Primul computer implineste 60 de ani

Momentul initial al istoriei calculatoarelor este, de obicei legat de numele matematicianului englez Charles Babbage. El a propus în anul 1830 o Masina Analitica care a anticipat în mod fascinant structura calculatoarelor actuale. Ideile sale au devansat cu peste 100 de ani posibilitatiile tehnologice ale vremii sale. Înaintea a mai fost încercari în acest domeniu ale lui Leibnitz si Pascal (sec al XVII-lea) . Urmatorul moment de referinta este anul 1937, când Howard Aiken, de la Universitatea Harvard a propus Calculatorul cu secventa de Comanda Automata, bazat pe o combinatie între ideile lui Babbage si calculatoarele elertromecanice, produse de firma IBM. Constructia acestuia a început în anul 1939 si s-a terminat în anul 1944, fiind denumit Mark I . El a fost în principal primul calculator electromecanic, fiind alcatuit din comutatoare si relee. Înlocuirea releelor cu tuburi electronice a constituit un important pas înainte. Rezultatul a fost concretizat în calculatorul ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer ), primul calculator electronic digital. El contine circa 18.000 de tuburi electronice si executa 5.000 de adunari pe secunda, având o memorie de 20 de numere reprezentate în zecimal. Programarea sa se realiza prin pozitionarea a circa 6.000 de comutatoare, cu mai multe pozitii. O semnificatie aparte o are faptul ca în arhitectura calculatoarelor Mark I si ENIAC, intrau mai multe elemente de calcul, ce lucrau în paralel la o problema comuna, fiind dirijate de o singura unitate de comanda . Aceasta solutie a fost aleasa datorita vitezei reduse a fiecarei unitati de calcul, în parte. La versiunea urmatoare s-a renuntat la aceasta structura paralela de calcul, deoarece s-a considerat ca viteza unei unitati de calcul, realizata cu circuite electronice, este suficienta . Solutia prelucrarii paralele a fost reluata ulterior dupa anii 80 pentru marirea performantelor unui sistem de calcul; astfel în 1996 Firma INTEL a realizat un supercalculator ce foloseste peste 7000 de procesoare PENTIUM utilizând tehnica "de calcul masiv" (utilizat pentru simularea testelor nucleare, în cercetari genetice, spatiale, meteorologice). De remarcat ca la realizarea primelor calculatoare, în calitate de consultant al echipei, a lucrat si matematicianul John von Neumann, unul dintre matematicienii importanti ai secolului XX. De altfel, la realizarea calculatorului EDVAC ( primul calculator cu circuite electronice ) el a stabilit 5 caracteristii principale ale calculatorului cu program memorat :1. Trebuie sa posede un mediu de intrare, prin intermediul caruia sa se poata introduce un numar nelimitat de operanzi si instructiuni . 2. Trebuie sa posede o memorie, din care sa se citeasca instructiunile si operanzii si în care sa se poata memora rezultatele. 3. Trebuie sa posede o sectiune de calcul, capabila sa efectueze operatii aritmetice si logice, asupra operanzilor din memorie. 4. Trebuie de asemenea sa

posede un mediu de iesire, prin intermediul caruia un numar nelimitat de rezultate sa poata fi obtinute de catre utilizator. 5. Trebuie sa aiba o unitate de comanda , capabila sa interpreteze instructiunile obtinute din memorie si capabila sa selecteze diferite moduri de desfasurare a activitatii calculatorului pe baza rezultatelor calculelor . Primul calculator comercializat a fost UNIVAC (UNIversal Automatic Computer ) realizat pe structura calculatorului EDVAC, în anul 1951. În anii urmatori, dezvoltarea calculatoarelor a devenit exploziva, la mai putin de zece ani intervenind câte o schimbare care a fost interpretata drept aparitia unei noi generatii de calculatoare. Ele pot fii clasificate astfel : Generatia I (1946-1956) caracterizata prin : " Hardware: relee, tuburi electronice ; " Software: programe cablate, cod masina, limbaj de asamblare ; " Capacitate de memorie : 2 Kocteti ; " Viteza de operare : 10.000 de operatii/sec. ; " Calulatoare : ENIAC, UNIVAC, IBM ; Generatia a II-a (1957-1963) marcata de aparitia tranzistorului " Hardware: tranzistoare, memorii cu ferite, cablaj imprimat ; " Software : limbaj de nivel înalt ( Algol, Fortan) " Memorie : 32 Kocteti ; " Viteza : 200.000 de instructiuni/sec " Calculatoare : IBM 7040, NCR501 ; Generatia a III-a (1964- 1981) caracterizata prin : " Hardware : circuite integrate ( la început pe scara redusa, apoi pe scara medie si larga ; scara de integrare se refera la numarul de componente electronice pe unitatea de suprafata ), cablaje imprimate multistrat , discuri magnetice, apararitia primelor microprocesoare ; " Software : limbaje de nivel foarte înalt, programare orientata pe obiecte B.Pascal, programare structurata LISP, primele programe pentru grafica si baze de date . " Memorie : 1÷2 Mocteti ; " Viteza : 5.000.000 de operatii/sec ; " Calculatoare : IBM 370 , FELIX " Comunicatii : Primele comunicatii prin satelit, transmisia de date prin fibra optica. Generatia a IV-a (1982-1989) caracterizata prin : " Hardware: circuite integrate pe scara foarte mare ( VLSI ) , sisteme distribuite de calcul, apar microprocesoarele de 16/32 biti, primele elemente optice (discurile optice ) ; " Software : Pachete de programe de larga utilizare, sisteme expert , sisteme de operare, se perfectioneaza limbajele de programare orientate pe obiect, baze de date relationale ; " Memorie : 8÷10 Mocteti ; " Viteza : 30 de milioane de instructiuni/sec ; " Caculatoare : INDEPENDENT, CORAL, IBM (apar mai multe versiuni) Generatia a V-a ( 1991- 2002 ) în curs de dezvolatare " Hardware : circuite integrate pe scara ultralarga ULSI ( proiectare circuite integrate 3D ), arhitecturi paralele, alte solutii arhitecturale noi ( retele neurale etc. ), proiectele galiu-arsen . " Software : limbaje concurente,programare functionala, prelucrare simbolica , baze de cunostiinte, sisteme expert evoluate,programe de realitate virtuala, acum apar si sistemele de operare windows. Aceasta perioada este marcata de aparitia internetului si extinderea rapida a acestei retele mondiale. " Memorie : de la zeci,sute de Mocteti pâna la Gocteti ; " Viteza : 1G de instructiuni /sec - 3 G de instructiuni/sec " Comunicatiile: au atins un nivel nemaiintâlnit.. emisiile radio de ordinul GHz, retele globale pe fibra optica , retele de comunicare prin satelit. " Calculatoare : o gama foarte larga de calculatoare

