Квантовые вычисления

Если диапазон 1,0-0,5 микрометра достижим в пределах совершенствования существующей технологии, то в диапазоне ниже 0,1мкм (100нм) мир становится квантовым, вероятностным и неопределенным. Следующий предел 10-1,0 нм соответствует размеру простых биомолекул, 1,0-0,1 нм - размер отдельных атомов и простейших молекул. Квантовая электроника - следующий этап развития технологии.
Идея квантовых вычислений была впервые высказанна советским математиком Ю.И.Маниным в 1980 году. Активное обсуждение этой идеи началось после опубликования в 1982 году статьи американского физика-теоретика, нобелевского лауреата Р.Фейнмана.
Суть состоит в следующем:
Единица измерения объема информации в классической вычислительной технике - бит. Каждый бит информации в двоичной системе счисления может принимать одно из двух определенных значений - 1 или 0. За единицу измерения информации в квантовых компьютерах принят кубит или квантовый бит (qubit, Quantum Bit). Кубитом принято также называть элементарную ячейку квантового компьютера. Состояние квантовой системы описывает волновая функция, которая может принимать большое количество значений, т. е. может быть представлена виде вектора допустимых значений. Каждому допустимому значению соответствует собственная функция. Таким образом, волновую функцию можно представить в виде линейной комбинации собственных функций. Отдельные составляющие вектора могут принимать состояния 0 или 1, это означает, что кубит в определенный момент времени с некоторой вероятностью равен и 0, и 1. Для квантовых компьютеров можно ввести подобно классическим компьютерам элементарные логические операции: дизъюнкцию, конъюнкцию, квантовое отрицание. Эти функции - логическая основа работы квантового компьютера. Квантовые вентили аналогичны соответствующим классическим вентилям, но в отличие от классических, они способны совершать унитарные операции над суперпозициями состояний. Выполнение унитарных логических операций над элементами в квантовых компьютерах предполагается осуществлять с помощью соответствующих внешних воздействий, которыми управляют классические компьютеры. Р.Фейнман предложил и первую схему квантового компьютера (Рис.1).

 

Рис.1. Квантовый компьютер

Элементарным шагом при квантовых вычислениях является унитарная операция над суперпозицией состояний системы из L двухуровневых квантовых элементов, при этом в квантовых компьютерах выполняется параллельная обработка сразу всех 2^L булевых состояний, тогда как для классического компьютера подобная операция потребовала бы 2^L отдельных элементарных шагов. Такое свойство называется квантовым параллелизмом в работе квантовых устройств, оно приводит к экспоненциальному ускорению вычислительного процесса. В этом заключается одно из главных преимуществ квантового компьютера.
При выборе конкретной схемы любого квантового компьютера необходимо решить три вопроса: во-первых, выбрать физическую систему, представляющую требуемую систему квантовых элементов, во вторых, определить физический механизм, определяющий взаимодействие квантовых элементов, необходимое для выполнения двухкубитовых операций, в третьих, определить способы селективного управления квантовыми элементами и измерения их состояния на выходе. Все это вместе взятое аналогично "аппаратному обеспечению" (hardware) классического компьютера.
Считается, что для реализации полномасштабного квантового компьютера, превосходящего по производительности любой классический компьютер, на каких бы физических принципах он не работал, следует обеспечить выполнение следующих пяти основных требований:

1. Физическая система, представляющая полномасштабный квантовый компьютер, должна содержать достаточно большое число хорошо различаемых квантовых элементов для выполнения соответствующих квантовых операций.

2. Необходимо обеспечить условия для установки входного регистра в исходное основное базисное состояние, то есть возможность процесса инициализации.

3. Необходимо обеспечить максимальное подавление эффектов декогерентизации квантовых состояний, обусловленное взаимодействием системы кубитов с окружающей средой, что приводит к разрушению суперпозиций квантовых состояний и может сделать невозможной выполнение квантовых алгоритмов. Время декогерентизации должно по крайней мере в 10 раз превышать время выполнения основных квантовых операций (времени такта). Для этого система квантовых элементов должна быть достаточно слабо связана с окружающей средой (чтобы исключить тепловое разрушение состояний).

4. Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование. Эта совокупность должна содержать определенный набор только двухкубитовых операций, типа контролируемый инвертор или контролируемое НЕ (Controlled NOT є CNOT) (аналог исключающего ИЛИ в классических компьютерах), осуществляющих операции поворота вектора состояния двух взаимодействующих квантовых элементов в четырехмерном гильбертовом пространстве, и однокубитовых операций, осуществляющих поворот вектора состояния квантового элемента в двухмерном гильбертовом пространстве, таких как операции НЕ и некоторые другие.

5.Необходимо обеспечить с достаточно высокой надежностью измерение состояния квантовой системы на выходе. Проблема измерения конечного квантового состояния является одной из основных проблем квантовых вычислений.

В настоящее время наиболее широко обсуждаются следующие основные направления в развитии элементой базы будущих квантовых компьютеров:

1). Использование для модельной реализации квантовых компьютеров в качестве кубитов уровней энергии ионов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до микрокельвиновых температур.
Взаимодействие между заряженными ионами в одномерной цепочке этих ловушек осуществляется посредством возбуждения их коллективного движения, а индивидуальное управление ими с помощью лазеров инфракрасного диапазона. Первый прототип квантового компьютера на этих принципах был предложен австрийскими физиками И.Цираком и П.Цоллером в 1995 году. В настоящее время интенсивные экспериментальные работы ведутся в Los Alamos Natl.Lab. (LANL) и Natl.Inst.Stand.Tech. (NIST) в США. Преимущество такого подхода состоит в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами. Основными недостатками этого типа квантовых компьютеров являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояний ионов в цепочке и ограниченность возможного числа кубитов значением L < 40.

2) Использование в качестве значения кубитов состояний атомов с ядерными спинами с I = 1/2, принадлежащих молекулам органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для управления кубитами.
Первые предложения были сформулированы в 1997 году в Massach.Inst.Tech. (MIT), LANL в США и в Clarendon Lab. в Оксфорде в Великобритании. В этом же году были выполнены первые эксперименты на ядерных спинах двух атомов водорода в молекулах дибромотиофена SCH:(CBr)2:CH и на трех ядерных спинах - одном в атоме водорода и двух в изотопах углерода в молекулах трихлорэтилена CCl2:CHCl. Важным здесь является то, что для селективного воздействия на ядерные спины молекулы необходимо чтобы они достаточно различались по резонансным частотам. Позднее были осуществлены квантовые операции также в цитозине, хлороформе, аланине и других жидкостях с числом спинов-кубитов L = 3,5,6,7.
Главным преимуществом такого компьютера является то, что огромное число практически независимых молекул-компьютеров жидкости действует, обеспечивая тем самым возможность управления ими с помощью хорошо известных в технике ядерного магнитного резонанса (ЯМР) операций над макроскопическим объемом жидкости. Последовательности радиочастотных импульсов, выполняющие в этом случае роль определенных квантовых логических вентилей, осуществляют глобальные унитарные преобразования состояний соответствующих ядерных спинов для всех молекул-компьютеров. Индивидуальное обращение к отдельным кубитам заменяется одновременным обращением к соответствующим кубитам во всех молекулах большого ансамбля. Компьютер такого рода получил название ансамблевого (bulk-ensemble quantum computer) ЯМР квантового компьютера. Замечательно, что он может в принципе работать при комнатной температуре. Время декогерентизации квантовых состояний ядерных спинов в жидкости достаточно велико. Оно может составлять несколько секунд. Магнитные ядра ведут себя как вращающиеся волчки. (Рис. 2).

 

Рис. 2. Магнитные ядра ведут себя как вращающиеся волчки.

