Александр Харс - Я познаю мир. Компьютеры и интернет

Ныне также разрабатываются методы квантовых вычислений на основе так называемого джозефсоновского контакта, электронных квантовых точек в полупроводнике и т. д. Так или иначе, для создания полноценного квантового компьютера еще предстоит сделать многое. Но главное исследователи уже поняли: принципиальных запретов со стороны природы для достижения этой цели нет.

Между тем один из отцов–основателей советской физики Абрам Федорович Иоффе любил повторять: «Физика сегодня – это промышленность завтра». Так что, похоже, современным микросхемам и нынешним компьютерам осталось существовать уже недолго. На смену им придут устройства, для работы которых будет достаточно пригоршни атомов и лазерного луча.

И наконец, еще об одной проблеме, связанной с квантовыми компьютерами.

Теоретики говорят, что можно создать вычислительное устройство, устойчивое к сбоям или отказам отдельных его компонентов. Иными словами, его можно сконструировать так, чтобы правильный ответ достигался даже при случайном сбое в одной из его составных частей.

В 1995 году американцы Питер Шор и Эндрю Стин независимо друг от друга обнаружили, что коррекция квантовых ошибок вполне возможна. Если эти ошибки малы, квантовая система сама быстро возвращается в исходное состояние.

Впрочем, пропасть между существующими технологиями и теми, что потребуются в будущем, огромна. Так что понадобятся еще немалые усилия физиков, специалистов по теории вычислений, а также инженеров, чтобы первые квантовые компьютеры вышли из стен лабораторий.

Параллельно с созданием первых квантовых устройств физики решают и еще одну задачу. Они выяснили, что движение тока по проводникам происходит довольно медленно по сравнению, например, с движением квантов света – фотонов, которые перемещаются со скоростью порядка 300 тыс. км/с!

Поэтому с таким интересом было встречено специалистами известие о возможности создания фотонных компьютеров или оптических вычислительных машин (ОВМ), в которых электронные элементы могут быть заменены оптическими.

Сразу отметим, что сама по себе идея не нова, она появилась еще полвека назад в пору становления лазерной техники. Осуществление ее сулило многое – ЭВМ стали бы надежнее, да и быстродействие их увеличилось бы более чем в 1000 раз.

Но как совместить транзисторные структуры – основу схемотехники двоичной системы счисления – с оптическими каналами связи? Такой гибрид обязательно потребует преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот. А это новые потери и энергии, и времени... И вот после длительных поисков в лабораториях исследователей появился оптический брат транзистора – трансфазор, обладающий двумя устойчивыми информационными состояниями и переключающийся управляющим оптическим сигналом.

В основе работы трансфазора лежит свойство некоторых материалов изменять в зависимости от освещенности свой показатель преломления света. Оно и позволило создать так называемую бистабильную ячейку – основу логических элементов вычислительных систем. Зависимость интенсивности выходного пучка от суммы входных позволяет иметь два состояния: «открыто – закрыто», «да – нет», «1–0», что и нужно для цифровой обработки информации. Вот и вся суть трансфазора.

Он позволяет изготовлять разные логические ячейки, а главное – ему присуще одно замечательное свойство. Оказывается, ничто не мешает сфокусировать в полости его резонатора несколько лазерных пучков. Каждый будет проходить в кристалле своим независимым путем и выполнять предназначенную ему логическую функцию. И если исходный луч расщепить на 3 или на 33, то на нем можно провести сразу три или тридцать три операции. Стоит ли говорить, что это позволяет резко увеличить скорость обработки информации.

Однако оптические сигналы необходимо преобразовать в электрические, которые удобно обрабатывать традиционными методами. Чтобы осуществить такое преобразование, вещество резонатора формируется в виде многослойной полупроводниковой структуры – сверхрешетки. Толщина одного слоя составляет всего несколько десятков ангстрем. А свойства структуры таковы, что перенос заряда сквозь нее возможен только при облучении светом.

Матрица из оптических транзисторов и вынесенная отдельно сверхрешетка

Структура трансфазора может быть вмонтирована в структуру транзистора. В итоге получаем конструкцию, состоящую из областей «дырочной» (p–тип), собственной (i–тип) и электронной (n–тип) проводимостей. Если на нее спроецировать некий информационный массив, например снимок из космоса, то его можно обрабатывать не последовательно по точкам, а весь сразу!

Есть несколько путей эволюции оптических компьютеров. Первый, наиболее простой, – развитие оптической элементной базы по аналогии с электронной и замена электронных схем оптическими. Он даст некоторый выигрыш в быстродействии и надежности, однако повторит недостатки Фрадиционной схемотехники и не решит задачу обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени. С такой задачей могут справиться аналоговые оптические машины, но их cq3flaTb сложнее, да и обойдутся они дороже. Это второй путь. Третий же – комбинация методов аналоговой и цифровой обработки информации. Такие гибридные вычислительные машины должны сочетать гибкость и универсальность электронных и производительность оптических.

Созданием и совершенствованием ОВМ занимается оптоэлектроника – новое направление науки и техники, использующее для генерации, передачи, приема, преобразования, запоминания и хранения информации фотоны вместо электронов. Впервые об этом научном направлении всерьез заговорили всего лишь 30–35 лет назад, хотя сама по себе оптоэлектроника опирается на многие фундаментальные физические открытия еще столетней, а то и многовековой давности.

Так как оптические транзисторы не только способны переключаться всего за одну пикосекунду (одну тысячную миллиардной доли секунды!), но и могут одновременно осуществлять сразу несколько параллельных переключений, появились и первые оптические процессоры, обладающие колоссальными возможностями. Скажем, в Калифорнийском технологическом институте (США) создано экспериментальное ассоциативное запоминающее устройство, способное считывать изображения с фотопленки. Оптический прибор, разработанный фирмой «Хьюз Эйркрафт» (штат Калифорния, США), способен считывать информацию с голограмм, а в Пенсильванском университете – придумано устройство на оптических элементах, которое обеспечивает распознавание воздушных целей, используя лишь 10% информации, содержащейся в радиолокационном сигнале.