ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Интенсивно разрабатываемое в 1980 - 90-е гг. новое поколение вычислительной техники (компьютеров) на основе использования оптического излучения в качестве носителя информации.
Составными частями служат устройства, которые формируют операции над информацией и управляющими световыми потоками. Применение оптич. излучения в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ (по сравнению с электрич. сигналами) благодаря след. свойствам световых потоков:
1) в линейной среде световые потоки не взаимодействуют между собой, проходя в непосредств. близости или даже пересекаясь друг с другом;
2) световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении до субмикронных размеров и передаваться как по световодам,
3) скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического, зависящего от соотношения активных и реактивных компонент проводимости тракта передачи;
4) Взаимодействие световых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределено во всей среде, что даёт новые степени свободы (по сравнению с электронными системами) в организации связей и создании параллельных архитектур.
Направление развития
Проникновение оптических методов в вычислительную технику ведётся по трём основным направлениям.
Первое
- основано на использовании аналоговых оптич. вычислений для решения большого класса спец. задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований.
- Применение аналоговых оптич. вычислений в универсальных вычислит. системах затруднено из-за недостаточной точности аналоговых методов, накопления шумов в процессе обработки информац. светового потока и из-за малого динамич. диапазона.
Второе
связано с использованием оптич. соединений трактов (оптич. соединений) для передачи сигналов на разл. ступенях иерархии элементов и устройств вычислит. техники. Места электрич. соединений в совр. ЭВМ - наименее надёжные элементы в их конструкции. Переход к гибридным (оптоэлектронным) системам - одно из возможных решенийпроблемы. При этом в конструкции компьютера неизбежно появляются новыеэлементы - оптоэлектронные преобразователи электрич. сигналов в оптические и обратно.
Второе
Построение О. к., в к-ром носителем информации на всех этапах её обработки и передачи является только оптич. излучение, исключает необходимость многократного преобразования электрич. Энергии в световую и обратно. В результате сокращаются энергетич. затраты, устраняются многочисл. преобразоват. элементы, увеличивается быстродействие.
Третье
- Развитие третьего направления связано, в частности, с созданием оптич. элементов вычислит, техники на основе явления оптической бистабильности. Экспериментально реализованы полностью оптические логич. устройства и усилители, комбинации к-рых позволяют создавать сложные информац. системы. К таким устройствам относятся элементы булевой логики, трансфазоры- оптич. транзисторы, триггеры - они же ячейки запоминающих устройств, и др.
Молекулярный компьютер.
Что такое молекулярный компьютер ? Это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли.
Первый в мире молекулярный компьютерный томограф.
Особенно интересны такие превращения бистабильных молекул, после которых сильно меняется электронная конфигурация.
Бистабильные молекулярные системы
Интерес к созданию молекулярных компьютеров не случаен. Производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы.
Кремниевый транзистор
Ещё в 1959 году Ричард Фейнман указал на то, что молекулы, обладающие определёнными свойствами, смогут работать как переключатели и заменить собой транзисторы , а технический прогресс сделает возможным и манипуляции с отдельными атомами и молекулами.
Современные компьютеры
Молекулярные компьютеры
Размер транзистора — до 100 nm
Молекулярный транзистор — 1-10
Транзисторов на 1 см 2 — до 10 7
~ 10 13 на 1 см 2
Время отклика — –9 с
До 10 –15 с
Эффективность — 1
Эффективность — 10 11
Архитектура каждого компьютера включает три основных элемента: переключатели, память, соединяющие провода.
Наиболее эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях
Память молекулярного компьютера будет основана на тех же принципах, что и переключатели
Механизм трёхмерной (3D) молекулярной памяти
третий компонент молекулярных компьютеров — проводники
Молекулярные транзисторы, память и проводники — три составные части будущего молекулярного компьютера
Учёные считают, что молекулярные компьютеры будут созданы к 2020–2030 году. Это не значит, что существующее поколение кремниевых компьютеров полностью и сразу отомрёт, просто рядом с ним появится более мощная генерация.
Квантовый компьютер
- Квантовый компьютер — вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики.
- Идея построения квантового компьютера была предложена в 1980 году советским математиком Ю.И. Маниным, который во введении (с. 15) к книге "Вычислимое и невычислимое"[1] выдвинул идею квантовых автоматов. Эту идею поддержали[источник не указан 164 дня] физики, в частности, П. Бениоф и Нобелевский лауреат Р. Фейнман. Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим.
- Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.
Квантовый бит (кубит ( q -бит)).
Это квантовая частица, имеющая три базовых состояния.
Квантовый регистр
- Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в классическом регистре).
Физической системе, реализующей квантовый компьютер, можно предъявить пять требований:
1. Система должна состоять из точно известного числа частиц.
2. Должна быть возможность привести систему в точно известное начальное состояние.
3. Степень изоляции от внешней среды должна быть очень высока.
4. Надо уметь менять состояние системы согласно заданной последовательности унитарных преобразований ее фазового пространства.
5. Необходимо иметь возможность выполнять «сильные измерения» состояния системы (то есть такие, которые переводят ее в одно из чистых состояний).
- В феврале 2007 года канадская компания D-Wave Systems представила первый работающий прототип квантового компьютера Orion. Презентация работающего в Ванкувере компьютера производилась в Силиконовой долине.
- Компьютер представлял собой 16-кубитовый кремниевый чип, состоящий из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности. Работа квантового компьютера основана на измерении магнитных полей и переводу их изменений, вызванных ниобием, в результат счисления. Этот компьютер функционирует при температуре - 273,15 град Цельсия и охлаждается жидким гелием