Ось спина в нормальном положении ориентирована вдоль направления приложенного постоянного магнитного поля. Переменное поле может вызвать переориентацию спина. Например, 180-градусный импульс (слева) заставляет вращающееся ядро перевернуться на 180 градусов, а 90-градусный импульс заставит его установиться перпендикулярно к постоянному магнитному полю.
Частицы со спином действуют как крошечные магнитики, ориентирующиеся вдоль приложенного внешнего магнитного поля. Две противоположные ориентации (параллельно и антипараллельно внешнему полю) соответствуют двум квантовым состояниям с различными энергиями. Можно положить, что параллельному спину соответствует значение логической 1, а антипараллельному - значение логического 0. Параллельный спин имеет более низкую энергию, чем антипараллсльный, на величину, которая зависит от напряженности приложенного внешнего магнитного поля. Обычно противоположные направления спинов присутствуют в жидкости в равных количествах. Но приложенное поле создаст более выгодные условия для параллельных спинов, поэтому возникает легкий дисбаланс между двумя состояниями. Этот незначительный излишек, составляющий, возможно, лишь одно ядро на миллион, измеряется во время ЯМР-экспериментов.
В дополнение к этому постоянному магнитному полю ЯМР-процедура также использует переменные электромагнитные поля. Прикладывая переменное поле, определенные спины можно заставить перевернуться в другое состояние. Эта особенность позволяет переориентировать ядерные спины по желанию.
В области ЯМР квантовых компьютеров на органических жидкостях к настоящему времени достигнуты наибольшие успехи. Они связаны в основном с хорошо развитой импульсной техникой ЯМР-спектроскопии, обеспечивающей выполнение различных операций над когерентными суперпозициями состояний ядерных спинов и с возможностью использования для этого стандартных ЯМР-спектрометров, работающих при комнатных температурах.
Экспериментально на ЯМР квантовых компьютерах были осуществлены алгоритм Гровера поиска данных, квантовое фурье-преобразование, квантовая коррекция ошибок, квантовая телепортация, квантовое моделирование и другие операции.
Однако, ЯМР квантовые компьютеры на молекулах органической жидкости не смогут иметь число кубитов, значительно больше десяти. Их следует рассматривать лишь как прототипы будущих квантовых компьютеров, полезные для отработки принципов квантовых вычислений и проверки квантовых алгоритмов.
3) Использование в качестве значений кубитов зарядовых состояний куперовских пар в квантовых точках, связанных переходами Джозефсона, предложенное Д.В.Авериным в 1998 году.
Первый твердотельный квантовый элемент на этих принципах был создан в NEC Fund.Res.Lab. в Японии в 1999 году. Полагают, что перспективность этого направления состоит в возможности создания электронных квантовых устройств высокой степени интеграции на одном кристалле, при этом для управления квантовыми элементами не потребуются громоздкие лазерные или ЯМР установки. Однако на пути создания квантовых компьютеров еще остается нерешенными ряд важных проблем и, в частности, проблема устойчивости состояний квантовых элементов и декогерентизация. Работы по разработке квантовых компьютеров на высокотемпературных сверхпроводниках в России ведутся в Институте теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН.

Перечисленные выше три в разной степени реализованных направления в развитии элементной базы квантовых компьютеров дополним здесь еще двумя широко обсуждаемыми пока на уровне предложений направлениями:

4) Важные перспективы открываются перед направлением твердотельных ЯМР квантовых компьютеров.

В 1998 г. австралийским физиком Б.Кейном было предложено использовать в качестве значений кубитов состояния обладающих ядерным спином 1/2 донорных атомов с изотопами 31P, которые имплантируются в кремниевую структуру. Это предложение, которое пока остается нереализованным, открывает потенциальную возможность создания квантовых вычислительных устройств с практически неограниченным числом кубитов.
В рассматриваемом варианте предполагается использовать температуры достаточно низкие для того, чтобы электроны донорных атомов занимали только нижнее спиновое состояние в магнитном поле.
Каждый донорный атом с ядерным спином - кубит в полупроводниковой структуре предполагается расположить регулярным образом с достаточной точностью под "своим" управляющим металлическим затвором (затвор A), отделенным от поверхности кремния тонким диэлектриком (например, окисью кремния толщиной порядка нескольких нанометров). Эти затворы образуют линейную решетку произвольной длины (Рис.3.).

Рис.3. Схематическое изображение двух ячеек полупроводниковой структуры модели Кейна, приближенные размеры lA = 10нм, l=20нм, C=20нм.

