Основы информатики

Материал из Викиучебника — открытых книг для открытого мира
Перейти к навигации Перейти к поиску

Информатика[править]

Информа́тика (фр. Informatique; англ. Computer science) — наука о методах и процессах сбора, хранения, обработки, передачи, анализа и оценки информации с применением компьютерных технологий, обеспечивающих возможность её использования для принятия решений.

Информатика включает дисциплины, относящиеся к обработке информации в вычислительных машинах и вычислительных сетях: как абстрактные, вроде анализа алгоритмов, так и конкретные, например разработка языков программирования и протоколов передачи данных.

Темами исследований в информатике являются вопросы: что можно, а что нельзя реализовать в программах и базах данных (теория вычислимости и искусственный интеллект), каким образом можно решать специфические вычислительные и информационные задачи с максимальной эффективностью (теория сложности вычислений), в каком виде следует хранить и восстанавливать информацию специфического вида (структуры и базы данных), как программы и люди должны взаимодействовать друг с другом (пользовательский интерфейс и языки программирования и представление знаний) и т. п.

  • Значение

Термин нем. Informatik ввёл немецкий специалист Карл Штейнбух в статье Informatik: Automatische Informationsverarbeitung (Информатика: Автоматическая обработка информации) 1957 года.

Термин «Computer science» («Компьютерная наука») появился в 1959 году в научном журнале Communications of the ACM, в котором Луи Фейн (Louis Fein) ратовал за создание Graduate School in Computer Sciences (Высшей школы в области информатики) аналогичной Гарвардской бизнес-школе, созданной в 1921 году. Обосновывая такое название школы, Луи Фейн ссылался на Management science («Наука управления»), которая так же как и информатика имеет прикладной и междисциплинарный характер, при этом имеет признаки характерные для научной дисциплины. Усилия Луи Фейна, численного аналитика Джорджа Форсайта[en] и других увенчались успехом: университеты пошли на создание программ, связанных с информатикой, начиная с Университета Пердью в 1962.

Французский термин «informatique» введён в 1962 году Филиппом Дрейфусом, который также предложил перевод на ряд других европейских языков.

Термины «информология» и «информатика» предложены в 1962 году членом-корреспондентом АН СССР Александром Харкевичем. Основы информатики как науки были изложены в книге «Основы научной информации» 1965 года, которая была переиздана в 1968 году, под названием «Основы информатики».

Носитель информации[править]

Носи́тель информа́ции (информацио́нный носи́тель) — любой материальный объект или среда, используемый человеком, способный достаточно длительное время сохранять (нести) в своей структуре занесённую на него информацию, без использования дополнительных устройств (например, источника энергии).

Это может быть, например, камень, дерево, бумага, металл, пластмассы, кремний (и другие виды полупроводников), лента с намагниченным слоем (в бобинах и кассетах), фотоматериал, пластик со специальными свойствами (например, в оптических дисках) и другие.

Носителем информации может быть любой объект, с которого возможно (доступно) чтение (считывание) имеющейся на нём (нанесённой, записанной) информации.

Зачастую сам носитель информации помещается в защитную оболочку, повышающую его сохранность и, соответственно, надёжность сохранения информации (к примеру: бумажные листы помещают в обложку, микросхему памяти — в пластик (смарт-карта), магнитную ленту — в корпус и т. д.).

Жёсткий диск[править]

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках, или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, винчестер — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от гибкого диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной («парковочной») зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Со второй половины 2000-х годов получили распространение более производительные твердотельные накопители, вытесняющие дисковые накопители из ряда применений несмотря на более высокую стоимость единицы хранения; жёсткие диски при этом, по состоянию на середину 2010-х годов, получили широкое распространение как недорогие и высокоёмкие устройства хранения как в потребительском сегменте, так и корпоративном.

  • Название «винчестер»

По одной из версий, название «винчестер» (англ. Winchester) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону (англ. Kenneth E. Haughton), руководителю проекта, в результате в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 мегабайт каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — винтовки Winchester Model 1894, использующего винтовочный патрон .30-30 Winchester. Также существует версия, что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускавшегося Winchester Repeating Arms Company, первого созданного в США боеприпаса для гражданского оружия «малого» калибра на бездымном порохе, который превосходил патроны старых поколений по всем показателям и немедленно завоевал широчайшую популярность.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт».

  • Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке за счёт электромагнитной индукции.

С конца 1990-х на рынке устройств хранения информации начали применяться головки на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления (ГМС).

С начала 2000-х головки на основе эффекта ГМС стали заменяться на головки на основе туннельного магниторезистивного эффекта (в них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления в зависимости от изменения напряжённости магнитного поля; подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации, особенно при больших плотностях записи информации). В 2007 году устройства на основе туннельного магниторезистивного эффекта с оксидом магния (эффект открыт в 2005 году) полностью заменили устройства на основе эффекта ГМС.

Твердотельный накопитель[править]

Твердотéльный накопи́тель (англ. solid-state drive, SSD) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, которое пришло на смену HDD. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Наиболее распространённый вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создаётся на базе DRAM-памяти, снабжённой дополнительным источником питания — аккумулятором.

В настоящее время твердотельные накопители используются не только в компактных устройствах — ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах, планшетах, но могут быть использованы и в стационарных компьютерах для повышения производительности.

По сравнению с традиционными жёсткими дисками (HDD), твердотельные накопители имеют меньший размер и вес и большую скорость, но в несколько раз (6–7) большую стоимость за гигабайт и значительно меньшую износостойкость (ресурс записи).

Логическая структура жесткого диска[править]

Для того, чтобы начать свою работу в качестве информационного амбара, жесткий диск должен пройти, как минимум, два испытания: создание на винчестере разделов и логических дисков и форматирование. Начнем с первой — разбивки единого пространства жесткого диска на более мелкие кусочки. Диск можно разбить на несколько разделов.. Например, на два — основной и дополнительный. Главная программа, необходимая для работы компьютера (операционная система) должна обязательно проживать в основном разделе (на практике на компьютер можно установить несколько операционных систем, каждая из которых будет проживать в собственном разделе). Жесткий диск разбивается на разделы, в разделах, в свою очередь, создаются логические диски. Понятно, что у каждого такого диска должно быть имя — это удобнее и пользователю, и самому компьютеру. Именами дисков служат буквы, например:

А — дискета,

С — жесткий диск,

D — второй жесткий диск или, при его отсутствии, дисковод DVD...

Для разбивки жесткого диска на разделы мы можем использовать как стандартные программы, так и отдельные утилиты типа Partition Magic от компании Symantec. Итак, мы разбили диск на разделы и логические диски. Так сказать, разбили поле на участки. Но наша работа еще не закончена: после разбивки нам предстоит выполнить операцию форматирования, логической разметки всего пространства винчестера. На физическом уровне жесткий диск разбит на дорожки, которые в свою очередь делятся на секторы. Сектор — это минимальный физический объем диска, который может быть занят данными: как правило, его объем составляет 512 байт. При логической разметке жесткого диска на нем создаются более крупные логические участки — кластеры, объединяющие несколько секторов. Число секторов в кластере, а, стало быть, и его размер, зависят от объема жесткого диска и выбранного типа файловой системы. Размер кластера влияет и на объем, занимаемый вашими файлами, и на скорость работы всей системы. Ведь в кластер, частично занятый каким-либо файлом, нельзя поместить больше ничего. Если для вас важнее объем, размер кластера должен быть как можно меньше. Но и уменьшать его до бесконечности тоже нельзя: чем меньше раздел кластера, тем больше фрагментация данных на вашем компьютере, что в свою очередь, приводит к снижению скорости обмена данными с жестким диском.

Материнская плата[править]

Матери́нская пла́та (от англ. motherboard, MB или англ. mainboard — главная плата) — печатная плата, являющаяся основой построения модульного устройства, например — компьютера.

Материнская плата содержит основную часть устройства, дополнительные же или взаимозаменяемые платы называются дочерними или платами расширений.

Обычные компоненты материнской платы компьютера

В качестве основных (несъёмных) частей материнская плата имеет:

  • разъём процессора (ЦПУ),
  • разъёмы оперативной памяти (ОЗУ),
  • микросхемы чипсета (подробнее см. северный мост, южный мост),
  • загрузочное ПЗУ,
  • контроллеры шин и их слоты расширения,
  • контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.

Материнская плата с сопряженными устройствами монтируется внутри корпуса с блоком питания и системой охлаждения, формируя в совокупности системный блок компьютера.

