Нанонауки. Невидимая революция - Лоранс Плевер

МОЛЕКУЛЫ ВЫЧИСЛЯЮТ

Тем временем, точнее, в 1997 году, Джим Гимзуски построил маленькие молекулярные счеты, собирая их из присоединяемых одна за одной молекул фуллерена. Джим располагал фуллереновый ряд вдоль ступеньки высотой в один атом — этот слой естественным образом возник на поверхности золотого кристалла. В 2002 году Дон Эйглер построил из сотни молекул моноксида углерода, которые он перемещал иглой туннельного микроскопа, логические вентили, выполнявшие функции «ИЛИ» и «И». У каждого вентиля было два входа, на которые поступали сигналы со значениями 0 или 1, и один выход. Если на одном из входов появится единица (1), то и на выходе схемы «ИЛИ» будет единица, а вот на выходе схемы «И» единица появится только тогда, когда на оба ее входа поступят единичные сигналы. Дон Эйглер построил из своих молекул два ряда, соприкасающиеся в одной точке поверхности. Эти два ряда служат двумя входами молекулярного логического вентиля, а каждая молекула похожа на косточку домино, которая или стоит, или упала (1 или 0). Если опрокинуть первую с краю молекулу, то возникает хорошо известный «эффект домино»: опрокидывание распространяется вдоль линейки (опрокинутая косточка обрушивает свою соседку). Так что состояние всего ряда может быть только одинаковым: или нулевым, или единичным, и соответственно и последняя косточка ряда — это выход вентиля — тоже опрокидывается или остается в исходном положении, чем и моделируется двоичность состояний (0 или 1). Вот как работает логическая схема, собранная из молекул. Однако схема может выполнить логическое сложение (ИЛИ) или логическое умножение (И) только один раз. Чтобы повторить логическую операцию, необходимо вернуть вентиль в исходное состояние, а это означает, что снова приходится выстраивать ряд из молекул «вручную» (пусть и с помощью иглы микроскопа): все косточки домино упали, и теперь надо их поднять. Поэтому Дон Эйглер и называет свое устройство не процессором, а счетами — операция выполняется механически.

Выходит, что молекулы можно собирать в группы, выполняющие вычисления, или механическим образом, или пользуясь электронами. Возможность синтеза молекулы-вентиля уже показана, но пока что невозможно гарантировать надежное функционирование такого логического вентиля — потому что нет технологии подключения вентилей к контактным площадкам.

В 1990-е годы верили в электронную литографию: мол, ее методами удастся сформировать нужные металлические электроды, которые будут настолько малы, что к ним без особых хлопот подключится одиночная молекула. Но ничего подобного не получилось. С одной стороны, электронная литография, опробованная в мезоскопической физике, недостаточно точна, чтобы формировать крайне миниатюрные электроды, размеры которых сопоставимы с размерами атомов. Кроме того, эта методика строится на использовании смолы (она служит для нанесения рисунка — например, металлических контактов, вживляемых в поверхность), и смолу после формирования схемы удаляют до последней молекулы. А соскребая смолу, очень даже можно удалить и нужные молекулы-приборы. Так что вся надежда на туннельный микроскоп: орудуя его иголкой, быть может, удастся так обработать маленькие, в несколько десятков нанометров, металлические площадки, сформированные методом осаждения, что из них получатся нужные наноконтакты.

Так как эта новая технология пока что только на подходе, исследователи тем временем придумывают новые молекулы, умеющие вычислять. В сущности, такие молекулы, судя хотя бы по тому, что предлагал Форрест Картер, должны быть огромными, чтобы вместить в свой объем всю ту сложность, без которой ни о каких вычислениях не может быть и речи.

Но это порождает множество проблем. Во-первых, синтез таких молекул — дело нелегкое. Да и манипулировать исполинскими молекулами, передвигая их поштучно, одну за одной, очень непросто: надо же так подвинуть громадную молекулу, чтобы ее отросток — и именно тот, что нужно — точно лег на малюсенькую площадку металлического контакта. И еще, сила тока, протекающего через очень уж длинную молекулу, не может быть слишком большой — не то молекуле несдобровать. Речь, видимо, идет о величинах менее аттоампера, a 1 аА = 10-18 А, то есть аттоампер в миллиард миллиардов раз меньше ампера. Электроника, особенно быстродействующая, такой слаботочной быть не может. Значит, нужны новые вычислительные молекулы с новыми структурами, и родиться они должны как плод союза молекулярной электроники с квантовыми калькуляторами.

МОЛЕКУЛЫ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Первыми о квантовых вычислительных устройствах заговорили еще в 1980-х годах Ричард Фейнман и Дэвид Дейч из Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. Принцип квантового калькулятора основывается на спонтанной реакции квантовой — атомной или молекулярной — системы, находящейся в некотором нестационарном состоянии; предложено использовать для вычислений самопроизвольный отклик этой системы на какой-то стимул. Система делится на маленькие маленькие вычислительные единицы — «квантовые биты». Линейка квантовых битов может быть приведена к квантовой суперпозиции двух основных состояний (0 или 1), и оба состояния будут взаимодействовать между собой, но без обмена электронами. Само вычисление сводится к предоставлению ансамблю квантовых бит возможности самопроизвольно развиваться во времени. Квантовое вычислительное устройство считает примерно так, как считает время часовой механизм на шариках или на подшипниках, катающихся вдоль реек разной длины. Такие часы отсчитывают время ничуть не хуже, чем часы на зубчатых колесиках. Сначала систему квантовых битов готовят, вводя в нее два складываемых числа. Потом система развивается во времени самотеком: состояния отдельных бит меняются, пока не установится новое стационарное состояние всей линейки бит, которое и будет искомой суммой.

Эта концепция квантового калькулятора показывает, что вычислительные устройства не обязательно строить из электронных схем. Более того, специалисты по молекулярной электронике показывали, что незачем «заставлять» молекулу уподобляться электронной схеме — молекула может считать, но совсем не так, как приборы макро- или даже микроэлектроники. Оказывается, для того, чтобы научить молекулу считать, достаточно воспользоваться квантовой динамикой, которая присуща любой молекуле. При этом квантовые молекулы-калькуляторы способны выполнять все мыслимые арифметические и логические операции и, при равной сложности, совсем не обязаны быть такими же громадными и громоздкими, как те молекулы-схемы, которые пригрезились Форресту Картеру. Ученые даже сумели показать, что для квантовых расчетов вовсе незачем дробить молекулу на квантовые биты. Управлять внутренними квантовыми состояниями молекулы можно и манипулируя ее электронной структурой. Сами эти молекулы уже синтезируются и, надо думать, скоро мы узнаем о первых экспериментах с ними. Среди прочего они избавляют нас от пресловутого закона Мура. В самом деле показано, что для увеличения вычислительной мощности не обязательно нагромождать все больше и больше транзисторов на все сильнее уменьшающейся подложке, так как есть возможность управлять развитием квантовой системы во времени, а сама эта система может становиться все сложнее и сложнее и каждое новое поколение подобных систем будет богаче возможностями, чем системы предыдущего поколения.