Реферат: Есть ли пределы развития и миниатюризации компьютеров?
Министерство образования РоссийскойФедерации
Уральский государственный
<span Times New Roman",«serif»"> технический университет- УПИ
Факультет экономики и управления
Кафедраанализа систем и принятия решений
Специальность “Прикладная информатика вэкономике”
РЕФЕРАТ
Покурсу концепций современного естествознания
на тему
“Есть ли пределы развития иминиатюризации
компьютеров?”
Студент Озорнин П.Н. (группа И-154)
Преподаватель
доцент,кандидат техн. наук Глазырина Л.Н.
Екатеринбург
2001
Содержание
Введение...........................................................с.3
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">
<span Times New Roman",«serif»">Глава <span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">1 .<span Times New Roman",«serif»"> История развития и перспективы<span Times New Roman",«serif»"> молекулярной электроники
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US"> 1.
<span Times New Roman",«serif»">1<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"> “<span Times New Roman",«serif»">Прошлое<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">”<span Times New Roman",«serif»"> молекулярной<span Times New Roman",«serif»"> схемотехники
<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">… с.5<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US"> 1.2
<span Times New Roman",«serif»">Существующие научные разработки<span Times New Roman",«serif»">
<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"> <span Times New Roman",«serif»">молекулярныхкомпьютеров<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">..............c<span Times New Roman",«serif»">.6<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"><span Times New Roman",«serif»">1.3<span Times New Roman"">
<span Times New Roman",«serif»">Абстракционное <span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">“<span Times New Roman",«serif»">конструирование<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">”<span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman",«serif»"> молекулярного компьютера
<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">… с.7<span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman",«serif»"> 1
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">.4 <span Times New Roman",«serif»">Есть ли умолекулярных компьютеров<span Times New Roman",«serif»">будущее
<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">?.. с.<span Times New Roman",«serif»">10<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">
<span Times New Roman",«serif»">Глава <span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">2. <span Times New Roman",«serif»">Квантовые компьютеры – миф<span Times New Roman",«serif»"> или грядущая реальность
<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">?<span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US"> 2.1
<span Times New Roman",«serif»">Историяразвития теории квантовых<span Times New Roman",«serif»">вычислительных
<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"> <span Times New Roman",«serif»">устройств<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">… с.<span Times New Roman",«serif»">12<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"><span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">2.2<span Times New Roman"">
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: EN-US">Производство квантовых <span Times New Roman",«serif»">к<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">омпьютеров: технологические<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"> трудности и перспективы...................
<span Times New Roman",«serif»">с<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">.<span Times New Roman",«serif»">14<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"><span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman"">
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: EN-US"> a) <span Times New Roman",«serif»">Пределпервый быстродействие<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: EN-US">........<span Times New Roman",«serif»">с<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">.15<span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US"> b)
<span Times New Roman",«serif»">Пределвторой <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">:<span Times New Roman",«serif»">память<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">......................<span Times New Roman",«serif»">с<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">.<span Times New Roman",«serif»">16<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US"> <span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman"">
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: EN-US"> c) <span Times New Roman",«serif»">Перспективыразвития квантовых ЭВМ<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: EN-US">.................................................................<span Times New Roman",«serif»">с<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">.<span Times New Roman",«serif»">17<span Times New Roman",«serif»">
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">
<span Times New Roman",«serif»">Заключение<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">… с.19<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">
<span Times New Roman",«serif»">Библиография<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">.................................................<span Times New Roman",«serif»">с<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">.21Введение
<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">
<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Научныйпрогресс движется<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> преувеличенными ожиданиями
<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">
Жюль Верн Прогноз — дело неблагодарное. Эта набившаяоскомину прописная истина со временем не становится менее актуальной. Наоборот- с течением времени она подтверждается многократно. Да, прогноз — делонеблагодарное, но очень любопытное. Всегда интересно хоть краешком глазазаглянуть на несколько лет вперед и посмотреть, какое оно, будущее.Всевозможные предсказатели существовали на всем протяжении человеческойцивилизации. Кто-то предсказывал будущее по снам, кто-то — по картам таро,кто-то — по звездам. Наиболее известный из оракулов — Нострадамус — облекалсвои предсказания в стихотворные формы, известные нам как «Центурии».
