Квантовый нейрокомпьютер
Полезная модель относится к конструкции квантового нейрокомпьютера. Сущность полезной модели заключается в том, что она имеет n-разрядный квантовый регистр, один вход которого подключен через схемы И-ИЛИ к выходу n-разрядного регистра ввода и хранения данных S, а другой вход квантового регистра подключен к выходу магазина базовых операторов U, информация в виде векторов Х и S о состояниях блоков, соответственно, квантового регистра и регистра ввода и хранения данных с их выходов подается на вход блока выбора и коррекции программ, а также на вход блока квантового измерения и формирования кодов групп Y, который подключается либо к прибору регистрации результата квантового измерения, представленного в виде выходного распределения вероятностей Р(Х), либо к исполнительному органу объекта управления. Блок управления через блок генераторов синхронизирующих импульсов обеспечивает согласованную циклическую, в виде NS циклов, работу в реальном времени всех функциональных блоков квантового нейрокомпьютера в соответствии с его блок-схемой.
Полезная модель относится к области эффективных, высоких информационных технологий, к области информационной техники, нейрокомпьютинга, к области квантовых компьютеров.
Известны квантовые компьютеры (см. книгу К.А.Валиев, А.А.Кокин. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. М. - Ижевск. R&C Dynamica. 2001), квантовые нейронные сети (см. Материалы рабочего совещания. М. МИФИ. 2001) и квантовые нейрокомпьютеры (см. статью В.Д.Цыганков Виртуальный нейрокомпьютер как квантовый вычислитель. //Труды Международной конференции «Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации». Том. 1. Ульяновск. 1999. с.42-51).
Известен квантовый нейрокомпьютер, содержащий блок хранения бинарного входного сигнала, выход которого связан со входом логической схемы И-ИЛИ, выход которой связан со входом блока внутренней памяти, один выход которого связан с другим входом логической схемы И-ИЛИ, другой выход блока внутренней памяти связан со входом блока формирования из поступивших кодов состояний их регистра внутренней памяти выходной последовательности кодов групп; блок управления, один выход которого связан с третьим входом логической схемы И-ИЛИ и с одним входом блока хранения бинарного входного сигнала, другой выход которого связан с одним входом блока выбора строк и извлечения информации, выходы которого связаны с другими входами блока хранения бинарного входного сигнала (см. книгу В.Д. Цыганков. Виртуальный нейрокомпьютер «ЭМБРИОН». М. СИНТЕГ. 2005. с.24-26, 85, 86).
Недостатками известного квантового нейрокомпьютера с целью применения его для решения задач управления динамическими объектами в реальном времени и для квантовых вычислений являются низкое быстродействие и сложность конструкции.
Техническим результатом полезной модели является повышение быстродействия за счет размещения в квантовом регистре, связанном с магазином базовых операторов, логических операторов и арифметико-логических электронных схем квантовых битов (кубитов), упрощение конструкции блока хранения бинарного входного сигнала, блока выбора строк и извлечения информации, что обеспечивает возможность создания быстродействующих, помехоустойчивых, работающих в реальном времени простых, технологичных, надежных квантовых управляющих устройств, квантовых вычислителей и квантовых нейрокомпьютеров.
Достигается это тем, что квантовый нейрокомпьютер (см. фиг.№1) содержит: регистр ввода и хранения данных в виде двоичного n-разрядного входного вектора S, поступающего для обработки на первый его вход, например, от датчиков объекта управления, первый выход которого связан через логическую схему И-ИЛИ с первым входом n-разрядного квантового регистра, первый выход которого связан через логическую схему И-ИЛИ с четвертым входом регистра ввода и хранения данных, третий выход квантового регистра связан с первым входом блока квантового измерения и формирования кодов групп, результаты работы которого в виде распределения вероятностей Р(Х) двоичных кодов слов Х состояний квантового регистра выдаются на первый выход блока квантового измерения и формирования, а на его второй выход из меняющихся кодов Х состояний квантового регистра выдается выходная последовательность импульсов в виде кодов групп Y; содержит магазин базовых операторов U, выход которого через дешифратор связан со вторым входом регистра ввода и хранения данных.
