Текст книги "Юный техник, 2007 № 06"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Ловушки для невидимок

Недавно мировую печать обошло сенсационное заявление канадских ученых: создан квантовый компьютер мощностью 16 кубит. Кроме того, канадцы обещали к концу 2007 года предъявить миру компьютер мощностью 32 кубита, а в следующем – 100 кубит. Что же такое квантовый компьютер? Каковы его возможности? Почему его мощность измеряется в загадочных кубитах?

Задачи не «по зубам»

В 1958 году известный американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заинтересовался проблемой – можно ли моделировать квантовые системы на обычном компьютере? Выяснилось, что нельзя.

Дело в том, что уже при решении задачи, в которой элементарные частицы имеют, например, 1000 электронных спинов [1]1
  Спин(от английского spin– вращаться) – особая характеристика, например, электрона или атомного ядра, характеризующая собственный момент количества движения данной частицы. При этом физики-теоретики оговариваются, что спин имеет квантовую природу и не связан с перемещением всей частицы (скажем, ее вращением).


[Закрыть], в компьютерной памяти должно быть достаточно ячеек, чтобы хранить 2 ¹⁰⁰⁰переменных. А гигабайт – это всего лишь 2 ³⁰.

Так что с задачей, в принципе, не могли справиться не только тогдашние маломощные электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Даже современные компьютеры квантовые задачи решают с весьма грубыми приближениями.

Так выглядит прототип процессора квантового компьютера Orion, созданный канадцами.

Говорят, что квантовый компьютер – это своего рода реактивный двигатель вычислительной техники.

Сегодня уже ясно: количество задач, которые «не по зубам» самым мощным суперкомпьютерам, достаточно велико. Например, если заставить ЭВМ разлагать на простые множители тысячезначное число, то и машине, способной выполнять 10 ¹²операций в секунду, понадобятся многие миллиарды лет! Не случайно такой класс задач ученые называют «нетрактуемыми», то есть нерешаемыми.

Этим, кстати, пользуются криптографы, создавшие метод шифрования и секретные коды, основанные как раз на разложении больших чисел на простые множители. Так что специалистам нужны не просто сверх, а сверх-сверх-сверхмощные компьютеры.

Слесарю – слесарево

В общем, когда стало понятно, что с помощью обычной ЭВМ квантовые проблемы не осилить, Фейнман задумался: может, попробовать создать компьютер, работающий по квантовым законам? Дескать, надо действовать по принципу «пусть пироги печет пирожник». Подобную мысль несколько позднее высказал и российский математик Юрий Манин.

В 1994 году американскому теоретику Питеру Шору удалось описать алгоритм работы гипотетического квантового компьютера, который мог бы решить задачу разложения больших чисел на простые множители, проделав при этом «всего» 1000 ³, то есть миллиард операций. А Сет Лойд из Массачусетского технологического института придумал и возможную схему такого устройства.

Впрочем, не только Шор и Лойд, но и специалисты из других стран взялись за теоретические описания и создание подобных вычислительных систем. Сейчас предложены десятки разных вариантов; упомянем некоторые из них.

ЯМР-компьютер

Первый квантовый компьютер ученые создали, сами того не подозревая, указывает в одной из своих работ академик К.А. Валиев. Его «опытным образцом» стал импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр, о котором «ЮТ» не раз писал.

Дело в том, что в этом устройстве уже используются Q-биты (кубиты) – единицы измерения квантовой информации. Они представляют собой спины ядер, входящих в состав атомов, которые, в свою очередь, образуют исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу. Каждое ядро имеет свою частоту резонанса в магнитном поле, поясняет К.А. Валиев.

При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает отзываться, словно рояльная струна, остальные же ядра «молчат». Для того, чтобы заставить отозваться второй атом, нужно дать импульс на другой частоте.

Иными словами, процессом вычислений можно управлять импульсами переменного магнитного поля. При этом в молекуле есть прямая связь между спинами, и потому она является идеальной заготовкой для квантового компьютера, а сам спектрометр – почти готовый процессор. Однако в настоящее время удается работать с системами, в которых не более 5–7 спинов, а их нужно не менее 100.

Общий вид квантового компьютера Orion.

Укрощение ионов

Другой подход основан на использовании электромагнитных ловушек, в которых содержатся «подвешенные» в вакууме ионы. Первые ионные ловушки создали еще полвека назад, когда понадобился эталон времени для атомных часов; в таких часах колеблющиеся ионы играют роль маятников. Но для квантового компьютера одного иона недостаточно. Нужна, как минимум, сотня. Создание таких «многоместных» ловушек – задача непростая, но специалисты ее успешно решают.

