Есть ли пределы развития и миниатюризации компьютеров

      Для построения химических  (газовых) сенсоров уже давно используются преобразователи сигнала из химической формы в электрическую и обратно. Что касается преобразования электрических сигналов  в оптические, то для этого подходят молекулярные аналоги светодиодов и лазеров, в которых используются светоизлучающие молекулы (хромафоры). Недавно появилось сообщение японских ученых о создании светоизлучающего устройства, состоящего из одной органической молекулы дендромера.

      Если для вывода и отображения информации в молекулярном компьютере использовать уже существующие сегодня устройства (мониторы, проекторы и т.п.), то, как и в случае с вводом, необходимо просто иметь соответствующие преобразователи сигналов. Вместе с тем, молекулярная электроника предлагает свои пути решения этой проблемы. Например, разрабатываются молекулярные устройства, на основе которых могут быть созданы сверхтонкие жидкокристаллические мониторы. Для этого под массой жидких кристаллов наносится тонкая органическая пленка, обладающая ориентирующим эффектом. На каждую молекулу пленки поступает сигнал из компьютера, меняющий ее конформацию и соответственно ориентацию нанесенного сверху слоя жидких кристаллов, а также его отражательные свойства. Таким образом, полученная структура  может служить для вывода информации на экран.

      По сходному принципу работают так называемые “электронные таблетки” – экраны небольшого размера, покрытые слоем хиральных жидких кристаллов, молекулы которых могут менять тип симметрии в зависимости от ориентации подложки, изменяя при этом и окраску. Такие таблетки из полиимидных подложек с внедренными молекулами азокрасителей  позволяют записывать с помощью поляризованного света лазера и отображать очень большой объем информации, в результате чего они получили название “газеты будущего” [9]. Такие структуры могут создаваться и на гибкой полимерной подложке, что делает их еще более удобными для использования.

      Второй возможный тип устройств отображения информации – это органические светодиоды, то есть активные излучающие устройства на основе p-n переходов, созданных из органических материалов. Такой светодиод состоит из одного или нескольких слоев органических молекул, помещенных между двумя электродами. Излучение света диодом происходит за счет взаимного уничтожения (аннигиляции) положительных и отрицательных зарядов в слое органического материала. Эти заряды могут поступать на светодиод непосредственно из молекулярного компьютера.  Стоит отметить, что используемые в диоде  электроды могут быть изготовлены не только из металла, но и из органических материалов, например на основе полианилина или полиацетилена. На сегодняшний день уже достигнут значительный прогресс в получении высоких значений эффективности светодиодов,  в понижении их рабочих напряжений, а также в выборе цвета излучения. Разработаны устройства с эффективностью несколько люмен на ватт и со сроком службы несколько тысяч часов .   

                   1.4 Есть ли у молекулярных компьютеров будущее ?

      Хотя теоретические основы молетроники уже достаточно хорошо разработаны и созданы прототипы практически всех элементов логических схем, однако на пути реального построения молекулярного компьютера встают значительные сложности. Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качестве логических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическим элементам.

      В первую очередь логический элемент должен обладать высокой надежностью срабатывания при подаче управляющего воздействия. Если рассматривать оптическую связь между элементами, то в системе одна молекула - один фотон надежность переключения будет невелика из-за относительно малой вероятности перехода молекулы в возбужденное состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность, используя одновременно большое число квантов. Но это противоречит другому важному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен быть близок к 1, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со средней мощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов в цепь вероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Кроме того,  элемент должен однозначно переключаться в требуемое состояние и находиться в нем достаточно долго – до следующего воздействия. Для сравнительно простых молекул это требование, как правило, не выполняется : если переходом в возбужденное состояние можно управлять, то обратный переход может происходить спонтанно.

      Однако не все так плохо. Использование больших органических молекул или их комплексов позволяет,  в принципе, обойти перечисленные трудности. Например, в некоторых белках КПД электронно – оптического преобразования близок к 1. К тому же, для большинства биологических молекул время жизни возбужденного состояния достиает нескольких секунд.

      Но даже в том случае, если отдельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников, эффективной работы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники и комбинированных вычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Для этого надо заставить несколько молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда неправильное срабатывание одного их них не приведет к заметному сбою в вычислениях. Современный суперкомпьютер, работающий по принципу массивного параллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может сохранить высокую производительность даже в том случае, если 75% из них выйдет из строя. Практически все живые системы используют принцип параллелелизма. Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает им эффективно функционировать.

      Сегодня в мире существует уже более десятка научно-технологических центров, занимающихся разработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодно конференции (в 2000 году прошла уже 14 такая конференция) собирают сотни специалистов в этой области. [7]

      Большой интерес к молетронике вызван не только перспективами построения компьютера, но и широкими возможностями развития новых технологий. Благодаря высокой чувствительности  электронных молекулярных устройств к свету их можно использовать для создания эффективных преобразователей солнечной энергии, моделирования процессов фотосинтеза, разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза. Молекулярные устройства можно использовать также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживляется в организм человека с целью контроля за его состоянием.

      Для решения стоящих перед молекулярной электроникой проблем нужны усилия широкого круга ученых, работающих в области академических знаний от коллоидной химии и  биологии  до теоретической физики, а также в области высоких технологий. Кроме того, требуются значительные финансовые вложения.

