Czy tworzywem komputerów musi być krzem?

W dzisiejszych czasach każdy wie, jak wygląda komputer, a wielu z nas ma jakieś pojęcie o tym, jak on działa. Komputer cyfrowy mimo wszystko nie różni się zbytnio od abakusa czy sumatora, z wyjątkiem tego, że zamiast przesuwać paciorki lub kręcić kółkami, komputer włącza i wyłącza tranzystory przesuwając elektrony. Nawet techniki eksperymentalne, takie jak omawiane wcześniej komputery optyczne, działają zasadniczo w ten sam sposób, przez włączanie i wyłączanie przełączników.

Na horyzoncie pojawiają się jednak pewne nowe projekty, w których niewielu z nas rozpoznałoby komputery – na przykład zbiorniki z chemikaliami czy sześciany czystych kryształów, utrzymywane w temperaturze niemal zera bezwzględnego. W urządzeniach tych obliczenia – manipulowanie informacją – odbywają się na całkowicie innej zasadzie niż działanie znanego komputera cyfrowego. Dzisiaj nie jest jeszcze jasne, czy będą one mieć kiedykolwiek jakieś znaczenie handlowe (a nawet, czy uda się je wykorzystać w praktyce). Jeśli jednak będą działać, nie należy spodziewać się wystawienia ich na sprzedaż w pobliskim sklepie komputerowym. Zastosowanie ich będzie prawie na pewno ograniczone do specjalistycznych zadań ściśle określonego typu.

Obliczenia za pomocą DNA

Pierwszy „komputer molekularny” uruchomiony został w 1994 roku w University of Southern California. Użyty był do rozwiązania uproszczonej wersji klasycznego problemu obliczeniowego zwanego „problemem komiwojażera”, lub bardziej technicznie – „zagadnieniem ukierunkowanych dróg Hamiltona”. Zadanie to może być przedstawione następująco: czy mając zbiór punktów, z których jeden oznaczony jest jako „do”, a inny jako „z”, można znaleźć taką drogę, która przechodzi od ,,z” do „do” i odwiedza każdy z pozostałych wierzchołków raz i tylko raz? Jak to już omawiałem w innym miejscu tej książki, problem tego typu zwany jest w teorii złożoności „NP zupełnym”. Problemy te mają w matematyce specjalne znaczenie, ponieważ jeśli mogą być rozwiązane, wyników tych można użyć również do rozwiązania wielu innych zagadnień.

Zasada działania komputera molekularnego jest następująca. Przygotowuje się pewną liczbę pojedynczych odcinków DNA. Każdy odcinek ma długość dwudziestu zasad (zwykła, podwójna skręcona nić DNA jest podobna do drabiny, z każdym szczeblem ze złączonych ze sobą dwóch cząsteczek, zwanych zasadami). Każdy punkt reprezentowany jest przez jedną dwudziesto zasadową cząsteczkę, a każda możliwa droga między punktami przez inną cząsteczkę, w której dziesięć zasad ma doczepić się do połówki jednego wierzchołka, a pozostałe dziesięć do połówki innego wierzchołka. Do zbiornika wrzuca się miliardy tych cząsteczek i pozwala na łączenie się każda z każdą. Cząsteczka „drogi” będzie przyczepiać się do dwóch wierzchołków, pozostawiając połowie każdej cząsteczki wierzchołkowej możliwość przyczepiania się do innej cząsteczki „drogi”. Gdy już droga połączy się z określoną połówką wierzchołka, żadna inna cząsteczka nie może związać się z tym punktem, co gwarantuje, że każdy wierzchołek ma tylko dwie ścieżki do niego prowadzące. Po zakończeniu reakcji chemicy poszukują cząsteczki, w której wierzchołki „do” i „z” są swobodne, a wszystkie inne pojawiają się tylko raz. Cząsteczka ta stanowi rozwiązanie problemu.

„Komputer” DNA działa na zasadzie łączenia się cząsteczek na wszystkie możliwe sposoby, przy czym większość z nich nie jest rozwiązaniem problemu. Na końcu wybierane są jedynie takie kombinacje (jeśli istnieją), które spełniają zadane warunki. Cząsteczki dokonują w pewnym sensie olbrzymiej ilości obliczeń równoległych i wynik ich obliczeń mieści się w sposobie, w jaki cząsteczki, którym się powiodło, są ze sobą połączone.

Komputery kwantowe

Podstawowa zasada działania komputera kwantowego opiera się na jednej z niezwykłych właściwości mechaniki kwantowej – fakcie, że cząstka może istnieć w tym samym czasie w wielu różnych stanach i jedynie dokonanie na niej pomiaru „wymusza” jej przejście do jednego, określonego stanu. Wyobraźmy sobie każdą cząstkę jako podobną do fali na wodzie, gdzie wysokość fali w danym punkcie jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa, że cząstka ta istotnie znajdzie się w tym punkcie – jeśli fala osiąga w pewnym punkcie maksimum, oznacza to, że istnieje duża szansa, iż będzie tam można cząstkę znaleźć.

Komputer kwantowy byłby skonstruowany w ten sposób, że przez układ przechodziłyby wszystkie możliwe fale, lecz jedynie fale reprezentujące prawidłową odpowiedź będą się na końcu wzmacniać, a te, które reprezentują odpowiedzi nieprawidłowe, będą się wzajemnie wygaszać. Komputerem takim mógłby być specjalnie zaprojektowany kryształ, w którym odpowiednikami fal byłyby różne drgania przechodzące z jednego atomu do drugiego. „Zadanie” mogłoby być dostarczane do komputera przez promienie laserowe wywołujące wibracje na jednej powierzchni kryształu, a odpowiedź byłaby odczytywana przez monitorowanie drgań na innej powierzchni.

Ten teoretyczny projekt został poddany wszechstronnej krytyce. Wydaje się, że główny problem praktyczny stanowi to, że fale kwantowe mogą być zniekształcone przez wady kryształu, tak jak skała wystająca nad powierzchnię może zaburzać fale na wodzie. Tak więc nawet mikroskopijny defekt mógłby zepsuć taki kwantowy komputer. W 1996 roku naukowcy zdołali uruchomić jeden fragment komputera kwantowego – tak zwaną bramkę logiczną. Sądzę, że musimy po prostu jeszcze trochę na niego poczekać.