ВІД ЕОМ ДО КВАНТОВИХ КОМП’ЮТЕРІВ

ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ЕОМ

У обчислювальній техніці виділяють певні періоди розвитку електронних обчислювальних машин. ЕОМ відносять до певного покоління в залежності від типу основних використовуваних елементів або від технології їх виготовлення. Кордони поколінь в часовому вимірі дещо розмиті, тому що в один і той же час випускалися ЕОМ різних типів; для окремої ж машини питання про її приналежність до певного покоління визначається за певними ознаками.

Масове поширення комп'ютерів призвело до того, що все більше число людей стало знайомим з основами обчислювальної техніки, а програмування поступово перетворилося на елемент культури. Перші електронні комп'ютери з'явилися в 50-х роках XX століття. Вони могли робити значно більше механічних калькуляторів. Це були електронні машини, здатні вирішувати складні завдання. Крім того, вони могли:

1. Виконувати певну послідовність операцій за заздалегідь заданою програмою або послідовно вирішувати завдання різних типів;
2. Володіли здатністю зберігати інформацію в спеціальній пам'яті.

Перше покоління – комп'ютери на електронних лампах. Вони з'явилися в 40-х роках XX століття. Використання електронної лампи в якості основного елемента ЕОМ створювало безліч проблем. Через те, що висота скляної лампи складала 7см, машини були величезних розмірів. Кожні 7-8 хв. одна з ламп виходила з ладу, а так як в комп'ютері їх було 15–20 тисяч, то для пошуку і заміни пошкодженої лампи було потрібно дуже багато часу. Крім того, вони виділяли величезну кількість тепла, і для експлуатації такого комп'ютера були потрібні спеціальні системи охолодження.

Щоб розібратися в заплутаних схемах величезного комп'ютера, потрібні були бригади інженерів. Пристроїв введення в цих комп'ютерах не було, тому дані вносилися в пам'ять за допомоги з'єднання потрібного штекера з потрібним гніздом. Прикладами машин I-го покоління можуть служити Mark 1, ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), – перша машина з збереженою програмою, UNIVAC (Universal Automatic Computer). Перший екземпляр UNIVAC був переданий в Бюро перепису населення США. Пізніше було створено багато різних моделей цієї машини, які знайшли застосування в різних сферах діяльності. Таким чином, UNIVAC став першим серійним комп'ютером. Крім того, це був перший комп'ютер, де замість перфокарт використовувалася магнітна стрічка.

Покоління друге – транзисторні комп'ютери. Перші комп'ютери на основі транзисторів з'явилися у кінці 50-х років, а до середини 60-х років були створені більш компактні зовнішні пристрої, що дозволило фірмі Digital Equipment випустити 1965 року перший міні-комп'ютер PDP-8 розміром з холодильник і вартістю всього 20 тис. доларів.

Створенню транзистора передувала наполеглива, майже 10-річна робота, яку в 1938 році почав фізик-теоретик Вільям Шоклі. Застосування транзисторів в якості основного елемента в ЕОМ призвело до зменшення розмірів комп'ютерів у сотні разів і до підвищення їх надійності. І все-таки найдивовижною здатністю транзистора є те, що він один здатний замінити 40 електронних ламп і при цьому працювати з більшою швидкістю, виділяти мало тепла і майже не споживати електроенергію. Одночасно з процесом заміни електронних ламп транзисторами вдосконалювалися методи зберігання інформації. Збільшився обсяг пам'яті, а магнітну стрічку, почали використовувати як для вводу, так і для виводу інформації. А в середині 60-х років почали зберігати інформацію на дисках. Великі досягнення в архітектурі комп'ютерів дозволили досягти швидкодії в мільйон операцій за секунду. Прикладами транзисторних комп'ютерів можуть послужити "Стретч" (Англія), "Атлас" (США). У той час СРСР йшов у ногу з часом і випускав ЕОМ світового рівня (наприклад "БЕСМ-6").

Третє покоління – інтегральні схеми. Подібно до того, як поява транзисторів призвела до створення другого покоління комп'ютерів, поява інтегральних схем ознаменувала собою новий етап у розвитку обчислювальної техніки – народження машин третього покоління. Перші інтегральні схеми (ІС) з'явилися 1964 року. Спочатку вони використовувалися тільки в космічній і військовій техніці. Зараз же їх можна виявити де завгодно, включаючи автомобілі і побутові прилади.

