Почему наномашины уже созданы, а нанокомпьютер еще нет?

В прошлом номере ТрВ-Наука речь шла о вкладе трех нобелевских лауреатов этого года по химии в создание наномашин [1]. Сравнительно легко было объяснить суть достижений каждого лауреата, потому что вряд ли найдется человек, который не знает, что автомобиль — ездит, мотор — крутится, челнок — снует взад-вперед (потому и космический корабль, летающий туда-сюда, назвали шаттлом). Что делает компьютер, тоже все знают: говоря самыми общими словами, обрабатывает информацию. А вот как он это делает? И почему молекулярные наномашины уже есть, а молекулярный нанокомпьютер, о котором, так же как и о наномашинах, «дискутировал для забавы» больше 50 лет назад Ричард Фейнман, до сих пор еще не создан? Чтобы понять причины этого, напомним принципы работы обычного компьютера.

Практически все современные компьютеры используют для обработки информации двоичную систему счисления, оперирующую только двумя цифрами — 0 и 1. Обработка информации происходит с помощью полупроводниковых логических вентилей (ЛВ). На вход ЛВ подается сигнал, который может иметь только значения 0 или 1. Выходной сигнал ЛВ тоже может принимать только значения 0 или 1, а какое именно — зависит от типа вентиля.

Соотношение между входными и выходными сигналами определяется таблицей состояний (таблицей истинности), табл. 1. Основные ЛВ — это инвертор «НЕ» (NOT), вентиль логического умножения (конъюнкции) «И» (AND) и вентиль логического сложения (дизъюнкции) «ИЛИ» (OR), с помощью этих ЛВ можно построить любую логическую функцию. Очевидно, что инвертор инвертирует сигнал: если на входе «0», то на выходе «1», и наоборот. Умножение в логической алгебре похоже на обычное — на выходе «1», только если на обоих входах «1». А вот логическое сложение отличается от арифметического — на выходе «1», если хотя бы на одном входе «1», т. е. логическая сумма двух единиц дает также единицу (в логике это соответствует правилу: высказывание истинно, если истинно хотя бы одно из его составляющих). Нам еще пригодится вентиль «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» (XOR), который на выходе дает «1», если на входах разные сигналы («0» и «1»), а вот если на обоих входах одинаковые сигналы (оба «0» или «1»), то на выходе «0».

На материальном уровне полупроводниковый ЛВ — это транзистор или несколько транзисторов, соединенных в цепь. Какое именно значение имеет сигнал, 0 или 1, определяется напряжением (потенциалом) на контактах и пороговым значением (ПЗ) потенциала, которое устанавливается для каждой конкретной схемы. В положительной логике, если потенциал ниже ПЗ, цифровой сигнал принимается равным 0, если выше ПЗ, то 1. Переводя вольты в безразмерные цифры, мы тем самым совершаем процедуру перевода аналогового сигнала, имеющего бесконечное число значений, в цифровой сигнал, имеющий только два значения: 0 или 1.

Транзисторы бывают разного типа, но принцип их работы одинаков — потенциал на выходном контакте зависит от потенциалов на двух входных контактах (которые выполняют разные функции и называются по-разному, но сейчас это не важно). Ток в металлах и полупроводниках — это направленное движение электронов (и даже когда условно говорят о «дырочной» проводимости, реально двигаются электроны). Поток электронов, перетекая от одного контакта транзистора к другому, создает необходимый потенциал, который интерпретируется в зависимости от величины как цифровой сигнал «0» или «1». Этот вывод нам понадобится дальше при сравнении полупроводникового и молекулярного компьютера.

Компьютер производит математические расчеты. Как это делается с помощью логических вентилей? В качестве примера рассмотрим простейшую операцию сложения, рис. 1.