Больше других преуспели в этом направлении ученые Инсбрукского университета в Австрии и сотрудники Лос-Аламосской лаборатории в США.

Принципиальная схема «ловушек» для кубитов.

Для квантового компьютера, напомним еще раз, нужна хотя бы сотня частиц. А в вытянутой цепочке, как показала практика, пока можно удержать максимум 30 ионов. При большем количестве одномерный кристалл теряет устойчивость – образуется «зигзаг», неустойчивая структура. Решить эту проблему ученые планируют, объединив несколько ловушек – скажем, по 10 частиц в каждой – в одну систему.

В дело – твердое тело

Третий подход – создать квантовый компьютер на твердом теле. Исследователи Физико-технологического института РАН (ФТИАНа) под руководством академика К.А. Валиева намерены создать квантовый компьютер на основе кремниевых микрочипов, подобных тем, которые использует традиционная микроэлектроника.

Через каждые 100 ангстрем в кристалл кремния внедряют атомы фосфора; этой операцией технологи прекрасно владеют уже сегодня. На таком расстоянии облака внешних электронов атомов фосфора пересекаются, и один атом может управлять электронами другого.

Над этими атомами располагают 50-ангстремные микроэлектроды. Изменяя напряжение на электроде, можно менять и резонансную частоту спина ядра атома фосфора. Получается структура, очень похожая на современный полевой транзистор: как бы те же затворы, только вместо тока – состояния атома. Причем наши физики предлагают работать не с одним, а сразу с серией атомов, действующих параллельно. Тогда на выходе сформируется сравнительно мощный сигнал, который легче регистрировать.

Обозримые горизонты

Пока же суд да дело, канадская фирма D-Wave Systems, объявившая о создании квантового компьютера Orion мощностью в 16 кубит, использовала в своем устройстве кольца из сверхпроводника с одним или двумя разрывами толщиной в нанометры. Эти разрывы заполняются диэлектриком. «В каждом кольце реализуется необычное квантовое состояние, когда токи текут одновременно и по, и против часовой стрелки», – сообщают создатели «Ориона».

Охлаждаемый до температуры кипения жидкого гелия (-273,145 °C) процессор выполнен из ниобия (металла-сверхпроводника) с использованием традиционной микроэлектронной технологии.

«Наш квантовый компьютер не будет узкоспециализированным вычислителем, ориентированным, к примеру, исключительно на криптографию, – подчеркнул Херб Мартин, заместитель главного исполнительного директора компании. – Это устройство широкого профиля пригодится в различных областях – от чистой математики до генной инженерии и создания лекарств»…

Впрочем, по мнению многих специалистов, 16 кубит – очень мало; вычислительные способности такого компьютера на уровне простого калькулятора. А вот 100 кубит уже достаточно, чтобы квантовый компьютер стал мощнее любой суперЭВМ.

Однако в ближайшем будущем квантовые компьютеры все же вряд ли вытеснят обычные. Работы хватит и тем и другим. «Мое видение будущего таково: в обычном компьютере появится специальный квантовый процессор, который будет использоваться для решения сверхсложных задач, – сказал академик Валиев. – А для всех остальных случаев достаточно традиционной электроники»…

Публикацию подготовил А. ПЕТРОВ

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА
Художники Возрождения пользовались оптикой

Художники эпохи Возрождения, в том числе и представители знаменитой фламандской школы живописи! при создании своих шедевров использовали последние достижения оптиков своего времени, пишет журнал «Нейчур». И приводит такие подробности.

Американские специалисты – дизайнер, художник и фотограф Дэвид Хокни, а также профессор физики Чарлз Фалко из университета штата Аризона в г. Тусоне – выдвинули гипотезу, согласно которой на рубеже XIV–XV столетий в живописи произошла своеобразная революция – на смену примитивному изображению окружающего мира появились картины, в которых присутствовала правильная геометрическая перспектива, почти идеальные пропорции, игра света и тени…

«Этим и многим другим достижениям живописцы того времени, в том числе и знаменитый Ян ван Эйк, обязаны использованию вогнутого зеркала и оптических линз, – полагает Чарлз Фалко. – С помощью нехитрых оптических систем художники получали отображение реального мира на холсте, которое затем обводили углем и раскрашивали в соответствии с натурой»…

Такое заявление вызвало бурю протеста в мире искусствоведов. Многие из них никак не могут согласиться, что столь любимые ими гении Возрождения вдруг превращаются в своего рода копиистов.

