Нобелевские премии Некоторые факты из истории науки, техники и премий первооткрывателям и изобретателям Часть 1. Пути развития науки Часть 2. История Нобелевских. - презентация

1 Нобелевские премии Некоторые факты из истории науки, техники и премий первооткрывателям и изобретателям Часть 1. Пути развития науки Часть 2. История Нобелевских премий Часть 3. Нобелевские лауреаты Часть 4. Нобелевские женщины Часть 5. Итоги Данное произведение создано с просветительской целью и носит некоммерческий характер. Часть материалов, включая иллюстрации и фотографии, взяты из открытых Интернет-ресурсов. Все права на фотографии и иллюстрации принадлежат их авторам (правообладателям).Авторство цитированных материалов приведено, если оно было указано в источнике информации.

2 Нобелевские премии Часть 1. Пути развития науки Челябинск, 2013 © Составитель Л.А. Кожевникова

3 Первые изобретатели Ктесибий Александрийский (285 – 222 годы до н.э.) был первым ученым, открывшим свойства ветра и силу пневматики. Именно эти открытия легли в основу его многочисленных изобретений. Архимед ( гг. до н.э) Математик и механик. Заложил основы гидростатики

4 Первые изобретатели Ктесибий, Ktesibios, из Александрии, первая половина III в. до н. э., греческий писатель и механик. Сконструировал множество машин и приспособлений, работавших по принципу сжатого воздуха, таких как орудие для метания ядер, так называемый аэротон, осадные машины, водяной орган, водяные часы, водяной автомат для храмов и т. д. Замыслы Ктесибия позднее использовали Филон Византийский и Герон Александрийский. В сочинении Записки (Hypomnemata), от которого сохранились только выдержки у Витрувия, Ктесибий изложил основы пневматики, ссылаясь на учение Стратона из Лампсака.

5 Атмосферный насос Ктесибия Устройство насоса Римский насос конструкции Ктесибия

6 Насос Ктесибия Насос конструкции Ктесибия на пожаре Схема поршневого насоса

7 Насос Ктесибия Первый в мире клавишный инструмент - орган, приводимый в действие с помощью сжатого воздуха (увеличенный и механизированный вариант свирели состоявшей из нескольких расположенных в ряд тростниковых трубок). Как и многие другие изобретения, был усовершенствован 200 лет спустя Героном

8 Архимед Архимед (287 до н.э. 212 до н.э.) древнегреческий математик, физик и инженер из Сиракуз. Сделал множество открытий в геометрии. Заложил основы механики, гидростатики, автор ряда важных изобретений. До нас дошло 13 трактатов Архимеда: «О шаре и цилиндре» - формулирует соотношение объемов шара и описанного около него цилиндра как 2:3, сформулирована аксиома Архимеда (называемая иногда аксиомой Евдокса). «О коноидах и сфероидах» - рассматривает шар, эллипсоид, параболоид и гиперболоид вращения и их сегменты и определяет их объемы «О спиралях» - описывает свойства кривой, получившей его имя (Архимедова спираль) «Измерение круга» - предлагает метод определения числа π.

9 Архимед «Псаммит» («Исчисление песчинок») - предлагает систему счисления, позволявшую записывать сверхбольшие числа «Квадратура параболы» - определяет площадь сегмента параболы сначала с помощью "механического" метода, а затем доказывает результаты геометрическим путем. «Книга лемм». «Стомахион». «Правильный семиугольник». «Метод» (или «Эфод») - описывает процесс открытия в математике, проводя четкое различие между своими механическими приемами и математическим доказательством «Книга опор», по-видимому, является единственной в античной технике работой, посвященной строительным расчетам. Дошедшие до нас тексты этого рода относятся либо к определению пропорций между частями сооружений, либо к вычислению объемов и стоимости нужных материалов

10 Изобретения Архимеда Винт Лебедка Полиспаст Архимедов винт - механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы. Архимедов винт стал прообразом шнека. Лебёдка механизм, тяговое усилие которого передается посредством каната, цепи, троса или иного гибкого элемента от приводного барабана. Полиспаст - таль, грузоподъёмное устройство, состоящее из собранных в подвижную и неподвижную обоймы блоков, последовательно огибаемых канатом или цепью, и предназначенное для выигрыша в силе (силовой полиспаст) или в скорости (скоростной полиспаст ).

11 Изобретения Архимеда Архимед дал математический вывод законов рычага. Рычаг – простейшее механическое устройство, представляющее собой твёрдое тело (перекладину), вращающееся вокруг точки опоры. Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече. Частными случаями рычага являются также два других простейших механизма: ворот и блок. Схема действия «Лап Архимеда». Так называемая «Лапа Архимеда» представляла собой уникальную подъемную машину прообраз современного крана. Это был огромный рычаг, выступающий за городскую стену и оснащённый противовесом

12 Изобретения Архимеда Устройство, описанное Витрувием под названием «амфирион». Механизм, о котором идет речь, состоял из барабана с обернутым вокруг него канатом. Другой канат обертывался вокруг вала, держащего барабан. При сматывании первого каната с барабана второй канат наматывается на вал; при этом натяжения первого и второго канатов будут относиться как радиусы барабана и вала. Таким путем можно получить выигрыш в силе в раз. Судя по книге Витрувия, это простое по конструкции и очень удобное устройство широко применялось в грузоподъемных машинах. Архимедов «гиперболоид» - сферическое зеркало, составленное из щитов с помощью которого поджигались вражеские корабли. Уничтожение римского корабля с помощью зеркала Архимеда

13 Первыми изобретателями были ученые. Их наблюдения, эксперименты, фундаментальные исследования приводили в конечном итоге к созданию новых технологий и орудий труда. Наука появилась, чтобы содействовать освоению среды, ее преобразованию в очеловеченные ценности, приспособленные к интересам и нуждам людей. Наука – сфера человеческой деятельности, функция которой – выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Наука включает как деятельность по получению нового знания, так и ее результат – сумму знаний, лежащей в основе картины мира. Уходят годы, быть может десятилетия и более, прежде чем завоеванные истины вернуться к нам изобретениями необходимых орудий, механизмов, машин

14 Направления научной деятельности 1. Универсальные гении. Леонардо да Винчи ( гг.) – великий художник, естествоиспытатель, инженер М. В. Ломоносов ( гг.) – естествоиспытатель, поэт, художник П. Л. Капица ( гг.) – один из последних универсальных ученых ХХ века, который подобно Леонардо да Винчи, был и естествоиспытателем, и изобретателем, и инженером, и художником.

15 Направления научной деятельности 2. Выдвигают идеи, которые впоследствии становятся основой для открытий. Ч. Бэббидж ( ) - идея создания вычислительной машины. Он полагал, что если найти способ производить сложные вычисления механическим путем, то точность этих вычислений будет гарантирована раз и навсегда 3. Создают теории, на основе которых развивается техника. Архимед ( до н.э.) – создал теорию пяти механизмов – рычаг, клин, блок, бесконечный винт и лебедка Одной из причин, позволивших Фарадею сделать свои открытия, явилось то, что он с самого начала отверг распространенную в его время концепцию, согласно которой электричество трактовалось как своего рода «жидкость». Вместо этого он разработал теорию «полей» с силовыми линями по их краям

16 Направления научной деятельности 4. Разрабатывают принципы и концепции. К.Э. Циолковский разработал принцип движения на воздушной подушке Братья Жозеф и Этьен Монгольфье заметили, что при сжигании бумаги на открытом пламени горячий воздух часто поднимает горелые фрагменты вверх. Их идея заключалась в использовании знания о том, что некоторые газы являются более легкими, чем воздух. 5. Предвидение. Зачастую ученые просто предвидят возможные пути, по которым будет развиваться наука. К.Э. Циолковский отстаивает идею разнообразия форм жизни во Вселенной. Ампер ( гг.) высказал мысль о том, что в будущем, вероятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления. Он предложил именовать ее «кибернетикой»

17 Направления научной деятельности 6. Создают приборы для научных исследований. Зачастую приходится проводить исследования в совершенно неизученных областях. Приборов для таких исследований просто не существует. Г. Р. Герц ( гг.) создал специальный прибор – генератор Герца для проверки правильности гипотез Максвелла, который предполагал, что помимо открытых инфракрасного, ультрафиолетового излучения и дневного света существует еще несколько типов излучения со сходными характеристиками 7. Создают приборы на основе научных исследований. Д. Фаренгейт ( ). Работая стеклодувом, заметил, что точки кипения различных жидкостей варьируются в зависимости от атмосферного давления. В 1709 году изготовил спиртовой термометр, отличавшийся намного большей точностью от всех созданных до этого.

