161
2.
Ус, А. Г., Елкин, В. Д., & Бахмутская, В. В. (2005). Экономное использование
электрической энергии осветительными установками.
Вестник Гомельского
государственного технического университета им. ПО Сухого
, (4 (23)), 055-063.
KVANT HUJAYRALI AVTOMATIKA – NANO O‘LCHAMLI KOMPYUTERLARNI
LOYIHALASH UCHUN POTENTSIAL TEXNOLOGIYA
KARIMOV M.M., TASHEV K.A., SAFOYEV N.N.
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi Toshkent axborot texnologiyalari universiteti
Annotatsiya.
Quvvat sarfining oshishi, jismoniy o'lchamdagi cheklovlar va qisqa kanal
effekti an'anaviy metall oksidli-yarim o'tkazgich (CMOS) texnologiyasining asosiy
muammolaridir.
Nano-miqyosdagi
arxitekturalar
bo'yicha
ko'plab
tajribalar
ushbu
kamchiliklardan kelib chiqqan. An'anaviy CMOS-ga asoslangan texnologiyaga raqobatchi
sifatida Kvant Hujayrali Avtomatika(Quantum-dot Cellular Automata–QCA) texnologiyasi kvant
nuqtalaridan foydalangan holda raqamli mantiqiy sxemalarni loyihalash uchun tubdan yangi
hisoblash asosini taqdim etadi. Biz hozirgi kvant hisoblash texnikasini beshta yo'nalishda ko'rib
chiqamiz. Topilmalar shuni ko'rsatadiki, kvant kompyuterlari nosozliklarga juda moyil va yuqori
kechikish(latency)ga ega. Afsuski, hozirgi va yaqin kelajakdagi kvant kompyuterlari uchun kvant
xatolarini tuzatish tizimlari hali ham mavjud emas. Tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, kvant hisob-
kitoblari kvant muammolarni hal qilishdan oldin muhim algoritmik yutuqlarni talab qiladi.
Kalit so’zlar
: Kvant, CMOS, QCA, Kvant hujayrali avtomatika.
Kvant hisoblash butun dunyo bo'ylab tadqiqotchilar va muhandislar uchun mavjud
bo'lgan eng yangi texnologiya sifatida qaralmoqda. Ko'pgina akademik doiralar kelajakda kvant
hisoblashlari o'sib borayotgan katta ma'lumotlar bilan ishlashda an'anaviy kompyuterlarga
nisbatan ko’plab afzalliklarini taqdim qilishini e’tirof etishmoqda [1], [2]. Individual elektronlar,
individual atomlar va elementar zarralar kvant mexanikasining asosidir. Tadqiqotchilar kvant
mexanikasini hisoblashda qo‘llash orqali taklif etilayotgan kvant kompyuteri yaqin kelajakda
protsessorlarning ishlov berish quvvatlarini mavjud protsessorlarning klassik hisoblash
imkoniyatlaridan yuqori darajada oshirishi mumkinligini taxmin qilishmoqda [3]. Kvant
kompyuteri - bu murakkab muammolarni hal qilish uchun kvant fizikasidan foydalanadigan
qurilmaga aytiladi. Kvant kompyuteri kontseptsiyasi fundamental paradoksdan haqiqiy 2048
kubitli tizimga qadar ishlab chiqilgan bo'lib, Kanadaning kvant hisoblash kompaniyasi –
“DWave” kompaniyasi kvant kompyuterini misol sifatida olishimiz mumkin [4]. Kvant
kompyuterlari oddiy kompyuterlarga o'xshamaydi. Bitlarda (0 yoki 1) ma'lumotdan
foydalanadigan va qayta ishlaydigan an'anaviy kompyuterlardan farqli o'laroq, kvant
kompyuterlar bir vaqtning o'zida bir va noldan ko'proq narsani ifodalovchi kvant biti yoki
kubitdan foydalanadilar [5], [6].
Kvant kompyuterlariga xos bo’lgan ikki tushuncha mavjud, bular holatlarning
superpozitsiyasi va kvant chalkashlik(entanglement), va ayni shu xususiyatlar ularga misli
ko'rilmagan ishlov berish tezligini beradi. Holatlarning superpozitsiyasi kvant kompyuterining
bir vaqtning o'zida bir nechta kvant holatida yashash qobiliyatini anglatadi. Ikki yoki undan ortiq
zarralar mustaqil ravishda yo'q qilib bo'lmaydigan kvant holatini o'rnatganda sodir bo'ladigan
chalkashlik kvant kompyuterlarining yana bir xususiyatidir. Kvant kompyuterlaridagi bu
xususiyatlar ularga ma'lumotlarni favqulodda tezlikda qayta ishlash imkonini beradi [5]. Hatto
hozirgi superkompyuterlar ham bir necha holatlarda katta ma'lumotlarni qayta ishlashda
samarasiz bo'lib bormoqda. Shunday qilib, kvant hisoblash kompyuter olimlari, tadqiqotchilar,
dasturchilar va muhandislar uchun an'anaviy hisoblashdan ancha ustunroq hisoblash quvvatlarini
yaratish va oshirish uchun yangi vositalar to'plami sifatida takomillashib bormoqda. Mavjud
tadqiqotlarga asoslanib, biz ushbu sohada potensial kvant kompyuterlarini ishlab chiqarishda
beshta yo’nalishni aniqladik. 1-rasmda ushbu ilovalar ko'rsatilgan.
