Znajdź zawartość

Podczas odbywającego się właśnie dorocznego spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego specjaliści z IBM-a poinformowali o dokonaniu trzech przełomowych kroków, dzięki którym zbudowanie komputera kwantowego stanie się możliwe jeszcze za naszego życia. Jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed ekspertami zajmującymi się kwantowymi komputerami jest dekoherencja. To wywołana oddziaływaniem czynników zewnętrznych utrata właściwości kwantowych przez kubity - kwantowe bity. Koherencja wprowadza błędy do obliczeń kwantowych. Jednak jeśli udałoby się utrzymać kwantowe bity przez wystarczająco długi czas można by przeprowadzić korektę błędów. Eksperci z IBM-a eksperymentowali ostatnio z „trójwymiarowymi“ nadprzewodzącymi kubitami, które zostały opracowane na Yale University. Ich prace pozwoliły na dokonanie przełomu. Udało się im utrzymać stan kwantowy kubitu przez 100 mikrosekund. To 2 do 4 razy więcej niż poprzednie rekordy. A co najważniejsze, to na tyle długo by przeprowadzić korekcję błędów na kubitach 3D. Drugi z przełomowych kroków to powstrzymanie dekoherencji zwykłego „dwuwymiarowego“ kubitu przez 10 mikrosekund. W przypadku takich kubitów wystarczy to do przeprowadzenia korekcji błędów. Utrzymanie przez tak długi czas kubitu pozwoliło na dokonanie trzeciego z przełomów. Udało się bowiem przeprowadzić na dwóch kubitach operację CNOT (controlled-NOT) z dokładnością 95-98 procent. To niezwykle ważne osiągnięcie, gdyż bramka CNOT w połączeniu z prostszymi bramkami kubitowymi może być skonfigurowana do przeprowadzenia dowolnej operacji logicznej. Od połowy 2009 roku IBM udoskonalił wiele technik związanych z komputerami kwantowymi. Najprzeróżniejsze aspekty związane z takimi maszynami udoskonalono od 100 do 1000 razy. W sumie wszystkie te techniki są bardzo bliskie spełnienia minimalnych wymagań stawianych przed praktycznym komputerem kwantowym.

W wielu instytutach badawczych trwają prace nad wykorzystaniem bakterii do budowy komputera, a zatem stworzenia czegoś w rodzaju znanej ze Star Treka rasy Borgów - kolektywnych umysłów składających się z wielu organizmów. Christopher A. Voigt wraz z kolegami z University of California w San Francisco, zaprezentował w jaki sposób można wykorzystać odpowiednio zmodyfikowane bakterie E.coli do stworzenia prostej maszyny liczącej. Zespół Voigta najpierw zmodyfikował E.coli tak, by wydzielały dwa rodzaje składników, pierwszy działający jak "1" lub "on", a drugi jak "0" lub "off". Zmodyfikowano też procesy sygnałowe zachodzące w E.coli, zmieniając w ten sposób bakterię w bramkę logiczną. I tak, na przykład, gdy genetyczny profil bakterii został skonfigurowany tak, by była ona bramką "AND", to po otrzymaniu sygnału "on" od obu sąsiadów, bakteria wyemituje składnik "on". Jeśli zaś była skonfigurowana jako "XOR", wyemituje sygnał "off". W ten sposób bakterie mogą stać się podzespołami maszyny liczącej. Myślimy o prądzie elektrycznym jak o czymś, za pomocą czego możemy wykonywać obliczenia. Ale tak naprawdę wszystko może działać jak komputer, koła zębate, rury z wodą czy biologiczne komórki. Tutaj mamy kolonię bakterii, które mogą otrzymywać sygnały chemiczne od sąsiadów i tworzyć bramki logiczne na tej samej zasadzie, jak tworzone są one w krzemie - stwierdził Voigt. Bakteryjne bramki logiczne są wielokrotnie większe od tych, które powstają obecnie w fabrykach korzystających z 32-nanometrowego procesu produkcyjnego. Jednak zaletą bakterii jest ich możliwość samonaprawy, przeprogramowywania oraz potencjalnie łatwiejsze tworzenie struktur 3D. Obecnie profesor Voigt pracuje nad stworzeniem bakteryjnego komputera zdolnego do przyjmowania komend w podobny sposób, jak przyjmują je tradycyjne komputery.

