Добавлен: 17.05.2023
Просмотров: 250
Скачиваний: 2
Опишем, как работает квантовый компьютер. Согласно законам квантовой механики, энергия электрона, связанного в атоме, не произвольна. Она может иметь лишь определенный прерывный (дискретный) ряд значений Е0, Е1,... Еn называемых уровнями энергии. Этот набор называют энергетическим спектром атома. Самый нижний уровень энергии Е0, при котором энергия атома наименьшая, называется основным. Остальные уровни (Е1, Е2,... Еn) соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергии происходит отдельными порциями - квантами, или фотонами.
При поглощении фотона энергия увеличивается - он переходит «вверх» - с нижнего на верхний уровень, при излучении фотона атом совершает обратный переход вниз.
Если атом в данный момент времени находится в одном из возбужденных состояний Е2, то такое состояние атома неустойчиво, даже если на него не влияют другие частицы. Через очень короткое время атом перейдет в одно из состояний с меньшей энергией, например Е1. Такой самопроизвольный (спонтанный) переход с одного уровня на другой и сопровождающее его спонтанное излучение столь же случайны во времени, как радиоактивный распад ядра атома. Предсказать точно момент перехода принципиально невозможно - можно лишь говорить о вероятности того, что переход произойдет через такое-то время.
Но атом может перейти с уровня Е2 на Е1 не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, если только частота этой волны достаточно близка к частоте перехода атома. Такая резонансная волна как бы «расшатывает» электрон и ускоряет его «падение» на уровень с меньшей энергией. Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного поля, называются вынужденными (или стимулированными).
При создании квантового компьютера основное внимание уделяется вопросам управления кубитами при помощи вынужденного излучения и недопущении спонтанного излучения, которое нарушит работу всей квантовой системы. От рассказа о физике происходящих в квантовом компьютере процессов перейдем к тому, как эти свойства реализуются в экспериментальном образце квантового компьютера.
Для того чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют несколько важных правил, которые в 1996 г. привел Дивиченцо (D.P. Divincenzo). Без их выполнения не может быть построена ни одна квантовая система:
Точно известное число частиц системы.
Возможность приведения системы в точно известное начальное состояние.
Высокая степень изоляции от внешней среды.
Умение менять состояние системы согласно заданной последовательности элементарных преобразований.
Выполнение этих требований вполне реально с помощью существующих квантовых технологий, однако для того, чтобы воплотить теорию в реальность, нужны гигантские суммы денежных средств, которые пока не могут быть выделены на финансирование исследований.
Для решения некоторых задач требуется создание эффективной системы искусственного интеллекта, которая могла бы обрабатывать информацию, не затрачивая много вычислительных ресурсов. И разработчиков «осенило»: мозг и нервная система живых организмов позволяют решать задачи управления и эффективно обрабатывать сенсорную информацию, а это огромный плюс для создаваемых вычислительных систем. Именно это послужило предпосылкой создания искусственных вычислительных систем на базе нейронных систем живого мира. Специалисты, добившись нужных результатов в этой области, создадут компьютер с большими возможностями.
Создание компьютера на основе нейронных систем живого мира базируется на теории перцептронов, разработчиком которой был Розенблатт. Он предложил понятие перцептрона - искусственной нейронной сети, которая может обучаться распознаванию образов. Предположим, что есть некоторая зенитно-ракетная установка, задача которой - распознать цель и определить наиболее опасную из них.
Также есть два самолета вероятного противника: штурмовик и бомбардировщик. Зенитно-ракетная установка, используя оптические средства, фотографирует самолеты и отправляет полученные снимки на вход нейронной сети (при полностью сфотографированном самолете нейронная сеть быстро распознает его). Но если снимок получился плохо, то именно здесь используются основные свойства нейронной сети, одно из которых - возможность к самообучению. Например, на снимке отсутствует одно крыло и хвостовая часть самолета.
Через некоторое (приемлемое) время нейронная сеть сама дорисовывает отсутствующие части и определяет тип этого самолета и дальнейшие действия по отношению к нему. Из распознанных штурмовика и бомбардировщика оператор данной зенитно-ракетной установки выберет для уничтожения более опасный самолет.
Перспективность создания компьютеров по теории Розенблатта состоит в том, что структуры, имеющие свойства мозга и нервной системы, имеют ряд особенностей, которые сильно помогают при решении сложных задач:
1) Параллельность обработки информации.
2) Способность к обучению.
3) Способность к автоматической классификации.
4) Высокая надежность.
5) Ассоциативность.
Нейрокомпьютеры - это совершенно новый тип вычислительной техники, иногда их называют биокомпьютерами. Нейрокомпьютеры можно строить на базе нейрочипов, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Для решения задач разного типа требуется нейронная сеть разной топологии (топология - специальное расположение вершин, в данном случае нейрочипов, и пути их соединения). Возможна эмуляция нейрокомпьютеров (моделирование) - как программно на ПЭВМ и суперЭВМ, так и программно-аппаратно на цифровых супербольших интегральных схемах.
Искусственная нейронная сеть построена на нейроноподобных элементах - искусственных нейронах и нейроноподобных связях. Здесь важно заметить, что один искусственный нейрон может использоваться в работе нескольких (приблизительно похожих) алгоритмов обработки информации в сети, и каждый алгоритм осуществляется при помощи некоторого количества
Рассмотрим новейшие достижения в области компьютерных технологий.
