____ - Оптический компьютер.
____ В основе оптических компьютеров лежит оптический процессор, операции в котором выполняются за счет манипуляции потоков света, а не электронов, благодаря чему может быть достигнута высокая производительность.
____ Работы по созданию оптического процессора начались еще в 80-х. И не потому, что уже тогда кремниевую технологию хотели заменить более совершенной, а просто ради интереса – почему бы не создать альтернативный тип процессора? Однако началу работ над созданием такого типа процессоров предшествовали несколько серьезных работ в области оптических квантовых генераторов, или лазеров.
В 1964 году Нобелевская премия была вручена ученым работу, которая произвела настоящую революцию в квантовой электронике. После этой работы стало возможным создание квантовых генераторов и усилителей, основанных на лазерном принципе. А в 1971 году премия была вручена уже за изобретение голографического метода. Сейчас голография применяется картографии, медицине, при диагностике сбоев в различных устройствах, а также в других отраслях.
____ В 1980-х годах исследователи по оптической электронике начали работать над созданием оптического процессора нового поколения. Оптический процессор должен был использовать специальные элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции представлены как взаимодействия вещества со светом. В 1990 году фирма «Bell» создала макет оптического устройства и продемонстрировала выполнение логических и арифметических операций с очень высоким быстродействием. А в 2003 году компания «Lenslet» создала первый в мире оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, как в 1990-ом году, а коммерческий продукт, который можно было купить. Процессор назывался EnLight256, его производительность составляет 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду). Операции выполняются за счет манипуляции потоков света, а не электронов, поэтому достигается такая производительность. Обычному пользователю такая производительность и не нужна, но, справедливости ради, нужно отметить, что оптические процессоры пока и не ориентированы на обычного пользователя, а в первую очередь ориентированы (по крайней мере, сейчас) на промышленное производство, военную технику – там, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации, где промедление в несколько сотых секунд может закончиться непоправимыми последствиями.
____ Преимущества оптической технологии:
____ - можно параллельно передавать целые изображения за один световой пучок,
____ - возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации,
____ - обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая реализует вычислительную среду; например, при отправке изображения для обработки – оно будет обработана почти мгновенно, потому что оно обрабатывается по мере его прохождения через оптическую систему,
____ - информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться без затрат энергии;
____ - оптическая система не позволяет перехватывать информацию, поскольку ничего не излучает в окружающую среду.
____ Все эти преимущества достигаются благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны.
____ Как уже отмечалось, в 1990 году компания «Bell» создала макет первого оптического компьютера. В основе процессора лежали двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов со множествами квантовых ям. Эти элементы обладали электрооптическими свойствами (в аглоязычной литературе можно встретить аббревиатуру SEED – self-electro-optic-effect devices). Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучения лазера составила 10 мВт, длина волны 850 нм. Как это все работало? Свет проходил через один диод, в цепи возникал ток, что, в свою очередь, приводило к падению напряжения на структуре решетки и к повышению пропускания света через вторую структуру. Вот так возникала обратная связь и совокупность элементов образовывала логические ячейки ИЛИ-И, ИЛИ-НЕ и т.д. Первый оптический компьютер занимал всего 1 метр квадратный. Состоял он из четырех каскадов. На выходе каждого каскада определялось пространственное распределение излучения по состоянию входящей в состав каскада жидко-кристаллической маски. Маска управлялась обычным компьютером.
