Перспективы развития вычислительных систем. Квантовые компьютеры

Создание подобной экспертной системы на основе квантовых компьютеров  произведет крупнейший переворот в  технике. В разы сократится время  разработок новых машин, будет освоен большой спектр разнообразных технических  и конструкторских решений, будут  преодолены традиции, сковывающие работу специалистов. Страна, которая первой создаст такую экспертную систему, получит уникальный шанс вырваться  в лидеры в научно-технической  гонке.

Также можно отметить уже  функциональные образцы квантовых  вычислителей.

Самым нашумевшим представителем является компьютер Orion фирмы D-Wave. Данная фирма в 2007 году собрала 16-кубитовый квантовый компьютер, который был отмечен как самый мощный квантовый компьютер, а также первым, на котором можно запускать коммерчески-значимые приложения.

Всё это намного превосходит  большинство других разработок квантовых  компьютеров, причём D-Wave смогла создать компьютер, используя технологии производства полупроводников и существующие полупроводниковые заводы, не прибегая к помощи оптических схем, квантовых точек, сдерживания лазера или других экзотических технологий производства. D-Wave работает и над второй половиной проблемы, а именно над инструментами программирования для создания приложений, способных получить преимущество от возможностей, которые обещают дать квантовые вычисления.

Однако данные открытия ставят под сомнения в научных кругах, указывая на сложности при работе с большим числом кубитов.

Следует отметить, что для  проведения операций с кубитами ранее необходимо было использовать лазеры, ядерный магнитный резонанс и ионные ловушки. Но чтобы приблизить появление настоящего квантового компьютера, необходимо создать более простую и менее чувствительную к колебаниям внешних условий машину. Это значит, что одну из основных рабочих частей (процессор) желательно создать из классических твёрдых материалов.

На данный момент создан прототип устройства, которое оперирует двумя трансмонными кубитами. Трансмон – это два фрагмента сверхпроводника, соединённых туннельными контактами.

В данном случае процессор  представляет собой плёнку сверхпроводящего материала (в его составе присутствует ниобий), нанесённую на подложку из корунда (оксида алюминия). На поверхности вытравлены канавки, ток может туннелировать  сквозь них (опять же в силу квантовых  эффектов).

Два таких кубита (представляющих собой миллиарды атомов алюминия, находящихся в одном квантовом состоянии и действующих как единое целое) в новом чипе разделены полостью, которая является своего рода "квантовой шиной".

Что очень важно - для создания процессора использовалась стандартная технология, применяемая в современной промышленности.

Единственный минус данного  чипа – низкая рабочая температура. Для поддержания сверхпроводимости  устройство необходимо охлаждать. Этим занимается особая система, которая поддерживает вокруг него температуру чуть выше абсолютного нуля (порядка нескольких тысячных долей кельвина).

Кубиты эти могут находиться в состоянии квантовой сцепленности (что достигается с помощью микроволн определённой частоты). Как долго сохраняется это состояние, определяет импульс напряжения.

Была достигнута длительность сохранения в одну микросекунду (в  отдельных случаях даже три микросекунды), что пока является пределом. Однако, всего десять лет назад это значение не превышало наносекунды, то есть было в тысячу раз меньше.

Отметим, что чем дольше держится запутанность, тем лучше  для квантового компьютера, так как "длительные" кубиты могут решать более сложные задачи.

В данном случае для выполнения двух различных задач процессор  использовал квантовые алгоритмы  Гровера и Дойча - Джоза. Процессор давал верный ответ в 80% случаев (при использовании первого алгоритма) и в 90% случаев (со вторым алгоритмом).

Считывание результата также  происходит с помощью микроволн: если частота колебаний соответствует  той, что присутствует в полости, то сигнал проходит сквозь неё.

Стоит отметить, что для  создания 10-кубитовой схемы потребуется  еще много научной работы, и  на данный момент она не возможно.

Это ставиться в разрез с утверждениями компании D-Wave. Причиной разногласий может являться само понятие квантового компьютера. Из-за неточностей в определении могут появиться подмены понятия, в чем и упрекают компанию D-Wave. Последствием этого может стать невозможность реализации квантовых алгоритмов на данных экземплярах квантовых компьютеров.

Заключение

В настоящее время идет активное исследования альтернативных методов вычислений, таких как  вычисления при помощи квантовых  компьютеров и нейровычислителей. Оба направления дают нам большие возможности в параллелизме, однако рассматривают этот вопрос с разной стороны. Квантовые компьютеры позволяют выполнить операцию над неограниченным количеством кубитов одновременно, что может многократно увеличить скорость вычислений. Нейровычислитель же позволяет параллельно выполнять много различных простых задач на большом количестве примитивных процессоров, и получить в итоге результат их работы. Учитывая то, что основной задачей нейрокомпьютеров является обработка образов. При параллельной архитектуре эта задача выполняется гораздо быстрее, чем в классической последовательной. В то же время нейронные компьютеры позволяют нам получить универсальные и в то же время «живучие» системы, из-за их однородной структуры.

Нельзя сказать, что нейронные  и квантовые компьютеры целиком  вытеснят классические, однако в определенных сферах данные типы вычислителей смогут значительно улучшить выполнение специфичных  задач.