Развитие научно-технического прогресса в области IT-технологий не может не впечатлять. Сегодня это звучит смешно, но в американских научно-популярных изданиях 60-х годов прошлого века ученые прогнозировали, что к 2050 году компьютеры будут занимать по размерам... не более комнаты. В принципе, их можно понять — ЭВМ (электронно-вычислительные машины) того времени представляли собой огромные устройства, которые весили порядка 10 тонн, занимали целый этаж и требовали для обслуживания целую команду техников. Вычислительная же мощность была настолько небольшой, что с тогдашними компьютерами сегодня готов потягаться любой карманный калькулятор. Одновременно стоит подчеркнуть то, что больше ни в одной области человечество так быстро не развивалось и не развивается. Например, автомобиль прошлого века конструктивно мало чем отличается от машин современности, покорение космоса так и осталось на уровне единичных полетов на орбиту, а эпидемия гриппа до сих пор приводит к массовой панике.
Компьютеры — другое дело. Мы помним середину 1990-х, когда вершиной прогресса считался IBM 486 с тактовой частотой 50 мегагерц, а уже в 2000 году в магазинах начали продажу компьютеров с частотой 700—900 мегагерц — за 5—6 лет мощность выросла в 15—20 раз! Однако сейчас стандартный компьютер обладает частотой в 3 гигагерца, что лишь в 3—5 раз мощнее показателей 5-летней давности, а производители сейчас делают упор не на мощность, а на компактность. Неужели — все?
Вовсе нет. Просто обычному потребителю большая мощность и не нужна, либо он просто не готов за нее платить. Но для научных целей в данный момент разработаны суперкомпьютеры, вычислительная мощность которых составляет 1,38 петафлопс. (Флопс — величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. Например, мощность калькулятора составляет 10 флопс, а 3-гигагерцевого компьютера — 50 гигафлопс. Соответственно упомянутый суперкомпьютер в 1,38 миллиона раз мощнее стандартного ПК из магазина). Казалось бы, мощнее уже не бывает. Однако и это еще далеко не конец. Известный американский футуролог Дэйв Эванс считает, что в будущем появится квантовый компьютер. "Представьте себе пять тысяч планет, каждая размером с Землю, полностью покрытых обычными компьютерами. Квантовый ПК будет иметь ту же вычислительную мощность, что и все они вместе взятые", — считает эксперт. "Сегодня" выяснила, когда это возможно и какие последствия для человечества будет нести появление такого сверхразума.
ИСТОРИЯ: КОМПЬЮТЕР — НЕ ТОЛЬКО ЭВМ
Паскалина. В XVII веке суммировала десятичные числа
Чтобы лучше понять, каким образом будут работать компьютеры нового поколения, нужно вернуться к истокам. Дело в том, что в современных реалиях слово "ЭВМ" и слово "компьютер" являются синонимами. Однако это не совсем верно — в мире существует множество компьютеров, работающих без какой-либо электрики. Впервые создать механизм для упрощения математических вычислений додумались еще в Древней Греции — это было механическое устройство на базе зубчатых передач. В XVII столетии по пути греков пошли немецкие ученые, создавшие механические калькуляторы, легко справляющиеся с арифметикой. Одно из древнейших устройств дожило до наших дней — до сих пор остались инженеры, умеющие пользоваться логарифмическими линейками. Созданные в 1920-х и 1930-х годах компьютеры также были механическими, и лишь в 1942-м году была построена первая электронная машина.
ИДЕЯ: КВАНТОКОМПЬЮТЕР ОСНОВАН НА МЕХАНИКЕ
Аналог. Этот компьютер выводит информацию в виде графиков
Казалось бы, зачем нам вспоминать про древние артефакты, если у каждого на столе сейчас стоят персоналки с огромными возможностями, а в карманах лежат смартфоны. Но не зря говорят о том, что все новое — хорошо забытое старое. В 40-х годах человечество пошло по пути развития именно электронных машин, однако не стоит забывать о том, что механические системы стали называть аналоговыми. Принципиальное их различие состоит в том, что если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на изменения первоначальных условий.
Аналоговые системы широко используют до сих пор, например, осциллограф практически не менялся в течение 60 лет, а телевизоры с кинескопами выпускают до сих пор. Другой пример — системы ПВО, оснащенные гибридными (аналого-цифровыми системами): аналоговая система просчитывала перемещение летающих объектов, а цифровая часть корректировала систему точного наведения ракеты в том случае, если объект повел себя нестандартно и, например, отклонился от заданного курса. Квантовый компьютер — также своего рода гибрид. Это — цифровое устройство, но с аналоговой природой (обрабатывает непрерывный поток данных).
ТЕХНОЛОГИЯ: ЛУЧШЕ ПОДОБРАТЬ, ЧЕМ ПОСЧИТАТЬ
Наверняка все знают анекдот про блондинку и программиста. Когда парня спросили о том, какая вероятность встретить на улице динозавра, он высчитал, что не более 2%. Девушка же на этот вопрос ответила, что "50% — либо встречу, либо не встречу". Как это ни странно звучит, логика работы квантового компьютера больше похожа на мышление блондинки из анекдота — она рассматривает все с точки зрения квантовой суперпозиции. Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определенный промежуток времени. Или не мог бы. В квантовой механике у атома может быть некое объединенное состояние — "распада/не распада", то есть ни то, ни другое, а как бы между. Что же дает такой подход?