Процессор[править]

Центра́льный проце́ссор (ЦП; также центра́льное проце́ссорное устро́йство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Информация[править]

Информа́ция (от лат. informātiō — «разъяснение, представление, понятие о чём-либо», от лат. informare — «придавать вид, форму, обучать; мыслить, воображать) — сведения независимо от формы их представления.

Несмотря на широкую распространённость, понятие информации остаётся одним из самых дискуссионных в науке, а термин может иметь различные значения в разных отраслях человеческой деятельности.

Определений информации существует множество, причём академик Н. Н. Моисеев даже полагал, что в силу широты этого понятия нет и не может быть строгого и достаточно универсального определения информации.

Хотя информация должна обрести некоторую форму представления (то есть превратиться в данные), чтобы ею можно было обмениваться, информация есть в первую очередь интерпретация (смысл) такого представления . Поэтому в строгом смысле информация отличается от данных, хотя в неформальном контексте эти два термина очень часто используют как синонимы.

Первоначально «информация» — сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т. д.); с середины XX века термин «информация» превратился в общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму (например, генетическая информация); одно из основных понятий кибернетики.

Как хранится информация[править]

Компьютеру абсолютно безразлично, чем именно мы забиваем винчестер — документами ли, музыкой или картинками. Для него все это — информация, которую нужно лишь разбить на определенные кусочки — и в любой момент знать, где именно находится тот или иной кусочек. Файл в переводе с английского — это просто лист, на котором может быть записана некая информация. Неважно, что это — код программы или созданный вами текст. Важно другое — что каждый такой листок является чем-то логически завершенным, законченным. Имя файла чаще всего может быть выбрано произвольно самим пользователем. Скажем, вы создали файл-документ с текстом своего договора с фирмой — его можно назвать «Договор», «Документ 4155» или вообще «Апрельские тезисы». Раньше, в эпоху DOS, имена файлов могли состоять максимум из восьми букв латинского алфавита — сегодня их может быть до 256 и никаких языковых ограничений не осталось. Работая с русской версией Windows, мы можем давать нашим документам-файлам русские имена, а китайцы, к примеру, могут с легкостью использовать свои иероглифы. В компьютерном мире существует бесчисленное множество расширений — запомнить все просто нереально. Однако основных расширений не так уж много:

• ехе — обозначает «исполняемый» файл, хранящий в себе программу. Например, winword.exe;

• com — другой тип программного файла. Обычно файлы.сот соответствуют небольшим (до сотни килобайт) программкам. Часто встречались в эпоху DOS, однако сегодня практически не применяются;

• bat — так называемый «пакетный файл», предназначенный для последовательного запуска нескольких программ. По сути дела, это обычный текстовый файл, в котором набраны названия программных файлов, которые вы хотите выполнить, в необходимом вам порядке. Пример — файл autoexec.bat, автоматически выполняющийся в момент загрузки компьютера;

• cfg — конфигурационный файл, в котором программа указывает параметры своей работы;

• dll — так называемая «динамически подключающаяся библиотека» данных, к которой могут обратиться по мере надобности сразу несколько программ;

• hip — файл справки, в котором хранятся «подсказки», а иногда — и полное руководство по той или иной программе;

• txt, doc — текстовые файлы;

• htm, html — гипертекстовый документ Интернета;

• xls — электронная таблица;

• dat — файл данных;

• war, mp3 — звук в цифровом формате;

• brap, jpg — графическая информация, картинки;

• arj, zip, rаr, 7z — файлы «архивов».

Есть у файла и еще один признак, называемый атрибутом. Однако, в отличие от имени и расширения, его-то пользователь как раз и не видит. Зато великолепно видит и понимает компьютер. Вот лишь некоторые из этих атрибутов:

- Скрытый (Hidden). Файлы с этими атрибутами обычно не видны пользователю. Для перестраховки — как правило, файлы эти весьма важные для функционирования системы. Хотя опытному пользователю не составит труда настроить программу просмотра файлов (файловый менеджер) таким образом, что все скрытые файлы будут видны как на ладони.

- Только для чтения (Read-Only). А вот эти файлы всегда открыты. Но и только. Изменить их содержание нельзя — по крайней мере, без специальной команды пользователя, чтобы последний был полностью уверен в том, что именно он делает.