Прогнозы делаются и сейчас. Восновном политические, реже — экономические. И уж совсем редко — технологические.
Информационные технологии за последнее десятилетие в своем развитии сделалитакой гигантский скачок вперед, что предсказать, каким будет, например,персональный компьютер лет через пять, мало кто решится.
Стремительный прогресс в развитии компьютерной техники запоследние десятилетия невольно заставляет задуматься о будущем компьютеров. Останутся ли они прежнимиили изменятся до неузнаваемости?Сегодня много говорят о том, что традиционные полупроводниковые ЭВМ скоро себя исчерпают. Ожидается, что уже через 5–10 лет их вытеснятболее мощные молекулярные,квантовые, биологические и другие весьма экзотические вычислительныеустройства.
До каких пор будут уменьшаться размерывычислительных устройств и возрастать их быстродействие? Уже более тридцати лет развитиекомпьютеров подчиняется эмпирическому закону, сформулированному Гордоном Муром в 1965 году, согласно которому плотность транзисторовна микросхеме будет ежегодно удваиваться. Правда со временем практика микроэлектронного устройства внеслав него небольшую поправку : сегоднясчитается, что удвоениечисла транзисторов происходит каждые 18 месяцев. С каждым годом следовать “закону Мура” становится все труднее, поэтому его близкий конецпредсказывался уже неоднократно.Однако человеческий гений и изобретательность находят все новыеоригинальные выходы из технологических и производственных сложностей, встающих на путибезудержной “компьютернойгонки”.И все жепрогресс вычислительной техники не может продолжаться вечно, рано или поздно мы наткнемся на предел, обусловленный как законамиприроды, так иэкономическими законами.
Вот почему сегодняспециалисты в разных областях науки и техники ищут альтернативные путидальнейшего развития микроэлектроники.
Каков же будет самый последний, самый мощный, ”предельный” компьютер? Вряд ли сегодня можно со стопроцентнойуверенностью сказать, какименно он будет устроен,поэтому неудивительно то,что вопрос о будущем электронных вычислительных устройств и , в частности, компьютеров до сих пор остаетсяоткрытым.
Поэтому целью данной работы является выяснение вопроса о дальнейшихвозможностях и путях развития ЭВМ .
В соответствии споставленной целью,задачами данной работыявляются :
1) Анализ ведущих из существующихна сегодняшний день теорий (концепций)вычислительных устройств (компьютеров в частности) в совокупности с кратким экскурсом в историюих развитию, что, на наш взгляд, необходимодля составления детальных представлений о задачах, проблемах и методах их решений вданной теории и тесно связано с возможными вариантами прогресса компьютернойтехники на базе данной теории .
2) Прогноз возможных путей развития ЭВМна основе рассмотренных теорий.
Актуальность вышеобозначенной темы бесспорна : войдяв жизнь человеческого общества,компьютеры взяли на себя огромный круг задач – начиная от простейшихалгебраических вычислений и кончая организацией процессов биржевой деятельности, международныхтелеконференций, моделированиемсложных физических,химических,технологических процессов, мультимедийными и виртуальными развлечениями, наконец. Именно благодаря ЭВМ человечество вышло вкосмос, открыв себе дорогу к освоению огромных космических пространств, сотен планет и миров. Во многом благодарякомпьютерной технике стало возможным появление и развитие таких современныхнаукоемких отраслей как молекулярная биология, генная инженерия, квантовая физика и др., стала возможнымобширная интеграция накопленных научных знаний. И это, бесспорно,не предел. Вопрос лишьв том, какие ещефункции сможет взять на себя ЭВМ и как скоро это произойдет. В рамках данной работы мы и попытаемсяответить на данный вопрос,рассмотрев перпективы развития ЭВМ в рамках двух ведущих научных концепций –квантовой механики и молекулярной электроники (молетроники).
