До настоящего времени большинство квантовых вычислительных систем были построены таким образом, что их перепрограммирование заключалось в физическом изменении структуры их вычислительных блоков. Несмотря на это квантовые компьютеры уже нашли некоторые применения в виде узкоспециализированных систем, нацеленных на решение определенных задач. Расширить поле применения этих компьютеров можно, реализовав гибкость их программирования, которая может быть обеспечена классической архитектурой фон Неймана.

Архитектура фон Неймана является основной архитектурой, по которой строятся почти все современные вычислительные системы.

Она подразумевает наличие в системе центрального процессора, который выполняет вычисления, памяти, в которой содержатся инструкции для процессора (программа) и обрабатываемые данные, и интерфейса, с помощью которого центральный процессор может делать изменения содержимого произвольных ячеек памяти. Используя такую архитектуру можно создавать вычислительные системы любого уровня сложности, начиная от 8-ми битных однокристальных микросхем и заканчивая мощнейшими суперкомпьютерами.

Рис. 1.

Совсем недавно группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, возглавляемая Джоном Мартинисом (John Martinis), создала первый в мире квантовый компьютер, построенный на архитектуре фон Неймана. Для соединения отдельных частей и кубитов этого компьютера в единую систему исследователи использовали сверхпроводящие проводники.

Рис. 2.

В результате они получили первый компьютер, в котором были совмещены вычислительная мощность квантовых систем и все преимущества архитектуры фон Неймана.

Ядром этого компьютера являются два регистра на основе отдельных кубитов и две ячейки памяти, работающие на основе эффекта квантовой запутанности.

Соединяя все это в определенной последовательности, исследователи моделировали квантовый логический элемент из трех кубитов, а это не так и мало на сегодняшний день.

Изменяя связи, действующие за счет явления квантовой запутанности, удалось реализовать изменения «на лету» структуры логического элемента, а значит и выполняемой им функции.