Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Компьютер является потомком вычислительной машины Паскаля. Два его основных взаимодополняющих наиважнейших свойства: гигантская память и способность выполнять программы, то есть реализовывать сложные задачи, определенные последовательностью инструкций. Для хранения данных применяются различные методы, использующие либо полупроводники (для USB-накопителей), либо магнетизм (для жестких дисков), либо механическое моделирование (для компакт-дисков), либо сочетание всех этих технологий. Программирование – наука, зародившаяся в 1936 году с публикацией 16-страничной статьи англичанина Алана Тьюринга (1912–1954) в журнале «Труды Лондонского математического общества». В этой чисто теоретической статье были сформулированы основные идеи структуры будущих компьютеров. Затем предложенную Тьюрингом теорию усовершенствовал великий американский математик Джон фон Нейман (1903–1957). Разработанная им архитектура вычислительной машины состояла из четырех основных элементов (илл. 10). Во-первых, арифметико-логическое устройство, или блок обработки данных, который выполняет основные операции; далее устройство управления, отвечающее за последовательность операций; затем память, содержащая как данные, так и программы, диктующие блоку управления расчеты, которые должны быть выполнены на основе этих данных; и, наконец, устройства ввода и вывода, которые позволяют компьютеру общаться с внешним миром. Память разделена на оперативную (программы и необходимые в процессе работы данные) и постоянную (программы и данные, составляющие основу устройства).

10. Архитектура фон Неймана

Квантовый компьютер

Недостатком компьютера фон Неймана является его «последовательный» характер: различные этапы вычислений следуют один за другим, и очередной шаг запускается только после завершения предыдущего. Один из способов сэкономить время – введение «параллелизма». Параллельные вычисления уже распространены в современных процессорах, но особые надежды на их широкое использование связываются с разработкой «квантовых» компьютеров.

Квантовый компьютер использует (или «будет использовать», или «мог бы использовать» – мы пока не уверены, какую из этих формулировок выбрать!) феномен «смешивания» квантовых состояний. Кот Шрёдингера в своей камере дает пример такого смешения состояний: он одновременно является и живым, и мертвым (см. главу 22, «Кот Шрёдингера»). К концу XX века физики поняли, что это явление может стать ценным ресурсом для расчетов в компьютерах принципиально нового типа. Вместо обработки четко определенных битов состояния квантовый компьютер обрабатывает «квантовые биты» (или кубиты), оба состояния которых каким-то образом смешиваются. Квантовые вычисления, выполняемые компьютером, представляют собой последовательность операций с квантовыми битами, состояние которых регистрируется (измеряется) только тогда, когда этого требует алгоритм. Таким образом, квантовый компьютер использует параллелизм не за счет разделения вычислений на куски и проведения их различными ядрами процессора, а параллелизм истинный, присущий квантовой механике. Квантовые вычисления в некотором роде позволяют рассматривать одновременно и мертвого, и живого кота!

Хорошо работая с квантовыми алгоритмами, квантовый компьютер сможет решить проблемы, которые слишком сложны для обычных последовательных компьютеров. Типичная проблема – поиск в телефонной книге имени абонента, номер которого известен. Поскольку список абонентов дан в алфавитном порядке, то для поиска без компьютера в среднем требуется время, пропорциональное их количеству N. Знакомый нам последовательный компьютер также нуждался бы во времени, пропорциональном N, пусть и с гораздо меньшим коэффициентом пропорциональности. Квантовый же компьютер благодаря способу вычисления (ученые говорят «алгоритм») индо-американского информатика Гровера затратил бы время, пропорциональное квадратному корню из числа N. Для больших N экономия времени существенна! Другой известный квантовый алгоритм (алгоритм Шора) позволяет раскладывать числа на простые множители. Эта проблема для обычного компьютера в случае больших чисел оказывается очень сложной, поэтому она лежит в основе системы шифрования RSA, повсеместно используемой для безопасности связи.

Будет ли квантовый компьютер в скором времени творить чудеса? К сожалению, на сегодняшний день существуют только простейшие версии квантовых процессоров, которые пока способны лишь демонстрировать возможность реализации упомянутых выше операций: например, идентифицировать один элемент из четырех с помощью алгоритма Гровера (илл. 10) или факторизовать целые числа… но только двузначные. Пока это можно куда лучше и дешевле сделать без квантового компьютера.

11. Пример квантового процессора с двумя кубитами. Эта сверхпроводящая схема (см. главу 24) позволяет реализовать алгоритм Гровера для идентификации одного элемента в наборе из четырех (как в телефонном справочнике, сокращенном до четырех абонентов). (Взято из диссертации Андреаса Дьюза, 2012, CEA Saclay)

Взгляд в наномир