Оптический компьютер с голографической памятью ()

1
I-8-NS-2
Паспорт совместного российско-американского проекта
1. Название
Оптический компьютер с голографической памятью
2. Аннотация
Интеллектуальный оптический компьютер, основанный на перезаписываемой 3D
голографической памяти и преобразователях когерентных сигналов, функционирующий с
временным разрешением 10-9-10-15 секунд. Преобразования Фурье и преобразования ФурьеБесселя применяются для преобразования когерентных сигналов, а устройства голографической
памяти, основанные на искусственных мета материалах, - для хранения и обработки данных. В
перспективе устройство может быть рассмотрено в качестве прототипа квантового компьютера,
где применяются вычислительные технологии, основанные на квантовом представлении данных
в виде Q-битов, а для обработки данных применяются квантовые операторы, такие как оператор
квантовой суперпозиции, запутывания (entanglement) и интерференции.
Оптический компьютер позволяет преодолеть существующие вычислительные проблемы,
значительно (в отдельных случаях до одного миллиона раз) сокращая время вычислений в
различных областях применения компьютеров. В частности при решении сложных
неустойчивых многомерных вычислительных задач, обработке изображений в реальном
масштабе времени, проблем оптимизации в гидродинамике, обработке данных спутникового
зондирования, решение проблем распознавания, криптографии, обработки метеорологических
данных, задач управления сложными объектами, в том числе авиационными и космическими,
биомедицины, системы жизнеобеспечения и пр. Данная вычислительная производительность
достигается за счет замены традиционных дискретных вычислений, основанных на принципах
машины Тьюринга, применяемых в современных цифровых компьютерах на семантически
интерпретируемые непрерывные операции, выполняемые на оптическом компьютере.
3. Описание предполагаемых результатов реализации проекта
Ожидаемыми результатами проекта являются устройство оптического компьютера,
ключевые технологии его производства, включая интеллектуальную собственность,
методологию и примеры применения.
Также ожидается появление нескольких побочных продуктов, в частности
голографические устройства хранения данных сверх большой емкости, новые материалы,
высокопроизводительные оптические системы и много иное.
4. Наиболее близкие по тематике проекты в мире, реализующиеся в настоящее
время (не более 5 аналогов)
В настоящее время в мире существуют несколько групп, занимающихся разработкой
квантового компьютера. Такие проекты существуют в США в MIT, JPL, Caltech, IBM, Los
Alamos, Bell Labs, и пр.
Было несколько публикаций о разработках оптических компьютеров, но разработанные в
настоящее время устройства не приемлемы для практического использования.
5. Новизна, описание конкурентных преимуществ результатов
Традиционный
квантовый
компьютер,
разработкой
которого
занимаются
вышеупомянутые группы, отличается от предложенного подхода, так как создание квантового
компьютера требует физической реализации квантового кубита, что пока не реализовано на
практике из за проблем связанных с декогеренцией и другими техническими сложностями, а
также непониманием семантики преобразований.
Предложенное устройство отличается от квантового компьютера тем, что оно не требует
2
физической реализации квантовой памяти, в устройстве
применяется
трехмерная
перезаписываемая голографическая память для хранения данных и когерентная оптика для их
обработки. Технология голографической памяти основана на материалах, подобных тем,
которые применяются в настоящее время в производстве оптических дисков (CD_RW,
DVD_RW, BD_RW, и пр.), хотя требования по производительности памяти значительно выше.
Предложенное устройство не основано на стандартной вычислительной парадигме.
Устройство осуществляет непрерывные операции подобно аналоговому компьютеру.
6. Кто является потенциальным потребителем результатов
Ожидаемыми потребителями системы являются правительственные учреждения, армия,
космические агентства, производители авиационной техники, автопроизводители, транспортный
сектор, дистрибьюторы энергии, производители портативных устройств, производители
компьютеров, микросхем и другие. Высокопроизводительные вычисления необходимы
практически во всех секторах экономики, например в качестве подсистемы электронного
правительства.
7. Где, когда и какой эффект, в т.ч. экономический, ожидается от использования
результатов проекта
В случае успеха, глобальный рынок оценивается в несколько сотен миллиардов долларов.
Высокопроизводительные вычисления нудны во множестве повседневных устройств и
продуктов, практически в каждом секторе экономики. Технология модет быть распространена
среди основных производителей микроэлектроники, таких как Intel, AMD, STM и пр. Побочные
продукты могут произвести революцию в системах хранения данных.
8. Предполагаемые организации - участники консорциума по профилям: научные,
образовательные, бизнес. Контактная информация руководителей проекта в каждой
организации и общего координатора
Некоммерческое партнерство по научным исследованиям и социальному развитию
«Аналитическое агентство «Новые стратегии». Директор, проф. Александр Николаевич Райков.
Институт проблем управления РАН, Москва, 117997, Профсоюзная 65. Зам. директора,
Член-корреспондент РАН, проф. Дмитрий Александрович Новиков.
Intelligent Quantum & Soft Computing R&D Group (www.qcoptimizer.com). Проф. Сергей
Викторович Ульянов.