А вот физики отнеслись к подобному открытию довольно спокойно. Во-первых, потому, что профессор Фалко подтвердил свои выводы многочисленными наглядными примерами и математическими выкладками. Во-вторых, подобное предположение – уже не первое. Несколько лет назад уже выдвигалась гипотеза, что знаменитый Леонардо да Винчи при создании своих композиций прибегал к помощи своеобразной камеры-обскуры.

Более того, согласно одному из предположений знаменитая Туринская плащаница, на которой отпечатались лик и фигура Иисуса, на самом деле представляет собой одну из первых… фотографий, сделанных Леонардо.

Тем не менее, споры по этому поводу идут настолько яростные, что Дэвид Хокни и Чарлз Фалко были вынуждены смягчить свою позицию, сказав, что нельзя понимать все так буквально. Дескать, художники Возрождения не копировали целиком натуру с помощью оптических систем, а лишь частично, чтобы облегчить себе вырисовывание наиболее ответственных деталей. А все остальное изображали с натуры и по памяти, как это делают и современные живописцы.

«Впрочем, мы не видим ничего плохого в том, что технические достижения помогли прогрессу живописного искусства, – говорит профессор Фалко. – Ведь и сейчас художники зачастую используют фотографии изображаемых ими людей в качестве пособия в своей работе. Это ничуть не умаляет их мастерства».

СЕКРЕТЫ НАШИХ УДОБСТВ
Новинки TV

Мы настолько привыкли к телевидению, что порой не замечаем, как меняется со временем этот вид коммуникаций. Между тем, только за последнее время по данным информационного агентства CNET было обнародовано сразу несколько впечатляющих улучшений в этой области. И это повод поговорить о том, каким может стать телевизор в ближайшем будущем.

В трех измерениях

Международный производитель программного обеспечения ODD Group и компания Syntax-Brillianпродемонстрировали на выставке телевизионного и компьютерного оборудования в Лас-Вегасе 32-дюймовый LCD-телевизор Olevia 532Н LCD HDTV, способный демонстрировать трехмерное изображение. Эффект объема создается за счет того, что экран этого телевизора покрыт специальным оптическим слоем Xpol, содержащим симметрично расположенные микрополяризаторы разработки японской компании Arisawa. Такое покрытие, тонкости технологии которого не раскрываются, позволяет просматривать как двухмерное, так и трехмерное стереоскопическое изображение без специальных очков.

Телевизор с трехмерным изображением. К сожалению, обычное фото не передает эффект стереоскопии.

Подобную разработку обнародовали недавно компания Philips(мониторы серии Comfort) и корейская фирма LG, создавшая 42-дюймовый трехмерный ЖК-экран Flatron M4200D. Однако для получения стереоскопического изображения на данных моделях воспроизводимое изображение нужно предварительно конвертировать в специальный формат.

Другой способ создания объемного изображения предлагают японские специалисты. Ими создан стереомонитор, придающий изображению не иллюзорный, а настоящий объем. Поверхность экрана становится рельефной и повторяет форму изображаемых объектов, которые можно потрогать руками.

Дело в том, что экран размером 100x60 см покрыт эластичным материалом, под которым, как пружины в матрасе, размещены 72 вакуумных цилиндра. При передаче изображения их высота начинает меняться, создавая снаружи эффект движущегося рельефа.

Технологию изобрел известный художник компьютерной графики, 54-летний профессор Токийского университета Иоитиро Кавагути. Он говорит, что «в компьютерных играх, телевидении и кино теперь можно добиваться такой выразительности, которой прежде никогда не было».

Первый лазерный

Недавно была также продемонстрирована и самая интересная за всю историю существования телевидения разработка – лазерный телевизор высокой четкости фирмы Mitsubishi.

Первые образцы, показанные в октябре 2006 года в Сиднее, внешне выглядят как обычные плоские панели. Однако в основе LaserTV лежит принципиально новая оптическая технология со специальным чипом, способным трансформировать инфракрасный лазерный луч в красный, зеленый и синий цвета, которые и будут формировать картинку на экране.

Создатели модели обещают, что в серийном производстве лазерные панели будут вдвое дешевле плазменных и жидкокристаллических, а их изображение намного лучше по качеству (лазерные телевизоры способны отображать до 90 процентов цветовой палитры, которую может видеть человеческий глаз). Кроме того, лазерные телевизоры втрое экономичнее электронно-лучевых. В продаже первые партии лазерных панелей под марками Mitsubishiи Samsungпоявятся к началу 2008 года.

Лазерный телевизор дает исключительно четкое изображение больших размеров.

Миниатюрные «чудеса»

Еще одна интересная новинка – карманный видеоплеер американской компания SanDisk. Ею представлены три новые модели – карманный видеоплеер Sansa View, персональный МРЗ-плеер Sansa Connectс адаптером Wi-Fi и гигабайтный миниатюрный плеер Sansa Expressс картой microSD.