162
1-Rasm.
Kvant kompyuterlar uchun potensial paradigmalar.
Har bir yo’nalishni alohida tahlil qilib, aniqlashtirib olamiz. Demak bular quyidagilardan
iborat:
Kvant sxemasi modeli – Quantum circuit model. Bu texnologiya kvant hisoblash
tushunchasidan kelib chiqqan. Kvant axborot nazariyasida kvant sxemasi klassik sxemalarga
o'xshash kvant hisoblash modeli bo'lib, unda hisoblash kvant elementlari, o'lchovlar, qubitlarni
ma'lum qiymatlarga boshlash va boshqa harakatlarga undash ketma-ketligidir. Ya’ni, kvant
sxemasi - kvant ma'lumotlari to'plamida kvant operatsiyalarini bajarish uchun ko'rsatmalar
to'plami. Demak, kvant zanjirining boshlang'ich qismi kvant ma'lumotlarining tavsifidir. N-qubit
registr bunday tartib uchun nomdir. Ushbu senariydagi kvant ma'lumotlari faqat n-kvant bitidan
iborat. Biroq, kvant sxemasi modelidan turli kvant ma'lumotlarini tushuntirish uchun foydalanish
mumkin, masalan, uch darajali kvant tizimlari yoki qutritlar, ularning barchasi sifatida. Penrose
grafik yozuvining o'zgarishi kvant zanjiri komponentlarini grafik tarzda ko'rsatish uchun
ishlatiladi.
Kvant Tyuring mashinasi – Quantum Turing Machine (QTM): Bu texnologiya kvant
kompyuter hodisalarini ifodalash uchun foydalaniladigan abstrakt mashinadir. QTM – bu
ananaviy Tyuring mashinasining (TM) kvant ekvivalenti hisoblanadi. U kvant hisoblashning
barcha kuchlarini qamrab oluvchi asosiy modelni taqdim etadi, ya'ni har qanday kvant algoritmi
ma'lum QTM sifatida modellashtirilishi mumkin. O'tish matritsalari(ehtimollar matritsasi,
almashtirish matritsasi yoki Markov matritsasi)ga asoslangan paradigmada QTM klassik va
ehtimolli Turing kompyuterlariga ulanishi mumkin. Boshqacha qilib aytganda, klassik yoki
ehtimolli mashinani ifodalovchi matritsaga ega mahsuloti kvant mashinasi uchun kvant
ehtimollik matritsasini beradigan matritsa tasvirlanishi mumkin.
Adiabatik kvant kompyuteri – Adiabatic Quantum Computer (AQC): AQC — hisob-
kitoblarni amalga oshirish uchun adiabatik teoremadan foydalanadigan kvant hisoblashning bir
turi. Bu texnologiya kvant optimallashtirish(annealing) bilan chambarchas bog'liq.
D-Wave
Systems
kompaniyasi potentsial hisoblash arxitekturasi bo'lgan prototip kvant kompyuterida
adiabatik kvantni qayta ishlashni amalga oshirishni keltirib o’tgan. Ortga-qaytadigan(reversible)
mantiqiy amallar yordamida ortga-qaytmaydigan(non-reversible) operatsiyalarni bajarish uchun
qo'shimcha ansilla kubitlarini qo'shish o'rniga, qaytarilmaydigan mantiqiy jarayonlarni
Gamiltonianga kiritish qobiliyati adiabatik kvant hisoblashning kvant hisoblash sxemasi
modeliga nisbatan afzalliklaridan biridir. Bu adiabatik kvant hisoblashda klassik mantiqiy
sintezning joriy usullaridan foydalanishga imkon beradi, ammo sxemalar adiabatik kvant
qurilmasining to'rtburchaklar qatoriga aylantirilishi kerak. AQC diskret optimallashtirish
masalalarini hal qiluvchi dasturdir.