С помощью электрического поля, создаваемого потенциалом затворов A, можно изменять распределение электронной плотности вблизи ядра в основном состоянии изменяя, соответственно, резонансную частоту каждого ядерного спина, которая определяется сверхтонким взаимодействием его с электронным спином. Это позволяет осуществлять индивидуальное управление квантовыми операциями путем селективного воздействия резонансных радиочастотных импульсов на ядерные спины определенных доноров.
Величиной косвенного взаимодействия между ядерными спинами соседних доноров, которое обеспечивает выполнение двухкубитовых операций, предлагается управлять с помощью затворов J, расположенных между затворами A. Это возможно, если характерные размеры полупроводниковой структуры лежат в нанометровой области. Для формирования таких структур предполагается воспользоваться приемами современной нанотехнологии.
Были предложены и несколько вариантов измерения состояний кубитов, но ни один из них пока не реализован, а также ансамблевые варианты твердотельных ЯМР квантовых компьютеров. В России работы в этом направлении ведутся в Физико-технологическом институте РАН

5) Еще одним из интересных направлений является использование в качестве состояний кубитов двух спиновых или двух зарядовых электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах, в частности в квантовых точках, формируемых в гетероструктурах типа AlGaAs/GaAs, либо со спин-спиновым обменным, либо с электрическим взаимодействием между кубитами. Индивидуальное управление кубитами в случае спиновых электронных состояний предполагается осуществлять используя, так называемые спиновые клапаны, а для измерения состояния отдельного спина - спиновые фильтры из ферромагнитных туннельных барьеров. В случае зарядовых состояний предполагается управлять кубитами либо лазерами инфракрасного диапазона, либо с помощью электрического воздействия на высоту барьера, разделяющего кубиты. Активные поисковые исследования в этом направлении проводятся в исследовательских центрах IBM. Работа по моделированию полупроводниковых кубитовых наноструктур из квантовых точек в России ведется в Физико-технологическом институте РАН.

Из рассмотренных выше пяти основных направлений наиболее привлекательными с точки зрения создания квантовых компьютеров в настоящее время представляются три пока нереализованных конкурирующих направления: полупроводниковые ЯМР квантовые компьютеры, квантовые компьютеры на переходах Джозефсона и квантовые компьютеры на квантовых точках. Все они допускают произвольно большое число кубитов и для них существуют уже многие наработанные приемы микро- и нанотехнологии создания полупроводниковых и сверхпроводниковых интегральных схем. Все три направления предполагают наличие генераторов управляющих импульсов, использование низких температур и, следовательно, использование совсем не миниатюрных обслуживающих систему кубитов устройств, а в случае твердотельного ЯМР квантового компьютера еще и использование магнита.

Среди нерешенных проблем отметим следующие:

- в настоящее время отсутствует практическая разработка методов квантовых измерений состояний отдельного ядерного спина или их малых групп;

- не изучено влияние неидеальности управляющих кубитами импульсных последовательностей и многоуровневой сверхтонкой структуры энергетического спектра на декогерентизацию квантовых состояний;

- не разработаны способы подавления декогерентизации, определяемой шумами в электронной измерительной системе;

- не опробованы квантовые методы коррекции ошибок для многокубитовых систем.

Познакомимся с некоторыми проектами квантовых компьютеров на переходах Джозефсона.

