Мистерия света и вещества: в Сколкове изобрели принципиально новый компьютер
Ресурсы ограничены – таков жестокий закон. Времени всегда меньше, чем хочется, несмотря на все усилия биологов, штурмующих проблему долголетия. Деньги тоже приходится считать, а вместе с ними и всё, что можно купить за деньги. Бывают и другие ограничения на ресурсы – например, прекрасно работавший зонд "Кассини" пришлось сжечь в атмосфере Сатурна только потому, что у него закончилось ракетное топливо.
Достичь цели, потратив как можно меньше – вот задача, которую постоянно приходится решать инженерам, экономистам, да и просто любому человеку, планирующему своё время и бюджет. В математике это называется задачей оптимизации. Её формулируют так: есть функция, зависящая от многих переменных, и требуется найти её минимум при заданных ограничениях.
Решать такие задачи зачастую очень трудно. Полный перебор всех вариантов невозможен – их немыслимо много. Например, двадцать точек в городе можно объехать в разном порядке. Сколько вариантов всего? Оказывается, что их 20! (читается как "двадцать факториал"), т.е. 1 x 2 x 3 … x 20. Это число примерно в десять раз больше количества секунд, прошедших с момента Большого Взрыва.
Математики придумали тонкие методы, позволяющие отсекать заведомо неоптимальные варианты и находить перспективные. Но всё равно расчёты часто оказываются слишком громоздкими даже для мощных современных компьютеров. Особенно это характерно для задач, в которых требуется оптимизация сразу по многим параметрам.
Традиционный путь решения – придумывать более мощные компьютеры и более совершенные алгоритмы расчётов. Принципиально иной подход предложила международная команда учёных во главе с Наталией Берловой и Павлосом Лагудакисом (Pavlos Lagoudakis) из Сколтеха. В своём исследовании, опубликованном 25 сентября в журнале Nature Materials, физики заставили саму природу решать задачу оптимизации.
Вселенная – лучший вычислитель. Чтобы отыскать самую низкую точку поверхности, вместо громоздких вычислений достаточно опрокинуть над ней стакан воды.
Примерно это и удалось сделать физикам. Конечно, всё гораздо сложнее, чем в приведённом примере. Точку на поверхности задают всего две координаты, а реальные задачи оптимизации требуют учёта сразу многих параметров. Так что водой и изогнутым листом здесь не обойдешься. Но учёные сумели реализовать многомерную "поверхность" с помощью силовых полей и заставить находить её "нижнюю точку" состояния поляритонов.
Поляритон – это квазичастица. Что это такое? Проще всего объяснить это на примере так называемых дырок, хорошо знакомых всем, кто разбирается в полупроводниковой электронике.
Допустим, на полупроводник подали напряжение. Электрон радостно снялся со своего места в веществе и устремился к положительному полюсу. А на его месте образовалась дырка – место, где кристаллической решётке не хватает электрона для равновесия зарядов. Привлечённый притяжением окрестных протонов, туда встанет другой электрон, но тогда дырка образуется уже на его месте, и так далее.
Физикам гораздо удобнее не рассчитывать прыжки бесчисленных электронов с места на место, а рассмотреть движение одной частицы с положительным зарядом – той самой дырки. При том же самом результате упрощение расчётов получается колоссальное.
Дырка, конечно, не является "настоящей" частицей. Она не образуется в ядерных реакциях, её невозможно получить, столкнув протоны на Большом адронном коллайдере. Дырка не существует в вакууме, её нельзя разогнать в трубе ускорителя, напрасно будет искать её и в космических лучах. Это просто математическая модель, которая упрощает описание переноса зарядов в полупроводнике. Поэтому и называется она не частицей, а квазичастицей.
То же самое относится и к поляритону – квазичастице, введенной для описания взаимодействия света с веществом. В квантовой физике квазичастиц вообще целый зоопарк: для колебаний кристаллической решётки – фонон, для магнитных явлений – магнон, и так далее.
Физики заставляют их по-разному двигаться и располагаться в веществе и выполнять разные функции, например, обеспечивать сверхпроводимость. То, что эти частицы "не настоящие", никого не смущает. Да, это модель, но задача физики и состоит в том, чтобы строить модели, которые согласуются с данными прежних экспериментов и правильно предсказывают результаты новых, ещё не поставленных. На основе этих моделей учёные и инженеры создают новые технологии, которые радуют нас мобильной связью, спасающей от инсульта МРТ и такими привычными, а в недалёком будущем и новыми квантовыми компьютерами.
Учёные облучали лазером атомы таких элементов, как галлий, мышьяк, индий и алюминий. Взаимодействие света и вещества порождало поляритоны, которыми управляли исследователи. Способность нового устройства к решению задач они испробовали на XY-модели (classical XY model). Это фундаментальный инструмент статистической механики, науки о поведении систем из очень большого числа частиц. Задача оптимизации этой модели очень сложна. Но учёным удалось "зашифровать" условие этой задачи в окружающих частицы полях. И поляритоны послушно пришли в состояние, соответствующее минимуму нужной функции.
Технология только что создана, и её потенциал для решения сложных задач ещё предстоит изучить. В ближайших планах исследователей – увеличить вычислительную мощность устройства и сымитировать микрочип, работающий на этих совершенно новых принципах.
Напомним, что это не единственная работа, открывающая путь к принципиально новым вычислениям. Ранее мы писали о фотонных микросхемах и о квантовом компьютере размером с футбольное поле. Человечество за полвека привыкло к лавинообразному росту вычислительных мощностей и отказываться от него не собирается. В условиях, когда потенциал традиционных компьютеров близок к исчерпанию, это требует новых прорывов и открытий.