Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

С другой стороны, весьма важно, что свойства микроскопических частиц существенно отличаются от свойств тех же материалов в объемной форме, поэтому, например, две особо чистые частицы металла могут просто слипнуться под воздействием сил молекулярного притяжения, в результате чего детали создаваемого механизма не смогут свободно двигаться из-за непомерно возросшего трения. Конечно, нам придется в этом случае придумывать особые методы борьбы с трением (например, покрывать металлические частицы оксидным слоем или наносить на них специальные вещества, играющие роль смазки), но такие действия, естественно, будут усложнять технологию и создавать новые проблемы.

В целостных объектах силы притяжения и трения отсутствуют, однако и в этом случае могут возникать неожиданные проблемы. Например, любые детали в микроскопическом устройстве могут «трястись» под воздействием броуновского движения до тех пор, пока вся молекулярная «конструкция» не выработает единого характера поведения, что может создавать какие-то дополнительные возможности для практического изготовления и применения таких систем.

Должен признаться, что я никак не могу выработать собственного отношения к проблеме микроскопических машин. Мне самому они кажутся очень интересными и привлекательными, но я несколько устал думать о них и с нетерпением жду, когда кто-либо найдет им, наконец, возможности полезного и эффективного применения. Как только микроустройства станут реально использоваться в промышленности, ученые и инженеры обратят на них серьезное внимание и приступят к решению множества интересных научно-технических задач.

20.9. Вычисления с использованием атомов

А теперь поговорим о возможностях создания сверхминиатюрной вычислительной техники. Со времен лекции 1959 года эта область стремительно развивалась, так что возникла совершенно новая ситуация, и я буду обсуждать только новейшие достижения и перспективы развития. Давайте спросим себя, что нам необходимо для создания компьютера?

Собственно говоря, любое вычислительное устройство всего лишь должно уметь обращаться с числами, то есть воспринимать числа в какой-то записи, обрабатывать их и выдавать ответ в считываемом виде. Поэтому первейшей задачей выступает сама возможность как-то записывать числа!

Новейшие достижения науки дают нам возможность воспользоваться для записи самыми крошечными из известных нам объектов – атомами! Напомню, что проще всего записывать числа в двоичной системе, пользуясь всего двумя числами (обозначающими ноль и единицу), так что любое число может представлено в виде N разрядов двоичной системы. Поведение атомно-молекулярных объектов определяется законами квантовой механики, для которой характерна дискретность значений параметров. Это обстоятельство исключительно удобно для решения поставленным задач, так как эти системы могут находиться в двух разных состояниях (в действительности число таких состояний может быть очень большим, но для вычислительной математики вполне достаточно наличия даже двух четко выраженных разных состояний). В качестве простейших примеров укажу, что спин атома может иметь два противоположных направления (вверх/вниз), молекула аммиака – два основных энергетических состояния (высокое/низкое) и т. п. Короче говоря, в микромире всегда можно найти удобные для использования структуры с двумя характерными состояниями, что вполне достаточно для записи чисел и создания вычислительных систем. Например, вы можете принять, что атом в возбужденном спиновом состоянии (спин направлен вверх) соответствует числу 1 (единице), а атом с направленным вниз спином – числу 0 (нулю). Это означает, что я могу записать любое число, затратив на это столько атомов, сколько разрядов содержит его обозначение в двоичном коде. Запись будет иметь вид цепочки атомов с направленными вверх и вниз атомами (означающими 1 или 0 соответственно). Учитывая малые размеры атомов, для такой записи мне понадобится лишь совершенно ничтожное количество вещества!

20.10. Обратимость вычислительных и управляющих процессов

Далее, нам необходимо решить проблему обработки и вычислений на основе записанных таким образом чисел. Каким образом это можно осуществить на уровне атомов? Вы все знаете, что для «обработки» чисел в компьютерах используется лишь небольшое число операций и разных типов элементов, а сложность действия достигается математиками за счет использования очень большого числа элементов и комбинирования их действий.