Квантовые клеточные автоматы

Привет, Вы узнаете о том , что такое квантовые клеточные автоматы , Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое квантовые клеточные автоматы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Моделирование и Моделирование систем.

Принцип Ландауэра гласит, что независимо от физики и технологии вычислительного процесса при потере одного бита информации в процессе вычисления выделяется энергия, по меньшей мере равная k b Tln2 (здесь и далее: k b – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура). Каждый транзистор теряет 1 бит информации всякий раз, когда срабатывает, а выделяемая им при этом энергия на практике оказывается примерно в 500 раз больше установленного Ландауэром фундаментального минимума. Вычисления, основанные на принципе Шеннона Фон-Неймана Ландауэра (развивающем принцип Ландауэра) и использующие принцип неопределенности Гейсенберга, показывают, что если, согласно плану ITRS, к 2016 году будет использоваться 22- нм технология, то выделение тепла процессором даже при использовании идеальных материалов составит 5–10 млн. ватт/см 2 R. W. Keyes and R. Landauer. Minimal energy dissipation in logic // IBM J. R&D, vol. 14, Mar – pp. 152– 

22 Место тематики квантовых клеточных автоматов (QCA) в развитии наноэлектроники. QCA предстает одновременно и как принцип архитектуры/вычислений (A – automation), и как класс приборов (A – automata). QCA следует определить как физическую структуру, реализующую в строгом смысле классическую функциональную модель клеточного автомата (CA) и содержащую четко различаемые ячейки микро- или наноразмерного масштаба, для поведенческого описания которых существенны законы квантовой механики. CNN= cellular non-linear (neural) network Концепция коннекционизма: «Связи – все, элементы – ничто». CNN предполагает своим элементом процессор, а модель QCA/QDCA – ячейку-кубит. Прогнозируется до миллиона процессоров на 3D-чипе (уже сейчас созданы многоядерные процессоры с 1000-ю ядрами): Chagaan Baatar, Wolfgang Porod, Tam´as Roska. Cellular Nanoscale Sensory Wave Computing – Springer, 1st Edition., 2010, VIII, 249p. Матюшкин И.В. квантовые клеточные автоматы // Электронный научный журнал «Исследовано в России», стр , pdf 22 

23 Anton Zeilinger, 1988 R. Feynman. Simulating physics with computers // Int. J. Theor. Phys. 21 (1982) G. Grossing and A. Zeilinger. Quantum cellular automata // Complex Systems 2 (2), 1988: pp. 197–208 and 611–623. Craig S. Lent et al. Quantum cellular automata // Nanotechnology 4 (1993) Wolfgang Porod. Quantum-dot devices and quantum-dot cellular automata // J. Franklin Inst. Vol. 334B, #5/6, pp , 1997 Richard Phillips Feynman, 1965/1982 Craig S. Lent, 1993 Wolfgang Porod, 1997 Существует еще и третья точка зрения на QCA как математическую модель квантово-размерного устройства и/или системы, например, решеточного «газа» (quantum lattice gas). Такая модель (Ватроуза – ван Дама) должна по необходимости содержать пси-функции для описания состояния ячейки и работать с матрицами перехода между состояниями. Второе условие – нулевое (основное, ground) состояние в ячейке и во всей ее окрестности обязательно порождает нулевое. Спиновая модель Изинга показывает пограничный случай между классичным CA и QCA. QDCA=quantum dot cellular automate Исторически произошел синтез довольно старой идеи параллелизма вычислений и клеточных автоматов 40-хх гг. XXв. и результатов исследований в теоретической физике (с 90-х гг. XXв. по настоящее время) ансамблей квантовых точек, в том числе и неатомарных (на основе нанокристаллов). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . С этим связана трехзначность и противоречивость дефиниции QCA. Большой вклад в развитие проблематики QCA внесла исследовательская группа университета Нотр-Дам (Индиана, США), финансировавшаяся в рамках программ DARPA, а также проект QUADRANT, осуществленный в гг. в соответствии с программой Еврокомиссии по MEL-ARI (Исследовательская Инициатива развития микроэлектроники) и объединивший усилия университетов Пизы, Кембриджа, Тюбингена и других городов Европы и Северной Америки, включая Нотр-Дам. Последние 5 лет наблюдается стагнация QCA-тематики, быть может, временная. 23 

24 Ячейка QCA Лента Провод из 4-х QD ячеек, повернутых на 45 0 (слева) и инвертор из ячеек с 6-ю QD (справа) Элемент majority, взятый для вычисления булевых функций A B, A B и (A B). Схема устройства элемента majority и его условное графическое обозначение QCA-схемная реализация полного одноразрядного сумматора Сейчас уже реализованы несколько вариантов QCA (металлические, магнитные и молекулярные), с помощью которых выполнены простейшие логические функции и схемы, в частности, OR/AND/XOR, «голосования большинства», сумматоры, триггеры и мультиплексоры 2424 

