NOVÉ TRENDY VE VÝVOJI HARDWARU POČÍTAČŮ

24.09.1999 | Odborné konference

new trends in hardware computers development

Arnošt Veselý

Adresa autora:

Arnošt Veselý, Katedra informačního inženýrství, Provozně-ekonomická fakulta, Česká zemědělská univerzita, Praha 6 - Suchdol

Anotace:

Článek popisuje nové trendy ve vývoji hardwaru počítačů a jejich architektury. Zvláštní pozornost je věnována kvantovým počítačům, jejichž problematika je v posledních letech intensivně studována v mnoha universitních výzkumných laboratořích.

Summary:

In the article last substantial innovations in hardware of computers and computer architecture are discussed. Special attention is payed to the quantum computers. In the last years the quantum computers are very intensively studied in many research university laboratories.

Klíčová slova:

hardware, architektura počítače, křemíko-germaniová technologie, holografická paměť, Josephsonův obvod, SQUID, kvantový počítač, inovace v oblasti hardwaru a architektury počítačů

Key words:

hardware, computer architecture, silicon-germanium technology, holograpfic memory, Josephson´s circuit, SQUID, quantum computer, hardware and computer architecture innovations

Od počátku éry počítačů se konstruktéři snaží navrhovat stále rychlejší, výkonnější, spolehlivější a menší počítače. Tento trend trvá doposud. Ke splnění tohoto cíle lze přistoupit v podstatě dvěmi způsoby:

1. Zdokonalit prvky stávající architektury, to jest počítač konstruovat z výkonnějších prvků.

2. Zdokonalit architekturu počítače, případně použít jinou než klasickou Von Neumannovu architekturu.

Probereme nejdříve první možný přístup. Lze sem zařadit následující konstrukční inovace:

1. Zmenšení transistorů

2. Použití jiného krystalu než křemíku.

3. Použití Josephsonových obvodů místo transistorů

4. Použití obvodů SQUID místo transistorů

5. Použití optických prvků

1. Zmenšení transistorů

Současné elementární funkční prvky počítačové architektury jsou integrované obvody obsahující řádově až 6 milionů transistorů MOSFET. Některé rychlejší obvody menší integrace místo MOSFET transistorů používají bipolární transistory.

Současná standardní technologie je technologie CMOS. Tato technologie spočívá v tom, že při vytváření hradel se kombinují MOSFET transistory s kanálem P s MOSFET transistory s kanálem N tak, aby přes transistory obvodu tekly pouze velmi malé zbytkové proudy. Takový obvod má velmi malou spotřebu. Malá spotřeba znamená i malý vývin tepla uvnitř obvodu a proto tyto obvody mohou dosáhnout velmi velké integrace.

Bipolární transistory tvoří základ obvodů konstruovaných technologií TTL. Touto technologií nelze dosáhnout tak vysoké integrace jako s obvody CMOS. Obvody s technologií TTL jsou ale rychlejší.

Po celou dobu vývoje počítačů se zmenšuje velikost transistorů umístěných na čipu. Má to dva efekty. Za prvé na čip lze umístit více transistorů a tedy i složitější obvody (např. větší paměť nebo dokonalejší mikroprocesor). Navíc menší transistory mají kratší spínací dobu, tj. digitální obvody, konstruované z těchto transistorů, jsou rychlejší. Zvýšení rychlosti obvodu je proto druhým závažným důvodem, proč konstruktéři velikost transistorů na čipech stále zmenšují.

