Сейчас ведутся разработки новых классов устройств – квантовых компьютеров и так называемых биокомпьютеров. На сегодняшний день мировая наука уже достигла значительного прогресса в этих разработках. 13 февраля 2007 г. произошло поистине эпохальное событие – демонстрация квантового компьютера. И это случилось лет на 20 раньше, чем предсказывали ученые. Квантовый компьютер Orion – это первая
152
практическая реализация технологии, позволяющей осуществлять одновременно до 65 536 вычислительных потоков. Его создатель – канадская компания D-Wave. Идея квантового компьютера возникла в 1982 году, когда Фейнман (американский физик, лауреат Нобелевской премии) увлек научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа – квантовом. Принцип работы такого компьютера связан с таинственными и пока непостижимыми для большинства людей квантовыми свойствами атомов и элементарных частиц. Квантовый компьютер, в частности, может быть основан на свойствах спинов электронов и атомных ядер. Когда спин частицы расположен вдоль выделенного направления, атом может быть «считан» как 1, а обратное направление вниз будет соответствовать 0. Это аналогично традиционному транзистору, для которого ноль и единица соответствуют открытому и закрытому состояниям. Но что делает рассматриваемый компьютер уникальным, так это тот факт, что квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в когерентном (связанном) состоянии, в котором частицы все-таки зависят друг от друга. В обычном ПК изменение состояния отдельного бита никак не связано с изменением состояния всех остальных битов, разве что только одного. В квантовом компьютере управление состоянием одной частицы вызывает изменение состояния всех других. Это и приводит к квантовому параллелизму вычислений. Благодаря данному эффекту такой компьютер может иметь феноменальную производительность. Для определенных типов вычислений квантовый компьютер может использовать «в тандеме» сотни атомов. На классической машине это бы соответствовало выполнению миллиардов операций одновременно. Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты (кубит – квантовый бит – quantum bit – qubit). Обычный бит – это классическая система, у которой есть только два состояния. Можно сказать, что пространство состояний бита – это множество из двух элементов, например из нуля и единицы. Кубит же – это квантовая система с двумя возможными состояниями (например, спин электрона может быть равен либо 1/2, либо –1/2). Но, поскольку система квантовая, ее пространство состояний будет несравненно богаче. «Квантовые компьютеры, – подчеркнул генеральный директор компании D-Wave Герб Мартин, – не заменят цифровых вычислительных машин. Вместо этого они будут служить как сопроцессоры для решения больших проблем. Важное преимущество их состоит и в том, что компьютер будет иметь минимальный расход энергии. Ниобий – сверхпроводник и, таким образом, не излучает тепло. Квантовый чип непосредственно рассеивает мощность всего несколько нановатт». Второй, абсолютно новый тип компьютеров – биологический. Главным свойством биокомпьютеров является то, что каждая их клетка – миниатюрная химическая лаборатория. Если биоорганизм запрограммирован, 153
то он просто производит нужные вещества. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и в руках – целый мир волшебных химических превращений. К тому же, биокомпьютеры могут оказаться гораздо более надежными – по сравнению с кремниевыми, так как клетки программируются на уровне генов для выполнения требуемых функций. Первый компьютер на базе ДНК был создан еще в 1994 г. американскими учеными. Они смешали в пробирке молекулу ДНК, в которой были закодированы исходные данные, и специальным образом подобранные ферменты. В результате химической реакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней в закодированном виде был представлен ответ задачи. Поскольку вычисления проводятся в ходе химической реакции с участием ферментов, на них было затрачено очень мало времени. В 2007 г. ученые из Вейцманского научно-исследовательского института в Реховоте (Израиль) разработали новый тип биологического компьютера, способный выполнять до 330 триллионов вычислений в секунду, что примерно в 100 тысяч раз быстрее обычных электронных компьютеров. Исследователям удалось добиться значительных успехов в дальнейшей миниатюризации биокомпьютеров и совершенствовании их "конструкции". Однако если все предшествующие ДНК-компьютеры нуждались в дополнительном источнике энергии – аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ), то новый биокомпьютер получает энергию непосредственно от молекулы ДНК, в которой закодированы исходные данные для вычислений. Исследователи сходятся во мнении, что такая конструкция биокомпьютера более перспективна, нежели вариант с применением внешнего источника энергии – АТФ. Пока до практического применения компьютеров на базе ДНК еще очень далеко. Однако в будущем их смогут использовать не только для вычислений, но и как своеобразные нанофабрики лекарств. Поместив подобное "устройство" в клетку, врачи смогут влиять на ее состояние, исцеляя человека от самых опасных недугов. Иногда биокомпьютерами (на самом деле ошибочно) называют еще один перспективный симбиоз биологии, кибернетики и нанотехнологий – биороботов. Однако это другое направление научных исследований. К примеру, ученым из Токийского университета во главе с профессором Шимояма удалось сконструировать искусственные создания, которых, по словам их творцов, вполне можно назвать живыми существами. Частью роботов стали настоящие насекомые. "Микророботов нужно изготавливать не из кремния, а из живой ткани", – считает сотрудник университета Йошихико Кувана. В лаборатории, где он работает, создают особые гибриды: наполовину это электронные существа, наполовину – живые. Например, исследователи взяли миниатюрного, подвижного робота и оснастили его парой усиков, позаимствованных у тутового шелкопряда. 154
