Квантовые компьютеры / «кроссоверы»

Что такое «принцип домино» хорошо известно каждому. Достаточно опрокинуть крайний из выстроенных в ряд камней, как возникает цепная реакция: костяшки падают одна за другой в определенном порядке. Во многих странах существуют клубы любителей выстраивания фигур из камней домино. Между ними проводятся соревнования, лучшие из них участвуют в специальных телешоу. Последний рекорд, занесенный в книгу рекордов Гинесса, уже перевалил за три миллиона камней. А физикам исследовательского центра компьютерного концерна IBM Almaden в Калифорнии пришло в голову применить этот принцип для разработки новых вычислительных систем на нанометровом и атомарном уровне. Роль камней домино выполняют молекулы, которые при падении образуют цепочки, позволяющие производить математические операции. Для своих исследований ученые используют сканирующий туннельный микроскоп – изобретение немецкого физика Герда Биннинга (Gerd Binning), получившего за него Нобелевскую премию в 1986 году. Намагниченная игла микроскопа приближается почти вплотную к поверхности носителя, между ними – вследствие так называемого туннельного эффекта – возникает электрический ток. Его величина поддерживается на одном и том же уровне. По мере продвижения вдоль носителя игла то удаляется от поверхности, то приближается к ней, как бы «прощупывая» своеобразный атомарный «рельеф». По большому счету, туннельный микроскоп во многом напоминает знакомый с детства проигрыватель пластинок. Руководитель лаборатории Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich) поясняет:

«Острие иглы проигрывателя также скользит по поверхности пластинки. Воспроизведение информации определяется структурой звуковой дорожки. Затем поступающие данные превращаются в звуковые сигналы. Это и есть музыка, которую мы слышим».

В туннельном микроскопе всё уменьшено в миллионы раз, а игла бежит не по неровностям виниловой дорожки, а по атомам поверхности носителя. Исследование рельефа проходит без непосредственного соприкосновения с поверхностью. И несмотря на это, исследователям уже удается перемещать атомы с места на место, выстраивая из них некое подобие детского конструктора Lego. Игла проигрывателя несёт по поверхности пластинки крохотные частицы пыли, как бы толкая их перед собой. То же самое способен проделывать и туннельный микроскоп, только с микрочастицами. Уже давно физикам IBM удалось выложить фирменный знак своего концерна из отдельных атомов. Однако это, можно сказать, ничто по сравнению с результатами, которых недавно добился Андреас Хайнрих:

«Мы показали, что способны не только рисовать на поверхности атомарные граффити, но и выстраивать активные логические структуры из отдельных атомов, что позволит в будущем использовать подобные технологии для создания сверхминиатюрных компьютеров».

Хайнрих и его коллеги работают не с атомами, а с незначительно превышающими их по размерам молекулами угарного газа. Согласно определённой схеме ученые расположили 550 молекул на поверхности с медным покрытием. Андреас Хайнрих говорит:

«Для наглядности здесь лучше всего привести аналогию с костяшками домино, падающими в определенной последовательности или остающимися стоять на поверхности стола».

У костяшек есть всего две возможности: они или лежат, или стоят. Так же и с молекулами окиси углерода: или они остаются на своем месте или сдвигаются на одну позицию дальше.

«Расстояние между двумя позициями составляет четверть нанометра. Молекула «перепрыгивает» на следующую позицию и сталкивает соседнюю молекулу с места. Таким образом возникает цепная реакция».

И самое важное: Хайнрих установил молекулы так, что они могут взаимодействовать друг с другом встречаясь в условленных пунктах. Эти «места встреч» и являются элементами логических цепочек. Они справляются с простыми вычислительными операциями такими, например, как логическое умножение:

«Логическое умножение предусматривает два входных импульса и один выходной. Возникновение выходного импульса возможно лишь при подаче обоих входных. Это означает, что если поступил только один из них, то выходного импульса не будет».

В общей сложности физики выстроили шесть различных логических операций. Они соединены определенным образом и представляют собой своего рода вычислительную машину. Действие этого захватывающего представления разворачивается на поверхности размером в 12 на 17 нанометров. Для сравнения: в сегодняшних компьютерных чипах один транзистор занимает площадь в 2 на 2 тысячи нанометров. Итак, вычисления на нанометровом уровне стали реальностью. Однако впадать в эйфорию ещё рановато. У этой многообещающей технологии есть один весьма существенный недостаток:

«Точно так же, как и ряды из костяшек домино, которые можно опрокинуть лишь один раз, мы всё время вынуждены выстраивать наши структуры от молекулы к молекуле. То есть для того, чтобы произвести новое вычисление, необходимо при помощи туннельного микроскопа заново приводить каждую молекулу в её первоначальное состояние».