18 Направления научной деятельности 8. Создают «реальные» изобретения. Т. Ньюкомен ( гг.) кузнец и мастер по изготовлению скобяных изделий. Разработал полностью готовый к практическому использованию паровой двигатель Майкл Фарадей ( гг.) В 1831 г. вращая медный диск между полюсами магнита, впервые получил постоянный электрический ток. Это открытие позволило Фарадею сконструировать электрический генератор, трансформатор и динамомашину 9. Борьба идей. В технике, чаще всего, человечество запоминает имена не тех, кто изобрел, а тех, кто сделал это изобретение удобным в использовании и запустил в массовое производство. В науке все происходит несколько иначе. Начинается борьба за приоритет в открытии или обосновании научных теорий и превращение результатов фундаментальных исследований в реальные технологии, т.е. в практику.

19 История создания парового двигателя Т. Ньюкомен – изобретатель парового двигателя Дж. Уатт создал паровую машину двойного действия. Создал регулятор, позволивший контролировать скорость работы машины. Создал механизм, соединяющий коромысло с поршнем жесткими звеньями Джеймс Уатт ( гг.)

20 История открытия ДНК Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли ДНК. Р. Франклин была специалистом в рентгеновской дифрактометрии, методе, позволявшем получить снимки атомов в кристаллах, которые в то время начали применять для изучении биологических молекул. Она начала анализировать ДНК с использованием этого метода. В результате этих исследований она пришла к двум важным выводам. Она поняла, что «остов» молекулы располагается снаружи. Этот существенный момент был поначалу упущен Уотсоном и Криком. К 1952 году Франклин получила четкие изображения молекул, доказывавшие их спиралевидную структуру. Впоследствии Уотсон и Крик установили, что молекула ДНК образует двойную спираль. Розалинд Франклин в результате утечки информации не смогла первой обнародовать открытие. Ее коллега Уилкинс имел доступ к снимкам, которые и показал Уотсону и Крику.

21 Приоритет научных открытий Закономерно возникает вопрос о приоритете научных открытий и форме, в которой он выражается. Впервые эта проблема обсуждалась в 1879 г. в Лондоне, затем в 1888 г. в Венеции, в 1896 г. в Берне, в 1898 г. в Турине на конгрессах Международного литературного и художественного союза… Участники конгрессов впервые заявили, что научное открытие – не разновидность авторского права, его следует рассматривать в качестве самостоятельного объекта права В мировой патентной практике известны случаи выдачи патентов на открытие эффектов – «Фирмой «Белл телефон» получены патенты на «Эффект транзистора» (США) и «Эффект диффузионный» (США, Англия). Фирме «IBM» выдан патент на «Эффект Ганна» (США). Фирма «Сони» получила патент на «Эффект туннельный» (Япония). В США физику Г. Сиборгу были выданы патенты на открытие явлений образования трансурановых элементов (америция и др.).

22 Приоритет научных открытий На дипломатической конференции 1978 г. в Женеве был заключен Договор о международной регистрации научных открытий. Договор подписали НРБ, ВНР, Марокко, ЧССР, СССР. Договор должен был вступить в силу при подписании его десятью государствами. До 1991 г. это не произошло. В СССР государственная регистрация открытий была введена Постановлением Совета Министров СССР от 14 марта 1947 г. С 26 июня 1957 года велся Государственный реестр открытий СССР Регистрация научных открытий в СССР была прекращена Постановлением 156 от 14 мая 1991 г., принятым Президиумом АН СССР. Издания, связанные с регистрацией открытий в СССР

23 Приоритет научных открытий Одной из основных причин введения регистрации открытий в СССР были вопросы, связанные с необъективностью присуждения Нобелевских премий. Не получили Нобелевскую премию Д.И. Менделеев, А.П. Попов, В.Н. Вернадский. Обладателями Нобелевских премий по физике, химии, физиологии и медицине за гг. стали 358 человек. В том числе 132 – в США, 60 – в Англии, 49 – в Германии, 32 – во Франции, 14 – в Швеции, 10 – в Швейцарии, 10 – в России, 9 – в Голландии, 8 – в Австрии и т.д. Причиной, послужившей основанием для отмены регистрации явилось понимание того, что понятие «открытие» не поддается определению по четким формализованным признакам, а значимость открытий часто устанавливается по прошествии многих десятилетий и может в значительной степени переоцениваться дальнейшим развитием научных знаний. Поэтому формальная регистрация открытий бессмысленна. Регистрация открытий в СССР осуществлялась только в области естествознания, не включая гуманитарные науки. Если регистрировать научные открытия, то нужно разработать научно-обоснованную классификацию наук, которая должна получить признание в обществе

24 Приоритет научных открытий С 1947 по 1991 гг. в СССР было зарегистрировано 403 научных открытия, опубликованы сведения о 392 научных открытиях. Коренные изменения в научных представлениях в какой-то мере связаны с определенным именем, местом и временем, но в целом они возникают в результате слияния многих исследований. Как правило, это не локальный феномен, а явление мировой науки, результат многих событий. Это – спонтанный, сложный процесс, а не решение определенных инстанций.

25 Пути развития науки Российский нейрофизиолог. Членкор. АН СССР 1970), академик АМН СССР (1975), академик АН СССР (1981). С 1990 г. научный руководитель Центра «Мозг» Академии наук СССР, а с 1992 г.– Института мозга человека РАН (СПб). Доктор медицинских наук «Кирпичиковая наука» - научные исследования, порой очень важные по результатам, по последствиям, где каждый последующий шаг четко базируется на предыдущем, где каждая мысль имеет исходящий адрес, и ничто не может появиться «ниоткуда». Есть другие ученые, которые получают решения «ниоткуда». В науке есть и те и другие. И те и другие имеют право на существование и развитие науки. «Кирпичковую» науку с разной степенью способностей и результатов – могут строить все, у кого есть желание работать в той ли другой области. Решения «ниоткуда» сравнительно редки, но часто определяют научные прорывы, хотя прорыв за счет накопления материала тоже возможен. (Магия мозга. – М.-СПб, 2008, с. 269) Наталья Петровна Бехтерева ( гг.)

26 Основы современных информационных технологий Создание основ современных информационных технологий наглядно иллюстрирует вненациональный коллективный характер научных исследований как результат слияния многих достижений в некий единый процесс Начало современной полупроводниковой эры началось с открытия транзисторного эффекта в 1947 г. (Дж. Бардин, В. Браттейн и У. Шокли) В 1954 г. Был осуществлен переход от германиевого транзистора к кремниевому («Тэксис Инструментс»).

