Перспективы развития персональных компьютеров

Инженеры пропускают по оптоволокну  все больше и больше коротковолновых  световых лучей. В последнее время  для управления ими применяются  чипы типа TI DMD с сотнями тысяч  микрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей – уже 280 Мбит/с. Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в 10 Гбит/сна один световой луч определенной длины волны в одном оптическом волокне.

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу  на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали  молекулы жидких кристаллов, управляющие  светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным  создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции  электронных компьютеров.

Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи – вплоть до «последней мили» на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.

Квантовые компьютеры. Квантовый  компьютер будет состоять из компонентов  субатомного размера, и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир – очень странное место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности. Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях «включено», «выключено» и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций - вот истинный пример массово-паралельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.

Уже есть несколько действующих квантовых компонентов – как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или «псевдоатомов». Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической «1», а вторая – «0». Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Теоретики утверждают, что  компьютер, построенный на принципах  квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность  ошибки. Так как в основе квантовых  вычислений лежат вероятностные  законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и «1», и «0» с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.

Речь о квантовых компьютерах  пойдет в третьей главе.

3 КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

3.1 Необходимость создания квантового компьютера

В ведущих мировых научных  центрах и в крупных компаниях  ведутся активнейшие исследования проблемы создания квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры обещают решительный  прогресс в решении многих научных  и технологических проблем. И не только.

В частности, показано, что  если удастся построить реальный квантовый компьютер, то он будет  способен вскрыть значительную часть  зашифрованных текстов, связанных  с военным делом, разведкой, дипломатией, бизнесом, закодированных сообщений, передающихся по Интернету и т.д. Важно, что исследования по квантовым компьютерам ведутся не только в университетах и чисто научных организациях, но и в крупных компаниях, например, в BellLab, IBM, Microsoft и т.д. Такие исследования ведутся в исследовательских лабораториях NEC в Японии.

В октябре 2011 г. А. Хренников читал лекцию по основаниям квантовой механики в Bell’sLabв Муррей-Хилл. Фирма LucentTechnology находится сейчас в тяжелом экономическом положении. Количество ученых, работающих в Bell’sLab было сокращено почти в два раза. А отдел по квантовой информации и квантовым компьютерам не только не сокращается, а наоборот расширяется. Исследования по квантовой информации также проводятся в Центре А. Хренникова в Швеции.

Атомный квантовый компьютер. Несколько лет назад И. Воловичем был предложен простейший пример квантового компьютера из одного атома. Атомный квантовый компьютер – это просто один атом.

Самое простое объяснение тому, зачем нужно заниматься квантовыми компьютерами сводится к следующему: к этому приводит развитие современной компьютерной техники – миниатюризация. Работа любого компьютера, в конечном счете, сводится к элементарным логическим операциям: И, Или, Нет. Устройства, совершающие эти операции, становятся все меньше по размерам, и в скором времени будут играть роль квантовые эффекты. Когда это наступит, мы вынуждены будем проектировать компьютеры по законам квантовой механики и квантовой логики.

Второй довод. Математически  доказано, что квантовые компьютеры могут решать задачи существенно  быстрее, чем классические. В частности, знаменитый квантовый алгоритм Питера Шора способен решать задачу факторизации целых чисел за полиномиальное время. Поскольку именно на трудности задачи факторизации основаны многие современные криптосистемы, это может позволить вскрыть многие секреты. Мы знаем, что опытные образцы квантовых компьютеров существуют уже несколько лет. А возможно, уже построен и практически полезный квантовый компьютер, только об этом не сообщено в средствах массовой информации.

Иногда высказывается  мнение, что если построить достаточно мощный компьютер, то он сможет решить любую прикладную задачу. Однако это  иллюзия. На самом деле процессы передачи и переработки информации происходят по физическим законам, и установлены  принципиальные ограничения на допустимую сложность поддающихся решению  задач. Это так называемые задачи полиномиальной сложности.

Огромное множество задач, имеющих важное прикладное значение, в частности, краевые задачи для  дифференциальных уравнений, являются задачами экспоненциальной сложности. Их принципиально невозможно решить с достаточной точностью на классическом компьютере за обозримое время. Конечно, поскольку эти задачи важны для  практики, их все равно решают на компьютерах. Однако, как правило, точность мала и берутся грубые приближения. Новые возможности здесь открывает  квантовый компьютер.

Но на пути создания квантовых  компьютеров стоит серьезная  проблема, а именно проблема квантовой декогерентности. По существу – это проблема неустойчивости. Исследование проблемы неустойчивости плазмы в термоядерном синтезе, кстати, потребовало огромных усилий. У И. Воловича есть работа, в которой анализируется эта проблема и предложен некоторый механизм стабилизации при помощи контроля макроскопических параметров. Формальное математическое определение квантового компьютера следующее:

Квантовым компьютером называется квантовая машина Тьюринга. Другое, эквивалентное, определение: квантовый компьютер – это равномерное семейство квантовых сетей. Эти подходы были разработаны Дэвидом Дойчем в 80-е годы и сейчас являются общепринятыми. И. Волович с японским коллегой, проф. МасанориОйя (деканом факультета информатики в Токийском Университете) написали книгу о квантовых компьютерх, телепортации, криптографии. В ней изложен новый, более общий подход к самому определению, что такое квантовый компьютер. Например, в атомном квантовом компьютере возможно строить нелинейные квантовые логические элементы. Другая идея – это усилитель на основе хаотической динамики.

