...Прогресс компьютерной индустрии, последние полвека обеспечиваемый постоянной миниатюризацией элементов микросхем, неумолимо приближается к пределу физических возможностей кремниевых технологий. Иначе говоря, явно пора подыскивать альтернативные модели вычислителей.
На проходивший в июне в Гамбурге, Германия, очередной Международной суперкомпьютерной конференции (ISC'12) в качестве одного из основных докладчиков выступал американский ученый Томас Стерлинг...Непосредственно перед ISC'12...появилось обширное интервью...[которое] сводится к тому, что технологии полупроводниковых микросхем, стабильно развивающие компьютерную индустрию вот уже около полувека, ныне быстро приближаются к своим физическим, идеологическим и конструктивным пределам.
Ниже есть продолжение.
Согласно выводам Стерлинга, порогом производительности для кремниевых чипов станет следующий, экзафлопсный рубеж (порядка квинтиллионов, или 1018 операций в секунду). А для того, чтобы двигаться дальше, ученым и инженерам придется создавать нечто в корне иное: «Возможно, это будет что-то типа квантового компьютинга, метафорического компьютинга, или биологического компьютинга. Но что бы там ни было, это будет не то, чем мы занимались последние семь десятилетий»...http://www.3dnews.ru/offsyanka/631421
Все, кто интересуется новыми компьютерными технологиями, наверняка слышали или читали о некоторых из упомянутых Стерлингом направлениях исследований в области высокопроизводительных вычислений. Больше всего говорят о «квантовых компьютерах», оперирующих регистрами кубитов на основе законов квантовой физики. Заметно меньше — о «биологических вычислителях», построенных на основе сложных биомолекул вроде ДНК. Практически ничего не публикуется, правда, об интригующей технологии «метафорический компьютинг» на базе эффектов нелинейной оптики...Здесь же пора рассказать о еще одном любопытном направлении научных исследований под названием «квантовая биология»...
Когерентность фотосинтеза
В то время как физики уже который год бьются над тем, чтобы построить эффективный квантовый компьютер при низких, криогенного уровня температурах, другие исследователи пытаются достичь цели радикально иным путем. Они уверены, что биологические организмы — в частности, растения, водоросли и бактерии — не только способны к выполнению квантовых вычислений, но и на протяжении миллиардов лет в процессе фотосинтеза делают это при максимально пригодной для жизни температуре.
Благодаря процессу фотосинтеза зеленые растения и сине-зеленые водоросли способны передавать солнечную энергию в центры молекулярных реакций для ее преобразования в химическую энергию с поразительной, почти 100-процентной эффективностью (для сравнения: в наших компьютерах на кремниевых чипах практически вся подаваемая в систему энергия бесполезно уходит на тепловыделение). Считается, что ключом эффективности тут является скорость — преобразование солнечной энергии в биосистемах происходит почти мгновенно, так что совсем малая ее часть теряется на выделение тепла.
Общий механизм фотосинтеза принято считать хорошо изученным, однако каким именно образом здесь организована эта самая почти мгновенная передача энергии — очень давняя загадка, к решению которой физики начали всерьез подступаться лишь 5-7 лет назад. Исследования того периода, проведенные в США учеными Berkeley Lab и Калифорнийского университета, продемонстрировали, что ответ, похоже, лежит в квантово-механических эффектах. Было получено первое прямое свидетельство того, что важную роль в процессах передачи энергии при фотосинтезе играет на удивление долго длящаяся волноподобная квантовая когерентность электронов в молекулах, поглощающих свет. Правда, поначалу продемонстрировать это удалось на образцах хлорофилла, глубоко охлажденных до 77 кельвин.
Затем, в 2010 году, была опубликована работа другой группы исследователей из Университета Торонто, Канада. Ученые показали, что участвующие в фотосинтезе молекулы морских водорослей для передачи световой энергии без потерь могут задействовать квантовые процессы и при комнатной температуре (G. D. Scholes and coworkers. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature 463, 644-647. 2010).
Чтобы революционность этого результата стала понятнее, можно напомнить, что подавляющее большинство физиков по сию пору исключает возможность квантовых процессов в работе биологических организмов. Всегда считалось, что при таких высоких температурах квантовые эффекты не могут сохраняться долго настолько, чтобы появилась хоть какая-то польза для механизмов жизнеобеспечения. Иначе говоря, суть того, что проделали в канадском университете, важна принципиально. Но для понимания этой сути понадобится немного углубиться в нюансы фотосинтеза.
Данный процесс начинается в клетке тогда, когда крупные светоабсорбирующие структуры, именуемые усиками, захватывают фотоны. Конкретно в водорослях Chroomonas, изучавшихся биофизиками, эти усики имеют восемь пигментных молекул, вплетенных в куда более крупную белковую структуру, причем разные пигменты абсорбируют свет из разных частей светового спектра. Затем энергия фотонов проходит через усики к той части клетки, где она используется для выработки сахара — химического топлива организма.
Критично важным в данном процессе является маршрут, который выбирает энергия при своих прыжках через эти крупные молекулы, потому что чем длиннее маршрут, тем больше могут быть потери. В классической физике считается, что энергия может перемещаться по молекулам только случайным образом. Однако исследователи в Торонто обнаружили, что в действительности механизм выбора маршрута для энергии может быть в высшей степени эффективным. А свидетельство тому дает согласованное поведение пигментных молекул в усиках водорослей Chroomonas.