27 История создания транзистора Транзистор – это компонент электроники, позволяющий управлять током в электрической цепи. Для простоты его можно сравнить с водопроводным вентилем, где с помощью сравнительно небольшого усилия мы можем управлять очень мощным потоком воды. Обычные полевые транзисторы работают так: подавая сравнительно небольшое напряжение на затвор из диоксида кремния, мы можем регулировать его сопротивление и таким образом включать и выключать цепь. На одной микросхеме – кремниевом кристалле площадью 1–2 кв. см. – умещается несколько миллиардов таких транзисторов Само слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор). Р.Н. Нойс ( гг.) Один из создателей транзистора и один из основателей фирмы Intel

28 История создания транзистора В 30-е гг. начал систематическое исследование полупроводников Полупроводники – материалы (кристаллы, поликристаллические и аморфные материалы, элементы или соединения) с существованием запрещенной зоны (между зоной проводимости валентной зоной). Электронными полупроводниками называют кристаллы и аморфные вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Они являются идеальными изоляторами В 1932 г. В.П. Жузе и И.В. Курчатов исследовали собственную и примесную проводимость полупроводников Абрам Федорович Иоффе ( гг.). Владимир Пантелеймонович Жузе ( гг.) Игорь Васильевич Курчатов ( гг.)

29 История создания транзистора В 1931 и 1936 гг. Я.И. Френкель опубликовал свои знаменитые работы, в которых он предсказал экситоны в полупроводниках, ввел само это название и разработал теорию экситонов В 1932 г. А.Ф. Иоффе и Я.И. Френкель создали теорию выпрямления тока на контакте металл-полупроводник, основанную на явлении туннелирования. Экситон – водородоподобная квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда или массы. И.Я. Френкель объяснял отсутствие фотопроводимости у диэлектриков при поглощении света тем, что поглощенная энергия расходуется не на создание носителей тока, а на образование экситона. В молекулярных кристаллах экситон представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отдельной молекулы, которое благодаря межмолекулярным взаимодействиям распространяется по кристаллу в виде волны (экситон Френкеля) Яков Ильич Френкель ( гг.)

30 История создания транзистора Уильям Брэдфорд Шокли ( гг.) В январе 1948 г. Шокли изобрёл плоскостной биполярный транзистор, а затем создал научную теорию, объяснявшую его работу. В 1956 году Шокли основал названную его именем лабораторию, которая стала одним из истоков Кремниевой долины. Евгений Федорович Гросс ( гг.) экспериментально открыл экситоны Борис Иосифович Давыдов ( гг.) в 1939 г. опубликовал первую диффузную теорию p-n гетероперехода, которая стала основой теории У. Шокли

31 История создания транзистора Джон Бардин ( гг.), единственный человек, получивший две нобелевские премии по физике: в 1956 г. за транзистор совместно с У.Б. Шокли и У. Браттейном и в 1972 г. за основополагающую теорию обычных сверхпроводников совместно с Л.Н. Купером и Дж.Р. Шриффером. Сейчас эта теория называется теорией Бардина-Купера-Шриффера, или просто БКШ-теория. У.Б. Шокли, Дж. Бардину, У.Х. Браттейну была присуждена Нобелевская премия по физике за 1956 г. «…за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Через десять лет транзисторы заменили электронные лампы. Уолтер Хаузер Браттейн ( гг.)

32 История создания транзистора Транзистор, полупроводниковый триод радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде. Первый в мире полупроводниковый транзистор на прижимном контакте, изобретенный в 1947 г. Браттейном, Шокли и Бардиным. Дж. Шокли продолжил их работы и в 1948 г. зарегистрировал патент на изобретение транзистора. Первый полевой транзистор (основа современных компьютеров) изобрел в 1960 г. Дж. Аталла (рисунок был также в одной из работ Шокли). Бардин, Шокли, Браттейн в лаборатории 1948 г.

33 История создания транзистора 1958 г. Дж. Килби предъявил простейшую интегральную схему, изготовленную на кристалле германия г. Р.Н. Нойс – обнаружил высокую адсорбирующую способность алюминия как к кремнию, так и к его окислу. Он предложил использовать в качестве межсоединений алюминиевые напыленные полоски. Р.Н. Нойс подал заявку на патент в июле 1959 г., позже заявки Дж. Килби, но патент им был получен раньше, в апреле 1961 г., а Дж.Килби - только в июне 1964 г. Именно планарная технология и алюминий в качестве материала для межсоединений используются в современных интегральных схемах. Р.Н. Нойс скончался в 1990 г. и лауреатом Нобелевской премии стать не успел.

34 Интегральные микросхемы Интегральная (микро) схема, чип, микрочип электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещенная в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. Бо́льшая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа. Дж.Килби награжден Нобелевской премией за вклад в изобретение интегральных схем. Первые микросхемы созданы в 1958 г. Микроэлектроника, выросшая на этом фундаменте, стала основой современных технологий, и теперь на микрочипах выпускается широчайший ассортимент электронных аппаратов - от часов до мощных компьютеров, способных командовать космическими зондами или решать задачи медицинской диагностики Джек Килби

35 История компьютеров Компьютеры первого поколения ENIAK (1946 г.) – радиоламп МАРК-1 (1944 г.) (слева внизу) 2-е поколение компьютеров ( гг.) Лампы заменены транзисторами БЭСМ (С.А. Лебедев )

36 История компьютеров Компьютеры 3-го поколения. Используются интегральные схемы и микросхемы Компьютеры 4-го поколения Используются микропроцессоры Микропроцессор это программно управляемое устройство предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессами этой обработки, выполненной в виде одной или нескольких интегральных схем с высокой степенью интеграции электронных компонентов IBM

37 Будущее компьютеров. Суперкомпьютеры К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют максимальную на время их выпуска производительность, или так называемые компьютеры 5-го поколения. Суперкомпьютер (СК) "МВС-100K" предназначен для решения сложных научно- технических задач (Россия). Суперкомпьютер Tianhe-1A (Китай, 2011 г.) / Суперкомпьютеры CRAY

38 Будущее компьютеров. Суперкомпьютеры Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго поколения (1955 – 1964), они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. В них были применены методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе. Компьютеры, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами - векторами и матрицами. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном - выдаёт сразу векторные команды -

39 Будущее компьютеров. Суперкомпьютеры Суперкомпьютеры следующего поколения "exascale" могли бы выполнять 1 миллиард миллиардов операций в секунду – в тысячу раз больше, чем самые мощные суперкомпьютеры сегодня. Такие суперкомпьютеры, к примеру, могут точно имитировать двигатели внутреннего сгорания автомобилей, двигатели реактивного самолета и даже ядерные реакторы. Они также позволят создавать модели планет вплоть до километрового масштаба (по сравнению с 50 или 100 км в настоящее время), или моделировать живые клетки на молекулярном, химическом, генетическом и биологическом уровнях одновременно. Однако будущее суперкомпьютеров связано с ошеломляющими затратами энергии. Достаточно сказать, что суммарной мощности всех гидрогенераторов, установленных на крупнейшей в мире Красноярской ГЭС хватило бы на питание всего лишь трех таких вычислительных систем. Чтобы обойти эту проблему, программисты и математики должны придумать совершенно новый, небывалый по энергоэффективности тип компьютерной архитектуры Компьютерные инженеры за каждые несколько лет научились втискивать в кристалл микрочипа на одной и той же площади вдвое больше транзисторов - тенденция, известная как закон Мура, – сохраняя при этом все требования к устойчивому питанию. Но даже если бы они могли разместить на микрочипе достаточное количество транзисторов, чтобы реализовать вычислительные возможности exascale, мощность такой микросборки станет непомерно большой. Наступила эпоха, когда производительность компьютерных систем определяется не количеством транзисторов, размещенных в чипе, или их быстродействием, а теплом, которое они производят- Иcточник:

