Поиск альтернативного компьютера

Квантовый компьютер

Основная ячейка квантового компьютера — квантовый бит, или, сокращенно, кубит (q-бит). Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т. п.

D-Wave Orion: первый квантовый компьютер. В 2007 году компания D-Wave Orion собрала 16-кубитовый квантовый компьютер, который основатель и генеральный технический директор этой компании Джорди Роуз назвал самым мощным квантовым компьютером из когда-либо построенных и первым, позволяющим запускать коммерчески значимые приложения [38]. Теперь компьютер стал 28-кубитовым, он умеет распознавать фотографии известных достопримечательностей.

Все это намного превосходит большинство других разработок квантовых компьютеров, причем в D-Wave смогли создать компьютер, используя совокупность технологий производства полупроводников в лабораторных условиях и на промышленных предприятиях, не прибегая к помощи оптических схем, квантовых точек, сдерживания лазера или других «экзотических» технологий.

Сотрудники D-Wave работают и над другой частью проблемы, а именно: над инструментами программирования для создания приложений, способных получить преимущество от возможностей квантовых вычислений.

Квантовый процессор D-Wave зафиксирован в нижней части блока фильтрации и заморозки; вся структура погружается в жидкий гелий, охлажденный до 3 К, а затем блок охлаждения снижает температуру чипа до 10 мК.

Материал, который использован в квантовом чипе D-Wave, — ниобий; если его охладить до достаточно низкой температуры, то он становится сверхпроводником. Когда обычный металл проводит электрический ток, электроны, носители электрического заряда, сталкиваются с неидеальной кристаллической структурой металла, в результате чего появляется сопротивление. Когда охлаждается сверхпроводящий металл подобно ниобию, электроны металла формируют куперовские пары, где движение одного электрона соответствует равному, но противоположно направленному движению спаренного электрона, что предотвращает электроны от столкновений с неидеальной кристаллической структурой и появления сопротивления. Иначе говоря, электроны могут свободно протекать, не нуждаясь в дополнительной энергии. Когда куперовские пары входят в область переходов Джозефсона на чипе (состоящие из двух сегментов сверхпроводящего ниобия, связанных слабым изолирующим барьером), их можно представить как электроноподобные квазичастицы, которые могут туннелировать через изолятор в переходе, эффективно проводя через него ток.

Ниобий расположен в форме спиралей (рис. 2.12), через которые ток может протекать по часовой стрелке, против нее или смешанно (в обоих направлениях), что соответствует 0 и 1 или в суперпозиции двух значений в квантовом бите информации (кубите), на которых базируются квантовые вычисления.

Рис. 2.12. РЭМ-изображение ниобиевых спиралей на чипе Leda.

Чип представляет собой совокупность металлических дорожек на кремниевой подложке. Обратим внимание, что такая подложка используется в любом процессе полупроводниковой технологии, но в данном случае сверху на ней были расположены слои металла, разделенные изолятором. Таким образом, чип стал полностью металлическим магнитным устройством, в котором вся информация хранится в виде направлений течения тока по металлическим петлям и переходам.

В отличие от других технологий квантовых вычислений D-Wave использует стандартные методы полупроводникового производства.

Создание квантовых компьютеров — важнейшая задача современной физики, поскольку создание работоспособного квантового вычислительного устройства позволит решать ряд специфических задач намного быстрее, чем с помощью традиционных компьютеров.

Фуллерены как компоненты квантового компьютера. Разработка компонентной базы квантовых компьютеров является для современной физики сложнейшей задачей. На данный момент ученые высказали целый ряд предложений по реализации квантовых компьютеров, в том числе и путем манипуляции электронными спинами. Немало надежд.

Рис. 2.13. Фуллерены как компоненты квантового компьютера.

возлагается на фуллерены, каркасные молекулы из атомов углерода. Наиболее распространенным среди них является фуллерен С₆₀ — сфера, составленная из шестидесяти атомов углерода (рис. 2.13, а). Новая идея принадлежит профессору Гарри Дорну, предложившему использовать фуллерен С₈₀, внутри которого находится два иона иттрия, редкоземельного металла (рис. 2.13, б). Наибольший интерес представляет тот факт, что при замене одного атома углерода на атом азота заряд может переходить к атомам иттрия. В данном случае образуется пара с одноэлектронной связью, обладающей уникальными спиновыми свойствами, которыми ученые могут относительно легко манипулировать.

Ученые надеются, что описанный феномен приведет к новым разработкам в области медицины, спинтроники, молекулярной электроники, а также компьютеров будущего. Вполне возможным выглядит создание на основе фуллеренов устройств хранения информации с наиболее высокой плотностью размещения данных.

Не менее перспективной представляется возможность замещения в молекуле фуллерена атома азота на атом бора, что приводит не к появлению «лишнего» электрона, а к его недостатку. По всей видимости, подобные соединения можно использовать в качестве основного компонента полупроводниковой структуры. О методике создания молекулы фуллерена, в которой атом углерода заменен на атом азота или бора, можно прочитать в статье, опубликованной в журнале Американского химического общества (JACS) [39].

Троичная логика для квантового компьютера. Развитие направления создания квантовых компьютеров неизбежно, даже если уже существующие технологии сохранят господствующие позиции. Однако группа исследователей под руководством Б. П. Ланьона из Квинслендского университета предложила новую методику для ускоренного развития квантовых компьютеров с использованием хорошо исследованной области троичных вычислений [39].

Аналогом бита в квантовом компьютере является «кубит». Данные, сохраненные традиционными компьютерами в троичной системе, называются «тритами»; их квантовый эквивалент носит название «кутрит». Подлинное новаторство метода Ланьона в том, что, используя в универсальных квантовых вентилях кутриты вместо кубитов, исследователи могут существенно снизить количество необходимых вентилей.

Ланьон утверждает, что компьютер, содержащий 50 традиционных квантовых вентилей, сможет обойтись всего девятью, если в нем будет реализовано троичное представление информации.

К сожалению, существующие квантовые системы пока не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо слишком подвержены влиянию шумов. Классический предел точности традиционных квантовых вычислительных систем составляет 86−89% [39]. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера не существует. Требуется лишь преодолеть технологические трудности.

Молекулярный биокомпьютер

Методы построения молекулярных биологических компьютеров различны. Принципиальным является, какие схемотехнические решения в них заложены: аналоги твердотельных компьютеров или живых систем, а также способы представления и передачи информации.

В эксперименте, описанном в [40], скорее «биосхема», чем биокомпьютер, представляет собой генную сеть, способную выполнять логическую функцию. Система информации является двоичной, логика — положительной, логическая единица кодируется наличием люминесцентных меток в молекуле белка, логический ноль — его отсутствием. Реализация логических функций (имитация работы процессора) осуществляется за счет химических реакций.

К сожалению, реакция таких схем (реализация логики) является медленной (несколько часов), и использование их для создания новых компьютеров или суперкомпьютеров является сомнительным. Однако они могут найти применение в качестве анализаторов в будущих системах медицинской диагностики (наносенсоры).