Журнал «Компьютерра» № 20 от 30 мая 2006 года

Еще одну профессию углеродным нанотрубкам нашли в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Ученые уверены, что изготовленные из нанотрубок пористые мембраны найдут массу разнообразных применений, их, например, можно использовать для получения пресной воды.

В лаборатории на кремниевом чипе удалось изготовить уникальные мембраны с порами из нанотрубок. Для этого промежутки между одинаково ориентированными углеродными нанотрубками заполнили керамической матрицей. Диаметр пор так мал, что в поперечнике трубки помещается лишь шесть молекул воды (а многие крупные молекулы разнообразных примесей просто не проходят в отверстие). Измерения показали, что газ или вода протекают сквозь такие мембраны в 100—10000 раз быстрее, чем предсказывает классическая теория. И данные экспериментов согласуются с компьютерными расчетами методом молекулярной динамики.

Что самое интересное, в компьютерные расчеты сначала никто не верил. Хорошо известно, что вода не смачивает внешнюю поверхность нанотрубок, откуда уж тут взяться быстрому просачиванию по внутренним полостям? Экспериментальную установку с новой мембраной даже оставили на ночь. И когда утром под ней обнаружили небольшую лужу, сначала решили — что-то сломалось. Когда же стало ясно, что мембрана цела, удивление и радость ученых не знали границ.

Моделирование предсказывает, что молекулы газа отскакивают от идеально гладких внутренних стенок нанотрубок как биллиардные шары, а молекулы воды скользят по ним, не задерживаясь. Еще одна возможная причина небывало быстрого протекания воды состоит в том, что из-за малого диаметра нанотрубок молекулы движутся по ним упорядоченным «строем», редко сталкиваясь друг с другом. Такое «организованное» движение гораздо быстрее обычного хаотического течения.

Пока механизм протекания воды и газа сквозь мембраны из нанотрубок не очень понятен, и лишь дальнейшие эксперименты и расчеты помогут в нем разобраться. Однако уже ясно, что хорошо проницаемые недорогие мембраны найдут массу применений. Малый диаметр нанотрубок идеален для обессоливания и фильтрации воды, разделения и очистки газов и многих других промышленных приложений. Даже грубые оценки показывают, что новые мембраны позволят на три четверти снизить затраты энергии на опреснение воды. А нехватка пресной воды сегодня большая проблема во многих местах земного шара. — Г.А.

Квантовая дюжина

Квантовый компьютер рекордной размерности удалось изготовить и протестировать в канадском Институте квантовых вычислений университета Ватерлоо при поддержке специалистов из американского Массачусетского технологического института.

Рекордсмен имеет целых 12 кубит — в два-три раза больше, чем типичный сегодняшний экспериментальный квантовый компьютер. Кубиты реализованы с помощью технологии ядерного магнитного резонанса в жидкости. Эта технология квантовых вычислений отработана лучше других: на ядерном магнитном резонансе уже опробовано большинство известных квантовых алгоритмов, чем пока не могут похвастаться оптические квантовые компьютеры, системы на полупроводниковых квантовых точках и ряд других.

Дюжины кубит, разумеется, недостаточно для практических вычислений. Однако ученым удалось разработать и просчитать специальные тесты, которые позволяют проверить, насколько управляема и универсальна конкретная реализация квантового компьютера. Дело в том, что не каждый квантовый компьютер способен выполнять все необходимые операции, а это значит, что часть квантовых алгоритмов может быть ему недоступна.

Ошибки, возникающие при квантовых вычислениях, можно разделить на два класса. К первому принадлежат принципиально неустранимые ошибки из-за диссипативных процессов, постепенно разрушающих нежное квантовое состояние системы. Ко второму относятся ошибки, вызванные несовершенством экспериментального оборудования и алгоритмов управления компьютером. С ними можно и нужно бороться. На это и были нацелены проведенные эксперименты, находящиеся на пределе возможностей современных технологий.

Строго говоря, новый компьютер имеет не дюжину кубит, а чуть больше. Он состоит из одиннадцати кубит и одного кутрита. Классический трит в отличие от бита может принимать не два, а три значения — 0, 1 и 2. Квантовый кутрит, соответственно, как и кубит, может находиться в состоянии суперпозиции этих трех, а не двух значений. В процессе квантовых вычислений состояния всех 11 кубит и кутрита еще и «запутываются». Тем не менее со всей этой мешаниной ученые успешно справились, продемонстрировав универсальность созданного ими квантового компьютера. — Г.А.

Атомный ерш

Большого успеха практически одновременно и независимо добились две группы экспериментаторов из Института лазерной физики в Гамбурге (на фото) и Института квантовой электроники в Цюрихе. Впервые ученым удалось приготовить и наблюдать ультрахолодный газ из смеси бозонов и фермионов.