Глава 1
История развития иперспективы молекулярной электроники
1.1 “Прошлое”молекулярной схемотехники
Впервые теория использования органическоймолекулы в качестве элементной базы микроэлектроники возникла в 1974 году, когда ведущие инженеры фирмы IBM А.Авирам и М.Ратнерпредложили модель выпрямителя (диода), состоящего из одной органической молекулы. Две половинки этоймолекулы обладают противоположными свойствами по отношению к электрону : одна может только отдаватьэлектрон (донор), адругая – только принимать (акцептор). Если поместить такую ассиметричную молекулу между двумяметаллическими электродами, товся система будет проводить ток только в одном направлении .
Предложения Авирама иРатнера о создании молекулярных систем с направленной электронной проводимостьюинициировали экспериментальные работы по синтезу и изучению свойств такихмолекул. Выдвигалисьтакже идеи создания на их основе аналога полупроводникового транзистора за счетвнедрения между донорной и акцепторной частями молекулы дополнительнойуправляющей молекулярной группировки (затвора), свойства которого могут быть измененыкаким-либо воздействием(подачей напряжения, освещением и т.п.).Если соединить два таких транзистора, получится аналог полупроводникового триггера (или вентиля) –устройства, котороеможет переключаться между двумя устойчивыми состояниями, выполняющими роль логического “0” и “1”.А это, по сути, базовый элемент любого компьютера, работающего по принципубинарной (двоичной) логики.
Следующим важным шагом в развитиимолекулярной схемотехники стал отказ от простого копирования полупроводниковыхсхем с заменой в них обычных транзисторов на молекулярные. Дело в том, что существует множество как природных, так и синтезированныхчеловеком молекул, которыесами по себе могут служить логическими элементами. Их разделяют на два типа. К первомуотносятся молекулы,обладающие двумя устойчивыми состояниями, которым можно приписать значения “0” и “1”. Научившись переключать их из одного состояния в другое спомощью внешних воздействий, мыфактически получим уже готовый вентиль. Молекулы второго типа содержат фрагменты, способные выполнять роль упомянутыхвыше управляющих группировок.Одна такая молекула может работать как логически активный элемент НЕ-И,НЕ-ИЛИ и т.д. На основе уникальных свойств органических молекулуже сегодня разработано множествовариантов схем для гипотетического молекулярного компьютера.
1.2<span Times New Roman"">
Существующие научныеразработки молекулярных компьютеровЧто же должен включать в себямолекулярный компьютер? Очевидно, что его основные компоненты должны быть теми же, что и у обычного компьютера: система вводаинформации, вычислительныйблок (процессор), системахранения информации (память)и, наконец, системавывода информации. Ну и, конечно, провода и блок питания.
Процессор, по всей видимости, будет состоять из молекулярныхлогических элементов.Приведем несколько примеров уже существующих разработок:
1) В качестве триггеровудобнее всего использовать молекулы, имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковоймолекулярной массой и составом, но различаются строением илирасположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путемвнешнего воздействия.Например, молекула соединения типаспиробензипирана может быть переключена из состояния “0” в состояние “1” с помощью ультрафиолетовогоизлучения, а в обратномнаправлении с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можностроить как устройства оперативной памяти, так и элементы,выполняющие логические функции.
2) В последнее время в нескольких научных центрах разработаны изапатентованы переключающие элементы на зеркально симметричных – хиральных (отгреч. хирос – рука)–изомерах, которые такжемогут применяться для хранения и обработки информации : функции логических “0” и “1” выполняют “правая” и “левая” формы молекулы[7]. Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного состояния вдругое производится при одновременном действии света и электрического поля : свет сообщает молекулеэнергию, аэлектрическое поле задает направление переключения. Считывание информации происходитоптическим способом.
