Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Квантовый компьютер состоит из n кубитов и позволяет проводить одно - и двухкубитовые операции над любым из них (или любой парой). Эти операции выполняются под воздействием импульсов внешнего поля, управляемого классическим компьютером.
Рис.2. Молекула хлорофилла α
Рис.3. Оптический спектр поглощения хлорофиллов α (зелёный) и b (красный)

Ficus NanoPentuimaeTera

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, квантовый компьютер, периодика

Автор(ы): Пурис А.М.

Опубликовал(а):  Шушарина Анастасия Леонидовна

02 ноября 2010

Если и задумываться о компьютерах будущего, не использующих традиционную (читай, современную микроэлектронную) архитектуру, то это, безусловно, квантовые компьютеры, идея создания которых принадлежит Ю.И.Манину и Р.Фейнману.

Что же это такое, квантовый компьютер? Разумеется, исходя из названия, это вычислитель. Но предназначенный для решения строго определённого круга задач и реализованный по несколько иным принципам действия, чем традиционные компьютеры. Причём, практически со всеми задачами, доверенными обычному компьютеру, квантовый вычислитель также справится. Но для определённых алгоритмов проявится его фантастическая скорость вычисления, невозможная для классических ЭВМ.

Так, например, для решения алгоритма факторизации (определения простых множителей больших n разрядных чисел), использующегося для криптостойкого алгоритма шифрования RSA, классическому компьютеру требуется огромное количество времени, экспоненциально возрастающее с ростом числа n. А для выполнения той же задачи квантовому компьютеру требуется всего n3 операций. Так же большой коэффициент ускорения решения задач демонстрируется при решении задач квантовой физики. Общее устройство квантового компьютера показано на рисунке 1.

Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.

На сегодняшний день предложено несколько моделей конечной реализации квантовых компьютеров: метод импульсного ядерного магнитного резонанса в молекулярных жидкостях (ансамблевый квантовый компьютер); методы, когда в качестве элементной базы используются ядерные спины атомов, ионы в ловушках (в вакууме), спины одиночных электронов в квантовых точках в двумерном газе в полупроводниковых гетероструктурах и т.п. Также, теоретически, модели квантовых компьютеров могут быть построены на линейных оптических элементах (делители пучка, поляризаторы, фазовращатели, интерферометры). Однако, к сожалению, труды многих учёных по созданию работоспособных квантовых компьютеров по методам, описанным выше, осложняются тем, что для работы такого вычислителя требуются очень низкие (криогенные) температуры. Неужели выхода нет? Есть, и подсказали его… растения, которые на протяжении миллионов лет выполняют квантовые вычисления при температуре окружающей среды. Как же им это удаётся и можно ли превратить растения в компьютеры, пригодные для нужд человека?

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Что же такое необычное происходит в растениях, что может заинтересовать учёных? Ключом ко всему является процесс фотосинтеза, который помогает растениям (и сине-зелёным водорослям) преобразовывать солнечную энергию в химическую с невероятно-высоким КПД – практически 100%! Как же удаётся растениям достичь таких малых потерь при преобразовании энергии? Считается, что из-за высокой скорости преобразования лишь ничтожно малая часть солнечной энергии тратится на тепловые потери. А вот способность фотосинтеза с высокой скоростью преобразовывать солнечную энергию в химическую, достигается растениями использованием квантово-механических эффектов.

К разгадке квантовых процессов в растениях физики подошли только в 2005-2007 годах. Именно тогда исследователи из Лоуренсовской лаборатории в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли получили прямое свидетельство тому, что важную роль в процессах передачи энергии при фотосинтезе играет на удивление долго длящаяся волноподобная квантовая когерентность электронов в молекулах, поглощающих свет. Единственным условием, правда, стала необходимость низкой температуры – бактериохлорофилл пришлось охладить до 77 градусов Кельвина.

В настоящий же момент, другая группа исследователей из Канады (Торонто) подтвердила, что участвующие в фотосинтезе молекулы морских водорослей для передачи световой энергии без потерь могут задействовать квантовые процессы и при комнатной температуре. Таким образом, они опровергли представление большинства современных учёных о том, что квантовые процессы в работе биологических организмов исключены, и что при столь высоких температурах квантовые эффекты не могут сохраняться так долго, чтобы давать что-нибудь полезное для жизнеобеспечения.

Немного углубимся в подробности процесса фотосинтеза, для понимания механизма происходящего в растениях преобразования. Данный процесс идёт на наноуровне. В каждой клетке имеются светособирающие структуры, называемые антеннами, именно они захватываются фотонами. Исследователи из Торонто использовали для проведения эксперимента водоросли Chroomonas CCMP270. Данные водоросли имеют антенны (в клетках), в которых содержится восемь пигментных молекул, вплетённых в более крупную белковую структуру. Каждый вид пигментных молекул (данные молекулы у растений являются хлорофиллом, у бактерий – бактериохлорофиллом и бактериородопсином) имеет свою задачу, а именно, приспособлен для поглощения света определённой длины волны (для своей части спектра).

Далее антенны передают через себя энергию к той части клетки, где она вырабатывает сахар (химическое топливо – энергия). Соответственно, чем длиннее для энергии путь через эти молекулы, тем больше потери энергии. Классическое представление о передаче энергии в клетке растения гласило, что путь выбирается случайным образом. Однако исследования канадских биофизиков подтвердили, что выбор пути передачи энергии не случаен и весьма оптимален (т.е. эффективен) в каждом отдельном случае. В ходе эксперимента подтвердилось согласованное поведение пигментных молекул в антеннах водорослей Chroomonas.