Сначала ученые коротким лазерным импульсом возбуждали две из этих молекул, из-за чего электроны в пигментных молекулах переходили в квантовую суперпозицию возбужденных состояний, после чего излучаются фотоны несколько иных длин волн. Излученные волны, с одной стороны, свидетельствуют о наличии квантового эффекта, а с другой — в свою очередь, накладываются друг на друга с образованием характерной интерференционной картины. Изучая именно эту структуру интерференции в излучаемом свете, исследователи смогли восстанавливать детали квантовой суперпозиции, которая порождает картинку.
Результаты данного анализа оказались удивительными. Выяснилось, что в суперпозиции участвуют не только две пигментные молекулы в центре усиков, 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 усику. Когда же когерентность заканчивается, энергией уже выбран оптимальный маршрут, позволяющий осуществить перемещение без потерь.
Это открытие, надо повторить, особенно важно тем, что демонстрирует «невозможную теплую когерентность»: в водорослях Chroomonas подобного рода эффекты идут постоянно при комнатной температуре 21 градус по Цельсию.
Каким именно образом эти молекулы остаются когерентными в течение столь продолжительного по квантовым масштабам времени, при столь высоких температурах, да еще при относительно огромных расстояниях между молекулами — все это пока остается загадкой. Хотя разных идей, конечно, хватает — например, на данный момент среди исследователей, занимающихся данной областью, преобладает точка зрения, согласно которой ключевую роль в обеспечении всего процесса играют белковые матрицы, в которые вплетены пигменты. Поскольку без этих структур никакой когерентности не получается, делается вывод, что матрицы выполняют роль уже известного в квантовом компьютинге механизма для «квантовой коррекции ошибок».
«Подвешенная область» на грани порядка и хаоса
Очевидное несоответствие между наблюдениями биофизиков и общепринятой квантовой теорией приводит многих ученых к заключению, что «что-то здесь не так». То есть либо измерения экспериментаторов каким-то образом оказываются все время неправильными, либо же имеется какой-то необнаруженный пока еще механизм, препятствующий процессу быстрой декогеренции в условиях горячей и влажной среды внутри живых существ.
Весной этого года интернациональная команда исследователей — американский биолог Стюарт Кауффманн, венгерский физик Габор Ваттаи и его коллега из Финляндии Самули Нииранен опубликовали теоретическую работу с описанием именно такого механизма (G. Vattay, S. Kauffman & S. Niiranen. Quantum biology on the edge of quantum chaos. arXiv:1202.6433vl).
Расчеты этих ученых показывают, что при определенных особых обстоятельствах квантовые системы могут оставаться когерентными на протяжении намного больших временных интервалов и расстояний, нежели это позволяют им традиционные квантовые представления. А кроме того, с помощью компьютерных симуляций они демонстрируют, что биология, вероятно, использует именно этот специфический механизм в процессе фотосинтеза.
Смоделированная учеными конструкция сфокусирована на необычном, даже по квантовым меркам, феномене квантового хаоса, при котором небольшие изменения в квантовой системе могут иметь гигантское влияние на ее эволюцию — так же как и в классических нелинейных хаотических системах. Когда же система изменяется от просто квантовой к квантово-хаотической, она проходит через своего рода фазовый переход состояния. Новая теория сосредоточена именно на этом переходе.
Как давно уже установлено физиками, когда система тонко балансирует между разными фазами, в ней могут появляться случаи весьма странного поведения. Например, все знают, что вода меняет свое фазовое состояние от газа к жидкости, а затем к твердому телу при определенных температурах и давлениях среды. Причем все эти фазовые состояния имеют хорошо определенные свойства. Однако имеются также определенная температура и давление, при которых все три состояния воды могут сосуществовать одновременно. При этом состоянии, именуемом «критический переход», различие между газом, жидкостью и твердым телом, по сути дела, исчезает.
Новое же исследование показывает, что подобный критический переход появляется тогда, когда квантовые системы переключаются в хаотический режим. Здесь исчезает различие между хаотическим поведением и обычным (линейным) квантовым поведением системы. И в этих условиях квантовая когерентность неожиданно меняется от хрупкого и мимолетного режима к намного более устойчивому и надежному долгоживущему феномену, получившему название Poised Realm, т. е. «подвешенная область».
И именно в этом состоянии, считают Кауфман и компания, должны происходить наблюдаемые в опытах процессы квантовой биологии. Этот же критический переход, о котором говорят ученые, также известен в физике как «переход металл-изолятор» (MIT), позволяющий с минимальными потерями транспортировать квантовую информацию и энергию.
Как пишут авторы, системы с надлежащим уровнем сложности в состоянии между хаосом и регулярностью способны наращивать время своей когерентности на несколько порядков величины. Такие системы в состоянии около «критического квантового хаоса» или «перехода металл-изолятор» могут в одно и то же время иметь длительное время когерентности и когерентного переноса энергии. Новая теория, протестированная в реалистичной модели светоабсорбирующей системы фотосинтеза, воспроизводит масштабы критично важных феноменов, описанных в недавних экспериментальных работах.
Так что если все это хозяйство можно будет сделать работающим при комнатной температуре, как предполагают исследователи в своей публикации, то могут стать возможными и самые разные типы новых высокоэффективных квантовых устройств.
А кроме того, если смотреть на задачу чуть шире и вспомнить, что целый ряд ученых и в мозге человека уже давно усматривает признаки работы квантового компьютера, то есть шанс на этом пути узнать нечто содержательное также и о тайнах человеческого сознания.
No comments:
Post a Comment