Физический институт академии наук, 119991 Москва, Ленинский проспект, 53,
Подразделение квантовой радиофизики, Проф. Сергей Алексеевич Позднеев.
Институт органической химии РАН, 119991, Москва, Ленинский проспект, 47, Проф.
Андрей Семенович Мендкович.
Координатор - проф. Александр Николаевич Райков. Контакты: 119526, Москва, 26
Бакинских Комиссаров, 14-100, e-mail: Alexander.N.Rraikov@gmail.com, Тел.: +7 (495) 7962132.
9. Описание вклада каждой организации в итоговый результат
Некоммерческое партнерство по научным исследованиям и социальному развитию
«Аналитическое агентство «Новые стратегии» - Методология создания конвергентных систем
поддержки решений.
Институт проблем управления РАН – когнитивное пмоделирование, программное
обеспечение, экспертные процедуры.
Intelligent Quantum & Soft Computing R&D Group – управленческие технологии,
основанные на вычислительном интеллекте нового типа в частности – технологиях квантовой
самоорганизации и квантовой семантики.
Физический институт академии наук – mathematical simulations, optical system design.
Институт органической химии РАН – Исследование материалов для пострения
перезаписываемой голографической памяти.
3
10. Преимущества от участия
иностранных организаций
Нам нужен глобальный консорциум для аккумуляции ресурсов и технологий,
необходимых для реализации проекта. Проект сложный, дорогой и рисковый. Международное
участие может снизить затраты, обеспечить транспарентность работам, способствовать
продвижению результатов.
Множество технологий требуемых в данном проекте находятся в разработке за рубежом (в
частности мета материалы), в России данные работы либо не ведутся либо находятся в
начальной стадии.
11. Потенциальные иностранные участники проекта, которые могли бы внести
существенный вклад в итоговый результат
Мы взаимодействуем с:
Prof. Ilya I.Fabrikant, Department of Physics and Astronomy, University Nebraska-Lincoln, NE
68588, USA, e-mail: iif@unlinfo.unl.edu
Prof. Alexander Dalgarno, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, 60 Garden St., MS 14,
Cambridge, MA 02138, USA, e-mail: adalgarno@cfa.harvard.edu
Мы бы желали взаимодействовать со следующими организациями:
MIT – исследование материалов и оптичских систем (R&D);
IBM – прикладные стадии, кэйс-стадия, глобальный бизнес-проект, организация
глобального консорциума, финансовый менеджмент, менеджмент производства;
Caltech – исследование оптических систем, когерентные процессоры, материалы;
JPL – применение в промышленности и системах управления applications in space military
and control, завершающие стадии;
Intel – оптические устройства и проектирование.
12. Краткая предыстория формирования проекта
С необходимостью изменения существующей вычислительной парадигмы мы столкнулись
25-30 лет назад во время разработки информационной системы управления страной в условиях
чрезвычайных ситуаций и ядерной войны. В то время, решение некоторых вычислительных
задач требовало десятков часов на существующих в то время суперкомпьютерах, однако
фактическое время на принятие решения ограничивалось несколькими минутами или даже
секундами. Были произведены теоретические попытки решения данных задач на квантовом
компьютере, но было математически доказано, что даже если он будет создан, он будет не в
состоянии решить поставленные задачи. Теоретическое решение было найдено и доказано в
замене
классического
счета
непрерывными
(аналоговыми,
голографическими)
преобразованиями света.
Квантовая криптография это еще одна область, с которой мы давно столкнулись. Нужна
разработка устройства, которое бы имело линейную производительность относительно длины
кодирующей последовательности. Было продемонстрировано, что подобный результат
достижим синергией эвристического программирования, когнитивных технологий, квантовых
вычислений и аналоговых оптических преобразований.
Доступность квантового дешифратора позволит декодировать практически любое
закодированное сообщение, включая закодированные системами с открытым ключем, за время,
линейное к длине кодирующей последовательности. В традиционных системах это NP-сложная
задача.
Данный проект развивается несколько десятков лет, активная фаза была в советское время,
но тогда не было необходимых технологий разработки мета материалов для производства
перезаписываемой трехмерной голографической памяти. Недавние достижения в
нанотехнологиях в технологиях создания мета материалов дали нам новый импульс в
перспективах развитии проекта.
4
13. Предварительный план подготовки и реализации проекта (основные вехи) по
каждой организации, включая координационные мероприятия
2011 – 2012 – анализ реализуемости, формирование консорциума, принятие решения;
2012 – 2015 фаза активной разработки, материалы для перезаписываемой трехмерной
голографической памяти, когерентные преобразователи, устройства голографической памяти;
2015 + маркетинг голографической памяти;
2017+ прототип оптического компьютера;
2020 + маркетинг квантового компьютера.
14. Объем финансирования (существующий и необходимый), включая
предполагаемые источники и объемы софинансирования
В настоящее время финансирование ведется спонтанно, по отдельным компонентам без
единой координации.
Исследования и разработки потребуют до $20-30 млн. Ежегодно в течение 5 лет.
Фаза производства и внедрения может потребовать до $7 млрд.