Del Bit Al Qubit
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
2011 TFC Computadors: del bit al qubit Desenvolupament dels computadors electrònics des dels seus orígens. Francesc Guim Bernat (Tutor) Josep Torras Font (ETIS) 04/04/2011 Índex • Portada......................................................................................................................................1 • Índex..........................................................................................................................................2 1. Motivació..................................................................................................................................5 2. Objectius....................................................................................................................................6 3. Resultats....................................................................................................................................7 4. Organització del document....................................................................................................7 5. Introducció................................................................................................................................8 6. Desenvolupament dels computadors electrònics...............................................................9 7. Primera generació .................................................................................................................10 7.1 Vàlvules, resistències i condensadors........................................................................10 7.1.1 Com funciona una vàlvula.................................................................................11 7.1.2 Que és una resistència.........................................................................................13 7.1.3 Que és un condensador......................................................................................14 7.2 Computadors de la primera generació.......................................................................15 7.3 Fi de la primera generació............................................................................................16 8. Segona generació...................................................................................................................16 8.1 Que és un transistor......................................................................................................17 8.2 Que és la memòria de ferrita........................................................................................19 8.3 Màquines a la segona generació...................................................................................21 8.4 Fi de la segona generació...............................................................................................23 9. Tercera generació..................................................................................................................23 9.1 Portes lògiques............................................................................................................24 9.1.2 Com funciona un circuit sumador i un multiplicador....................................25 9.2 Circuits Integrats...........................................................................................................29 9.3 Visió d’aquesta generació.............................................................................................34 9.4 Fi de la tercera generació .............................................................................................35 10. Quarta generació ................................................................................................................35 10.1 El microprocessador ...................................................................................................35 10.2 Tipus de màquines......................................................................................................39 10.3 Final de la quarta generació ......................................................................................40 11. Cinquena generació ...........................................................................................................40 11.1 Tecnologia en aquesta generació...............................................................................41 12. Sisena generació..................................................................................................................42 12.1 Avanços de les dues últimes dècades.......................................................................48 13. Visió general del desenvolupament dels sistemes operatius..........................48 14.1 Dispositius mòbils: evolució...............................................................................50 14.2 Sistemes operatius que donen suport en els dispositius mòbils....................52 15. Alternatives tecnològiques per a nous computadors........................................53 16. Breu introducció a la computació quàntica........................................................54 16.1 Qubit, portes i xarxes.....................................................................................60 16.1.1 Qubit.....................................................................................................60 16.1.2 Portes lògiques i xarxes.......................................................................61 16.2 Aritmètica quàntica i avaluació de funcions..............................................65 16.3 Algorismes i la seva complexitat..................................................................68 16.4 Des de interferòmetres a computadors.......................................................71 16.5 Els primers algorismes quàntics...................................................................75 16.6 Cerca quàntica.................................................................................................77 16.7 Estimació òptima de la fase...........................................................................79 16.8 Periodicitat i factorització quàntica..............................................................80 16.9 La dinàmica quàntica condicional................................................................82 16.10 Decoherència i recoherència..........................................................................83 • Annex I...................................................................................................................................97 • Annex II................................................................................................................................104 • Annex III...............................................................................................................................108 • Annex IV................................................................................................................................124 • Annex V.................................................................................................................................125 • Annex VI................................................................................................................................127 1. Motivació A principis de la dècada dels 50 del passat segle, es va construir el primer computador completament electrònic i que estava construït amb vàlvules de buit. La seva capacitat de càlcul, les seves dimensions i els costos tant de construcció com de manteniment varen ser enormes. Des d’aquella època fins els nostres dies, l’evolució dels computadors ha estat molt gran. De fet, ha estat en el transcurs de les dues últimes dècades quan aquesta evolució ha experimentat un avanç brutal i que ha originat un canvi en els hàbits de relació, treball, lleure, etc. de gran part de la societat. Aquesta evolució s’ha donat gràcies els avenços tecnològics en àrees tècniques de diverses branques de la física que han fet possible el desenvolupament de circuits cada cop més densos, és a dir han aconseguit introduir més circuits en una mateixa superfície. A mitjà termini però, ja s’entreveu que s’arribarà al límit del nivell de densitat d’integració degut a que les minses dimensions dels components integrats ja superaran la barrera de la física tradicional (o diguem-ne Newtoniana) per passar a obeir les lleis de la física quàntica. Com a conseqüència, els circuits deixen de funcionar amb la lògica preestablerta esdevenint inservibles. La única possibilitat de millorar les prestacions dels microprocessadors per tal d’aconseguir cotes més elevades d’execució d’instruccions en un temps més reduït consisteix en afegir nuclis. Això llògicament comporta un augment d’espai i de consum. De moment és la única sortida que actualment veiem quan arribi aquest moment però això pot canviar molt probablement en el transcurs aproximadament d’una dècada. En l’actualitat i encara a nivell experimental s’està avançant en un nou tipus de “processador” que està basat amb la mecànica quàntica. Primer i ja fa uns anys es va dissenyar a nivell teòric i més tard es va començar a experimentar a nivell de laboratori. És tracta d’un concepte completament nou, molt complex però amb una potència incomparable amb el circuits que estem usant actualment. Veritablement, en el moment que estigui enllestit i sigui possible extendre’l en el seu ús com ho són ara els actuals computadors, és previsible que generin un gran impacta social degut a que es podran accelerar molts processos en un ventall de camps multidisciplinaris ampli anticipant resultats previstos a anys vista. Això provocarà un canvi en la visió general del món que ens