1 Postęp w infrastrukturze MIS

2 Test Czy jesteś zadowolony z pracy komputera? TAK NIE TRUDNO POWIEDZIEĆ A DLACZEGO?

3 Trochę historii Na możliwość budowy komputerów wykorzystujących prawa fizyki kwantowej zwrócił uwagę na początku lat 80 tych Paul Benioff z Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych Autorem logicznego modelu działania komputera kwantowego jest Richard Feynman, który wykładem w 1981 r. zainicjował badania nad komputerem wykorzystującym prawa mechaniki kwantowej.

4 Komputer kwantowy – historia c.d.David Deutsch znany propagator teorii światów równoległych stworzył kompletną teorię działania komputera kwantowego. Współpracował z nim polski fizyk i informatyk Artur Ekert, który za prace nad wykorzystaniem w kryptografii efektu splątania został nagrodzony w 1995 Medalem Maxwella. W 1994 roku,  Peter Shor z AT&T Bell Labs w Murray Hill wymyślił algorytm, który przy użyciu komputera kwantowego mógłby szybko rozkładać bardzo duże liczby na iloczyny liczb pierwszych.

5 Etymologia Słowo quantum w znaczeniu zbliżonym do obecnego określenia pojęcia fizycznego kwantutrafiło do wielu języków dzięki pracy Einsteina z roku 1905 na temat zjawiska fotoelektrycznego. W artykule tym, nawiązując do prac Maxa Plancka i Philippa Lenarda, Albert Einstein wprowadził pojęcie kwantów światła (po niemiecku w liczbie mnogiej Lichtquanten).

6 Układ skonstruowany przez D-Wave Systems, zawierający 128 kubitów

7 Kwant  Najmniejsza porcja, jaką może mieć lub o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna. Słowo kwant pochodzi z łaciny.  Quantum jest rodzaju nijakiego, a oznacza jak dużo. Forma w liczbie mnogiej to quanta. Na przełomie XIX i XX wieku słowo quantum było używane w języku niemieckim w fizyce dla określenia elektronu.  Max Planck używał słowa quanta w znaczeniu kwantów materii elektryczności,  gazu i ciepła (artykuły z lat 1883 i 1901).

8 Kukbit Kubitami są cząstki elementarne, np. fotony lub elektrony. W 2011 roku udało się stworzyć układ złożony z 10 miliardów kubitów. W 2014 powiodło się utrzymanie 10 miliardów kubitów w stanie splątanym przez 39 minut

9

10 Kwantowy bit Kwantowy bit tzw. kubit nie ma ustalonej wartości 1 lub 0, w trakcie obliczeń znajduje się w jakimś stanie pośrednim możemy go nazwać stanem „niezdecydowanym. Kubit jest kwantową superpozycją zera i jedynki. Kubit niesie w sobie naraz o wiele więcej informacji niż zero-jedynkowy bit. Dlatego jest w stanie wykonać równolegle wiele obliczeń

11 Sfera Blocha to wizualna reprezentacja pojedynczego kubituw pamięci komputera kwantowego

12 Komputer kwantowy Komputer kwantowy  jest to układ fizyczny, zastoswany do opisu do którego wymagana jest mechanika kwantowa Dane w komputerach kwantowych są reprezentowane przez aktualny stan kwantowy układu stanowiącego komputer. Jego ewolucja odpowiada procesowi obliczeniowemu. Odpowiednie zaplanowanie ewolucji układu kwantowego, czyli stworzenie odpowiedniego algorytmu kwantowego pozwala teoretycznie na osiągnięcie wyników w znacznie efektywniejszy sposób, niż za pomocą tradycyjnych komputerów.

13 Komputer kwantowy - algorytmAlgorytmy wykonywane przez komputer kwantowy są algorytmami probabilistycznymi. Oznacza to, że uruchamiając ten sam program na komputerze kwantowym dwukrotnie, można by było otrzymać zupełnie różne wyniki ze względu na losowość procesu kwantowego pomiaru.

14 Teoria informacji kwantowejTeoria informacji kwantowej jest teorią zastosowania specyficznych cech mechaniki kwantowej do opisu i przekazywania obserwacji.

15 Teoria informacji kwantowejW tradycyjnych komputerach wartości reprezentujące przetwarzane przez komputer dane zapisywane są w postaci ciągów zer i jedynek (binarne kodowanie informacji). W maszynach kwantowych dane są reprezentowane przez stan kwantowy układu. Ewolucja układu kwantowego odpowiada procesowi obliczeniowemu (w klasycznych komputerach jest nim przełączanie tranzystorów). Stworzenie odpowiedniego algorytmu (programu) kwantowego teoretycznie pozwala na dużo szybsze osiągnięcie wyników. Kwantowe bramki logiczne operują na bitach kwantowych - qubitach.