Поява ІС означала справжню революцію в обчислювальній техніці. Одна ІС здатна замінити тисячі транзисторів, кожний з яких у свою чергу вже замінив 40 електронних ламп. Іншими словами, один крихітний кристал має такі ж обчислювальні можливості, як і 30-тонний ENIAC. Швидкодія ЕОМ третього покоління зросла в 100 разів, а розміри значно зменшилися.

До переваг ЕОМ третього покоління додалося ще й їх дешевше виробництво. Завдяки цьому, багато організацій змогли придбати і освоїти такі машини. А це, у свою чергу, призвело до зростання попиту на універсальні ЕОМ, призначені для вирішення різних завдань. Більшість створених до цього ЕОМ були спеціалізованими машинами, на яких можна було вирішувати завдання якогось одного типу.

Четверте покоління – великі інтегральні схеми. На початку 70-х років була зроблена спроба з'ясувати, чи можна на одному кристалі розмістити більше однієї інтегральної схеми. Виявилося, можна. Розвиток мікроелектроніки призвів до створення можливості розміщувати на одному кристалі тисячі інтегральних схем. Так, вже 1980 року, центральний процесор невеликого комп'ютера розмістили на кристалі площею всього в чверть квадратного дюйма. Почалася епоха мікрокомп'ютерів.

Швидкодія мікроЕОМ четвертого покоління в 10 разів перевищує швидкодію ЕОМ третього покоління на інтегральних схемах, в 1000 разів – швидкодію ЕОМ другого покоління на транзисторах та в 100 000 разів – швидкодію ЕОМ першого покоління на електронних лампах.

Велику роль у розвитку комп'ютерів зіграли світові фірми Microsoft і Intel. Microsoft вагомо вплинула на розвиток програмного забезпечення для комп'ютерів, Intel стала відома завдяки своїм мікропроцесорам.

У відповідності з ідеологією розвитку комп'ютерних технологій, після четвертого покоління, побудованого на великих інтегральних схемах, очікувалося створення наступного покоління, орієнтованого на розподілені обчислення, одночасно вважалося що п'яте покоління стане базою для створення пристроїв, здатних до імітації мислення.

Широкомасштабна урядова програма в Японії з розвитку комп'ютерної індустрії і штучного інтелекту була зроблена в 1980 роки. Метою було створення комп'ютера з продуктивністю суперкомп'ютера і потужними функціями штучного інтелекту. Терміни проведення розробок були визначені так: з 1982 до 1992 років, вартість розробок - 57 млрд ¥ (порядку 500 млн $). Програма закінчилася провалом, оскільки не спиралася на чіткі наукові методики, більше того, навіть її проміжні цілі виявилися недосяжні в технологічному плані.

Таким чином, «комп'ютери п'ятого покоління» маються на увазі квантові комп'ютери, днк-комп'ютери та інші перспективні, експериментальні обчислювальні технології. Отже, виникає питання: комп’ютери п’ятого покоління – чи близька реальність?!

КВАНТОВІ КОМП’ЮТЕРИ.

Вчені вже давно працюють над створенням комп’ютерів нового покоління - квантович комп’ютерів. В чому їх переваги і який у них потенціал розглянемо детальніше.

Принцип аналізу інформації у квантових комп’ютерах. Щоб зрозуміти основну відмінність квантового комп’ютера від більшості нинішніх необхідно розглянути за яким принципом він працює з інформацією: як аналізує, зберігає і виводить. Квантові комп’ютери безпосередньо занурилися в дивний і парадоксальний світ квантової механіки. Більшість комп'ютерів використовує просту бінарну систему, в якій все може бути закодоване у вигляді нулів і одиниць, при цьому значення кожного біта інформації чітко визначене. Цей підхід дозволяє як зберігати інформацію, так і виконувати над нею необхідні операції. А в квантовому комп’ютері це значення невизначене; замість того, щоб представляти інформацію у вигляді нулів і одиниць, він аналізує кубіти (квантові біти – елементи зберігання інформації) як 0 і 1 одночасно, причому, з різною ймовірністю того й іншого. Такий підхід до обчислень дозволяє квантовій машині пророкувати результат безлічі різних сценаріїв одночасно. Кубіти представляють собою атоми, іони, фотони або електрони і їх відповідні керуючі пристрої, котрі працюють разом, щоб виступати в якості комп’ютерної пам’яті і процесора. Завдяки системі кубітів, квантовий комп'ютер здатний вирішувати навіть найскладніші і комплексні проблеми; він може бути в мільйони разів потужнішим за сучасний найпотужніший суперкомп’ютер.