В Америке начала 80-х годов компьютерный гигант IBM объявил о планах по созданию сверхпроводникового суперкомпьютера с тактовой частотой в несколько ГигаГерц. Ученые из IBM использовали так называемую вольтовую логику (voltage-stage logic, MVTL). Сигналы в MVTL представлялись так же, как и в КМОП, уровнями напряжения, но передавались по сверхпроводниковым линиям, а хранились в сверхпроводниковых интерферометрах в виде квантов магнитного потока. Существенным недостатком MVTL являлось требование глобального высокочастотного тактирования, что сводило на нет все преимущества перед полупроводниками (по скорости и по энерговыделению). Отсутствие ясных перспектив и конурентоспособности привело к тому, что работы были прекращены, породив на свет прототипный примитивный четырехбитный микропроцессор. Коллектив ученых и инженеров, работавших над процессором, отпочковался от IBM и возродился, спустя десять лет - в образе компании "Хайпрес" (HYPRES, Inc.).
А тем временем центр мировой джозефсоники переместился в середине 80-х годов в Японию в компании Hitachi и NEC. Японцы были неоригинальны и в качестве темы нового проекта выбрали четырехбитный микропроцессор, основанный на логике MVTL. Неудивительно, что финал японского проекта в точности совпал с финалом предыдущго, американского проекта: после демонстрации работающего чипа с микропроцессором на очередной международной конференции по сверхпроводниковой электронике работы были свернуты.
В журнале Nature в 1999 году были описаны эксперименты японских ученых по управлению состоянием электронов путем воздействия на них коротких электрических импульсов. Правительство Японии и фирма NEC решили финансировать научные исследования в этом направлении в течении последующих пяти лет.
Наиболее перспективным направлением в создании компьютера, в работе которого используются квантовые явления, считается использование быстрой одноквантовой логики.
Незаслуженно забытая ныне на просторах бывшего СССР, БОКЛ - быстрая одноквантовая логика (английское название - Rapid Single Flux Quantum logic, RSFQ) была открыта и детально разработана в начале 80-х годов, тогда еще советскими физиками, Константином Лихаревым, Василием Семеновым и Олегом Мухановым, бывшими соответственно профессором и аспирантами физического факультета Московского Государственного Университета им. Ломонсова (МГУ), а также сотрудниками и студентами их лаборатории. Технологической базой БОКЛ в СССР служил московский Институт Радиоэлектроники и Автоматики (ИРЭ) Академии Наук (группа под научным руководством Валерия Кошельца).
Единицей представления информации в БОКЛ являются одиночные кванты магнитного потока (2,06*10-15 Вб). Кванты перемещаются от вентиля к вентилю микроскопическими токами, наводимыми такими же квантами в управляющих контурах. Характерная тактовая частота БОКЛ устройств, изготовленных с применением архаичной 3,5-микронной технологии, составляет 20 Гигагерц. Переход на более прогрессивную полумикронную технологию позволит поднять эту цифру до 100 ГГц. Мощность, потребляемая сверхпроводниковыми БОКЛ схемами, мизерна. Несмотря на то, что для работы БОКЛ устройств их необходимо охлаждать до температуры жидкого гелия (4-9 градусов Кельвина, или от -269 до -264 градусов Цельсия), полная мощность, потребляемая сверхпроводниковой подсистемой квантового компьютера с учетом криогенного оборудования, оценивается всего в 500 киловатт.
Устройства, основанные на БОКЛ логике, являются также базовыми элементами сверхпроводниковых буферов памяти и межпроцессорной пакетной сети. Сеть выполняет функции системной шины и позволяет передавать 1 петабайт информации в секунду, что превышает суммарный объём информации всех экземпляров книг на земном шаре.
Быстрая одноквантовая логика основана на явлении квантизации магнитного потока в сверхпроводниках. Некоторые металлы (в частности, свинец и ниобий), будучи охлажденными до температуры жидкого гелия (4 Кельвина, или -269 градусов Цельсия), становятся сверхпроводниками, то есть обретают способность пропускать электрический ток без падения напряжения. В частности, это означает, что ток в сверхпроводниковом кольце будет циркулировать вечно, и это не метафора, а физический факт!
Существует лишь один способ "выпустить" ток из кольца (равно как и "впустить" его в кольцо): разрушить сверхпроводимость, подавить ее на время, прорвать "сверхпроводниковую" блокаду.
Второе удивительное свойство сверхпроводникового кольца с током состоит в том, что этот ток не может быть произвольным: поток магнитного поля, создаваемого током в кольце, то есть произведение величины магнитного поля на площадь контура, обязан быть равен целому числу квантов магнитного потока. Другими словами, квант "вошел" в кольцо - и ток увеличился на некую величину, зависящую от геометрических размеров кольца. Квант "вышел" из кольца - и ток уменьшился на ту же самую величину. Любое сверхпроводниковое кольцо может не содержать магнитного поля вообще, содержать один квант, два, три... И даже "минус один" квант! (Поле противоположной полярности.) А вот пол-кванта или полтора - не может!
Устройство, ответственное за проникновение квантов в кольцо и обратно, называется Джозефсоновским переходом (назван так в честь первооткрывателя соответствующего эффекта, аспиранта Джозефсона, более, увы, ничем не прославившегося) и фактически является аналогом p-n перехода из мира полупроводников. Из двух последовательно включенных джозефсоновских переходов строится компаратор - сверпроводниковый аналог транзистора, из включенных параллельно джозефсоновских переходов - интерферометр, элемент, функционально близкий к D-тригеру.
Джозефсоновский переход технологически представляет из себя тонкую (толщиной в несколько нанометров) пленку изолятора, оксида алюминия Al2O3, "закатанную" между двумя слоями сверхпроводящего ниобия. В силу так называемого "эффекта близости" два сверхпроводника "чувствуют" друг друга на небольшом расстоянии, и от одного к другому может течь небольшой электрический сверхток, даже если на пути находится нормальный, не сверхпроводящий, металл или изолятор. Если же величина тока превышает некий предел (называемый критическим током), то все становится на свои места: сверхпроводимость разрушается, ниобий из сверхпроводника становится нормальным металлом и обретает сопротивление.
Используя описанные выше приемы, легко построить более изощренные схемотехнические элементы: Т- и RS-тригеры, однобитные регистры, логические элементы, реализующие функции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверторы и т. п. (полный перечень БОКЛ содержит несколько десятков разнообразных элементарных ячеек, многие из которых выполняют одну и ту же функцию, но отличаются по способу реализации).

