Создание совершенного компьютера

На протяжении всего этого обсуждения физических пределов вычислений, не было упоминаний, как построить компьютер, который действует в этих пределах. В самом деле, современные квантовые микрокомпьютеры, такие как сделанные с помощью ЯМР действительно работают на пределе скорости и памяти, описанные выше. Информация хранится на ядерных спинах, один спин содержит один бит. Время изменения спина, из состояния |↑> в ортогональное состояние |↓> составляет πћ /2 μB = πћ /2 E, где μ – магнитный момент спина, B - магнитное поле, и E = μB – средняя энергия взаимодействия между спином и магнитным полем. Для выполнения квантовой логической операции между двумя спинами необходимо время πћ /2 E_γ, где E_γ энергия взаимодействия между двумя спинами.

Хотя квантовые компьютеры на основе ЯМР уже работают на пределе вычислений, установленном физикой, они, тем не менее, гораздо медленнее и обрабатывают намного меньше информации, чем описанный выше совершенный ноутбук. Причина в том, что их энергия заключена в значительной мере в массе, что ограничивает как скорость, так и память. Высвободить эту энергию, конечно, возможно, как показывает термоядерный взрыв. Но управление такой освобожденной системой уже другой вопрос.

В качестве примера "вычислений', которые могут выполняться в экстремальных условиях, рассмотрим столкновения тяжелых ионов, которые происходят в Брукхейвенском коллайдере. Если сталкиваются 100 нуклонов с одной стороны и 100 с другой (т.е. два ядра, имеющие по 100 нуклонов каждое) на 200 ГэВ на нуклон, то время операции составит πћ /2 E ≈ 10^-29 с. Соответственно, суммарный объем доступной памяти равен S / k_Bln (2) ~ 10⁴-10⁵ бит. В течение столкновения, то есть во время, необходимое чтобы выполнить около 10⁴ операции для 10⁴ бит - сравнительно простых вычислений. (Тот факт, что выполняется только одна операцию на бит, указывает, что не хватает времени для достижения теплового равновесия). Система тяжелых ионов может быть запрограммирована с помощью манипулирования и подготовки первоначального импульса и внутренних ядерных состояний ионов. Конечно, не следует ожидать, что на таких компьютерах можно будет производить редактирование текстов. Скорее всего, они будут использоваться, чтобы выявить основные знания о ядерных столкновениях и кварк-глюонной плазме: в словах Хайнц Пейджелса плазма "вычисляет себя".

Если экстраполировать экспоненциальный прогресс в соответствии с законом Мура в будущее, то для достижения физических пределов потребуется 250 лет. Различие в производительности между текущими компьютерами, которые сейчас выполняют 10¹⁰ операций в секунду над 1010 битами, и нашим совершенным килограммовым ноутбуком, который выполняет 10⁵¹ операций в секунду над 10³¹ битами, составляет 40 порядков.

Дата добавления: 2014-01-06