Я познаю мир. Компьютеры и интернет

Харс Александр Александрович

Ошибочка выйдет...

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.

Оптические компьютеры

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.

Светоносный собрат транзистора

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!

Достижения оптоэлектроники

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.

Оптический суперкомпьютер

Наряду с развитием оптоэлектроники, продолжает развиваться быстрыми темпами и фотоника – отрасль науки, занимающаяся передачей и преобразованием света в различных устройствах и системах. Одним из практических результатов развития этой науки стало широкое использование лазеров различного назначения, являющихся сегодня одним из наиболее удобных генераторов для тех же ОВМ.

Другим практическим внедрением результатов фотоники стала оптоволоконная техника. Например, в Великобритании, США, Японии, России и некоторых других странах уже появились первые сети связи на оптических кабелях. Они обеспечивают скорость передачи информации в 1200 млн битов в секунду.