3) Недавно компания Hewlett-Packardобъявила о своих успехах в изготовлении логических вентилей на основе молекулротаксанов. [9] Такой вентильсостоит из молекул двух типов :циклической (так называемой “бусины”) и линейной (“нити”). В работающем устройстве “бусина” оказывается нанизанной на “нить”, располагаясь на ней в одном из двухвозможных устойчивых положений.Переход из одного положения в другое, то есть переключение вентиля, происходит за счет изменениякислотно-щелочного баланса среды.Такой переход является обратимым,и им можно управлять с помощью электрических сигналов. В процессе переключения значительносдвигается полоса поглощения света молекулами ротаксанов, что дает возможностьсчитывать информацию оптическим способом. Молекулы ротаксанов могут бытьобъединены в полимерные цепи различной длины и сложности, которые будут выполнять логическиефункции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей.
4) Рассмотрим еще один вариантмолекулярных устройств, способных выполнять логические операции. Представимсебе длинную молекулу, состоящую из двух типов чередующихся структурныхгруппировок, одни из которых служат потенциальными ямами,. а другие — потенциальными барьерами для прохожденияэлектрона вдоль молекулы. Таким образом, эта молекулярная цепочка представляетсобой “полосу препятствий” для электрона. Исходное состояние молекулы задаетсятак, что электрон может легко пройти ее ( за счет эффекта резонансноготуннелирования). Однако стоит только воздействием на одну из группировокизменить высоту барьера или глубину ямы, — и прохождение электрона станетневозможным. Допустим,наша молекула имеет четыре потенциальные ямы, глубиной которых мы можемуправлять путем оптического или электрического взаимодействия. Тогда онаспособна работать как логичекий элемент НЕ-И с четырьмя входами. То естьэлектрон через молекулярную цепочку будет проходить только в те моменты, когдасигнал на всех четырех входах отсутствует. [1]
1.3 Абстракционное “конструирование”
молекулярного компьютера
Используя в качестве строительных блоков хотя бы одно извышеперечисленных молекулярных устройств, теоретически можно построить схему, выполняющуюсколь угодно сложные логические операции и вычисления. Из этих же элементовможно создавать и блоки оперативной памяти (ОЗУ), а также постоянныезапоминающие устройства (ПЗУ). Для работы последних необходимо, чтобы времяжизни используемых в них молекул в том или ином состоянии было достаточновелико. Только тогда информация сможет храниться дительное время.
Итак, у нас уже есть набор необходимых базовых элементов молекулярногокомпьютера. Как же объединить их в единый вычислительный комплекс? Современныеметоды химического синтеза позволяют “сшивать” большие органические молекулы,химически соединяя “выходы”одних логических элементов с “входами” других.
Один из методов молекулярной архитектуры – построение объемных схеммолекулярных устройств – технология Меррифильда, разработанная еще в начале70-х годов для получения полипептидов с заданной последовательностьюаминокислот. Так,например,на основе этого метода сотрудник центра молекулярной электроники IBMдоктор Джон Линдсней создал управляемый компьютером синтезатор, предназначенныйдля конструирования сложных молекул – компонентов компьютера на молекулярнойоснове.[2] В процессе синтеза базоваямолекула химически присоединяется к пластиковой сфере малого диаметра (вреакторной камере содержатся тысячи таких сфер). Добавление химическихсоединений в камеру осуществляетсяспециализированным манипулятором под управлением ЭВМ. Компьютер контролируеттакже температуру, кислотность среды и т.д., периодически анализирует продуктреакции для того, чтобы обеспечит правильное его формирование. В ходеопределенной последовательности химических реакций, предварительносмоделированных на ЭВМ, к базовой молекуле, прикрепленной к пластиковой сфере,добавляются новые молекулы. В процессе синтеза, продолжающегося иногданесколько дней, под управлением компьютера строятся очень сложные молекулы.Причем каждая из них оказывается точной копией прототипа, описание которогохранится в памяти машины.
Синтез идет по модульному принципу. Напервом этапе синтезируются молекулярные вентили. На втором этапе из нихконструируются более сложные соединения, способные выполнять функции логическиактивных элементов. Полученные компоненты можно затем использовать дляконструирования молекулярного компьютера.
Привыполнении каждого шага синтеза необходимо четко понимать, какие химическиепроцессы 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, чтов ходе синтеза добавочные звенья автоматически прикрепляются к молекулярномусоединению в нужных местах. Таким образом, конечный продукт каждой реакциисамоорганизуется так, чтобы полностью определить ход последующих реакций..