Istoria Tehnologiei Informatiei (4)

Dupa ce am vazut Perioada Premecanica , Perioada Mecanica si Perioada Electromecanica, trecem la Perioada Electronica.

Bonus : Istoria computerelor in Romania (Mihai Draganescu) “In anul 1964 Victor Toma si colectivul sau pune in functiune calculatorul romanesc complet transistorizat din generatia II-a (cu tranzistori din germaniu). Acestea sunt date memorabile in istoria tehnologiei romanesti.”

Perioada ElectronicaPrimele incercari au fost facute in anii 40, prin sistemele de tuburi electronice vidate.

Primul computer de mare viteza care sa serveasca unor scopuri generale , care folosea tuburi vacuum a fost Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC)Echipa ENIAC, care l-a lansat in februarie 1946 (de la stanga la dreapta) : J. Presper Eckert, Jr.; John Grist Brainerd; Sam Feltman; Herman H. Goldstine; John W. Mauchly; Harold Pender; Maior General G. L. Barnes; Colonelul Paul N. Gillon.

http://blog.boom.ro/blog/09.02.2008.istoria-tehnologiei-informatiei-4.html/echipa-eniac/

Date privind ENIAC :- dezvoltat in 1946- folosea tuburi vidate pentru a efectua calculele (si nu dispozitive mecanice)- dezvoltat de John Mauchly, fizician, si J. Prosper Eckert, inginer electronist- dezvoltat la Universitatea Pennsylvania- finantat de Armata SUA- nu avea capacitatea de a stoca programele ci functiona pe seturi de instructiuni

Aceiasi Mauchly su Eckert au inceput sa construiasca tot in anii 40 un alt computer : EDVAC - Electronic Discreet Variable Computer, care a stat la baza unui raport foarte favorabil facut de John von NeumannAcest raport a fost preluat de oamenii de stiinta britanici care l-au folosit ca sa ii “intreaca” pe americani.Max Newman a depus toate eforturile ca Universitatea din Manchester sa primeasca acest proiect si rezultatul a fost computerul Manchester Mark I, care isi propune in 1948 sa devina primul computer care avea capacitatea de a stoca programele in el.Maurice Wilkes, cercetator la Universitatea Cambridge finalizeaza EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), un computer superior, cu doi ani inaintea lui EVDAC, capabil sa stocheze. Astfel avem doua computere care stocau programele.

Tot Mauchly si Eckert merg mai departe si vizioneaza un computer destinat vanzarii !!In acest sens ei dezvolta UNIVAC (Universal Automatic Computer), care devine primul computer din lume VANDUT … la biroul american de recensamant. Insa, doar cateva luni inainte de aceasta pe piata apare si LEO (Lyons Electronic Office), care prin politicile de vanzari impuse si vanzarile ulterioare a devenit primul computer comercial din lume.

4 generatii de calcul digital :

1. Prima generatie (1951-1958)- Tuburile vidate si logica lor- Carduri perforate si stocarea externa a datelor- Stocare interna pe baza magnetica- Programe scrise in cod-masina si necesitatea unor compilatoare

2. A doua generatie (1959-1963)- Tuburile vidate sunt inlocuite de tranzistori, care devin elementul principal al arhitecturii( In 1940 se infiinteaza Laboratoarele AT&T Bell si cristalele minerale produc materiale numite semiconductori folositi la constructia tranzistorilor)

- Discuri si benzi magnetice incep sa ia locul cartelelor perforate- “Miezurile” magnetice (magneti rotunzi mici in forma de gogoasa care pot fi bipolarizati si capabili sa stocheze date) devin principalele modalitati de stocare interna a datelor- Apar primele limbaje de programare FORTRAN si COBOL

3. A treia generatie (1964-1979)- Tranzistorii independenti sunt inlocuiti cu circuite integrate- Benzile si discurile magnetice inlocuiesc COMPLET sistemele de stocaj extern si cartelele perforate- Memoriile interne din miezuri magnetice iau o noua forma “metal oxide semiconductor” (MOS), memorii care ca si circuitele integrate folosesc siliciul- Apar sistemele de operare- Se dezvolta limbaje avansate de programare, cum ar fi BASIC (in 1975 cand incepe epopeea lui

