Новые технологии
Содержание
Введение
. Общая характеристика
1.1 История AIESEC и Breakpoint
. Нанотехнология
.1 Что же такое нанотехнологии
2.2 Интересное в нанотехнологиях
. Новые технологии
.1 Нанотехнологии в информационных
технологиях
.2 V поколение ЭВМ
.3 Квантовые компьютеры
.4 Типы квантовых компьютеров
.5 Область применение квантовых
компьютеров
.6 Проблемы создания квантовых
компьютеров
Заключение
Список литературы
Введение
Производственная практика является важным этапом
подготовки квалифицированных специалистов. Она является видом
учебно-вспомогательного процесса, в ходе которого закрепляется теоретические
знания на производстве. Практика является завершающим этапом в процессе
подготовки специалиста к самостоятельной производственной деятельности.
Данная производственная практика проходила на
всероссийском техническом форуме Breakpoint. Основателем является международная
молодежная организация AIESEC.
Breakpoint - III-ий
всероссийский форум для студентов и выпускников технических специальностей.
Это трехдневная площадка, где
участники смогут познакомиться с:
экспертами, которые расскажут
про основные тенденции в технической сфере
крупными компаниями, которые
расскажут о своих стажировках и вакансиях
активными студентами
технических специальностей со всех городов России
На форуме участник сможет:
поучаствовать в мастер-классах
и тренингах
узнать основные направления
технического развития
определиться с дальнейшими
шагами
Также в рамках Breakpoint можно
узнать, как создать и реализовать свою идею.
Рис.1 Основные направления на форуме
Зачем идти на форум?
Узнать направления развития технической сферы.
Понять роль технического специалиста в России и
в мире.
Начать создавать: собственную идею или будущую
карьеру.
Программа и описание
Обзор тренингов и мастер-классов.
день
«Мир 2015»
Выступление эксперта научно-технической сферы о
современном мире. Обзор технологий, которые влияют на развитие мира: био- и
нанотехнологии, робототехника, технологии дополнённой реальности и проч.
“Эпоха идей”
Обзор основных трендов в технической сфере,
таких как: геномика, альтернативная энергетика, перспективы развития
робототехники, изменения в сфере машиностроения.
“Механика будущего”
Мозговой штурм технологических идей, которые
способствуют росту уровня и комфорта жизни окружающего мира. Обсуждаение в
группах видения технологий будущего.
«Аксиома»
Выступление эксперта технической области,
который расскажет о своих ценностях, и как они помогли ему в достижениях в
работе.
день
Программа «Проектная лаборатория»
Программа для студентов и недавних выпускников
технических специальностей ВУЗов России, у которых есть собственная идея
проекта/бизнеса, направленная на получение достаточных знаний для ее
реализации.
«Карта возможностей»
Ярмарка вакансий в формате квеста для студентов
и недавних выпускников, которые ищут возможности дальнейшего развития в
компаниях. Два направления квеста:
стажировки и работа;
образование, онлайн-обучение, тренинги,
курсы, лекции
Программа «Карьерная лаборатория»
Секция по решению бизнес-кейсов от компаний в
интерактивном формате, направленных на развитие навыков коммуникации и работы в
команде.
день
«Технологии успеха»
Выступления лидеров, деятелей технической сферы
о том, как добиваться своих целей и преодолевать трудности на пути к мечте.
«Импульс»
Тренинг-мастерская о том, как воплотить свои
идеи в жизнь.
.
Общая характеристика
AIESEC (аббревиатура от фр.
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%86%D1%83%D0%B7%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA>
Association
internationale des étudiants en sciences économiques et
commerciales)
- это международная молодежная некоммерческая не политическая независимая
организация, полностью управляемая студентами и недавними выпускниками с целью
раскрытия и развития лидерского и профессионального потенциала молодежи для
внесения позитивного вклада в общество.объединяет 86 000 молодых людей в 124
странах мира и сотрудничает с более чем 2400 университетами. Более 24 000
студентов ежегодно получают лидерский опыт, являясь руководителем проекта или
управляя отделением организации в городе/стране. Около 23000 студентов и
недавних выпускников по всему миру принимают участие в международной программе
стажировок AIESEC.