To, jaké minimální velikosti transistoru lze dosáhnout, záleží na použité technologii výroby integrovaného obvodu. Integrované obvody se vyrábějí fotografickou litografií. Krystal křemíku se nejdříve pokryje vrstvou fotoresistu. Pak se na tuto vrstvu promítne obrázek některých částí transistorové struktury, která má být na čipu vytvořena. V místech, kde je fotoresist osvícen, se změní jeho odolnost vůči rozpouštědlu a promítnutý obrázek může být pak ponořením do rozpouštědla ”vyvolán”. V místech, kde byl fotoresist odtraněn, lze povrch krystalu leptat, dotovat příměsí akceptoru nebo donoru nebo pokrýt vodivou vrstvou. Litografický proces se opakuje několikrát. Na jednom krystalu se tak vytvoří řádově stovka identických obvodů. Pak se krystal rozřeže, jednotlivé obvody se umístí do plastového nebo keramického pourdra a nožičky pouzdra se spojí jemným drátkem s odpovídajícími vstupy a výstupy na čipu. Minimální dosažitelná velikost transistoru záleží především na přesnosti, s jakou lze obrázek obvodu na krystal promítnout. Tato přesnost je obvykle charakterizována minimální šířkou čáry, kterou lze při promítnutí obrazu obvodu dosáhnout. Současná špičková technologie umožňuje dosáhnout minimální šířku čáry 0.35 m . Aby bylo možné takto tenké čáry získat, nelze při promítání použít viditelné světlo, protože má příliš velkou vlnovou délku. Používá se proto ultrafialové světlo s vlnovou délkou 365 nm . ( Dříve se používalo se viditené světlo o vlnové délce 465 nm .)

Jednou z cest, jak získat rychlejší integrované obvody, je použít při fotolitografii elektromagnetické záření s kratší délkou než je ultrafialové světlo. V úvahu připadá použít roentgenových paprsků. Tímto způsobem je možné dosáhnout čáry se šířkou 0.18 m . Protože transistor je v podstatě plošná struktura, sníží se jeho velikost přibližně čtyřikrát. Čtyřikrát tedy vzroste stupeň integrace a ukazuje se, že zhruba čtyřikrát vzroste také rychlost obvodu. Pokud odhadneme, že mezní hodnota dnešní technologie je asi 1 GHz , bude možno provozovat integrované obvody vyrobené novou technologií asi na 4 GHz. Fotolitografická zařízení, která pracují s roentgenovými paprsky se vyvíjejí. Hlavní problém, se kterým se konstruktéři potýkají, je konstrukce optického systému.

Pokud bychom chtěli konstruovat ještě rychlejší obvody, bylo by nutné dále snížit šířku čáry. Konstruktéři za tímto účelem navrhují použít pro litografický proces úzký svazek elektronů z urychlovače. Jaké minimální šířky čáry by bylo možné touto technologií dosáhnout není zatím jasné. Je ale třeba zdůraznit, že tato technologie by byla velmi drahá a stěží by se dala použít pro komerčně vyráběné integrované obvody. Při této technologii by elektronový paprsek musel totiž vykreslovat celý obrázek postupně (obrázek by nebylo možné promítnout na povrch krystalu najednou). Vzhledem k tom, že složitější obvody mají až miliony transistorů, trvalo by vykreslování obrázku velkou dobu a velmi nákladné zařízení by dokázalo produkovat jen poměrně málo obvodů. Proto lze předpokládat, že tuto technologii by bylo možno použít jen pro výrobu unikátních čipů určených pro vědecký výzkum nebo pro vojenské účely. Kromě toho transistory nelze zmenšovat do nekonečna. Fyzikální model ukazuje, že transistor nemůže mít jednotlivé prvky menší než 0.03 m .Transistor s tak malými prvky v důsledku kvantového tunelovému jevu přestane pracovat. Nelze proto použít technologii, která by měla šířku čáry menší než 0.03 m , i kdyby taková technologie byla k dispozici. Pokud bychom se odvážili extrapolace, pak obvody, které by byly vyrobeny technologií s šířkou čáry 0.03 m , by mohly pracovat maximálně na frekvenci zhruba 140 GHz.

