Вступление. *

Глава 2 *

Глава 2 *

Заключение *

Список литературы. *

Глава 2

Квантовые компьютеры

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. 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 :

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 . 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=mc ² , где m-масса объекта, с – скорость света в вакууме. Итого имеем 10 ¹⁷ 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 – 10 ⁵¹ .

По сравнению с предельным компьютером Ллойда нынешние ЭВМ – просто черепахи : при тактовой частоте порядка 500 мегагерц типичный современный компьютер выполняет лишь 10 ¹² операций в секунду. Предельный компьютер работает в 10 ³⁹ 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!

Однако, остается еще проблема ввода-вывода информации. Как бы мы не совершенствовали процесс ввода-вывода, описанная модель “предельного” компьютера имеет один принципиальный недочет. Допустим, максимальный размер (например,диаметр) нашего компьютера равен 10 сантиметрам. Поскольку фотоны движутся со скоростью света, то все 10 ³¹ битов информации, хранящейся в нашем компьютере, не могут быть “скачаны” из него быстрее, чем за время, требующееся свету для прохождения расстояния в 10 сантиметров – то есть за 3 ^-10 секунды.Значит, максимальная скорость обмена информацией компьютера с внешним миром равна 10 ⁴¹ бит в секунду. А предельная скорость обработки информации, как мы уже выяснили раньше, составляет 10 ⁵¹ бит в секунду, что в десять миллиардов раз быстрее. Таким образом, необходимость связи компьютера с внешним миром, а также отдельных его частей друг с другом может приводить к существенным потерям в скорости вычислений. “Отчасти решить эту проблему можно, заставив куски копьютера работать независимо друг от друга, в параллели”,-отмечает Ллойд.

Есть ли способ повысить скорость ввода-вывода? ”Да,-говорит Ллойд,-надо уменьшать размера компьютера.” Тогда обмен информацией будет происходить быстрее, а объем памяти станет меньше. При этом доля последовательных операций в компьютере может возрасти, а доля параллельных – уменьшиться.

Заметим, что до сих пор все наши рассуждения касались только быстродействия предельного компьютера, но мы забыли о такой важной его характеристике, как память. Существует ли предел запоминающей способности вычислительных систем?

Память компьютера ограничена его энтропией , утверждает Сет Ллойд, то есть степенью беспорядка, случайности в системе. В теории информации понятие энтропии – аналог понятия количества информации . Чем более однородна и упорядочена система, тем меньше информации она в себе содержит.

Величина энтропии S пропорциональна натуральному логарифму числа различимых состояний системы (W): S =k*ln(W), где k – постоянная Больцмана. Смысл этого соотношения очевиден: чем больший объем информации вы хотите сохранить, тем больше различимых состояний вам потребуется. Например, для записи одного бита информации необходимо два состояния: включено и выключено. Чтобы записать два бита, потребуется уже 4 различных состояния, 3 бита - 8, n битов – 2eN состояний.

Таким образом, чем больше различных состояний в системе, тем выше ее запоминающая способность.

Чему равна энтропия “предельного” квантового компьютера?

Во-первых, она зависит от объема компьютера: чем он больше, тем большее число возможных положений в пространстве могут занимать его частицы. Во-вторых, необходимо знать распределение частиц по энергиям. Для этого можно воспользоваться готовым расчетом, выполненным еще сто лет назад Максом Планком при решении задачи о так называемом черном теле. Что же мы получим? Оказывается, литр квантов света может хранить около 10 ³¹ битов информации – это в 10 ²⁰ раз больше, чем можно записать на современный 10-гигабайтный жесткий диск! Откуда такая огромная разница? По мнению Ллойда ,все дело в том, что способ, которым в современных компьютерах записывается и хранится информация, чрезвычайно неэкономен и избыточен. За хранение одного бита отвечает целый “магнитный домен” – а ведь это миллионы атомов . Таким образом, вновь встает вопрос об уменьшении размеров ЭВМ.

На сегодня существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты.

И. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул.

Российский исследователь М. В. Фейгельман, работающий в институте теоретической физики им. Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводниковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце-по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем.

В физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К. А. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в пролупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини–электродам на поверхности полупроводника. Состояния 0 и 1 – положение электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте ядром является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупроводника. Состояния 0 и 1 – направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.

Таким образом, исследования активно ведутся, и можно предположить, что в самом недалеком будущем – лет через 10 – эффективный квантовый компьютер будет создан.