В России AIESEC действует в 38
городах и сотрудничает с более чем 150 университетами. Членами организации
являются около 2000 студентов и недавних выпускников университетов
1.1 История
AIESEC и Breakpoint
Учредители AIESEC начали построение
организации между 1946 <https://ru.wikipedia.org/wiki/1946>-1948
<https://ru.wikipedia.org/wiki/1948>, но чёткое видение и миссия были
сформированные только на Международном конгрессе в Стокгольме <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BC>
в 1949 <https://ru.wikipedia.org/wiki/1949>.
На конгрессе в Стокгольме в 1949
была официально учреждена организация AIESEC (фр.
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%86%D1%83%D0%B7%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA>
Association
International des Etudientes en Science Economique et Commercial). Миссией
организации стало «развитие дружеских взаимоотношений между странами и
народами». Основным средством для достижения этой цели был признан
международный обмен студентами. Был определён статус международной,
негосударственной, некоммерческой и неполитической организации.
Представители Бельгии
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B3%D0%B8%D1%8F>,
Дании <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F>,
Финляндии
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BD%D0%BB%D1%8F%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%8F>,
Франции <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F>,
Голландии
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B8%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%8B>,
Норвегии
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%BE%D1%80%D0%B2%D0%B5%D0%B3%D0%B8%D1%8F>
и Швеции <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%B2%D0%B5%D1%86%D0%B8%D1%8F>
поставили свои подписи на учредительных документах. С 1949 года AIESEC
развивался быстрыми темпами: членами ассоциации стали более 100 стран. Ежегодно
проходило порядка 5 000 международных стажировок.
Форум Breakpoint был придуман в
2013 году в Москве. Идея форума была в том, чтобы предоставить студентам
технических специальностей возможности для развития. А компаниям, мечтающим о
квалифицированных кадрах - возможности поиска.
В тот год пришло более 300
участников. Также на форуме присутствовали студенческие СМИ, которые сняли
небольшой репортаж.
Слоган форума был: «Определяя
вектор изменений». Организаторы создали атмосферу, где участники хотели
меняться и менять Россию.
В 2015 году мы ожидаем более
800 участников и более 100 спикеров.
Форум пройдёт под слоганом :
«Импульс в будущее». В этот раз, хотелось бы дать участникам те знания и
навыки, которые будут неким толчком в лучшее будущее.
В этот раз Breakpoint будет уже
в 10 городах России.
.
Нанотехнология
Слышали ли вы о нанотехнологиях? Я думаю да, и
неоднократно. Нанотехнологии - высокотехнологичная отрасль, работающая с
отдельными атомами и молекулами. Такая сверхточность позволяет на качественно
новом уровне использовать законы природы на благо человека. Разработки в
области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в
медицине, машиностроении, геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве,
биологии, кибернетике, электронике, экологии. С помощью нанотехнологии возможно
осваивать космос очищать нефть, победить многие вирусы, создавать роботов,
защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры. Можно сказать, что
развитие нанотехнологий в XXI веке изменит жизнь человечества больше, чем
освоение письменности, паровой машины или электричества. Наномир сложен и пока
еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось
несколько лет назад. В своей работе я постараюсь популярно объяснить сущность
нанотехнологий и рассказать о достижениях в этой отрасли науки. Так как считаю
ее наиболее актуальной и востребованной на сегодняшний день.
.1 Что же такое нанотехнологии
Приставка «нано» (по-гречески- «карлик») означает
«одна миллиардная доля». То есть один нанометр (1 нм)- одна миллиардная доля
метра (10-9 м). Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это
сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по размеру как копеечная
монета и Земной шар. Или уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) - тогда
блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. А если бы рост
человека вдруг уменьшился до нанометра, то мы могли бы играть в футбол
отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной 170
километрам. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа - вирусы (их
длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в 10 нм
- такие размеры имеют сложные молекулы белков. Простые молекулы в десятки раз
меньше. Величина атомов - несколько ангстрем (1 ангстрем = 0,1 нм). Например,
диаметр атома кислорода - 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира, мира
наномасштабов - от сотен до едениц нанометров. Именно в наномире идут процессы
фундаментальной важности - совершаются химические реакции, выстраивается
строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают
нанотехнологи. Вообще говоря, нанотехнологии не являются самостоятельным
разделом науки. Скорее, это именно комплекс прикладных технологий,
фундаментальные основы которых изучаются в таких дисциплинах, как коллоидная
химия, физика поверхности, квантовая механика, молекулярная биология и т. п.