2. Použití jiného krystalu než křemíku.

Již delší dobu je známo, že rychlejší obvody lze získat tak, že místo krystalu křemíku použijeme krystal GaAs. Pro výrobu těchto obvodů nelze ale použít standardní technologii vyvinutou pro výrobu křemíkových čipů. Proto je vývoj a výroba těchto obvodů velmi drahá. V devadesátých letech proto v laboratořích IBM vyvinuli modifikaci křemíkové technologie. Modifikace spočívá v tom, že místo kryslalu křemíku se použije krystalu slitiny křemíku a germania. Křemíko-germaniové transistory jsou podstatně rychlejší než křemíkové transistory a k výrobě integrovaných obvodů s těmito transistory lze použít stávající technogie, která se používá pro výrobu integrovaných obvodů s křemíkovými transistory.

Na obr.1 je uvedeno srovnání rychlosti křemíkového a křemíko-germaniového bipolárního transistoru (podle Meyersona(1994)). Pro stanovení rychlosti transistoru se obvykle používá tzv. mezní frekvence (cutoff frequency). Je to taková frekvence, při které zesílení transistoru klesne na jedničku. Transistor při této frekvenci přestává pracovat jako zesilovač. Obvod sestavený z takovýchto transistorů nemůže proto na této frekvenci pracovat. Z obr. 1 je vidět, že křemíko-germaniové transistory mají mezní frekvenci zhruba dvakrát větší než křemíkové transistory. Dá se proto očekávat, že integrované obvody postavené na bázi křemíko-germaniových transistorů, budou zhruba dvakrát rychlejší než stávající integrované obvody, obsahující křemíkové transistory.

3. Použití Josephsonových obvodů místo transistorů

Základní Josepsonův obvod, který je schopen kódovat dva stavy, tvoří kroužek ze supravodivého materiálu, který je v jednom místě přerušen vrstvou isolátoru (viz obr.2). Prostřednictvím magnetického pole, které prochází středem kroužku lze indukovat v obvodu elektrický proud. Pokud je tento proud malý, Cooperovy elektronové páry, jejichž pohybem vzniká v supravodiči elektrický proud, volně prochází i vrstvou isolátoru. Říkáme, že obvod je v supravodivém stavu. Pokud procházející proud překročí určitou prahovou hodnotu, vrstva isolátoru brání volnému pohybu Cooperových párů a na vrstvě isolátoru vznikne elektrické napětí. Říkáme, že obvod přešel do vodivého stavu.

Hlavní výhodou Josephsonova obvodu je skutečnost, že přechod mezi vodivým a supravodivým stavem je velmi rychlý, řádově jednotky pikosekund. Tedy Josephsonův obvod dovede měnit svůj stav zhruba o dva řády rychleji než transistor.

Nevýhodou samozřejmě je, že běžně používané vodiče elektrického proudu se dostávají do supravodivého stavu při teplotě blízko absolutní nuly, které lze dosáhnout jen s velmi složitou chladící technikou (takové obvody musí být chlazeny tekutým heliem). Proto boom ve vývoji Josephsonových obvodů nastal až během osmdesátých let po objevu vysokoteplotních supravodičů. Vysokoteplotní supravodiče stačí chladit na teplotu tekutého dusíku, což jest již laboratorně snadno dosažitelné.

V osmdesátých letech proto řada laboratoří vyvíjela výpočetní techniku založenou na Josephsonových obvodech. Objevily se ale nepředpokládané obtíže. Přechod obvodů z vodivého stavu na supravodivý nebyl tak rychlý, jak první experimenty naznačovaly. Kromě toho křemíková technologie dospěla k výrobě výkonných mikroprocesorů, které bylo možno spojovat do paralelních systémů a zvýšit výkonnost výpočetního systému tímto způsobem. Koncem osmdesátých let byl výzkum aplikací Josephsonových obvodů ve výpočetních systémech všude zastaven.

4. Použití obvodů SQUID místo transistorů

Obvody SQUID (superconducting quantum interference devices) jsou modifikací Josephsonových obvodů. Opět je tvoří kroužek ze supravodivého materiálu. Tentokrát je ale přerušen vrstvou isolátoru na dvou protilehlých místech (viz obr. 3). Obvod lze magnetickými pulsy převádět mezi dvěma různými supravodivými stavy. Tyto stavy se liší napětím na destičce isolátoru a podle velikosti tohoto napětí mohou být také rozlišeny.

