Системотехнические аспекты перспективных компьютерных технологий

Управление формой электронного облака осуществляется с помощью затворов, расположенных над атомами. При взаимодействии с орбитальным моментом электрона спин ядра поляризуется, поэтому не требуется внешнее магнитное поле . Управление ядерным спином осуществляется радиочастотными импульсами, но избирательность по каждому атому обеспечивается разными напряжениями на соответствующих затворах, что приводит к разным частотам ядерного магнитного резонанса (многозначный структурный алфавит переменных). Затворы другого типа обеспечивают перекрытие электронных облаков соседних атомов, включая или исключая взаимодействие между ними. Кроме технологических проблем создания цепочек кубитов с шагом в 100 A в данной схеме не реализовано взаимодействие кубитов по типу "каждый с каждым", а цепная схема взаимодействия кубитов увеличивает общее количество "вычислительных операций" в раз. В результате, как считают западные специалисты, теряется преимущество квантовых алгоритмов перед классическими, за исключением алгоритма Шора, который нашел применение в криптографических системах.

IBM Research Division и University of California предложили двухкубит-ный вентиль на основе двух квантовых точек, формируемых по технологии расщепленного затвора, размещаемого над структурой 2DEG [186]. Каждая квантовая точка (QDS) содержит только один электрон, так как второй отталкивается кулоновским взаимодействием. В данном случае кубитом является состояние спина электрона. Перемешивание таких кубитов осуществляется изменением прозрачности потенциального барьера за счет изменения потенциала расщепленного затвора. (high - при более отрицательном напряжении и low - при более положительном). Для управления состоянием кубита используется не локальное магнитное поле, а перескок электрона на соседнюю ферромагнитную точку (FM - рис. 7.6).

Рис. 7.6. Система взаимодействия кубитов без выделения и поглощения энергии

Для измерения спина электрона предлагается два способа:

1. С помощью туннелирования (Т) электрона на парамагнитную точку (РМ), которая находится в низкоохлажденном состоянии, и поэтому электрон вызывает спонтанную намагниченность в ней в направлении собственного магнитного момента.
2. Туннелирование электрона через спиновый клапан (SV) в соседнюю точку, заряд которой затем измеряется электрометром (E).

Еще одну схему взаимодействия для КК предложили австрийские ученые [35], которые перевели в запутанное состояние два фотона, никогда не встречавшиеся и никогда не взаимодействующие друг с другом. Для этих целей они использовали (рис. 7.7) два независимых источника Эйнштейна - Подольского - Розена ( ), представляющих собой оптические нелинейные кристаллы и выдающих запутанные пары фотонов (1, 2) и (3, 4). Если над фотонами 2 и 3 произвести белловское измерение (Bell state measurement), то есть перевести их в одно из белловских состояний, то и фотоны 1 и 4 также оказываются в запутанном состоянии, хотя никаких физических воздействий на них не было оказано.

Рис. 7.7. Схема телепортации фотонов

Для решения проблем произвольной коммутации в КК предложена схема нерезонансного дисперсионного взаимодействия удаленных куби-тов по принципу атом - поле [208]. Утверждается, что эта схема работает идеально даже при наличии ошибок в фотонных каналах за счет парадоксальной ситуации, когда переданные фотоны не несут информации о состоянии кубитов.

Кроме КК дискретного типа, исследуются вычислители и на непрерывных переменных, для которых определены необходимые и достаточные условия, обеспечивающие создание универсальных КК ( УКК ). Показано [209], что УКК, работающий на принципах преобразования амплитуд электромагнитных полей, можно построить из двух типов элементов: линейных, к которым относятся расщепители пучков, фазовращатели, и нелинейных, к которым относятся атомы в оптических резонаторах, волокна с эффектами Керра и т. п.. Такой УКК можно считать "квантовым наследником" оптоэлектронных аналоговых вычислителей со всей проблематикой обеспечения точности и помехозащищенности.

Утверждается, что в нем можно получить эффект "плавающей точки", подавить шумы, достичь конечной точности и выполнить коррекцию ошибок.