КУБИТ — ВСЕМУ ГОЛОВА. В обычном компьютере информация хранится в битах, которые принимают значения 0 или 1. Ячейками памяти управляет логический вентиль, выполняющий элементарные логические операции. Ячейкой хранения информации в квантовом компьютере является квантовый бит (quantum bit, qubit), или кубит. Это квантовая частица, которая может иметь два состояния (одно принимается за 0, другое — за 1). Физически кубит может быть устроен по-разному: это может быть атом, имеющий два энергетических состояния (чаще используется квантовая точка, или искусственный атом: маленький фрагмент проводника или полупроводника), атомное ядро или электрон, имеющий два возможных значения спина — вниз и вверх или сверхпроводящее кольцо, в котором ток может течь в двух направлениях.
N кубит (по данным словарей, надо говорить пять бит, но много битов, логично склонять кубит так же) могут, как и N бит, иметь 2N возможных состояний, однако принципиальное отличие состоит в том, что кубиты могут находиться в суперпозиции этих состояний и быть при этом запутанными между собой. Это значит, что система из нескольких кубитов (квантовый регистр) находится в каждом из состояний с некоторой вероятностью, а самое главное, это значит, что за счет запутанности можно изменить сразу все 2N состояний. В классическом компьютере такая операция потребовала бы 2N шагов. Это обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений, и именно это является основой мощности квантовых компьютеров — все операции производятся одновременно, а из результатов выбирается вариант ответа, который является наиболее правильным с точки зрения теории вероятности.
ПРОТОТИПЫ УМЕЮТ НЕМНОГОЕ. На сегодняшний день в мире создано до 10 прототипов квантовых компьютеров. И умеют делать они пока, увы, немного. Так, в 2001 году корпорация IBM создала управляемый ядерно-магнитным резонансом квантовый компьютер из семи кубит, который смог лишь разложить число 15 на простые множители — 5 и 3. Но в 2009-м году ученым из Национального института стандартов и технологий США удалось собрать 2-кубитный компьютер. Два кубита реализованы как ионы бериллия в маленькой (200 нанометров) магнитной ловушке. Кроме бериллия в ловушках также имеются ионы магния, которые минимизируют посторонние вибрации и добавляют стабильности. Исследователи заставили кубиты "работать" с помощью лазерных импульсов в ультрафиолетовом диапазоне. Однако вероятность результатов — лишь 80%.
УСТРОЙСТВО КВАНТОКОМПЬЮТЕРА
Супервычисления получаются в результате воздействия магнитного поля на центральный процессор.
A. Процессор. Компьютер построен на кремниевом чипе, который содержит 16 кубит (эквивалентных битам в обычном компьютере), соединенных друг с другом.
B. Кубит. Каждый кубит состоит из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности.
Б. Работа. Электрический ток, протекающий по катушке, генерирует магнитное поле, а оно, в свою очередь, вызывает изменение состояния кубита.
Г. Результат. Поскольку известно, как ниобий реагирует на магнитные поля, и параметры магнитных полей можно легко измерить, то их изменения, вызванные ниобием, могут быть переведены в результат, который и является решением задачи.
Источник данных: D-Wave
НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ: ОПТОКОМПЬЮТЕР
Оптика. Ускоряет вычисления в 100 раз
Несмотря на то, что прототипы квантовых компьютеров уже работают, до их какого-либо практического использования еще далеко. В качестве альтернативы кремниевому процессору, ученые еще в 80-х годах разработали оптический — он использует специальные элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции представлены как взаимодействие вещества со светом. В 2003 году компания Lenslet создала первый в мире оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, как созданная в 1990 году, а коммерческий продукт, который можно было купить. Процессор назывался EnLight256, а его производительность составляла 8 триллионов арифметических операций в секунду! Такие результаты достигнуты именно за счет манипуляции потоков света, а не электронов. До массового производства таких компьютеров дело пока не дошло, но разработчики говорят, что это будет переходной вариант между квантовым и кремниевым.
ПЕРСПЕКТИВА: КОМПЬЮТЕРЫ НА ДНК
Наноробот. Создан из ДНК
Ученые из университета Иерусалима представили технологию, призванную совершить революцию в медицине — представили логический вентиль, созданный на основе молекул ДНК. Дело в том, нити всегда закручены в определенной последовательности и образуют друг с другом прочное соединение. В эксперименте ученых каждая из нитей представляла значение 1, если присутствовала, и 0, если отсутствовала. Помимо создания единичного работающего логического вентиля, ученые также получили систему из последовательно работающих вентилей, реализующих различные логические функции. Теоретически развитие этой работы может привести к созданию компьютера из ДНК, способного выполнять элементарные арифметические операции — сложение и вычитание. Зачем? В будущем можно будет создавать нанороботов, которые 24 часа в сутки следили бы за состоянием организма.
ЧТО ДАЛЬШЕ?
Несмотря на оптимистические прогнозы футуролога Дэйва Эванса (предсказал появление новых суперкомпьютеров уже через 15 лет), многие мировые ученые сомневаются в таком прогнозе, а некоторые и вовсе считают, что компьютер, обладающий настолько высокой мощностью, не будет создан никогда. Однако все мировые эксперты сходятся в одном: мощность компьютеров однозначно будет расти. Более быстрые вычисления позволят производить моделирование в химических процессах и, как результат, создавать новые лекарства, материалы с программируемыми свойствами, транспортные средства с искусственным интеллектом, системы прогнозирования погоды и катастроф. В перспективе — системы управления космическими кораблями во время межпланетных перелетов.
Главные темы