- Системный (System). Этим атрибутом, как особым знаком отличия, отмечены самые важные файлы в операционной системе, отвечающие за загрузку компьютера. Их повреждение или удаление всегда влечет за собой самые тяжкие последствия — поэтому щедрый компьютер, не скупясь, «награждает» их заодно и двумя предыдущими атрибутами — «только для чтения» и «скрытый».

- Архивный (Archive). Этот атрибут устанавливается обычно во время работы с файлом, при его изменении. По окончании сеанса работы он, как правило, снимается.

Файлы объединены в особые структуры — папки. Или — каталоги. Или — директории. Или — фолдеры.

Папка — самый поздний термин и, наверное, самый удачный. Обычно каждый программный пакет, установленный на вашем компьютере, занимает свою, отдельную папку. Как отличить папку от файла? Не так уж и сложно. Во-первых, папки не имеют расширения и обозначаются в Windows особыми значками — как раз в виде открывающейся папки. Во-вторых, в отношении папки нельзя применить операции редактирования. Переименовать, перенести, удалить — пожалуйста. И, конечно же, папку можно открыть, чтобы посмотреть, что в ней находится. Для этого достаточно просто щелкнуть по ней дважды левой кнопкой мыши. А теперь разберемся, как выглядит логический адрес любого файла или папки на нашем жестком диске. Первый элемент этого адреса — имя диска. Состоит оно из одной бук¬вы, двоеточия и обратной косой черты, называемой на жаргоне «бэк-слэш»:

А:\

С:\

D:\

Е:\

Диском А:\ чаще всего называется дисковод и, пока вы не вставите в него дискету, этого диска у вас как бы и не будет.

Диск С:\ — главный жесткий диск вашего компьютера (либо логический диск в основном разделе). Именно с этого диска производится загрузка си-стемы, именно на нем «живет» большинство ваших программ и документов. Если в вашей системе больше одного жесткого диска или единственный жесткий диск разбит на несколько разделов, эти разделы будут носить имена, соответствующие следующим буквам латинского алфавита. А последняя буква-имя обычно обозначает дисковод CD-ROM. Дальше следуют директории — папки и подпапки. Например, адрес папки, в которой установлена ваша операционная система Windows, обычно выглядит так:

C:\WINDOWS

Третий элемент адреса — имя самого файла. Например, адрес C:\WINDOWS\regedit.exe соответствует программе для редактирования системного реестра Windows, которая находится на диске С:\ в папке Windows.

Файловая система

Именно файловая система позволяет окончательно упорядочить данные на нашем жестком диске. Когда мы записываем на винчестер файлы и папки, компьютер разбивает их на привычные ему кластеры и раскидывает по всему пространству жесткого диска. Файл, конечно же, в одном кластере не помещается. Проживает он сразу в нескольких, причем совершенно не обязательно, что кластеры эти будут жить рядом. Чаще случается наоборот: файл хранится на диске в раздробленном виде. Таблица размещения файлов — это часть файловой системы, ответствен¬ной за хранение данных на нашем компьютере. Файловая система создается на жестком диске на заключительном этапе форматирования, и именно от нее зависят такие важные параметры, как размер кластера, количество или вид символов в имени файла, возможности работы с папками и многое другое — вплоть до максимального размера жесткого диска... Существует несколько стандартных файловых систем, «привязанных» к конкретным операционным системам. Например, DOS и первые версии Windows использовали 16-разрядную файловую систему FAT16, в которой отсутствовала поддержка длинных имен, а объем логического диска не мог превышать 4 Гб (65 524 кластеров по 64 кб). В частности, именно этот фактор заставлял владельцев винчестеров большой емкости «разбивать» его на несколько разделов — иначе работать с диском было невозможно. Для Windows 95 была создана новая модификация файловой системы — 32-битная FAT32, которая позволяла использовать так полюбившиеся нам длинные имена. Уменьшился максимальный размер кластера — до 16 кб (стандартный же размер составлял 4 кб). А главное, — увеличился максимальный размер жесткого диска — до 4 Гб! если преобразовать файловую систему FAT32 в NTFS не составит никакого труда даже с помощью штатных программ Windows, причем с полным сохранением всей информации, то выполнить обратное преобразование в большинстве случаев просто невозможно без форматирования диска. И, как следствие, утраты всей информации... Конечно, существуют специальные программы для работы с разделами и файловыми системами, например, Partition Magic, которая умеет конвертировать диск NTFS в FAT32 без потери информации. Но их использование сопряжено с немалыми трудностями — в особенности для новичков. И все же, несмотря на все недостатки, использование NTFS сегодня дает куда больше преимуществ, чем неудобств. Поэтому уверенно отвечайте «да!» на вопрос о переводе в NTFS — и окончательно прощайтесь с прошлым.