Что такое нано? Приставка «нано» («нанос»
по-гречески - карлик) означает «одна миллиардная доля». Один нанометр (1 нм) -
одна миллиардная доля метра (10Љ м). Как представить себе такую короткую
дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся
по масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Земли
даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора.
Даже если некоторые, как обычно, пожадничают). Уменьшим слона до размеров
микроба (5000 нм) - тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в
нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы
играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда
равной… 170 километрам. Конечно, это только фантазии. Таких крошечных
человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь
самые примитивные существа - вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа
заканчивается на рубеже примерно в десять нанометров - такие размеры имеют
сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки
раз меньше. Величина атомов - несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм).
Например, диаметр атома кислорода - 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница
наномира, мира наномасштабов - от сотен до единиц нанометров.
Именно в наномире идут процессы фундаментальной
важности - совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия
кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи.
Нанотехнологии - это способы создания наноразмерных структур, которые придают
материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства.
Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно
нацелить ее на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр,
пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но
слишком тесны для примесей и микробов, - тоже продукт нанотехнологий. В
лабораториях нанотехнологов испытываются суперматериалы - волокна из
нанотрубок, которые в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет
невидимым. Ну, а не столь фантастические виды нанопродукции уже продаются в
магазинах. Слово «нанокосметика» все чаще звучит в рекламных роликах:
наночастицы, входящие в состав косметических кремов, удаляют мельчайшие
загрязнения с кожи. Известно, что микробы не любят серебро, но оказывается, что
в виде наночастиц оно их просто приводит в ужас и обращает в бегство. Ткани с
добавками такого серебра набирают популярность у истинных ценителей гигиены -
из них даже делают «наноноски». Впрочем, многие из давно привычных вещей тоже
невозможны без «нано»: процессор вашего компьютера содержит миллионы
наноразмерных транзисторов, над дисплеем тоже, скорее всего, поработали
нанотехнологи. «Нано» уже повсюду - военные используют нанотехнологии, медики
используют нанотехнологии, даже производители продуктов питания, и те
используют нанотехнологии.
.2 Интересное в нанотехнологиях
Эффект лотоса. Известно, что лотос действительно
обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и
очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются
удивительно чистыми. Но как ему удается добиться такой сверхгидрофобности.
«Эффект Лотоса» был открыт в 1990-е гг. немецким ботаником, профессором
Вильгельмом Бартлоттом. Он показал, что лепестки цветка покрыты крошечными
шишечками или «наночастицами». Но лист вдобавок как бы намазан воском. Он
вырабатывается в железах растения, что делает его совершенно неуязвимым для
воды. На основе этого свойства и с помощью современных нанотехнологий были созданы,
так называемые, лотосовые покрытия. При нанесении состава на поверхность
образуется слой полимера, который преобразует молекулярную матрицу поверхности,
при этом создается устойчивая атомная структура и формируется гидрофобная
поверхность, обладающая сильными защитными свойствами. Эта поверхность способна
противостоять любым воздействиям извне. Лотосовые покрытия незаменимы во многих
сферах жизни человека. Создание стекол, с которых стекают мельчайшие капельки
воды с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальной
одежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий. Это только единичные примеры
использования уникального свойства лотоса.
Полезная пыль. Одним из самых массовых видов
нанопродукции являются ультрадисперсные порошки. Измельчение веществ до
наночастиц размерами в десятки или сотни нанометров часто придает им новые
полезные качества. Дело в том, что такая наночастица состоит всего лишь из
нескольких тысяч или миллионов атомов, поэтому все они оказываются близко к
поверхности, на границе с внешним миром, и энергично с ним взаимодействуют.
Суммарная поверхность частиц в таком нанопорошке становится огромной.
Например, серебро в форме наночастиц становится
чрезвычайно губительным для бактерий - это его свойство успешно применяется в
современных ранозаживляющих повязках, а также в антимикробных тканях.
