Наномир Стэна Уильямса
advertisement
1 Наномир Стэна Уильямса И ученые, и просто любопытствующие потребители компьютерных технологий давно озаботились вопросом: в каком же направлении будет развиваться элементная база компьютеров, когда более или менее традиционные технологии СБИС, основанные на различных видах фотолитографии, достигнут своего теоретического предела. Все чаще появляются в прессе материалы по квантовым вычислениям. Computerworld Россия решил опубликовать интервью со Стэном Уильямсом из исследовательской лаборатории HewlettPackard, в которой эти работы активно ведутся. Мы не хотим своей публикацией утверждать, что слова Уильямса — истина в последней инстанции, как, впрочем, и слова сотрудника ИОФРАН Дмитрия Мурина, которого мы попросили прокомментировать интервью. Многие заявления Уильямса экстравагантны с научной точки зрения, они привлекли внимание общественности. Пока мы получили о них самые противоречивые отзывы и не скроем их от читателей. Но мы надеемся, что материал вызовет новую волну писем от профессионалов и просто интересующихся. — Игорь Левшин, Computerworld Россия Материал публикуется с разрешения корпорации Hewlett-Packard. С его исходной англоязычной версией можно ознакомиться в Web по адресу http://www.hpl.hp.com Доктор Стэн Уильямс руководит программой Basic Research Program в лаборатории HP Labs в Пало-Альто. Свою работу Стэн описывает как «создание и исследование наноструктур, иначе известных как квантовые проволоки и точки (типы молекул), а также оценку, насколько полезны эти структуры для разработки устройств». В ноябре 1997 года Стэн в качестве приглашенного докладчика принял участие в проводимой в Великобритании дискуссии Королевского научного общества по проблемам квантовых вычислений (Royal Society Discussion on Quantum Computation). В своем докладе, озаглавленном «Теория и эксперимент», Стэн рассказал о возможностях новых типов вычислительных систем, созданных на основе квантовых механизмов. Стэн получил степень бакалавра по химической физике университета Райса в Хьюстоне в 1974 году. Во время работы в этом университете Стэн встретился с профессором, лауреатом Нобелевской премии Бобом Келом, ставшим впоследствии его научным руководителем. С подачи Кела Стэн перешел в Университет Беркли, где получил степень доктора наук по физической химии. Будучи интерном, в 1974 году он работал в подразделении Scientific Instruments Division корпорации HP. После получения ученой степени он был приглашен в Bell Labs, а затем, с 1980 по 1995 год, преподавал в UCLA, после чего был принят в HP Labs, где и работает до сих пор. В UCLA Стэн занимал 2 должности Dreyfus Teacher-Scholar Fellow и Sloan Research Fellow. В своем интервью Стэн рассказывает о проводимых им экспериментах, о растущей важности мира наноструктур и о том, кто оказал влияние на его путь в науке. Могли бы вы рассказать о своей работе в лаборатории HP Labs, учитывая, что наши читатели не являются специалистами по квантовой механике? Меня пригласили на работу для того, чтобы помочь в создании «базовой» научной лаборатории в HP Labs. В контексте HP под «базовыми» исследованиями понимаются исследования, цель которых состоит в решении сложных научных проблем. Решения этих проблем не связаны напрямую с каким-либо продуктом или сервисом HP. Однако те области, которые мы выбрали для работы, могли бы создать основу абсолютно новой технологии, которую HP смогла бы использовать лет десять, а то и больше. В чем состоят основные приоритеты вашей работы в области квантовой механики в HP Labs? Сейчас мы главным образом занимаемся проблемой создания очень маленьких компонентов — небольших отдельных кристаллов, размер которых составляет лишь несколько нанометров. Ближайшая наша цель — подготовить технологию, позволяющую быстро и недорого начать массовое производство порядка триллионов компонентов на кремниевых подложках. Компоненты должны быть одинаковыми по форме и размеру и, более того, в конечном итоге должны решать некоторую полезную задачу. Мы постепенно приближаемся к этой цели и надеемся, что уроки, полученные нами при работе над одной системой, затрагивают достаточно общие проблемы и способны помочь нам разобраться и с другими системами. В конечном счете мы проверили электрические, магнитные и оптические свойства наших маленьких компонентов, чтобы лучше понять, как их можно использовать. Одна из самообъединяющихся квантовых точек германия (фотография под электронным микроскопом) Вы описываете поразительные технологии, основу которых составляют квантовые частицы германия. Не могли бы рассказать об этом подробнее? 