Budoucnost počítačů X. – laserové, kvantové a DNA

9. 6. 2009

Elektrony zpomalují, nastupují fotony

Elektronické počítače
doprovází lidstvo už přes padesát let. V současnosti se elektronika nachází ve
své vrcholné fázi, její vývoj ale nemůže jít kupředu věčně. Pomalu začíná
narážet na fyzikální hranice elektrické technologie: pro některé účely jsou
prostě elektrony příliš pomalé a neohrabané.

Indikátorem soumraku
elektroniky může být Moorův zákon, podle kterého se každé dva roky zdvojnásobí
výpočetní síla počítačů. Výsledkem je exponenciálně rostoucí křivka výkonu v
závislosti na roku výroby počítače. Zákonitost, kterou popisuje Moorův zákon,
platí prakticky po celou dobu vývoje elektronických počítačů, kromě jeho
začátku a konce někde v budoucnosti.

Zpomalení tohoto trendu bude pravděpodobně
indikovat vyčerpání možností elektroniky a nutnost hledat nové metody. Podle
předpovědi největšího výrobce mikroprocesorů, Intelu, se tempo vývoje zpomalí
už někdy mezi lety 2013 a 2018. Tou dobou mají být vyráběny čipy o velikosti 16
nm s bránami o šířce 5 nm. Většina zainteresovaných odborníků ovšem dává
elektronice větší setrvačnost, podle nich by měla stejným způsobem růst nejméně
do roku 2020 nebo 2030.

Zkrocené světlo

Asi nejblíž skutečnému
využití v praxi jsou dnes optické počítače. Je to logické - princip, na kterém
fungují, se nejvíc podobá principu elektroniky. Jen místo přenášení elektronů
se v optronickém systému přesouvají částice světla, fotony. Výhodou optiky
oproti elektronice je hlavně rozdíl v rychlosti přenosu signálu: teoretická
rychlost světla i elektrického proudu je sice podobná (u fotonů dosahuje 300
tisíc kilometrů za sekundu, u elektrického proudu ve vodiči se tomuto číslu
blíží), ale vlivem dalších okolností z toho nakonec světlo vychází výrazně
lépe. Jedním z klíčových vlivů je zahřívání, kterým elektrony „znehodnocují"
vlastní vodiče a tím se samy zpomalují. Světlo se v tomto ohledu chová mnohem
ekologičtěji.

Problém i příslib optické
technologie je také v tom, že dva proudy fotonů vzájemně nereagují (na rozdíl
od elektroniky). Z toho důvodu je obtížnější světlo zkrotit. V okamžiku, kdy se
to podaří, může nicméně procházet jedním místem několik informačních dálnic.
Jde o teorii, kterou v praxi ohraničuje velikost součástek, které světlo
směrují. Přesto se zdá, že tato vlastnost světla povede k radikální miniaturizaci
počítačů.

Vývoj v oblasti optroniky
se v současnosti soustředí na napodobení klíčových součástek elektronických
počítačů. Některé se dokonce už podařilo laboratorně napodobit. Jádrem veškeré
elektroniky je tranzistor, proto se pozornost soustřeďuje hlavně na něj.
Princip tranzistoru spočívá v tom, že dva proudy elektronů spolupracují na
vytvoření jednoho výsledného proudu na základě pravidel logiky. Fotony takhle
spolupracovat neumí, přímo se neovlivňují. Dlouho proto vědci nedokázali tuto
součástku adaptovat pro potřeby optiky.

Průlom přišel až v roce 2007, kdy se na
Harvardské univerzitě podařilo nasimulovat tranzistor pomocí polovodičových
nanovláken. K přepnutí stavu stačí podle vědců jediný foton. Pokud je tomu
skutečně tak, představuje tento „optistor" odrazové prkno, které by mohlo
nastartovat divoký rozvoj optických počítačů.

Optické počítače pracují s lasery v oblasti
viditelného světla nebo infračerveného záření. Díky tomu se dobře fotí.