Нанопорошок из отработанных шин при добавлении в сырье для асфальта делает
дорожное покрытие чрезвычайно износоустойчивым. Нанопорошки глины в последние
годы активно используют в изолирующих покрытиях силовых кабелей - такая
изоляция очень плохо горит, и это очень хорошо для безопасности зданий.
Наночастицы диоксида титана (основы всем известных титановых белил) являются
очень эффективным фотокатализатором и используются как активный элемент в
фильтрах бытовых воздухоочистителей. А наночастицы платины используют в
каталитических дожигателях современных автомобилей для уменьшения выброса в
атмосферу вредных веществ.
Наномедицина. К сожалению, медицинский наноробот
(нанобот), описанием которого так любят щеголять в популярной литературе, - это
фантастика. Однако это не умаляет успехов нанотехнологий в современной
медицине. Одно из основных направлений работы - нанокапсулы для адресной
доставки лекарств. Такой метод позволяет воздействовать только на пораженные
клетки, не повреждая при этом здоровые. Эта идея была сформулирована еще в
начале XX столетия немецким врачом Паулем Эрлихом и названа им «волшебной
пулей» - но лишь нанотехнологии (например, помещение действующего вещества в
капсулу из липосом) позволили добиться ее реализации. Препараты такого типа
(липосомальные) для лечения некоторых форм рака и грибковых инфекций,
гепатопротекторы и даже противогриппозные вакцины выпускаются серийно уже с
середины 1990-х годов.
. Новые технологии
.1 Нанотехнологии в информационных технологиях
В развитых зарубежных странах
нанотехнологиям уделяется большое внимание - создаются исследовательские
институты, развернута подготовка специалистов. В США этими вопросами занимаются
такие известные фирмы, как Intel, MEMS Industry Group, Sandia National Labs.
Рассматриваемый круг вопросов - от ручки без разбрызгивания чернил до
беспроволочной передачи данных, оптических устройств управления оружием и
миниспутников. Агентство перспективных разработок МО США реализует программу
"Умная пыль", направленную на создание сверхминиатюрных устройств,
способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды,
накапливать и передавать информацию.
Очень значимое достижение в
области нанотехнологий - создание ядра операционной системы.
Ядром - центральная часть
операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к
ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное
обеспечение. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых
протоколов.
На данное время уже выпущены
операционные системы на основе 2, 4 и 6 ядер.
Так же, ученые из Пердью (штат
Индиана, США) явили миру новый теплоотводный интерфейс, призванный защищать
микросхемы будущего от перегрева. Ученые решили отказаться от традиционного
интерфейса на мазевой основе, содержащей мелкие металлические частицы. Вместо
этого они предложили выращивать теплоотводные элементы прямо на поверхности
микросхемы. В результате поверхность чипа покрывалась целым лесом
наноскопических углеродных нанотрубочек, которые и представляли собой основу
нового теплоотводного интерфейса. Для выращивания нанолеса на поверхности
полупроводника были нанесен рисунок с использованием специальных шаблонов из
молекул с разветвленной цепью, именуемых дендримерами (dendrimers). Затем в
точках разветвления рисунка были размещены частицы-катализаторы роста
углеродных трубочек, выполненные из переходных металлов: железа, никеля,
кобальта или палладия диаметром порядка 10 нм. Обработанные катализаторами
полупроводники помещались в камеру с метановой атмосферой, где и происходил
собственно процесс "выращивания" углеродных нанотрубок с диаметром,
стремящимся к таковому частиц-катализаторов.
С точки зрения разработчиков,
похожий на ковровое покрытие, углеродный нанолес превосходит по эффективности
современные теплоотводящие материалы на мазевой основе. Еще одно неоспоримое
преимущество новой технологии - отсутствие необходимости в "чистой
комнате", т.е. процесс производства не требует создания специальных
стерильных условий, что, несомненно, способствует скорейшему внедрению новой
технологии в коммерческое производство.
.2 V поколение ЭВМ
Переход к компьютерам пятого
поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание
искусственного интеллекта.
Считалось, что архитектура
компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них -
собственно компьютер, в котором связь с пользователем осуществляет блок,
называемый «интеллектуальным интерфейсом». Задача интерфейса - понять текст,
написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие
задачи перевести в работающую программу.
