Элементы Intel процессора.

Кремниевый фотонный модуль с объемом 50 гигабайт (слева) подсоединяется к микросхеме (справа)

Времена электронных технологий, медленно, но уверено подходит к эпохе своего завершения. Сегодняшним компьютерам уже недостаточно емкости и быстроты для разрешения научных и производственных дилемм, от которых напрямую зависит благополучное существование целой планеты. По этой причине ученые в области физики и математики всех стран сплоченно работают над генерацией абсолютно нового творения — вычислительной машиной, делающей расчеты и исчисления в несколько раз стремительнее и эффективнее. Данная проблема сопоставима с поисками врачей лекарства от рака, столь же значима для всего человечества нашей планеты.

Ток побежал по спине

Приготовления к сбрасыванию электрона с постамента самой важной элементарной частицы, благодаря которой функционируют все приборы, приводимые в действие за счет электрического тока, — компьютеры, планшеты всевозможные электронные устройства и бытовая техника, — возникло не год, ни два и даже не десять лет тому назад.

Предположение о том, что ток может самостоятельно поступать по электронным аппаратам без взаимодействия с зарядом электрона, возникла и стала животрепещущей после того, как ученые физики Петер Грюнберг и Альбер Ферт самостоятельно, не зная друг друга, в 1988 году открыли действие гигантского магнетосопротивления (Giant magnetoresistance — GMR). Именно за это открытие, оба физика были награждены Нобелевской премией по физике, по истечению девятнадцати лет. Но согласно другим источникам этого могло и не произойти, если бы годами ранее экспериментаторы Отто Штерн и Вальтер Герлах не раскрыли присутствие спина у электрона — аналога маленькой оси, вокруг которого он совершает обороты.

Мы все знаем еще по школьной программе из уроков физики, что все электроны обладают зарядом и так называемым спином, а электрический ток образуется, когда мы влияем на заряд. Вместе с тем благодаря магнитному полю есть возможность перемещать спин, и только от наклонности спина зависит реакция электрона.

Таким образом, Фер и Грюнберг, осуществляя свои испытания в научных лабораториях, определили, что электрону присуще бежать туда, куда направлен его спин, зависимый под воздействием магнитного поля, — этот процесс и является так называемым, эффектом GMR. Тем не менее, управление спином электрона возможно только в том случае, когда частица движется по ультратонкому наноразмерному полупроводнику. В случае, когда электрон передвигается по толстенному металлическому проводу, магнитному полю не удается добраться до спина. Электрон будет сам постоянно изменять наклонность оси и идти туда, куда его тянет, то есть непрерывно в разные стороны.

В момент, когда в науке были раскрыты и уложены все главнейшие компоненты, касающиеся спина и возможности его контролировать, тогда и возникла реальность разрабатывать наноматериалы. Именно этот момент стал ключевым для появления такой научной области, как спинтроника. На сегодняшний день спинтроника является популярной областью для исследований в самых известных мировых научных лабораториях. В одной из таких лабораторий, находящейся в Институте физики металлов УРО РАН, ученые-профессора производят спинтронные механизмы. 

Наверняка все задаются вопросом, почему же спинтроника так интересна и каким образом данная область может сменить электронику? Согласно рассказам директора института Владимира Устинова, во-первых, приборы на спиновом токе намного компактнее, в сравнении с электронными приборами. Во-вторых, стоит еще отметить, что именно благодаря тому, что распространители для тока устанавливаются не толстые полупроводники, а ультратонкие наноструктуры, таким образом, произведенные спинтронные устройства являются сверхчувствительными и точными. Уже более десяти лет работники института и квалифицированные специалисты уральского НПО автоматики производят спинтронные датчики для космических спутников и авиационной техники в лабораториях, где на стенах есть большие зеркальные металлические листы, при помощи новейших приборов, окутанных разноцветными и серебристыми проводками.

Это направление в физике уже не первый год имеет не только отличную, твердую основную базу, но и колоссальный практический опыт. Еще с 1997 года за границей появилось производство так называемых спинтронных устройств для компьютеров, которые получили название – считывающие головки. Владимир Устинов, проводя экскурсию по лабораториям, наглядно показывает установки, через которые происходит процесс напыления на маленькую кремниевую пластинку ферромагнитного нанослоя для производства спинтронных микросхем. Вдобавок в этих лабораториях специалисты высокого профиля занимаются первоначальной стадией разработки по созданию магнитной оперативной памяти для компьютеров — MRAM (Magnetic Random Access Memory). Если говорить о других странах, например на Западе это уже разгорается в полном объеме. Обыкновенные электронные компьютеры основаны на использовании полупроводниковых транзисторов и динамической памяти — DRAM (Dynamic Random Access Memory), магнитная память на более высоком уровне.