3 Тед Каминс в нашем подразделении провел прекрасный эксперимент, демонстрирующий возможность создания аналогичных структур-автоматов с самообъединяющимися квантовыми точками германия. Если концепция найдет свое подтверждение, это будет направление, которое мы сможем развивать и дальше, но пока мы больше внимания уделяли общим вопросам выращивания кристаллических структур, нежели вопросам создания конкретного устройства. Недавно в газетной публикации, посвященной транзисторам, цитировались ваши слова: «Если бы год назад меня спросили, когда появится простейший квантовый вычислитель, я бы сказал, что через десять лет. А сейчас он уже создан». Правда ли, что квантовые вычисления развиваются так быстро? Истинным открытиям человеческого ума всегда предшествует определенный инкубационный период. В случае более широкой темы, связанной с квантовой информацией, или того, что я называю Quantum MC2, последние 70 лет процесс перехода количества в качество развивался очень медленно, но неуклонно. Однако с накоплением значительного количества знаний и вовлечением достаточного числа людей эта область будет готова к переходу на новый уровень. В прошлом году, когда мы начали заниматься этими проблемами, некоторые поспешили назвать это «большим взрывом» в квантовой информации. В 1997 году впервые была проведена необычная экспериментальная демонстрация неразрушающих квантовых измерений, квантовой телепортации и квантовых вычислений. Некоторые из этих областей многие десятилетия считались возможными лишь теоретически, но теперь все эти вещи нашли свое практическое подтверждение. Эта демонстрация вызвала огромный интерес среди ученых, так что теперь область квантовой информации будет развиваться экспоненциально. В своем выступлении в прошлом году в рамках такой же дискуссии вы рассказывали о поставленном профессором Зейлингером эксперименте, связанном с телепортацией, который, как я понимаю, реализует идею о передаче информации назад во времени. Тогда вы сказали: «Есть в этом какая-то тайна, которую мы не можем постичь». Не могли бы вы рассказать об этом подробнее? Идея квантовой телепортации впервые была предложена С. Х. Беннотом из IBM Research, за что тот не раз был высмеян. Идея показалась слишком странной даже ученым, хорошо разбирающимся в квантовой механике. Однако ее подтверждает эксперимент, проведенный Зейлингером в прошлом году и независимо повторенный группой итальянских ученых. В конце концов идея заключается в том, чтобы телепортировать квантовое состояние — к примеру, фотон с произвольным направлением поляризации, которое представляет информацию, — из одного места в другое, сначала уничтожая информацию, а затем одновременно восстанавливая ее в другом месте. Так как этот процесс происходит быстрее скорости света, он безусловно противоречит основному постулату теории относительности Эйнштейна. Однако теория Эйнштейна описывает поведение только классической информации, то есть того, что мы можем использовать для передачи сообщений друг другу. Квантовая информация не подчиняется ограничениям специальной теории относительности, но, с другой стороны, для передачи сообщений одной только квантовой информации явно недостаточно. Она может помочь передавать коды, которые будут расшифрованы позже, когда будет получена классическая информация, но это совсем другой вопрос. В том же самом выступлении вы заметили, что «квантовая механика — это реальность, но она действительно странная. Она — призрак». Не могли бы вы объяснить, в чем странность и призрачность квантовой механики? 