Гигагерц - это слишком медленно

[lameli]

Слияние физики и теории информации обеспечивает главный прин­цип квантовой механики, гласящий, что в своей основе природа дискретна. Физическую систему можно описать, используя конечное число битов. Каждая частица в ней действует точно так же, как логический элемент компьютера. Спин ("ось") частицы может указывать в одном из двух направлений, кодируя таким образом один бит, и может менять направление на обратное ("опрокидываться"), выполняя таким образом простейшее вычислительное действие.

Система также дискретна во времени: для изменения значения бита требуется минимальный временной промежуток, точная величина которого определяется теоремой, названной в честь пионеров физики обработки информации Нормана Марголуса (Norman Margolus) из Массачусетского технологического института и Льва Левитина (Lev Levitin) из Бостонского университета. Теорема связана с принципом неопределенности Гейзенберга, который описывает присущую природе взаимозависимость физических величин, таких как положение и импульс или время и энергия. Время t, необходимое для изменения значения бита, зависит от величины прилагаемой энергии E. Чем она больше, тем короче временной промежуток:
t > или =h/4E, где h - постоянная Планка. Например, в одном из прототипов квантового компьютера биты кодируются ориентацией протонов, а для ее изменения используется магнитное поле. Математические операции происходят за минимальное время, допускаемое теоремой Марголуса-Левитина.

У этой теоремы есть множество следствий: от пределов, налагаемых на геометрию пространства-времени, до вычислительных возможностей Вселенной в целом. Рассмотрим пределы вычислительной мощности обычной материи - в данном случае одного килограмма вещества, занимающего объем 1 л. Назовем наше гипотетическое устройство предельным ноутбуком.

Источником питания для него служит просто вещество, непосредственно преобразуемое в энергию по известной формуле E = mc2. Если направить всю энергию на управление битами, компьютер сможет выполнять 1051 операций в секунду. Объем памяти можно рассчитать с помощью термодинамики. Когда один килограмм вещества превращается в энергию в объеме 1 л, его температура равна 1 млрд. К, а энтропия, пропорциональная энергии, деленной на температуру, соответствует 1031 битам информации. Предельный ноутбук хранит данные в виде микроскопических движений и положений элементарных частиц внутри себя. При этом используется каждый отдельный бит, допускаемый законами термодинамики.

Взаимодействуя, частицы могут заставлять друг друга изменять состояние. Этот процесс можно рассматривать в терминах языка программирования типа C++ или Java: частицы - это переменные, а их взаимодействия - арифметические операции. Состояние каждого бита может изменяться 1020 раз в секунду, что эквивалентно тактовой частоте процессора в 100 гигагигагерц (т.е. 100 миллиардов миллиардов герц). На самом деле система действует слишком быстро, чтобы ею управлял тактовый генератор. Время, требуемое для изменения состояния бита, приблизительно равно времени, в течение которого распространяется сигнал между двумя соседними частицами. Таким образом, предельный ноутбук работает в предельно параллельном режиме: он действует не как один процессор, а как множество процессоров, работающих почти независимо и сравнительно медленно обменивающихся результатами.

В обычном компьютере содержится один-единственный процессор и приблизительно 1012 битов, которые переключаются примерно 109 раз в секунду. Если закон Мура будет действовать и дальше, то наши потомки смогут купить предельный ноутбук уже в середине XXIII в. Правда, инженерам придется научиться точно управлять взаимодействиями частиц в плазме, более горячей, чем солнечное ядро, а для программирования компьютера и обработки ошибок понадобится большая часть полосы частот, используемых в системах связи. Кроме того, остро встанет проблема компоновки.

В принципе, такое устройство можно купить уже сегодня (если знать нужных людей :) ). Однокилограммовый кусок вещества, полностью преобразуемого в энергию, - это научное определение 20-мегатонной водородной бомбы. Взрывающееся ядерное оружие обрабатывает огромное количество информации, исходный состав которой задается начальной конфигурацией; результат обработки закодирован в испускаемом излучении.

[at_hacker]

Да-да Как известно, в белом шуме содержится вся информация во вселенной. Только выделить её оттуда невозможно

[Anonymous]

Состояние каждого бита может изменяться 1020 раз в секунду, что
эквивалентно тактовой частоте процессора в 100 гигагигагерц (т.е.
100 миллиардов миллиардов герц).

Чета не понял я этой выкладки.. 1000 раз в секунду - это, извините,
килогерц.

[Olmer]

А теперь помножь на количество бит.