Квантовый нейрокомпьютер содержит блок генераторов синхронизирующих импульсов, первый выход которого связан с третьим входом регистра ввода и хранения данных и со вторым входом квантового регистра, второй выход связан со вторым входом магазина базовых операторов, образующих в совокупности квантовую нейронную сеть; блок управления, первый выход которого соединен со вторым входом блока квантовых измерений и формирования кодов групп, а второй выход соединен с входом блока генераторов синхронизирующих импульсов; блок программ, выход которого связан с первым входом магазина базовых операторов и входом блока управления; блок выбора и коррекции программ, вход которого соединен со вторым выходом квантового регистра, а выход соединен с входом блока программ. Блок n-разрядного квантового регистра выполнен с учетом возможности изменения состояния каждого его отдельного разряда - кубита или, выделенных программой и соответствующим базовым оператором U группы кубитов, во время поступления от генераторов синхронизирующих импульсов одного управляющего импульса - кванта действия NS=1, в зависимости от информации S в регистре ввода и хранения данных.
Блок квантового измерения и формирования кодов групп выполнен на обычных электронных элементах двоичной логики в составе интегральной микросхемы в виде серийно выпускаемой Программируемой Логической Интегральной Схемы (ПЛИС) с возможностью выдачи с его второго выхода импульсных последовательностей в качестве сигналов Y на исполнительный орган объекта управления (на фиг.1 не показан). Магазин базовых операторов содержит дешифратор и группу регистров, число которых соответствует числу базовых операторов, содержит арифметико-логические устройства в виде интегральной микросхемы, вычисляющие специальные математические функции в базовых операторах и в кубитах. Блок генераторов синхронизирующих импульсов реализован на импульсных генераторах и дешифраторах, обеспечивает
синхронную передачу информации из регистра ввода и хранения данных в квантовый регистр, синхронизирует выбор из магазина базовых операторов, определяет момент применения нужного базового оператора U, время передачи информации в блок квантового измерения и формирования кодов групп Y для производства квантового измерения и управления объектом.
Блок управления выполнен с обеспечением возможности управления режимами работы генераторов синхроимпульсов, производства в необходимый момент квантовых измерений и последующей выдачи из блока формирования кодов групп сигналов Y на исполнительные органы объекта управления. Блок программ выполнен с применением серийных Перепрограммируемых Полупроводниковых Запоминающих Устройств (ППЗУ), обеспечивает возможность ввода и коррекции программ, выполнен в виде набора команд выбора из магазина базовых операторов U, необходимых в данный момент, а также выделения конкретных, определенных программой, разрядов - кубитов квантового регистра, к которым применяются данные выбранные базовые операторы U. Блок выбора и коррекции программ выполнен с обеспечением возможности использования информации о текущем состоянии Х квантового регистра, посредством связи через логическую схему И-ИЛИ его входа со вторым выходом квантового регистра с целью коррекции и модификации через первый вход программной последовательности, заложенной в блоке программ.
Логические схемы типа И-ИЛИ выполнены в виде Программируемой Логической Интегральной Схемы - ПЛИС.
В блоке ввода и хранения данных, построенном в виде регистра на триггерах, использованы электронные интегральные микросхемы. В блоке квантового регистра использованы триггеры с логическими схемами типа И-ИЛИ-НЕ и арифметико-логических схем в виде микросхем в составе ПЛИС.
В блоке квантового измерения и формирования кодов групп использованы частотомеры, счетчики числа импульсов, таймеры времени, дешифраторы и схемы сравнения на базе серийных
интегральных микросхем. В блоке магазина базовых операторов использованы регистры, арифметико-логические устройства в виде микросхем в составе ПЛИС. В блоке генераторов синхроимпульсов использованы импульсные генераторы, выполненные на полупроводниковых приборах, транзисторах и диодах, резисторах, а также двоичные счетчики, схемы сравнения и дешифраторы. В блоке управления использованы гибридные аналого-цифровые микросхемы. В блоке программ использованы ППЗУ - Перепрограммируемые Полупроводниковые Запоминающие Устройства и интегральные схемы высокой степени интеграции. В блоке выбора и коррекции программ использованы схемы сравнения и дешифраторы в составе микросхем.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фигуре 1 изображена блок-схема квантового нейрокомпьютера.