Obvody SQUID jsou velmi citlivé na změnu magnetického pole a našly uplatnění v experimentální fyzice i v medicíně (např. v experimentální fyzice v zařízení pro registraci gravitačních vln nebo v medicíně ve snímačích magnetického pole mozku).

Protože přechody mezi jednotlivými kvantovými supravodivými stavy jsou velmi rychlé ( řádově pikosekundy), nabízí se jejich použití ve funkci základních prvků výpočetních systémů. Navíc nenastávají zde problémy s přechodem z vodivého do supravodivého stavu jako u původních Josephsonových obvodů. Na bázi SQUID byly v poslední letech úspěšně realizovány rychlé analogo-číslicové převodníky.

5. Použití optoelektronických obvodů

Optoelektronické obvody kombinují použití optoelektronických prvků s klasickými transistory. S výhodou je lze použít všude tam, kde jednotlivé části výpočetního systému vyžadují vysoký stupeň paralelního propojení. Princip optoelektronického obvodu je na obr. 4. Protože emitory a detektory světla mají velikost běžných transistorů, není obtížné realizovat například pole 32 ´ 32 detektorů nebo emitorů, což nahradí propojení s 1024 vidiči.

Možnost snadného paralelního propojení lze s výhodou využít pro připojení k holografické paměti. Princip holografické paměti je patrný z obr. 5.

Záznam dat do holografické paměti se provádí tak, že se nejdříve elektronicky vygeneruje bitový obraz dat na světelném modulátoru. Do krystalu se pak zapisuje najednou celý bitový obraz. Před zápisem dat je třeba nastavit úhel referenčního paprsku, který vystupuje ve funkci adresy bitového obrazu. Vlastní zápis je proveden současným osvícením krystalu záznamovým a referenčním paprskem.

Čtení zapsaného bitového obrazu se provede osvícením krystalu referenčním paprskem. Úhel referenčního paprsku udává adresu bitového obrazu, který se bude číst. Celý bitový obraz se přečte najednou. Detektorové pole převede světelnou formu bitového obrazu do podoby elektrického signálu, který je pak dalšími elektronickými obvody dále zpracováván.

Holografické paměti se zkoušejí v celé řadě vývojových laboratoří. Výzkumní pracovníci z laboratoře kalifornské university (Psaltis(1995)) například uvádějí, že jimi vytvořená holografická paměť měla kapacitu 10000 bitových obrazů o rozměrech 320 ´ 220 bitů. To znamená, že celková kapacita paměti byla zhruba 100 MB .

Velká výhoda holografické paměti je její velká rychlost při vybavování dat, která plyne ze skutečnosti, že při čtení se z paměti vybaví vždy celý bitový obraz najednou. Proto se například nabízí použít holografickou paměť pro kartotéku obrazů (například otisků prstů a pod.)

O zdokonalení počítačů navržením jejich nové koncepce, se konstruktéři snaží po celou dobu jejich existence. Architektura počítačů určených pro universální použití se však od původní Von Neumannovy koncepce nikdy příliš nevzdálila. I současné paralelní počítače lze považovat spíše za přirozené rozšíření klasické Von Neumannovy architektury výpočetního systému, než za počítače nové koncepce. Počítače se skutečně jinou architekturou, pokud byly navrženy, nesloužily nikdy jako universální počítače. Byly vždy konstruovány pro řešení úloh specifického typu. Jako příklad těchto počítačů můžeme uvést například analogové počítače, používané pro výpočty soustav diferenciálních rovnic, nebo neuronové počítače, určené pro řešení optimalizačních úloh.

V současné době se v oblasti specializovaných počítačů objevily dva nové typy, a sice kvantové počítače a DNA počítače. V tomto článku se budeme zabývat pouze kvantovými počítači, na jejichž vývoji se v poslední době intensivně pracuje a které mohou znamenat podstatné změny v možnosti řešení některých typů úloh. DNA počítače jsou zatím jen okrajovou záležitostí, zajímavou spíše jen z teoretického hlediska.

