lection 1 (2013) (Презентации лекций), страница 4

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПредельные размеры, энергозатраты и выделение теплаПотенциальная ямаМинимальный размер потенциальной ямыопределяется предельной локализациейчастицы, которую можно оценить по периодукристаллической решетки. Поскольку всовременных системах на бит информацииприходится > 100 частиц, предельный размерна бит информации - 4-5 периодов решеткиМинимальная глубина потенциальной ямы(высота потенциального барьера)определяется средней энергией тепловоговозбуждения частицы (3/2 kT), которой должнобыть недостаточно для покидания ямыПотенциальный барьерЭто же определяет минимальные затратыэнергии (~10-17-10-18 Дж) и выделение теплапри перезаписи одного бита информацииФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсТуннельный эффектТуннельный эффект - преодоление частицейпотенциального барьера в том случае, когда ее энергия(останется неизменной) меньше высоты барьера.В классической механике это невозможно. Аналог вволновой оптике - проникновение света внутрьотражающей среды на расстояния порядка длины волныпри полном внутреннем отраженииЭффект является следствием соотношениянеопределенностейОграничения по координате (рост определенности по x)делают импульс p менее определенным.

Это«добавляет» недостающую энергию и с некоторойвероятностью частица проникает через барьер, причемее средняя энергия остается неизменнойТуннельный диодФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсКвантовая механикаОснова модели атома НильсаБора (1913) – классическаяпланетарная модель атомаРезерфордаНильс БорБор постулировал, что электроны в атоме могутдвигаться только по определенным(стационарным) орбитам, находясь на которыхони вопреки классической физике не излучают.Излучение и поглощение происходят только вмомент перехода с одной орбиты на другуюСтационарные состоянияи электронные переходыФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсКвантовая механика и принцип суперпозицииОснова квантовой механики – уравнение Шредингера, которое описывает эволюциюволновой функции квантовой системыИз линейности оператора Гамильтона следует, чтоКвантовая (когерентная) суперпозиция - суперпозиция состояний, которыене могут быть реализованы одновременно (с классической точки зрения –взаимоисключающих состояний).Еслииописывают состояния квантовой системы, то ихсуперпозициятакже описывает состояние системы.Причем если измерение физической величины в состояниидаетрезультат , а в состоянии- результат , то измерение в состояниидаст результатилис вероятностямиисоответственноФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсБиты и кубитыКубит (quantum bit) - квантовый разряд илинаименьший элемент для хранения информации вквантовом компьютере.Как и бит, кубит допускает два собственных состояния,обозначаемыхи(обозначения Дирака), но приэтом может находиться и в их суперпозиции, т.е.

всостоянии, где A и B любыекомплексные числа, удовлетворяющие условиюнормировки |A|2 + |B|2 = 1При любом измерении состояния кубита он случайнопереходит в одно из своих собственных состояний.Вероятности перехода в эти состояния равны,соответственно, |A|2 и |B|2, т.е. косвенно, понаблюдениям за множеством кубитов, мы все-такиможем судить об исходном состоянииФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсКвантовый компьютерКвантовый компьютер - вычислительное устройство,которое работает на основе квантовой механики ипринципиально отличается от классических компьютеров.Для вычислений квантовый компьютер использует необычные (классические) алгоритмы, а квантовыеалгоритмы, реализуемые в процессах квантовой природы.За счет этого используются квантовый параллелизм иквантовая запутанностьРичард ФейнманСхема квантового компьютераФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсБиты и кубитыКубиты могут быть связаны друг с другом, т.е. на нихможет быть наложена ненаблюдаемая связь,выражающаяся в том, что при всяком измерении надодним из нескольких кубитов, остальные меняютсясогласованно с ним. Таким образом, совокупностьперепутанных между собой кубитов можетинтерпретироваться как заполненный квантовыйрегистрТрехкубитная запутанностьКак и отдельный кубит, квантовый регистр гораздоболее информативен. Он может находиться не тольково всевозможных комбинациях составляющих егобитов, но и реализовывать всевозможные тонкиезависимости между ними.Трехкубитная запутанностьФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсКвантовый компьютерКвантовый параллелизм - главное преимущество квантовыхвычислений по сравнению с цифровыми классическими.Например, имея систему (регистр) из двух кубитов мыодновременно оперируем со всеми возможными еесостояниями: 00, 01, 11, 10. Это соответствует 22 т.е.четырем вычислительным потокам.

16 кубитов позволятреализовать уже 216 т.е. 65 536 таких потоковРичард ФейнманСхема квантового компьютераФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсРеализация2011 - информация о создании канадскойфирмой D-Wave первого в историикоммерческого квантового компьютера«D-Wave One».Этот компьютер со 128 кубитнойархитектурой был продан американскойвоенной компании Lockheed Martin за 10миллионов долларовD-Wave OneДжозефсоновский контакт с двумядиэлектрическими зазорами (слева) ивероятность изменения направлениятока в зависимости от величинывнешнего магнитного потока (справа)Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсРеализация128-ми кубитный чип от D-Wave Systems.Каждый кубит – крошечная петля из металланиобия, находящегося в сверхпроводящемсостоянии. По этой петле может курсироватьнезатухающий ток по или против часовойстрелки. Эти токи и соответствует базовымсостояниям «0» и «1»В процессоре 16 блоков по 8 кубитов вкаждом.

Система охлаждается дотемпературы в 10 мК для того, чтобыперевести все кубиты в сверхпроводящеесостояниеФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 2. ЭлектропроводимостьФизические основы электропроводимостиКраткие сведения из квантовой механики:электроны, волны де Бройля, соотношение неопределенностей, волноваяфункция.Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах:частица в одномерной потенциальной яме, спектр электронных состоянийатома водорода и многоэлектронных атомов, квантовые переходы.Виды химической связи. Понятие о зонной структуре. Принципы разделения веществна проводники (металлы), полупроводники и изоляторы (диэлектрики).Электропроводность твердых тел:модель электронного газа, квантовая модель электропроводности,трехмерный ящик, энергия Ферми, плотность энергетических состояний.Распределение Ферми.

Электроны и дырки. Концентрация электронов в зонепроводимости. Собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике.Собственная и примесная проводимость полупроводников:полупроводники n- и p-типа, положение уровня Ферми, технологиилегирования полупроводников.Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ru.