Los Alamitos, CA, 1994, p.124.
8. Китаев A.Ю. Квантовые вычисления: алгоритмы и исправление ошибок.

//Успехи математических наук.
9. Grover L. Afast quantum mechanical algorithm for database search.

//Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on Theory of Computing,

1996, pp. 212-219.
10. Kitaev A.Yu. Quantum measurements and the Abelian stabilizer problem. -

LANL e-print quant-ph/9511026, http://xxx.lanl.gov.
11. Shor P.W. Fault-Tolerant Quantum Computation. - LANL e-print quant- ph/9005011, http://xxx.lanl.gov.
12. Bennett С.Н., Bernstein E., Brassard G., Vazirany U. Strengths and

Weaknesses of Quantum Computing. - LANL e-print quant-ph/9701001, http://xxx.lanl.gov, to appear in SIAM J. On Computing.