163
Bir tomonlama kvant kompyuteri – One-Way Quantum Computer (1WQC):
Kvant
hisoblash asoslari
kvant matematikasi, fizikasi va informatikani birlashtirgan fandir. Kvant
kompyuterlari an'anaviy kompyuterlarga nisbatan turli afzalliklarni taklif qiladi; masalan, ular
butun son faktorizatsiyasi va ma'lumotlar bazasini qidirish kabi faoliyatni sezilarli darajada
tezlashtirishi mumkin. Kvant-mexanik hodisalar, jumladan, o'lchash, superpozitsiya va
chalkashliklardan foydalaniladi. Measurement-Based Quantum Computing (MBQC) - bu kvant
hisoblarini bajarish uchun o'lchov va chalkashlikdan foydalanishga asoslangan yangi
tushunchalarni tavsiflash uchun ishlatiladigan atamadir. Raussendorf va Briegel MBQC ning
ikkita asosiy modelini taqdim etdilar: Teleportatsiya kvant hisoblashlari –
Teleportation
Quantum Computation (TQC)
va 1WQC. 1WQC kvant hisoblarining xilma-xillik xususiyati va
uning kelajakda jismoniy amalga oshirilishi mumkinligi tufayli akademiklarning qiziqishini
uyg'otdi. 1WQCda bir kubitli kuzatishlar klaster holati yoki graf holati deb ataladigan chigal
holatda kvant korrelyatsiyalari yordamida kvant hisoblashni amalga oshirish uchun ishlatiladi.
Ikki o'lchovli klaster holatlari hamma joyda mavjudligi aniqlandi. Qaytarib bo'lmaydigan
proyektiv o'lchovlar kerakli hisob-kitoblarni amalga oshiradi, shuning uchun model “bir
tomonlama” deb ataladi.
Kvant hujayrali avtomatika –
Quantum-dot Cellular Automata (QCA)
: Bu texnologiya
Jon fon Neyman tomonidan o'rnatilgan an'anaviy hujayrali avtomatika modellariga o'xshash
tarzda ishlab chiqilgan va an'anaviy kompyuter dizaynini, ya'ni CMOS paradigmasini
takomillashtirishga asoslangan texnologiya hisoblanadi. QCA raqamli hisoblashda potentsial
kvant nuqtaga asoslangan paradigmadir. Bu tranzistorsiz hisoblash arxitekturasi bo'lib, u qurilma
zichligi va ulanish muammolarini hal qiladi. QCA texnologiyasini loyihalash uchun dasturiy
paketlardan keng foydalaniladi.
Ushbu tezis kvant hisoblashlari haqida qisqacha ma'lumot berishni va sohadagi
texnologik rivojlanishlar imkoniyatlarni taqdim etishga qaratilgan. Ushbu tezis mavjud kvant
hisoblashlarni shartli ravishda beshta guruhga, jumladan kvant sxemasi modeli, QTM, AQC,
1WQC va QCA sohalariga bo’ladi.
Xulosa
Kvant kompyuterlari kelajakda fan va sanoatda bir qancha yutuqlarga erishishga imkon
beradi. Kvant kompyuterlari, oddiy kompyuterlardan farqli o'laroq, hisoblash vazifalarini tezroq
hal qilish uchun kvant fizikasi asoslaridan foydalanadi. “
Gate
” modeliga asoslangan kvant
kompyuterlari yaqin kelajakda kvant kompyuter tizimlari va kvant qurilmalarini amalga oshirish
uchun zarurdir. Kombinatoriy optimallashtirish - bu an'anaviy kompyuterlar uchun qiyin bo'lgan
hisoblash vazifalarining keng doirasini o'z ichiga olgan diskret qiymatli optimallashtirish
masalalarining keng toifasidir. Rivojlanayotgan kengaytiriladigan elektron modelli kvant
apparatlari kombinatoriy optimallashtirish muammolarini hal qilish uchun ushbu qurilmalardan
foydalanishga qiziqish uyg'otadi. Nazariy jihatdan kvant kompyuterlari ma'lum turdagi hisoblash
masalalarini eng mashhur an'anaviy texnikalarga qaraganda tezroq hal qila oladi.
Foydalanilgan adabiyotlar
1.
V. Hassija, et al., Present landscape of quantum computing, IET Quantum Commun. 1
(2) (2020) 42–48.
2.
K. Wang, H. Wang, S. Li, Renewable quantile regression for streaming datasets, Knowl.
Based Syst. 235 (2022), 107675.
3.
A. Li, et al., 1-bit massive MIMO transmission: embracing interference with symbol-
level precoding, IEEE Commun. Mag. 59 (5) (2021) 121–127.
4.
J.P. Terry, et al., Quantum isomer search, PLoS One 15 (1) (2020), e0226787.
5.
Njorbuenwu, M. , B. Swar , P. Zavarsky . A survey on the impacts of quantum computers
on information security, in: Proceedings of the Second International Conference on Data
Intelligence and Security (ICDIS, IEEE, 2019.