40 Гетероструктуры Дальнейшим шагом в выборе базового полупроводникового материала стал переход к арсениду галлия GaAs. Пионерами в области физики и технологии полупроводниковых соединений АIIIВV и приборов на их основе были Г. Крёмер, Г. Велькер, Н.А. Горюнова, А.Р. Регел Впервые идею использования вместо однородных полупроводниковых кристаллов (по разному легированных - для создания p-n перехода) искусственно синтезированных гетероструктур из различных полупроводников высказал Дж. Шокли (1951 г.) В 1963 г. Ж.И. Алфёров и Р.Ф. Казаринов и независимо Г. Крёмер придумали конструкцию инжекционного лазера на двойной гетероструктуре, подобной структуре биполярного транзистора. Такие лазеры должны были бы обладать существенными преимуществам по сравнению с инжекционными лазерами на p- n переходах, предложенными в 1961 г. Н.Г. Басовым, О.Н. Крохиным и Ю.М. Поповым и впервые реализованными Р. Холлом в 1962 г.

41 Гетероструктуры Переломным моментом в физике, технологии и технике гетероструктур следует считать реализацию в 1967 г. уникальной структуры GaAs-AlGaAs практически с полным взаимным соответствием параметров решеток. Это одновременно и независимо было сделано группой Алфёрова и в Исследовательском центре им. Т. Уотсона (США) Х. Руппрехтом и Дж. Вудолом На этой структуре в 1969 г. группа Алфёрова создала низкопороговый импульсный лазер, работающий при комнатной температуре, и высокоэффективные светодиоды, а вскоре и целый ряд других приборов (солнечные элементы, биполярные гетеротранзисторы, тиристорные переключатели). Настоящий взрыв интереса к гетероструктурам возник после того, как был достигнут режим непрерывной генерации при комнатной температуре в системе GaAs-AlGaAs. Сообщение об этом было опубликован независимо двумя группами - Алфёровым с соавторами и И. Хаяши и М. Панишем (последние послали свою статью в печать на один месяц позже).

42 Гетероструктуры Для увеличения коэффициента усиления интегральных микросхем, а также повышения рабочей частоты и мощности было предложено использовать транзисторы с гетеропереходами. Такие гетероструктуры состоят из двух полупроводников, атомные структуры которых хорошо соответствуют друг другу, но имеют разные электронные свойства Гетеропереход – это контакт между двумя разными по химическому составу полупроводниками, а гетероструктура – это комбинация нескольких гетеропереходов, применяемых в полупроводниковых лазерах и светоизлучающих диодах. Открытие Ж.И. Алферовым идеальных гетеропереходов и новых физических явлений в гетероструктурах дало возможность кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и создать принципиально новые. В 1966 г Ж.И. Алферов и его коллеги были первыми, кто обнаружил уникальную, фактически идеальную, решетчато-согласованную систему для GaAs (арсенид галлия) Жорес Иванович Алферов (1930 г.)

43 Гетероструктуры Дж. Вудолл Одновременно и независимо такие же результаты были получены Х. Руппрехтом и Дж. Вудоллом в Исследовательском центре Т. Уотсона корпорации IBM Изуо Хаяши Мортон Паниш Независимо о непрерывном режиме лазерной генерации в ДГС-лазерах сообщили Ицуо Хаяши и Мортон Паниш (для широких лазеров с алмазным теплоотводом) в статье, направленной в печать всего лишь на месяц позже, чем работа группы Ж.И. Алферова

44 Гетероструктуры Гетероструктура представляет из себя многослойный "бутерброд" из состыкованных вместе полупроводников разного состава, в котором каждый слой имеет свою ширину запрещенной зоны и положение потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. Одним из ярких применений полупроводниковых гетеропереходов является полупроводниковый лазер или лазерный диод. Полупроводниковый лазер - это полупроводниковый диод, включенный в прямом направлении. Многослойная структура концентраторного фотоэлемента для преобразования солнечной энергии с высоким КПД

45 Гетероструктуры Гетерогенная система – термодинамическая система, состоящая из различных по физическим свойствам или химическому составу частей (фаз), которые отделены друг от друга поверхностями раздела. Гетеропереход – контакт двух различных по химическому составу материалов, осуществленных с образованием единой кристаллической решетки Гетроструктура – твердотельная структура, содержащая несколько гетеропереходов. Управление локализацией носителей заряда и шириной запрещенной зоны в гетероструктурах позволяет создавать эффективные светоизлучающие приборы, транзисторы с высокой подвижностью электронов, гетеробиполярные транзисторы, солнечные батареи, приборы микро - и оптоэлектроники. Гетеролазер – полупроводниковый лазер на основе гетероструктруры. В инжекционных гетеролазерах активной средой является узкозонный слой гетероструктуры, представляющий собой полупроводник с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации

46 Схематическое изображение структуры первого инжекционного ДГС-лазера, работающего в непрерывном режиме при комнатной температуре Гетероструктуры ДГС лазер – лазер на двойной гетероструктуре, представляет собой слой объемного узкозонного материала, ограниченного оптически более плотными и более широкозонными слоями (эмиттерами), инжектирующими носители заряда в активный слой Группой Алферова созданы лазеры в инфракрасной области спектра для волоконно-оптической связи и лазеры в видимом диапазоне Долгое время не удавалось создать полупроводниковые лазеры, которые работали бы в голубой части спектра. Проблему решил С. Накамура, создав гетероструктуры GaN- InGaN. Сначала с их помощью он изготовил соответствующие мощные светодиоды (1994), а затем и лазеры (1996). Суджи Накамура (1954 г.)

47 Гетероструктуры Лазерный диод – полупроводниковый лазер, построенный на базе диода Внешний вид полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры Полосковый лазер – инжекционный лазер, в котором активная область выполнена в виде узкой полоски Полупроводниковый лазер с управляемой поляризацией излучения Сине-фиолетовый лазер, который поможет в создании Blu-ray дисков с емкостью 1 Тб.

48 Гетероструктуры Солнечные батареи Светодиоды Использование светодиодов в освещении Оптоволоконные кабели

49 Будущее транзисторов Традиционный транзистор это полупроводниковое устройство, которое позволяет усиливать сигнал, замыкать или размыкать цепь. Транзисторы являются основной частью любой электроники, а тем более компьютеров. Направление развития техники XXI века получение материалов и интегральных схем на основе материалов, обладающих точно заданными, рассчитанными на много ходов вперед свойствами Система, основанная на одном атоме – «квантовый оптический транзистор». В будущем такие транзисторы, возможно, станут основой компьютеров и информационных сетей Биполярные гетеротранзисторы Возникшие на кремниевых чипах ограничения по дальнейшему увеличению плотности элементов микросхем можно решить двумя путями. Первый путь смена полупроводника. Второй идея электроники одного электрона одноэлектроники.

