Hvernig er hugsanlegt að byggja tölvur á skammtafræðilegum vinnsluaðferðum?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig er hugsanlegt að byggja tölvur á skammtafræðilegum vinnsluaðferðum?
Hefðbundnar tölvur

Vinnsluminni venjulegrar tölvu er mælt í bætum. Algengt er til dæmis að heimilistölva nú á dögum hafi 64 megabæti í vinnsluminni [Í dag(23. júlí 2010) er um 2 gígabæt algengt]. Hvert bæti er sett saman úr 8 bitum. Hver biti getur tekið gildið 0 eða 1. Áætla má að í 64 MB sé hægt að geyma 16 milljón kommutölur með átta stafa nákvæmni. Örgjörvinn í heimilistölvunni nær í tvær tölur úr minninu og gerir eina aðgerð á þeim. Til eru örgjörvar sem undir vissum kringumstæðum geta unnið með nokkrar tölur í einu á nokkurs konar flæðilínu.

Til þess að auka reikniafl hefðbundinna tölva á sviði vísinda hafa verið framleiddir örgjörvar með svokallaðar vigureiningar sem geta gert sömu reikniaðgerðina á tveimur röðum af 128 eða 512 tölum. Enn önnur aðferð er að skipta reikniverkefni niður milli nokkurra örgjörva. Slíkar aðferðir til að hraða reikningum verka mjög misvel eða illa fyrir mismunandi forrit. Algeng heimilistölva um þessar mundir getur framkvæmt 100 til 400 milljón kommutöluaðgerðir á sekúndu og er þá sagt að hún sé 100 til 400 Mflop. Mjög öflugar tölvur til vísindalegra reikninga geta náð milljón milljón aðgerðum á sekúndu (1 Teraflop) með mörgum samhliða örgjörvum. Heyrst hefur að IBM vinni nú að nýrri ofurtölvu með milljón örgjörva sem framkvæmt geti 1000 milljón milljón kommutöluaðgerðir á sekúndu (1 Petaflop). Með þeirri vél (Blue Gene) á að reikna ýmsa eiginleika lífsameinda, til dæmis hvítu- eða DNA-sameinda.

Skammtatölvur

Í skammtatölvu eru minniseiningarnar svo kallaðir skammtabitar (skammtabitar, quantum bits). Hver skammtabiti getur tekið gildið 0, 1 eða verið í ástandi með einhverjum tilteknum líkum á hvoru gildi um sig. Seinni möguleikinn er almennur eiginleiki skammtafræðilegra kerfa, að geta verið í þess konar samsettu ástandi. Því er hægt að meta að með 50 skammtabitum sé hægt að geyma 1000 milljón milljón tölur! En raunverulegt afl skammtatölvunnar kemur fyrst í ljós þegar haft er í huga að með einni aðgerð grípur hún í allar geymdu tölurnar og vinnur með þær samtímis. Þegar eru þekktar reikniuppskriftir eða algrím til þess að kóða samskipti, til leitar og til þættingar stórra talna með þvílíkum ofurhraða að engin hefðbundin tölva getur nálgast hann. Mikilvægast er þó að með skammtatölvum er hægt að reikna eiginleika skammtakerfa á mjög hagkvæman hátt. Núna geta reikningar á eiginleikum atóma, sameinda eða þyrpinga atóma tekið frá klukkutímum upp í vikur og mánuði á mjög öflugum tölvum. Með skammtatölvu tækju slíkir reikningar örskotsstund og verkefni efnafræði, erfðafræði, eðlisfræði og efnistækni tækju stakkaskiptum sem við getum ekki látið okkur dreyma um.

Vélbúnaður skammtatölva

Enn eru engar skammtatölur til, en fjöldi rannsóknahópa í eðlisfræði og rafmagnsverkfræði vinna að rannsóknum á hugsanlegum grunneiningum þeirra. Einstakir skammtabitar hafa verið gerðir úr gasi og leysigeislum, eða vökva, segulsviði og útvarpsgeislum. Einnig hefur verið hermt eftir skammtatölvum á hefðbundnum tölvum. Mörg og erfið tæknileg vandamál verður að leysa: Hvernig er hægt að koma fyrir villuleiðréttingu, hvernig er lesið úr minni án þess að eyða gögnum, hvernig er hægt að tengja saman skammtabita þannig að þeir myndi heildstætt skammtakerfi? Fræðilega er þetta hægt en tæknileg útfærsla er mjög erfið. Líklegt er að stórstígar framfarir verði fyrst þegar tekst að heilda skammtabita saman í hálfleiðurum. Heyrst hefur að örfáir rannsóknahópar á sviði eðlisfræði þéttefnis hafi getað sýnt fram á villuleiðréttingu í mjög einföldu kerfi en ávallt hefur verið tekið fram að langt sé í starfhæft safn skammtabita. Sú staðreynd að IBM er að setja saman Blue Gene sýnir að þeir búast ekki við nothæfðri skammtatölvu á næstu 20 árum.

Öruggt er að nokkrar byltingar verða á hefðbundnum tölvum áður en skammtatölvur verða algengar. Líklegt er að skammtapunktar eða gerviatóm komi þar við sögu. Menn láta sig dreyma um tölvukubb með einum miljarði reikniverka sem tengd verði saman á miklu flóknari hátt en mögulegt er í núverandi tölvum. Þegar hefur tekist að búa til einfaldar einingar í slíkar tölvur en enn er langt í land.

Frekara lesefni af Vísindavefnum:

• Hvað er skammtafræði? eftir Þorstein Vilhjálmsson og Kristján Leósson
• Hversu stór er Cray X1 ofurtölvan? eftir EÖÞ
• Hvernig geta veðurfræðingar fundið út hvernig veðrið verður daginn eftir? eftir Halldór Björnsson og Magnús Jónsson
• Hvað er algrím og hvernig nýtist það í tölvufræði? eftir Snorra Agnarsson

Frekara lesefni:

• Rannsóknahópur í Oxford hefur sett mjög gott ítarefni um skammtatölvur á netið: Center for Quantum Computation (University of Oxford).
• Kristján Leósson fjallar um þróun tölva í ítarlegu máli í grein sinni: "Frá rafeindum til rökrása" í Undur veraldar, Heimskringla 1998.

...