Квантовый нейрокомпьютер содержит: блок 1 регистра ввода и хранения данных в виде двоичного n-разрядного входного вектора S, поступающего, например, от датчиков объекта управления для обработки, на первый его вход, выход блока 1 связан через логическую схему И-ИЛИ с первым входом блока 2 n-разрядного квантового регистра, первый выход которого связан через логическую схему И-ИЛИ с четвертым входом блока 1, третий выход блока 2 квантового регистра связан с первым входом блока 3 квантового измерения и формирования кодов групп, результаты которого в виде распределения вероятностей Р(Х) двоичных кодов слов Х состояний блока 2 квантового регистра выдаются на первый выход блока 3 квантового измерения, а на его втором выходе из меняющихся во времени кодов состояний квантового регистра формируется выходная последовательность кодов групп Y; содержит блок 4 магазина базовых операторов, выход которого через дешифратор связан со вторым входом блока 1 регистра ввода и хранения данных. Квантовый нейрокомпьютер содержит блок 5 генераторов синхронизирующих импульсов, первый выход которого связан с третьим входом блока 1 и со вторым
входом блока 2 квантового регистра, второй выход связан со вторым входом блока 4 магазина базовых операторов, которые в совокупности представляют собою квантовую нейронную сеть; блок 6 управления, первый выход которого соединен со вторым входом блока 3, а второй выход соединен с входом блока 5 генераторов синхронизирующих импульсов; блок 7 программ, выход которого связан с первым входом блока 4 магазина базовых операторов и входом блока управления 6; блок 8 выбора и коррекции программ, вход которого соединен со вторым выходом блока 2 квантового регистра, а выход соединен с входом блока 7 программ. Блок 2 n-разрядного квантового регистра выполнен с учетом возможности изменения состояния каждого его отдельного разряда - кубита, или группы разрядов - кубитов, выделенных программой и логическим U оператором во время поступления из блока 5 одного управляющего импульса - кванта действия NS=1, в зависимости от информации S в регистре блока 1. Блок 3 квантового измерения и формирования кодов групп выполнен на обычных электронных элементах двоичной логики в составе интегральной микросхемы в виде ПЛИС, с возможностью подключения к первому его выходу регистрирующего пишущего устройства для записи распределения вероятностей Р(Х), а со второго его выхода выдачи сигналов Y на исполнительный орган объекта управления (на фиг.1 не показан). Блок 4 магазина базовых операторов содержит дешифратор, группу регистров, число которых соответствует числу базовых операторов, и арифметико-логические устройства в виде микросхемы, вычисляющие специальные функции в операторах и кубитах. Блок 5 генераторов синхронизирующих импульсов, реализован на импульсных генераторах и дешифраторах, обеспечивает синхронную передачу информации из регистра ввода и хранения данных 1 в блок 2 квантового регистра, синхронизирует момент выбора и применения из блока 4 нужного оператора U, определяет момент передачи информации в блок 3 для производства квантового измерения. Блок 6 управления
выполнен с обеспечением возможности управления режимами работы генераторов синхроимпульсов блока 5, производства в необходимый момент квантового измерения и последующей выдачи со второго выхода блока 3 сигналов Y на исполнительные органы объекта управления. Блок 7 программ выполнен в виде ППЗУ и обеспечивает возможность ввода и коррекции программ, выполненных в виде команд выбора из магазина базовых операторов блока 4 необходимых в данный момент операторов U, а также выбора конкретных, определенных программой, разрядов - кубитов квантового регистра блока 2, к которым применяются выбранные операторы. Блок 8 выбора и коррекции программ, находящихся в блоке 7, выполнен с возможностью использования информации о текущем состоянии квантового регистра посредством связи через логическую схему И-ИЛИ его входа со вторым выходом блока 2 для коррекции и модификации программной последовательности в блоке 7.
Логические схемы типа И-ИЛИ выполнены в виде интегральной микросхемы большой степени интеграции - Программируемой Логической Интегральной Схемы (ПЛИС).
В блоке 1 ввода и хранения данных, построенном в виде регистра на триггерах, использованы серийные электронные интегральные микросхемы.
В блоке 2 квантового регистра использованы триггеры, логические схемы типа И-ИЛИ-НЕ и арифметико-логические схемы в составе ПЛИС.
В блоке 3 квантового измерения и формирования кодов групп использованы частотомеры, счетчики импульсов, таймеры времени, дешифраторы и схемы сравнения в виде серийных интегральных микросхем.
В блоке 4 магазина базовых операторов использованы дешифратор, в регистрах триггеры и арифметико-логические устройства в виде микросхем в составе ПЛИС.
В блоке 5 генераторов синхроимпульсов использованы формирователи импульсов, выполненные на
полупроводниковых приборах, транзисторах и диодах, резисторах, двоичные счетчики, схемы сравнения и дешифраторы.
В блоке 6 управления использованы схемы сравнения, счетчики и дешифраторы в виде гибридных аналогово-цифровых микросхем.
В блоке 7 программ использованы ППЗУ - Перепрограммируемые Полупроводниковые Запоминающие Устройства, схемы сравнения, счетчики импульсов и дешифраторы в виде интегральных схем высокой степени интеграции.
В блоке 8 выбора и коррекции программ использованы схемы анализа и сравнения на основе логики И-ИЛИ-НЕ, дешифраторы в составе ПЛИС,
Функционирует квантовый нейрокомпьютер следующим образом.