4 Слова о том, что квантовая механика — это призрак, — прямая цитата из Эйнштейна. Он сказал это потому, что гипотезы теории квантовой механики противоречили тому, как представлял себе мир Эйнштейн и многие другие. Эксперимент Эйнштейна– Подольского–Розена (ЭПР) — тому свидетельство. Это был «мысленный эксперимент», предложенный ЭПР для того, чтобы показать, насколько нелепа квантовая механика. Эксперимент Эйнштейна–Подольского–Розена рассматривал две «связанные» квантовые системы — фотоны, электроны или что-либо еще, которые движутся в противоположных направлениях. Согласно квантовой механике, измерения в одной из систем однозначно определяют состояние другой, вне зависимости от того, на каком расстоянии они друг от друга находятся. Это очевидное нарушение специальной теории относительности. Поэтому с точки зрения Эйнштейна квантовая теория неверна, и должна существовать некоторая иная сущность, объясняющая поведение объектов микромира. Эти альтернативные теории назывались теориями «скрытой переменной», поскольку предполагалось, что существуют свойства малых систем, которые или невозможно, или неизвестно как измерить. Однако за последние два десятилетия люди действительно провели эксперимент ЭПР, и результаты его не только полностью согласуются с квантовой теорией, но и доказали полную несостоятельность любой возможной теории скрытой локальной переменной. Но могут существовать теории скрытой нелокальной переменной, которые, как и квантовая теория, объясняют экспериментальные наблюдения, но эти теории намного сложнее последней. Как правило, в любой ситуации мы стараемся найти простейшее объяснение, которые описывает все известные экспериментальные данные. Таким объяснением в данном случае является квантовая теория, поскольку она наилучшим образом описывает реальность. Действительно, эксперименты с квантовой телепортацией даже более «странные», чем эксперимент ЭПР, поскольку они требуют передачи квантовой информации обратно во времени — вот это-то уж точно взбесило бы Эйнштейна! Выступая на аналогичной дискуссии в ноябре 1997 года, вы назвали квантовую информацию новой научной дисциплиной, которой могут заниматься физики или инженеры. Как вы считает, насколько хорошо нам удастся понять квантовый мир и мир квантовой информации лет через пять–десять? Чтобы квантовую информатику серьезно воспринимали даже технические специалисты, потребуется по крайней мере десять лет серьезных дискуссий . Это обусловлено тем, что сама по себе концепция очень сложна, и должно пройти немало времени, прежде чем ее начнут воспринимать. На самом деле, чтобы она стала естественной концепцией, должно появиться новое поколение ученых, которые будут активно работать в этой области. Очень важно создать научные центры, посвященные этой проблеме. Я думаю, что новое поколение, которое пройдет эти институты, будет намного лучше понимать, что собой представляет квантовая информация, поскольку для них эта тема не будет казаться странной. Я рассчитываю, что «большой взрыв» позволит сохранить высокий темп распространения этой концепции еще в течение многих десятилетий. В дискуссиях Royal Society Discussion приняли участие Роджер Пенроуз, Артур Экерт и другие. Оказалось ли это для вас полезным? 5 Стэн Уильямс: «С точки зрения Эйнштейна, квантовая теория неверна, и должна существовать некоторая иная сущность, объясняющая поведение объектов микромира» Конференция Royal Society позволила мне приобрести уникальный опыт. Что касается меня, то я выступал как бы в качестве незаинтересованного эксперта в мире квантовой информации. Моя роль на конференции состояла в том, чтобы обсуждать использование квантовых механизмов для решения задач MC2, связанных с классической информацией. Эта конференция дала мне возможность встретиться и поговорить с самыми крупными учеными, работающими в области квантовой информации. Состав аудитории на конференции был очень разнородным. Несколько нобелевских лауреатов соседствовали с людьми, практически пришедшими с улицы, поскольку по своему характеру эти дискуссии, как и предполагалось, должны происходить совершенно открыто. Кроме того, существует традиция прерывать выступление оратора в любое время вопросами или комментариями. Я спокойно отношусь к обмену колкостями, но поскольку в аудитории находились как гении, так и люди недалекие, иногда я жалел, что не могу подчеркнуть это различие! В аудитории присутствовал Тони Хей, редактор «Фейнмановских лекций по вычислительной математике», и когда я упомянул его книгу, он встал и поблагодарил меня за рекламу. Он очень интересный человек, после защиты диссертации работал у Фейнмана над задачами, посвященными теории высокоэнергетических частиц, но затем он стал заниматься вычислениями, поскольку в то время Фейнмана интересовала именно эта область. Он сказал, что эта книга была самой важной работой, которую