МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ
БІЛАНИЧ РОСТИСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ
КВАНТОВІ КОМП’ЮТЕРИ
Курсоваробота
Викладач:
Молнар О.О.
Ужгород-2006
ВСТУП
РОЗДІЛ 1. ІСТОРІЯ ВИНИКНЕННЯ КВАНТОВИХ КОМП’ЮТЕРІВ
1.1.Історія виникнення квантових комп’ютерів
1.2.Структура квантових комп’ютерів
1.2.1.Квантовий біт
1.2.2.Квантовий регістр
1.3.Принципи роботи квантового комп’ютера
РОЗДІЛ 2.КВАНТОВИЙ КОМП’ЮТЕР НА ЯДЕРНИХ СПІНАХ У КРЕМНІЮ
2.1.Особливості кубітів
2.1.1.Конструкція кубіта
2.1.2.Індивідуалізація кубітів і однокубітні операції
2.1.3.Взаємодія кубітів і двохкубітні операції
РОЗДІЛ 3.КВАНТОВИЙ КОМП’ЮТЕР НА ЕЛЕКТРОННОМУ СПІНОВОМУ РЕЗОНАНСІ В СТРУКТУРАХ Ge–Si
3.1.Відмінності квантового комп’ютера з електронним спіновим резонансом(ЕСР
3.2.Конструкція ЕСР кубіта
3.3.Логічні операції з кубітами
3.3.1.Однокубітні операції
3.3.2.Двохкубітні операції
3.4.Детектування спінового резонансу МДН транзисторами
3.5.Вплив орієнтації підкладки кремнію
РОЗДІЛ 4.НАДПРОВІДНИКОВИЙ СУПЕРКОМП’ЮТЕР
4.1.Стаціонарний ефект Джозефсона
4.2.Реалізація джозефсонівського переходу
ВИСНОВОК
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ВСТУП
Використовуючи закони квантової механіки, можна створити принципово новий тип обчислювальних машин, що дозволять вирішувати деякі задачі, недоступні навіть самим потужним сучасним супер комп’ютерам. Різко зросте швидкість багатьох складних обчислень; повідомлення, послані по лініях квантового зв’язку, неможливо буде ні перехопити, ні скопіювати. Сьогодні вже створені прототипи цих квантових комп’ютерів майбутнього.
21 грудня 2001 року в Хосе (Каліфорнія) учені дослідницького центру ІBM Алмейден вирішили найскладнішу на сьогоднішній день проблему квантового комп'ютера. Вони перетворили в квантовий комп'ютер розрядністю сім кубітів мільярди створених ними в пробірці молекул. Цей комп'ютер зміг вирішити досить простий варіант математичної задачі, що займає центральне місце в багатьох сучасних криптографічних системах захисту даних.
Метою даної курсової роботи є огляд основних джерел по темі "Квантові комп’ютери" .
РОЗДІЛ 1
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО КВАНТОВІ КОМП’ЮТЕРИ
1.1.Історія виникнення квантових комп’ютерів
Тільки до середини 1990-х років теорія квантових комп’ютерів і квантових обчислень затвердилася як нова область науки. Як це часто буває з великими ідеями, складно виділити першовідкривача. Очевидно, першим звернув увагу на можливість розробки квантової логіки угорський математик І. фон Нейман. Однак у той час ще не були створені не те що квантові, але і звичайні, класичні, комп’ютери. А з появою останніх основні зусилля учених виявилися спрямовані в першу чергу на пошук і розробку для них нових елементів (транзисторів, а потім і інтегральних схем), а не на створення принципово інших обчислювальних пристроїв.
Велику увагу до проблеми розробки квантових комп’ютерів звернув лауреат Нобелівської премії по фізиці Р.Фейнман [1]. Завдяки його авторитетному закликові число фахівців, що звернули увагу на квантові обчислення, збільшилося в багато разів.
І все-таки довгий час залишалось неясним, чи можна використовувати гіпотетичну обчислювальну потужність квантового комп’ютера для прискорення рішення практичних задач. Але от у 1994 році американський математик, співробітник фірми Lucent Technologіes (США) П. Шор приголомшив науковий світ, запропонувавши квантовий алгоритм, що дозволяє проводити швидку факторизацію великих чисел. У порівнянні з кращим з відомих на сьогодні класичних методів квантовий алгоритм Шора дає багаторазове прискорення обчислень.
У 1996 році колега Шора по роботі в Lucent Technologіes Л. Гровер запропонував квантовий алгоритм швидкого пошуку в неупорядкованій базі даних. (Приклад такої бази даних - телефонна книга, у якій прізвища абонентів розташовані не за алфавітом, а довільним образом.) Задача пошуку, вибору оптимального елемента серед численних варіантів дуже часто зустрічається в економічних, військових, інженерних задачах, у комп’ютерних іграх. Алгоритм Гровера дозволяє не тільки прискорити процес пошуку, але і збільшити приблизно в два рази число параметрів, що враховуються при виборі оптимуму.
Реальному створенню квантових комп’ютерів перешкоджала, власне кажучи, єдина серйозна проблема - помилки, або перешкоди. Справа в тім, що той самий рівень перешкод набагато інтенсивніше псує процес квантових обчислень, ніж класичних. Шляхи рішення цієї проблеми намітив у 1995 році П. Шор, розробивши схему кодування квантових станів і корекції в них помилок.
1.2.Структура квантових комп’ютерів
1.2.1.Квантовий біт. Основна комірка квантового комп’ютера - квантовий біт, або, скорочено, кубіт (q-біт) [2]. Це квантова частинка, що має два базових стани, які позначаються 0 і 1. Двом значенням кубіта можуть відповідати, наприклад, основний і збуджений стани атома, антипаралельні напрямки спіну атомного ядра, напрямок струму у надпровідному кільці, два можливих положення електрона в напівпровіднику і т.п.
