Сет Ллойд - Програмуючи Всесвіт. Космос – квантовий комп’ютер

Дозвольте мені визначити для деяких видів комп’ютерів терміни, які я використовуватиму. Цифровий комп’ютер – це комп’ютер, що працює завдяки застосуванню логічних схем бітів; цифровий комп’ютер може бути електронним або механічним. Класичний комп’ютер – це комп’ютер, що обчислює завдяки використанню законів класичної механіки. Класичний цифровий комп’ютер – це той, що працює, виконуючи класичні логічні операції на класичних бітах. Електронний комп’ютер – це той, що обчислює, використовуючи електронні пристрої, такі як електровакуумні трубки або транзистори. Цифровий електронний комп’ютер – то цифровий комп’ютер, що працює в електронному режимі. Аналоговий комп’ютер – це той, що працює на тривалих сигналах на противагу бітам; його так назвали, бо зазвичай такий комп’ютер використовується для конструювання обчислювального «аналога» фізичної системи. Аналогові комп’ютери можуть бути електронними або механічними. Квантовий комп’ютер – це той, що працює, використовуючи закони квантової механіки. Квантові комп’ютери мають властивості як цифрові, так і аналогові.

Що ж роблять іще потужніші комп’ютери? Вони обробляють інформацію, розбиваючи її на біти й використовуючи ті біти по кілька за один раз. Як зазначено вище, інформація, що має бути оброблена, наявна в комп’ютері у формі програми – серії інструкцій комп’ютерною мовою. Програма закодована в пам’ять комп’ютера як послідовність бітів. Наприклад, команда ДРУКУВАТИ (PRINT) пишеться в коді ASCII як P = 1010000, R = 1010010, I = 1001001, N = 1001110, T = 1010100. Комп’ютер зчитує програму по кілька бітів за раз, інтерпретує біти як інструкцію і виконує її. Потім він дивиться наступні кілька бітів і виконує їхню інструкцію. І так далі. Складні процедури можуть бути побудовані з серій простих інструкцій, але це не межа.

Звичайні комп’ютери складаються переважно з електронних схем, що фізично втілюють логічні схеми. Логічні схеми забезпечують логічне вираження, побудоване на простих операціях, що мають справу з кількома бітами за один раз. З точки зору фізики, логічні схеми складаються з бітів, сполучень та елементів. Біти, як бачимо, можуть передавати або 0, або 1; сполучення переміщують біти з одного місця в інше; елементи трансформують один або два біти за один раз.

Наприклад, елемент НЕ бере вхідний біт і змінює його, тобто НЕ перетворює 0 на 1, а 1 – на 0. Елемент КОПІЮВАТИ робить копію біта: він перетворює вхідний біт 0 на два вихідні біти 00, а вхідний біт 1 – на два вихідні біти 11. Елемент І бере два вхідні біти й утворює один-єдиний вихідний біт, що дорівнює 1, якщо і тільки якщо обидва вхідні біти дорівнюють 1, інакше він утворить вихідний 0. Елемент АБО бере два вхідні біти й утворює вихідний біт, що дорівнює 1, якщо один або обидва біти дорівнюють 1; якщо обидва вхідні біти дорівнюють 0, тоді він утворює вихідний 0. Від часу, як логік Джордж Буль, викладач Королівського коледжу в місті Корк, опублікував своє «Дослідження законів думки» у 1854 році, ми знаємо, що будь-який логічний вираз, зокрема й складні математичні розрахунки, може ґрунтуватися на складниках НЕ, КОПІЮВАТИ, І й АБО. Вони складають універсальний набір логічних елементів.

У «Законах думки» Буля йдеться про те, що будь-який логічний вираз або обчислення можуть бути закодовані як логічна схема. Цифровий комп’ютер – це комп’ютер, що працює, застосовуючи велику логічну схему, що складається з мільйонів логічних елементів. Персональний комп’ютер – це електронне втілення цифрової машини.

В електронному комп’ютері біти реєструються такими електронними пристроями, як конденсатори. Конденсатор – це щось на кшталт відра, в якому містяться електрони. Щоб наповнити відро, до конденсатора підводять напругу. Конденсатор за нульової напруги не має зайвих електронів і вважається незарядженим. Незаряджений конденсатор у комп’ютері передає 0. Конденсатор за ненульової напруги містить певну кількість надлишкових електронів і передає 1.

Конденсатори – це не просто електронні пристрої, що використовуються комп’ютерами для зберігання інформації. На жорсткому диску вашого комп’ютера біти реєструються мікроскопічними магнітами; магніт, північний полюс якого напрямлений угору, означає 0, а той, чий північний полюс напрямлений униз, означає 1. Як завжди, будь-який пристрій, що має два визначальні стани, здатний передавати біт.

У звичайному цифровому електронному комп’ютері логічні схеми застосовуються в транзисторах. Транзистор може вважатися перемикачем. Коли перемикач відкритий, струм не може проходити по ньому. Коли ж перемикач закритий, струм проходить крізь нього. Транзистор має два входи та один вихід. У транзисторі n -типу, коли перший вхід утримується за низької напруги, перемикач увімкнений і струм не може проходити крізь другий вхід до виходу; підвищення напруги на першому вході дає можливість струмові проходити. У транзисторі p -типу, коли перший вхід утримується за низької напруги, перемикач вимкнено, тож струм може проходити з другого входу до виходу. Транзистори n- та p -типів можуть бути з’єднані разом для утворення елементів І, АБО, НЕ та КОПІЮВАТИ.