Учёные, используя нанотехнологии, коротким лазерным импульсом возбуждали две из молекул, после чего электроны в пигментных молекулах переходили в квантовую суперпозицию возбужденных состояний. Когда такая суперпозиция «схлопывается» (коллапсирует), то излучаются фотоны несколько отличных длин волн, которые, с одной стороны, свидетельствуют о наличии квантового эффекта, а, с другой - накладываются друг на друга с образованием характерной интерференционной картины. Изучая именно эту структуру интерференции в излучаемом свете, биофизики смогли восстанавливать детали квантовой суперпозиции, которая порождает наблюдаемую картину.

Результаты данного анализа получились воистину удивительными. Оказалось, что в суперпозиции участвуют не только две пигментные молекулы в центре антенн, но также и шесть остальных пигментных молекул. Причем это состояние квантовой когерентности связывает все молекулы необычайно долго — на протяжении 400 фемтосекунд (4 × 10-13 секунд). Этот интервал оказывается достаточно длительным для того, чтобы энергия абсорбированных фотонов одновременно "опробовала" все возможные пути движения по антенне. Когда же когерентность заканчивается, энергией уже выбран оптимальный маршрут, позволяющий осуществить перемещение без потерь.

Каким именно образом эти молекулы остаются когерентными в течение столь продолжительного по квантовым масштабам времени при столь высоких температурах, да ещё при относительно огромных расстояниях между молекулами — всё это пока остается большой загадкой. На данный момент среди исследователей, занимающихся данной областью, преобладает точка зрения, согласно которой ключевую роль в обеспечении всего процесса играют белковые структуры, в которые вплетены пигменты. Хотя бы уже потому, что без этих структур никакой когерентности не получается.

Это открытие, как уже было сказано, опровергает некоторые давно устоявшиеся в квантовой механике воззрения, согласно которым квантовая когерентность не может появляться нигде, кроме криогенных температур, поскольку горячее окружение мгновенно разрушает хрупкий эффект. Тем не менее, нынешние опыты показывают, что в водорослях Chroomonas подобного рода эффекты идут постоянно при комнатной температуре - 21 градус по Цельсию.

Таким образом, ныне исследователи считают допустимым говорить, что в определённом смысле антенны растений и бактерий выполняют процедуры квантовых вычислений для отыскания наилучших путей передачи энергии, т.е. являются, по сути, квантовыми биологическими компьютерами. Осталось лишь более полно понять механизм работы растений как квантовых вычислителей для того, что бы задействовать растения для решения нужных исследователям задач.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Преимущества растений как квантовых компьютеров, очевидны:

  1. Выполнение задач при обычных условиях (комнатной температуре), не требующих дорогостоящего оборудования для поддержания криогенных температур;
  2. Лёгкая масштабируемость: создав образец с требуемыми свойствами (методами генной инженерии) и поместив его в благоприятную среду, получаем столько образцов, сколько нужно для выполнения задач – сама природа позаботится о размножении растений;
  3. Высокая экологичность: биологические квантовые компьютеры не только вычислители, но и, собственно, растения, вырабатывающие кислород и поглощающие углекислый газ, к тому же они легко утилизируются, в отличие от электроники;
  4. Ничтожно малое энергопотребление (по сравнению с электроникой) – всё, что нужно растениям, это свет и поддержание несложного микроклимата;
  5. Дешевизна в производстве.

Недостатки:

  1. Низкая надёжность по сравнению с электроникой – перепад температуры в десяток градусов может уничтожить все растения;
  2. Сложность в реализации процесса взаимодействия с биокомпьютерами, так как обычные электронные интерфейсы (по крайней мере, их современная реализация) тут неприменимы.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

По-видимому, место квантовых компьютеров в компьютерном мире XXI в. можно определить следующим образом: они не вытесняют, а дополняют существующий компьютерный мир. Их надо будет применять в тех случаях, когда они дают большое ускорение решения задачи. Биологические же компьютеры, в свою очередь, помимо практического решения задач квантовой физики или связи (на основе методов квантовой криптографии), помогут глубже понять механизмы работы человеческого мозга, который, по предположениям многих учёных, работает как биологический квантовый компьютер. А также создать гораздо более совершенные солнечные батареи с невообразимым по сегодняшним меркам КПД. Развитие данного направления может привести к огромному технологическому прорыву в сфере нанотехнологий, ведь понимание сути процессов, происходящих на наноуровне в растениях, даст нам дополнительные знания и опыт для этого перспективного направления в науке.

К тому же, многочисленные вычислительные центры будущего, в виде роскошных садов, для людей, задумывающихся об экологии и о своём будущем, выглядят предпочтительней, чем безжизненные коридоры со шкафами, пожирающими энергию.

Возможно, через пару десятков лет мы либо будем покупать компьютеры в оранжереях, либо компьютерные магазины будут торговать растениями с необычными названиями, вроде Ficus NanoPentuimaeTera или Geranium NanoStipulaGigaDuo.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Nature 446, 782-786,12 April 2007
  2. Nature 463, 644-647, 4 February
  3. arxiv.org/abs/1001.5108v1
  4. http://www.computerra.ru/own/kiwi/505075/
  5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовый_компьютер
  6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотосинтез
  7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Хлорофилл
  8. http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/QUBIT/QUBIT.HTM
  9. http://www.nanometer.ru/2010/02/08/12656401332096_166318.html


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Пьезодомены YMnO3
Пьезодомены YMnO3

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.