Ačkoliv asi stěží lze architekturu kvantového počítače považovat za klasickou Von Neumannovu architekturu, přesto některé rysy má kvantový počítač s Von Neumannovým počítačem společné. Kvantový počítač má rovněž paměť, ve které jsou uložena data, která se budou zpracovávat. a zpracování dat se rovněž provádí podle předem definovaného algoritmu. Algoritmus není ale převeden do strojových instrukcí počítače a uložen v paměti. Algoritmus zpracování dat je u kvantového počítače převeden do posloupnosti elektromagnetických pulsů definované délky, které realizují na datech uložených v paměti počítače, základní booleovské funkce. V principu tedy kvantový počítač je universální počítač. Jeho použití, jak uvidíme dále, je ale vhodné pouze pro speciální aplikace.

Vzhledem k podobnosti, která mezi současnými universálními výpočetními systémy a kvantovým počítačem existuje, lze jeho vlastnosti s vlastnostmi těchto systémů porovat a lze říci, ke které kategorii současných výpočetních systémů má kvantový počítač nejblíže.

K rozdělení výpočetních systémů do základních skupin lze použít klasifikaci, kterou navrhnul M.J.Flynn již v roce 1972 a která se používá dodnes. Flyn pohlíží na výpočetní systém jako na zařízení, do kterého vstupuje jeden nebo více toků (proudů) dat a jeden nebo více toků instrukcí, které zpracování dat řídí.

Z tohoto hlediska lze výpočetní systém charakterizovat následujícími vlastnostmi:

1. SI (Single Instruction). Systém zpracovává jen jeden tok instrukcí.

2. MI (Multiple Instruction). Systém zpracovává více toků instrukcí.

3. SD (Single Data). Systém zpracovává jen jeden tok dat.

4. MD (Multiple Data). Systém zpracovává více toků dat.

Výpočetní systém lze pak zařadit do jedné z těchto kategorií:

1. SISD . Do této kategorie spadá klasický Von Neumannův počítač. Takovým počítačem je například dnešní osobní počítač.

2. SIMD. Sem patří počítače, které jedním programem zpracovávají více různých souborů dat. Jsou to především numerické superpočítače, určené pro rozsáhlé vědecko-technické výpočty a simulace složitých systémů.

3. MISD. Výpočetní systémy, které by patřily do této kategorie se nepoužívají. Sem by patřily počítače, které by měly více procesorů, na kterých by probíhaly různé programy zpracovávající společná data. Takováto architektura je nevhodná pro universální použití. Mohla by mít význam snad jen pro nějakou velmi speciální aplikaci.

4. MIMD. Sem patří převážná většina dnešních paralelních systémů. Paralelní systémy této kategorie se skládají ze samostatně pracujících procesorů. Procesy, které na jednotlivých procesorech běží, musí mít možnost navzájem komunikovat a hardwarová podpora této komunikace je důležitým hlediskem, podle kterého lze paralelní systémy této kategorie dále dělit. Na rychlé a spolehlivé komunikaci totiž podstatnou měrou závisí výpočetní mohutnost celého systému.

Jednotlivé procesory spolu mohou komunikovat v zásadě dvěma způsoby:

1. Prostřednictvím společně sdílené paměti.

2. Zasíláním zpráv.

Pokud procesory sdílejí společnou paměť, potom ji obvykle používají pro vzájemnou komunikaci. Vyměňují si přes ni zprávy, stavovou informaci a data. V opačném případě mohou ke komunikaci použít pouze mechanismus zasílání zpráv. Proto je skutečnost, zda procesory sdílejí nebo nesdílejí společnou paměť důležitou charakteristikou paralelního systému.

Výpočetní systémy MIMD tedy dále dělíme na dvě kategorie (viz obr. 6) :

1. Multiprocesorové systémy ( Multiprocesory, Multiprocessors). Jsou to takové systémy, které sdílejí společnou paměť. Typickým příkladem multiprocesorového systému je pracovní stanice s více procesory nebo střediskový počítač IBM, který obsahuje více procesorů propojených s pamětí buď spínací sítí nebo centrální řídící jednotkou.