____ Во втором поколении оптических компьютеров использовалась векторно-матричная логика. Второе поколение было представлено компьютером DOC-II (digital optical computer), в котором поток данных излучали 64 модулируемых лазерных диода, длина волны каждого составляла 837 нм. Свет от каждого диода отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора, общий размер которого составляет 64*128 элементов. Отдельный элемент матрицы – это ни что иное, как брэгговская оптическая ячейка (на основе GaP). Свет, который выходит из модулятора, попадает на целый ряд фотодиодов (128 штук). В секунду компьютер может сделать 0.8192 переключения, при этом на одно переключение затрачивается 7.15 фДж, если посчитать в фотонах, то это около 3000 фотонов. Если представить, что нам нужно найти какое-то слово в тексте на обычном компьютере, то можно провести небольшой эксперимент. Открыть текстовый документ объемом около 1000 страниц и на последней странице написать слово, которое мы будем искать, при условии, что оно больше не повторяется нигде в этом документе. Так вот, запустив поиск, мы найдем искомое слово где то через 2-3 секунды, а оптический компьютер просмотрел бы за одну секунду 80 000 страниц обычного текста! Но основной недостаток оптического компьютера – неинтегрируемость его компонент. В настоящее время ведутся работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера, он будет называться High Performance Optoelectronic Communication – HPOC, опытная его модель уже создана.
____ В новом компьютере планируется использовать входную матрицу с вертикально расположенными лазерными диодами. Диоды будут соединяться волноводами и обычной оптикой, оснащенной матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов. Выходная система будет состоять из матрицы фотодиодов, которая будет совмещена с входной матрицей. В модуле используются технологии CMOS, Bi-CMOS, GaAs, оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков. В итоге получается квази четерехмерная структура. Уже созданная опытная система показывает скорость 1015 операций в секунду, потребляя при этом энергии всего 1 фДж на переключение (в сравнении с DOC-II – там 7 фДж). Что же касается веса, то пока нынешние оптические системы в этом проигрывают – их вес превышает используемые сейчас чипы
____ В настоящее время только одна фирма в мире создала коммерческий оптический процессор, который можно купить, этот процессор называется EnLight 256 и создала его фирма Lenslet. EnLigth256 – это первый оптический DSP (Digital Signal Processor), превосходящий в три раза лучшие электронные DSP. Если быть предельно точным, то EnLight256 – это гибридный оптический процессор, который не полностью оптический, а содержит преобразователи. Но на сегодняшний день полностью создать оптический компьютер не то чтобы очень сложно, а очень дорого. К тому же неизвестно, как он будет работать. В данном случае мы меняем только ядро (все остальное остается таким же – электрическим) и получаем огромный прирост производительности.
____ Ядро этого процессора – оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256 VCSEL-лазеров, пространственного модулятора света, набора линз и приемников. Производительность процессора составляет 8 триллионов операций в секунду: за один такт (8 нс) процессор умножает 256-байтный на матрицу 256х256.
____ Данная технология (использование оптического ядра, а входная и выходная информация представляется в электронном виде) позволяет использовать лучшее из оптического и электрического миров. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication) – ядро процессора - конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации (вычислительные операции), направляя свет через программируемую внутреннюю оптику. Свет, который появляется на выходе, ощущается множеством датчиков и преобразуется обратно в электрический сигнал. Программирование же оптического цифрового сигнального процессора (Optical Digital Signal Processing Engine, ODSPE) заключается в изменении значений, которые сохранены в пространственном модуляторе (Spatial Light Modulator, SLM).
____ В настоящее время ведутся дальнейшие разработки в области построения оптических процессоров, а также устройств на их основе, и расширяются границы применения подобных устройств, что дает возможность таким технологиям в будущем занять свое место среди передовых технологий, возможно в массовом сегменте, а возможно лишь в узкоспециализированных областях.

____ - Молекулярный компьютер.
____ Молекулярные компьютеры - вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул. Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.
____ О молекулярных компьютерах говорят давно. Как далеко продвинулись учёные? Не исчез ли интерес к таким исследованиям? Нет, не исчез, напротив, ими активно занимаются в Америке, в Германии, у нас в стране, и, несмотря на то что перспектива создания серийного компьютера на молекулах всё ещё кажется достаточно отдалённой, некоторые успехи есть. Более того, учёные, работающие в этой области, утверждают, что молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20–25 лет. А ещё через 10–20 лет будет создано новое поколение ещё более эффективных квантовых компьютеров и ДНК-компьютеров.