Bill Gates si a Microsoft)

4. A patra generatie (1979- Prezent)- se dezvolta circuitele integrate la scara larga- dezvoltarea microprocesoarelor care contin in acelasi chip memorie, logica si circuite de control CPU = Central Processing Unit- acetsea duc la folosirea casnica a computerelor cum ar fi Apple (II si Mac) si IBM PC- in 1977 se lanseaza Apple de catre Stephen Wozniak si Steven Jobs. primul computer comercializat de acestia costa 1195 dolari fara monitor si era un Apple II, si avea 16k de RAM. Apple MAC a fost lansat in 1984- Primul IBM PC a fost comercializat in 1981 si avea sistemul de operare MS DOS (Microsoft Disk Operating System)- Interfetele grafice pentru computere Gaphical User Interfaces (GUI) apar abia in 1980 (Visicalc, dBase, Lotus) si sunt preluate de Microsoft (1983) si Apple (1984)

si totul pana in zilele noastre … cand avem variante din ce in ce mai sofisticate ale acelorasi chipuri, circuite integrate pe siliciu (pana se va inlocui cu aurul), memorii pe discuri(miezuri magnetice din ce in ce mai performante), si interfete grafice si sisteme de operare sofisticate. Urmatorul capitol dupa schimbarea acestora .

Primul computer in Romania

In 1961 a fost dat in functiune primul computer construit intr-o universitate din Romania. Acest lucru s-a intamplat la Timisoara, in cadrul Institutului Politehnic. Se numea MECIPT, acronimul de la Masina Electronica de Calcul a Institutului Politehnic din Timisoara.

Proiectarea acestuia a inceput din 1956 de catre un colectiv condus de Iosif Kaufmann, Wilhelm

Loewenfeld si Vasile Baltac, conform Wikipedia de limba romana. La construirea MECIPT au contribuit, de asemenea, si cercetarile profesorului Grigore C. Moisil.

Despre realizarea si potentialul unui qubit (II)de Daniel Ţuţuc, publicat pe 24 Ianuarie 2009

Aceasta este partea a doua din seria “Computere cuantice si qubiti”, pe care am inceput-o cu “O scurta istorie a calculului cuantic”. In articolul de fata mi-am propus sa trec in revista potentialul unui qubit, eventualele aplicatii si, nu in ultimul rand, metodele de realizare.Dupa cum am spus si in articolul precedent, un computer cuantic poate fi orice dispozitiv pentru calcul care foloseste in mod direct fenomenele cuantice, insa ce inseamna asta concret? Pentru a oferi o imagine mai clara asupra fenomenului cuantic si a avantajelor fata de tehnologia curenta, o sa incerc sa discut toate aspectele importante in comparatie cu un computer clasic, respectiv cu un bit.

Baza calculului cuanticUn calculator clasic are o memorie formata din biti, unde fiecare bit are valoarea ori 1 ori 0. Un computer cuantic foloseste o secventa de qubiti, unde qubitul are cateva similaritati cu bitul clasic, dar e in general diferit. Ca si bit-ul, un qubit poate mentine valoarea 1 sau 0 insa,spre deosebire de bit-ul clasic, care nu poate sa aiba decat valoarea 0 sau 1, qubitul poate fi o superpozitie cuantica a celor doua, insemnand ca poate fi 0,1 sau o superpozitie a lui 0 sau 1; cu alte cuvinte poate fi atat 0 cat si 1 in acelasi timp, permitand un numar infinit de stari. Aceasta superpozitie a qubitilor este ceea ce da computerelor cuantice paralelismul. Dupa spusele fizicianului David Deutsch, acest paralelism permite unui computer cuantic sa lucreze la un milion de operatii in acelasi timp, pe cand un computer clasic nu poate lucra decat la o singura operatie. Un computer cuantic de 30 de qubiti ar egala puterea de procesare a unui computer conventuional care ruleaza la 10 teraflops (mii de miliarde de operatii cu virgula mobila pe secunda). Astazi un computer normal ruleaza la viteze masurate in gigaflops (miliarde de operatii cu virgula mobila pe secunda).Computerele cuantice de asemenea folosesc un alt aspect al mecanicii cuantice, cunoscut ca entanglement sau inseparabilitate cuantica. O problema cu ideea de computer cuantic ar fi faptul ca daca incerci sa observi particula subatomice, ai putea interactiona cu ele, si e posibil sa le schimbi valoarea. Daca te uiti la un qubit in superpozitie pentru a-i determina valoarea, qubitul va lua ori valoarea 0 oai 1, dar nu amandoua – efectiv schimband computerul cuantic intr-unul clasic. Pentru a face ideea de computer cuantic practica, oamenii de stiinta trebuie sa gaseasca o cale de a face masuratori indirecte pentru a conserva integritatea sistemului. Inseparabilitatea cuantica poate fi o asemenea solutie. In

fizica cuantica, daca se aplica o forta exterioara catre doi atomi, rezultatul poate fi ca cei doi atomi sa fie entangled, si al doilea atom poate primii propietatile primului atom. Deci, daca un atom este lasat liber, el se va roti in toate directiile. Imediat ce se intervine el va lua o singura valoare, un singur spin; in acelasi timp al doilea atom va lua o valoare de spin opus. Acest proces permite oamenilor de stiinta sa afle valoarea qubitilor fara sa le schimbe valoarea.