2. Multipočítačové systémy (Multipočítače, Multicomputers). Jsou to ty systémy, které společnou paměť nesdílejí. Každý procesor proto musí mít svou vlastní lokální paměť. Jednotlivé procesory spolu komunikují zasíláním zpráv. Typickými příklady je transputerové pole nebo soustava počítačů, jejichž propojení tvoří n-rozměrnou krychli (například počítače firmy NCUBE)

Kvantové počítače

Kvantové počítače lze ve Flynnově systematizaci výpočetních systémů zařadit do kategorie SIMD. Jedná se tedy o počítače, kde jeden program paralelně zpracovává více vstupních dat. Od současných výpočetních systémů SIMD se ale podstatně liší a to v následujících bodech:

1. Způsob uložení zpracovávaných dat je podstatně odlišný. Jeden bit informace není representován makroskopickou veličinou (velikostí napětí nebo proudu nebo stavem klopného obvodu), ale je representován stavem kvantového systému. Například energetickým stavem elektronu uvnitř atomu nebo orientací spinu takového elektronu vzhledem k vnějšímu magnetickému poli.

2. Současný počítač zpracovává v paměti uloženou informaci tak, že s ní provádí programem specifikované operace. Tyto operace hardware počítače rozloží až na nejnižší úroveň, tj. na elementární booleovské funkce, které jsou implementovány pomocí hradel. Fyzikální implementace hradel může být různá. V posledních padesáti letech jsou hradla standardně implementovány transistory. Aby mohl kvantový počítač provádět operace na informaci, která je zakódována v kvantových stavech elektronů, musí být tedy schopen na bitech této informace realizovat základní booleovské funkce. Princip, na jehož základě to může provádět, je znázorněn na obr. 7.

Předpokládejme, že jeden bit informace je uložen v atomu A a druhý v atomu B. Výsledek operace má být uložen v atomu C, který leží mezi atomy A a B. Dále předpokládejme, že stav atomu C je 0 (atom není excitován). K excitaci atomu C do stavu 1 dojde jen tehdy, pokud jej ozáříme elektromagnetickým pulsem definované frekvence. Tato frekvence je dána rozdílem energie energetických hladin excitovaného a neexcitovaného stavu. Navíc ale energie excitovaného stavu atomu C závisí na tom, zda jsou excitovány sousední atomy A a B nebo nejsou. Předpokládejme, že aplikujeme na atom C elektromagnetický puls, který má takovou frekvenci, že způsobí excitaci atomu C pouze tehdy, když oba sousední atomy A a B nejsou v excitovaném stavu. Potom jsme ale na binární informaci, která je uložena v atomech A a B, realizovali booleovskou operaci NOR (viz obr. 7). Podobně lze na bitech uložené informace realizovat i další jednoduché booleovské operace. Operace NOR ale již sama o sobě stačí k realizaci libovolné booleovské funkce.

Informaci, uloženou v paměti, lze také posouvat. Pokud je možné informaci posouvat, je možné ji i vkládat a zpětně vybavit. Princip posuvu je znázorněn na obr. 8. Předpokládejme, že obsah atomu A je třeba přenést do sousedního atomu B a že stav atomu B je 0. Předpokládejme dále, že exitovaný stav atomu B závisí na stavu atomu A. Potom pokud aplikujeme takový puls, který způsobí přechod atomu B do stavu 1 pouze v případě, že atom A je ve stavu 1, realizujeme posuv bitu uloženého v atomu A do atomu B.

3. Z předchozího vyplývá, že hardwarové obvody současného počítače jsou u kvantového počítače nahrazeny zařízením, které je schopno realizovat zadanou posloupnost elektromagnetických pulsů přesně zadané frekvence a délky trvání. Paměť kvantového počítače tvoří molekuly vhodné látky. Molekul dané látky je i v poměrně malém, technicky pohodlně manipulovatelném objemu (např. 1dm3 ), velký počet (řádově 1014 ). Do všech těchto molekul je sledem elektromagnetických pulsů zapsána informace. Potom jsou na této informaci provedeny požadované operace a to posloupností elektromagnetických pulsů. Nakonec je sledem elektromagnetických pulsů získán výsledek výpočtu.