После соединения всех блоков в соответствии с блок-схемой квантового нейрокомпьютера, изображенной на фигуре №1, производят установку блоков 1 и 2 регистра ввода и хранения данных и, соответственно, квантового регистра в начальное состояние, т.е. производят их инициализацию. Затем на первый вход блока 1 с датчиков объекта управления подаются входные данные в виде n-разрядного двоичного вектора S, или на первый вход вводятся пользователем числовые данные для квантового вычисления. В блок 7 программ предварительно заложены одна или несколько программ управления и квантовых вычислений, в соответствии с алгоритмами квантовых вычислений. Блок 7 программ связан с первым входом блока 4 магазина базовых операторов и с входом блока 6 управления, запускает с его помощью в работу блок 5 генераторов синхронизирующих импульсов, а он, в свою очередь, через вход три синхронизирует передачу сигнала из блока 1 ввода и хранения данных в блок 2 квантового регистра, синхронизирует по командам блока 7 программ выбор из блока 4 магазина базовых операторов, нужных в данный момент
операторов U, и обеспечивает их применение к кубиту, заданному программой, и выбранному базовым оператором, или к группе кубитов, блока 2 квантового регистра в соответствии с алгоритмом управления или квантового вычисления. Последовательность кодов слов Х состояний с третьего выхода блока 2 квантового регистра подается на первый вход блока 3 квантового измерения, который по командам управления на входе два из блока 6 формирует решение или результат квантового вычисления в форме распределения вероятностей Р(Х) в виде гистограммы на первом выходе этого блока, а также формирует на втором его выходе управляющие объектом сигналы в виде кодов групп Y. Изменение входных данных S на входе блока 1 ввода и хранения и, связанное с этим или с текущим выполнением программы, изменение состояния блока 2 квантового регистра анализируются блоком 8 выбора и коррекции программ путем поразрядного сравнения состояний регистров блоков 1 и 2 и обнаружения наличия рассогласования в их разрядах. В зависимости от изменяющегося кода слова Х состояния блока 2 квантового регистра, а также, в зависимости от векторной величины рассогласования состояний отдельных разрядов регистров блоков 1 и 2, с помощью блоков 4, 5 и 7 формируется динамическая вычислительная квантовая нейронная сеть из текущих меняющихся кодов слов Х состояний квантового регистра блока 2, а блоком 8 выбора и коррекции программ модифицируется ход и последовательность выполнения программ в блоке 7, при этом подключается следующий, соответствующий данному состоянию вычислительного процесса, блок программы в соответствии с заложенным в блок 7 алгоритмом квантового вычисления и управления. Описанная выше последовательность действий функциональных блоков повторяется циклически NS раз, в соответствии с логикой блок-схемы фигуры №1. Число циклов NS выбирается и изначально закладывается пользователем в блок 7 программ и в блок 6 управления, в зависимости от необходимой точности получения распределения вероятностей
Р(Х), от заданной точности получения результата квантового вычисления, от требуемой точности и скорости управляющих воздействий Y на объект управления, а также от его динамических характеристик.
Приведенные в данной полезной модели блоки квантового нейрокомпьютера известны, используются в квантовом нейрокомпьютере и описываются в книге В.Д.Цыганкова Нейрокомпьютер и мозг. М. СИНТЕГ. 2001. с.71-74.
Таким образом, предлагаемая полезная модель универсальна для применения, имеет более высокое быстродействие квантового нейрокомпьютера, обеспечивает возможность выполнения как квантовых вычислений, так и управления в реальном времени динамическими объектами, имеет повышенные помехоустойчивость и надежность, имеет простую конструкцию, технологична в изготовлении, наладке и эксплуатации.
Промышленная применимость. Полезная модель может быть использована в серийном производстве квантовых нейрокомпьютеров, для построения всевозможных по назначению квантовых вычислительных систем и квантовых компьютеров, используемых для обеспечения информационной безопасности, шифрования и защиты информации от прямого доступа в секретных линиях связи, а также для построения и производства систем обнаружения и распознавания, систем технической и медицинской диагностики, для построения систем биологической идентификации личности, например, по отпечаткам пальцев, систем для банковских и коммерческих организаций, для военной техники, для построения беспилотных автономных роботизированных транспортных гражданских и боевых систем, в промышленности при производстве роботов, бытовых приборов и детских кибернетических игрушек, в медицине, в системах мониторинга экологической обстановки, в высоких информационных технологиях, в наноробототехнике, а также в других отраслях.