Jak twierdzi doktor Hector J. De Los Santos z kalifornijskiego NanoMEMS Research, komputery przyszłości mogą pracować nie dzięki przepływowi elektronów, a fal poruszających się w "cieczy elektronowej". To rozwiązałoby problem z dochowaniem wierności Prawu Moore'a. Obowiązujące od ponad 40 lat prawo przewiduje, że co 18 miesięcy liczba tranzystorów w układzie zwiększa się dwukrotnie. Obecnie już wiadomo, że wykorzystując współczesną technologię CMOS za kilka lat będziemy mieli poważne problemy z zachowaniem Prawa Moore'a. Dlatego też De Los Santos opracował koncepcję nazwaną nano-electron-fluidic logic (NFL), która zakłada wykorzystanie przepływu plazmonów w podobnym cieczy gazie elektronów. Uczony przewiduje, że takie rozwiązanie pozwoli na przełączanie bramek w ciągu femtosekund przy rozpraszaniu energii mniejszym niż femtodżul. Naukowiec wyjaśnia, że jego teoria korzysta z właściwości fali plazmonów powierzchniowych (SPW). Poruszają się one wzdłuż powierzchni styku dwóch materiałów, których stałe dielektryczne mają przeciwne znaki. Mogą więc poruszać się w układzie scalonym zbudowanym z materiałów o różnych właściwościach. Koncepcja De Los Santosa zakłada uruchomienie jednak SPW, a zaraz później innej SPW, która znajdzie się na kolizyjnym kursie do pierwszej fali. Po kolizji fale rozproszą się w jednym z dwóch możliwych kierunków. Ich obecność będzie interpretowana jako "1", ich brak jako "0". Proces obliczeniowy rozpoczyna się zatem od SPW1 poruszającej się w elektronowym gazie wzdłuż kanału, który na końcu się rozdwaja. Obie jego odnogi są wyposażone w odpowiednie czujniki. Z obu boków do kanału, jeszcze przed miejscem, w którym się on rozdwaja, dochodzą dwa dodatkowe kanały. Każdym z nich możemy puścić dodatkową SPW2, która zderzy się z SPW1. Gdy np. puścimy ją z prawej strony to SPW1 trafi do lewego rozgałęzienia, gdzie jej obecność zostanie uznana za "1". Koncepcja De Los Santosa nie wykorzystuje zatem, jak ma to miejsce w technologii CMOS, przepływu cząstek, ale przepływ fali. Cząstki, podobnie jak wtedy, gdy wrzucimy kamień do wody, pozostają w tym samym miejscu, poruszając się tylko w górę i w dół. Tym samym rozprzestrzenianie się fali zakłócenia nie wymaga przenoszenia masy. Dzięki temu przesuwają się szybciej niż elektrony - mówi De Los Santos. W technologii CMOS poruszające się elektrony wchodzą w interakcje z zanieczyszczeniami w materiale, z którego zbudowany jest układ scalony i z samym materiałem, co ogranicza ich prędkość oraz zwiększa wydzielanie ciepła. NFL jest pozbawiona tych wad. Kluczem do sukcesu NFL jest zoptymalizowanie odpowiedniej "gęstości" układu scalonego. SPW z czasem zanikają, a więc odległość, którą mają przebyć musi być tak dobrana, by fala dotarła do wyznaczonego celu. W przeciwnym razie zaniknie i nie dojdzie do wykonania żadnej operacji logicznej. Odległość nie może być też zbyt mała, gdyż fala dotrze do celu, odbije się, powróci do punktu wyjścia i ponownie się odbije wywołując rezonans w wykrywających ją czujnikach. Należy więc dobrać taki rozmiar kanałów, którymi będą poruszały się SPW, by fala nie zaniknęła przed ich końcem i by po odbiciu się nie dotarła do punktu wyjścia. De Los Santos przewiduje, że największa gęstość urządzenia będzie równa wielkości najmniejszego możliwego plazmonu, którym jest układ dwóch różnoimiennych ładunków (dipol). Jako że najmniejszym dipolem jest atom, oznacza to, że NFL może teoretycznie wykonywać działania logiczne na powierzchni czterokrotnie mniejszej niż CMOS. Kolejną zaletą wykorzystania fali plazmonów powierzchniowych jest ich olbrzymia prędkość wynosząca miliard centymetrów na sekundę. To oznacza, że układy scalone wykorzystujące SPW mogłyby pracować w temperaturze pokojowej z prędkością nawet 6 THz. Co więcej, operacje odbywałyby się przy zużyciu minimalnej ilości energii. Do wzbudzenia SPW wystarczy bowiem prąd stały o natężeniu większym od zera. Podtrzymanie istnienia elektronowego gazu wymaga użycia tak małych ilości energii, że są to wartości pomijalne. Innymi słowy, do pracy układu wykorzystującego NFL wystarczy minimalna wykrywalna ilość energii. Jakby tego jeszcze było mało, koncepcja NFL jest kompatybilna z obecnie używanymi procesami litograficznymi. Do produkcji nowego typu układów można wykorzystać zatem już istniejące urządzenia i można łączyć NFL z CMOS.