4. Až dosud není z výkladu zřejmé, proč by se měl kvantový počítač vůbec konstruovat a používat. Z předchozího výkladu může totiž vzniknout dojem, že do všech molekul je před výpočtem zaznamenána stejná informace. Vzhledem k tomu, že informační kapacita jedné molekuly je relativně malá, byla by i kapacita paměti kvantového počítače velmi omezená. Počítač by sice pracoval s vysokým stupněm paralelismu, protože zpracovává informaci uloženou ve všech molekulách najednou, ale tato informace by byla ve všech molekulách identická. Kromě toho samotný výpočet je ve srovnání se současnými počítači značně pomalý, protože elektromagnetické pulsy, kterými se mění kvantové stavy atomů musí trvat řádově mikrosekundy. Efektivní použití kvantového počítače tedy musí spočívat v tom, že jednotlivé molekuly jeho paměti nebudou obsahovat stejná data. Toho lze při vhodných aplikacích kvantového počítače snadno dosáhnout.

5. Kvantový počítač lze velmi efektivním způsobem použít pro hledání řešení úloh. Pokud všechny kandidáty řešené úlohy zakódujeme binárním kódem, lze při zadávání vstupních dat, zadat do jednotlivých molekul v podstatě všechny kandidáty řešení. To je možné tak, že jako vstupní data zadáváme samé jedničky, ale puls, kterým je zadávání jedničky realizováno, zkrátíme tak, aby exitovaný elektron přešel na vyšší energetickou hladinu jen s pravděpodobností 0.5. Je zřejmé, že potom jednotlivé molekuly obsahují různé kandidáty řešení úlohy. Algoritmus, realizovaný posloupností elektromagnetických pulsů, potom hledá řešení úlohy tak, že pracuje se všemi kandidáty najednou. Vzhledem k vysokému stupni paralelismu, je kvantový počítač schopen vyzkoušet podstatně víc kandidátů řešení než současné nejvýkonnější paralelní počítače, i když běh samotného programu, který ověřuje, zda kandidát řešení úlohu skutečně řeší či ne, trvá podstatně delší dobu než na klasickém počítači.

Problematika kvantových počítačů je v posledních letech intensivně studována. Lze ji v podstatě rozdělit do dvou hlavních oblastí.

První je problematika nalezení algoritmu pro úlohy, které jsou pro řešení na kvantovém počítači vhodné. Jednou z takových typických úloh je úloha rozkladu velkých čísel na prvočísla. S trochou nadsázky lze říci, že na nemožnosti uskutečnit tento rozklad v rozumném čase, dnes závisí bezpečnost použití počítačů. Spočívá na tom bezpečnost šifrovacích metod a na bezpečném šifrování závisí i bezpečné fungování právě se rozvíjejícího elektronického obchodu. To také vysvětluje, proč výzkumná pracoviště amerických universit na problematice kvantových počítačů intensivně pracují. Algoritmy pro realizaci rozkladu čísel na kvantovém počítači jsou podle zpráv z odborného tisku již známy.

Druhou oblastí je problematika konstrukce vlastního kvantového počítače. Zde je patrně hlavním problémem nalézt vhodnou látku pro záznam informace a navrhnout a ověřit pro ni posloupnosti elektromagnetických pulsů, realizujících základní bitové operace. Zatím není známo, že by byl na některém z výzkumných pracovišť kvantový počítač skutečně realizován. Principy jeho konstrukce jsou ale známy a na jeho vývoji pracuje řada universitních výzkumných laboratoří, především ve Spojených státech. Je proto dost pravděpodobné, že pokud se neobjeví nějaké dosud netušené zásadní překážky jeho konstrukce, bude kvantový počítač brzy realizován.