25 В 1994 г. Лент разработал (без физической реализации!) модель одноразрядного сумматора с тремя входами, содержащем на площади 1.5 мкм 2 более 100 ячеек QCA при размере QD 10 нм, который обладал ультранизким энергопотреблением и быстродействием в терагерцовом диапазоне; для реализации такого логического элемента в классическом исполнении понадобилось бы около 30 транзисторов. В более абстрактном виде преимущества QCA над КМОП-базисом были суммированы Лентом в его первой работе: устранение необходимости многослойной металлизации за счет локальности взаимодействия между ячейками, которое также не требует энергетических затрат на перенос/переключение сигнала внутри ячейки, а также за счет снятия потребности в существенном энергопереносе внутрь массива QCA (концепция концевых вычислений); ультравысокая плотность упаковки логических элементов (если принять проектную норму за 10 нм, а линейный размер ячейки за 50 нм, то плотность составит около бит/см 2 ); ультранизкая диссипация энергии на уровне Вт/бит или В на переключение состояния бита, что обусловлено нахождением ячейки в одном из двух основных (ground) энергетических состояний и близостью возбужденного состояния (в расчетах предполагается функционирование QCA при температуре вблизи 0К); ультрабыстрые вычисления за счет того, что релаксация внутри ячейки достигается фонон- фононными и электрон-фононными взаимодействиями; в частности, время переключения элемента majority оценивается в пс. В 2007 г. экспериментально был реализован QCA на основе GaAs/AlGaAs. Возможности реализации полупроводниковых QCA, совместимых технологически с базовыми процессами микро- и наноэлектроники, до сих пор остаются недооцененными. 25 

26 Микрофотография и схема ячейки металлического QCA. Красными кругами показаны 4 островка алюминия, фиолетовыми – островки алюминия, необходимые для электрометрических измерений. Туннельные переходы между QD показаны двумя смежными полосками. Главное преимущество заключается в относительной простоте технологического маршрута их изготовления, предполагающего всего три базовых операции, а также хорошей однородности ячеек (сопротивление перехода варьирует в пределах 20-30%) и высоком проценте выхода годных. Основной недостаток связан с необходимостью поддерживать криогенные температуры из-за невысокой (в сравнении с k b T) энергии, нужной для активации Al QD – эВ. Схема ячейки магнитного QCA (слева) и фотография 64-х наномагнитного QCA- провода, полученная с помощью атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии (справа) Достоинство этого класса QCA состоит в функционировании при комнатной температуре, но главным недостатком является большая инерционность (в частности, максимальная частота переключения сигнала оценивается в к Гц). Однако в редакции Маршрутной карты 2009 г. магнитные QCA рассматриваются перспективным направлением «логики на основе наномагнитов» Наиболее перспективным считается исследование молекулярных QCA. Основная их идея заключается в способности молекул хранить заряд, причем для переноса заряда требуются заметно б Ольшая энергия активации, чем k b T, и нет необходимости в протекании токов между молекулами. Поскольку размер молекулы обычно лежит в пределах 1-2 нм (что потенциально дает ультравысокую плотность кубитов см -2 ), то емкость С такой молекулярной структуры мала, а энергия активации оценивается величиной e 2 /C. Одна большая молекула может репресентировать собой полностью ячейку QCA Лента. 26 

27 Можно сформулировать три общих требования к молекулам, используемым в QCA: Молекула должна обладать по крайней двумя стабильными зарядовыми конфигурациями, т.е. быть бистабильной; как правило, присутствие металлов (или групп) с переменной валентностью или возможность окисления/восстановления стерически удаленных атомарных комплексов обеспечивает такое требование; Молекула должна химически контактировать, т.е. образовывать прочную химическую связь, с подложкой (как правило, с кремниевой); Зарядовая конфигурация молекулы может быть изменена под влиянием соседней молекулы посредством кулоновского взаимодействия Структура и электронная плотность, рассчитанная ab initio, для молекулы катиона декатриена. Первое требование означает присутствие на профиле энергии Гиббса двух минимумов и одного максимума, лежащего между ними. При реализации второго требования необходимо учитывать, чтобы изменения конфигурации групп переменной валентности не сказывались на прочности связи всей молекулы с кремнием. Заметим, что наличие контакта молекулы с подложкой заметно усложняет расчеты ab initio таких молекул. На рис. показан один из кандидатов, а именно 1,5,9 - катион декатриона, три двойные С=С – связи соответствуют трем QD и обуславливают три устойчивых состояния «0», «1» (активные) и «null» (основное); энергия активации составляет 0.15 эВ (соответственно величина поля тайминга составляет несколько В/нм), а время переключения равно примерно с. 27 

28 Среди кандидатов на роль активной молекулы рассматривались: 1,4 – диаллилбутан катион (молекула короткая, размером чуть более 0.7 нм, и ячейка Лента реализуется четырьмя аллильными группами на двух молекулах при энергии активации E kink =0.55–0.65 эВ); Органическое соединение кобальта с четырьмя ферроценовыми группами {(η 5 -C 5 H 5 )Fe(η 5 -C 5 H 4 )} 4 (η 4 - C 4 )Co(η 5 -C 5 H 5 ) 2+ (ячейка Лента реализована одной молекулой); Фталоцианин кремния (группа фталоцианинов широко применяется в фармакологии, а также есть попытки использовать их в солнечной энергетике); Эндоэдральные фуллерены (спин атома, захваченного внутри фуллерена, например, 60, обеспечивает возможность магнитно-дипольного взаимодействия кубитов, а реализация логических функций отличается от схемы Лента и основана на чередовании двух или трех типов эндоэдральных фуллеренов) – возможно, следует выделить такие QCA, связанные с учетом спина ядра атома, в отдельный класс. Общий вид молекулярного QCA. Под поверхностью кремния с присоединенными к нему молекулами декатриена располагаются электроды управления, несущие сигналы линий А, В, С, D (вычисляется булева функция F(A, B, C, D)) и электроды тайминга. Возникает вопрос, как неразрушающе считывать состояния ячеек молекулярного QCA? 28 

29 Другой, даже более важный вопрос: как организовывать и как физически реализовывать тайминг (timing/clocking)? Схема К. Лихарева трассировки нанопроводов для гибридных наноприборов. Классическая четырехфазная схема тайминга (справа), поданная на закольцованную реализацию элемента majority (слева). В первую четверть такта проводник С 0 устанавливает фазу RELEASE, С 1 – HOLD, С 2 – SWITCH, C 3 – RELAX. Разной интенсивности серого цвета показаны ячейки разных зон. «Оконная» концепция параллелизма вычислений в QCA. 29 

30 Лент показал, что классические вычисления могут быть реализованы с помощью QCA на основе ячеек из 4-6 квантовых точек (что породило волну публикаций, связанных с соответствующими САПР и вопросами обратимости вычислений, тепловыделения, исчисления задержек и трассировки в QCA). Но достигнуто это было за счет придания QCA черт псевдоодномерности модели «Мира-проволоки», за счет увлечения квантовыми механизмами меж- и внутриклеточного взаимодействия. Такие конструкции, как QCA-провод, по нашему мнению, являются паллиативом и компромиссом, предполагая направленность информационного потока, а значит, реализовывают последовательные вычисления. Тем самым искусственно снижается и затеняется перспектива параллелизма вычислений, заложенная изначально в QCA. Иными словами, в термине «квантовые клеточные автоматы» следует больший акцент делать на слове «клеточные», а не «квантовые». Остается недооцененной, в частности, самими ее авторами, идея концевых вычислений. Обобщая, можно предложить разделить по функциональной роли ячейки QCA на три группы : примерно 5-10% ячеек удерживают свое состояние неизменным, являясь «окном» ввода информации в QCA; примерно 5-10% ячеек QCA предоставляют для считывания/детекции свое квантовое (например, зарядовое) состояние, являясь «окном» вывода информации; остальные 80-90% ячеек управляются только схемой тайминга, а их массив служит для низкоуровневой обработки информации. Такое понимание идеи концевых вычислений предполагает отсутствие вектора переноса информации (в частности, следует отказаться от наивно-пространственного представления о расположении ячеек входа и выхода на противоположных концах QCA), а также преднамеренный отказ от контроля за состоянием всех ячеек QCA. Последняя особенность, обусловленная желанием снизить диссипацию энергии, а для молекулярных QCA и вовсе необходимая ввиду влияния процесса измерения на волновую функцию кубита, придает дополнительные черты «квантовости» QCA, т.е. по сути дела мы не будем знать в принципе, что происходит внутри QCA в процессе вычисления. Однако надо отчетливо понимать, что столь радикальная смена парадигмы вычислений предполагает интенсивную работу математиков (несмотря на достигнутые ими успехи, например, при установлении факта Тьюринг-полноты игры Конуэя). Иными словами, сложные физические процессы, происходящие по совокупности ячеек QCA, несомненно, означают трансформацию глобального информационного состояния QCA, но сможем ли мы направлять это преобразование в нужном направлении? Не исключен и отрицательный ответ, и тогда нам придется вернуться в «Мир-проволоку». Одно из возражений против QCA-провода состояло в возможности неуправляемого обратного, т.е. противоположного по направлению распространения сигнала, влияния ячеек друг на друга. 30 

Представленные результаты и исследования подтверждают, что применение искусственного интеллекта в области квантовые клеточные автоматы имеет потенциал для революции в различных связанных с данной темой сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое квантовые клеточные автоматы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Моделирование и Моделирование систем