Стоит этому насекомому почуять запах, источаемый самкой, как в его усиках возникает электрический импульс. Ученые разработали датчики, которые такой импульс улавливают, усиливают и с его помощью управляют роботом. Во время опыта искусственное насекомое, словно живой шелкопряд, выписывая забавные зигзаги, мчалось к источнику аромата. На этом специалисты не остановились. В другом опыте они подключили шелкопряда к миниатюрному роботу. При этом прямо под его лапками оказался "шар трассировки" – устройство ввода координат – частично выступающий над плоскостью вращающийся шар. Как только шелкопряд учуял знакомый призывный запах, он беспокойно заработал лапками, как спортсмен на "бегущей дорожке". Робот, живущий заемным умом, ожил... Японские исследователи экспериментируют и с тараканами. Простейший способ командовать ими – с помощью температурных сигналов. На голове таракана (рис. 6.5) "корона с электроникой". Его усики подрезаны, и насекомым управляют с помощью электродов; пользуясь дистанционным пультом, таракана заставляют бежать в заданном направлеРисунок 6.5 – Таракан нии. Если коснется усиком нагретого «со встроенной электроникой» предмета, сразу же отдернет его и повернет туда, где похолоднее. Вот это свойство насекомого и решили использовать ученые. На спину ему возле оснований усиков приклеили "рюкзачок" с парой крохотных хромоникелевых электронагревательных стержней. Ученые повышали температуру одного стерженька, и чуткое насекомое немедленно меняло маршрут. Ему можно было задавать любое направление движения. Недавно научно-исследовательская группа Ростовского государственного университета (Россия) провела серию удачных экспериментов по созданию "черепах-киборгов". Между тем, еще в Советском Союзе над этой проблематикой работал целый ряд ведущих НИИ страны. Ученые стремились превратить некоторых животных, в особенности морских млекопитающих, в управляемые биообъекты, которые можно было использовать для особо опасных военных операций. Черепашки-киборги весело карабкались по металлическому поддону клетки, стараясь подальше уползти от надоедливых лаборантов. На их панцире находились приборы, нависающие над головой, от которых отходили проводки, вставленные прямо в череп животного. Но стоило специалистам взять в руки джойстик управления, черепахи замерли, развернулись и направились в нужную для исследователей сторону.
155
По мнению исследователей, подобные управляемые животные по сравнению с роботами способны гораздо лучше справляться с некоторыми заданиями по исследованию недоступных для человека мест. Они не сломаются по дороге, не забуксуют на ровном месте и, в отличие от автоматов, способны самостоятельно решать простейшие задачи. Например, радиоуправляемая черепаха с камерой на панцире может исследовать радиоактивные области или погружаться на большую глубину. Управление животными производится по очень простой схеме. Электроды, вживленные в мозг при подаче электрического сигнала, провоцируют определенные зоны головного мозга. Если раздражать зрительную зону, то животному будут казаться вспышки света справа или слева. Если слуховую, то будет слышаться звук. И зверь начнет поворачивать или останавливаться, испугавшись вспышек или громкого звука. Есть центры, отвечающие за положительные или отрицательные эмоции, и их активация способна вызвать удовольствие или резкое отвращение. И чтобы заработать электрический сигнал в область удовольствия, животное, как наркоман, будет выполнять любые команды. Между тем японские инженеры из компании NTT Communication Science Laboratories разработали интерфейс, позволяющий управлять человеком. По своему принципу действия он был похож на ту аппаратуру, что применялась для управления черепахами. Только на этот раз электроды не вживлялись, а размещались на голове у испытателя. Человек надевал чтото похожее на наушники, а на затылке крепились специальные контакты. Слабый электрический ток, подаваемый в мозг, дезориентировал человека, сбивая с толку его вестибулярный аппарат. В итоге у испытателя складывалось впечатление, что он падает в ту или иную сторону, что заставляло его бежать вперед-назад или менять направление движения. Оператор с джойстиком в руках был способен управлять подопытным, словно игрушкой, на радиоуправлении. Разработка систем управления, аналогичных структуре деятельности мозга, конструирование новых механизмов на основе биомеханики животных уже сегодня позволяют решать многие научные проблемы.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Компьютеры завтрашнего дня» з дисципліни «Історія інженерної діяльності»
