12.1. Оценка состояния современной информатики
и ее перспективы.
Информатика – наука о методах обработки информации – является быстроразвивающейся областью человеческой деятельности. Понятие информации тесно связано с физическим понятием энтропии [44]. Она не существует вне физики, т.е. реального мира. В информационных системах ее носители – физические тела, с состоянием которых связываются информационные понятия и символы; с эволюцией состояний физических тел связываются процессы обработки информации.
При анализе
информационных систем полезно выделить
булевы функции минимальной сложности,
с помощью которых можно построить
систему любой сложности. Известно [45],
что классические двоичные системы можно
построить из единственного элемента
НЕ-И, имеющего два входа x;y
{0;1}
и один выход f(x;y),
принимающий значение f(x;y)=1,
если x=y=0,
и f(x;y)=0
во всех остальных случаях (рис. 12.1).
Поэтому элементной
Рис.12.1.
базой нынешних информационных систем могут служить любые физические системы в виде реле, имеющие два устойчивых состояния и способные совершать переходы между ними под воздействием внешних сигналов. Сюда относятся электронные лампы, транзисторы, микросхемы, лазеры и т.п.
Тенденцией развития
элементной базы информационных систем
является непрерывное уменьшение размеров
элементов этих систем. Сейчас минимальные
размеры таких элементов ~ 0,1 мкм – это
~ 500 атомных размеров. Размеры меньше
0,1 мкм достигаются в рамках современных
нанотехнологий. Согласно [46], тенденции
уменьшения размеров элементов
информационных систем таковы, что
атомные размеры (~
м)
в твердотельных технологиях будут
достигнуты примерно через 10-20 лет. Не
переоценивая точности этого прогноза,
можно быть
уверенным, что уровень технологии
атомных размеров будет достигнут, и
такая технология позволит изготавливать
микросхемы, работающие на принципах
квантовой механики.
12.2. Квантовая физика и квантовая информатика.
Квантовая физика возникла на рубеже Х1Х-ХХ вв. для описания свойств частиц и их движение в микромире. Поводом к этому явилась несостоятельность классической механики при объяснении фотоэффекта и спектра излучения абсолютно черного тела. Усилиями М. Планка, Н. Бора, Э. Шредингера, В. Гейзенберга был создан математический аппарат квантовой механики и решены основные задачи о квантовом описании движения объектов микромира: электронов, атомов и молекул; электронов и атомов в твердых телах; взаимодействие фотонов и атомов.
В квантовой механике [47] поведение квантовой системы описывается уравнением Шредингера:
iħ
=
|
>,
(12.1)
где i
– мнимая единица, ħ
– «перечеркнутая»
постоянная Планка,
;
– соответственно, волновая функция и
оператор Гамильтона системы, |
>
– текущее состояние системы в обозначениях
Дирака. Оператор
линейный:
(а|
>
+ b|
>)
= а
|
>
+ b
|
>,
следствием чего является квантовый
принцип суперпозиции состояний:
если квантовая система может существовать
в состояниях |
>
и |
>,
то она будет существовать и в состоянии
суперпозиции а|
>
+ b|
>,
где а
и b
комплексные числа, связанные условием
.
Поскольку эволюция состояний квантовых систем описывается уравнением Шредингера, то с состояниями этих систем можно связать информационные понятия и символы. Данное соответствие превращает квантовые системы в квантовые приборы, которые можно рассматривать как квантовую элементную базу информационных систем и, таким образом, эволюция состояний квантовых приборов представляет информационный процесс. Следовательно, соотнесение прибора уравнению Шредингера (и принципу суперпозиции) вводит его в класс квантовых приборов. В класс таких приборов входят реальные двухуровневые квантовые системы, с которыми связываются информационные системы, построенные на двоичной системе исчисления.