ему удалось сделать за всю его научную карьеру. Мое выступление прошло достаточно хорошо. Организаторы попросили предоставить его версию для публикации в журнале Scientific American, поэтому я постарался в своем выступлении рассказать обо всех присутствующих и в то же время чуть больше внимания уделить экспертам. Большинство других ораторов говорили друг с другом, поэтому те, кто не являлся экспертом в данной области, не могли принимать участие в дискуссии. Это было прекрасное, ускоренное представление для меня, но большая часть аудитории не могла отличить действительно потрясающую науку от ненаучных домыслов. Несмотря на то что мое выступление действительно было самым прозаическим, именно меня завалили вопросами журналисты BBC, New Scientist, где, кстати, был опубликован ужасный отзыв о моем выступлении, и The Economist. Самое же замечательное из того, что было на конференции, то есть экспериментальное подтверждение квантовой телепортации, представленной Зейлингером, вообще осталось незамеченным, поскольку оно было представлено в виде, непонятном большинству присутствующих. Давайте поговорим о Ричарде Фейнмане. Вы когда-нибудь встречались с ним или учились у него? Я разговаривал с ним несколько минут после его выступления в Hughes Research Labs много лет назад. Он был великолепным лектором, и я прочитал многие из его книг с огромным интересом. Однако, я бы сказал, что книгой, которая действительно открыла мне новые горизонты, стали «Фейнмановские лекции по вычислительной математике», напечатанные в прошлом году. Я рекомендую эту книгу всем, кто интересуется данным предметом, вне зависимости от того, насколько низко вы оцениваете свою способность ее 6 понять. Фейнман всегда предлагает совершенно оригинальный взгляд на предмет. На самом деле он является одним из основателей области квантовой информации, и, к сожалению, судьбе было неугодно, чтобы он своими глазами увидел подъем этой области науки, происходящий в последние годы. Он был бы счастлив. Когда я слушал ваши рассуждения об ограничениях существующих вычислительных методов, я заметил, что вы чаще других упоминаете второй закон Мура, где говорится об увеличении затрат на создание новых микросхем. Почему? По-вашему, второй закон важнее первого? Я думаю, что второй закон Мура, который говорит о том, что затраты на производственные мощности, используемые для создания микросхем, растут быстрее, чем спрос на микросхемы, большинство людей еще не понимает. И в первую очередь не понимают ученые, которые склонны больше говорить о будущем. Этот закон свидетельствует о даре предвидения, которым обладал Гордон Мур. Расходы на организацию производства, хотя и были значительными, исторически составляли лишь незначительную часть всех затрат на производство и распространение. Теперь же затраты на новые производственные мощности достигают нескольких миллиардов долларов, и, согласно прогнозам, к 2010 году затраты на строительство одной фабрики составят 30-50 млрд. долл. Это существенная часть всего рынка микросхем, в силу чего и возникает вопрос: сможет ли компания или даже группа компаний профинансировать строительство такого монстра. Скорее всего, экономические следствия закона Мура станут основной причиной того, что первый закон перестанет работать. Кстати, я считаю, что изменение традиционных способов ведения бизнеса даст новым идеям реальный шанс достичь своей цели. Во время пресс-конференции вы сказали: «Лет через десять возникнут серьезные препятствия: технологии КМОП зайдут в тупик. И только тогда, когда это станет вырисовываться все яснее, люди начнут задумываться о возможных альтернативах». Вы можете прокомментировать это высказывание? Соблюдение закона Мура — для большинства технологических компаний вопрос выживания. Любой, кто не выдержит гонки, диктуемой законом о том, что каждые три года скорость процессоров должна увеличиваться вчетверо, погибнет почти сразу, поэтому, конечно, основная цель — удержаться. Это требует постоянного контроля за выполнением поставленных целей, и в этой сложной гонке некогда задумываться о том, что произойдет через десять лет. Только когда ведущие компании «упрутся в Стэну» и все несколько снизят темп, руководители, на чьи плечи ляжет ответственность за будущее компании, начнут задумываться о темпах развития, не соответствующих заложенным в закон Мура, который столь успешно действовал все это долгое время. Я надеюсь, что наши попытки здесь в Labs позволят к тому времени создать для HP победную технологическую альтернативу и стратегию. Возможно, в шутку, в недавнем своем выступлении вы предложили закон Уильямса, который говорит о том, что разумный инжиниринг способен преодолеть любые конструкторские трудности. Можно ли закон Уильямса интерпретировать так, что умные инженеры найдут способы решить грядущие проблемы с архитектурой CMOS? Есть чисто инженерные задачи, например задача уменьшения размера компьютерных компонентов и фундаментальные физические ограничения, такие как размер атома. Я думаю, что хорошие инженеры могут по-прежнему добиваться уменьшения размера до тех пор, пока не будут достигнуты физические ограничения, но ни один инженер не будет 7 пытаться сделать компонент устройства меньше, чем атом. Это не значит, что умный инженер не сможет найти альтернативные средства, чтобы достичь поставленной цели, такой как увеличение информационной емкости системы за счет использования многоуровневых логических конфигураций. Однако я пытаюсь анализировать системы, стремясь понять, что же действительно является фундаментальным ограничением, а не инженерной проблемой. Я бы сказал, что закон Уильямса означает, что инженеры будут искать способы максимально приблизиться к этим фундаментальным ограничениям до тех пор, пока есть финансовые возможности для этого. Что же касается конкретной задачи поиска новых способов создания электронной схемы, я думаю, что прежде, чем появится новая технология, предстоит сделать ряд фундаментальных научных открытий. В одном из своих выступлений вы указали, что передача информации из одного места в другое требует огромных энергетических затрат и что по мере того, как компоненты в компьютере становятся все меньше по размеру, для передачи информации потребуется больше энергии, чем для самих вычислений. Не могли бы вы это пояснить? На самом деле так происходит уже сейчас. Для передачи пакетов электронов по соединениям на микросхеме и между микросхемами требуется больше электрической энергии, чем необходимо для вычислений, которые выполняются вентилями на плате. С уменьшением размера устройств отношение энергии, необходимой для передачи информации с одного места платы на другое, к энергии, требуемой для выполнения вычислений, будет и дальше расти. В своем недавнем выступлении вы заметили: «Компьютерная, да, пожалуй, и научная эпоха еще даже и не начинались». Не могли бы вы пояснить свою мысль? В своем выступлении я рассказывал о том, насколько совершеннее стали компьютеры по сравнению с ENIAC — первым электронным компьютером, способным хранить программы. Современные компьютеры могут работать в 100 млн. раз эффективнее, чем ENIAC, учитывая объем вычислений, выполняемых на каждом устройстве, по отношению к уровню потребляемой энергии. Однако фундаментальные физические законы показывают, что вполне можно выполнять вычисления по крайней мере в 1 млрд. раз эффективнее (а может быть, и намного больше), чем позволяют современные машины. Когда мы оцениваем, насколько мощными могут быть такие системы, наша современная технология кажется по сравнению с перспективой просто тривиальной. Таким образом, компьютерная эпоха еще и не начиналась! Мое замечание по поводу научной эпохи — это моя реакция на недавно выпущенную книгу «Конец науки», которую я считаю полной ерундой. Теперь мы знаем вполне достаточно, чтобы работать с одним или двумя объектами. Но на самом деле сложность начинает резко возрастать, когда мы пытаемся рассмотреть взаимосвязь многих объектов. Мы практически ничего не знаем о таких системах. Оценивая происходящий сейчас «большой взрыв» в квантовой информатике, я могу с уверенностью предсказать, что будет открыто намного больше направлений фундаментальной науки, чем мы сейчас изучаем.