Biti versus QubitiSa consideram intai un computer clasic care opereaza un registru de 3 biti. La orice moment dat de timp. bitii din registru sunt intr-o stare bine definita, cum ar fi 101. Intr-un computer cuantic, insa, qubitii pot fi intr-o superpozitie a tuturor starilor clasice permise, si sunt relizati din particule controlate si din mijloacele de control (e.g. dispozitive care actioneaza drept capcane pentru particule si pot sa le transforme dintr-o stare in alta).Pentru inregistrarea starii unui registru cuantic e nevoie de un numar exponential de numere complexe (registrul de 3 qubiti are nevoie de 23=8 numere complexe). Numarul de biti clasici necesari numai sa estimeze numerele complexe ale unei stari cuantice creste exponential cu numarul de qubiti. Pentru un registru de 300 de qubiti e nevoie de aproximativ 1090 registrii clasici – mai mult decat numarul atomilor din universul observabil (necesara referinta).

Cum creem un qubit?Un exemplu a unei implementari a unor qubiti pentru un computer cuantic poate incepe prin folosirea unor particule cu doua stari de spin: “up” sau “down” (tipic descrise ca |0> si |1>). De fapt orice sistem care poseda o canitate observabila A, conservabila in timp, si in asa fel incat A are cel putin doua stari discrete si stari propri consecutive suficient de indepartate, este un candidat viabil pentru implementarea unui qubit.Intr-un computer clasic informatia este codata intrf-o serie de biti, iar acesti biti sunt manipulati cu ajutorul unot porti logice de tip Boolean, aranjate succesiv pentru a produce un rezultat la sfarsit. Similar, un computer cuantic manipuleaza qubitii prin executarea unei serii de porti cuantice, fiecare fiint o transformare unitara asupra unui singur qubit sau unei perechi de qubiti. Prin aplicarea acestor porti succesiv, un computer cuantiv poate face o transformare unitara foarte complicata asupra unui set de qubiti aflati intr-o stare initiala arbitrara. Ulterior qubitii pot fi masurati, aceasta masuratoare servind ca rezultat final al calculului.In articolul urmator voi discuta mai pe larg despre obstacolele intalnite, cercetare si voi incerca sa arunc o privire catre viitorul acestei tehnologii

„Imaginati-va ca aruncati o moneda si cade, sa zicem, cap. În acest caz stim exact ca cealalta fata a monedei este pajura (evident, daca moneda este netrucata) si aceasta fara sa mai fie nevoie sa ne uitam la ea. În mod asemanator, doua particule aflate într-o stare de corelare cuantica, separate de o distanta arbitrara (sa zicem ca una se afla pe Luna si cealalta pe o planeta din sistemul Alfa Centauri), sunt legate, starile lor depinzând una de cealalta. Daca masuram starea particulei aflata pe Luna, vom sti cu siguranta ca cea din sistemul Alfa Centauri se afla în starea exact opusa si aceasta indiferent de tipul de masurare efectuat.” 

IDEI DESPRE CALCULATORUL CUANTIC SI DESPRE MASURAREA ÎN

PSIHOLOGIEUniversul nu este numai un urias computer; el este un urias computer cuantic. It (el,universul) vine de la qubit (Paola Zizzi, de la University of Padova)Tehnologia computerelor cunoaste un progres continuu. Se creeaza o noua lume acipurilor, o lume minuscula, în care puterea acestora este invers proporþionala cudimensiunea lor. Se preconizeaza, din punctul de vedere al formei calculatoarelor, unviitor miniatural, un univers într-o coaja de nuca, pentru a utiliza o sintagma celebradatorata lui Stephen Hawking, o lume relativ invizibila, cu computere având dispozitivecu dimensiuni de sub 25 de nm. Oamenii de stiinþa apreciaza ca, daca la acel moment nuvor fi construite calculatoare cuantice funcþionale, progresele în domeniu vor înceta.Calculatoarele cuantice prelucreaza informaþia la nivelul atomilor, iar în prezentexista doar câteva calculatoare cuantice elementare.Asa cum am precizat, calculatorul cuantic a fost prezis în lucrarile lui DavidDeutsch, de la Universitatea din Oxford, în anul 1985. Foarte rapid de la aceastaprezicere, calculatoarele cuantice au fost create si au funcþionat în regim de laborator,cercetarile oprindu-se deocamdata, ca tip de performanþa, la acest nivel. Succesul sisuperioritatea calculatorului cuantic în raport cu calculatorul clasic apare datorita unui altmod de operare, un mod de operare care, într-un plan secund, pune în relief si diferenþadintre probabilitatea clasica si probabilitatea cuantica.Calculatorul cuantic, respectiv qubit-ul (mono-bitul complex, uni-multibitul), arecapacitatea de a procesa simultan doua numere: si 0 si 1. Daca alaturam doi qubiþi, seproceseaza simultan 4 numere, corespunzator combinaþiilor: 0 0, 1 0, 0 1, 1 1.Generalizând, pentru N qubiþi se obþine o procesare de 2N stari. O cifra impresionanta înraport cu legea polinomiala proprie calculatoarelor clasice. Un experiment a demonstratacest lucru. Experimentul a constat în gasirea unei persoane dupa numarul de telefon,dintr-o lista cu N numere (N a fost egal cu 10.000). Un calculator clasic gaseste numarulcerut dupa N/2 = 5000 de încercari. Un calculator cuantic creeaza de la început osuprapunere a celor N intrari si dezvolta proceduri de evaluare a probabilitaþii numaruluicerut care conduce la rezultat dupa N1/2 încercari, în cazul de faþa 100.O problema fundamentala a unui sistem cuantic este legata de posibilitateamenþinerii coerenþei starilor, adica de posibilitatea pastrarii suprapunerii lor. Coerenþa sepoate pastra într-un spaþiu limitat si pe o durata de timp data, astfel ca durata de timprelativ mica a coerenþei devine un impediment în absenþa unei viteze foarte mari deexecuþie.Aceasta problema capata un alt sens daca sistemul cuantic la care ne referim estecel uman. Sa ne amintim de una dintre premisele teoriei raþionalitaþii limitate creata deHerbert Simon. În faþa unei decizii individul are un numar n de posibilitaþi. Este o starecuantica de suprapunere (sau de superpoziþie) a posibilitaþilor. Multe erori de decizie s-arputea evita, daca mecanismele cognitive ale individului ar avea capacitatea de procesare ainformaþiei la nivelul unui calculator cuantic. Adica, daca ar avea capacitatea deprocesare simultana a tuturor posibilitaþilor de adevar si de fals, pe durata momentului decoerenþa a superpoziþiei starilor.În planul pragmatic al necesitaþilor sociale, acest lucru îl poate rezolvacalculatorul, ca o prelungire a minþii omenesti. Este interesant de observat ca, înmomentul de faþa Omul, de exemplu, un sahist de geniu, poate învinge un calculatorclasic. Este de o curiozitate stiinþifica profunda, preocuparea pentru o disputa între un

