Ресурсы ограничены – таков жестокий закон. Времени всегда меньше, чем хочется, несмотря на все усилия биологов, штурмующих проблему долголетия.
Деньги тоже приходится считать, а вместе с ними и всё, что можно купить
за деньги. Бывают и другие ограничения на ресурсы – например, прекрасно
работавший зонд "Кассини" пришлось сжечь в атмосфере Сатурна только потому, что у него закончилось ракетное топливо.
Достичь цели, потратив как можно меньше –
вот задача, которую постоянно приходится решать инженерам, экономистам,
да и просто любому человеку, планирующему своё время и бюджет. В
математике это называется задачей оптимизации. Её формулируют так: есть
функция, зависящая от многих переменных, и требуется найти её минимум
при заданных ограничениях.
Решать такие задачи зачастую очень
трудно. Полный перебор всех вариантов невозможен – их немыслимо много.
Например, двадцать точек в городе можно объехать в разном порядке.
Сколько вариантов всего? Оказывается, что их 20! (читается как "двадцать
факториал"), т.е. 1 x 2 x 3 … x 20. Это число примерно в десять раз
больше количества секунд, прошедших с момента Большого Взрыва.
Математики придумали тонкие методы,
позволяющие отсекать заведомо неоптимальные варианты и находить
перспективные. Но всё равно расчёты часто оказываются слишком
громоздкими даже для мощных современных компьютеров. Особенно это
характерно для задач, в которых требуется оптимизация сразу по многим
параметрам.
Традиционный путь решения – придумывать
более мощные компьютеры и более совершенные алгоритмы расчётов.
Принципиально иной подход предложила международная команда учёных во
главе с Наталией Берловой из Сколтеха. В своём исследовании, опубликованном 25 сентября в журнале Nature Materials, физики заставили саму природу решать задачу оптимизации.
Вселенная – лучший вычислитель. Чтобы
отыскать самую низкую точку поверхности, вместо громоздких вычислений
достаточно опрокинуть над ней стакан воды.
Примерно это и удалось сделать
российским и британским физикам. Конечно, всё гораздо сложнее, чем в
приведённом примере. Точку на поверхности задают всего две координаты, а
реальные задачи оптимизации требуют учёта сразу многих параметров. Так
что водой и изогнутым листом здесь не обойдешься. Но учёные сумели
реализовать многомерную "поверхность" с помощью силовых полей и
заставить находить её "нижнюю точку" состояния поляритонов.
Поляритон – это квазичастица. Что это
такое? Проще всего объяснить это на примере так называемых дырок, хорошо
знакомых всем, кто разбирается в полупроводниковой электронике.
Допустим, на полупроводник подали
напряжение. Электрон радостно снялся со своего места в веществе и
устремился к положительному полюсу. А на его месте образовалась дырка –
место, где кристаллической решётке не хватает электрона для равновесия
зарядов. Привлечённый притяжением окрестных протонов, туда встанет
другой электрон, но тогда дырка образуется уже на его месте, и так
далее.
Физикам гораздо удобнее не рассчитывать
прыжки бесчисленных электронов с места на место, а рассмотреть движение
одной частицы с положительным зарядом – той самой дырки. При том же
самом результате упрощение расчётов получается колоссальное.
Дырка, конечно, не является "настоящей"
частицей. Она не образуется в ядерных реакциях, её невозможно получить,
столкнув протоны на Большом адронном коллайдере. Дырка не существует в
вакууме, её нельзя разогнать в трубе ускорителя, напрасно будет искать
её и в космических лучах.
Это просто математическая модель, которая упрощает описание переноса
зарядов в полупроводнике. Поэтому и называется она не частицей, а
квазичастицей.
То же самое относится и к поляритону –
квазичастице, введенной для описания взаимодействия света с веществом. В
квантовой физике квазичастиц вообще целый зоопарк: для колебаний
кристаллической решётки – фонон, для магнитных явлений – магнон, и так
далее.
Физики заставляют их по-разному двигаться и располагаться в веществе и выполнять разные функции, например, обеспечивать сверхпроводимость.
То, что эти частицы "не настоящие", никого не смущает. Да, это модель,
но задача физики и состоит в том, чтобы строить модели, которые
согласуются с данными прежних экспериментов и правильно предсказывают
результаты новых, ещё не поставленных. На основе этих моделей учёные и
инженеры создают новые технологии, которые радуют нас мобильной связью, спасающей от инсульта МРТ и такими привычными, а в недалёком будущем и новыми квантовыми компьютерами.
Учёные облучали лазером атомы таких
элементов, как галлий, мышьяк, индий и алюминий. Взаимодействие света и
вещества порождало поляритоны, которыми управляли исследователи.
Способность нового устройства к решению задач они испробовали на
XY-модели (classical XY model).
Это фундаментальный инструмент статистической механики, науки о
поведении систем из очень большого числа частиц. Задача оптимизации этой
модели очень сложна. Но учёным удалось "зашифровать" условие этой
задачи в окружающих частицы полях. И поляритоны послушно пришли в
состояние, соответствующее минимуму нужной функции.
Технология только что создана, и её
потенциал для решения сложных задач ещё предстоит изучить. В ближайших
планах исследователей – увеличить вычислительную мощность устройства и
сымитировать микрочип, работающий на этих совершенно новых принципах.
Напомним, что это не единственная работа, открывающая путь к принципиально новым вычислениям. Ранее мы писали о фотонных микросхемах и о квантовом компьютере размером с футбольное поле.
Человечество за полвека привыкло к лавинообразному росту вычислительных
мощностей и отказываться от него не собирается. В условиях, когда
потенциал традиционных компьютеров близок к исчерпанию, это требует новых прорывов и открытий.