Квантовый компьютер без пафоса Идеи о возможности построения «квантового компьютера» восходят к работам известного американского физика Ричарда Фейнмана середины 80-х годов. Фейнман рассматривал вопрос об эволюции квантовых систем на обычном цифровом компьютере и обнаружил нерешаемость этой задачи, поскольку ресурсов памяти и быстродействия классических машин недостаточно для решения квантовых задач. Известно, что система из n квантовых частиц с двумя состояниями имеет 2 в степени n базисных состояний. Примером может служить молекула, имеющая одинаковые минимумы потенциальной энергии, разделенные потенциальным барьером и 8 соответствующие одинаковым устойчивым структурам молекулы. В зависимости от величины барьера либо могут быть получены в качестве устойчивых состояний стабильные изомеры, обладающие различной оптической анизотропией, либо произойдет переход из одной структуры в другую. Следовательно, для описания этой системы необходимо задать и записать в память компьютера 2 в степени n амплитуд этих состояний, чего современные машины сделать не в состоянии. Таким образом Фейнман пришел к идее квантового компьютера, способного решать квантовые задачи. Бистабильной транзисторной схеме классического компьютера в квантовой механике можно сопоставить двухуровневую квантовую частицу; например, основное состояние этой частицы будет логическим нулем, а возбужденное — логической единицей. И переходам <0>-<1> в классической бистабильной транзисторной схеме здесь будут соответствовать переходы с уровня на уровень. Но квантовый бистабильный элемент (называемый кубит — от английского Q-bit, единица измерения квантовой информации) по сравнению с классическим элементом имеет существенное преимущество: поскольку работает принцип суперпозиции состояний, он может находиться в любом из них, что в конечном итоге придаст квантовому компьютеру новые возможности. Как было доказано, квантовый компьютер может быть построен всего из двух элементов — однокубитового вентиля «НЕ» и двухкубитового вентиля «контролируемое НЕ». Простое «НЕ» исполняется простым переводом квантовой системы из одного состояния в другое (при соответствующем воздействии извне); «контролируемое НЕ» исполняется посредством взаимодействия двух кубитов — один кубит контролирует эволюцию другого (также при воздействии извне). Переходы под влиянием внешних импульсов хорошо известны, в частности, в магнитно-резонансной спектроскопии: простое «НЕ» соответствует обычному перевороту спина. Если это действие является контролирующим, то для контролируемого кубита может быть несколько разных состояний. Однако для начала работы квантового компьютера все кубиты должны быть переведены в основное (<0>) состояние, что технически достаточно сложно, так как требует либо очень низких температур (вблизи абсолютного нуля), либо использования методов поляризации. Например, «НЕ» и «контролируемое НЕ» могут быть осуществлены непосредственно на интерферометре Маха — Цандера с использованием явления интерференции фотона и вращения его вектора поляризации. Систему кубитов в состоянии (<0>) можно считать регистром памяти, пригодным для записи входных данных и проведения вычислений. Разумеется, нужен вспомогательный регистр для проведения промежуточных действий. В настоящее время выполнены модельные эксперименты по квантовым вычислениям на импульсном ядерном магнитно-резонансном спектрометре. Считается, что полномасштабный квантовый компьютер должен содержать 1000 кубитов, хотя и при 100 он становится полезным инструментом. Серьезным препятствием на пути к квантовому компьютеру оказалось явление так называемой декогеренизации, то есть релаксации тех степеней свободы квантовой частицы, которые используются в кубите (иными словами, время декогеренизации равно времени релаксации). Таким образом, по истечении этого времени начатый вычислительный процесс приобретает черты случайности. Но можно достичь и устойчивой работы квантового компьютера, если систематически использовать методы квантового кодирования и коррекции фазовых и амплитудных ошибок. 9 Результат вычислений квантового компьютера должен быть измерен, однако в настоящее время нет освоенной технологии таких измерений. Предполагается, что большую роль в таких измерениях будут играть методы зондовой силовой микроскопии. Прогресс при применении квантовых компьютеров заключается в эспоненциальном ускорении вычислений по сравнению с классическими компьютерами, поскольку открыты соответствующие квантовые алгоритмы. Например, алгоритм Шора определения простых множителей больших (многоразрядных) чисел. Проблема эта весьма актуальна, потому что на «невычислимости» таких множителей построены современные алгоритмы шифрования. — Дмитрий Мурин, кандидат физико-математических наук, сотрудник Института общей физики РАН Собрал: Г.Согрин