При сложении двух цифр у нас получаются также две цифры: цифра суммирования — младший разряд и цифра переноса — старший разряд. (В привычной нам десятичной системе счисления такая ситуация возникает, когда мы складываем, например, 7 и 8 и получаем 15, где единица принадлежит уже старшему разряду — десяткам). Теперь сопоставим слагаемые (рис. 1) с входными сигналами ЛВ (табл. 1), а результат сложения — с выходным сигналом ЛВ. Сразу видно, что цифра переноса в старший разряд соответствует выходному сигналу ЛВ AND, а цифра суммирования в текущем разряде — выходному сигналу ЛВ XOR. Параллельное (одновременное) функционирование этих двух ЛВ дает полусумматор (бинарный сумматор). Почему «полу-»? Потому что полусумматор имеет только два входа и складывает только две цифры, а при сложении многозначных чисел возникает еще цифра переноса от предыдущего сложения. С учетом этой цифры работает «полный» сумматор (или просто сумма тор), для которого она является третьим входным сигналом, вдобавок к двум входным сигналам для двух слагаемых.

В 1993 году сотрудник Королевского университета в Белфасте Амилра де Сильва (Amilra de Silva) и его коллеги впервые экспериментально показали, что молекула может выполнять функцию логического умножения AND [2]. Как они это сделали?

Я думаю, что даже самые далекие от химии читатели помнят из школьного курса химии, что если к бесцветному раствору кислоты или щелочи добавить индикатор, то раствор окрасится, а если индикатор люминесцентный — то раствор к тому же еще начнет светиться при облучении светом (так светятся новые дорожные знаки в лучах фар). Индикатор, реагирующий на присутствие в растворе иона металла, называется сенсором. Де Сильва придумал сенсор, реагирующий на присутствие в растворе ионов водорода (протонов) и натрия, причем сенсор начинал светиться, только если в раствор добавляли оба типа ионов. Теперь вслед за де Сильвой посмотрим на происходящие при сливании растворов изменения сквозь призму логической алгебры.

Если мы ничего не добавляем в раствор — входной сигнал «0»; если добавили протоны — это значит, что мы подали на первый вход сигнал «1»; если добавили ионы натрия — подали на второй вход сигнал «1». Если раствор не светится — значит, на выходе сигнал «0», а если светится, то «1». Как видно из табл. 2, при такой интерпретации совершенных действий и наблюдаемых явлений мы с помощью молекулы-сенсора совершили операцию логического умножения AND — получили на выходе «1» только тогда, когда на обоих входах было по единице.

С тех пор исследованы десятки соединений, показано, что молекулярные логические вентили (МЛВ) способны выполнять все простейшие логические операции, а также математические операции сложения и вычитания, функции кодера и декодера и т. п. [3]. Входным сигналом для МЛВ может быть любое внешнее химическое или физическое воздействие — добавление реагентов, нагрев, облучение светом и т. д. Главное, чтобы под действием этого сигнала молекула изменяла структуру, переходила из одного состояния в другое и при этом происходили какие-то изменения свойств. Характер этих изменений определяет тип выходного сигнала. Если представить МЛВ в виде «черного ящика», то в общем виде принцип его функционирования показан на рис. 2.

Например, если при внешнем воздействии выделяется ион или молекула — они и служат выходным сигналом. Если меняется цвет, то выходной сигнал считывается по поглощению, если появляется (или исчезает) способность излучать свет — по люминесценции. Для большинства исследованных МЛВ входные сигналы имеют химическую природу, а выходные сигналы считывают по поглощению света.

Были обнаружены уникальные свойства молекулярных логических вентилей: совместимость или накладываемость (superposability) — когда одновременно выполняется нескольких логических операций (регистрируемых по разным выходным сигналам), и перенастраиваемость (reconfigurability) — когда можно один и тот же вентиль настроить на разные логические операции, изменив входные и/или выходные сигналы. В основе этих свойств лежит способность молекулы, в отличие от полупроводникового транзистора, выдавать сразу несколько выходных сигналов.