50 Будущее транзисторов Квантовый транзистор отличается тем, что использует особенности квантовой физики, в которой частицы могут сообщаться через открытое пространство даже без необходимости соприкосновения. Квантовый транзистор, разработанный сотрудниками Института квантовой оптики (Германия), использует луч света, чтобы изменять свойства другого луча. Это позволяет передавать информацию из точки A в точку Б без необходимости создания каналов передачи Метод опирается на сложную технику управления светом, которая называется электромагнитно вызываемая прозрачность (electromagnetically induced transparency, EIT). Один луч света контролирует свойства другого, почти как в обычных транзисторах напряжение контролирует ток, проходящий через транзистор. rnetu

51 Будущее транзисторов Электромагнитно вызываемая прозрачность (electromagnetically induced transparency, EIT). При обычных условиях луч лазера не взаимодействует с другим лучом, однако при определённых условиях этого можно добиться. Атом рубидия поместили в конструкцию между двумя тонкими зеркалами, находящимися на расстоянии полмиллиметра друг от друга. Затем направили лазер на данную конструкцию, настроив его так, чтобы атом начал отражать свет. Затем направили на атом второй управляющий луч лазера с иной частотой под прямым углом к первому и настроили его так, чтобы создать условия прозрачности для прохождения первого лазера чрез конструкцию. Таким образом, система стала иметь два состояния прозрачное и непрозрачное, по аналогии с открытым и закрытым состоянием классического транзистора. Квантово-механический транзистор (Туннелированный транзистор с двойным электронным слоем, Double Electron Layer Tunneling Transistor, DELTT) был разработан командой Sandia в лаборатории Департамента энергии (DOE). Данное устройство в состоянии исполнять триллион операций в секунду, в 10 раз быстрее самых совершенных транзисторных схем, используемых в настоящее время.

52 Будущее транзисторов Туннельный эффект (туннелирование) – прохождение частицы (или системы) сквозь область пространства,пребывание в которой запрещено классической механикой. Наиболее известный пример такого процесса – прохождение частицы сквозь потенциальный барьер, когда её энергия Е меньше высоты барьера U0. В классической физике частица не может оказаться в области такого барьера и тем более пройти сквозь неё, так как это нарушает закон сохранения энергии. Однако в квантовой физике ситуация принципиально другая. Квантовая частица не движется по какой- либо определенной траектории. Поэтому можно лишь говорить о вероятности нахождения частицы в определенной области пространства Лео Эсаки (1925 г.) Айвор Джайвер (1929 г.) 1973 г. Физика За экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках Схема туннельного эффекта

53 Будущее транзисторов Графен, как никакой другой материал подходит для создания таких микросхем именно из-за одного из главных своих свойств: высочайшей подвижности электронов внутри решетки. Однако графен не обладает необходимыми полупроводниковыми свойствами, чтобы «включаться» и «выключаться» по необходимости. Группа ученых из Манчестерского университета решила эту проблему, собрав «сэндвич» из двух слоев графена и слоя солей бора или молибдена толщиной в одну молекулу в качестве прослойки. Такой «затвор» дает разницу в силе пропускаемого тока в 50 раз в случае с нитридом бора и в раз в случае с дисульфидом молибдена В туннельном транзисторе роль «защелки», запирающей затвор в цепи, может играть один-единственный электрон, проникающий через барьер диэлектрика за счет туннельного эффекта (явления квантовой природы). Транзистор, работающий по такому принципу, будет требовать в разы меньшего напряжения для переключений, а значит, микросхемы станут потреблять меньше энергии. Кроме того, уложить транзисторы в схему можно будет плотнее. Отсюда гораздо большая энергоэффективность и производительность основанной на этом принципе электроники Туннельный транзистор - «сэндвич» из двух слоев графена с «начинкой» в виде нитрида бора и дисульфида молибдена Транзистор из графена

54 Будущее транзисторов Команда ученых-физиков университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW) создала полностью работоспособный транзистор, состоящий из одного единственного атома фосфора. Снимок кремниевой подложки, полученный при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Розовым показаны атомы фосфора, ключевой атом – собственно транзистор, виден в центре (фото ARC Centre for Quantum Computation and Communication at UNSW). Графеновые транзисторы без особых затруднений можно наносить на гибкие и прозрачные основания, что позволит с его помощью создавать гибкие электронные устройства нового поколения, которые могут работать на более высоких скоростях, чем современные кремниевые устройства, изготовленные по CMOS-технологии. (Эта технология - собственная разработка Canon - (КМОП комплементарный металл-оксидный полупроводник)

55 Будущее транзисторов Трёхмерные транзисторы. 22-нм Процессор можно представить в виде листа бумаги, производительность которого зависела от количества ячеек-транзисторов, уместившихся на его площади. сейчас ячейки «можно» располагать в несколько рядов, то есть производительность процессоров будет расти вглубь (ну, или ввысь, как в случае с небоскрёбами). Технология получила название Tri-Gate. По значимости этот шаг сопоставим, разве что, с изобретением интегральной схемы транзисторов. Транзистор Tri-Gate, 22-нм Транзистор, 32-нм

56 Будущее транзисторов Основная проблема, связанная с уменьшением размеров транзистора в том, что экспоненциальное увеличение числа транзисторов на кристалле приводит к экспоненциальному росту потребляемой мощности и, как следствие, к перегреву микросхемы. Причин тому несколько, но все они имеют один и тот же корень: уменьшение размеров транзистора приводит к возникновению токов утечки. Токи утечки возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, а также между истоком и стоком при «выключенном» состоянии транзистора. В традиционной планарной структуре транзистора электрический ток может протекать только по узкой поверхности проводника под затвором. В то время как в трёхмерных транзисторах ток распространяется в толще кремниевого выступа, «прорезающего» затвор. Результатом такого конструкторского решения является снижение сопротивления транзистора в открытом состоянии, увеличение сопротивления в закрытом и более быстрое переключение между этими состояниями. Вместе с этим стало возможным снижение рабочего напряжения и уменьшение токов утечки. Как следствие новый уровень энергоэффективности и солидный прирост производительности в сравнении с существующими аналогами. Транзисторы Tri-Gate (изготовленные по технологии 22-нм) демонстрируют почти 40- процентный прирост быстродействия в сравнении с обычными (изготовленными по технологии 32-нм). Новые чипы будут потреблять почти вдвое меньше энергии (с той же производительностью), чем их 32-нанометровые братья с двухмерной структурой. 1 нм (нанометр) = одна миллиардная метра (1/ м)

57 Будущее транзисторов ПЗС-ма́трица (сокр. От «прибор с зарядовой связью») или CCD- ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») специализированная аналоговая и интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью. В 1969 г. Уиллард Бойл и Джордж Смит изобрели первую успешную технологию преобразования оптического изображения в электрические сигналы, используя оригинальный цифровой датчик – прибор с зарядовой связью (ПЗС-матрица). В основе действия этих устройств лежит фотоэлектрический эффект, за открытие которого А. Эйнштейн в 1921 г. также получил Нобелевскую премию. Уиллард Бойл ( гг.) Джордж Элвуд Смит (1930 г.) 2009 г. Физика «За разработку оптических полупроводниковых сенсоров ПЗС-матриц» Графен может служить отличным приемником фотонов, поэтому из него можно изготавливать сенсоры для цифровых фотоаппаратов

58 Будущее компьютеров Smartball представляет собой сенсорный интерфейс для управления компьютером, имеющий форму шарика, который легко помещается в руке взрослого человека. Девайс этот имеет внешнюю фактуру, схожую с тканью, что делает его приятным на ощупь и снижает до минимума возможность выскальзывания из руки. Для того, чтобы управлять компьютером или другим цифровым устройством, нужно взять Smartball в руку и легонько его сжать. В том месте, где его коснутся пальцы пользователя, выступят необходимые в данный момент пиктограммы. Это могут быть определенные функциональные клавиши, буквы, цифры, иконки для запуска программ. Всем пользователям будет доступна функция обратной тактильной связи, что позволит людям чувствовать текстуры материалов, к которым они прикасаются в виртуальном мире. Smartball можно будет использовать в качестве компьютерной мыши, клавиатуры, пульта дистанционного управления, игрового контроллера и многих других устройств.