sahist de geniu si un calculator cuantic. Va mai fi capabil Omul sa-l învinga? Întrebareaare, fara îndoiala, si o tenta filozofica. Capacitatea de calcul a unui computer cuantic nuva putea fi atinsa vreodata de mintea umana. Dar viaþa a demonstrat, si un exemplu laîndemâna îl reprezinta tocmai întrecerea dintre un computer clasic si un sahist, ca forþacreativitaþii umane nu are limite. Sau calculatorul cuantic va demonstra ca, totusi, aceastaforþa este si ea limitata. Care sa fie, oare, înþelesul ascuns al aserþiunii lui Norbert Wiener:„Cibernetica este stiinþa care l-a întors pe Om cu faþa spre Dumnezeu”?Referirea la Omul-sahist nu este întâmplatoare. Schema si principiile jocului desah, exerciþiul de anticipare a unui numar cât mai mare de mutari este un exerciþiu dedezvoltare a unor mecanisme cognitive cuantice. El se refera la capacitatea de a calculatoate posibilitaþile de adevar si de fals, (de fapt cât mai multe) prezente în câmpulintenþional, în faza în care aceste posibilitaþi constituie o realitate suprapusa si se afla întrunreferenþial temporar de coerenþa.În ceea ce priveste testarea psihologica, abordarea ei în spiritul unui sistemcuantic consta, în primul rând, în crearea, prin caracteristicile testului si a protocoluluisau de aplicare, a unui câmp intenþional care sa conþina un numar cât mai mare deposibilitaþi bune si rele de raspuns. Câmpul intenþional va fi interpretat ca o situaþiecoerenta de stari suprapuse. Rolul psihologului este acela de a observa toate acesteposibilitaþi si de a trage concluziile necesare referitoare la comportamentul subiectului.

Calculatorul cuantic, respectiv qubit-ul (mono-bitul complex, uni-multibitul), arecapacitatea de a procesa simultan doua numere: si 0 si 1. Daca alaturam doi qubiþi, seproceseaza simultan 4 numere, corespunzator combinaþiilor: 0 0, 1 0, 0 1, 1 1.Generalizând, pentru N qubiþi se obþine o procesare de 2N stari. O cifra impresionanta înraport cu legea polinomiala proprie calculatoarelor clasice. Un experiment a demonstratacest lucru. Experimentul a constat în gasirea unei persoane dupa numarul de telefon,dintr-o lista cu N numere (N a fost egal cu 10.000). Un calculator clasic gaseste numarulcerut dupa N/2 = 5000 de încercari. Un calculator cuantic creeaza de la început osuprapunere a celor N intrari si dezvolta proceduri de evaluare a probabilitaþii numaruluicerut care conduce la rezultat dupa N1/2 încercari, în cazul de faþa 100.O problema fundamentala a unui sistem cuantic este legata de posibilitateamenþinerii coerenþei starilor, adica de posibilitatea pastrarii suprapunerii lor. Coerenþa sepoate pastra într-un spaþiu limitat si pe o durata de timp data, astfel ca durata de timprelativ mica a coerenþei devine un impediment în absenþa unei viteze foarte mari deexecuþie.