Глава 2

Впервые теория использования органической молекулы в качестве элементной базы микроэлектроники возникла в 1974 году, когда ведущие инженеры фирмы IBM А.Авирам и М.Ратнер предложили модель выпрямителя (диода), состоящего из одной органической молекулы. Две половинки этой молекулы обладают противоположными свойствами по отношению к электрону : одна может только отдавать электрон (донор), а другая – только принимать (акцептор). Если поместить такую ассиметричную молекулу между двумя металлическими электродами, то вся система будет проводить ток только в одном направлении .

Предложения Авирама и Ратнера о создании молекулярных систем с направленной электронной проводимостью инициировали экспериментальные работы по синтезу и изучению свойств таких молекул. Выдвигались также идеи создания на их основе аналога полупроводникового транзистора за счет внедрения между донорной и акцепторной частями молекулы дополнительной управляющей молекулярной группировки (затвора), свойства которого могут быть изменены каким-либо воздействием (подачей напряжения, освещением и т.п.). Если соединить два таких транзистора, получится аналог полупроводникового триггера (или вентиля) – устройства, которое может переключаться между двумя устойчивыми состояниями, выполняющими роль логического “0” и “1”.А это, по сути, базовый элемент любого компьютера, работающего по принципу бинарной (двоичной) логики.

Следующим важным шагом в развитии молекулярной схемотехники стал отказ от простого копирования полупроводниковых схем с заменой в них обычных транзисторов на молекулярные. Дело в том, что существует множество как природных, так и синтезированных человеком молекул, которые сами по себе могут служить логическими элементами. Их разделяют на два типа. К первому относятся молекулы, обладающие двумя устойчивыми состояниями, которым можно приписать значения “0” и “1”. Научившись переключать их из одного состояния в другое с помощью внешних воздействий, мы фактически получим уже готовый вентиль. Молекулы второго типа содержат фрагменты, способные выполнять роль упомянутых выше управляющих группировок. Одна такая молекула может работать как логически активный элемент НЕ-И,НЕ-ИЛИ и т.д. На основе уникальных свойств органических молекул уже сегодня разработано множество вариантов схем для гипотетического молекулярного компьютера.

Что же должен включать в себя молекулярный компьютер? Очевидно, что его основные компоненты должны быть теми же, что и у обычного компьютера : система ввода информации, вычислительный блок (процессор), система хранения информации (память) и, наконец, система вывода информации. Ну и, конечно, провода и блок питания.

Процессор, по всей видимости, будет состоять из молекулярных логических элементов. Приведем несколько примеров уже существующих разработок :

1) В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы, имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковой молекулярной массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешнего воздействия.Например, молекула соединения типа спиробензипирана может быть переключена из состояния “0” в состояние “1” с помощью ультрафиолетового излучения, а в обратном направлении с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие логические функции .

2) В последнее время в нескольких научных центрах разработаны и запатентованы переключающие элементы на зеркально симметричных – хиральных (от греч. хирос – рука) – изомерах, которые также могут применяться для хранения и обработки информации : функции логических “0” и “1” выполняют “правая” и “левая” формы молекулы . Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного состояния в другое производится при одновременном действии света и электрического поля : свет сообщает молекуле энергию, а электрическое поле задает направление переключения. Считывание информации происходит оптическим способом.

4) Рассмотрим еще один вариант молекулярных устройств, способных выполнять логические операции. Представим себе длинную молекулу, состоящую из двух типов чередующихся структурных группировок, одни из которых служат потенциальными ямами,. а другие - потенциальными барьерами для прохождения электрона вдоль молекулы. Таким образом, эта молекулярная цепочка представляет собой “полосу препятствий” для электрона. Исходное состояние молекулы задается так, что электрон может легко пройти ее ( за счет эффекта резонансного туннелирования). Однако стоит только воздействием на одну из группировок изменить высоту барьера или глубину ямы, - и прохождение электрона станет невозможным. Допустим, наша молекула имеет четыре потенциальные ямы, глубиной которых мы можем управлять путем оптического или электрического взаимодействия. Тогда она способна работать как логичекий элемент НЕ-И с четырьмя входами. То есть электрон через молекулярную цепочку будет проходить только в те моменты, когда сигнал на всех четырех входах отсутствует.

Используя в качестве строительных блоков хотя бы одно из вышеперечисленных молекулярных устройств, теоретически можно построить схему, выполняющую сколь угодно сложные логические операции и вычисления. Из этих же элементов можно создавать и блоки оперативной памяти (ОЗУ), а также постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Для работы последних необходимо, чтобы время жизни используемых в них молекул в том или ином состоянии было достаточно велико. Только тогда информация сможет храниться дительное время.

