Курсовая работа: Перспективы развития вычислительных систем. Квантовые компьютеры и нейровычислители

2. Возможность взаимозамены различных реализаций любого компонента без изменения других компонентов.

2. Перспективы нейровычислителей

В настоящее время искусственные нейронные сети являются важным расширением понятия вычисления. Они уже позволили справиться с рядом непростых проблем и обещают создание новых программ и устройств, способных решать задачи, которые пока под силу только человеку. Современные нейрокомпьютеры используются в основном в программных продуктах и поэтому редко задействуют свой потенциал параллелизма. В полную силу использование параллельных нейровычислений начнется с появлением на рынке большого числа аппаратных реализаций - специализированных нейрочипов и плат расширений, предназначенных для обработки речи, видео, статических изображений и других типов образной информации.

Прогнозируется появление техники подстраивающейся под пользователя. При помощи нейросетевых блоков можно реализовать механизмы, при помощи которых приборы будут узнавать своих владельцев по голосу, внешнему виду и ряду других уникальных характеристик. Получат развитие и системы жизнеобеспечения так называемых «умных домов», которые станут еще более адаптивными и обучаемыми. На производстве и в различных промышленных системах интеллектуальные нейросетевые контроллеры получат возможность распознавать потенциально опасные ситуации, уведомлять о них людей и принимать адекватные и своевременные меры.

На данный момент нейрокомпьютеры используют в самых разных сферах человеческой деятельности. Это область экспертных систем, область обработки сигналов. Множество систем автоматического управления сейчас построено на нейронных сетях. Нейронные сети иногда являются единственными точными предсказателями временных рядом.

Согласно [2], следует отметить достижения нейронных сетей в ассоциативном поиске текстовой информации. Традиционные методы поиска и фильтрации документов были разработаны для библиотечных баз данных ограниченного объема и заранее известной структуры. Создание глобальной сети привело к тому, что число поставщиков информации стало стремительно расти, при том, что публикуемая ими информация не имеет однородной структуры. Последовавший информационный взрыв стал вызовом стандартным информационным технологиям. Новые масштабы с одной стороны сделали аутсайдерами некоторые ранее конкурентоспособные интеллектуальные технологии, а с другой - стимулировали интенсивные исследования в области статистических методов обработки текстовой информации и новых способов навигации в информационном море. Нейросети являются перспективным инструментом извлечения статистических закономерностей в текстах, и использования этих закономерностей для прецизионной фильтрации документов.

Одной из проблем современных нейровычислителей является их доступность. Они или выпускаются в составе специализированных устройств, или достаточно дороги, а зачастую и то и другое. На их разработку тратится значительное время, за которое программные реализации на самых последних компьютерах оказываются лишь на порядок менее производительными, что делает использование нейропроцессоров нерентабельным. Однако аналогичная проблема раньше стояла и перед обычными компьютерами, поэтому следует ожидать, что нейровычислители станут доступнее.

3. Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер - вычислительное устройство, которое путём выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Квантовый параллелизм заключается в том, что данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счёт того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно.

Квантовую суперпозицию можно представить как некое объединённое состояние двух дискретных величин, которое при измерении дает только одну из них.

Базовые характеристики квантовых компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров.

Основой для работы квантового компьютера является Кубит.

Согласно с [3], идея квантовых вычислений, впервые высказанная Ю.И. Маниным и Р. Фейнманом, состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых кубитов (квантовых элементов) имеет 2^L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространством состояний такого квантового регистра является 2^L -мерное гильбертово пространство. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит может выполнять параллельно 2^L операций.

Предположим, что имеется один кубит. В таком случае после измерения, в так называемой классической форме, результат будет 0 или 1. В действительности кубит-квантовый объект и поэтому, вследствие принципа неопределённости, в результате измерения может быть и 0, и 1 с определенной вероятностью. Если кубит равен 0 (или 1) со стопроцентной вероятностью, его состояние обозначается с помощью символа (или ) – в обозначениях Дирака. и - это базовые состояния. В общем случае квантовое состояние кубита находится "между" базовыми и записывается, в виде , где |a |² и |b |² -вероятности измерить 0 или 1 соответственно; ; |a |² + |b |² = 1. Более того, сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, аналогичное классическому результату.

Приведем для объяснения два примера из квантовой механики: 1) фотон находится в состоянии суперпозиции двух поляризаций; измерение раз и навсегда коллапсирует состояние фотона в таковое с определенной поляризацией; 2) радиоактивный атом имеет определенный период полураспада; измерение может выявить то, что он еще не распался, но это не значит, что он никогда не распадется.

Перейдем к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базовые квантовые состояния: . И наконец, общее квантовое состояние системы имеет вид . Теперь |a |² -вероятность измерить 00 и т. д. Отметим, что |a |²+|b |²+|c |²+|d |²=1 как полная вероятность.

В общем случае системы из L кубитов, у неё 2^L классических состояний (00000…(L-нулей), …00001(L-цифр), … , 11111…(L-единиц)), каждое из которых может быть измерено с вероятностями 0-100 %.

Таким образом, одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые она может принимать, в отличие от классического бита. Это и обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений.

Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берется система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством базовых квантовых операций. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера.

Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система дает результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счет небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.

С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней.

Но тогда возникает вопрос о преимуществах квантового компьютера. Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние, и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n-кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2ⁿ базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически квантовый алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов.

Также в сфере квантовых компьютеров есть такое понятие, как квантовая телепортация. Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В простейшей схеме используются 4 кубита: источник, приёмник и два вспомогательных. Отметим, что в результате работы алгоритма первоначальное состояние источника разрушится - это пример действия общего принципа невозможности клонирования - невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. На самом деле, довольно легко создать одинаковые состояния на кубитах. К примеру, измерив 3 кубита, мы переведем каждый из них в базовые состояния (0 или 1) и хотя бы на двух из них они совпадут. Не получится скопировать произвольное состояние, и телепортация - замена этой операции.

Телепортация позволяет передавать квантовое состояние системы с помощью обычных классических каналов связи. Таким образом, можно, в частности, получить связанное состояние системы, состоящей из подсистем, удаленных на большое расстояние.

Может показаться, что квантовый компьютер - это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.

Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:

· необходимо обеспечить высокую точность измерений;

· внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.