Aceasta problema capata un alt sens daca sistemul cuantic la care ne referim estecel uman. Sa ne amintim de una dintre premisele teoriei raþionalitaþii limitate creata deHerbert Simon. În faþa unei decizii individul are un numar n de posibilitaþi. Este o starecuantica de suprapunere (sau de superpoziþie) a posibilitaþilor. Multe erori de decizie s-arputea evita, daca mecanismele cognitive ale individului ar avea capacitatea de procesare ainformaþiei la nivelul unui calculator cuantic. Adica, daca ar avea capacitatea deprocesare simultana a tuturor posibilitaþilor de adevar si de fals, pe durata momentului decoerenþa a superpoziþiei starilor.În planul pragmatic al necesitaþilor sociale, acest lucru îl poate rezolvacalculatorul, ca o prelungire a minþii omenesti. Este interesant de observat ca, înmomentul de faþa Omul, de exemplu, un sahist de geniu, poate învinge un calculatorclasic. Este de o curiozitate stiinþifica profunda, preocuparea pentru o disputa între unsahist de geniu si un calculator cuantic. Va mai fi capabil Omul sa-l învinga? Întrebareaare, fara îndoiala, si o tenta filozofica. Capacitatea de calcul a unui computer cuantic nuva putea fi atinsa vreodata de mintea umana. Dar viaþa a demonstrat, si un exemplu laîndemâna îl reprezinta tocmai întrecerea dintre un computer clasic si un sahist, ca forþacreativitaþii umane nu are limite. Sau calculatorul cuantic va demonstra ca, totusi, aceastaforþa este si ea limitata. Care sa fie, oare, înþelesul ascuns al aserþiunii lui Norbert Wiener:

Calculatoarele cuantice, nu sunt foarte diferite de calculatoarele normale…în ceea ce priveşte…munca pe care o fac. Însă, sunt fundamental diferite, când analizăm metoda prin care realizează calculele. La baza muncii unui calculator cuantic, se află teoria cuantică şi ecuaţia lui Schrödinger, care spune că o particulă poate fi în acelaşi timp şi sus şi jos, şi în dreapta şi în stânga, la fel cum un organism poate fi şi viu şi mort, simultan.Un calculator clasic, operează pe baza unităţilor de informaţii numite biţi. Fiecare bit dintr-un calculator normal poate lua doar o valoare: 1 sau 0. La fel cum, de exemplu, un bec poate fi ori aprins ori stins, sau cum o afirmaţie poate fi ori adevărată ori falsă, sau că un obiect poate fi ori sus ori jos. Indiferent câţi biţi are, un calculator clasic poate lua doar o singură valoare, pentru a face programele să ruleze.

Un calculator cuantic e în totalitate diferit, deoarece se bazează pe două principii din teoria cuantică: insepararea şi superpoziţia. În lumea cuantică, imposibilul devine normal.Insepararea cuantică este un fenomen straniu, observat la particulele subatomice, care pot rămâne legate între ele chiar şi atunci când se află la mare distanţă unele de altele. Orice acţiune asupra uneia, va avea repercusiuni şi asupra celeilalte, ca şi când particulele n-ar fi separate, ele rămânând legate una de alta chiar dacă se află la capete opuse ale Universului. Conform inseparării, teoria cuantică spune că tot ceea ce se petrece într-o parte a Universului, poate avea efecte imediate în cealaltă parte, indiferent de distanţă. În lumea obişnuită, acest lucru este imposibil.Acest fenomen al inseparabilităţii va fi folosit în calculatoarele cuantice pentru a înlocui circuitele materiale, cu circuite cuantice, prin intermediul cărora vor fi transmise informaţiile fără pierdere de energie, instantaneu.Nici superpoziţia nu este mai uşor de înţeles. Cu toţii ne amintim din liceu despre dualitatea undă-corpuscul, adică, o particulă elementară, de exemplu fotonul, este în acelaşi timp şi un corp, dar şi o undă.O particulă poate fi de asemenea în superpoziţie în raport cu o altă particulă, adică, două particule pot ocupa acelaşi loc, în acelaşi timp. Asta înseamnă că, o particulă elementară poate lua ca valori: 1, 0 sau şi 1 şi 0 în acelaşi timp. Aceste tip de stare pe care o particulă cuantică o poate lua a fost numit qubit (biţi cuantici).Cu cât avem mai mulţi qubiţi, cu atâta sunt mai multe posibilităţi de calcul. Deoarece avem de-a face cu superpoziţia, asta înseamnă că mai multe poziţii, pot fi ocupate simultan. În timp ce un calculator pe 8 biţi (byte), poate ocupa doar o poziţie din cele 256 generate de cei 8 biţi, un calculator cuantic bazat tot pe 8 biţi, poate ocupa cele 256 de poziţii, în acelaşi timp.Un calculator cuantic cu n qubiţi, poate fi în 2n stări diferite de superpoziţie, comparativ cu un calculator clasic, ce poate fi doar într-o singură poziţie din cele 2n.Pentru a înţelege cât de straniu este acest comportament subatomic, recurg din nou la analogii. Dacă un bec, într-o cameră, ar fi în superpoziţie, ar însemna să fie şi stins şi aprins în acelaşi timp. Sau, o afirmaţie să fie şi adevărată şi falsă în acelaşi timp. Sau un obiect să fie şi sus şi jos comcomitent, dar, ceea ce e şi mai straniu este că, particula poate fi şi în trecut şi în prezent …în acelaşi timp. Asta arată stranietatea pe care o va avea calculatorul cuantic, deoarece, informaţiile vor fi procesate iar rezultatele vor fi obţinute, înainte de a i se fi cerut acest lucru, sau, având în vedere că un qubit poate lua valorile închis/deschis simultan, calculatorul cuantic poate procesa informaţii …şi când e închis. Acest fenomen ciudat a fost observat de cercetătorii de la Universitatea din Michigan.Gândindu-ne la limita Bremerman, care spune că limita maximă a unui gram de masă a unui sistem informaţional, poate procesa maximum biţi 2 ۰ 1047, de informaţie, adică 20 urmat de…47 de zerouri un calculator cu un gram de materie care să proceze informaţii, e de de neimaginat în prezent.