Sansa View– это первый видеоплеер от SanDisk, способный воспроизводить видео в различных форматах. Он имеет широкоформатный ЖК-дисплей с диагональю 4 дюйма и стереодинамики, а также 8 Гб встроенной флэш-памяти.

Еще плеер снабжен разъемом, с помощью которого можно подключаться к телевизору, чтобы использовать его большой экран. Питается Sansa Viewот литиево-полимерного аккумулятора, обеспечивающего до 4 часов воспроизведения видео и 10 часов музыки. Габариты новинки – 123x78,5x16,9 мм.

Видеоплеер фирмы SanDisk.

Появление Sansa Viewв продаже в магазинах США намечено на первый квартал 2007 года. Стоимость видеоплеера составит примерно 300 долларов. Еще более удивительное изобретение продемонстрировали недавно японские инженеры. В Стране восходящего солнца созданы солнцезащитные очки с эффектом 45-дюймового телевизора.

Когда человек их надевает, у него складывается впечатление, будто он смотрит широкоэкранный телевизор с расстояния 2 метров. На самом деле изображение передается на 5-слойные линзы, вмонтированные в стекла.

Вся конструкция, которая называется «Телегласс Т4», весит 40 граммов.

Само по себе изображение занимает лишь середину каждого стекла. Остальное пространство остается прозрачным, что позволяет человеку в таких очках контролировать и все происходящее вокруг. Очки совместимы с компьютерами и переносными видеоприборами. Для удобства пользователя имеются еще и наушники. Стоят такие очки около 100 тысяч иен, или 900 долларов США.

Очки « Телегласс Т4».

Цифры ТВ в России

К сказанному выше остается добавить, что и наши телевизионщики не стоят на месте. Уже неоднократно сообщалось о том, что в России начнется массовое телевещание в цифровом формате. Сдерживает его во многом тот факт, что очень многие семьи в нашей стране имеют аналоговые телеприемники и покупать новые, более дорогие, цифровые телевизоры пока не имеют возможности.

В конце концов, недавно Минкультуры и Мининформсвязи России пришли к согласию о том, что приставки к телевизорам для приема цифрового сигнала должны выдаваться населению бесплатно. Об этом сообщил заместитель руководителя управления телерадиовещания Роспечати Виталий Стыцко, выступая на пресс-конференции, посвященной переходу телевидения в России на цифровой формат. По его словам, приставками, стоимостью от 50 до 100 долларов, предстоит обеспечить около 50 млн. семей.

Публикацию подготовили С. НИКОЛАЕВи В. ЧЕРНОВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ОДНА РУКА НЕ ЗНАЕТ, ЧТО РИСУЕТ ДРУГАЯ. Педагог из Варенского района Литвы Лина Чанене обладает уникальной способностью: она может рисовать одновременно – и независимо – сразу двумя руками. Свое искусство 38-летняя учительница рисования демонстрирует со школьных лет. В детстве, на уроках чистописания, она пробовала писать тексты одновременно двумя руками и – получалось. Когда начала учиться на художника, освоила и рисование таким необычным способом. Теперь Лина берет порой две кисти и рисует сразу два одинаковых портрета.

Секрет весь заключается в том, что Лина с четырех лет брала ложку левой рукой. Родители взялись переучивать девочку. В результате правая рука по ловкости догнала левую, но и та «не забыла» о своих способностях…

ВУЛКАНИЧЕСКАЯ СИМФОНИЯ. Итальянские вулканологи из университета сицилийского города Катанья разработали оригинальную методику, позволяющую прогнозировать извержение вулканов. В течение трех лет они записывали сейсмограммы вулкана Этна, преобразуя не слышимые ухом низкочастотные сейсмические колебания в звук привычного нам диапазона.

Полученные в итоге аудиозаписи анализировали, используя программы, подобные тем, что служат для поиска схожих музыкальных произведений и борьбы с плагиатом. Сейчас сицилийцы записывают «дыхание» вулкана Тунгурауа, «проснувшегося» в Эквадоре. Сопоставляя его «музыку» с «мелодией» Этны накануне извержения, по мнению ученых, можно предсказывать его дальнейшее поведение.

САМЫЙ ВЫСОКИЙ ДОМ. Жилая башня «Эврика» высотой в 300 м признана сегодня самым высоким жилым зданием в мире. Строителям австралийского города Мельбурн потребовалось 4 года и 2 месяца, чтобы материализовать в бетоне и стекле 92 этажа, 3680 лестниц и 560 квартир с зимними садами. Общий вес конструкций 200 тыс. тонн. Благодаря современным технологиям «Эврика» оснащена самыми скоростными в Южном полушарии лифтами, с помощью которых подъем на верхний этаж займет всего 40 секунд.