Компьютер[править]

Компью́тер (англ. computer, МФА: [kəmˈpjuː.tə(ɹ)] — «вычислитель») — устройство или система, способная выполнять заданную, чётко определённую, изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.

Компьютерная система — любое устройство или группа взаимосвязанных или смежных устройств, одно или более из которых, действуя в соответствии с программой, осуществляет автоматизированную обработку данных.

Квантовый компьютер[править]

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Хотя появление транзисторов, классических компьютеров и множества других электронных устройств связано с развитием квантовой механики и физики конденсированного состояния, информация между элементами таких систем передаётся в виде классических величин обычного электрического напряжения.

Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На середину 2010-х были практически реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированный алгоритм небольшой сложности.

Первым практическим высокоуровневым языком программирования для такого вида компьютеров считается язык Quipper[en], основанный на Haskell

  • Введение

Идея о квантовых вычислениях была высказана Юрием Маниным в 1980 году.

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году. Вскоре Пол Бениофф описал теоретические основы построения такого компьютера.

Также концепцию квантового компьютера в 1983 предлагал Стивен Визнер в статье, которую он пытался опубликовать в течение более десяти лет до этого.

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа {\displaystyle n} n составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для {\displaystyle n=10} n=10. Поэтому Визнер и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, — такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

  • Кубит

Идея квантовых вычислений состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространство состояний такого квантового регистра является 2L-мерным гильбертовым пространством. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит фактически задействует одновременно 2L классических состояний.

Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния: поляризационные состояния фотонов, электронные состояния изолированных атомов или ионов, спиновые состояния ядер атомов, и т. д.

  • Вычисления

Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берётся система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера. Роль проводов классического компьютера играют кубиты, а роль логических блоков классического компьютера играют унитарные преобразования. Такая концепция квантового процессора и квантовых логических вентилей была предложена в 1989 году Дэвидом Дойчем. Также Дэвид Дойч в 1995 году нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно выполнять любые квантовые вычисления.

Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счёт небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.

С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, любой квантовый компьютер решит, и почти за такое же время.

Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов.

Этимология[править]

Слово компьютер является производным от английских слов to compute, computer, которые переводятся как «вычислять», «вычислитель» (английское слово, в свою очередь, происходит от латинского computāre — «вычислять»). Первоначально в английском языке это слово означало человека, производящего арифметические вычисления с привлечением или без привлечения механических устройств. В дальнейшем его значение было перенесено на сами машины, однако современные компьютеры выполняют множество задач, не связанных напрямую с математикой.

Впервые трактовка слова компьютер появилась в 1897 году в Оксфордском словаре английского языка. Его составители тогда понимали компьютер как механическое вычислительное устройство. В 1946 году словарь пополнился дополнениями, позволяющими разделить понятия цифрового, аналогового и электронного компьютера.

Понятие компьютер следует отличать от понятия Электронно-вычислительная машина (ЭВМ); последняя является одним из способов реализации компьютера. ЭВМ подразумевает использование электронных компонентов в качестве её функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах — он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т. п., работая за счёт перемещения механических частей, движения электронов, фотонов или эффектов других физических явлений. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой (ЦВМ) и аналоговой (АВМ). С другой стороны, термин «компьютер» предполагает возможность изменения выполняемой программы (перепрограммирования), что возможно не для всех видов ЭВМ.

В настоящее время термин ЭВМ, как относящийся больше к вопросам конкретной физической реализации компьютера, почти вытеснен из бытового употребления и в основном используется инженерами цифровой электроники, как правовой термин в юридических документах, а также в историческом смысле — для обозначения компьютерной техники 1940—1980-х годов и больших вычислительных устройств, в отличие от персональных компьютеров.