16 Komputer kwantowy a komputer tradycyjnyObecnie stosowane są komputery 64-bitowe. A kwantowy komputer operujący jednocześnie na 64 kubitach byłby od współcześnie wykorzystywanej maszyny !!!! (trylionów) razy szybszy.

17 Działanie komputerów kwantowychQubit nie ma ustalonej wartości, ale znajduje sie w stanie pośrednim pomiędzy zerem i jedynką - jest superpozycją zera i jedynki. Oznacza to, że z pewnym prawdopodobieństwem znajduje się w stanie 0 i z pewnym prawdopodobieństwem w stanie 1. Suma tych prawdopodobieństw daje pewność. Średnia wartość wynikająca z wykonania wielu operacji daje mniej lub bardziej prawdopodobny wynik. Układ wielu qubitów tworzy rejestr kwantowy. Dane zawarte w rejestrze kwantowym są przetwarzane przez układy kwantowych bramek logicznych (obwody kwantowe).

18 Bit a Kubit

19 Miniaturyzacja Postępująca miniaturyzacja w elektronice, kiedy liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co osiemnaście miesięcy a wielkości obwodów mierzy się w nanometrach natrafia na ograniczenia spowodowane efektami kwantowymi. Sytuacje takie przeczuwali twórcy mechaniki kwantowej Heisenberg, Dirac, Schrödinger.

20 Ograniczenia Utrudnieniem w budowie komputera kwantowego jest zjawisko charakterystyczne dla mechaniki kwantowej polegające na tym, że w chwili pomiaru znika w qubicie superpozycja zera i jedynki, czyli znika wynik obliczeń (zasada nieoznaczoności Heisenberga). Wynik obliczeń przy tak niepewnych jednostkach pamięci jest mniej lub bardziej prawdopodobny. Aby zbliżał się do pewności należy wykonać odpowiednio dużo operacji.

21 Zasada nieoznaczonościZasada nieoznaczoności Heisenberga lub zasada nieokreśloności − reguła, która mówi, że istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że część informacji o drugiej wielkości jest tracona. Zasada nieoznaczoności nie wynika z niedoskonałości metod ani instrumentów pomiaru, lecz z samej natury rzeczywistości Zasada nieoznaczoności mówi, że nie można z dowolną dokładnością wyznaczyć jednocześnie położenia i pędu cząstki (samochód).

22 Zastosowania Powszechnie znanym przykładem tej klasy zadań jest tak zwany „problem komiwojażera” – znalezienie najkrótszej trasy, jaka trzeba przebyć w drodze komiwojażera” z punktu A z powrotem do punktu A, poprzez wszystkie punkty znajdujące się na zadanym obszarze. W prezentacji D-Wave przytoczono właśnie ten problem, z użyciem konkretnych danych na obliczenie trasy komiwojażera dla liczącej konkretnych danych miejscowości Szwecji dobry współczesny PC potrzebowałby około 85 lat. W praktycznych pokazach Orion realizował zadania mniej skomplikowane. Ułożył plan miejsc na przyjęciu weselnym (ze skomplikowanymi - uwarunkowaniami „kto koło kogo”) oraz ułożył prymitywne puzzle.

23 Komputer kwantowy – zastosowanie w kryptografiiAlgorytm Shora, który ma ogromne i coraz bardziej znaczenie w kryptografii. Pozwala na błyskawiczne odtworzenie klucza prywatnego używanego w powszechnie wykorzystywanym algorytmie szyfrowania RSA, który jest obecnie nawet przez superkomputery nie do złamania. Kwantowy algorytm Shora – algorytm kwantowy umożliwiający rozkład na czynniki pierwsze liczby naturalnej N w czasie T. Klucz publiczny w RSA jest iloczynem dwóch dużych liczb pierwszych.

24 Teraźniejszość Najnowsze informacje na temat przekuwania idei w komputery służące do praktycznego stosowania to wspólny zakup Google i NASA najszybszego z istniejących komputerów kwantowych zbudowanego w firmie D-Wave System. Dwa lata wcześniej firma ta sprzedała podobny komputer poprzedniej generacji firmie Lockheed Martin.