Такого рода память бывает энергонезависимой, и ее содержание не пропадает при остановки питания. Она выделяется быстродействием, так как спин принуждает электрон отзываться быстрее, чем это делает заряд. На практике память устойчива к воздействию радиации — это означает, что память в совершенстве соответствует применению в космосе, атомных подлодках или даже в автоматизированных конструкциях на атомных станциях.

Принимая во внимание все преимущества спинтроники, можно смело утверждать, что данная область является неплохой базой для компьютеров новейшего поколения. Согласно исследованиям Делавэрского университета и английской компании Cambridge NanoTech 2007 года, был произведен еще один таран в этом направлении — создание первого на планете спинтронного транзистора на кремнии. Транзистор — это устройство, которое является базой для любого компьютера, именно это устройство шифрует информацию в битах при помощи двоичной системы, процесс чередования ноликов и единиц. В том же году была опубликована статья, в научном журнале Physical Review Letters, о великом изобретений в области спинтроники.

По своей сущности разработка спинтронного транзистора означает, что ученые сумели крепко-накрепко уловить электрон за спин и принудить эту частицу бегать в определенном направлении на длинные дистанции. Но только около 40% от всех электронов ученым удалось переместить с одного места на другое. Оставшиеся частицы развеялись или были абсорбированы нанослоем. Исследования на практике продолжаются, но пока ученым не удается добиться сто процентного результата в приручении электронов. На данном этапе эволюции ученые физики разрабатывают новые наноматериалы, по которым спин сможет проталкивать электрон гораздо быстрее и без уменьшений и убытков. Но появилась другая группа ученых скептиков, которые нашли альтернативное решение.

Связанные фотоны

Чтобы понять природу электроники или спинтроники, и почему совсем скоро и эти две области окажутся бесполезными для необходимой передачи данных, нужно уловить одну простую истину: электроны по своей сущности очень медлительные частицы, а фотоны запредельно быстрые, хотя и больше электронов в несколько раз. Следуя из этого, главной нашей целью является моделирование такого устройства, которое работает на большой скорости и в тоже время очень восприимчивое. Как утверждает Наталья Берлова, ученый-физик Сколковского университета науки и технологий, для данной миссии лучше всего подойдут фотоны, потому что нет ничего вернее скорости света.

Еще в 1970-х годах свет начали использовать, как проводник информации, и только после этого, спустя ни один десяток лет возникли оптоволоконные сети, благодаря которым на данный момент у каждого из нас есть телефонная связь, скоростной интернет и телевидение в доме. И только лишь в начале 21-го века, ученые начали создавать вычислительные устройства, беря за основу фотоны (частицы света), которые передвигались по стеклянным или полимерным трубкам живее, чем электроны по металлическим проводам.

Вычислительное устройство на основе фотонов будет превосходить любое другое. Вся информация будет отправляться по оптоволокну без особой утраты тепла и мощности. Световые волны абсолютно разной длины не будут смешиваться между собой, и в одном пучке показывать много разных каналов. Появляется уникальная возможность одновременно запускать в действие сразу несколько процессов, и за каждый из них будет отвечать определенная световая волна. Такой процесс называется параллелизацией, который обеспечит беспрерывную передачу и обработку данных.

Процесс параллелизации необходим для того, чтобы вычислительное устройство в один миг могло обработать много разных метеорологических индикаторов, например: измерения атмосферного давления, температуры, силы ветра, мощность солнечной активности, и в считанные секунды предоставить точнейший недельный прогноз погоды по всем городам мира.

Наталья Берлова объясняет, что в использовании фотонов вместо электронов множество преимуществ, но есть один огромный недостаток, который переплевывает все очевидные преимущества. Фотонная вычислительная машина — это абсолютно иной механизм, нежели самые обыкновенные компьютеры, и делать вычислительные расчеты он будет совсем по иным алгоритмам. Использование стандартной архитектуры фон Неймана будет невозможна для таких устройств. Вычисления не смогут быть произведены с помощью двоичного кода, который является основой для написания нынешних программ. Из этого следует, что нужно создать абсолютно новую вычислительную системы, которой пока нет во всем мире.