59 Будущее компьютеров Сенсорный экран Сейчас Intel активно работает по направлениям определения поведения человека и обстановку, распознавания окружающих людей и местности, речи, энерго-эффективности мобильных устройств. Однако киберпанк - будущее уже видно отчетливо и компьютерные корпорации постараются воплотить его в жизнь. ty-atishnik-ja- aitishnik/tehnologi-budushego- dlja-gadzhetov.html Монитор со встроенным принтером

60 Будущее компьютеров В новом ЖК-мониторе от Dell, который можно смело назвать монитором будущего, использована инновационная технология DisplayPort, благодаря чему толщину устройства удалось уменьшить до 1,27 см, а максимальное разрешение увеличить до 3840 x 2400 пикселей, что в четыре раза больше чем в Full HD. Смартфон с приставкой- клавиатурой Прототип компьютера будущего / Компьютер- браслет фирмы Sony /tech/51804 / Компьютерные кресла

61 Будущее компьютеров Лауреатам с их научными группами удалось добиться измерения и контроля над очень хрупкими квантовыми состояниями, которые ранее считались недоступными для непосредственного наблюдения. Это такое явление, как квантовая телепортация Телепорта́ция изменение координат объекта (как материального, так и нематериального), при котором траектория объекта не может быть описана математически непрерывной функцией в несингулярной системе координат. В экспериментах с квантовой телепортацией копируются свойства частицы А (к примеру, значение спина) на точно такую же частицу Б, находящуюся в некотором удалении г. Физика «За создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими» Серж Арош ( гг.) Дэвид Уайнленд (1944 г.) Французский ученый Серж Арош и его американский коллега Дэвид Уайнленд независимо друг от друга открыли экспериментальные методы измерения индивидуальных квантовых систем

62 Будущее компьютеров Законы Ньютона «продержались у власти» 250 лет и были свергнуты в 1925 г., когда Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и их коллеги разработали квантовую теорию. Анализируя странные свойства атомов, физики обнаружили, что электрон ведет себя как волна и в кажущейся хаотичности своего движения внутри атома может совершать квантовые скачки. На квантовом уровне нарушаются все фундаментальные законы здравого смысла: электроны могут исчезать и вновь возникать в другом месте, а также находиться одновременно в нескольких местах.

63 Будущее компьютеров Гейзенберг является автором ряда фундаментальных результатов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопредленностей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим. В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантово- механических теорий ядерных сил. Шрёдингеру принадлежит ряд фундаментальных результатов в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: он сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее от времени уравнение Шрёдингера), показал тождественность развитого им формализма и матричной механики, разработал волново-механическую теорию возмущений, получил решения ряда конкретных задач. Шрёдингер предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции; в последующие годы неоднократно подвергал критике общепринятую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики (парадокс «кота Шрёдингера»). В.К. Гейзенберг ( гг.) 1932 г. Физика «За создание квантовой механики, применение которой привело, помимо прочего, к открытию аллотропических форм водорода» Э. Шрёдингер ( гг.) 1933 г. Физика «За открытие новых продуктивных форм атомной теории» совместно с П. Дираком

64 Будущее компьютеров Опыт Шрёдингера с котом Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит кот остается жив- здоров. Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: а жив ли кот? Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «котядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. Потому, что редукция волновой функции системы «котдетектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра. Если два электрона первоначально колеблются в унисон (такое состояние называется когерентным), то они способны сохранить волновую синхронизацию даже на большом расстоянии друг от друга. Если с одним из электронов что-то произойдет, то какая-то часть информации об этом событии будет немедленно передана второму. Это явление называется квантовой запутанностью и основано на концепции о том, что когерентные частицы обладают какой-то глубинной связью. Даже если электроны разделены в пространстве многими световыми годами, мы будем мгновенно знать спин (вращение) второго из них, как только измерим спин первого. Мало того, мы получим эту информацию быстрее, чем со скоростью света! Поскольку два наши электрона «запутаны», т.е. их волновые функции колеблются в унисон, эти самые волновые функции связаны невидимой «нитью». Все, что происходит с одной частицей, автоматически отражается на другой.

65 Будущее компьютеров В 1935 г. Альберт Эйнштейн совместно со своими коллегами Б. Подольским и Н. Розеном предложил эксперимент по телепортации если не вещества, то информации. Этот способ сверхсветовой связи получил название "Парадокс ЭПР". Суть парадокса состоит в следующем. Есть две частицы, которые какое-то время взаимодействуют, образуя единую систему. С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы неизвестно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий ее параметры, у у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными!) соответствующие характеристики. То есть возможна мгновенная "пересылка" квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, передачи массы при этом не происходит

66 Будущее компьютеров В 1993 году ученые из разных стран обосновали в теории, как можно передавать квантовую информацию из одной точки в другую, не пересекая при этом промежуточное пространство. Эту технику исследователи и назвали телепортацией. Первые успешные эксперименты по телепортации поляризационного состояния фотона были проведены в 1997 году физиками из Инсбрукского и Римского университетов. Расстояние, на которое происходила телепортация, составляло лишь около 1 метра В 1998 году группа ученых из Калифорнийского технологического института, провела первый в истории эксперимент по телепортации произвольных (не только однофотонных) квантовых состояний света В 2001 году австрийским учёным удалось телепортировать состояние фотона уже на 10 километров

67 Будущее компьютеров В 2002 г. физики из Австралии телепортировали на метровое расстояние лазерный луч. В 2004 г вместе с коллегами из американского Национального института стандартов и технологий они телепортировали квантовые состояния ионов кальция и бериллия. В 2006-м группа Ползика осуществила перенос состояния света в другую физическую среду – пары рубидия. Ученые переместили информацию, закодированную в лазерном луче, в скопление атомов металла, тем самым доказав возможность телепортации между объектами разной природы – светом и материей. В марте 2011 г.физики из Токийского университета в Японии провели эксперимент по телепортации вещества. Нориюки Ли (Noriyuki Lee) с коллегами мгновенно перебросили из одной точки лаборатории в другую пучок света, разобрав его на элементарные частицы – фотоны В 2011 г. процесс передачи впервые провели через атмосферу на расстояние 97 километров, между двумя берегами китайского озера Цинхай (Кукунор).

68 Будущее компьютеров Телепортация без запутывания В 2007 г. физики предложили метод телепортации, не требующий запутывания. «Речь идет о луче из примерно 5000 частиц, который исчезает в одном месте и появляется в другом», говорит физик Астон Брэдли из Центра квантовой атомной оптики в Брисбене при Австралийском совете по исследованиям. Суть подхода группы Брэдли в том, что ученые берут пучок атомов рубидия, переводят всю его информацию в луч света, посылают этот луч по оптоволоконному кабелю, а затем воссоздают первоначальный пучок атомов в другом месте. Если заявленные результаты подтвердятся, то будет устранено главное препятствие к реальной телепортации и открыты совершенно новые пути передачи на расстояние все более крупных объектов. Чтобы новый метод не путали с квантовой телепортацией, доктор Брэдли назвал его классической телепортацией (без запутывания). Ключевым моментом этого нового типа телепортации является открытое недавно новое состояние вещества, известное как «конденсат Бозе- Эйнштейна», или КБЭ, которое представляет собой одну из самых холодных субстанций во всей Вселенной.