____ Молекулярный компьютер это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так называемые «интеллектуальные молекулы». Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.
____ Особенно интересны такие превращения бистабильных молекул, после которых сильно меняется электронная конфигурация. Например, после изомеризации в молекуле образуется единая сопряжённая электронная система, следовательно, появляется способность проводить электрический ток. Могут меняться и другие свойства: спектры поглощения сдвигаться в видимую область, возникать нелинейные оптические свойства и, что особенно ценно, флуоресценция.
____ Интерес к созданию молекулярных компьютеров не случаен. Производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. На процессорном чипе компьютера расположено до ста миллионов транзисторов, и намного больше разместить уже вряд ли удастся, поскольку доведённые до совершенства технологии их производства достигнут совсем скоро своего пика. Транзистор — это два электрода на кремниевой подложке, ток между которыми регулируется потенциалом, подаваемым на третий управляющий электрод — затвор. Критический элемент кремниевого транзистора, из-за которого нельзя сделать его намного меньше, — толщина изолирующего слоя оксида кремния между затвором и проводящим слоем. Несмотря на то, что технологии производства изолирующего слоя оксида кремния совершенствуются и он становится тоньше, у него существует физический предел — не более 4–5 молекул (1,5–2 нм). В более тонких слоях начинаются неконтролируемые процессы туннелирования электронов и перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычислительной системы в целом. Более того, существует предел стабильной концентрации допантов в проводящем слое, и само формирование интегральной схемы с меньшими размерами транзисторов невозможно на базе стандартной техники фотолитографии. В силу квантовых законов травление нельзя осуществить на меньшем масштабе, чем длина полуволны света, а уже сейчас используют жёсткое УФ-излучение.
____ Ещё в 1959 году Ричард Фейнман указал на то, что молекулы, обладающие определёнными свойствами, смогут работать как переключатели и заменить собой транзисторы, а технический прогресс сделает возможным и манипуляции с отдельными атомами и молекулами. Это предсказание начинает сбываться. Размеры будущего молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку, как мы уже говорили, производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов, размещаемых на единице площади, то выигрыш в производительности будет огромным. Так, если уменьшить размер транзистора до молекулярных размеров (примерно до одного нанометра), то на единице площади интегральной схемы поместится в миллион раз больше транзисторов. Если ещё вдобавок к этому время отклика уменьшится до фемтосекунд (на шесть порядков) — а именно таково характеристическое время протекания элементарной стадии химической реакции, — то эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 миллиардов раз выше, чем современного кремниевого.
____ Архитектура каждого компьютера включает три основных элемента: переключатели, память, соединяющие провода. Все элементы в молекулярных компьютерах будут отличаться от их же аналогов в нынешних вычислительных устройствах. Бистабильные молекулы — переключатели будут управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими реакциями. Память может работать на принципе «запоминания» оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряжённые полимеры. Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего. Рассмотрим их по отдельности.
____ Наиболее эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые изомеризуются при переходе в высшие возбуждённые электронные состояния. Это может быть процесс цистрансизомеризации, перициклических превращений, фотопереноса протона. После переключения кардинально перестраивается электронная конфигурация системы, а её геометрия остаётся практически прежней. Перспективны также топологические изомеры супрамолекул — например, переключатель, описанный Д.Ф. Стоддардом и Д. Хисом, которые сотрудничают с фирмой «HP». Монослой молекул катенана помещают между металлическим и кремниевым электродами. После электрохимического окисления супрамолекулы на одной из её частей появляется дополнительный положительный заряд. Поскольку в исходной форме эта часть соседствует с одноимённым зарядом, то после окисления плюсы отталкиваются и молекула перегруппировывается. Образуется вторая стабильная форма, и меняется электрическое сопротивление. Главное достоинство такого переключателя — его исключительно высокая устойчивость. Цикл окисления-восстановления катенана можно совершать 10–20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы.