Existuje přitom spousta
hybridních optoelektrických přístrojů, které využíváme už dnes: DVD a Blu-ray
mechaniky, laserové tiskárny nebo skenery. Tam ovšem laserový paprsek představuje
výkonnou složku, výpočty jsou prováděny pomocí klasických elektronických
součástek. Zajímavější je využití optiky při přenosu informací na velké
vzdálenosti: už dnes je většina internetové infrastruktury postavena na
optických kabelech a optických součástkách. Zpomalují jej zbývající
elektronické části, například přepínače.

Požadavkům současného divoce se
rozvíjejícího internetu už přestává elektronika stačit - podle odborníků je rychlostní limit internetové
infrastruktury v současné podobě 50 až 100 gigabitů za sekundu. Některé vize
počítají s tím, že v nedaleké budoucnosti budeme k uživatelským aplikacím
přistupovat přes internet. V takovém případě může být tato rychlost
nedostatečná. I tady představuje rozvoj optroniky naději do budoucna.

Nastoupí kvantové počítače?

Možná, možná ne

Princip elektroniky i
optroniky lze poměrně jednoduše popsat i pochopit: obsahuje velké, ale konečné
množství paměťových buněk, nastavených na jednu ze dvou hodnot, 0 nebo 1. U
kvantových počítačů je to složitější. Jsou postaveny na kvantové mechanice,
která není „jednoznačná". Elektronika i optronika stojí na klasické mechanice;
kvantové počítače mají základ v kvantové mechanice, která je pravděpodobnostní.
Výpočet v kvantovém počítači nelze popsat určenou sekvencí jedniček a nul,
které pak přiřadíte určitý význam. Existuje tady pouze pravděpodobnost, že se
kvantový počítač dostane do určitého stavu. V tom spočívá hlavní odlišnost
proti klasickým výpočtům. Nicméně navzdory zdravému rozumu je neurčitost hlavní
výhodou kvantových výpočtů.

Elektrony v elektronice,
respektive fotony v optronice slouží jako „oběživo". Jsou tím, kdo nese signál.
Klíčové je, aby byl co nejmenší a co nejrychlejší. Informace je uchovávána v
pevných částech systému, v paměti. Kvantové počítače využívají svoje nejmenší
jednotky, většinou atomy nebo molekuly, přesně naopak: jako paměť. Mohou se
nacházet ve dvou přesně definovaných stavech, označených jako 0, 1, nebo v obou
těchto stavech najednou. Tato jednotka informace se označuje jako kvantový bit
neboli qubit.

Právě schopnost
vyskytovat se v obou stavech najednou je pro kvantové výpočty klíčová. Tento
„trik" umožňuje kvantovému počítači pracovat na více úkolech zároveň. Jeden
qubit (jeden atom nebo molekula) na dvou, dva qubity na čtyřech, tři na osmi,
atd. Díky podivným pravidlům kvantové mechaniky tak vzniká supervýkonná mašina,
nesrovnatelná s čímkoliv jiným na zemi.

Použitelný kvantový počítač,
nebo jen pouťový trik? Počítač z ledna roku 2007 je záhada i pro kvantové
fyziky.

Koncept kvantových
počítačů se samozřejmě potýká s mnoha problémy. Jako základ pro výpočty může
posloužit jakýkoliv atom, jehož elektrony lze (například laserem) dostat do
vyššího energetického stavu - excitovat. V tomto stavu ovšem vydrží jen tehdy,
dokud se nedostanou do kontaktu s okolím. Jinými slovy, je potřeba držet je v
neviditelné a nereaktivní „kleci". Tento problém vyvstane zejména v okamžiku,
kdy chceme zjistit výsledek výpočtu. Samotným zjišťováním stavu qubitu totiž
zasahujeme do panenského světa atomu a jeho stav měníme.