Основные требования к
компьютерам 5-го поколения: Создание развитого человеко-машинного интерфейса
(распознавание речи, образов); Развитие логического программирования для
создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых
технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур
компьютеров и вычислительных комплексов.
Новые технические возможности
вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить
перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из
необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы
знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и
использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной
системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить
высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью
операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на
магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление
баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и
логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по
сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует
перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к
архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.
Отличительной особенностью
суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для
параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами -
векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный
конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист
выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном -
выдаёт сразу векторные команды.
.3 Квантовые компьютеры
нанотехнология технический квантовый
компьютер
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-параллельного 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.
Насколько близко мы подошли к
действующему квантовому компьютеру? Прежде всего необходимо создать элементы
проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить
взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно встроить узлы в полноценные
функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы
таких компьютеров могут появиться уже в 2005 году, а в 2010-2020 годах должно
начаться их массовое производство.
.4 Типы квантовых компьютеров
Строго говоря, можно выделить
два типа квантовых компьютеров. И те, и другие основаны на квантовых явлениях,
только разного порядка.
Представителями первого типа
являются, например, компьютеры, в основе которых лежит квантование магнитного
потока на нарушениях сверхпроводимости - Джозефсоновских переходах. На эффекте
Джозефсона уже сейчас делают линейные усилители, аналого-цифровые
преобразователи, СКВИДы и корреляторы. Известен проект создания RISC-процессора
на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum). Эта же элементная база используется
в проекте создания петафлопного (1015 оп./с) компьютера. Экспериментально
достигнута тактовая частота 370 ГГц, которая в перспективе может быть доведена
до 700 ГГц. Однако время расфазировки волновых функций в этих устройствах
сопоставимо со временем переключения отдельных вентилей, и фактически на
но-вых, квантовых принципах реализуется элементная база - триггеры, регистры и
другие логические элементы.
Другой тип квантовых
компьютеров, называемых еще квантовыми когерентными компьютерами, требует
поддержания когерентности волновых функций используемых кубитов в течение всего
времени вычислений - от начала и до конца (кубитом может быть любая
квантомеханическая система с двумя выделенными энергетическими уровнями). В
результате, для некоторых задач вычислительная мощность когерентных квантовых
компьютеров пропорциональна 2N, где N - число кубитов в компьютере. Именно
последний тип устройств имеется в виду, когда говорят о квантовых компьютерах.
.5 Область применение квантовых компьютеров
Существуют задачи, решение
которых с помощью обычного компьютера очень трудно найти, но легко проверить.
Время, затрачиваемое на решение таких задач, растет экспоненциально по
отношению к числу битов, которыми представлена задача. Именно здесь может
пригодиться естественный параллелизм квантовых вычислений, для которых быстродействие
увеличивается экспоненциально с возрастанием числа кубитов.
Одной из областей приложения
мощи КК может стать квантовая криптография и квантовый криптоанализ. Важным
событием являлось создание П. Шором квантового алгоритма факторизации. Эту
задачу также называют нахождением дискретного логарифма, и она является
основной преградой на пути расшифровки всех современных шифров. Так, например,
факторизация числа с 1000 знаков потребует 1025 лет работы 1000 современных
персоналок, то есть времени большего, чем возраст нашей родной вселенной,
которой «всего» 1010 лет. КК с регистром из 10 000 кубитов решил бы ту же
задачу за пару часов. Алгоритм Шора можно реализовать даже на КК с небольшим
числом кубитов (несколько десятков) и использовать уже в ближайшем будущем для
шифрования и расшифровки «на лету», обеспечивая тем самым безопасную связь.
Другая вершина, которую должен
покорить квантовый компьютер, -- это поиск записи в базе данных. Алгоритм для
ее решения с помощью КК предложил в 1997 году Л. Гровер. Если у нас имеется
база данных, содержащая 2N записей, и нужно найти одну, то современному
компьютеру потребуется в среднем 2N/2 обращений к базе. Квантовый алгоритм
Гровера прекрасно справится с задачей за 2N/2 обращений.