1. Квантовый нейрокомпьютер, содержащий блок хранения бинарного входного сигнала, выход которого связан со входом логической схемы И-ИЛИ, выход которой связан со входом блока внутренней памяти, один выход которого связан с другим входом логической схемы И-ИЛИ, другой выход блока внутренней памяти связан с входом блока формирования из поступивших кодов состояний из регистра внутренней памяти выходной последовательности кодов групп, блок управления, один выход которого связан с третьим входом логической схемы И-ИЛИ и с одним входом блока хранения бинарного входного сигнала, другой выход которого связан с одним входом блока выбора строк и извлечения информации, выходы которого связаны с другими входами блока хранения бинарного входного сигнала, отличающийся тем, что содержит блок ввода и хранения данных в виде двоичного n-разрядного входного вектора S, поступающего на первый вход, а выход связан через логическую схему И-ИЛИ с первым входом блока n-разрядного квантового регистра, первый выход которого связан через логическую схему И-ИЛИ с четвертым входом блока ввода и хранения данных, третий выход блока квантового регистра связан с первым входом блока квантового измерения и формирования кодов групп, результаты работы которого в виде распределения вероятностей Р(Х) двоичных кодов слов Х состояний блока квантового регистра выдаются на первый выход блока квантового измерения, а на его втором выходе из меняющихся во времени кодов слов Х состояний квантового регистра формируется выходная последовательность кодов групп Y, которая подается на объект управления, блок магазина базовых операторов выполнен на регистрах, число которых равно числу базовых операторов, содержит арифметико-логические устройства в виде микросхем, вычисляющих специальные функции в базовых операторах U, выход блока магазина базовых операторов через дешифратор связан со вторым входом блока ввода и хранения данных, блок генераторов синхронизирующих импульсов, первый выход которого связан с третьим входом блока ввода и хранения данных и со вторым входом блока квантового регистра, второй выход блока генераторов синхронизирующих импульсов связан со вторым входом блока магазина базовых операторов, которые в совокупности представляют собой квантовую нейронную сеть, блок управления, первый выход которого соединен со вторым входом блока квантового измерения и формирования кодов групп, а второй его выход соединен с входом блока генераторов синхронизирующих импульсов, блок программ, выход которого связан с первым входом блока магазина базовых операторов и входом блока управления, блок выбора и коррекции программ, вход которого соединен со вторым выходом блока квантового регистра, а выход соединен с входом блока программ, n-разрядный квантовый регистр выполнен с учетом возможности изменения состояния выделенного программой и логическим оператором U отдельного его разряда - кубита, или группы разрядов, во время поступления из блока генераторов синхронизирующих импульсов одного управляющего импульса - кванта действия NS=1, в зависимости от информации S в блоке ввода и хранения данных, блок генераторов синхронизирующих импульсов выполнен с возможностью обеспечения синхронной передачи из блока ввода и хранения данных в блок квантового регистра, определения с помощью блока управления момента передачи кода слова Х состояния в блок квантового измерения и формирования кодов групп Y, блок программ выполнен с возможностью обеспечения ввода и коррекции программ блоком выбора и коррекции путем использования информации о текущем состоянии квантового регистра и модификации программной последовательности, блок управления выполнен с обеспечением возможности циклического NS-кратного повторения последовательности работы всех блоков квантового нейрокомпьютера.
2. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что логические схемы И-ИЛИ выполнены в виде ПЛИС.
3. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке ввода и хранения данных использованы триггеры в составе ПЛИС.
4. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке квантового регистра использованы триггеры, логические схемы И-ИЛИ-НЕ и арифметико-логические схемы в составе ПЛИС.
5. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке квантового измерения и формирования кодов групп использованы дешифраторы, счетчики импульсов и схемы сравнения, выполненные в виде интегральных микросхем.
6. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке магазина базовых операторов использованы в регистрах триггеры, арифметико-логические схемы и дешифратор в виде ПЛИС.
7. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке генераторов синхронизирующих импульсов использованы транзисторы, диоды, схемы дешифраторов, схемы сравнения, а также транзисторные формирователи импульсов.
8. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке управления использованы схемы сравнения, счетчики и дешифраторы в виде интегральных микросхем.
9. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке программ использованы ППЗУ - Перепрограммируемые Полупроводниковые Запоминающие Устройства, схемы сравнения, счетчики импульсов и дешифраторы в виде интегральных схем высокой степени интеграции.
10. Квантовый нейрокомпьютер по п.1, отличающийся тем, что в блоке выбора и коррекции программ применены логические схемы анализа на основе логики И-ИЛИ-НЕ в составе ПЛИС.
