Штурм абсолютного нуля

Обычно мы пользуемся десятичной системой счисления, содержащей, как следует из ее названия, десять знаков от 0 до 9. Для проведения самых сложных вычислений в компьютере используется двоичная система счисления.

В десятичной системе можно непосредственно изображать числа до девяти. Для того чтобы представить число десять, мы вынуждены прибегнуть к своеобразной хитрости, перевести единицу в следующий разряд: пишем 10. Для изображения числа сто единица переводится еще на один разряд выше: пишем 100 и т. п.

В двоичной системе счисления имеются только два знака: 0 и 1. В этой системе счисления каждый новый разряд увеличивает число не в 10 раз, как в десятичной системе, а лишь в 2 раза. Поэтому для изображения числа два приходится перевести единицу в следующий разряд: пишем 10. Мы пишем 100 для изображения числа четыре, для представления числа восемь пишем 1000, и т. п.

В двоичной системе счисления все арифметические операции выполняются особенно просто: например, вся таблица умножения сводится всего к одному равенству: 1 X 1 = 1.

Неудобство этой системы заключается в громоздкости записи.

Мы предлагаем читателю, в качестве упражнения, изобразить в двоичной системе число 9000. Подскажем, что для этого придется написать четырнадцать знаков!

Манипулировать вручную с таким большим количеством знаков, какими бы простыми они ни были, разумеется, чрезвычайно сложно.

Так почему же компьютер все‑таки «предпочитает» двоичную систему счисления?

Потому что она легче всего воспроизводится машиной.

Например, отключенному реле можно приписать состояние «0», а включенному реле «1»; отсутствие сигнала на выходе электронной схемы — «0», наличие сигнала «1» и т. п. А громоздкость подобной записи компенсируется быстродействием компьютера.

Двоичная информация легко «укладывается» в памяти компьютера. Из двоичных элементов собираются схемы для выполнения логических операций.

Сам принцип использования сверхпроводимости для воспроизведения и запоминания двоичной информации понять нетрудно.

Представьте себе сверхпроводящий контур, в котором протекает незатухающий ток. В зависимости от направления незатухающему току можно приписать информацию «О» или «1». Можно эту информацию приписать и другим состояниям контура: с током «1», без тока «О». А поскольку незатухающий ток может протекать по сверхпроводящему кольцу неограниченное время, то этим определяется способность сверхпроводника долговременно запоминать информацию.

Простейшим («разумным») сверхпроводящим элементом является криотрон, предложенный в 1956 году американским ученым Д. Беком. Он содержит короткий отрезок проволоки из сверхпроводника, обладающего относительно небольшой величиной критического магнитного поля, называемый вентилем. Поверх вентиля навивается однослойная обмотка также из сверхпроводящей проволоки, но изготовленная из металла, обладающего большим значением критического магнитного поля, так называемая управляющая обмотка. Эта обмотка служит для создания магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость вентиля.

Пока в управляющей обмотке тока нет, вентиль находится в сверхпроводящем состоянии. Если через управляющую обмотку протекает ток достаточной величины, то возбуждаемое им магнитное поле разрушает сверхпроводимость вентиля. Таким образом, вентиль в зависимости от величины тока в управляющей обмотке либо будет обладать электрическим сопротивлением, либо не будет. Управляющая обмотка все время находится в сверхпроводящем состоянии, так как магнитное поле, достаточное для разрушения сверхпроводимости вентиля, является надостаточным для срыва сверхпроводимости управляющей обмотки.

Один из основных недостатков проволочного криотрона — сравнительно большое время переключения из одного положения в другое: порядка десятитысячных долей секунды.

Когда стало ясно, что такая скорость слишком мала для современных электронных вычислительных машин, разработчики решили заменить проволоки тонкими пленками.

Появился пленочный криотрон. Он состоит из двух пленок, расположенных достаточно близко друг от друга (обычно одна над другой): вентильной и управляющей. Принцип работы прибора остался неизменным, но действовать он стал значительно быстрее: время переключения уменьшилось до 10 наносекунд (одна наносекунда равна одной миллиардной доли секунды).

На усовершенствование криотронов было затрачено много усилий. Но к середине 60–х годов исследователи убедились, что пленочные криотроны по своим характеристикам уступают разработанным к тому времени лучшим образцам транзисторов, работающим при комнатной температуре.

Начиная примерно с 60–х годов в книгах и монографиях, посвященных сверхпроводимости, появилось новое имя: Джозефсон. Этот молодой, тогда еще мало известный английский физик сразу приобрел популярность. В науку вошло понятие: эффект Джозефсона.

Представьте себе две пленки из металлов, разделенные слоем изолятора. В такой системе электроны обоих металлов отделены друг от друга как бы глухой стенкой: изолятор ведь не пропускает электрический ток.