Na problém uvěznění atomu
a čtení jeho stavu se v současnosti také soustředí největší úsilí. A zdá se, že
úspěšně: v posledních letech se na poli kvantových počítačů dějí obrovské skoky
kupředu. Už v roce 1998 se podařilo „sestavit" první, dvouqubitový počítač,
pracující na principu magnetické jaderné rezonance. Od té doby se počet
výpočetních jader pomalu zvyšoval, až v roce 2008 dosáhl počtu osmi. Jde pouze
o laboratorní experimenty, neschopné existence v normálních podmínkách.

Je tu
ovšem jedna záhada: firma D-Wave Systems. Ta představila v lednu 2007 počítač
Orion s výpočetním jádrem 16 qubitů. V listopadu téhož roku se pochlubila
úspěšně ukončeným vývojem počítače s jádrem 28 qubitů a na konci roku 2008
dokonce čipem, složeným ze 128 qubitů. Možná jde o podvod, možná ne. Podle
odborníků na kvantové výpočty nelze takové počítače při současném stavu vědy
navrhnout, firma D-Wave mluví o kvantových počítačích jako o hotové věci.
Každopádně se zdá, že kvantové počítače s nepředstavitelným výkonem už
pomalinku začínají klepat na dveře.

Návrat k DNA

Počítače na
litry

Specifické místo mezi
výpočetními technologiemi nesou chemické a biologické počítače. U nich většinou
není primární výkon, ale dokonalé přizpůsobení prostředí, ve kterém mají
fungovat.

Chemické počítače fungují
na nejroztodivnějších principech: molekuly polymerů, které mění svou vnější
podobu na základě chemických reakcí, nebo výpočty postavené na metabolitech
procesů v buňce. Nejslibnější je ale vývoj reakčně-difúzních počítačů. V
chemické směsi se vyskytují sloučeniny v různých koncentrací, výpočty simulují
proudy mezi jednotlivými částmi směsi a výsledky jejich momentální koncentrace.
Tímto způsobem nemusí výpočty probíhat jednovláknově (jako v elektronickém
počítači), ale v několika směrech a vrstvách najednou. Fungování takového
počítače pak připomíná procesy, probíhající v mozku.

Bouřlivé setkání dvou kapalin. Až je zkrotíme,
bude z nich základ pro reakčně-difúzní počítač.

Klasické počítače pracují
s křehkými součástkami, uzavřenými do pečlivě navržených a opatrně vyrobených
obvodů. Chemický počítač v ideálním případě nic takového potřebovat nebude.
Rozlitím chemického počítače do dvou nádob vzniknou dva samostatně fungující
systémy s menší výpočetní silou. To otvírá nové možnosti například v robotice -
místo klasických robotů mohou vzniknout například beztvaré robotické améby,
které se budou moci libovolně dělit a zase spojovat. Jde ale o hudbu daleké
budoucnosti.

Mnohem blíž realitě jsou
biologické počítače, označované také jako molekulární nebo DNA technologie.
Molekuly DNA jsou v nich propojeny do miniaturního komplexu. Složky DNA,
označované jako A, T, C a G, nesou významy, a jejich postupnou chemickou
eliminací se objevují možná řešení problému.

DNA počítače existují
miliardy let; najdete je v samotném jádru přírody, uvnitř všech živočichů a
rostlin. V roce 2003 se ale podařilo izraelským vědcům přijít s prvním DNA
počítačem, vytvořeným člověkem. Neumí toho sice mnoho a je poměrně pomalý, ale
jeho možnosti v biologii jsou obrovské. Další v řadě, DNA počítače MAYA a
MAYA-II, ilustrují budoucí možnosti svých nástupců hraním piškvorek. Jeden tah
jim sice trvá půl hodiny, ale neprohrávají.

Biologické počítače se
vzhledem ke své teoretické velikosti a biologické povaze budou využívat
především v medicíně. V kombinaci s nanometrovými opraváři to budou právě ony,
které budou putovat vašimi cévami, opravovat poškozená místa a likvidovat staré
a nemocné buňky. A kdo ví, možná si novější modely ve volných chvílích dají i
partii Člověče nezlob se.