25 Teraźniejszość Zbliżamy się do granic możliwości maszyn klasycznych. Według badaczy, przy optymistycznych założeniach średni czas rozwiązania problemu o 2048 zmiennych wzrasta z milisekund do minut, a dla 4096 zmiennych z minut do miesięcy Obecnie można jedynie powiedzieć, że dla problemów o przeciętnym poziomie trudności kwantowe przetwarzania dorównywało wysoce zoptymalizowanym algorytmom przetwarzania klasycznego, uruchamianym na 8-rdzeniowym Xeonie E i było kilkukrotnie wolniejsze od algorytmów tych uruchomionych na procesorze graficznym Nvidii K20X (Kepler).

26

27 Prawda o maszynach D-Wave: tak, to komputery kwantowe, ale nie takie jakich się obawialiścieD-Wave One jest komputerem kwantowym, a nie klasyczną maszyną przebraną w „kwantowe szaty” z marketingowych powodów. Jednocześnie jednak nie jest to taki kwantowy komputer, o którym fantazjują zajmujący się kryptografią matematycy. Efekt kwantowego wyżarzania, wykorzystywany przez maszyny D-Wave, ma tylko ograniczone zastosowania, i nawet nie do końca wiadomo, czy może on być bardziej efektywny w tych zastosowaniach niż komputery klasyczne.

28 LITERATURA DOTYCZĄCA KOMPUTERÓW KWANTOWYCHBiałas i inni, Klasyczne i kwantowe metody podniesienia bezpieczeństwa informacji w systemach komputerowych, Ch. C. Gerry, P. L. Knight, Wstęp do optyki kwantowej M. Le Bellac, Wstęp do informatyki kwantowej.

29 The Quantum Computing Era Has Begun.A CO BĘDZIE DALEJ ? Welcome to the Future The Quantum Computing Era Has Begun.

30

31 Neuron Podstawowa jednostka strukturalna i czynnościowa układu nerwowego wykazująca zdolność wytwarzania i przewodzenia impulsów nerwowych. Składa się z dendrytu (wypustki z ciała komórki), ciała komórki (części neuronu zawierającej jądro) i neurytu (długiej wypustki komórki nerwowej przewodzącej bodźce nerwowe). Neurony dzielimy na: czuciowe (sensoryczne), ruchowe (motoryczne) i kojarzeniowe (asocjacyjne).

32 Komputer neuronowy Komputery, które nie tylko szacują, analizują, dopasowują i decydują, ale są także zdolne do samodzielnej nauki stanowią wizję badaczy z Instytutu Nauk Teoretycznych, będącego częścią austriackiego Uniwersytetu w Grazu. Zespół, który przez trzy lata koordynował finansowany przez Unię Europejską projekt badania sieci neuronowych - „Brain-i-Nets” stał się częścią nowej inicjatywy. Inicjatywy, w ramach której naukowcy skonstruują nowej generacji neurokomputer oparty w bliższym niż do tej pory stopniu o mechanizmy podobne do tych, z jakimi działa ludzki mózg. Projekt ma pozwolić na lepsze i bardziej kompleksowe zrozumienie podstaw zjawisk zachodzących w ludzkim mózgu podczas procesów myślowych, oraz na odtworzenie tych mechanizmów w postaci sztucznego systemu neuronowego. Koszty projektu zostaną pokryte przez Unię Europejską w ramach programu FET (Future Emerging Technologies”.

33 Akson, neuryt, włókno osiowe (nerwowe), wypustka neuronu, zwykle długa (od kilku mikrometrów do ponad 1 m), przez którą przewodzone są i przekazywane dalszym komórkom impulsy nerwowe. Pęczek tysięcy aksonów tworzy nerw. Synapsa – miejsce komunikacji błony kończącej akson z błoną komórkową drugiej komórki - nerwowej lub komórki efektora (narządu wykonawczego), np. mięśni lub gruczołu. Impuls nerwowy zostaje przeniesiony z jednej komórki na drugą przy udziale substancji o charakterze neuroprzekaźnika (zwanego czasem neurohormonem) –

34

35 Pytania do powtórzeniaZastosowanie ICT w poszczególnych fazach zarzadzania. Podstawowe fazy rozwoju ICT. Jak dokonuje się przekaz informacji w komputerze? Przedstaw budowę komputera personalnego i na schemacie określ jego podstawowe elementy i zadania. Scharakteryzuj podstawowe urządzenia zewnętrzne. Rola smartfonu w gospodarce. Zasady działania komputera kwantowego. Porównaj komputer binarny i kwantowy. Jaka jest rola infrastruktury informatycznej w zarządzaniu, teraz i w przyszłości (przedstaw swoja opinie w postaci o literaturę, mass media)

36 Pytania Komentarze