Квантовий процесор

Квантовий процесор, який містить лазерне джерело світла, оптично зв'язане з вхідним формувачем двомірного масиву інформації, блок опе Винахід відноситься до мікроелектронної обчислювальної техніки і може бути використаний в системах обробки інформації за допомогою напівпровідникових квантово-розмірних гетероструктур Відомий ОПТИЧНИЙ квантовий процесор, описаний в [Н John Caulfield -Optical computing benefits from quantum mechanics - Laser Focus World - 1995, - №5 p 181-184] Він містить лазерне джерело світла, оптично зв'язане з вхідним формувачем двомірного масиву інформації, вихід якого з'єднаний через Фур'є-перетворюючу лінзу з операційним елементом, вихід якого з'єднаний з входом вихідного формувача двомірного масиву інформації Спільними ознаками аналога та пристрою, що заявляється є наявність лазеру, вхідного формувача двомірного масиву інформації та вихідного формувача двомірного масиву інформації Причиною, що перешкоджає досягненню поставленої задачі є те, що в аналозі, через великі габарити Фур'є-перетворюючої оптичної лінзи, зумовленої наявністю дискретних оптичних лінзових елементів, що складають кілька довжин хвиль світла, не можуть виконуватись обчислювальні операції в широкому функціональному діапазоні рацшної системи, вихід якого звязании з входом вихідного формувача двомірного масиву інформації, блок оптоелектронного перетворення масиву інформації та блок квантової обробки електронних зображень, який відрізняється тим, що блок квантової обробки електронних зображень виконаний як матрична структура приладу з зарядовим зв'язком (ПЗЗ), а блок оптоелектронного перетворення масиву інформації - як багатошарова напівпровідникова структура, розташована на поверхні матричної структури ПЗЗ, причому вхід блока оптоелектронного перетворення масиву інформації з'єднаний з виходом вхідного формувача двомірного масиву інформації, а вихід з'єднаний з входом блока квантової обробки електронних зображень, вихід якого з'єднаний з блоком операційної системи Відомий квантовий процесор (патент України №99010419, 1999), що містить лазерне джерело світла, оптично зв'язане а вхідним формувачем двомірного масиву інформації, вихід якого оптично зв'язаний із входом компресора електронного зображення, вихід якого зв'язаний з операційним елементом, вихід якого зв'язаний із входом декомпресора електронного зображення, вихід якого з'єднаний із входом вихідного формувача двомірного масиву інформації Операційна система виконана в багатошаровій структурі варіазонних напівпровідників Спільними ознаками аналога та пристрою, що заявляється є наявність лазеру, вхідного формувача двомірного масиву інформації та вихідного формувача двомірного масиву інформації Причиною, що перешкоджає досягненню поставленої задачі є те, що в аналозі операційна система має функціональну обмеженість та вузький спектр обчислювальних операцій при обробці зображень Найбільш близьким технічним рішенням по сукупності співпадаючих елементів до пристрою, що пропонується є напівпровідниковий мезаструктурний оптичний процесор [Європейський патент №409478,1990р ], що містить лазер, оптично зв'язаний з вхідним формувачем двомірного ма О ю 00 ю 57825 сиву інформації, вихід якого з'єднаний з операційною системою, вихід якої з'єднаний з входом вихідного формувача двомірного масиву інформації Операційна система має мультиплетну структуру із 200 квантових ям В бокові поверхні вказаної структури вводяться домішки, що підвищують швидкість оптичного переключення пристрою Спільними ознаками прототипу та пристрою, що пропонується є наявність лазерного джерела світла, вхідного формувача двомірного масиву інформації та вихідного формувача двомірного масиву інформації Причиною, що перешкоджає досягненню поставленої задачі є те, що в прототипі операційна система, яка містить мультиплетну структуру з множиною квантових ям, не дозволяє проводити обробку зображень в широкому функціональному діапазоні та з великою швидкістю В основу винаходу поставлена задача створити такий квантовий процесор, який дозволяє проводити квантову обробку двомірних масивів інформації в багатошарових структурах напівпровідників, що дозволить суттєво розширити функціональні можливості процесора, що пропонується Розв'язання поставленої задачі досягається тим, що, в квантовому процесорі, який пропонується, міститься лазерне джерело світла, оптично зв'язане з вхідним формувачем двомірного масиву інформації, операційна система, вихід якої з'єднаний з входом вихідного формувача двомірного масиву інформації та додатково вводиться блок оптоелектронного перетворення масиву інформації та блок квантової обробки електронних зображень, причому вхід блоку оптоелектронного перетворення масиву інформації з'єднаний з виходом вхідного формувача двомірного масиву інформації, а вихід з'єднаний із входом блоку квантової обробки електронних зображень, вихід якого з'єднаний з операційною системою На Фіг 2 показано принцип обробки електронних зображень Структурна схема квантового процесора (Фіг1) містить лазерне джерело світла 1, вихід якого оптично зв'язаний з вхідним формувачем двомірного масиву інформації 