Na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego (UCSD) i Clarkson University trwają prace, których celem jest zmniejszenie śmiertelności wśród żołnierzy na polu walki. Większość z nich umiera w ciągu pół godziny od zranienia. Trzydzieści minut to najczęściej zbyt mało czasu, by do żołnierza dotarł lekarz, nie mówiąc już o transporcie do szpitala. Amerykańscy naukowcy pracują nad urządzeniem, które będzie monitorowało stan zdrowia żołnierza, postawi wstępną diagnozę i zaordynuje odpowiednie lekarstwa, a te zwiększą szanse na przeżycie. Szef projektu, profesor nanoinżynierii Joseph Wang z UCSD zatrudnił do pomocy Evgeny'ego Katza z Clarkson, który niedawno opracował bazującą na enzymach bramkę logiczną. Ta reaguje w ściśle określony sposób na pojawienie się różnych biomarkerów, wywołując tym samym "reakcję łańcuchową" polegającą na odpowiednim zamykaniu i otwieraniu kolejnych bramek logicznych. W wyniku takich działań zostaje postawiona wstępna diagnoza. Katz i Wang chcą stworzyć system, który będzie monitorował cztery biomarkery: glukozę, tlen, laktazę i norepinefrynę. Mierzenie ich poziomów pozwala na zdiagnozowanie pojawienia się różnego typu zranień. Na przykład jeśli wskutek urazu u żołnierza dojdzie do wylewu krwi do mózgu, czujnik wykryje rosnące poziomy laktazy, glukozy i norepinefryny. Taka diagnoza spowoduje uruchomienie się bramki logicznej odpowiedzialnej właśnie za tego typu ranę, co z kolei wywoła reakcję układów scalonych odpowiedzialnych za podanie odpowiedniego leku. Chcemy stworzyć inteligentne czujniki, które będą w stanie rozpoznać różne rodzaje zranień, podjąć odpowiednią decyzję i podać lekarstwa - mówi Wang. Na razie są to tylko rozważania teoretyczne. Projekt jest w bardzo wczesnej fazie rozwoju, a jego pomysłodawcy nie wiedzą nawet, jakie rany mogą być rozpoznawane przez czujniki. Muszą zbadać dokładną kombinację biomarkerów, by określić charakterystyki dla różnych ran, a następnie przygotować enzymatyczne bramki logiczne, które będą odpowiednio reagowały. Profesor Wang, którego gabinet jest naszpikowany różnymi czujnikami, mówi, że niektóre z nich już teraz mogą się przydać. Ma bowiem do dyspozycji układy tak małe, że mogą np. zmieścić się w kanalikach łzowych, a nieco większe można wszczepić pod skórę. Naukowcy chcą jednak, by ich technika była jak najmniej inwazyjna, dlatego też będą dążyli do stworzenia technologii, która będzie działała dzięki monitorowaniu łez, śliny czy potu. Pomysł swoich kolegów chwali profesor Martin Bazant, jeden z założycieli działającego na MIT Institute for Soldier Nanotechnologies. Wątpi, co prawda, w możliwość stworzenia w pełni zautomatyzowanego systemu, który będzie zajmował się leczeniem, ale uważa, że olbrzymim postępem będzie skonstruowanie systemu diagnostycznego. To znakomicie pomoże lekarzowi, który na czas dotrze do żołnierza. Profesor Wang mówi, że podobne urządzenia przydadzą się też w zastosowaniach cywilnych. Załogi karetek pogotowia zyskają dzięki nim dostęp do dokładniejszych danych na temat ratowanej osoby, a w szpitalach możliwe będzie monitorowanie na bieżąco stanu wielu pacjentów.

