Джон Фарндон - Вопрос на засыпку. Как заставить мозги шевелиться

«Быть или не быть, вот в чем вопрос», – говорил Гамлет. Наверное, Витгенштейн мог бы сказать, что ответ зависит от того, как люди понимают эти слова. Любопытно, что Том Стоппард написал комедию «Гамлет Догга, Макбет Кахута», основываясь на идеях Витгенштейна. В ней группа детей репетирует «Гамлета», но так мало понимает в нем, будто он написан на иностранном языке. На самом деле дети говорят на языке догг, состоящем из английских слов, значение которых изменено. В пьесе есть эпизод, основанный на опубликованной после смерти Витгенштейна работе «Философские исследования». В ней строитель просит своего помощника подать ему «плиту», «колонну», «балку», и тот приносит их, будто бы знает, какие предметы обозначают эти слова – но, вероятно, он просто уже запомнил, чт о нужно приносить и в каком порядке. Тогда вместо этих слов можно было бы просто использовать «один», «два», «три». Так что, если вы спросите, всегда ли Витгенштейн прав, я отвечу: «Нет, но иногда не остается ничего другого».

Над этим вопросом в последнее время много думали разработчики компьютеров, и короткий ответ таков: очень-очень маленьким. Уже в 2013 году удалось создать полностью рабочий компьютер размером с песчинку. Его разработали для того, чтобы поместить прямо в глаз для мониторинга глаукомы, и потому остроумно назвали «микросучком», имея в виду известное библейское выражение [10]. Он включал в себя процессор, устройство для хранения данных и даже модуль беспроводной связи. В качестве источника питания использовались солнечные батареи, работающие за счет попадающего в глаз света.

В процессе реализации европейского проекта Pico-Inside был создан логический элемент гораздо меньших размеров. Его вычислительная мощь эквивалентна 14 транзисторам, и он состоит всего из 30 атомов. Это не только значит, что его нельзя увидеть в оптический микроскоп, – он слишком мал для того, чтобы его можно было увидеть при помощи чего-либо, кроме самых мощных туннельных сканирующих микроскопов. Внутрь упомянутого ранее «сучка» можно поместить около квинтиллиона таких процессоров!

Еще в конце 1960-х годов основатель компании Intel Гордон Мур заметил интересную закономерность. В 1958 году два транзистора были соединены в интегральную схему на кристалле кремния, так появился первый кремниевый чип. С тех пор, как отметил Мур, количество транзисторов, помещающихся в одном чипе, удваивается каждый год. Поэтому электронные устройства каждый год уменьшаются в соответствии с законом Мура.

В последнее время темп миниатюризации снизился, и количество транзисторов удваивается каждые два года. Но все же мы смогли создать «умные» устройства, которыми сейчас пользуемся, – планшеты и телефоны, – обладающие вычислительной мощью суперкомпьютеров недавнего прошлого. Каждый раз, когда кто-то утверждает, что миниатюризация достигла своего предела, проектировщики компьютеров умудряются вместить их в еще меньший объем. Вопрос в том, сколько еще мы сможем их уменьшать и зачем нам нужно что-то еще меньшее.

Кажется, что мы действительно достигли предела возможностей обычных транзисторов. Они уже уменьшились до наноразмеров – миллиардных долей метра (размер вирусов). Дальше могут возникнуть проблемы. Транзисторы работают как вентили, включающие и выключающие поток электронов. Они сделаны из полупроводников, которые способны пропускать электроны или блокировать их. Но когда размер барьера уменьшается до нанометров, начинают проявляться квантовые эффекты. В частности, возникает туннельный эффект. Он заключается в том, что электрон проходит сквозь барьер так, будто бы его нет. (На самом деле он не проходит, а исчезает с одной стороны барьера и появляется с другой.) Если вентили не в состоянии преградить путь потоку электронов из-за туннельного эффекта, транзисторы просто не могут работать. Сейчас самые маленькие транзисторы имеют размер около 30 нм, так что этот предел скоро будет достигнут.

Транзисторы представляют собой логические элементы, от которых зависят вычисления: «да/нет», «и/или», 0/1. Если транзисторы достигнут своего предела, можно ли будет построить логику на альтернативных элементах, устойчивых к проявлению квантовых эффектов? Именно над этим вопросом работает команда проекта Pico-Inside и другие исследователи.

Вместо того чтобы пытаться впихнуть как можно больше вычислительной мощности в минимальный объем, они начали с противоположной стороны и создали компьютер из атомов, чтобы использовать преимущества квантовых эффектов, а не устранить их. При постройке компьютера они применяли атомные силовые микроскопы, с помощью которых помещали атомы в нужное место. На данный момент, кроме логического элемента из 30 атомов, ученым удалось собрать из атомов шестеренки, колеса и даже двигатели, каждый из которых представляет собой одну молекулу. До того, чтобы собрать полностью рабочий компьютер, еще далеко, но возможность этого очевидна.

Главная проблема всех нанокомпьютеров не в вычислительной мощности, а в дополнительных устройствах. Как обеспечить для них питание? Как их охлаждать? Как они смогут взаимодействовать с другими устройствами? Бессмысленно создавать компьютер размером с молекулу, если затем понадобится в триллион раз больший модуль беспроводной связи и огромный аккумулятор или солнечная батарея. И, разумеется, солнечные батареи не будут работать в темноте. Именно эти проблемы предстоит решить, чтобы нанокомпьютеры стали реальностью.

Еще более впечатляющих результатов можно добиться, если отказаться от обычных логических элементов на транзисторах в пользу квантовых вычислений. При этом целью будет не дальнейшее уменьшение компьютера, а использование силы квантовых эффектов для достижения высоких скоростей обработки информации. Для создания такого компьютера нужно уменьшить элементы настолько, чтобы вступили в силу квантовые эффекты, то есть до размера атома, электрона или даже фотона. Если квантовые компьютеры будут когда-либо построены, они станут использовать атомные и субатомные частицы в качестве рабочих элементов.

Смысл в том, что вместо обычных битов, способных принимать значение 0 и 1, можно будет использовать квантовые биты, или кубиты, которые находятся в состоянии суперпозиции и могут принимать значение 0 и 1 одновременно. В обычном компьютере биты должны менять свое состояние последовательно. При использовании кубитов все вычисления могут выполняться одновременно. Это значит, что такой компьютер станет решать задачи в миллионы раз быстрее обычного за счет параллельной работы над задачей.