Чтобы объяснить физическую сущность этой способности, необходимо сначала рассказать о спектре поглощения (люминесценции). Тот, кто это знает или кому это покажется сложным или неинтересным, может пропустить следующие несколько абзацев и перейти сразу к ответу на заглавный вопрос.

Спектр поглощения (или люминесценции) характеризует способность вещества поглощать (или излучать) свет разной длины волны. То, что свет имеет многоволновую природу, пусть и неосознанно, знают все, кто видел радугу. Когда солнечные лучи, преломляясь в мириадах капелек дождя, как в микропризмах, дают все цвета радуги — это и есть доказательство того факта, что белый свет — «сложный» свет, состоящий из множества «простых одноцветных светов». И всё многообразие красок в природе мы наблюдаем благодаря многоволновой природе света, благодаря тому, что вещества по-разному поглощают свет разного цвета, т. е. разной длины волны.

Количественно зависимость поглощения от длины волны выражается спектром поглощения (а аналогичная зависимость для излучения — спектром люминесценции). Молекулы никогда не поглощают (и не излучают) одинаково свет разных длин волн. Например, молекула, спектр которой показан на рис. 3, хорошо поглощает на длине волны А, но не поглощает на длине волны Б. Если теперь мы установим пороговое значение поглощения, показанное красной линией на рис. 3, и, как выше сделано для транзисторов, переведем аналоговый сигнал — поглощение — в цифровой, то на длине волны А мы получим сигнал «1», а на длине волны Б — одновременно! — сигнал «0». Этим молекула отличается от полупроводникового транзистора, который или пропускает ток, или не пропускает, и поэтому ЛВ на основе транзистора может иметь на выходе или «1», или «0», но не одновременно оба значения.

С учетом этих свойств МЛВ в нашей лаборатории органической и супрамолекулярной фотохимии Института проблем химической физики РАН было разработано и синтезировано соединение — бифотохромная диада, которая способна выполнять функции всех 16 возможных двухадресных логических вентилей, см. рис. 4 (спектр поглощения этой диады использован в качестве примера на рис. 3).

Свойства совместимости и перенастраиваемости принципиально недостижимы в используемых в настоящее время полупроводниковых элементах, где для каждой логической операции необходим свой набор транзисторов. Фундаментальной основой этих свойств является многообразие входных и выходных сигналов МЛВ, в отличие от унифицированного сигнала в полупроводниковых вентилях. Но именно это преимущество молекулярных вентилей оборачивается их недостатком при попытке соединения вентилей в цепи, без которых невозможно создание компьютера.

В цепи из нескольких ЛВ выходной сигнал одного вентиля необходимо подать на вход другого вентиля. Для этого входные и выходные сигналы ЛВ должны быть однородны (гомогенны). Гомогенность сигналов в полупроводниковых устройствах достигается автоматически, поскольку и входным, и выходным сигналом каждого элемента цепи является поток электронов.

Теперь мы наконец можем ответить на вопрос: почему до сих пор не создан молекулярный нанокомпьютер? Потому что в большинстве изученных МЛВ входные и выходные сигналы негомогенны (разнородны), и это главная проблема, возникающая на пути соединения нескольких МЛВ, без чего создание молекулярного компьютера невозможно.

Частично проблема негомогенности сигналов решается за счет упомянутого выше уникального свойства МЛВ — способности одной молекулы производить одновременно несколько логических операций. Поэтому для МЛВ возможна принципиально другая архитектура построения цепей. На уровне небольших вычислительных блоков вместо того, чтобы соединять несколько ЛВ друг с другом (последовательная интеграция), можно синтезировать соединение с необходимым сочетанием свойств, которое будет производить заданную операцию (параллельная интеграция). Именно так работают молекулярные сумматоры, вычитатели, мультиплексоры и т. п.

Имеется два варианта решения проблемы негомогенности сигналов. Первый вариант использует природа — это конвертеры сигнала, которые «переделывают» выходной сигнал одного вентиля таким образом, чтобы он был понятен другому. Этот вариант реализует наша естественная вычислительная система — мозг.