____ Переходим к памяти. В настоящее время применяют магнитные и оптические носители памяти, которые основаны на принципе двумерной записи, и это ограничивает объёмы записываемой информации. Стандартный диск CD-ROM диаметром 12 см, который уже уступил место DVD, может содержать примерно 0,5 гигабайт (~ 4•109 бит) данных. Теоретическая плотность оптической записи информации обратно пропорциональна квадрату длины волны используемого для записи света, поэтому предел возможностей однослойного компакт-диска равен 3,5•108 бит/см2 (для света с длиной волны 532 нм).
____ Память молекулярного компьютера будет основана на тех же принципах, что и переключатели, в её основе — бистабильные молекулярные структуры и их же превращения. Конечно, для различных типов памяти потребуются различные характеристики этих превращений, а чтобы обеспечить долгое хранение записанной информации, будут нужны системы с большим временем жизни изомера Y. Учёные предполагают, что в молекулярных компьютерах можно будет записывать оптическую информацию не только на поверхности активной среды, как это делается в настоящее время, а в полном объёме — то есть память станет трёхмерной. Если использовать для записи весь объём образца, то плотность записи на трёхмерном носителе с тем же источником света будет уже 6,5•1012 бит/см3, на четыре порядка больше. Если же применять более жёсткое излучение, то объём записываемой информации увеличивается ещё на порядок.
____ Чтобы записать информацию в объёме образца или, по крайней мере, на нескольких его слоях, нужна новая система записи. Для этого используют метод двухфотонного поглощения. Суть метода в том, что необходимая для записи энергия (hv) доставляется двумя фокусируемыми в нужной точке лазерными пучками с частотами v1 и v2, подобранными так, чтобы hv = hv1 + hv2. Впервые принципиальную возможность такой схемы показал П. Рентцепис (Калифорнийский университет) в конце 80-х годов XX века. Он использовал для этого, в частности, фотохромную спиропирановую систему. Поглотив два фотона, молекула А перегруппируется в окрашенную мероцианиновую форму В. Считывание записанной таким образом информации происходит при регистрации флуоресценции молекулы В, также возбуждаемой двухквантовым переходом. Флуоресценция — не единственный, но в силу особенно высокой чувствительности наиболее привлекательный метод считывания записанной информации.
____ К числу лучших фотохромных систем принадлежат фульгиды индольного ряда. Недавно американская компания «ConstellationSD», объявила о создании первого трёхмерного (многослойного) флуоресцентного диска FMD-ROM, материалом для которого служат 2-индолилфульгиды и 3-индолилфульгиды. По утверждению фирмы, первые готовые к выпуску образцы вмещают на десяти слоях 12-сантиметрового диска до 140 гигабайт (5–7 Гб на диске размером с кредитную карту), причём компания располагает технологией, позволяющей в десять раз увеличить число слоёв и, соответственно, плотность записываемой информации.
____ Очень интенсивные исследования по созданию органической трёхмерной памяти ведутся в Японии под руководством М. Ирие. В качестве объекта выбраны другие молекулы — диарилэтены, но принцип их работы тот же, что и у фульгидной системы. М. Ирие — куратор совместного проекта Международного научно-технологического центра (МНТЦ), в котором также участвуют Институт Органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, Фотохимический центр РАН и НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета.
____ Другой перспективный подход к созданию молекулярной памяти продемонстрировали недавно М. Рид (Йельский университет) и Д. Тур (компания «НР»). Они сделали сандвич примерно из 1000 молекул ароматического дитиола и поместили его между золотыми электродами. При определённом напряжении, поданном на электроды, этот сандвич удерживает электроны (то есть хранит данное состояние в памяти) в течение примерно 10 минут (стандартная кремниевая динамическая память DRAM удерживает всего на миллисекунды).
____ При напряжении 5В ученым удалось поддерживать ток в 0,2 микроампера, что соответствует потоку 1012 электронов в секунду. Это намного больше того, что они ожидали после теоретических расчётов. Интересно, что электроны проходят через молекулу без рассеяния тепла. Авторы исследования думают, что их «электронная присоска», как они её назвали, может служить прототипом нового поколения динамической памяти.
