Физика будущего

Проблема нарушения когерентности — самый серьезный барьер на пути создания квантовых компьютеров. Всякий, кто сумеет ее решить, не только получит Нобелевскую премию, но и станет богатейшим человеком на свете.

Можно без труда представить, что создание квантовых компьютеров из отдельных когерентных атомов — тяжелый процесс, поскольку атомы быстро декогерируют и сбиваются с ритма. До сих пор самым сложным вычислением, которое удалось провести на квантовом компьютере, является 3x5 = 15. Выглядит, конечно, несолидно, но вспомните: это вычисление произведено на отдельных атомах.

Существует и еще одна странная проблема, берущая начало в квантовой теории и конкретно в принципе неопределенности. Все вычисления, проведенные на квантовых компьютерах, по сути своей обладают некой неопределенностью, так что любое вычисление необходимо проводить множество раз. Дважды плюс два будет четыре… по крайней мере иногда. Если повторить эту операцию много раз, ответ усреднится и вы действительно получите 4. Так что даже арифметика на квантовом компьютере становится какой-то расплывчатой.

Никто не знает, когда будет решена проблема декогерентности. Винтон Серф (Vinton Cerf), один из создателей Интернета, предсказывает: «К 2050 г. мы наверняка найдем способы проводить квантовые расчеты при комнатной температуре».

Необходимо также указать, что ставки в этой игре настолько высоки, что ученые одновременно исследуют несколько разновидностей новых компьютеров. Перечислим некоторые из конкурирующих конструкций.

•Оптические компьютеры. Эти компьютеры считают скорее на световых лучах, чем на электронах. Поскольку лучи света способны проходить сквозь друг друга, оптические компьютеры обещают то преимущество, что их можно будет сделать кубическими, без всяких проводов. Кроме того, лазеры можно изготавливать при помощи все той же литографической технологии травления, что и обычные сегодняшние транзисторы, так что теоретически на одну подложку можно впихнуть миллионы лазеров.

•Компьютеры на квантовой точке. Из полупроводникового материала, используемого в микросхемах, можно вытравить крохотные точки, настолько маленькие, что содержат, к примеру, всего по 100 атомов. При таком размере точки атомы могут стать когерентными и вибрировать в унисон. В 2009 г. была получена самая маленькая в мире квантовая точка, состоящая из одного атома. Вообще, квантовые точки уже доказали свою полезность в светоизлучающих диодах и компьютерных экранах. В будущем, если мы научимся корректно обращаться с такими точками, из них может получиться даже квантовый компьютер.

•Компьютеры на основе ДНК. Первый компьютер на основе ДНК-молекулы был изготовлен в 1994 г. в Университете Южной Калифорнии. Поскольку нить ДНК кодирует информацию при помощи аминокислот, обозначаемых буквами А, Т, С, G, вместо нулей и единиц, ее можно рассматривать как обычную компьютерную запись, только более емкую. Если обычный компьютер производит операции с большими числами посредством сдвигов и перестановок, то аналоговые операции можно производить физически, смешивая в пробирках жидкости, содержащие молекулы ДНК, которые можно всячески резать и сшивать. Процесс идет медленно, но одновременно работает так много молекул ДНК, что некоторые вычисления таким образом производить выгоднее, чем на цифровом компьютере. Хотя, конечно, цифровой компьютер удобнее: его можно поместить в корпус сотового телефона, а для работы ДНК-компьютера надо смешивать в пробирках ДНК-содержащие жидкости.

Середина века (2030–2070 гг.)

Изменение формы

В фильме «Терминатор-2: Судный день» робота в исполнении Арнольда Шварценеггера атакует робот более продвинутой модели из будущего, некий Т-1000, изготовленный из жидкого металла. В неоформленном состоянии этот робот напоминает дрожащую массу жидкой ртути; он способен произвольно изменять форму и просачиваться сквозь любые препятствия. Он может проникнуть в крохотную щель и превратить в смертельное оружие собственные руки и ноги, а затем внезапно вернуть себе первоначальную форму и продолжить свой убийственный путь. Кажется, что Т-1000—это идеальная машина для убийства и остановить ее невозможно.