1. Суперпамять.
Недавно американская фирма Nantero из Бостона, разработала технологию, позволяющую серийно производить чипы памяти на нанотрубках до 10Гб данных. Память нового поколения, использующая массив фуллереновых трубок на поверхности чипа кремния (NRAM, Nanoscale Random Access Memory) будет хранить данные даже после отключения питания устройства. Это наводит на мысли, как резко может измениться структура компьютера. Ведь по сути, это качественный скачок в производстве компьютеров. Загрузка компьютеров, оснащенных такой памятью, при включении будет происходить мгновенно. Да и быстродействие компьютеров значительно возрастет, так как не будет обращения к винчестеру. Винчестеры как таковые будут не нужны. Можно будет отказаться от системного блока.
Компьютер недалекого будущего состоит из следующих частей. Жидкокристаллический дисплей 19 дюймов на котором сзади располагается системная плата с процессором и памятью. Сейчас Intel выпустила наборы системной логики 865 и 875, с двухканальным контроллером памяти. Наверное, будет 4-х и 8-ми канальная организация памяти. Емкость памяти компьютера 100-200 Гб. От южного моста можно оставить 6 канальный звук. От CD и DVD приводов можно будет отказаться так, как данные удобней будет переносить на компактной флэш-памяти.
2. Робот-натуралист.
Американский дизайнер Сабрина Рааф представила робота, озабоченного проблемами экологии. «Translator II: Grower» представляет собой стальную платформу, которая держится стены и перемещается по периметру ком¬наты. Робот использует самый тривиальный сенсор углекислого газа для анализа состояния окружающей среды. Каждые несколько секунд машина делает замеры, после чего наносит на стену риску. Через полсантиметра - другую. Чем выше концентрация углекислого газа, тем длиннее полоска. Такая своеобразная диаграмма информирует о состоянии окружающей среды. Особенно интересно наблюдать за поведением робота при большом скоплении людей в помещении.
3. Наш новый суперкомпьютер.
Не так давно в Москве Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси, Институт программных систем Российской Академии Наук, компания «Т-Платформы» и корпорация AMD презентовали суперкомпьютер «СКИФ К-1000». Он предназначен для решения широкого спектра задач в различных областях науки. Этого монстра собрали наши соотечественники совместно с белорусскими коллегами из 576 процессоров AMD Opteron. Компьютер получился самым мощным на всей территории СНГ и Восточной Европы и занимает почетное 98 место в рейтинге самых скоростных машин ТОР500. Главное, что разработчики не остановились на достигнутом, и продолжают разработки. Возможно, скоро именно в России будут трудиться самые быстрые компьютеры.
4. Протез мозга.
Ученые из Южнокалифорнийского университета в Америке разрабо-тали микрочип, имитирующий работу участка головного мозга, отвечающего за запоминание информации. Тестирование проводилось на мозговых тканях обычной крысы. Оно прошло успешно - проанализировав импульсы, полученные с чипа, ученые пришли к выводу, что они абсолютно идентичны тем, которые дает срез ткани головного мозга.
В ближайшее время команда ученых планирует провести опыты уже не на кусках ткани, а на живых животных. Если опыты пройдут удачно и не будет замечено никаких аномалий, то, разумеется, разработки будут продолжаться дальше. Хотя, как заявляет Теодор Бергер, до создания полноценно¬го протеза еще далеко. Например, пока не ясно, каким образом микрочип будет взаимодействовать с теми участками мозга, с которыми его не получится соединить напрямую.
5. Робот-носильщик.
Компания Fujitsu представила универсального робота-носильщика. Еще в фойе робот приветствует гостей отеля хриплым баритоном. Уточнив номер ком¬наты, Service Robot берет тяжелые чемоданы в обе «руки» и начинает движение в сторону лифта. А если вещей много, выкатывает специальную тележку. Электронная карта отеля, восемь камер и ультразвуковые сенсоры позволяют роботу преодолевать любые препятствия. Правое и левое колеса вращаются независимо, поэтому движение по наклонным и неровным поверхностям дается легко.
Используя систему обработки трехмерных изображений, робот может хватать предметы и протягивать их гостям. За реалистичное движение «рук» отвечает модель нервной системы позвоночных. В продолжение своей миссии Service Robot нажимает кнопку вызова лифта, поднимается на этаж и провожает гостей в номер. Робот чутко воспринимает голосовые инструкции. Три микрофона позволяют ему определить источник команд, чтобы обернуться на голос. Справки об отеле можно получить на цветном сенсорном экране. Робот подключен к интернету по интерфейсу Wi-Fi 802.11b.
Заключение
Все этапы развития ЭВМ принято условно делить на поколения.
Первое поколение создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.
Втрое поколение появилось в 60-е годы 20 века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов. Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.
Третье поколение выполнялось на микросхемах, содержавших на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Пример машины третьего поколения - ЕС ЭВМ. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент.
Четвертое поколение было создано на основе больших интегральных схем (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ - персональные компьютеры (ПК). Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ. Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с использованием языков высокого уровня.
Пятое поколение создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.
Предполагается, что в будущем широко распространится ввод информации в ЭВМ с голоса, общения с машиной на естественном языке, машинное зрение, машинное осязание, создание интеллектуальных роботов и робототехнических устройств.
Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).