ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В XXI ВЕКЕ

В течение последних десятилетий, развитие информационных технологий, происходило в геометрической прогрессии, а как следствие и развитие  других отраслей производства, по средствам внедрения данных технологий.  Такую тенденцию можно описать законом Гордона Мура из Intel, т.е. количество транзисторов на интегральной схеме в XX веке удваивалось примерно каждые 24 месяца. Как следствие, происходит увеличение производительности. Но столь быстрое развитие привело к тому, что сейчас минимизация интегральных схем достигает своего максимума.  К примеру, в 2015 году IBM заявила о размещение на чипе транзистора величиной 7 нм, т.е. на обычном процессоре, возможно, разместить 20 млрд. транзисторов.  Но, межатомное расстояние составляет 0,3 нм.  Это значит, что через пару лет развитие информационных технологий может приостановиться.

Путем решение возникшей проблемы является производство квантовых компьютеров, представляющий собой устройство, использующее в своих интересах законы квантовой механики, определяющие поведение квантовых частиц и изменение их состояний. Каждая такая частица играет в компьютере роль кубита (квантового бита).   Превосходство квантовых вычислительных устройств, заключается в возможности использования принципа суперпозиции  квантовой частицы.  В полупроводниковых вычислительных устройствах используется логика «0» или «1», т.е. п/п либо открыт либо закрыт. Таким образом, электрон, проходя совокупность полупроводников способен передать «1» или «0». А вот фотон, способен передать бесконечно большую комбинацию, которую можно описать в виде математической модели:

|A|²+|B|²=1, где A и B – комплексные числа (совокупный, тесно связанных чисел вида a + b i, где a , b – вещественные числа, i – мнимая единица, то есть число, для которого выполняется равенство:   = − 1. Термин «комплексное число» ввёл в науку Гаусс в 1831 году. Множество комплексных чисел обычно обозначается символом  C,  оно содержит множество вещественных чисел R  и может рассматриваться как его расширение. Главное свойство C  в нём выполняется основная теорема алгебры, то есть любой многочлен n в n-й степени имеет n корней. Доказано, что система комплексных чисел логически непротиворечива. Так же, как и для вещественных чисел, для комплексных чисел определены операции сложения, вычитания, умножения и деления. Однако многие свойства комплексных чисел отличаются от свойств вещественных чисел; например, нельзя указать, какое из двух комплексных чисел больше или меньше) [1].

Графические, данную совокупность можно представить в виде:

где С – вектор фиксированной длины, с началом в нулевых координатах, а окончанием  на бесконечной совокупности точек окружности.

В настоящее время, создание квантовых компьютеров имеет ряд проблем.

Для создания кубита, необходимо чтобы группа электронов находилась одновременно в одном и том же квантовом состоянии. Поскольку электрон относится к фермионам, в обычном состоянии их согласовать по законам квантовой физики невозможно. Но, электроны в сверхпроводнике  формируют Куперовские пары, являющиеся бозонами, и находятся одновременно в одном квантовом состоянии. Следовательно, из куска сверхпроводника можно создать кубит. Например, канадская компания D-Wave Systems, физически сделали свои кубиты в виде элементов из алюминия и ниобия, охлаждённых жидким гелием до минус 273,145 градуса по Цельсию, почти до абсолютного нуля. Такой подход к решению проблемы называется адиабатным квантовым вычислением. [2]

В настоящее время изготовление одиночного кубита, способного хранить данные для ведения вычислений не составляет большого труда. Однако объединение несколько кубитов сложно т.к. записать и считать данные одновременно проблематично. Физики из России и Канады пытаются решить эту проблему созданием кремниевого чипа, способного и хранить в себе, и манипулировать многомерными кубитами, что позволит упростить архитектуру квантовых компьютеров и ускорить их создание. Этот чип, представляет собой микрорезонатор – полое кремниевое кольцо, внутри которого свет будет двигаться по кругу, отражаясь от стенок. Чип можно построить таким образом, что определенные импульсы будут усиливаться, а другие — гаситься, что и позволяет получать лазерные импульсы с «гребенчатым» спектром, который удобно использовать для кодирования отдельных ячеек памяти.[3]

Квантовые вычисления, несколько, отличаются от классических. В классических вычислениях в память компьютера загружается только один из 2ⁿ вариантов данных и для этого варианта вычисляется значение функции. В результате одновременно обрабатывается только один из 2ⁿ возможных наборов данных. В памяти квантового компьютера одновременно представлены все 2ⁿ комбинации исходных данных. Преобразования применяются ко всем этим комбинациям сразу. В результате за одну операцию мы вычисляем функцию для всех 2ⁿ возможных вариантов набора данных (измерение в итоге все равно даст только одно решение, но об этом позже).
И в классических, и в квантовых вычислениях используются логические преобразования — гейты. В классических вычислениях входные и выходные значения хранятся в разных битах, а значит в гейтах количество входов может отличаться от количества выходов:

Определим равенство двух битов, классическим и квантовым вычислением.

При классическом вычислении схема выглядит следующим образом:

Если на выходе получаем единицу, значит биты равны, если 0 то не равны. В квантовых вычислениях все гейты преобразований имеют столько же выходов, сколько входов т.к. результат преобразования является не новое значение, а изменение состояния текущего. В примере мы сравниваем значения первого и второго кубитов. Результат будет в нулевом кубите — кубите-флаге. Данный алгоритм применим только к базовым состояниям – 0 или. Квантовые преобразования, производятся в следующем порядке: воздействуем на кубит-флаг гейтом «Не», выставляя его в 1; два раза применяем двухкубитный гейт «Контролируемое Не». Этот гейт меняет значение кубита-флага на противоположное только в случае, если второй кубит, находится в состоянии. Измеряем нулевой кубит. Если в результате получили 1, значит и первый, и второй кубиты либо оба в состоянии 1 (кубит-флаг два раза поменял свое значение), либо в состоянии 0 (кубит-флаг так и остался в состоянии 1). Иначе кубиты находятся в разных состояниях.[4] Как видно из примера, квантовые вычисления занимают большее время, чем классические. Следовательно, квантового вычислителя должны не копировать классические, а по максимуму использовать уникальные свойства квантовой механики. Одним из видов квантовой оптимизации является – квантовый отжиг (использование для вычислений, процесса поиска квантовой системой, энергетически наиболее выгодную конфигурацию посредством эффектов квантовой механики).  Данный метод позволяет решать мгновенно, практически не решаемые задачи для классических вычислений.  Выигрыш во времени, так же достигается использованием  квантового запутанного состояния. Однако квантовое ускорение требует формирование специализированного алгоритма, применительно конкретной задаче. В противном случае нет выигрыша в скорости, по сравнению с вычислениями на полупроводниковом процессоре.

Таким образом, развитие квантовых компьютеров требует решение проблем по оптимизации процесса создания многомерных кубитов и поиска универсальных алгоритмов квантовых вычислений.

1. Валиев К. А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления // УФН. — 2005. — Т. 175. — C. 3—39.
2. http://fb.ru/article/321935/kvantovyiy-protsessor-opisanie-printsip-rabotyi.html
3. https://ria.ru/science/20170628/1497461077.html
4. https://habrahabr.ru/company/sberbank/blog/343308.html

Все статьи автора «Сергеев Артур Андреевич»