Альтернативные компьютеры

В модернизации элементной базы компьютеров, основанной на традиционном электронном принципе, есть фундаментальные ограничения, связанные с волновой природой микрочастиц. Для дальнейшего развития компьютерной техники нужны принципиально новые идеи. Одной из таких идей является создание квантового компьютера. Без достаточного знания квантовой механики трудно понять принцип работы такого устройства. Электрон атома водорода, например, представляет собой квантовую систему, которая может находиться в двух состояниях с противоположными направлениями спина. Его можно рассматривать, как квантовый бит или кубит,содержащий с равной вероятностью оба состояния. Работая с кубитом, можно одной командой обработать оба возможных состояния. Два кубита содержат уже четыре возможных состояния, три – восемь и т.д. Принципиально возможны и другие квантовые кубиты, различающиеся поляризацией (фотоны) или фазой (сверхпроводники). К настоящему времени достигнуты некоторые практические результаты. Так, группа ученых из исследовательского центра Almaden компании IBM выбрали молекулы, способные реализовать нужную логическую функцию. Водный раствор таких молекул помещался в сильное магнитное поле, кубитами служили направления намагниченности (спины) атомных ядер. Чтобы не нарушать когерентность системы, начальный набор импульсов задавался радиочастотными импульсами, а полученные результаты считывались при помощи метода ядерного магнитного резонанса. В 1998 г. в центре был собран двухкубитный компьютер, а в 1999 г. – трехкубитный. В 2001 г. продемонстрирована работа 7-кубитного компьютера. В качестве кубитов использовались спины пяти ядер фтора и двух ядер углерода. Остальные атомы и молекулы были подобраны так, чтобы обеспечить нужное взаимодействие между электронами и стабильность системы. В одной небольшой пробирке содержится 10¹⁸ молекул, каждая из которых может быть компьютером. Удалось найти простые сомножители числа 15 (как и следовало ожидать, это оказались числа 3 и 5). Однако для получения этого результата потребовалась всего одна молекула.

Другой перспективной альтернативой современным компьютерам является фотонный компьютер. В его основе лежит использование фотонов (квантов света). Фотонный компьютер обладает рядом преимуществ, связанных с особенностями распространения света. Световые лучи устойчивы к посторонним электромагнитным шумам, их передача может осуществляться на очень высоких частотах, при пересечении световые лучи не возмущают друг друга, что позволяет одновременно вести передачу и обработку потоков информации. Однако до сих пор не удалось разработать оптические аналоги электрических проводников и логических элементов. Оптические волокна или световоды, по которым уже достаточно давно научились передавать световые лучи, не удается вместить в маленькие объемы. Плотность упаковки электрических элементов значительно выше. В качестве логических схем для фотонов могут выступать зеркала, линзы и т.п., однако их размеры исключают возможность создания конкурирующих производительных процессоров. Практической основой, на которой в будущем будут реализованы все компоненты фотонного компьютера, могут стать т.н. фотонные кристаллы. Эти кристаллы способны пропускать или задерживать свет только с определенной длиной волны. Один из созданных образцов такого кристалла состоит из набора чередующихся кремниевых полос шириной 1,2 мкм, образующих своеобразную многоуровневую решетку. Эта решетка не выпускает инфракрасное излучение с длиной волны 10 мкм. Фотонные волноводы – одномерные фотонные кристаллы, позволяющие выделить из пучка световых лучей с разными длинами волн какой-либо один. Фотонный волновод способен изгибать световой луч на коротких расстояниях, что позволяет делать компоненты фотонного компьютера миниатюрными. Разработанные образцы фотонных кристаллов имеют микронные размеры, что представляет практический интерес для телекоммуникаций, связи и хранения информации. По-видимому, сначала появятся не фотонные компьютеры, а комбинированные устройства, в которых информация будет обрабатываться электронными логическими схемами, а храниться и передаваться в фотонных кристаллах.

Биокомпьютеры.Природой создан живой компьютер – молекула ДНК. В ДНК заложена программа, в которой с помощью набора генов реализуется нужный организму алгоритм, обусловливающий его специфику и особенности развития. Компьютер, работающий по такому по принципу, не смог бы заниматься сложными вычислениями, однако сумел бы перебрать массу вариантов и выбрать оптимальный. В качестве примера можно привести классическую “задачу коммивояжера” (выбор между несколькими городами маршрута с наименьшей длиной пути). Решение задач подобного типа имеет большое значение для оптимизации транспортных потоков. Доказана теоретическая возможность построения ДНК-компьютеров и проведены первые успешные эксперименты. Создано компьютерное биоустройство, способное отвечать на вопрос “да” или “нет”. Доля правильных ответов этого устройства составила 99,8 %.

Современная электроника по своим функциональным возможностям отстает от человеческого мозга почти на 10 порядков. Число элементов современной кремниевой интегральной схемы с линиями шириной 0,5 мкм эквивалентны лишь нескольким десяткам нейронов. Таким образом, реализовать предстоит еще громадные потенциальные возможности.

Одна из основных целей биокомпьютерных исследований – создание живых организмов, генетически программируемых для решения прикладных задач. Проведенные эксперименты показывают реальную возможность существования нейронно-кремниевых цепей.

Рассмотренные идеи создания альтернативных компьютеров интересны, но для практического воплощения этих идей в жизнь предстоит большая теоретическая и экспериментальная работа.