Одна из преград на пути
прогресса -- это задача на проектирование оптимальной микросхемы с заданной
функциональностью (PSPACE-задача). За решение частных ее случаев получают свои
зарплаты лучшие инженеры Intel и AMD. Ведь оптимальная микросхема -- это лучший
вариант из всех возможных. Именно его и поможет быстро находить квантовый
компьютер. Кроме того, родственными PSPACE-задачами являются и некоторые
проблемы искусственного интеллекта.
И, наконец, самое
парадоксальное применение КК - это моделирование других квантовых систем (как
говорил Ганеман, Similia similibus curantur (Подобное лечится подобным). Ведь
если бы такое моделирование было сегодня легко реализуемо, то с одной стороны,
исчерпали бы себя проблемы с конструированием КК, а с другой -- Ричард
Фейнманн, возможно, не написал бы своей статьи, породившей такой интерес к КК.
К квантовым системам, подлежащим моделированию, можно отнести молекулы сложных
химических соединений (например, белков), детали современных микросхем (те же
транзисторы в процессорах), разнообразные наноструктуры (но это уже из другой
модной области -- нанотехнологий).
Одним словом, создание
квантового компьютера позволило бы решать многие задачи проще, быстрее и с
меньшей затратой ресурсов.
.6 Проблемы создания квантовых компьютеров
Когда начался бум вокруг
квантовых вычислений, физики высказывались об этом более чем скептически.
Модель квантовых вычислений не противоречит законам природы, но это еще не
значит, что ее можно реализовать. К примеру, можно вспомнить создание атомного
оружия и управляемый термояд.
А если говорить о КК, надо
отметить одну очень серьезную проблему. Дело в том, что любая физическая
реализация будет приближенной. Во- первых, мы не сможем сделать прибор, который
будет давать нам произвольный вектор фазового пространства. Во-вторых, работа
любого устройства подвержена всяческим случайным ошибкам. А уж в квантовой
системе - пролетит какой-нибудь фотон, провзаимодействует с одним из спинов, и
все поменяется. Поэтому сразу возник вопрос, можно ли, хотя бы в принципе,
организовать вычисления на ненадежных квантовых элементах, чтобы результат
получался со сколь угодно большой достоверностью. Такая задача для обычных
компьютеров решается просто - например, за счет введения дополнительных битов.
В случае КК эта проблема
гораздо глубже. То место, где возникает новое качество KB по сравнению с
обычными вычислениями, - это как раз сцепленные состояния - линейные комбинации
базисных векторов фазового пространства. У вас есть биты, но они не сами по
себе живут в каких-то состояниях - это был бы просто вероятностный компьютер
(компьютер, дающий тот или иной ответ с определенной вероятностью), - а они
находятся в некоем смешанном состоянии, причем согласованно-смешанном. Из-за
этого в КК нельзя, например, просто взять и скопировать один бит в другой!
Обычная интуиция из теории алгоритмов здесь неприменима.
Так что проблема надежности
довольно сложна, даже на уровне чистой теории. Те люди, которые активно
занимаются KB, активно ее решали и добились успеха: доказано, что, как и в
классике, можно делать вычисления на элементах с заданной надежностью сколь
угодно точно. Это реализовано с помощью некоего аналога кодов, исправляющих
ошибки.
Что касается технической
стороны, появляются сообщения, что создаются реальные квантовые системы с
небольшим числом битов - с двумя, скажем.
Так что эксперименты есть, но
пока очень далекие от реальности. Два бита - это и для классического и для
квантового компьютера слишком мало! Чтобы моделировать молекулу белка, нужно
порядка ста тысяч кубитов. Для ДЛ, чтобы вскрывать шифры, достаточно примерно
тысячи кубитов.
Задача эта возникла слишком
недавно, и не исключено, что она потребует каких-то фундаментальных
исследований в самой физике. Поэтому в обозримом будущем ожидать появления
квантовых компьютеров не приходится.
Но можно ожидать распространения
через не очень долгое время квантовых криптографических систем. Квантовая
криптография позволяет обмениваться сообщениями так, что враг, если попытается
подслушать, сможет разве что разрушить ваше сообщение. То есть оно не дойдет до
адресата, но перехватить его в принципе будет нельзя. Подобные системы, которые
уже реализованы, используют световод. Универсальный КК здесь не нужен. Нужно
специализированное квантовое устройство, способное выполнять только небольшой
набор операций, - своего рода квантовый кодек.