Теоретически можно соединить отдельныемолекулярные компоненты “проводами”, например,из так называемых углеродных нанотрубок – цилиндрических структурдиаметром несколько нанометров – или изтокопроводящих полимеров, называемыхиногда «органическими металлами». Работы по созданию полимеров – проводниковбыли начаты еще в 70-х годах и с тех поруже нашли массу применений в обычной электронике. В 2000 году авторам первыхработ в этой области –американским ученым А. Хигеру, А. Мак-Диармиду и японскому ученому Н.Ширакаве присудили Нобелевскую премию по химии.[2]
Остается еще проблема ввода и выводаинформации. Устройстваввода информации пользователем вмолекулярный компьютер в принципе могутостаться теми же, что и в настоящее время (клавиатура, мышь, входные порты ит.д.) Однако, посколькупроцессы хранения и переработки информации в молекулярной электронике носятспецифический характер ( отдельные части одного и того же компьютера могутработать с информацией, представленной в разных формах — электрической,оптической, химическойи др.), встает проблемасопряжения вычислительных блоков между собой, а также с внешними электроннымиустройствами. То есть необходимо иметь преобразователи сигнала из одной формы вдругую.
Для построения химических (газовых) сенсоров уже давно используютсяпреобразователи сигнала из химической формы в электрическую и обратно. Чтокасается преобразования электрических сигналов в оптические, то для этого подходят молекулярные аналоги светодиодов илазеров, в которых используются светоизлучающие молекулы (хромафоры). Недавнопоявилось сообщение японских ученых о создании светоизлучающего устройства,состоящего из одной органической молекулы дендромера.
Если для вывода и отображенияинформации в молекулярном компьютере использовать уже существующие сегодняустройства (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 созданысверхтонкие жидкокристаллические мониторы. Для этого под массой жидкихкристаллов наносится тонкая органическая пленка, обладающая ориентирующимэффектом. На каждую молекулу пленки поступает сигнал из компьютера, меняющий ееконформацию и соответственно ориентацию нанесенного сверху слоя жидкихкристаллов, а также его отражательные свойства. Таким образом, полученная структура может служить для вывода информации на экран.
По сходному принципуработают так называемые “электронныетаблетки” – экранынебольшого размера, покрытыеслоем хиральных жидких кристаллов, молекулы которых могут менять тип симметрии в зависимости оториентации подложки, изменяяпри этом и окраску. Такиетаблетки из полиимидных подложек с внедренными молекулами азокрасителей позволяют записывать с помощьюполяризованного света лазера и отображать очень большой объем информации, в результате чего они получилиназвание “газеты будущего”[9]. Такие структуры могутсоздаваться и на гибкой полимерной подложке, что делает их еще более удобными для использования.
Второй возможный тип устройств отображения информации – это органическиесветодиоды, то есть активные излучающие устройства на основе p-n переходов, созданных из органическихматериалов. Такойсветодиод состоит из одного или нескольких слоев органических молекул, помещенных между двумяэлектродами. Излучениесвета диодом происходит за счет взаимного уничтожения (аннигиляции)положительных и отрицательных зарядов в слое органического материала. Эти заряды могут поступатьна светодиод непосредственно из молекулярного компьютера. Стоит отметить, чтоиспользуемые в диоде электроды могутбыть изготовлены не только из металла, но и из органических материалов, например на основе полианилина илиполиацетилена. Насегодняшний день уже достигнут значительный прогресс в получении высокихзначений эффективности светодиодов, в понижении их рабочихнапряжений, а также ввыборе цвета излучения.Разработаны устройства с эффективностью несколько люмен на ватт и со срокомслужбы несколько тысяч часов.
1.4 Есть ли у молекулярныхкомпьютеров будущее ?
Хотя теоретические основы молетроники уже достаточно хорошо разработаныи созданы прототипы практически всех элементов логических схем, однако на путиреального построения молекулярного компьютера встают значительные сложности.Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качествелогических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичнойиз-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых клогическим элементам.