- посетовал Андреас Хайнрих. А длится этот процесс может часами. Так что пока конкурировать с Pentium’ом нано-домино не в состоянии:

«Необходимо иметь в виду, что речь здесь идет не о презентации готовой компьютерной технологии. Важно то, что эксперимент доказал возможность создания компьютерных систем на атомарном уровне».

- подытожил ученый и поделился с нами своими планами на будущее. Вместо того, чтобы приводить в движение молекулы механическим путем, физики при помощи электромагнитных полей будут менять направление вращения ядер атомов - «ядерные спины». Этим уже занимаются исследователи бостонской лаборатории MIT Media Lab. Они трудятся над созданием так называемых «квантовых компьютеров», которые также работают со специальными молекулами. Один из сотрудников лаборатории, молодой немецкий физик Маттиас Штеффен (Matthias Steffen) рассказывает:

«Эти молекулы могут использоваться как маленький компьютер.

Процесс вычислений основывается на явлении ядерного магнитного резонанса и функционирует приблизительно следующим образом: для подготовки начального состояния включается внешнее магнитное поле, в результате чего спины атомных ядер занимают определенное положение по отношению к направлению поля (например, положение «по полю»

соответствует единице, а «против поля» - нулю). Прикладывая дополнительно переменное электромагнитное поле, можно управлять с его помощью поворотами ядерных спинов в соответствии с алгоритмом, организуя таким образом процесс квантовых вычислений».

В отличие от обычных компьютеров, вместо классических битов информации здесь речь идет о квантовых битах, или как их окрестили физики, «кубитах». Что же препятствовало до сих пор применению атома в микроэлектронике? Дело в том, что в атомарном диапазоне размеров всё начинает подчиняться своим, необычным для классической физики правилам. Законы квантовой механики во многом непредсказуемы. Здесь невозможно определить одновременно точное расположение и скорость частиц. Бит классического компьютера, который всегда находится в одном из двух состояний (0 или 1) на квантовом уровне «размазывается» и как бы находится в обоих состояниях одновременно. В этих условиях принятая схема последовательных вычислений просто не может функционировать. Ещё в 1980 году российский математик Юрий Мамин (в настоящее время – сотрудник исследовательского центра IBM) высказал предположение, что «квантовый шум» станет в будущем серьезным препятствием на пути миниатюризации микросхем. При этом Мамин предсказал возникновение компьютеров нового типа, использующих квантовые алгоритмы. В 1985 году Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета обнаружил, что при решении некоторых задач эти алгоритмы, возможно, позволили бы достичь вычислительных скоростей доселе непредставимых. Ну, а решающий шаг сделал в 1994 году Питер Шор (Peter Shor), придумав первый квантовый алгоритм, при помощи которого можно быстро раскодировать шифры. Самые надежные из сегодняшних шифров основываются на разложении большого числа на простые множители (так называемая задача факторизации). Так вот, по мнению специалистов, квантовые компьютеры могли бы справиться с такими задачами всего за несколько недель, в то время как обычным компьютерам для этого потребовалось бы несколько миллиардов лет. Этим заинтересовались американские военные, которые начали финансировать исследования по этой теме. Через два года было доказано, что , в принципе, вычисления на квантовой основе могут быть гораздо эффективнее классических не только при взломе шифров, но и при поиске в неупорядоченных базах данных. «Кубиты» в отличие от обычных битов способны производить сразу несколько вычислительных операций одновременно. Несколько месяцев назад сотрудникам MIT Media Lab удалось на практике реализовать первую факторизацию при помощи квантового компьютера. Кроме того, физики обнаружили, что квантовый алгоритм гораздо лучше справляется с определением так называемого «глобального максимума» (самой высокой точки того или иного ландшафта), чем обычный компьютер, который решает эту проблему лишь в половине случаев, зачастую определяя только какой-нибудь локальный максимум. Если исследования будут продолжаться в прежнем темпе, то, возможно, уже в обозримом будущем квантовые компьютеры вытеснят своих транзисторных собратьев. Однако Штеффен не спешит со столь далеко идущими прогнозами. Основная задача исследований, по словам ученого, создать вычислительную машину, превосходящую по своим возможностям сегодняшние компьютеры:

«Если нам удастся построить более мощный квантовый компьютер, если кванты по сравнению с распространенными на данный момент системами позволят решать некоторые задачи проще и лучше – лишь в этом случае можно будет говорить о каких-либо фундаментальных сдвигах. Если же нам это не удастся, то тогда мы убедимся в том, что разница между нашим миром и миром мельчайших частиц не так уж и велика».

Вот и всё на сегодня. В студии был Глеб Гаврик, всего вам доброго!

«Мир автомобиля»

Осенью на рынке впервые появятся восьмицилиндровые мерседесы с автоматической коробкой, в которой ручка переключателя скоростей имеет семь позиций. Это будет первый серийный семиступенчатый автомат.