Физической системе, реализующей
квантовый компьютер, можно предъявить пять требований:
. Система должна
состоять из точно известного числа частиц.
. Должна быть
возможность привести систему в точно известное начальное состояние.
. Степень изоляции от
внешней среды должна быть очень высока.
. Надо уметь менять
состояние системы согласно заданной последовательности унитарных преобразований
ее фазового пространства.
. Необходимо иметь
возможность выполнять «сильные измерения» состояния системы (то есть такие,
которые переводят ее в одно из чистых состояний).
Из этих пяти задач наиболее
трудными считаются третья и четвертая. От того, насколько точно они решаются,
зависит точность выполнения операций. Пятая задача тоже весьма неприятна, так
как измерить состояние отдельной частицы нелегко.
Заключение
В то время как никто не
отрицает огромный потенциал квантовых вычислений и достигнутый в последнее
время прогресс, по-видимому, пройдёт ещё очень много лет, прежде чем появятся
коммерческие квантовые компьютеры.
Первые образцы на основе
ядерного магнитного резонанса являются всего лишь лабораторными экспериментами.
Усовершенствованные, они, скорее всего, будут использоваться в качестве
сопроцессоров для решения специфических задач, таких, как сложные
математические проблемы, моделирование квантовых систем и осуществление
неструктурированного поиска. Редактирование текста или решение простых задач
гораздо легче выполняются современными компьютерами. Тем не менее, очевидно и
то, что рано или поздно, по мере дальнейшего уменьшения размеров, компьютерам
ничего не останется сделать, как взять на вооружение квантовые технологии -
либо лишь для дополнения традиционных методов и приёмов, либо же для полной
замены нынешних вычислительных технологий.
"Квантовая физика
открывает двери не просто для более миниатюрных и быстродействующих
микропроцессоров. Она ведет к принципиально иным способам вычислений, которые
не могут быть реализованы в нынешних компьютерах", - считает Артур Экерт,
глава Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. Своё мнение о
перспективах массового перехода человечества к принципиально иным технологиям
профессор Дэвид Дойч (David Deutsch) из того же центра, один из пионеров теории
квантовых вычислений, выразил следующим образом. Теория классических
универсальных вычислений, отмечал он, была заложена Тьюрингом в 1936 году,
получила практическое воплощение в течение следующего десятилетия, в 1950-е
обрела коммерческую ценность и направленность, а доминирующим фактором мировой
экономики стала к концу 1980-х. Квантовая информационная технология является
фундаментально новым способом использования возможностей природы.
По мнению многих ученых,
работающих в области квантового компьютинга, результаты научных разработок
приблизятся к стадии коммерческого применения примерно к 2020 г. К этому же
времени будет достигнут предел в существующей полупроводниковой технологии,
поскольку уже сейчас дорожки, по которым внутри процессоров распространяется
электрический сигнал, имеют ширину, составляющую сотни атомов, дальнейшее же их
сужение возможно лишь до определенного предела.
Список литературы
1. Свидиненко
Ю. Нанотехнологии в нашей жизни / Свидиненко Ю. // Наука и жизнь. - 2005. - №
5.
3. Нанометр
/ Нанознайка: эффект лотоса Нанотехнологическое сообщество [Электронный
ресурс]. -Электрон.сооб. - 2009. - 12 апр. - Режим доступа:
<http://www.nanometer.ru/2009/04/12/internet_olimpiada_154173.html>
. НИАЦ
"Н и Н"/ Популярно о нанотехнологиях // Популярные нанотехнологии
[Электронный ресурс]. -Электрон. форум. - 2008. - 16 апр. -Режим доступа:
<http://popnano.ru/studies/index.php?task=view&id=70>
. НАНО?
Это просто!// РУСНАНО [Электронный ресурс]. - Электрон. журн. - 2008. - Режим
доступа: <http://popular.rusnano.com/>
Источники
удаленного доступа:
6. <https://ru.wikipedia.org/wiki/AIESEC>
. <http://breakpointforum.ru/ms/about.html>