2, вихід якого зв'язаний із входом блоку оптоелектронного перетворення масиву інформації 3, який з'єднаний з входом блоку квантової обробки електронних зображень 4, вихід якого з'єднаний з операційною системою 5, вихід якої з'єднаний з вихідним формувачем двомірного масиву інформації 6 Як видно із Фіг 1 за допомогою лазерного джерела світла 1 активізується задане інформаційне поле у вхідному формувачі двомірного масиву інформації 2 та подається на обробку на вхід блоку оптоелектронного перетворення масиву інформації 3, який з'єднаний з блоком квантової обробки електронних зображень (Фіг 2), що містить інжектор електронних зарядових хвиль 7, напівпровідник 8, діафрагму 9 - джерело вторинних електронних хвиль, управляючу дифракційну гратку (динамічний транспарант) Юта матричний приймач на основі структур з зарядовим зв'язком 11 Ці ВІДМІННІ ознаки квантового процесора, що пропонується, а саме, наявність блоку оптоелектронного перетворення масиву інформації та блоку квантової обробки електронних зображень, який побудований на основі періодичних напівпровідникових квантово-розмірних гетероструктур дозволяють суттєво розширити функціональні можливості квантового процесора, що заявляється, в порівнянні з прототипом за рахунок того, що в блоці квантової обробки електронних зображень проводяться квантові обчислювання над двомірним масивом інформації Введення в квантовий процесор, що пропонується, вказаних блоків суттєво знижує енергетичні затрати при обробці одиниці інформації, оскільки остання проходить в дуже малих об'ємах речовини та дозволяє проводити квантові обчислювальні операції, наприклад квантове перетворення Фур'є, що значно збільшує швидкість обробки інформації та дозволяє проводити и за квантовими алгоритмами Плоскі фронти зарядових хвиль при своєму русі вздовж напівпровідника падають на діафрагму 9 і дифракційну гратку 10, які є джерелами вторинних зарядових хвиль Діафрагма 9 випромінює сферичні зарядові хвилі 13 Дифракційна гратка 10, що будується на основі напівпровідникових квантово-розмірних структур, є динамічним квантово-розмірним транспарантом На неї подається модулюючий відеосигнал від генератора електронних зображень 14 Тактові частоти відеосигналу і інжектора зарядів однакові Зарядові хвилі дифрагують на гратці 10 у вигляді конічного променя 8, причому кожній точці електронно-оптичного зображення буде відповідати своя дифракційна хвиля Зарядові хвильові промені 13 і 15 є когерентними і штерферують між собою в площині матричного приймача на основі структур з зарядовим зв'язком 11 Інтерференційна картина у ВІДПОВІДНОСТІ з наявними даними є спектром /або зображенням/ Фур'є для вхідної інформації, що аналізується На Фіг 1 представлена структурна схема квантового процесора Квантова обробка електронних зображень проходить наступним чином Генератор електричних зарядів (інжектор) 7 інжектує з частотою f заряди в напівпровідник 8 Інжектовані заряди повинні бути для напівпровідника неосновними носіями Під ДІЄЮ незначного електричного поля Е, що повинно бути в напівпровіднику, вказані заряди (наприклад, електрони) дрейфують вздовж напівпровідника у вигляді повздовжніх зарядових хвиль 12 з довжиною A,=v/f При орієнтовних значеннях величин v=105см/с, f=109Гц маємо Я,=104см Змінюючи V І f В потрібних межах шляхом зміни електричного поля Е і частоти інжекції неосновних носив , ми можемо регулювати довжину хвилі X Для типових напівпровідників (Ge, Si, GaAs і т п) довжина зарядової хвилі може змінюватись в межах від одиниць до кількох десятків мікрометрів 57825 Матричні приймачі на основі напівпровідникових структур з зарядовим зв'язком повинні мати пам'ять тривалістю, що дорівнює часу генерації відеосигналу від всього зображення Слід відзначити, що роздільна здатність матричного приймача на основі структур з зарядовим зв'язком повинна відповідати роздільній здатності Фур'є зображення, бо інакше матиме місце втрата інформації Подальша обробка і аналіз Фур'є - зображення можуть бути виконані за допомогою ВІДПОВІДНОГО електронного пристрою 16, тобто інформація поступає на вихідний формувач двомірного масиву оптичної інформації 14 Розпізнавання образів зводиться до виділення з суми корисної та сторонньої компоненти, яку містить вхідний сигнал лише корисної його частини При збігу образів селективний детектор на виході зареєструє великий світловий сигнал, тоді як при відсутності образу, що розпізнається, величина сигналу буде малою Введення електронної ланки квантових обчислювань у відомий когерентний оптичний процесор суттєво знижує енергетичні затрати на обробку одного біту інформації, оскільки перетворення проходять в дуже малих об'ємах речовини за допомогою низькоенергетичних електронів, Енергетичні затрати можна співставити з енергетикою транзисторних мікропроцесорів з нанометровими розмірами елементів Сучасний рівень нанотехнолопй одержання електронних компонентів для обчислювальної техніки дозволяє розробити та виготовити оптоелектронний квантовий процесор, що заявляється Вхідний фср/узач двоуірнсїго масиву інформації 9 Комп'ютерна верстка Т Чепелєва ІЗ Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна