Кіріспе

Барлық процестер уақыт бойынша қайтымды есептеу моделі. Қайтымды есептеу – есептеу процесі белгілі бір деңгейде уақыт бойынша қайтымды болатын кез келген есептеу моделі. Абстрактілі машинаның бір күйінен екінші күйге детерминистік өтулерді пайдаланатын есептеу моделінде, қайтымдылықтың қажетті шарты – күйлер мен олардың нәтижелері арасындағы байланыс бір-бірге сәйкес болуы керек. Қайтымды есептеу – бұл дәстүрден тыс есептеудің бір түрі. Кванттық механиканың унитарлығына байланысты, кванттық тізбектер, олар жұмыс істейтін кванттық күйлерді «бұзбағанда», қайтымды болады.

Қайта қалпына келтіру мүмкіндігі

Осы мақсатта ерекше қызығушылық тудыратын екі негізгі, өзара тығыз байланысты кері айналу түрі бар: физикалық кері айналу және логикалық кері айналу. Егер процесс физикалық энтропияның артуына әкелмесе, ол физикалық тұрғыдан кері айналатын болып саналады; ол изоэнтропиялық. Бұл қасиетті идеалды түрде көрсететін схема дизайнының стилі зарядты қалпына келтіру логикасы, адиабатикалық схемалар немесе адиабатикалық есептеулер деп аталады (Адиабатикалық процеске қараңыз). Іс жүзінде, ешқандай стационарлық емес физикалық процесс толыққанды физикалық кері айналуға немесе изоэнтропиялық болуға жете алмайды. Алайда, жүйе эволюциясын сипаттайтын физика заңдары дәл белгілі болғанда, белгісіз сыртқы ортамен өзара әрекеттесуден жеткілікті оқшауланған жүйелерде, кемелді кері айналуға қаншалықты жақындаса болады, оған белгілі шек жоқ. Кері есептеуді іске асыруға бағытталған технологияларды зерттеудің себебі – олар компьютерлердің есептеулік энергия тиімділігін (яғни, бірлік энергияға жұмсалатын пайдалы операциялардың санын) жақсартудың жалғыз мүмкін жолы деп есептеледі. Ландауэр лимиті 2000-ші жылдары компьютерлердің энергия тұтынуынан миллион есе төмен болса, 2010-шы жылдары мың есе аз болды. Дегенмен, кері есептеуді қолдайтындар мұның негізінен архитектуралық қосымша шығындарға байланысты болуы мүмкін дейді, олар Ландауэр лимитінің әсерін практикалық схемалардың жобаларында тиімді түрде арттырады. Сондықтан, кері есептеу принциптері қолданылмаса, практикалық технологияның қазіргі энергия тиімділігі деңгейінен айтарлықтай жоғары деңгейге жетуі қиын болуы мүмкін.

Термодинамикаға қатысты

IBM-де жұмыс істеген кезде Рольф Ландауэр алғаш айтқандай, есептеу процесі физикалық тұрғыдан қайтымды болуы үшін, ол логикалық тұрғыдан да қайтымды болуы тиіс. Ландауэр принципі – белгілі ақпараттың n битін еске түсірмей жою, термодинамикалық энтропияда әрқашан nkT ln(2) мөлшерінде шығынға алып келеді деген тұжырым. Дискретті, детерминистік есептеу процесі, егер ескі есептеу күйлерін жаңа күйлерге бейнелейтін өту функциясы бір-бірге сәйкес келетін функция болса, логикалық тұрғыдан қайтымды деп есептеледі; яғни, шығыс логикалық күйлер есептеу операциясының кіріс логикалық күйлерін бірегей анықтайды. Егер есептеу процесі детерминистік емес болса (яғни, ықтималдыққа немесе кездейсоқтыққа негізделген), ескі және жаңа күйлер арасындағы байланыс бір мәнді функция болмайды, ал физикалық қайтымдылықты қамтамасыз ету үшін қажетті талап сәл жұмсақ жағдайға айналады, атап айтқанда, есептеу процесі алға жылдамдағанда, бастапқы есептеу күйлерінің берілген жиынтығының мөлшері орташа есеппен кемімейді.

Физикалық қайта қалпына келтіру

Ландауэр принципі (әрине, термодинамиканың екінші заңы) физиканың негізгі қайтымдылығының тікелей логикалық салдары ретінде де түсіндірілуі мүмкін, бұл механиканың жалпы Гамильтондық формуласында және кванттық механиканың бірлік уақыт эволюциясы операторында көрінеді. Қайтымды есептеуді іске асыру – бұл механизмдердің физикалық динамикасын сипаттау және басқаруды үйрену, қажетті есептеу операцияларын осы деңгейде дәл орындау, сонда тәжірибе механизмнің толық физикалық күйіне қатысты өте аз белгісіздік жинақтайды, әрбір логикалық операция орындалғанда. Басқаша айтқанда, машина ішінде есептеу операцияларын жүргізуге қатысатын белсенді энергияның күйін дәл қадағалап, машинаны осы энергияның көп бөлігін жылу ретінде таратудың орнына, кейінгі операциялар үшін қайта пайдалануға болатын ұйымдастырылған түрде қалпына келтіретіндей етіп жасау керек. Бұл мақсатқа жету есептеу үшін жоғары дәлдікті қажет ететін жаңа физикалық механизмдерді жобалау, өндіру және сипаттау үшін үлкен қиындық туғызса да, қазіргі уақытта бұл мақсатқа қол жеткізуге болмайды деп ойлауға ешқандай негіз жоқ, бір күні 1 биттен кем физикалық энтропия (және жылуға kT ln 2 энергиядан кем) өндіретін компьютерлерді жасауға мүмкіндік береді, олар ішкі түрде пайдалы логикалық операцияларды орындайды. Бүгінде бұл салада кең көлемде ғылыми әдебиет бар. Физиктер, электр инженерлері және компьютерлік ғалымдар әртүрлі қайтымды құрылғылар, логикалық қақпалар, электрондық схемалар, процессор архитектуралары, бағдарламалау тілдері және қолданбалы алгоритмдерді жобалап, талдады. Бұл зерттеу саласы жоғары сапалы, тиімді және дерлік қайтымды логикалық құрылғы технологиясын егжей-тегжейлі әзірлеуді күтеді, бұл технология энергияны тиімді сақтайтын және синхрондау механизмдерін қамтиды немесе асинхронды дизайн арқылы олардың қажеттілігін жояды. Мұндай инженерлік прогресс қажет, алдымен қайтымды есептеу бойынша теориялық зерттеулердің үлкен көлемі нақты компьютерлік технологияның энергия тиімділігіне кедергі келтіретін жақын мерзімді кедергілерді, соның ішінде фон Нейман-Ландауэр шегін жеңу үшін практикалық қолдану таба алады. Бұл тек термодинамиканың екінші заңына сәйкес логикалық түрде қайтымды есептеуді қолдану арқылы ғана мүмкін.

Логикалық қайта қалпына келтіру

Есептеу операциясының логикалық түрде қайтымды болуы операцияның шығысын (немесе соңғы күйін) кірістен (немесе бастапқы күйден) және керісінше есептеуге болатындығын білдіреді. Қайтымды функциялар биективті болады. Бұл, кері бұрылатын қақпалар (және тізбектер, яғни бірнеше қақпалардың құрамы) әдетте кіріс биттерінің санына тең шығыс биттеріне ие болады (барлық кіріс биттері операциямен тұтынылады және барлық кіріс/шығыс күйлері мүмкін болған жағдайда). Инвертор (ЖОҚ) қақпасы логикалық түрде қайтымды, себебі оны кері қайтаруға болады. Дегенмен, ЖОҚ қақпасы оның іске асырылуына байланысты физикалық түрде қайтымсыз болуы мүмкін. Эксклюзивті ОР (XOR) қақпасы қайтымсыз, өйткені оның екі кірісін оның бір шығысынан бірмәнді анықтауға болмайды, немесе басқаша айтқанда, ақпараттың жойылуы қайтымсыз. Алайда, XOR қақпасының қайтымды нұсқасы – бақыланатын ЖОҚ қақпасы (CNOT) – кірістердің біреуін 2-ші шығыс ретінде сақтап, анықталуы мүмкін. CNOT қақпасының үш кіріс нұсқасы Тоффоли қақпасы деп аталады. Ол a, b екі кірісін сақтайды және үшінші c кірісін алмастырады, бұл АНД функциясын береді, ал бұл ЖОҚ функциясын береді. АНД және ЖОҚ бірге толық функционалды жиынтық болғандықтан, Тоффоли қақпасы әмбебап және жеткілікті бастапқы анцилла биттері берілген жағдайда кез келген Буль функциясын жүзеге асыра алады. Сол сияқты, Тьюринг машинасының есептеу моделінде қайтымды Тьюринг машинасы – бұл ауысу функциясы қайтымды машина, сондықтан әрбір машина күйінде тек бір алдыңғы күй болады. Ив Лесерф 1963 жылы жариялаған мақаласында қайтымды Тьюринг машинасының тұжырымын ұсынды, бірақ Ландауэр принципін білмегендей, осы тақырыпты одан әрі дамытпады, өмірінің қалған бөлігін этнолингвистикаға арнады. 1973 жылы IBM Research-те Чарльз Х. Беннетт универсалды Тьюринг машинасының логикалық және термодинамикалық тұрғыдан қайтымды ете алатындығын көрсетті, сондықтан жеткілікті баяу жұмыс істесе, физикалық энергияның бірлігіне шаққанда кез келген үлкен есептеу қадамдарын орындауға қабілетті. Термодинамикалық тұрғыдан қайтымды компьютерлер пайдалы жылдамдықпен пайдалы есептеулерді орындай алады, сонымен бірге логикалық қадамға kT-дан әлдеқайда аз энергия жұмсайды. 1982 жылы Эдвард Фредкин және Томмазо Тоффоли бильярд доптарын қолданатын компьютерді ұсынды, бұл классикалық қатты сфераларды пайдаланып, нөлдік шығындармен шекті жылдамдықпен қайтымды есептеулерді жүзеге асыру механизмі, бірақ доптардың траекториясының мінсіз сәйкестігін қажет етеді, ал Беннеттің шолуы осы «Броундық» және «баллистикалық» қайтымды есептеу парадигмаларын салыстырды. Энергияны тиімді пайдалану мотивациясынан басқа, қайтымды логикалық қақпалар криптография және компьютерлік графикада биттерді өңдеу түрлендірулерінің практикалық жақсартуларын ұсынды. 1980 жылдардан бері қайтымды тізбектер кванттық алгоритмдердің құрамдас бөліктері ретінде қызығушылық тудырды, ал соңғы кезде фотоникалық және нанокомпьютерлік технологияларда кейбір коммутациялық құрылғылар сигнал күшейтуді ұсынбайды. Қайтымды тізбектерді зерттеу, оларды құру және оңтайландыру, сондай-ақ соңғы зерттеулерге шолулар қолжетімді.