____ Наконец, третий компонент молекулярных компьютеров — проводники, обеспечивающие сообщение между молекулярными транзисторами и молекулярными устройствами памяти. Дизайн проводников, также имеющих наноскопические размеры, учёные ведут по трём основным направлениям. Первое — это проводящие полимеры: допированный полиацетилен (Нобелевская премия 2000 года), политиофен, полианилин и др. Второе — различные органические проводники, которые обладают достаточно высокой проводимостью, до 102-103 с/м. Все они представляют собой длинные сопряжённые молекулы, в которых электрон переносится по цепи π-связей.
____ Если к концам такой сопряжённой цепи присоединить металлсодержащие группы, то окисление или восстановление одной из них обеспечит достаточную проводимость по всей цепи. Комбинируя допированные (проводящие) и недопированные (со свойствами изоляторов или полупроводников) участки ____ полимеров, можно получать электрические контуры с нужными свойствами.
Особые надежды возлагаются на третий тип проводников — нанотрубки. Это великолепный материал для молекулярной электроники. Нанотрубки с однослойными или многослойными стенками получаются при прохождении электрического разряда между двумя графитовыми электродами. Длина одностенных нанотрубок может достигать микрометров (диаметр около 1 нм), причём на отрезках по 150 нм сохраняются металлические свойства. Углеродные или боразотные нанотрубки можно заполнять металлами и получать таким образом одномерные проводники, состоящие из цепочек атомов металлов.
____ С одностенными нанотрубками удается сделать ещё более интересные вещи. При помощи атомно-силового микроскопа, скручивая однослойную нанотрубку, удалось получить участки, на которых сопротивление достигает 50 килоОм, в результате чего образуется барьер для движения электрона. При определённом напряжении можно переключать состояния одностенной нанотрубки: «проводимое»—«непроводимое», перемещая один-единственный электрон. Фактически это прототип транзистора на одном электроне. Существует также прототип транзистора на одной молекуле, который изучают в Корнельском и Гарвардском университетах.
____ Молекулярные транзисторы, память и проводники — три составные части будущего молекулярного компьютера, и в их создании по отдельности, как мы видим, есть значительные успехи. Но самая сложная задача — собрать все компоненты в работающее устройство. До её решения ещё далеко. Однако путь, по которому надо идти, вполне ясен: это принцип молекулярного распознавания, ответственный за самосборку и самоорганизацию сложных ансамблей и агрегатов молекул. Этот же принцип лежит в основе происхождения жизни, и именно его использует природа для создания таких сложных структур, как двойная спираль ДНК, жидкие мембраны и глобулярные протеины. Пока эта задача не решена, учёные предполагают делать гибридные устройства, сочетающие достоинства молекулярного подхода с наиболее успешными технологическими вариантами, найденными для кремниевых технологий. Гибридные устройства можно сделать, например, используя повышенное сродство атомов серы в органических молекулах к тяжёлым металлам, особенно золоту. Так создаются контакты между металлическими электродами и молекулярными проводниками.
____ Мысль учёных идет дальше. До сих пор мы рассматривали примеры, когда все функции компонентов компьютера обеспечиваются передвижением электронов в сложных молекулярных ансамблях. Между тем эти функции могут взять на себя и фотоны. Уже предложены различные варианты фотонных устройств, например молекулярный фотонный транзистор. В фотонном транзисторе фрагмент молекулы, поглощающий квант света (дипиррилбородифторид), играет роль стокового электрода, следующая молекула (цинковый порфирин) — проводника, а последний излучающий порфириновый фрагмент молекулы соответствует электроду истока. Магниевый порфирин работает как управляющий электрод — затвор. Если окислить этот затвор, то после поглощения света перенос энергии происходит не на цинковый порфирин, а на неизлучающий магниевый. В компьютерах на подобных транзисторах, регулирование всей его работы будет происходить с помощью света.
