Budoucnost počítačů X. – laserové, kvantové a DNA

0

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.


DNA počítač MAYA-II se svým „procesorem“ – molekulárními logickými bránami.

Článek vyšel v časopisu Extra PC 4/09, v němž jste mohli počítačovou historii pravidelně sledovat s „časovým předstihem“

Extra PC

Na serveru ExtraHardware dříve vyšly tyto články o historii počítačů:
Historie počítačů I. – počítačový pravěk
Historie počítačů II. – železní hrdinové doby
Historie počítačů III. – spojení křížovkáři
Historie počítačů IV. poválečná generace
Historie počítačů V. – nenápadný půvad tranzistoru
Historie počítačů VI. – Roboti za Kennedyho
Historie počítačů VII. – Integrovaná generace
Historie počítačů VIII. – Na Východě klid
Historie počítačů IX. – konec hardwaru

Budoucnost počítačů X. – laserové, kvantové a DNA

Ohodnoťte tento článek!