Журнал «Компьютерра» №25-26 от 12 июля 2005 года

И что дальше?

- Это трудный вопрос, возможно, с неожиданным ответом. Грандиозные успехи полупроводниковой вычислительной техники неоспоримы. Существует ли потребность в устройствах обработки данных, построенных на принципиально иных принципах? Способны ли они конкурировать с электронными вычислителями?

Варианты ответов на эти вопросы могут показаться несколько странными: да, эти устройства по многим параметрам могут конкурировать с электроникой, но потребность в них сегодня определяется не их техническими характеристиками.

Фундаментальное значение имеет сама возможность целенаправленного создания неравновесных диссипативных структур, обладающих свойствами, присущими живым объектам, - способностью к самоорганизации и усложнению своей структуры в условиях потребления энергии и информации из окружающей среды. По существу, речь может идти о программе создания искусственных живых объектов, по крайней мере в термодинамическом и информационном смыслах.

Вычислительные возможности физических систем

Сет Ллойд (Seth Lloyd) - профессор квантовомеханических технологий Массачусетского технологического института и создатель первого в мире квантового компьютера, дал оценку предельных вычислительных параметров физических систем[Seth Lloyd, Ultimate physical limits to computations//Nature, V. 406, August, 31, 2000.] (см. также www.arxiv.org/abs/quant-ph/0110141

«обычный» современный компьютер - количество преобразований в секунду 109, объем хранимой информации 1012 бит;

так называемый предельный компьютер, в качестве которого рассматривается материя массой 1 кг в объеме 1 л (то есть имеющая плотность воды), - количество преобразований в секунду 1051, объем хранимой информации 1031 бит;

черная дыра, представляющая собой результат гравитационного коллапса вещества массой 1 кг и имеющая радиус 10-27 м, обладает способностью выполнять 1035 элементарных преобразований в секунду, храня при этом 1016 бит информации;

вся наша Вселенная. В расчет принимается лишь вещество, содержащееся в пределах наблюдаемых границ нашего Мира.

Вселенная-компьютер обладает быстродействием 10106 операций в секунду при объеме хранимой информации 1092 бит.

Следует помнить, что эти оценки характеризуют лишь «способность» тех или иных физических систем обрабатывать информацию, но не дают никаких указаний на то, как технически организовать эти процессы и осуществлять ввод и вывод данных.

Так, например, некоторый объем низкотемпературной плазмы, полученной при помощи СВЧ-разряда, можно рассматривать в качестве «действующей модели» «предельного компьютера», однако никто сегодня не может сказать, каким образом эту плазму можно запрограммировать на реализацию, например, алгоритма игры в шахматы.

В 1925 году Альберт Эйнштейн, математически исследовав поведение охлаждаемого вещества, подтвердил гипотезу гениального индуса Шатьендраната Бозе о том, что в состоянии глубокого охлаждения механическое движение частиц вещества прекращается, а отдельные атомы (или молекулы), потеряв связанную с тепловым движением информацию, становятся квантово неразличимыми, «размазанными» по всему занимаемому веществом объему.

Такое состояние материи, образованной делокализованными, когерентными (то есть находящимися в одинаковом квантовом состоянии) частицами, получило название конденсата Бозе-Эйнштейна. В эксперименте с двумя тысячами атомов рубидия, охлажденными в магнитной ловушке до 20 нанокельвинов, это состояние удалось получить лишь в 1995 году практически одновременно двум исследователям - Эрику Корнеллу (Eric Сornell, Национальный институт стандартов США) и Карлу Виману (Karl Wieman, Колорадский университет). Позднее Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) сумел превратить в конденсат сто тысяч атомов натрия.

Очень впечатляюще выглядят эксперименты, приводящие к возникновению макроскопических, но по сути - квантовых форм движения вещества. Например, в 1996 году физикам Массачусетского технологического института удалось создать «атомный лазер» - «струю» бозе-эйнштейновского конденсата, представляющую собой поток делокализованных атомов. Квантовые свойства такого пучка позволяют фокусировать его «в пятно» практически атомных размеров, что открывает возможность использования этого эффекта в литографии ультравысокого разрешения.

Достигнутые результаты показали, что для управления поведением большого (макроскопического) образования, каким является конденсат, к нему требуется подвести ровно столько информации, сколько понадобилось бы для управления одной микрочастицей. Таким образом, для непосредственного управления механическим движением вещества в состоянии бозе-эйнштейновской конденсации, можно применять такие чисто информационные операции, как пространственная фильтрация, коррекция волновых фронтов и т. п.

Конденсат обладает свойствами квантового процессора: сформировав некоторым образом исходное состояние конденсата, мы можем воздействовать на него так, чтобы заставить эволюционировать всю систему в некое конечное, результирующее состояние, измерение которого и даст результат квантового вычисления.

Анализом информационных характеристик физических процессов, протекающих в окрестности черных дыр, в 70-х годах прошлого столетия активно занялся Стивен Хокинг (Stephen Hawking, Кембриджский университет). В частности, он и Якоб Бекенштайн (Jacob Bekenstein, Еврейский университет в Иерусалиме) смогли показать, что черная дыра массой 1 кг способна хранить примерно 1016 бит информации в объеме сферы радиусом 10-27 м.

В своих работах Хокинг впервые предсказал процесс «испарения» черной дыры, сопровождающийся специфическим излучением, впоследствии названным его именем. Он показал, что это излучение должно иметь абсолютно случайный характер. Иными словами, черная дыра представляет собой «генератор белого шума», не содержащего никакой информации ни о процессах, протекающих внутри черной дыры, ни о структурных особенностях вещества, поглощенного черной дырой.

Впрочем, некоторые исследователи, устояв перед колоссальным авторитетом Хокинга, предложили свою модель процессов, протекающих в окрестности черных дыр. Леонард Сасскинд (Leonard Susskind, Стэнфордский университет), Джон Прескилл (John Preskill, Калифорнийский технологический институт) и Джерард Хоофт (Gerard ’t Hooft, Утрехтский университет, Нидерланды), учитывая требования квантовой механики, запрещающей процессы, протекающие с потерей информации, предположили, что излучение черных дыр не является белым шумом, а представляет собой результат вычислительного процесса, происходящего в окрестности черной дыры[Jack Ng, From computation to black holes and space-time foam//Physical Review Letters, V. 86, No 14, April, 2, 2001.]. Исходной информацией и программой для этого процесса является структура вещества, поглощенного черной дырой. Летом прошлого года Стивен Хокинг присоединился к мнению этих ученых, признав их правоту (см., например, «КТ» ##561).

Вычисления осуществляются черной дырой чрезвычайно быстро. Фактически время вычислений не зависит (!) от объема обрабатываемой информации, а определяется лишь геометрическими размерами дыры. В теории показано, что время вычислений оказывается равным промежутку времени, который требуется свету, чтобы пройти от одной границы этого «вычислителя» до другой. Так, для килограммовой черной дыры время вычисления равно 10-35 с. Собственно говоря, черная дыра представляет собой самый быстродействующий вычислитель, возможный в нашем Мире.