По оценка учёных, молекулярные компьютеры будут созданы к 2020–2030 годам. Но это не значит, что существующее поколение кремниевых компьютеров полностью и сразу отомрёт, просто рядом с ним появится гораздо более мощное поколение компьютеров.

____ - Квантовый компьютер.
____ Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое путём выполнения квантовых алгоритмов использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.
____ Содержание понятия «квантовый параллелизм» может быть раскрыто так: «Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счёт того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно».
____ Под «квантовой суперпозицией» обычно понимается следующее: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: "распад" и "не распад", /…/ но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние — "распада — не распада", то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется "суперпозицией". Базовые характеристики квантовых компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров.
____ Идея квантовых вычислений, впервые высказанная российским математиком Юрием Ивановичем Маниным (р. 1938) и американским физиком Ричардом Фейнманом (1918 – 1988), состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространством состояний такого квантового регистра является 2L-мерное гильбертово пространство. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит может выполнять параллельно 2L операций.
____ Предположим, что имеется один кубит. В таком случае после измерения, в так называемой классической форме, результат будет 0 или 1. В действительности кубит — квантовый объект и поэтому, вследствие принципа неопределённости, в результате измерения может быть и 0, и 1 с определенной вероятностью. Если кубит равен 0 (или 1) со стопроцентной вероятностью, его состояние обозначается с помощью символа (или ) — в обозначениях Дирака. и — это базовые состояния. В общем случае квантовое состояние кубита находится "между" базовыми и записывается, в виде , где |a|² и |b|² — вероятности измерить 0 или 1 соответственно; ; |a|² + |b|² = 1. Более того, сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, аналогичное классическому результату.
____ Пример:
____ Имеется кубит в квантовом состоянии. В этом случае, вероятность получить при измерении 0 составляет (4/5)²=16/25 = 64 %, 1 (-3/5)²=9/25 = 36 %. В данном случае, при измерении мы получили 0 с 64 % вероятностью.
____ Тогда кубит перескакивает в новое квантовое состояние , то есть, при следующем измерении этого кубита мы получим 0 со стопроцентной вероятностью. Это обусловлено тем, что дираковский вектор состояния не зависит от времени, то есть раскладывается в сумму векторов базисных состояний с независящими от времени коэффициентами.
____Перейдем к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Теперь |a|² — вероятность измерить 00 и т. д. Отметим, что |a|²+|b|²+|c|²+|d|²=1 как полная вероятность. В общем случае системы из L кубитов, у неё 2L классических состояний (00000…(L-нулей), …00001(L-цифр), … , 11111…(L-единиц)), каждое из которых может быть измерено с вероятностями 0—100 %.
____ Таким образом, одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые она может принимать, в отличие от классического бита. Это и обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений.
____ Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берется система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством базовых квантовых операций. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера.
____ Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система дает результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счет небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.
____ С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней.
____ Чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов. Пока в природе их не существует.
____ Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой. Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:
____ - необходимо обеспечить высокую точность измерений;
____ - внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.
____ Благодаря огромной скорости разложения на простые множители, квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Для того, например, чтобы получить доступ к кредитной карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров выполнение этой задачи заняло больше бы времени, чем возраст Вселенной, в сотни раз, но при помощи алгоритма Шора эта задача делается вполне осуществимой.
____ Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений, прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки.
____ Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества.
____ В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам. Данная демонстрация также вызвала определенного рода скепсис.
____ В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений AQUA@home(Adiabatic QUantum Algorithms), в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.
____ А в ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит.
Квантовые вычисления открывают колоссально новые возможности использования этой мощности в практических целях, поэтому квантовые компьютеры представляют особый интерес для разработчиков и многих ученых.

____ - ДНК-компьютер.
____ ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Молекулы ДНК и компьютеры казалось бы, совершенно не связанные между собой понятия. Однако природа постаралась на славу, заключив в спиралевидной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты генетическую информацию о будущих поколениях организма.