Prace izraelskich naukowców z Instytutu Weizmanna dają nadzieję, że w przyszłości powstaną komputery korzystające z neuronów. Dotychczas inżynierów pracujących nad neuronowymi maszynami ograniczał fakt, iż neurony są dość zawodne. Neuron może wywołać powstanie sygnału w drugim jedynie w 4 przypadkach na 10. Nasze mózgi kompensują tę niedoskonałość neuronów tworząc niezwykle skomplikowaną sieć połączeń pomiędzy nimi. Izraelczykom udało się w laboratorium stworzyć neuronową bramkę logiczną, która jest niemal równie niezawodna co jej elektroniczny odpowiednik. Autorami odkrycia są Elisha Moses oraz jego studenci Ofer Fienerman i Assaf Rotem, którzy opracowali metodę kontrolowanego wzrostu neuronów, a te utworzyły wydajny obwód. Naukowcy pokryli szklaną płytkę materiałem, który jest nieprzyjazny dla żywych komórek. Następnie w materiale tym wydrapano schemat obwodu, a wydrapane miejsca pokryto środkiem przyjaznym dla komórek. Te były więc zmuszone rozwijać się tam, gdzie chcieli naukowcy. W ten sposób stworzyli urządzenie, które działa jak bramka logiczna AND. Bramka zbudowana jest z neuronów i ma kształt kwadratu o boku długości 900 mikrometrów. Trzy ścianki formują rodzaj podkowy i mają szerokość 150 mikrometrów każda. Z czwartej strony znajduje się "wysepka" neuronów, połączona za pomocą cienkich "pomostów" z dwoma sąsiadującymi ściankami. Gdy wysepka jest stymulowana odpowiednim środkiem chemicznym, wysyła sygnał, który biegnie wokół obwodu. Na środku "podkowy" znajduje się blokada jonowa, która izoluje od siebi obie jej części. Naukowcy mogą decydować o wydajności bramki, regulując szerokość "pomostów" łączących wysepkę neuronów z "podkową". Neurony tworzące wysepkę wysyłają własny sygnał tylko wówczas, gdy otrzymają sygnały z obu "pomostów". Testy wykazały, że sygnał powstaje w 95% przypadków, a więc niezawodność neuronów zwiększono ponaddwukrotnie. Assaf Rotem zauważa, że dzięki zwiększeniu niezawodności neuronów i stworzeniu z nich bramek logicznych mogą powstać obwody, które będą pełniły rolę pośrednika w komunikacji pomiędzy mózgiem, a różnymi urządzeniami. To z kolei pozwoli np. sparaliżowanym kontrolować sztuczne ramiona czy też pomoże osobom po poważnych urazach w ponownym nauczeniu się wymowy.

Podczas konferencji Usenix Workshop on Large-Scale Exploits and Emergent Treats (Warsztaty na temat ataków na wielką skalę i przyszłych zagrożeń), naukowcy z University of Illinois at Urbana-Champaign zaprezentowali ciekawą metodę ataku na system komputerowy. Zakłada on zmodyfikowanie... procesora. Dzięki temu atak będzie niezwykle skuteczny i niemal niemożliwy do wykrycia. Oczywiście, jest też obecnie bardzo trudny do przeprowadzenia. Jednak, jak twierdzą naukowcy, zarówno historia jak i obecne trendy biznesowe pokazują, że w przyszłości możemy mieć do czynienia z tego typu atakami. Zespół profesora Samuela Kinga zwraca uwagę, że już obecnie zdarza się, iż z fabryk do sklepów trafiają urządzenia zarażone szkodliwym kodem. Przypomina też, że w przeszłości wywiady różnych państw dopuszczały się modyfikowania sprzętu przeciwnika tak, by szpiegował on użytkowników. Na przykład Rosjanie przechwycili i zmodyfikowali maszyny do pisania używane w ambasadzie amerykańskiej w Moskwie. Dzięki temu mogli skopiować każdy tekst, który powstał przy użyciu tych maszyn. Zespół Kinga zauważa, że firmy sprzedające procesory coraz częściej zlecają część lub całość produkcji innym przedsiębiorstwom. Te znajdują się w wielu różnych krajach, więc kontrolowanie procesu produkcyjnego jest praktycznie niemożliwe. A skoro tak, to niewykluczona jest sytuacja, w której ktoś zrobi to co amerykańscy naukowcy - doda do procesora nieco obwodów, które pozwolą atakującemu niepostrzeżenie zaatakować system komputerowy. Akademicy wykorzystali programowalny procesor pracujący pod kontrolą systemu Linux. Kość została zaprojektowana tak, by po uruchomieniu wgrywała szkodliwy firmware do pamięci podręcznej procesora, pozwalając atakującemu na zalogowanie się i korzystanie z komputera jakby był jego legalnym użytkownikiem. Do takiego przeprogramowania procesora wystarczyło wprowadzenie niewielkiej