69 Будущее компьютеров При охлаждении некоторых форм вещества почти до абсолютного нуля их атомы (все без исключения) сваливаются на самый низкий энергетический уровень и начинают вибрировать в унисон, т. е. становятся когерентными. Волновые функции всех атомов перекрываются, поэтому в каком-то смысле КБЭ напоминает гигантский «сверхатом», причем все составляющие его отдельные атомы колеблются в унисон. Существование этого необычного состояния вещества предсказали Эйнштейн и Шатьендранат Бозе еще в 1925 г., но прошло 70 лет, прежде чем в 1995 г. КБЭ был наконец получен в лабораториях Массачусетского технологического института и Университета Колорадо. Вот как работает телепортационное устройство Брэдли и его команды. Начинается все с набора суперхолодных атомов рубидия в состоянии КБЭ. Затем на КБЭ направляют пучок атомов (все того же рубидия). Атомы пучка также стремятся перейти в состояние с самой низкой энергией, поэтому они сбрасывают излишки энергии в виде квантов света. Полученный таким образом световой луч посылают по оптоволоконному кабелю. Примечательно, что этот луч содержит всю квантовую информацию, необходимую для описания первоначального пучка вещества (т.е. информацию о расположении и скорости всех его атомов). Пройдя по кабелю, световой луч попадает в уже другой КБЭ, который превращает его в первоначальный поток вещества. У метода есть свои проблемы. Он очень жестко определяется свойствами конденсата Бозе- Эйнштейна, который чрезвычайно сложно получить в лаборатории. Более того, КБЭ обладает достаточно необычными свойствами и в некоторых отношениях ведет себя как один гигантский атом. Ближайшее практическое приложение КБЭ создание атомных лазеров.

70 Будущее компьютеров Весной 2012 года международный коллектив под руководством австрийского физика Антона Цайлингера, одного из авторов первых экспериментов по квантовой телепортации, произвел оптическую телепортацию между Канарскими островами Ла-Пальма и Тенерифе над водами Атлантического океана – на 143 километра, и пока этот рекорд никем не побит. Группе ученых из китайского Университета науки и техники, возглавляемой Ксиэо-Хуи Бао, удалось в 2012 г. обеспечить квантовую телепортацию информации на расстояние 150 метров. Для этого использовались две группы атомов рубидия. Эти группы, являющиеся квантовыми объектами, запутывались с помощью фотонов лазерного света. После запутывания ученые изменяли квантовое состояние одной из групп атомов, и это изменение тут же проявлялось и у второй группы атомов. Установка «Телепорт» из лаборатории Акиры Фурусава Университета Токио. На ней была осуществлена телепортация информации.

71 Будущее компьютеров Технологии полупроводниковых микросхем, стабильно развивающие компьютерную индустрию вот уже около полувека, быстро приближаются к своим физическим, идеологическим и конструктивным пределам. Практическое применение квантовой телепортации – мгновенная передача данных. Вместо двоичного представления в виде нулей и единиц квантовые компьютеры используют для представления информации кубиты (quantum bit), которые могут передавать единицу или нуль одновременно. В июне 2008 года Джефф Кимбл из Калифорнийского технологического института предложил концепцию квантового интернета, который превзойдет по всем параметрам известные на сегодняшний день сети Квантовый компьютер - гипотетическое устройство, использующее квантовые свойства материи для вычислений. В экспериментальных работах Дэвида Уайнленда были созданы часы на основе ионов алюминия, работающие в оптическом диапазоне, что позволило повысить точность измерений интервалов времени сразу в 100 раз! Ионная ловушка - "электронное сердце" новых часов. Фото Компьюлента

72 Биокомпьютер компьютер, который функционирует как живой организм или содержит биологические компоненты. Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии. В качестве вычислительных элементов используются ДНК, белки и нуклеиновые кислоты, реагирующие друг с другом. В качестве компьютерной биопамяти могут выступать другие биологически активные молекулы, например, бактериородопсин, обладающий превосходными голографическими свойствами и способный выдерживать высокие температуры. Исследователи Имперского колледжа Лондона показали способ сборки так называемых «логических элементов» (logic gate) из безвредного штамма кишечных бактерий и ДНК. Логический элемент используется для обработки информации в микропроцессорах и других вычислительных устройствах. устройство ведёт себя также как и его электронный аналог. При этом органический логический элемент имеет модульный характер - его экземпляры могут быть собраны вместе для построения различных типов логических элементов. Исследователи собрали тип логического элемента под названием «AND Gate» (И-элемент) из бактерии кишечной палочки (Escherichia coli), введя в нее модифицированную ДНК, которая перепрограмированна для выполнения процесса «вкл/выкл» при воздействии химических веществ. В ходе другого эксперимента, ученые создали «NOT Gate» (НЕТ-элемент) и, объединив его с «AND Gate» получили более сложный «NAND Gate». Одним из главных препятствий будет поиск способа соединения их аналогично тому, как связаны электронные логические элементы, чтобы сделать возможным комплексную обработку данных По материалам Имперского колледжа Лондона ( Будущее компьютеров

73 Теоретическое обоснование биокомпьютеров было сделано еще в 50-х годах прошлого века (Р.П. Фейнманом). Первый компьютер на базе ДНК был создан еще в 1994 г. американским ученым Леонардом Адлеманом. Он смешал в пробирке молекулу ДНК, в которой были закодированы исходные данные, и ферменты, подобранные специальным образом. В результате химической реакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней, в закодированном виде, был представлен ответ задачи. Первую модель ДНК-компьютера в 1999 г. создал Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук. Она имитировала работу "молекулярной машины" в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК. В 2001 г. Шапиро удалось реализовать вычислительное устройство на основе ДНК, которое может работать почти без вмешательства человека. Система имитирует машину Тьюринга, которая шаг за шагом считывает данные и в зависимости от их значений принимает решение о дальнейших действиях. По своей природе молекулы ДНК работают аналогичным образом, распадаясь и рекомбинируясь в соответствии с информацией, закодированной в цепочках химических соединений. В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой Тояма. Компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая – обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты.

74 Вместе с Барре-Синусси открыл в 1983 году ретровирус ВИЧ, вызывающий синдром приобретенного иммунного дефицита у человека (Нобелевская премия 2008 г.) В начале 2011 года французский ученый Люк Монтанье, получивший в 2008 году Нобелевскую премию в области медицины, провел опыт, в котором ему удалось телепортировать молекулы ДНК из одной пробирки в другую. Для этого рядом поместили две изолированные пробирки. В одной была обычная вода, в другой – молекулы ДНК. Пробирку с молекулами облучили. Меньше чем через сутки молекулы ДНК оказались в пробирке с водой. ( teleportatsiya-peremeshchenie-cherez-parallelnye- miry.htmlteleportatsiya-peremeshchenie-cherez-parallelnye- miry.html) Люк Монтанье (1932 г. ) «Модель биокомпьютера» Будущее компьютеров

75 Технический университет Дании разработал новый тип "самовосстанавливающегося компьютерного процессора" (руководитель исследований Ян Мэдсен, профессор университета). Новая технология получила неофициальное название "электронная ДНК". Придумали новый тип компьютера, который не требует наличия специального центрального процессора. Вместо этого он работает с сетью небольших клеток, выполняющих роль процессора. Эти клетки получают сигналы от электронной ДНК на определенной частоте. Эти команды и выполняются в клетках, неся в себе определенные инструкции. Если одна из биологических клеток погибает, другие могут занять ее место. Биологический компьютер следует понимать, как решение, способное самовосстановиться после некоторого физического ущерба. Пока машина не восстановит утраченные клетки, их вычислительные функции будут выполнять другие. Такой подход более надежен, чем традиционные ПК, когда вся большая система полагается на один или два ЦПУ. biokompyuter.html Ученые из Университета Гётеборга (Швеция) создали живые клетки, которые общаются между собой, как микросхемы, и которые можно программировать на выполнение определенных задач. Свое биологическое вычислительное устройство ученые сконструировали на основе сети генетически измененных клеток дрожжей ( ) dec2010/sebiocomp