____ В одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе СD. Ученые решили использовать изобретение природы и применить молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.
____ Разработка ДНК-компьютера отнюдь не конструирование маленького мониторчика, крохотной клавиатуры и системного блока из витиеватых спиралей. Это сложная задача, над решением которой работает множество ученых во всем мире.
____ ДНК-вычисления впервые были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эделманом (р. 1945), профессором Университета Южной Калифорнии, для решения задачи коммивояжера. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семь), в каждом из которых можно побывать только один раз. Эта задача решается прямым перебором, однако при увеличении числа городов сложность ее возрастает.
____ В пробирку помещают около 100 триллионов молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности, кодирующие города и пути между ними. Затем за счет взаимного притяжения нуклеотидов отдельные цепочки ДНК сцепляются друг с другом случайным образом, а специальный фермент лигаза сшивает образующиеся короткие молекулы в более крупные образования. При этом синтезируются молекулы ДНК, воспроизводящие все возможные маршруты между городами. Остается лишь выделить среди них те, что отвечают искомому решению.
____ При масштабировании задачи коммивояжера возникают трудности. ДНК-компьютер Эделмана искал оптимальный маршрут для 7 узлов. Но чем больше городов надо объехать коммивояжеру, тем больше ДНК-материала требуется биологическому компьютеру. Было подсчитано, что если увеличить количество узлов до 200, то потребуется ДНК-цепочка, вес которой превышает вес Земли.
____ Вслед за работой Эделмана последовали другие. Интересную разработку предложили израильские ученые из Вейцманновского института. Команда во главе с профессором Эхудом Шапиро (р. 1955) решила создавать не специализированную методику для решения строго конкретной задачи, а технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы.
____ Эхуд Шапиро смог реализовать модель биокомпьютера, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Для работы биокомпьютера необходимо составить правильную молекулярную смесь, риблизительно через час смесь самостоятельно порождает молекулу ДНК, в которой закодирован ответ на поставленную перед вычислителем несложную задачу. В этом биокомпьютере ввод и вывод информации, а также роль ПО берут на себя молекулы ДНК. В качестве же аппаратного обеспечения выступают два белка-энзима естественного происхождения, которые манипулируют нитями ДНК. При совместном замешивании молекулы программного и аппаратного обеспечения гармонично воздействуют на молекулы ввода, в результате чего образуются выходные молекулы с ответом.
____ В одной пробирке помещается около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений достигает миллиарда операций в секунду, а точность 99,8 %. Пока биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: истина или ложь.
____ В 2003 году научно-исследовательский институт Вейцманна в Израиле вновь привлек к себе внимание общественности. На этот раз группа ученых усовершенствовала разработанное год назад устройство, поручив одной-единственной молекуле ДНК роль средства ввода данных и одновременно источника питания. Устройство было оценено в научном мире и попало в Книгу рекордов Гиннеса как самое микроскопическое биологическое вычислительное устройство. Надо сказать, что рекордсмен снаружи выглядит как капля прозрачной жидкости в пробирке.
____ Ученые же из института «Технион» в Израиле создали самособирающийся нанотранзистор, для разработки которого они использовали особенности структуры ДНК и электронных свойств углеродных нанотрубок. Сначала исследователи покрыли частицы молекулы ДНК белками бактерии «E. Coli», и после этого связали с ДНК покрытые антителами нанотрубки, также использовав в процессе создания устройства ионы золота и серебра – получившаяся в результате всех манипуляций конструкция работает как транзистор.
____ А уже в 2004 году исследователи разработали микроскопические устройства, которые можно внедрять в кровоток. Они могут диагностировать онкологические заболевания и выпускать в нужном месте лекарства. Устройства построены на базе синтетических ДНК, часть цепи служит для определения высокой концентрации РНК определенного вида, которые вырабатываются раковыми клетками, другая часть молекулярной цепи является хранилищем и управляющей структурой для еще одной нуклеотидной последовательности лекарства. Этот фрагмент ДНК, выпущенный в нужном месте, подавляет активность гена, вовлеченного в процесс развития рака.