Квантовий комп’ютер D-Wave. Не дивлячись на неймовірну потужність сучасних суперкомп’ютерів, існує велика кількість важких обчислювальних задач, які не можуть бути розв’язані за допомогою звичайних систем. Значний ріст обсягу даних і потреба в кращому розумінні не тільки Всесвіту, але й власної ДНК, приводить нас до висновку шукати нові інструменти, які допоможуть знайти відповіді.

У 1999 році була заснована компанія з виготовлення квантових комп’ютерів – D-Wave Systems, яка розташована в Бернабі (Британська Колумбія, Канада). Її засновниками були Гейґ Фарріс, Джорджі Роуз, Боб Вінз і Олександр Загоскін. Їхня робота направлена на інтеграцію нових відкриттів в області фізики, техніки, виробництва і інформатики в розвиток комп’ютерних технологій для здійснення прориву в методах підходу до розрахунків, що в свою чергу дасть можливість розв’язати деякі досить складні обчислювальні задачі.

D-Wave Systems знаходиться на початку цього шляху, але квантові комп’ютери мають потенціал для вирішення найскладніших технічних, наукових, комерційних проблем, а також програм національної оборони. Також очікується прорив в області моделювання, фінансового аналізу, оптимізації, логістики.

На початку 2007 року компанія D-Wave створила свій перший реальний продукт – 16-кубітний процесор Orion і 13 лютого 2007 року продемонструвала його в Музеї комп'ютерної історії в Маунтін-В'ю (Каліфорнія). Надпровідникові схеми реально показали здатність розв’язувати ряд типових задач: судоку, розсаджувати гостей за столом, шукати в базі даних на предмет найближчої відповідності для специфічної молекули. Той факт, що процесор почав працювати, здивував навіть самих творців. 28 листопада 2007 року D-Wave продемонструвала аналогічний процесор на 28 кубітах. Чіп був виготовлений у Лабораторії реактивного руху NASA в Пасадені (Каліфорнія). 2010 року був випущений 128-кубітний чіп. В травні 2011 року компанія оголосила про створення комп'ютера D-Wave One, який вона описала як "найперший у світі квантовий комп'ютер, який можна придбати". Цей комп'ютер за допомогою квантового випалювання (загальний метод щоб знайти глобальний мінімум функції використовуючи ефект квантової флуктуації) покликаний вирішувати задачі оптимізації, які зводяться до пошуку основного стану для набору спінів. Після успішного закінчення тестування, 2011 року, флагман військово-промислового комплексу США, корпорація Lockheed Martin, купила комп’ютер D-Wave One на 128-кубітному процесорі більш ніж за 10 млн. доларів. Як заявила сама компанія, машину було куплено для оптимізації власних програм-авіасимуляторів компанії, а також для всіляких інших експериментів спільноти вчених з новою комп’ютерною архітектурою.

У травні 2013 року було оголошено про започаткування спільного проекту між NASA, Google і USRA (The Universities Space Research Association )під назвою Quantum Artificial Intelligence Lab, розміщеного в Дослідницькому центрі Еймса в Каліфорнії. У цьому проекті перед D-Wave Two, з 512 кубітами, постають такі задачі машинного навчання, як, персоналізований пошук або передбачення завантаженості трафіку за допомогою GPS даних. Також подібна система використовується в розпізнаванні голосу, осіб, поведінці і рішенні складних багатопараметричних завдань.

На даний момент головним продуктом D-Wave є квантовий комп’ютер D-Wave 2X – найбільш передовий квантовий комп’ютер у світі. Ця машина найкраще підходить для вирішення таких складних задач як: а) оптимізація; б) навчання машин; в) розпізнання образів і виявлення аномалій; г) аналіз зображень; д) фінансовий аналіз; е) вибірка/метод Монте-Карло; є) перевірка програмного/апаратного забезпечення; ж) біоінформатика / дослідження раку.

Для того щоб квантовий ефект мав місце, квантовий процесор має працювати в таких умовах: температура має бути близька до абсолютного нуля, мають бути забезпечені екранування від магнетизму, ізоляція від вібрацій і зовнішніх сигналів будь-якої форми. Процесор екранується в замкненій оболонці, де створюється магнітне поле в 50 000 разів менше ніж магнітне поле Землі, і розміщується в високому вакуумі, де тиск в 10 млн. разів нижчий ніж атмосферний. Система охолодження, використовує рідкий гелій і відома як «сухий» рефрижератор розчинення. Охолодження з замкненим циклом усуває необхідність поповнювати кількість рідкого гелію і робить систему придатною для віддаленої установки. Компанія D-Wave має передові технології, що забезпечує рефрижераторам розчинення тривалиі термін служби і високу надійність.

Квантовий процесор складається з решіток крихітних надпровідних ланцюгів (кубітів), виготовлених з ніобію. Сам процесор оточений електронікою, яка використовується для програмування і зчитування результатів. Система D-Wave 2X має веб-інтерфейс АРІ (інтерфейс програмування додатків – Application Programming Interface), який дозволяє машині легко отримати доступ до мережі.

Під час програмування системи задачі оптимізації візуально уявляють як складний гірський ландшафт з великою кількістю піків, хребтів і долин, розміщених на різній висоті над рівнем моря. Задача шукаючого – знайти на цій місцевості найнижчу долину. Для цього класичному комп’ютеру необхідно піднятися на піки і хребти, обійти всі долини, ось таким виснажливим перебором вичислити необхідний мінімум. А квантовий комп’ютер – в теорії – дозволяє як би робити в горах численну кількість тунелів, таким чином скоріше виходити на долини і відшукувати серед них мінімальні. Ці значення видаються в програму користувача по мережі. Так як квантовий комп’ютер є скоріш ймовірнісним ніж детермінованим, то він видає багато «хороших» відповідей за короткий проміжок часу. Це забезпечує не тільки найкраще знайдене рішення, але й багато інших «хороших» альтернатив з яких можна вибирати.

ЗАСТОСУВАННЯ КВАНТОВОГО КОМП’ЮТЕРА.

Прогнозування дійсно точної погоди. Навіть з ультрасучасними інструментами, які аналізують температуру і тиск, передбачення погоди на сьогоднішній день є більше припущенням ніж точним прогнозом. Квантові обчислення можуть аналізувати всі дані одночасно і заздалегідь видавати результат де і коли буде екстремальна погода така, наприклад, як ураган. Додатковий час на підготовку і приготування може допомогти врятувати багато життів. Директор Google по інженерії, Хартмут Невен, зазначив, що квантові комп’ютери могли б створити досконаліші моделі клімату, які можуть дати нам більш глибоке уявлення про вплив людини на навколишнє середовище. Такі моделі допомагають робити оцінку майбутнього потепління і визначити необхідні кроки для запобігання катастрофи.

Дослідження медичних препаратів. 2003 року завершення проекту щодо дослідження геному людини (англ. Human Genome Project, HGP) відкрило нову еру медицини. У результаті проведених пошуків можуть бути створені ліки для конкретного генетичного складу. Це особливо ефективно в цілеспрямованій терапії раку. На жаль це неможливо без розшифрування секретів ДНК. Працюючи з повним геномом вчені можуть досягнути неймовірних успіхів в медицині, ніж при роботі з окремими маркерами в наших хромосомах. Квантові комп’ютери можуть надати неоціненну допомогу в розробці нових медичних препаратів. Хіміки мають випробувати тону різних можливих комбінацій молекул, щоб знайти ту, яка насправді має властивості, які будуть ефективними проти захворювання. Цей процес може зайняти роки і коштувати мільйони доларів. Навіть на останніх стадіях випробувань препаратів багато хто з хіміків зазнає невдач. Сучасні комп’ютери не є достатньо потужними для виконання такого типу задач. Із створенням квантового комп’ютера з’явився шанс вирішити ці питання. Квантовий комп’ютер буде в змозі створити трильйони комбінацій молекул і помітити ті, які з найбільшою вірогідністю будуть працювати. Це дасть можливість значно скоротити час і вартість розробки лікарських препаратів. На додачу, квантові обчислення можуть допомогти в розшифруванні секрету ДНК.

Аналіз інформації. Супутники постійно збирають тонни зображень і відео. Вони отримують стільки даних, що нам важко навіть уявити, але багато з них просто відсортовують як неважливі. Через це може бути втрачена важлива інформація. Квантові ж системи здатні сортувати цю гору інформації набагато швидше ніж будь який сучасний комп’ютер або людина. Також вона може вказати до яких саме зображень і відео варто придивитися пильніше, а які просто проігнорувати. Квантовий комп’ютер, як і людина, може вибрати конкретні важливі деталі з загального плану. В цьому його перевага над звичайним комп’ютером.