                               Глава 2

 Квантовые компьютеры – миф или грядущая реальность ?

           2.1   История развития теории квантовых

               вычислительных устройств

      Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений (*) утвердилась в качестве новой области науки.[2]  Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман [1]. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислительных устройств.

 * Теория квантовых компьютеров – одна из современных ветвей  квантовой механики и теории квантовых вычислений. Квантовая механика – теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц,атомов,молекул,атомных ядер ) и их систем,а также связь величин, характеризующих частицы и системы, c физическими величинами, непосредственно измеряемых в макроскопических опытах. Законы квантовой  механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.

    Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан на специфических законах  квантовой механики, которая, в частности, создала фундамент  для такой бурно развивающейся  области физики как квантовая электроника и заложила основы для формирования теории квантовых вычислений.

      В 1960-е годы американский физик Р.Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления – это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют [2].

      К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.

      По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли в выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего  лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана (CH4). Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация : зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы,

практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной (!). И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданный потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю.И.Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств.[1] В 1980-е годы эту же проблему изучал американский физик П.Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д.Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог. [1]        

      Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р.Фейнман. Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.

      И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П.Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел. По сравнению с лучшим из известных на сегодняшний день классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес  для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.  

      В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л.Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных – телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.) Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума. Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема – ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П.Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекций в них ошибок.                      

2.2  Производство квантовых компьютеров :

       технологические трудности и перспективы

      Прототипы квантовых компьютеров существуют уже  сегодня. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. [4] Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности.

     К таким трудностям (мы будем называть их пределами) можно отнести следующие :

a)    Предел первый  :  быстродействие

     Все логические операции, осуществляемые компьютером, основаны на переключении битов между условными значениями “0” и “1”, которым отвечают два устойчивых физических состояния. Во всех случаях скорость переключения битов и, следовательно, быстродействие вычислительного устройства определяются тем, насколько быстро протекает соответствующий физический процесс. Например, время переключения транзистора тем меньше, чем больше подвижность электронов в полупроводнике, скорость перехода молекулы из одной формы в другую определяется вероятностью этого события и т.д. Времена процессов переключения, как  правило, очень малы (от 1 до 10-15 секунды). И все же они конечны.

     С точки зрения квантовой механики, утверждает физик из Массачусетского технологического института (США) Сет Ллойд,  скорость вычисления ограничена полной доступной энергией [7]. В 1998 году это положение было теоретически доказано математиками из Массачусетского технологического университета (США) Норманом Марголусом и Львом Левитиным. Им удалось показать, что минимальное время преключения бита равно одной четверти постоянной Планка, деленной на полную энергию:

                       1h/4E

      Таким образом, чем больше энергия компьютера, используемая им для вычислений, тем быстрее он считает. По мнению Ллойда, “предельный” компьютер – это такой компьютер, вся энергия которого будет  расходоваться только на вычислительный процесс.

      Исходя из приведенного соотношения, оценим, к примеру, быстродействие некоторого гипотетического компьютера массой 1 килограмм, состоящего всего из одного бита. Как известно, полная энергия тела задается фундаментальным соотношением  E=mc2, где  m-масса объекта, с – скорость света в вакууме. Итого имеем 1017 Дж. Если бы всю эту энергию , “погребенную” в массе нашего компьютера, можно было бы использовать в вычислительном процессе, время переключения бита достигло бы фантастически малых величин порядка 10-51  секунды! Полученное значение существенно больше “планковского промежутка времени”,  (10-44 секунды) – минимального временного интервала, который, с точки зрения квантовой гравитации, требуется для протекания любого физического события.

      Однако мы рассмотрели однобитный компьютер, в то время как на практике любой ЭВМ требуется не один, а множество битов. Если энергию нашего гипотетического компьютера распределить между миллиардами битов, время переключения уже каждого из них будет уже меньше планковского. Важно, что при этом общее число переключений  всех битов за секунду останется прежним – 1051.

      По сравнению с предельным компьютером Ллойда нынешние ЭВМ – просто черепахи : при тактовой частоте порядка 500 мегагерц типичный современный компьютер выполняет лишь 1012 операций в секунду. Предельный компьютер работает в 1039  раз быстрее!. А если он будет весить не килограмм, а тонну, быстродействие возрастет еще в 1000 раз.

      В чем причина медлительности современных ЭВМ? Все дело в том, считает Ллойд, что полезную работу в них совершают лишь электроны, перемещающиеся внутри транзисторов. Что касается основной массы компьютера, то она не только не используется как источник энергии, но, напротив, препятствует свободному движению носителей зарядов. Единственная ее функция – поддерживать ЭВМ в стабильном состоянии.

      Как избавиться от бесполезной массы? Надо превратить ее в кванты электромагнитного излучения - фотоны, которые, как известно, не имеют массы покоя (считается, что она равна 0). Тогда вся энергия, запасенная в массе, перейдет в энергию излучения, и компьютер из неподвижного серого ящика превратится в светящийся огненный шар! Как ни странно,но именно так может выглядеть предельный компьютер,считает Ллойд. Его вычислительная мощность будет огромна: менее чем за одну наносекунду он сможет решать задачи, на которые у современных ЭВМ ушло бы время, равное жизни вселенной!

1	2	3