Принцип работы квантовых  компьютеров радикально отличается от классических компьютеров, он использует квантовую механику и квантовую логику. В квантовой логике имеются дополнительные возможности, например, корень квадратный из НЕТ. Они реализуются при помощи унитарных матриц. Это одна из причин, почему квантовый компьютер будет существенно мощнее классического. Другая причина – квантовый параллелизм. Согласно квантовой механике электрон не имеет траектории, его местоположение возникает в момент наблюдения, т.е. взаимодействия с наблюдателем. Поэтому, если мы примем квантовый подход к сознанию, то можно сказать, что сознание не имеет локализации в пространстве. Локализация возникает в момент «наблюдения», т. е. взаимодействия сознания с мозгом.

Эти соображения, по видимому можно связать с принципом психофизического параллелизма фон Неймана. Процесс мышления, не основанный на логических рассмотрениях. Наиболее известные математические модели мышления основаны на представлении работы мозга как вычислительной машины. А. Хренников вместе со своими шведскими аспирантами развивает модели мышления, которые не основаны на логических рассуждениях. В соответствии с этими моделями существенная часть нашего мышления может быть описана итерациями так называемых динамических систем на деревьях.

Интересно, что А. Хренниковым  с коллегами существенно используются идеи Фрейда о сознательных и подсознательных  мыслительных процессах. Динамические системы работают в подсознании, мы не замечаем миллионов итераций этих систем. А вот аттракторы, к  которым притягиваются итерации мыслей, и являются нашими сознательными мыслями. Конечно, не все так просто в p-адической математической модели для теории Фрейда – не все аттракторы могут беспрепятственно уйти из подсознания в сознание. Существует цензура, которая препятствует продвижению аттракторов из подсознания в сознание.

Одно из удивительных и неожиданных свойств p-адической модели – сильнейшая зависимость от параметра p. Две мыслящих системы, которые используют различные p для построения своих мыслящих деревьев, будут демонстрировать очень разное поведение. Например, поведение 2-адического человека существенно отлично от поведения 3-адического человека. То есть уже на уровне кодирования, 2-адическое – белое-черное, 3-адическое – белое-розовое-черное, закладываются гигантские различия. Например, А. Хренниковым с коллегами из Бремена строятся p-адические модели депрессии, в ходе которых было совершенно неожиданно обнаружено, что, чем больше p, тем меньше вероятность перехода в депрессивное состояние, состояние неконструктивного поведения, состояние отсутствия аттракторов. 2-адический, черно-белый человек, имеет очень большие шансы впасть в депрессию. А, например, 7-адический человек существенно более устойчив.

Одна из причин, по которой  квантовое пытаются ассоциировать с сознательным – это загадочность и того, и другого. Даже через 100 лет после создания квантовой механики, мы ее не слишком-то понимаем. Как говорил Фейнман: «Никто не понимает квантовую механику!» Есть математический аппарат, который позволяет производить важнейшие физические расчеты. Действительно, опыт интерференции частиц на двух отверстиях очень трудно понять на интуитивном уровне. Что лежит за этим – сплошная мистика. Точно также обстоит дело с сознанием. Так возникла мысль, а не связать ли их вместе?!

Но есть вопрос по существу: все квантовые процессы протекают  в микромире, там другая шкала  расстояний, времен, температур. А сознание реализуется на уровне молекул, нейронов. Как перепрыгнуть этот гигантский провал между двумя мирами? Этот вопрос обсуждался нашими участниками с  одним из создателей гравитационной модели квантового сознания Роджером Пенроузом, но ответ не был получен. Однако, И. Волович отвечает на него следующим образом: существуют макроскопические квантовые явления, это хорошо всем известные сверхтекучесть и сверхпроводимость. Хотя точка зрения И. Воловича на проблему сознания отличается от подхода Пенроуза. Ему представляется, что сознание – это индивидуальное квантовое явление.

Квантовая механика не только не умеет описывать индивидуальные квантовые эффекты, но большинство  из отцов-основателей квантовой  механики считали, что это и в  принципе невозможно. Однако индивидуальные квантовые явления, очевидно, существуют. В каждом конкретном эксперименте мы имеем дело, прежде всего, с индивидуальными квантовыми явлениями, например, на фотопластинках. Однако квантовая вероятность – это не Колмогоровская вероятность, в ней отсутствует классическое вероятностное пространство. Для того, чтобы глубоко понять работу сознания, нужно разработать теорию индивидуальных квантовых явлений. И. Волович предпринял попытку подхода к этим вопросам на основе теории так называемых мотивов французского математика Гротендика. Этальные когомологии ближе квантовой реальности, чем традиционные канторовскиетеоретико-множественный представления.

Квантовый подход к сознанию, в частности, помогает понять проблему свободы воли. Фрейд в своем  психоанализе неявно пользовался представлениями  классического физического детерминизма. Это представлялось самоочевидным  до создания квантовой механики. Так  же как представлялись самоочевидными представления классической логики, о которых говорилось выше. Однако квантовый индетерминизм оставляет  будущее открытым, снимает классическую предопределенность. В квантовой  картине мира остается пространство для свободы воли.

3.2 Структура квантового компьютера

Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров  привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейн-ман. Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.

И все же долгое время  оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения  практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник  фирмы LucentTechnologies (США) П. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел (о важности этой задачи уже шла речь во введении). По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.