Классическая БОКЛ придерживается следующего соглашения:

1. Существует генератор тактовых импульсов (глобальный или локальный), более или менее регулярно испускающий кванты магнитного потока, тактирующие все элементы схемы.

2. Наличие кванта магнитного потока на входе данных некой ячейки между двумя последовательными тактовыми сигналами рассматривается как логическая единица.

3. Отсутствие кванта магнитного потока рассматривается как логический ноль.

Альтернативное направление использует, так называемый, двухрельсовый подход, когда данные передаются по двум параллельным линиям, так что сигнал на одной из линий интерпретируется как логический ноль, а сигнал на второй линии - как логическая единица. Такой (асинхронный) подход удобен тем, что не требует понятия тактирования как такового и потому является нечувствительным к нестабильности частоты тактового генератора.
К сожалению, двухрельсовые БОКЛ устройства используют в два-три раза больше джозефсоновских переходов и занимают в три-четыре раза больше полезной площади на чипе.
Для уменьшения энергопотребления и повышения тактовой частоты вычислительного ядра гиперкомпьютера кремниевые полупроводниковые микропроцессоры должны уступить место ниобиевым сверхпроводниковым, основанным на быстрой одноквантовой логике (БОКЛ).

Взлет сверхпроводниковой микроэлектроники совпал с крушением "железного занавеса", и новорожденная, но еще не окрепшая БОКЛ вырвалась на просторы Европы. Кроме уже существовавшей к тому времени лаборатории криоэлектроники Физического факультета МГУ им. Ломоносова и технологического центра в Институте Радиолектроники (ИРЭ) АН СССР, лаборатории по изучению БОКЛ открылись в нескольких немецких и шведских университетах.
Интерес к БОКЛ "подогревался" открытием высокотемпературной сверхпроводимости керамических сплавов, переходящих в сверпроводящее состояние при температуре 77 градусов Кельвина - то есть в жидком азоте (а не гелии!). В качестве перспективных областей применения БОКЛ впервые стали фигурировать высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). К сожалению, поразивший советскую науку кризис привел к тому, что лаборатория криолектроники, а за ней и сотрудники ИРЭ в полном составе переехали в США и в Европу.
Круг замнулся, и следующий взлет джозефсоновской схемотехники и технологии снова пришелся на США: на Университет штата Нью-Йорк в Стони-Бруке (SUNY at Stony Brook) и фирму HYPRES. Позднее к исследованию БОКЛ подключились Университет Рочестера (University of Rochester), Университет Беркли (UCB) и коммерческие фирмы Westinghouse (ныне Northrop Grumman), Conductus и TRW. Одновременно разработки устройств на базе БОКЛ начались в Японии, в Электротехнической лаборатории (ETL) и компании NEC.
Решение проблемы было предложено учеными Томасом Стерлингом и Полом Мессиной из Калифорнийского Технологического Института (Tomas Sterling, Paul Messina, Caltech, США), Гуаном Гао из университета Мак-Гилл (Guang Gao, McGill, Канада) и Константином Лихоревым из университета штата Нью-Йорк (Konstantin Likharev, SUNY, США). Ими была разработана принципиально новая архитектура будущего суперкомпьютера - Гибридно-технологическая Многопоточная Архитектура (ГТМПА, Hybrid Technology Multithreaded Architecture, HTMT). В основе ГТМПА лежит использование нетрадиционных технологий ("гибридность") и расщепление параллельных процессов на более мелкие независимые фрагменты: потоки и нити ("многопоточность"). За новым петафлопным суперкомпьютером закрепился термин "гиперкомпьютер" (Рис.4).