____ Ученые продемонстрировали несколько деталей биологической молекулярной машины, которая успешно идентифицировала в пробирке клетки, соответствующие раку простаты и раку легких. До полноценного устройства, которое можно было бы применять в борьбе с раковыми заболеваниями, еще далеко, однако ученые сделали важный шаг на пути создания молекулярных медицинских ДНК-роботов.
____ В том же году профессор Ричард Киль и его коллеги из университета Миннесоты разработали экспериментальные биоэлектронные схемы. Американские ученые использовали цепочки ДНК для создания плоской ткани, несколько напоминающей застежку-липучку, только на наноуровне. Проводимые опыты продемонстрировали, как искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собрались в заранее рассчитанную структуру. С регулярным шагом на этой структуре образовались липучки, которые способны принять другие сложные органические молекулы или различные металлы.
____ Авторы проекта закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, будто радиодетали на пластмассовой плате. Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра. А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих электронных схем с высокой плотностью упаковки информации. Они будут совмещать органические и неорганические компоненты.
____ В 2005 году ученые из университета Мичигана во главе с Юнсэон Чой применили молекулы ДНК для построения наночастиц с заданными свойствами. Исследователи работали с так называемыми дендримерами, крошечными разветвленными полимерами, концы которых могут содержать различные молекулы.
____ Сначала Юнсэон Чой синтезировал несколько отдельных звеньев дендримеров, каждое из которых снабжалось молекулой лекарства и небольшим фрагментом половинки ДНК. При смешивании всех этих ингредиентов ДНК соединялись в соответствии с дополнительными парами оснований и автоматически сшивали короткие звенья полимера в длинные комплексы. Такие дендримеры могут избирательно поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток. Синтез такой молекулы по методике Чоя занимает 10 шагов, вместо 25 при использовании прежних технологий.
____ Специально спроектированные полимеры могут использоваться для обнаружения больных тканей, точной доставки лекарств к нужным клеткам и т. д. Недостаток данной технологии в том, что синтез нужных цепочек может занимать в некоторых случаях по несколько месяцев.
____ Исследователь из Нью-Йоркского университета Нэд Симэн создал наномашину, производящую один-единственный полимер, повторяющий структуру самого устройства. Его размеры 110x30x2 нанометра. Аппарат состоит из ДНК-машин, которые разработчик называет PX-JX2. Эти наномашины Симэн изобрел несколько лет назад путем комбинации определенным образом цепи молекул ДНК.
____ К каждой PX-JX2 исследователь добавил цепочки ДНК, затем присоединил фрагменты ДНК, связывающие противоположные концы PX-JX2 наномашины. Полученная структура заработала после добавления фрагментов все той же ДНК. Машина начала собирать из них полимер, повторяющий структуру первоначальной фабрики.
 ____ ДНК-наномашина работает подобно информационной РНК. Но в функциях этих наносистем есть и существенные отличия. Устройство Симэна не способно к транслокации, конечный продукт будет такой же структуры, что и само устройство. У исследователя есть уверенность в том, что ему удастся создать ДНК-машину, работающую подобно молекуле РНК. Свое применение будущая искусственная рибосома найдет в синтезе новых материалов по заданной последовательности, закодированной в ДНК. В конце концов, можно научиться делать полимеры и новые материалы в больших количествах и за малый промежуток времени благодаря ДНК-машинам, уверен Симэн.
____ В настоящее время область ДНК-вычислений пребывает на том этапе подтверждения концепции, когда возможность реального применения лишь маячит на горизонте. С уверенностью можно утверждать, что в ближайшие десятилетия технология громко заявит о себе, продемонстрировав свои реальные возможности. А пока можно лишь гипотетически просчитывать, насколько полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества.