Квантовые и молекулярные компьютеры

Содержание 2
Введение 3
Основная часть 6
1 Молекулярные компьютеры 6
1.1 История развития 6
1.2 Составные элементы молекулярного компьютера 7
1.2.1 Процессор 8
1.2.2 Память 10
1.2.3 Устройства ввода и вывода информации 11
1.3 Единый вычислительный комплекс 12
1.4 Практическая реализация 13
1.5 Перспективы 14
2 Квантовые компьютеры 16
2.1 Экскурс в историю и терминологию 16
2.2 Идеи и принципы квантовых вычислений 16
2.3 Преимущества при решении алгоритмически сложных задач 18
2.4 Реализация квантовых систем. Проблемы. Перспективы 20
Заключение 26
Список использованных источников 27
Приложение 29

Весь текст будет доступен после покупки

Задача работы – подготовить реферат и презентацию по выбранной теме. Подготовить устное выступление с презентацией. Цель – ознакомиться с современным состоянием информационных технологий.
Для начала рассмотрим предпосылки, послужившие толчком к появлению и развитию таких вычислительных систем, как квантовые и молекулярные компьютеры.
В 60-е годы 20-го века, на заре информационной революции, Гордон Мур, ставший впоследствии одним из основателей корпорации Intel, заметил интересную закономерность в развитии компьютеров [1]. Она заключалась в том, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Размеры транзисторов становятся меньше, производительность процессоров растет.
Закон Мура графически представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Графическое представление закона Мура

Это эмпирическое наблюдение впоследствии назвали законом Мура и последующее развитие компьютеров шло в соответствии с ним. Например, в выпущенном в 1971 процессоре Intel 4004 было 2300 транзисторов [2]. Через 45 лет, в 2016 году, компания Intel представила 24-ядерный процессор Xeon Broadwell-WS с 5,7 млрд транзисторов. Этот процессор выпускается по 14 нанометровой (нм) технологии. IBM не так давно анонсировала 7 нм процессор с 20 млрд транзисторов, а затем и 5 нм процессор с 30 млрд транзисторов.
С уменьшением размеров транзисторов технологии их изготовления становятся всё более сложными и дорогими. Так, в начале 2000-х тоже казалось, что этой прогрессии приходит конец, но различные технические средства, разрабатываемые в то время, поддерживали «жизнь» закона Мура.
Но у закона Мура существует предел, обусловленный законами физики. На данный момент созданы транзисторы, состоящие из 7 атомов [3]. Дальнейшее уменьшение теоретически возможно, но является технической проблемой, причем очень и очень большой.
Существует несколько путей решения этой проблемы.
Первый ¬– создание элементной базы, которая позволит максимально близко подобраться к пределу закона Мура. Но такое решение является дорогостоящим, технически сложным, и здесь вновь появляются физические барьеры – неограниченное уменьшение элементной базы невозможно.
Второй путь – наращивание производительности за счет других технологий – облачных вычислений, мультиядерных процессоров. Мультиядерные процессоры позволяют сохранить темпы увеличения количества операций за секунду. Но все же сама мультиядерность это некоторое отступление от закона Мура.
И совершенно иной путь – изменение самой формы компьютерных вычислений. Сейчас внедряются новые идеи, которые позволят достичь высот, недоступных обычным компьютерным системам с традиционной архитектурой. Яркие примеры таких решений – квантовые и молекулярные компьютеры. Они позволяют не только преодолеть физические ограничения, накладываемые на классические вычислительные машины, но и гораздо быстрее решать алгоритмически сложные задачи (например – оптимизация, поиск, моделирование сложных физических систем, задачи криптографии). Вычислительная мощность таких компьютеров экспоненциально выше мощности обычных вычислительных машин.
Рассмотрим эти два типа вычислительных машин подробнее.

Весь текст будет доступен после покупки

Основная часть
1 Молекулярные компьютеры
1.1 История развития
Идея использования органических молекул в качестве элементной базы вычислительных систем появилась в 1974 году, когда ведущие ученые фирмы IBM М. Ратнер и А. Авирам предложили состоящую из одной органической молекулы модель диода [4]. Половинки этой молекулы обладают взаимообратными свойствами относительно электрона: одна (донор) может только отдавать электрон, а вторая (акцептор) – только принимать. При размещении такой асимметричной молекулы между двумя металлическими электродами, получится система, проводящая ток только в одном направлении. На рисунке 2 изображен диод, созданный на основе олигомера (молекулы-цепочки, состоящей из одинаковых звеньев) диоксида тиофена.

Рисунок 2 – Диод на основе олигомера диоксида тиофена
Идеи Ратнера и Авирама по созданию молекулярных систем с направленной электронной проводимостью дали толчок экспериментальным работам по синтезу и изучению свойств таких молекул. Выдвигались предложения создать аналог полупроводникового транзистора на основе таких молекул. Этого можно было достичь, внедрив между донорной и акцепторной частями молекулы затвор, свойства которого можно изменить каким-либо внешним воздействием (освещением, подачей напряжения и т. п.). При соединении двух таких транзисторов, получается аналог классического вентиля (триггера) – устройства, способного переключаться между двумя устойчивыми состояниями, которые выполняют роль логических "0" и "1". Что является, по сути, базовым элементом любого компьютера, работающего по принципу бинарной логики.

Весь текст будет доступен после покупки

1) Немного о «Законе Мура» [Электронный ресурс]//Habrahabr: [сайт]. – 2006 –2017. URL: https://habrahabr.ru/company/1cloud/blog/282377/, свободный. - Загл. с экрана (дата обращения: 28.11.2017).
2) Конец эпохи закона Мура и как это может повлиять на будущее информационных технологий [Электронный ресурс] // Geektimes: [сайт]. – 2006 – 2017. – URL: https://geektimes.ru/company/madrobots/blog/291219/ , свободный. - Загл. с экрана (дата обращения: 28.11.2017).
3) Квантовый компьютер: большая игра на повышение [Электронный ресурс] // Habrahabr: [сайт]. – 2006 – 2017. URL: https://habrahabr.ru/company/yandex/blog/332106/, свободный. - Загл. с экрана (дата обращения: 28.11.2017).
4) В. Зайцев. Молетроника [Электронный ресурс] / В. Зайцев, А. Шишлова. // Наука и жизнь. – 2000. – №12.2000 – Электронная версия печатной публикации. URL: https://www.nkj.ru/archive/articles/5199/, свободный.
5) Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен [Электронный ресурс] // Picabu: [сайт]. – 2017. URL: https://pikabu.ru/story/chto_takoe_kvantovyiy_kompyuter_5204054/, свободный. - Загл. с экрана (дата обращения: 29.11.2017).

Весь текст будет доступен после покупки