Другой вариант — разработать МЛВ с гомогенными входными и выходными сигналами. Например, для некоторых био-МЛВ, использующих принцип комплементарности азотистых оснований нуклеиновых кислот («ДНК-компьютер»), входными и выходными сигналами могут быть олигонуклеотиды, что теоретически позволяет сигнал с выхода одного МЛВ направить на вход другого [5].

Еще один тип МЛВ, удовлетворяющий требованию гомогенности сигналов, — полностью фотонные МЛВ, использующие и на входе, и на выходе кванты света [6]. Именно таким фотонным МЛВ является рассмотренная выше бифотохромная диада, которая переключается из одного состояния в другое за счет реакции фотоизомеризации двух фотоактивных фрагментов, отмеченных цветными овалами на рис. 4.

Однако при функционировании фотонных МЛВ возникает ряд специфических проблем, связанных с самой природой поглощения света и свойствами возбужденных состояний молекул (вероятностный характер процессов, индуктивно-резонансный перенос энергии, приводящий к тушению активности фотохромов, диссипация энергии, приводящая к нагреву системы, и т. д.). Эти проблемы имеют фундаментальную основу, и некоторые из них принципиально неустранимы, в то время как нежелательные последствия других можно минимизировать.

Наука о МЛВ возникла на стыке нескольких наук — химии, физики, электроники, логической алгебры — и находится сейчас на стадии фундаментальных исследований. Но можно не сомневаться, что молекулярный компьютер, работающий по тому или иному принципу, будет создан. Просто компьютер — это более сложное устройство, чем мотор или автомобиль, он и на макроуровне возник гораздо позже. Тем престижнее будет его сделать. Это вызов возможным будущим лауреатам Нобелевской премии за дизайн и синтез молекулярного компьютера.

P. S. В научно-популярной статье некоторые вещи пришлось заведомо упростить. Заинтересованный читатель всегда может найти более строгие и полные определения в научных статьях на эту тему или, что сейчас проще, в Интернете, но в последнем случае нужно, конечно, помнить, что не всё, что там пишут, соответствует действительности.

Михаил Будыка,
докт. хим. наук, профессор, зав. лабораторией органической и супрамолекулярной фотохимии Института проблем химической физики РАН

1. Будыка М. Физики сделали то, о чем давно мечтали физики // ТрВ-Наука. № 215 от 18 октября 2016 года.

2. De Silva A. P., Gunaratne H. Q. N., McCoy C. P. A molecular photoionic AND gate based on fluorescent signaling // 1993. 364. Р. 42–44.

3. a) De Silva A.P., Uchiyama S. Molecular logic and computing // Nat. Nanotechnol. 2007. 2. P. 399–410; b) Szacilowski K. Digital Information Processing in Molecular Systems // Chem. Rev. 2008. 108. P. 3481–3548; c) Pischel U., Andreasson J., Gust D., Pais V. F. Information Processing with Molecules-Quo Vadis? // ChemPhysChem. 2013. 14. Р. 28–46.

4. Budyka M. F., Li V. M. Multifunctional Photonic Molecular Logic Gate Based On A Biphotochromic Dyad With Reduced Energy Transfer // 2016. doi: 10.1002/cphc.201600722.

5. a) Stojanovic M. N., Stefanovic D., Rudchenko S. Exercises in Molecular Computing // Acc. Chem. Res. 2014. 47. 1845–1852; b) Orbach R., Willner B., Willner I. Catalytic nucleic acids (DNAzymes) as functional units for logic gates and computing circuits: from basic principles to practical applications // Chem. Commun. 2015. 51. P. 4144–4160.

6. a) Будыка М. Ф. Фотонные молекулярные логические устройства // Химия высоких энергий. 44. С. 154; b) Andréasson J., Pischel U. Storage and Processing of Information Using Molecules: The All-Photonic Approach with Simple and Multi-Photochromic Switches // Isr. J. Chem. 2013. 53. P. 236–246.