Рис.4. Структура петафлопного суперкомпьютера

Каждый из 4096 микропроцессоров гиперкомпьютера аппаратно поддерживает 16 параллельных процессов ("потоков"). Каждому потоку предоставляется набор из шестидесяти четырех 64-битных регистров общего назначения, необходимые контрольные регистры и целочисленное АЛУ, образующие аппаратный контекст потока (АКП). Функциональные устройства с плавающей запятой и закрепленный за процессором буфер памяти (СвОЗУ) одинаково доступны для всех 16 потоков.
Необходимо отметить, что проект гиперкомпьютера предусматривает два типа полупроводниковой оперативной памяти: статическую (возможно, охлажденную до температуры жидкого азота, 77 градусов Кельвина) и динамическую. С точки зрения процессоров, вся память образует единое адресное пространство.
Важнейшей коммуникационной артерией гиперкомпьютера является "Вихрь Данных" ("Data Vortex"), широкополосная оптическая многоступенчатая пакетная сеть. Эта сеть, создаваемая группой Коука Рида и Керен Бергман в Принстонском университете (Coke Reed, Keren Bergman, Princeton, США), соединяет друг с другом все банки динамической и статической полупроводниковой памяти.
Еще одна оптическая компонента гиперкомпьютера - голографическая память (Деметри Псалтис, Калифорнийский Технологический институт; Demetri Psaltis, Caltech, США). Один кристалл голографической памяти будет вмещать 1 гигабайт информации, которая может быть считана или записана в виде одномегабайтных страниц. Отличительной особенностью голографической памяти является ее нечувствительность к перебоям электропитания. Вероятно, голографические кристаллы будут выполнять те же функции, что и жесткие диски в современных компьютерах.
В настоящее время в мире насчитывается более двух десятков групп, ведущих исследования в области БОКЛ. Основными применениями цифровой сверхпроводниковой микролектроники считаются АЦП и их близкие родственники, высокоточные квантовые магнитометры (SQUID-ы); ЦАП и их родственники, программируемые генераторы сигналов; телекоммуникационные коммутаторы, и, конечно же, самый главный и самый масштабный по финансированию проект американского суперкомпьютера XXI века с производительностью в 1015 операций с плавающей точкой в секунду.
Сверхпроводниковые микросхемы, помимо HYPRES, который является признанными мировым лидером, изготавливаются в Стони-Бруке, TRW, Conductus, ETL и NEC. Из коммерческих приложений следует отметить сверхпроводниковые БОКЛ-магнитометры производства Conductus, которые с успехом используются в многочисленных американских клиниках для наблюдения за сигналами головного мозга человека, самый быстрый в мире АЦП сделанн в HYPRES.

Таблица 1.

Таблица преодоления очередных рубежей вычислительной техники

В 2007 году человечество, быть может, преодолеет очередной рубеж, рубеж петафлопных вычислений.
Появление квантовых компьютеров будет означать революцию не только в вычислительной технике, но и в технике передачи информации, в организации принципиально новых систем связи типа квантового Интернета и может быть началом развития новых, пока неизвестных областей Науки и Техники.