Итак, у нас уже есть набор необходимых базовых элементов молекулярного компьютера. Как же объединить их в единый вычислительный комплекс? Современные методы химического синтеза позволяют “сшивать” большие органические молекулы, химически соединяя “выходы”одних логических элементов с “входами” других.

Один из методов молекулярной архитектуры – построение объемных схем молекулярных устройств – технология Меррифильда, разработанная еще в начале 70-х годов для получения полипептидов с заданной последовательностью аминокислот. Так,например, на основе этого метода сотрудник центра молекулярной электроники IBM доктор Джон Линдсней создал управляемый компьютером синтезатор, предназначенный для конструирования сложных молекул – компонентов компьютера на молекулярной основе. В процессе синтеза базовая молекула химически присоединяется к пластиковой сфере малого диаметра (в реакторной камере содержатся тысячи таких сфер). Добавление химических соединений в камеру осуществляется специализированным манипулятором под управлением ЭВМ. Компьютер контролирует также температуру, кислотность среды и т.д., периодически анализирует продукт реакции для того, чтобы обеспечит правильное его формирование. В ходе определенной последовательности химических реакций, предварительно смоделированных на ЭВМ, к базовой молекуле, прикрепленной к пластиковой сфере, добавляются новые молекулы. В процессе синтеза, продолжающегося иногда несколько дней, под управлением компьютера строятся очень сложные молекулы. Причем каждая из них оказывается точной копией прототипа, описание которого хранится в памяти машины.

Синтез идет по модульному принципу. На первом этапе синтезируются молекулярные вентили. На втором этапе из них конструируются более сложные соединения, способные выполнять функции логически активных элементов. Полученные компоненты можно затем использовать для конструирования молекулярного компьютера.

При выполнении каждого шага синтеза необходимо четко понимать, какие химические процессы происходят в камере. Этого нельзя достичь без машинного моделирования. Кроме того, для сложного синтеза необходимо использовать, по возможности, процессы самоорганизации. В данном случае процесс самоорганизации означает, что в ходе синтеза добавочные звенья автоматически прикрепляются к молекулярному соединению в нужных местах. Таким образом, конечный продукт каждой реакции самоорганизуется так, чтобы полностью определить ход последующих реакций..

Теоретически можно соединить отдельные молекулярные компоненты “ проводами”, например, из так называемых углеродных нанотрубок – цилиндрических структур диаметром несколько нанометров – или из токопроводящих полимеров, называемых иногда “органическими металлами”. Работы по созданию полимеров – проводников были начаты еще в 70-х годах и с тех пор уже нашли массу применений в обычной электронике. В 2000 году авторам первых работ в этой области –американским ученым А. Хигеру, А. Мак-Диармиду и японскому ученому Н. Ширакаве присудили Нобелевскую премию по химии.

Остается еще проблема ввода и вывода информации. Устройства ввода информации пользователем в молекулярный компьютер в принципе могут остаться теми же, что и в настоящее время (клавиатура, мышь, входные порты и т.д.) Однако, поскольку процессы хранения и переработки информации в молекулярной электронике носят специфический характер ( отдельные части одного и того же компьютера могут работать с информацией, представленной в разных формах - электрической, оптической, химической и др.), встает проблема сопряжения вычислительных блоков между собой, а также с внешними электронными устройствами. То есть необходимо иметь преобразователи сигнала из одной формы в другую.

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” . 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 .

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.

При использовании больших органических молекул или их комплексов, в принципе, можно обойти перечисленные трудности. Вот, к примеру, в некоторых белках КПД электронно-оптического преобразования близок к 1. Также для большинства биологических молекул время жизни возбужденного состояния достигает нескольких секунд.

Эффективной работы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники и комбинированных вычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Эффективность не уменьшится, даже если отдельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников. Для этого надо заставить несколько молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда неправильное срабатывание одного их них не приведет к заметному сбою в вычислениях.

Радует то ,что 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.

В компьютере есть и другие замечательные функции:

1. К примеру, 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.
2. 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.

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.

Но для развития молекулярной электроникой сегодня нужны усилия широкого круга ученых, работающих в области академических знаний от коллоидной химии и биологии до теоретической физики, а также в области высоких технологий. Главной причиной здесь являются значительные финансовые вложения.

Заключение

Когда же компьютер превратится в пылающий огненный шар, либо в черную микроскопическую дыру, прогресс вычислительной техники прекратится

В настоящий момент мы, конечно же, даже не можем себе представить, как достичь этих невероятных пределов. Но ученые по крупицам собирают некие физические сведения, которые не ясны простому человеку и если развитие ЭВМ будет идти теми же темпами, все описанное станет реальностью через каких-нибудь две сотни лет.