76 Биокомпьютер Архитектура биокомпьютера 1.Принцип действия биокомпьютера основан на использовании биологических датчиков, которые реагируют на внешнее воздействие. Существует четыре вида датчиков, используемых в биокомпьютерах. Все они необходимы для того, чтобы снабдить компьютер органами чувств: Химический. Аналог вкусовых рецепторов. Способен улавливать состав того или иного вещества, пропускаемого через фермент. Можно определить, какой ингредиент будет добавлен в исследуемое вещество: сладкий или горький; Оптический. Подобно глазам, белок может определить вид вещества и даже его форму. Это фиксируется дальнейшими составляющими биомашины. Механический датчик служит для осязательных рефлексов. Благодаря такому сенсору машина может двигаться и принимать какие-либо решения после срабатывания других датчиков; Электрический сенсор служит для передачи сигнала с датчика на следующий компонент биокомпьютера. В качестве датчика может быть использована сферическая молекула белка. Она способна выдерживать невероятные нагрузки и быть неприхотливой к любым внешним раздражениям (в том числе химическим). В биодатчиках применяются белки из так называемых архебактерий.

77 Биокомпьютер Биодатчик состоит из трех шагов: получение входных данных, обработка результатов и исполнение какого-либо решения. Заменяет клавиатуру. Как только происходит изменение формы либо цвета белка, это мгновенно фиксирует биопроцессор, который преобразует сигнал из аналогового в цифровой вид. Такой процессор состоит из специального белкового раствора, который способен непрерывно менять свое состояние. Это не что иное, как аналог транзисторного цифрового камня. Частички белка мгновенно изменяют свое состояние (как правило, цвет). Для нормального функционирования требуется быстрый обратимый процесс, то есть способность частицы вернуть свое прежнее состояние.

78 Биокомпьютер В1920-е годы гистолог Александр Гурвич ( ) открыл сверхслабое ультрафиолетовое излучение, не только испускаемое всеми клетками, но и стимулирующее их деление. Существование излучения, которое получило от Гурвича название «митогенетическое » К настоящему времени для данного явления устойчиво закрепился термин «биофотоны». Этим термином именуют оптические и ультрафиолетовые фотоны, испускаемые живыми биосистемами в процессах, отличающихся от стандартной химической люминесценции. Такое излучение действительно способно играть роль дистанционной передачи сигналов между удаленными друг от друга биосистемами. Общая модель информационного обмена между биосистемами посредством оптического излучения была предложена С. Майбуровым (2009 г.) В комментариях к своим результатам автор указывает на признаки того, что электромагнитное поле биосистем может обладать кратковременной пространственной когерентностью в пределах наблюдаемых фотонных вспышек – аналогично той когерентности поля, что имеется при порождении лазерного импульса.

79 Биокомпьютер 2. Биопроцессор. Его задача обрабатывать сигнал и преобразовывать его в цифровой вид. В обратном процессе он принимает сигнал с ЭВМ и передает его датчику (в аналоговом виде). И, наконец, процессор взаимодействует с особой структурой белка - биопамятью, которая способна накапливать колоссальные объемы информации за предельно короткое время. Цифровая ЭВМ управляет механическими процессами (например, прекращает подачу того или иного ингредиента при его избытке). Правильнее сказать, цифровой компьютер посылает сигнал механическому биодатчику, после которого компьютер должным образом реагирует на раздражение. Биопроцессор имеет три преимущества, благодаря которым применяется в архитектуре машины. Быстродействие. Аналоговый камешек мгновенно принимает решения, которые не под силу цифровому процессору. Надежность. Биопроцессор практически не ошибается в своих преобразованиях (максимальная относительная погрешность колеблется от 0,001 до 0,02%). Компактность. Размеры очень малы.

80 Биокомпьютер 3. Машинная память. Имеет белковую структуру, но уже более неприхотливую. В качестве компьютерной биопамяти могут выступать ДНК и другие биологически активные молекулы, например, бактериородопсин. Микролазер, который прикреплен к пленке с ферментом, прожигает белок, изменяя его свойства (опять же обратимо). Если подсчитать предельный объем такой памяти в цифровом формате, то мы получим цифру 10^64 бит/см^3, что равняется объему нескольких десятков тысяч книг. Молекулы бактериородопсина фиксируются в гидрогелевой матрице и облучаются двумя лазерами. Первый лазер (направленный аксиально на гидрогелевый образец) инициирует фотохимические реакции в молекуле и записывает информацию. Второй же, направленный перпендикулярно, считывает информацию, записанную на молекулах бактериородопсина, находящегося в объеме гидрогеля.

81 Биокомпьютер ДНК-компьютер Как известно, в живых клетках генетическая информация закодирована в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). ДНК - это полимер, состоящий из субъединиц, называемых нуклеотидами. Молекулы ДНК используются для хранения и обработки данных в биокомпьютерах. Плотность хранения информации в ДНК составляет 1 бит/нм2 - в триллион раз меньше, чем у видеопленки. ДНК может параллельно выполнять до 1020 операций в секунду - сравнимо с современными терафлоповыми суперкомпьютерами. Имея одну из цепей ДНК, всегда можно восстановить строение второй. Благодаря этому фундаментальному свойству ДНК, получившему название комплементарности, генетическая информация может точно копироваться и передаваться от материнских клеток к дочерним. Репликация молекулы ДНК происходит за счет работы специального фермента ДНК-полимеразы. Этот фермент скользит вдоль ДНК и синтезирует на ее основе новую молекулу, в которой все основания заменены на соответствующие парные. Причем фермент начинает работать только если к ДНК прикрепился коротенький кусочек-затравка (праймер). В клетках существует также родственная молекуле ДНК молекула матричной рибонуклеиновой кислоты (РНК). Она синтезируется специальным ферментом, использующим в качестве образца одну из цепей ДНК, и комплементарна ей. Именно на молекуле РНК в клетке, как на матрице, с помощью специальных ферментов и вспомогательных факторов происходит синтез белков.

82 Биокомпьютер ДНК-наномашины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними. С помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных и биотехнологий. Например, они смогут управлять химическим заводом, регулировать биологические процессы внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества и доставлять к определенному органу необходимую дозу лекарств. Биокомпьютерные технологии не требуют исходной статистической и тем более коммерчески закрытой информации. Они привлекательны тем, что практически все задачи решаются оперативно.

83 Со времен Нобеля характер научной работы изменился: идеи по-прежнему озаряют каждого ученого в отдельности, но их доказательство и реализация, как правило, дело больших коллективов, а то и целых научных сообществ. Поэтому Нобелевские премии, присуждаемые наиболее выдающимся представителям этих сообществ, воспринимаются как общая награда

84 Л. Эсаки в ответной речи на церемонии вручения премии сказал: «Брайан Джозефсон, Айвор Джайевер и я воспитаны в совершенно разных культурах... Мы некоторым образом символизируем то, что в физике, как и в других науках, не существует национальных или расовых границ...» «Фундаментальные знания о природе, – продолжал он, – одно из величайших сокровищ... и принадлежит оно всему человечеству... В нашем мире существует немало высоких барьеров – между нациями, расами и религиями. К сожалению, некоторые из них широки и прочны. Но я надеюсь, более того, я уверен, что мы найдем способ, позволяющий легко и свободно туннелировать сквозь такие барьеры, и сплотим мир в единое целое».