zmiany w jego budowie. Dodano doń 1341 bramek logicznych. Sam procesor ma ponad milion bramek, więc zmiana łatwo przejdzie niezauważona. Najpierw do komputera ze spreparowanym procesorem wysłano specjalny pakiet sieciowy, który nakazał procesorowi instalację szkodliwego firmware'u. Następnie użył specjalnego hasła i nazwy użytkownika, dzięki czemu zyskał dostęp do systemu Linux. Z punktu widzenia oprogramowania, pakiet został odrzucony. A tymczasem ja miałem pełny dostęp do systemu operacyjnego - mówi King. To doskonały backdoor. Nie opiera się on na błędzie w żadnym oprogramowaniu - dodaje. Atak został zademonstrowany na procesorze Leon. To programowalna kość korzystająca z architektury Sparc. Układ nie jest zbyt popularny, ale jest wykorzystywany m.in. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Naukowcy pracują teraz nad sposobami ochrony przed opisanym powyżej atakiem. Oczywiście pozostaje pytanie, czy możliwe jest, by cyberprzestępcy umieścili spreparowany procesor w systemie komputerowym. King uważa, że tak. Na przestępstwach komputerowych można zarobić olbrzymie pieniądze. Możliwe jest więc "kupienie" developera, który w projekcie układu umieści dodatkowe obwody. Można również przekupić pracownika zakładu składającego sprzęt komputerowy, by zamiast zwykłych procesorów użył spreparowanych układów. Cyberprzestępcy mogą w końcu wypuścić na rynek podróbki pecetów czy routerów ze sfałszowanymi układami scalonymi. Zagrożenie wydaje się odległe, lecz jest brane pod uwagę. Specjaliści doradzający amerykańskiemu Departamentowi Obrony już w 2005 roku zwracali uwagę na ataki za pomocą spreparowanego sprzętu. Teraz naukowcy udowodnili, że są one możliwe.

NEC, Japońska Agencja Nauki i Technologii (JST) oraz Instytut Badań Fizycznych i Chemicznych (RIKEN) po raz pierwszy w historii zademonstrowały układ, który jest w stanie kontrolować splątanie pomiędzy kubitami, czyli kwantowymi bitami. Powstała więc technologia, która umożliwi stworzenie działających w praktyce komputerów kwantowych. Środowisko naukowe od dawna czekało na takie odkrycie. Do zbudowania kwantowego komputera nieodzowne jest bowiem: kontrolowanie stanu pojedynczego kubitu, kontrolowanie stanu dwóch splątanych kubitów, możliwość splątania i "rozplątania” kubitów. NEC, JST i RIKEN już wcześniej uzyskały nie tylko stabilny kubit, ale również pierwszą bramkę logiczną składającą się z dwóch kubitów. Logicznym następstwem ich prac było więc ostatnie osiągnięcie – kontrolowane splątanie kubitów. Aby to osiągnąć, wykorzystano trzeci kubit, który działa jak nieliniowy transformator, zdolny do włączania i wyłączania oddziaływania magnetycznego pomiędzy dwoma kubitami. Kontrolę włączania i wyłączania można sprawować za pomocą mikrofal. Co ważne, operacje splątywania udało się przeprowadzić tak, że czas życia kubitu nie został skrócony. Działanie komputera kwantowego: Najmniejszą cząstką informacji wykorzystywaną w komputerach jest bit. Jest on reprezentowany przez 0 lub 1. We współczesnych maszynach informacja, czyli ciąg bitów, przekazywana jest dzięki przepływowi elektronów. Tranzystory w procesorach posiadają przełączniki, które mogą zostać ustawione w pozycji „0” (niższe napięcie) lub „1” (wyższe napięcie). Tak więc za pomocą na przykład trzech bitów możemy stworzyć 8 różnych kombinacji: 1-1-1, 0-1-1, 1-0-1, 1-1-0, 0-0-0, 1-0-0, 0-1-0 oraz 0-0-1. Jednak w danej chwili w tych trzech bitach można zapisać tylko jedną z ośmiu kombinacji. Komputery kwantowe mają bazować na zjawisku z mechaniki kwantowej, która przewiduje, że ta sama cząsteczka może jednocześnie znajdować się w różnych miejscach, czyli jednocześnie przyjmować obie pozycje 0 i 1. Tak więc trzy kwantowe bity, zwany qbitami, mogą jednocześnie przechowywać wszystkie osiem kombinacji i wykonać na nich operacje. Z tego wynika, że trzybitowy komputer kwantowy będzie ośmiokrotnie bardziej wydajny, niż obecnie stosowane komputery. Obecnie coraz bardziej powszechnie stosowane są komputery 64-bitowe. A kwantowy komputer operujący jednocześnie na 64 bitach byłby nawet około 18 000 000 000 000 000 000 razy szybszy od współcześnie wykorzystywanej maszyny.