Разработка инструментальных систем для КК пока еще отстает от физико-технических исследований, по крайней мере по масштабам, но японская фирма Senko Corporation уже предлагает программный симуля-тор КК стоимостью 3.500 долларов [210]. Этот симулятор ориентирован на специалистов в области квантовых алгоритмов и архитектур. Он позволяет при работе с кубитами задавать произвольные амплитуды электромагнитного поля, причем число рабочих кубитов и квантовых вентилей ограничено ОЗУ кросс-ЭВМ (4 Мб на 16 кубитов). На его основе можно:

• выводить состояние КК в виде распределения вероятностей (графики, таблицы);
• задавать квантовые алгоритмы в виде файлов;
• создавать новые квантовые алгоритмы.

В качестве базовых алгоритмов симулятор содержит четыре:

• факторизацию Шора;
• дискретное преобразование Фурье;
• арифметических операций;
• поиска в базах данных Гровера.

Анонсирован также параллельный симулятор [211], однако сообщения о разработке операционных систем для КК пока отсутствуют (из доступных источников).

Таким образом, на основе вышеизложенного можно заключить:

1. Квантовые компьютеры по своей сути являются алгоритмически ориентированными процессорами, в которых каждый поток-оператор поддерживается специфическими для каждого КК физико-техническими процессами, протекающими в специфическом квантовом "рабочем теле". При этом результат выполненных результирующих или промежуточных преобразований отражается во внутреннем состоянии квантового "рабочего тела", которое еще необходимо идентифицировать или измерить с помощью стандартных внешних воздействий. Иными словами, информация в КК содержится как в параметрах сигналов, возбуждающих квантовое "рабочее тело", так и в его структуре, однозначно связанной с его состоянием.
2. В КК на основе бистабильных кубитов минимальное время деко-герентизации должно превышать цикл исполнения одной словили поток-инструкции, после чего необходимо либо восстановить начальное базисное состояние кубитов, либо полностью регенерировать квантовое "рабочее тело", физические процессы в котором используются как вычислительные.
3. В схемах телепортации квантовый канал образуется за счет запутанных состояний кубитов отправителя и получателя, а переданное сообщение является самоопределяемой переменной, которая задает допустимое над полученным сообщением преобразование, восстанавливающее
4. В КК эффект суперпозиции квантовых состояний используется для максимального распараллеливания вычислений на уровне физико-химических процессов. Однако экспериментальным путем удалось получить КК малой размерности, а значит, и с малым уровнем физико-технического распараллеливания. При этом полностью проигнорирована возможность использования суперпозиции квантовых состояний для создания мультистабильных квантовых вентилей многозначной логики. Главное достоинство такого кодирования состоит в том, что переход из одного суперпонированного состояния в другое происходит независимо и без "перечисления" промежуточных состояний. Это позволяет преодолеть основные схемотехнические проблемы, с которыми столкнулись разработчики многозначных микроэлектронных вентилей [59, 212], где из-за "непрерывности" переходных процессов приходилось выделять тр етье промежуточное состояние с помощью "внешних" обратных связей. В результате снижался динамический диапазон изменения токов и напряжений, кодирующих многоуровневые состояния вентилей, увеличивались аппаратные затраты и падала надежность и помехозащищенность.
5. Инструментальные кросс-средства для КК находятся в начальной фазе и пока используют программные симуляторы. Проблема создания операционных систем и аппаратных кросс-средств для нано-ЭВМ пока остро не стоит. Это указывает на то, что западные фирмы основную ставку делают на технологии булевых вентилей, где в полной мере можно использовать заделы по кремниевым компиляторам, изменив в них библиотечные элементы физико-технического уровня реализации и наложив дополнительные ограничения на правила работы средств коммутации.
6. Отсутствуют открытые данные о поведении нанометровых, квантовых и супрамолекулярных компьютеров в условиях радиации, которая, по данным фирм Texas Instruments и Intel [213], оказывает катастрофическое влияние на кристаллы ЗУ, выполненные уже по 0,18 мкм топологическим нормам. Авиационные системы на высоте 9000 м испытывают в большее воздействие фонового излучения, чем на уровне моря, и поэтому для восстановления на борту наземных условий требуется бетонная защита в 3 м.