В первую очередь логический элемент должен обладать высокой надежностьюсрабатывания при подаче управляющего воздействия. Если рассматривать оптическуюсвязь между элементами, то в системе одна молекула — один фотон надежностьпереключения будет невелика из-за относительно малой вероятности переходамолекулы в возбужденное состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность,используя одновременно большое число квантов. Но это противоречит другомуважному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен бытьблизок к 1, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со среднеймощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов в цепьвероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Кроме того, элемент должен однозначно переключаться втребуемое состояние и находиться в нем достаточно долго – до следующеговоздействия. Для сравнительно простых молекул это требование, как правило, невыполняется: если переходом в возбужденное состояние можно управлять, тообратный переход может происходить спонтанно.
Однако не все так плохо. Использование больших органических молекул илиих комплексов позволяет, в принципе,обойти перечисленные трудности. Например, в некоторых белках КПД электронно –оптического преобразования близок к 1. К тому же, для большинства биологическихмолекул время жизни возбужденного состояния достиает нескольких секунд.
Но даже в том случае, если отдельный молекулярный вычислительный элементи не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников, эффективнойработы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники икомбинированных вычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Для этого надозаставить несколько молекулярных логических элементов работать параллельно.Тогда неправильное срабатывание одного их них не приведет к заметному сбою ввычислениях. Современный суперкомпьютер, работающий по принципу массивногопараллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может сохранить высокуюпроизводительность даже в том случае, если 75% из них выйдет из строя.Практически все живые системы используют принцип параллелелизма. Поэтомунесовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает имэффективно функционировать.
Сегодня в мире существует уже более десятка научно-технологическихцентров, занимающихся разработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодноконференции (в 2000 году прошла уже 14 такая конференция) собирают сотниспециалистов в этой области. [7]
Большой интерес к молетронике вызван не только перспективами построениякомпьютера, но и широкими возможностями развития новых технологий. Благодарявысокой чувствительности электронныхмолекулярных устройств к свету их можно использовать для создания эффективныхпреобразователей солнечной энергии, моделирования процессов фотосинтеза,разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будетнапоминать работу человеческого глаза. Молекулярные устройства можноиспользовать также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только наопределенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности,медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживляется ворганизм человека с целью контроля за его состоянием.
Для решения стоящих перед молекулярной электроникой проблем нужны усилияширокого круга ученых, работающих в области академических знаний от коллоиднойхимии и биологии до теоретической физики, а также в области высокихтехнологий. Кроме того, требуются значительные финансовые вложения.
Глава 2
Квантовые компьютеры – мифили грядущая реальность ?
2.1 История развития теорииквантовых
вычислительныхустройств
Только к середине 1990-хгодов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений(*) утвердилась в качестве новойобласти науки.[2] Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделитьпервооткрывателя.По-видимому, первымобратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерскийматематик И. фон Нейман[1]. Однако в то время ещене были созданы не то что квантовые, но и обычные,классические,компьютеры. А споявлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первуюочередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральныхсхем), а не на созданиепринципиально других вычислительных устройств.
* Теория квантовых компьютеров – одна изсовременных ветвей квантовой механики итеории квантовых вычислений.Квантовая механика – теория, устанавливающаяспособ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц,атомов,молекул,атомных ядер ) и их систем,а также связь величин, характеризующих частицы исистемы, c физическимивеличинами, непосредственноизмеряемых в макроскопических опытах. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснитьстроение атомов,установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойстваэлементарных частиц.
Ряд крупнейших технических достижений 20 в.основанна специфических законах квантовоймеханики, которая, в частности, создалафундамент для такой бурноразвивающейся области физики какквантовая электроника и заложила основы для формирования теории квантовыхвычислений.
В1960-е годы американский физик Р.Ландауэр,работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира нато, что вычисления –это всегда некоторый физический процесс, а значит,невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации онисоответствуют [2].
К сожалению, в то время среди ученыхгосподствовал взгляд на вычисление