Безпечна, зашифрована комунікація. Усвідомлюємо ми це чи ні, але ми використовуємо шифрування весь час: чи то входимо в обліковий запис електронної пошти, чи використовуємо кредитну карту для купівлі в Інтернеті. Але шифрування може стати ще більш захищеним з використанням властивостей квантової механіки. Цей ультра-безпечний зв’язок зветься квантовий розподіл ключів, який описує процес застосування квантової комунікації для створення та обміну секретним ключем між двома користувачами без можливості втручання третьої сторони. При цьому третя сторона навіть не може підслухати зв'язок між двома першими, бо таке втручання буде одразу виявлене. Але принцип квантових обчислень може набагато швидше зламати зашифровані повідомлення ніж це відбувається зараз. Якщо наприклад хакер коли-небудь отримає в свої руки робочий квантовий комп’ютер, то банки і урядові системи можуть потрапити в велику небезпеку.

Машинне навчання та автоматизація. Це звучить достатньо моторошно, але як і люди, квантові комп’ютери можуть навчатися на власному досвіді. Вони можуть самостійно виправляти помилки. Наприклад, квантовий комп’ютер може змінити код програми, яка працює некоректно. Ця концепція називається машинним навчанням. Це може дати можливість робити деякі задачі набагато скоріше і ефективніше, і подальше вдосконалення цієї функції може привести до створення сучасних форм штучного інтелекту. Так як в сферу квантових систем залучені такі серйозні гравці як Google i NASA зі своїми передовими технологіями, то, як правило, великі відкриття не змусять себе довго чекати.

ОСТАННІЙ АКОРД. У 2016 році Нобелівську премію з фізики отримали британські вчені Девід Таулесс, Дункан Холдейн і Майкл Костерліц за дослідження, що наблизило людство до створення надпотужного обчислювального пристрою – квантового комп’ютера. Вчені з Великобританії зробили ВІДКРИТТЯ – вони довели, що всередині деяких матеріалів спостерігаються дивні стани. Застосувавши математичні методи для опису явищ надпровідності та надплинності в тонких провідних плівках вони відчинили двері у світ незвичайних станів матерії довівши, що зміни провідності в тонких провідних шарах і магнітних ланцюжках усередині матеріалів залежать від топології і можуть залишатися незмінними під час деформацій. А це дасть змогу створити нові покоління електроніки та надпровідників для конструювання квантових комп’ютерів.

ВИСНОВКИ. Із збільшенням обсягу інформації, накопиченням як технологічного так і інтелектуального потенціалу, бажанням людства розкрити не тільки секрет Всесвіту, а й власного генетичного коду, виникає потреба створення суперкомп’ютера, який буде здатен віршувати надскладні задачі в найкоротший період часу. Вчені довгий проміжок часу працюють над створенням «епохального комп’ютера».

Під впливом навколишнього середовища порушується зв'язок всередині квантової системи. Щоб позбутися цього, квантовий процесор потрібно максимально ізолювати від впливу зовнішніх факторів. Як це зробити поки-що невідомо. За словами експертів, 99% потужності такого комп'ютера піде на виправлення помилок, і лише 1% залишиться для вирішення завдань. Звичайно, від помилок не вдасться позбутися повністю, але треба їх мінімізувати. Команда вчених на чолі з Джуліаном Келлі створила особливу квантову схему з дев'яти кубітів, які шукають помилки в системі. За прогнозом компанії з дослідників Cisco Systems, повноцінний робочий квантовий комп'ютер з'явиться до 2025р., і за потужністю його можна буде порівняти з людським мозком. У будь-якому випадку, проблема розробки нових досконалих комп'ютерів буде актуальна доти, поки людство не навчиться виправляти квантові помилки другого рівня. Якщо це колись станеться, то до створення робочого квантового комп'ютера залишиться лише кілька років.

До компанії D-Wave System, в розробці і вдосконаленні квантового комп’ютера, приєдналися потужні гіганти Google і NASA, зі своїми передовими технологіями, інтелектуальними і фінансовими можливостями. Отже, можливо, в недалекому майбутньому кожен з нас зможе користуватися власним портативним квантовим комп’ютером.

Комп'ютери майбутнього Квантові комп'ютери – майбутнє IT технологій
Квантовий компютер і телепортація
Найшвидший суперкомп'ютер світу
Top 10 суперкомп'ютерів світу
Квантова фізика і свідомість людини