Фирма "Мерседес" - расположенное в Штутгарте подразделение концерна ДаймлерКрайслер - одна из немногих, кто строит свои коробки скоростей самостоятельно. С 1959 года только в Баден-Вюртемберге выпущено 11 миллионов автоматических коробок. Сейчас фирма инвестировала 400 миллионов евро в строительство завода в Унтертюркхайме, где и будут собирать семиступенчатые коробки Siebengang-Automatik 7G-Tronic

Серийно они будут устанавливаться на 500-е модели (Е500, S500, SL500), которые раньше имели пятиступенчатые автоматы. Зачем же нужны новые коробки? Мерседес уверяет, что более дробное распределение на сегменты позволяет сделать переключение скоростей более плавным и незаметным, поскольку будут меньше ощущаться переходы с одного числа оборотов на другое. Одновременно снижается и среднестатистическое число оборотов двигателя, результатом чего становится уменьшение потребеления горючего - примерно на пол-литра на 100 км может быть сокращён расход топлива. Это, конечно, смешной аргумент: при цене машины до 100 тысяч долларов и расходе от 15 литров экономить пол-литра горючего на сотне километорв. На окружающей среде это так же вряд ли отразится принципиальным образом - 500й мерседес не самая распространённая в мире машина. Но для водителя семиступенчатый автомат создаёт, действительно, ряд удобств. Разгон происходит быстрее, мягче и комфортабельнее Особенно на верхних ступенях переключение становится почти незаметным. По размеру и весу новая коробка, практически, не становится ни тяжелее, ни больше. Это достигнуто благодаря использованию магния, что так же происходит впервые в серийном производстве.

Стремительные продажи кроссовера Infititi FX45 стимулировали люксовое отделение Toyota, компанию Lexus к созданию своей модели. И вот на автошоу в Нью-Йорке впервые был представлен концептуальный автомобиль кроссовер Lexus HPX.

Концепткар разрабатывался в калифорнийском дизайн центре Lexus. По замыслу разработчиков, HPX с типом кузова универсал должен сочетать в себе роскошь спортивного седана с техническими показателями внедорожника. Вот как отзывается о разработке Kevin Hunter, вице президент дизайн центра: Мы хотели разработать следующее поколение внедорожных концепткаров, которые должны обозначить и указать нам направление развития в будущем .

Что касается внешности, то HPX напоминает небольшой Lexus RX 300. Особенно это касается общего профиля кузова и оформления задней его части с сильным наклоном пятой двери. Однако новинка получилась значительно крупнее и получила уникальное оформление передка со стильными узкими фарами головного света.
И вновь рассказывает Kevin Hunter: Только посмотрите на решение передка, кажется, что фары, и решетка радиатора расплылись под наплывом скорости. То же самое касается и оформления задней части. А тонкие оконные линии, высокая поясная линия и ниспадающий капот только способствуют хорошей динамике HPX. В целом, можно сказать, что новинка сохранила основные черты, по которым безошибочно определяется Lexus.

Естественно, как и все модели марки, HPX имеет роскошный салон.
Автомобиль берет на борт семерых пассажиров. В первых 2-х рядах индивидуальные спорт сиденья, а в 3-м ряду места для детей, которые за ненадобностью складываются в пол, освобождая место под груз.

Салон оснащен по последнему слову техники: электронное рулевое управление ( по проводам ) посредством самолетного штурвала. Перед водителем единый монитор, на который выводится вся информация (в том числе и с навигационной системы). Водитель может комбинировать картинку на мониторе и раскрашивать различные ее составляющие по своему желанию. Телекамеры сзади и по бокам обеспечивают круговой обзор. LCD-мониторы для второго и третьего рядов отображают сигнал с DVD-плейера.

В основе автомобиля платформа заднеприводного седана Lexus GS. Как и модель-донор, полноприводный Lexus HPX оснащается 300-от сильным двигателем V8 объемом 4,3-литра, работающим в паре с 5-ти ступенчатой автоматической трансмиссией. Автомобиль имеет спортивное шасси с изменяемым дорожным просветом, отличается высокой динамикой и прекрасно держит дорогу в самых различных дорожных условиях.

Почти пятиметровый HPX катится на 21-дюймовых колесах разного размера: спереди - 265/50 и сзади - 295/45. В ширну автомобиль получился почти два метра, а в высоту под 1м 70.

Несомненно появление данного концепткара - это шаг компании в сторону активно растущего сегмента динамичных люксовых внедорожников. Руководство Lexus намеревается уже в ближайшем будущем запустить аналогичную модель в серийное производство. Новый кроссовер должен будет занять нишу между паркетником RX330 и люксовым внедорожником GX470.

Конкурировать серийный автомобиль будет с аналогичной моделью Infiniti, а также с BMW X5 и Mercedes M-Class. Кроме того уже скоро на рынке США должны появиться подобные "кроссоверы" марок Mercedes, Chrysler и, возможно, Lincoln.