У КУРИЦЫ ВЫРОСЛИ… ЗУБЫ. Этот научный курьез группы исследователей из Лионского института (Франция), как считают эксперты, способен открыть «революционный путь в стоматологии», поскольку теперь появляется принципиальная возможность выращивать новые зубы, утраченные людьми.

Как отметили исследователи, такое «чудо» удалось им по той простой причине, что некогда, несколько миллионов лет назад, у птиц были зубы. Это хорошо видно на куриных эмбрионах. Однако в ходе эволюции некоторые гены, причастные к образованию зубов, исчезли за ненадобностью.

Как показал эксперимент, если подключить эти гены снова, принеся их извне, то можно вновь запустить генетическую программу. В результате этого у кур и появились зубки.

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Как круп коня преградил путь техническому прогрессу

Опытные конструкторы свидетельствуют: чтобы новую машину можно было быстро внедрить в серийное производство, в ней должно быть примерно две трети традиционных узлов и механизмов. Спора нет, традиции во многом помогают человеческому обществу. Однако они же порой ему и сильно мешают. Вот лишь один пример тому…

Говорят, когда одного из конструкторов американского «шаттла» спросили, почему он и его коллеги не могут еще увеличить мощность стартовых ускорителей космического корабля, тот с усмешкой ответил: «Нам мешает узость лошадиного крупа»…

Шутки шутками, но диаметр стартовых ускорителей оказался в прямой зависимости от размеров лошади. Получилось же так вот каким образом.

Как известно, когда-то лошади были основной тягловой силой на сухопутном транспорте. Обычно в повозку запрягали пару лошадей; одной было маловато. Таким образом, ширина пары лошадей, поставленных рядом, определила и длину оси, на которую крепились колеса повозки. Еще древние римляне установили, что если делать длину оси больше или меньше, то колесница получается менее устойчивой. Размеры же повозок, в свою очередь, определили ширину дорог. Обычно их делали такими, чтобы две повозки могли разминуться.

Со временем наряду с дорогами обычными появились и железные. В городах по рельсам стали курсировать конки – предки современных трамваев, приводимые в движение опять-таки лошадьми. Понятное дело, расстояние между рельсами было определено на основании традиционной ширины колесной пары.

В большинстве стран Европы она к тому времени стандартизировалась и была принята равной 4 футам и 8,5 дюйма, или 1435 мм. Потом такая же колея была принята в США. И вообще сейчас такую ширину имеют около 85 % железных дорог в мире. А потому, когда строили железную дорогу на космодроме имени Кеннеди, никому и в голову не пришло делать ее иного размера – ведь первые ракеты были сравнительно невелики. Вот так и получилось, что именно лошадиные крупы мешают ныне наращивать диаметр, а значит, и мощь ракетных ускорителей.

И лишь в одной стране мира, а именно в России, когда было принято решение о строительстве железной дороги Москва – Санкт-Петербург, инженер В.Мельников предложил округлить ширину колеи до 5 футов. Таким образом, в нашей стране и оказался принят иной стандарт – 1524 мм.

Однако, как полагают современные транспортники, и этого мало. По их расчетам, удобнее была бы колея в 2–3 раза шире. Тогда бы по железным дорогам можно было перевозить больше грузов, а сами они могли быть много габаритнее нынешних. И по рельсам бы двигались не современные спальные вагоны, а целые передвижные отели со всеми удобствами, включая ванные и спортзалы. Но ни у кого из современных строителей пока не хватает ресурсов, чтобы начать проектирование и строительство железных дорог по новым стандартам.

С. СЛАВИН

Кстати…

ФАКТЫ ИЗ ИСТОРИИ

Первая железная дорога, на которой осуществлялось регулярное движение, была открыта 30 октября 1837 года и соединяла летнюю и зимнюю ставки императора – в Царском Селе и Петербурге. Нельзя сказать, чтобы весть об этом была принята всеми с одинаковым восторгом. «Куры перестанут нестись, коровы – давать молоко, сами пассажиры могут сойти с ума от сумасшедшей скорости», – писали по этому поводу некоторые газеты. И все же через год первая линия была продлена до Павловска. С этого момента и начинается развитие сети железных дорог в России.

В конце XIX века в нашей стране было завершено строительство Транссиба – стратегической магистрали, соединившей Москву с дальневосточным портом Находка. Длина этой магистрали – 9000 км. Эх, если бы еще и ширина ее была соответствующей!..