Конечно, все это фантастика. Сегодняшняя технология не позволяет произвольно изменять форму твердого объекта. Тем не менее к середине века технология изменения формы в каком-то виде может войти в наш быт. И это не просто разговоры; достаточно сказать, что среди основных компаний, занятых этой проблемой, такая серьезная фирма, как Intel.

По иронии судьбы к 2050 г. результаты, полученные при помощи нанотехнологий, распространятся повсюду, при этом оставаясь незаметными. Чуть ли не каждый продукт будет модифицирован при помощи молекулярных технологий — он станет сверхпрочным, неуязвимым и гибким. Датчики, созданные на основе нанотехнологий, будут круглые сутки защищать нас и оказывать помощь; они будут всюду, но скрыты из глаз. Внешне все будет выглядеть примерно так же, как сегодня, так что обычные люди даже не узнают, насколько нанотехнологии изменили мир вокруг нас.

Но одно из достижений нанотехнологии всегда будет на виду.

Т-1000, робот-убийца из «Терминатора» — это, возможно, самый наглядный пример объекта из области так называемой «программируемой материи», благодаря которой мы однажды получим возможность одним нажатием кнопки изменять форму, цвет и физические свойства объекта. На примитивном уровне даже обычная неоновая реклама — тоже форма программируемого вещества, потому что мы можем в любой момент щелкнуть выключателем — ив наполненной газом трубке возникнет электрический ток. Электричество возбуждает атомы газа, которые затем возвращаются в нормальное состояние и одновременно излучают свет. Более сложный вариант — LCD-дисплей обычного компьютера. В нем содержится жидкий кристалл, который под воздействием слабого электрического тока становится непрозрачным. Регулируя ток, протекающий в жидком кристалле, можно нажатием кнопки получать на экране изображения и цвета.

Ученые Intel метят гораздо выше и хотят добиться, чтобы программируемая материя на самом деле меняла форму твердого объекта — в точности как в фантастике. Идея проста: создать компьютерный чип в форме крохотной песчинки. Эти умные песчинки должны обладать способностью по команде менять статический электрический заряд на поверхности и вследствие этого притягиваться друг к другу или отталкиваться друг от друга. При одном распределении зарядов эти частицы выстроятся и образуют определенную форму. Но стоит их перепрограммировать — и электрические заряды изменятся, и частицы переместятся таким образом, чтобы сформировать совершенно иной объект. Такие «песчинки» получили название «катомов» (или клейтронных атомов), поскольку из них, как из атомов, можно сформировать множество различных объектов при помощи просто изменения их зарядов. (У программируемой материи много общего с модульными роботами, о которых мы говорили в главе 2. Но если модульные роботы строятся из умных блоков размером около 5 см, которые способны самоорганизоваться в различных формах, то в программируемой материи эти элементарные кирпичики съеживаются до миллиметровых и субмиллиметровых размеров.)

Один из горячих сторонников этой технологии — Джейсон Кэмпбелл (Jason Campbell), старший исследователь фирмы Intel. Он говорит: «Представьте себе мобильное устройство. К примеру, мой сотовый телефон слишком велик, чтобы удобно умещаться в кармане, и слишком мал для удобного набора цифр. Еще хуже, если я пытаюсь смотреть на нем фильмы или разбирать электронную почту. Но будь у меня 200–300 миллилитров катомов, я мог бы заставить их принимать каждый раз форму того устройства, которое нужно мне в данный момент». Так что представьте, что у меня в руках сотовый телефон. В следующий момент он изменяется и превращается во что-то другое. Таким образом, мне не приходится носить с собой так много электронных гаджетов.

Компания Intel в своих лабораториях уже создала систему катомов размером около 2,5 см. Катом по форме напоминает детский кубик с десятками крошечных электродов, равномерно распределенных по каждой стороне. Этот катом уникален, потому что вы можете изменять заряды на каждом из этих электродов, так что в результате катомы связываются друг с другом в разных ориентациях. При одном комплекте управляющих сигналов эти кубики могут собраться в один большой куб. Изменим заряд на каждом электроде — и кубики тут же рассыплются и быстро соберутся вновь уже иначе — скажем, в форме лодки.