Dar dacă asta e ceva de neimaginat, atunci ce va fi prin anul 2100, când Raymond Kurzweil spune că probabil, progresul tehnologic va fi fost ajuns până acolo, încât să transformăm tot Pământul într-un uriaş calculator, adică să-l facem inteligent, astfel încât să nu mai fie nevoie să-l muncim, ci să dea el singur roadele, să construiască el singur clădirile, să le întreţină singur, să controleze el singur procesele atmosferice, geologice sau hidrologice folosind energia din interior. Dacă puterea de calcul a unui gram este de 2 ۰ 1047 biţi, atunci cât va fi puterea de calcul al întregului Pământ, care are6 ۰ 1024 grame ? http://mycoloredlinks.com/bloguri-frumoase/?p=881

Calculatorul cuantic

Se cuvine sa precizam ca unul dintre cei ce au pus bazele teoretice ale calculatorului cuantic este un român de-al nostru, un matematician, stabilit în prezent la Auckland, Noua Zeelanda, domnul Cristian Calude. Acesta îi spunea domnului Alexandru Mironov, într-un interviu aparut în numarul 3/2004 al revistei noastre: „Calculatorul cuantic va domina stiinta, nu numai în informatica si matematica, ci si în toate compartimentele ei.”. De aceea credem ca ar fi util sa descriem principiile de baza ale unui asemenea calculator, care nu mai este nicidecum un obiect ce tine de SF, ci unul care tinde sa intre în lumea reala.

 

Retele de atomiCele mai puternice calculatoare din zilele noastre sunt, simplist vorbind, niste felii subtiri de siliciu pe care sunt asezate milioane de tranzistoare. Calculatoarele de mâine ar putea sa fie complet diferite, niste cristale artificiale fabricate cu ajutorul fasciculelor laser. Manipulând asemenea fascicule cercetatorii ar putea realiza structuri tridimensionale, similare cutiilor de carton pentru oua. Fiecare dintre „adânciturile” dintr-o asemenea „cutie” ar putea „adaposti”, în mod controlat, atomi, asa cum suratele lor macroscopice adapostesc oua. Oricare dintre acesti atomi ar putea fi folosit pentru a efectua calcule la nivel cuantic, transformând întregul cristal în cel mai rapid procesor imaginat vreodata.

Cercetatorii asteapta clipa în care vor reusi sa realizeze asemenea capcane de atomi, cu ajutorul carora sa poata folosi proprietatile bizare si fascinante ale lumii cuantice. Deja suntem capabili sa capturam atomi solitari în „microcapcane” create cu ajutorul fasciculelor laser ce „izbesc” atomul din directii diferite. De fapt, ne folosim de fenomenul cunoscut sub numele de interferenta. Atunci când doua fascicule interfereaza se produc alternante de franje luminoase si întunecate, iar în anumite conditii, franjele luminoase pot deveni adevarate capcane pentru atomi. Pentru viitor, cercetatorii au programe cu mult mai ambitioase, crearea de structuri de 100 de atomi, în care fiecare atom va avea o pozitie bine stabilita, ca într-un cristal, cu ajutorul fasciculelor laser. De aici încolo ne putem baza pe imaginatie. Imaginati-va ca am putea scrie si citi informatie pe fiecare dintre acesti atomi, controlând pozitia lor. Dar

lucrurile nu sunt deloc simple. Atomii au miscari dezordonate, datorita agitatiei termice. De aceea este necesar sa îi racim foarte mult, pâna în apropierea lui 0 Kelvin, aducându-i astfel într-o noua stare de agregare a materiei, numita condensat Bose-Einstein, o stare în care toti atomii se comporta ca si cum ar fi unul singur. Fizicianul Imanuel Bloch, de la Universitatea din Mainz, Germania, a realizat un prim pas în acest sens. El a reusit sa creeze o structura ordonata de atomi aflati în condensat Bose-Einstein, pozitionându-i cu ajutorul a sase lasere. Modificând controlat intensitatea fasciculelor laser, Bloch a fost capabil sa scoata sau sa introduca atomi în structura creata, dupa dorinta. Cu siguranta acesta este un prim pas catre calculatorul cuantic, calculatorul viitorului.

Pensete pentru atomiO alta cale pentru a manevra atomi individuali este aceea de a-i extrage dintr-un condensat Bose-Einstein, folosindu-se o „penseta” cuantica, „fabricata” tot din lumina laser. La Universitatea Austint, Texas, fizicianul Mark Raizen lucreaza la realizarea unei „pensete cuantice” din lumina, care ar putea „prinde” si „manevra” atomi individuali dintr-un condesat Bose-Einstein. „Seamana oarecum cu pescuirea pestilor din apa cu ajutorul unei plase, explica Raizen, avem o plasa, penseta optica, si un lac, condesatul Bose-Einstein.” În prezent echipa lui Raizen lucreaza cu doua tipuri de condensaturi, unul realizat din atomi de rubidiu, altul din atomi de sodiu. În fiecare dintre ele, oamenii de stiinta au reusit sa aranjeze câteva sute de atomi în linie, dupa care au folosit penseta optica... Rezultatele sunt înca departe de a putea fi aplicate în practica. Dar modelarile teoretice arata ca ar putea veni vremea în care acest „pescuit cuantic” ar putea oferi solutii pentru realizarea de dispozitive în care calculele ar putea fi efectuate la nivelul atomilor.