1.2.2.Квантовий регістр. Квантовий регістр побудований майже так само, як і класичний. Це ланцюжок квантових бітів, над якими можна проводити одно- ідвохбітні логічні операції (подібно застосуванню операцій НІ, І-НІ і т.п. у класичному регістрі).
До базових станів квантового регістра, утвореного L кубітами, відносяться, так само як і в класичному, усі можливі послідовності нулів і одиниць довжиною L. Усього може бути 2L різних комбінацій. Їх можна вважати записом чисел у двійковій формі від 0 до 2L-1 і позначати 0,1,2,3, ... 2L-1. Однак ці базові стани не вичерпують усіх можливих значень квантового регістра (на відміну від класичного), оскільки існують ще і стани суперпозиції, що задаються комплексними амплітудами, зв’язаними умовою норміровки. Класичного аналога в більшості можливих значень квантового регістра (за винятком базових) просто не існує.
Уявіть, що на регістр здійснюється зовнішній вплив, наприклад, у частину простору подані електричні імпульси або спрямовані лазерні промені. Якщо це класичний регістр, імпульс, який можна розглядати як обчислювальну операцію, змінить L змінних. Якщо ж це квантовий регістр, то той же імпульс може одночасно перетворити до 2L змінних. Таким чином, квантовий регістр, у принципі, здатний обробляти інформацію в 2L/L раз швидше в порівнянні зі своїм класичним аналогом.
Звідси відразу видно, що маленькі квантові регістри (L<20) можуть служити лише для демонстрації окремих вузлів і принципів роботи квантового комп’ютера, але не принесуть великої практичної користі, тому що не зуміють обігнати сучасні ЕОМ, а коштувати будуть набагато дорожче.
1.3.Принципи роботи квантового комп’ютера.
Основним елементом квантового комп’ютера являється регістр із L кубітів. Перед початком обчислень усі кубіти переводяться в деякий початковий стан, наприклад, "0". Потім кожен кубіт індивідуально переводиться у змішаний стан, що відповідає умові розв'язуваної задачі. Після цього над регістром, як над єдиним цілим, проводяться послідовні операції. Результат обчислення зчитується наприкінці роботи. Таким чином, квантовий комп’ютер має три основні етапи роботи: ініціалізацію, виконання операцій над кубітами та зчитування результату обчислень. Квантовий комп’ютер повинен задовольняти наступні вимоги, щоб працювати за даною схемою:
· Регістр повинен містити не менше 1000 кубітів. Лише тоді квантовий комп’ютер дасть відчутний виграш у швидкодії в порівнянні із сучасними комп'ютерами і виправдає витрачені на його створення кошти;
· Повинна бути передбачена можливість ініціалізації регістра й переведення його в певний початковий стан;
· Кубіти повинні бути досить добре ізольовані від навколишнього середовища. У такому випадку час втрати когерентності (порушення необхідного змішаного стану) буде в 10000 разів більшим, ніж час, витрачений на одну операцію над регістром (такт);
· Необхідно забезпечити виконання за час одного такту передбачених у програмі операцій над регістром;
· Потрібен надійний спосіб вимірювання стану кубітів після завершення обчислень для одержання результату. Дана проблема - одна з найскладніших.
Ще один важливий елемент квантового комп’ютера - звичайний комп'ютер для виконання допоміжних операцій: введення і виводу інформації, корекції помилок, виконання операцій над квантовим регістром, збереженням програм і т.д. Тобто квантовий і сучасний комп'ютери будуть доповнювати одне одного.
Широкі перспективи в конструюванні квантовими комп’ютерами відкриваються завдяки таким новітнім науковим досягненням, як одержання конденсату Бозе-Ейнштейна (Нобелівська премія по фізиці, 2001 рік) і успіхи у використанні фотонів у якості кубітів (фотонний комп'ютер).
Конденсат Бозе-Ейнштейна - особливий надконденсований стан речовини, який іноді називають "п'ятим" станом речовини поряд із твердим, рідким, газоподібним і плазменним. Для переходу речовини в такий стан її охолоджують до температури, близької до абсолютного нуля. Цей агрегатний стан був передбачений Шатьєндранатом Бозе й Альбертом Ейнштейном ще в першій третині ХХ століття, однак реалізувати ідею на практиці вперше вдалося порівняно недавно. Головна особливість конденсату Бозе-Ейнштейна полягає в тому, що його атоми при низьких температурах починають поводитися як один гігантський атом. У результаті усі властивості речовини в такому стані різко міняються.
РОЗДІЛ 2
КВАНТОВИЙ КОМП’ЮТЕР НА ЯДЕРНИХ СПІНАХ У КРЕМНІЮ
2.1.Особливості кубітів
2.1.1.Конструкція кубіта. Важливою вимогою при створенні квантового комп’ютера є ізоляція кубітів від будь-яких ступенів вільності, що можуть вести до некогерентності [3,4]. Якщо кубітами є спіни на донорі в напівпровіднику, ядерні спіни в матриці представляють собою великий резервуар, з яким донорні спіни можуть взаємодіяти. Отже, матриця повинна містити ядра зі спином І=0. Ця вимога виключає всі напівпровідники А3В5 з числа кандидатів на матрицю, тому що жоден із їх складових елементів не має стабільних ізотопів з нульовим спіном. Для кремнію такий ізотоп існує: 28Sі. Крім того, для кремнію найбільш розвита технологія одержання матеріалу, є наявним великий досвід у створенні нанооб’єктів, так що він краще від усіх підходить на роль напівпровідникової матриці.