Закрывая глаза на все проблемы, с которыми сейчас борются ученые-физики, им не хочется забрасывать в долгий ящик суперскоростной фотон, они экспериментируют с гибридными устройствами, соединяя фотон с тем самым электроном. Иными словами ученые пускают быстрый сигнал в виде волн света, а потом преобразовывают его в самый обычный электронный сигнал, который прекрасно подходит существующей системе кодировки.

Первым аналоговым устройством на базе так называемых сцепленных состояний появились в 1990-х годах. Новичком в этом деле выступила американская компания Bell Laboratories. Их изобретенное устройство так и не стало изделием массового потребления, так как было спроектировано на военные деньги и было в состоянии решить очень узкий спектр задач.

Сейчас главной задачей ученых является совершенствование имеющихся технологий. Не плохо с эти справляется компания Intel. Продолжая выпускать стандартные компьютеры, они занимаются разработкой фотоники и обещают, что покажут миру свои изобретения в течении следующий двух лет. Согласно западным исследованиям, фотоника входит как преимущество во все западные программы. Но не только западные лаборатории взялись за это направление. Лаборатории стран Европы и России тоже серьезно занимаются разработками в данной области. Стоит отметить лаборатории физтеха МГУ и Физико-технический института в Питере, которые продолжают упорную работу над созданием новых технологий будущего.

Дивный квантовый мир

Самое уникальное и самое ожидаемое вычислительное устройство, которое сможет стать на замену ЭВМ, — это квантовый компьютер. Над его созданием уже более двадцати лет трудятся лучшие умы со всей планеты. И на самом деле проведена уже колоссальная работа: накоплены все необходимые для данного устройства элементы, сформирована база для программирования на нем, которая, как и в казусе с оптическим компьютером, должна была писаться с самого начала, с нуля.

Ричард Фейнман, выдающийся американский ученый, физик, лауреат Нобелевской премии в своей научной статье, которая была опубликована в 1982 в издании International Journal of Theoretical Physics, сказал, что заниматься моделированием и создавать новые законы физики, невозможно на стандартных компьютерах. Для такого процесса необходимо производить огромное количество вычислений одновременно, а ЭВМ не подвластно решить такую задачу.

Фейнман заявлял, что если на квантовом компьютере попытаться воспроизвести компьютерную модель любого квантового явления, то устройство показало бы результат уже через несколько секунд, а обработать такое количество информации и получить быстрый, верный результат на стандартном ЭВМ просто невозможно.

Квантовый компьютер наделен сверхъестественными способностями, потому информация на нем шифруется абсолютно другим способом. Если в обычной электронике преобладает стандартный двоичный код 1001010, где единицы и нолики - это два совершенно разных положения спина. В квантовом компьютере спин направлен не только вверх или вниз, как в электронике, но и в сторону, что позволяет зашифровать и записать информацию помимо 0 и 1, так называемую суперпозицию, объемную информацию, а это значит огромную единицу измерения — кубит.

Главной задачей, которая пока так и не дает возможность спроектировать чудо-машину, — невозможность оценки количество кубитов. У ученых уже получилось создать и собрать все компоненты такого компьютера, однако неспособность выстроить единую систему с огромным числом кубитов, тормозит процесс организации квантовых объектов.

В 2011 года канадская компания объявила о создании квантовой вычислительной машины с 128-кубитным процессором. Такое заявление звучало, как начало революции. Компьютер прошел вычислительное тестирование, результаты которого были зафиксированы в одной из научных статей в Корнельском университете. Проблема в том, что большинство ученых физиков критикуют результаты, полагая, что данная машина выполняет вычисления чуть лучше стандартного компьютера, с электронным процессором.

Не смотря на это, сегодняшние открытия в области квантовых вычислений достаточно для того, чтобы по дороге к высшей цели сотворить другие не менее важные устройства. Благодаря таким маленьким целям были созданы квантовые часы, которые воспроизводятся на кубитах и являются важнейшим компонентом в системе спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС. На данный момент они являются основой для создания автомобилей роботов.

Еще одна блестящая идея использования квантовых технологий — это квантовые деньги, которые невозможно будет украсть или фальсифицировать, так как каждая единица валюты будет зашифрована в кубитах. Такой метод кодировки обещает быть самым надежным из всех существующих.

Возможно, сейчас и не совсем ясно, в какой именно момент будут реализованы квантовые компьютеры. Эта цель также важна, как и поиск эликсира молодости, например, утверждает директор Уральского Института физики металлов Устинова.

Оба таких открытия будут работать на две главные сферы нашей жизни: эликсир — на бессмертную, вечную жизнь, а квантовый компьютер — на создание непоколебимой системы безопасности.