Corelarea cuanticaDar cea mai stranie proprietate a lumii cuantice, ce ar putea fi utilizata în realizarea calculatoarele viitorului, poarta numele de corelare (entanglement) cuantic. Credem ca o analogie ar putea sa ne ajute sa definim, nu neaparat foarte exact, aceasta proprietate. „Imaginati-va ca aruncati o moneda si cade, sa zicem, cap. În acest caz stim exact ca cealalta fata a monedei este pajura (evident, daca moneda este netrucata) si aceasta fara sa mai fie nevoie sa ne uitam la ea. În mod asemanator, doua particule aflate într-o stare de corelare cuantica, separate de o distanta arbitrara (sa zicem ca una se afla pe Luna si cealalta pe o planeta din sistemul Alfa Centauri), sunt legate, starile lor depinzând una de cealalta. Daca masuram starea particulei aflata pe Luna, vom sti cu siguranta ca cea din sistemul Alfa Centauri se afla în starea exact opusa si aceasta indiferent de tipul de masurare efectuat.” (Am citat din excelentul articol despre calculatorul cuantic, unde veti gasi si alte informatii interesante, articol publicat de Iulia Maria Buluta în numarul 4-5/2003 al revistei noastre.) Corelarea cuantica pare a fi una dintre cheile calculatorului cuantic, deoarece cu ajutorul ei putem stoca si citi informatie. În calculatoarele obisnuite unitatea de informatie este bitul, care poate avea valoarea 0 sau 1. În calculatorul cuantic unitatea minima de informatie este qubit-ul care poate fi în acelasi timp si 0 si 1 sau, într-o alta exprimare, poate avea una dintre cele doua valori cu o anume probabilitate. Deocamdata nu putem descrie foarte exact cum va arata calculatorul cuantic, dar despre pasii de acum stim câte ceva. De exemplu, cei mai buni candidati pentru stocarea de qubiti par a fi atomii individuali si fotonii. Atomii au avantajul ca pot fi „fixati” într-un anume loc, asa cum aratam mai sus. Fotonii au avantajul ca pot transporta informatie. Pâna în prezent s-a reusit corelarea cuantica a atomilor cu atomi sau a fotonilor cu fotoni. Recent, o

echipa de cercetatori de la Universitatea Michigan, condusa de catre Christopher Monroe, a reusit corelarea unui atom cu un foton. În laborator, cercetatorii au capturat ioni de cadmiu, dupa care au aranjat experimentul astfel încât ionii de cadmiu sa emita fotoni. Masuratori precise au indicat faptul ca fotonul si ionul de cadmiu erau corelati cuantic. „În sistemul realizat de noi, datorita controlului pe care îl avem asupra atomilor individuali, am reusit sa corelam atomi cu fotoni”, arata Monroe într-o conferinta de presa. Acest pas este foarte important, deoarece particulele de cadmiu ar putea servi pentru stocarea de qubiti, iar fotonii corelati ar putea fi folositi pentru transportul informatiei în exterior.

Scepticism si optimismUnii cercetatori sunt sceptici, în ciuda progreselor realizate pe drumul realizarii unui calculator cuantic operational, care sa poata fi utilizat pentru aplicatii practice, dincolo de (deocamdata) micile succese ale prezentului. Raizen îsi exprima transant opinia: „Prefer sa vorbesc despre controlul cuantic si inginerie cuantica, este mai cinstit asa!”. Dar perspectivele pe care ni le ofera realizarea calculelor la nivel de atomi (despre ele s-a vorbit în articolul amintit mai sus) au facut ca DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) sa organizeze o conferinta la începutul acestui an. La aceasta conferinta au participat cercetatori de la marile universitati americane, dar si cei de la AT&T, IBM, Hewlett-Packard, IBM, si Microsoft. Participantii au estimat ca vor trece 20 de ani pâna la realizarea unui adevarat calculator cuantic, dar vor fi necesare eforturi sustinute pentru atingerea acestui obiectiv. Semnele interesului aratat de guvernul american pentru cercetarile din acest domeniu se vad cât se poate de clar: fondurile alocate au crescut de la 80 milioane dolari cheltuite anul trecut, la 90 de milioane dolari pentru acest an. DARPA a lansat si un program numit Focused Quantum Systems, prescurtat Foqus, al carui obiectiv este realizarea unui sistem capabil sa descompuna în factori primi un numar de 128 biti în numai 30 de secunde, cu o acuratete de 99,99%. Poate ca cifrele de mai înainte nu spun mare lucru nespecialistilor, de aceea vom aminti ca sistemele de codificare actuale sunt direct dependente de capacitatea de a descompune numere mari în factori primi. Calculatoarele prezentului sunt neputincioase în fata acestei operatii simple, datorita faptului ca timpul de calcul implicat tinde catre infinit. În schimb, calculatorul cuantic ar putea efectua foarte rapid o asemenea descompunere, ceea ce ar oferi un avantaj decisiv celui care l-ar realiza, practic nu ar mai exista în lume un cod care sa nu poata fi spart!

Nu putem stii cum va arata calculatorul de peste câteva decenii. Dar, daca privim catre trecut, putem avea o perspectiva optimista. Calculatorul cuantic va deveni o realitate si va trece repede din domeniul restrâns al aplicatiilor legate de aparare, catre cele utile omului de pe strada. Un singur lucru nu stim acum, ce vor fi asemenea aplicatii...