Технологии, которые работают на уровне отдельных атомов и молекул, называются нанотехнологиями (нанометр — это 10-9 м, одна миллиардная метра). Отцом этого перспективнейшего направления считается все тот же Ричард Фейнман, прочитавший в 1959 г. историческую лекцию «Там, внизу, еще много места». В ней он сказал: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами . Пока мы вынуждены пользоваться молекулярными структурами, которые предлагает нам природа. Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». Технический уровень того времени, когда были произнесены эти пророческие слова, заставлял воспринимать их как очередную футуристическую сказку. Но в 1981 г. ученые Г. Бининг и Г. Рорер из швейцарского отделения IBM создали туннельный микроскоп, впервые позволивший взглянуть на обособленные молекулы и атомы. Однако исследователей ждал еще один приятный сюрприз: оказалось, что их детище способно не только «увидеть», но и «подцепить» отдельный атом и перенести его на другое место. За прошедшие с тех пор 20 лет нанотехнологии стали производственной реальностью, и уже сейчас мы можем создавать необходимые нам объекты, «монтируя» их на атомном уровне.

Когда говорят о нанотехнологиях, подразумевается несколько достаточно разрозненных по целям и планируемому времени реализации научных направлений. Одно из них, работающее над качественным переходом традиционной полупроводниковой электроники с микро- на наноуровень, хорошо освещено в периодической литературе. Успехи этих работ значительны уже сегодня, но, ввиду неразрешимости ряда проблем, связанных с размерными эффектами, неизбежно возникающими при достижении транзисторами величины 30—40 нм, очевидна необходимость поиска альтернативной технологии. Одним из вариантов является молекулярная электроника, или молетроника.

В 1974 г. ведущие ученые фирмы IBM А. Авирам и М. Ратнер представили вещество, молекула которого обладала теми же свойствами, что и обычный диод. Пропуская ток в одном направлении, введением дополнительного, управляющего фрагмента она могла быть усовершенствована до своеобразного молекулярного транзистора. Соединив две такие молекулы, можно получить абсолютный аналог полупроводникового триггера — основного элемента современных процессоров. «Переключать» же данное устройство, имитируя состояния бита — 0 и 1, возможно с помощью света или электрического поля. Следуя описанной идее, химики синтезировали великое множество кандидатов на роль транзистора будущего. Так началась эпоха молетроники.

Впрочем, вскоре ученые поняли, что копировать традиционный процессор совсем необязательно. Ведь теоретически в качестве бита годится любая двухуровневая система, которую относительно легко можно перевести из одного состояния в другое. Молекул же, меняющих свою структуру при определенном физико-химическом воздействии, известно немало. Например, спиробензопирены «переключаются» в состояние 1 под действием ультрафиолета, а обратно — с помощью обычного света. На основе подобных структур реально построение не только логических элементов, но и устройств памяти. Соединять же молекулярные триггеры можно, используя либо углеродные нанотрубы, либо разработанные недавно токопроводящие полимеры (за их открытие группе ученых была вручена в 2000 г. Нобелевская премия).

Если действительно удастся заменить транзисторы отдельными молекулами, то размер процессора уменьшится в сотни раз. Рост же производительности на несколько порядков позволит выпустить терагерцевые процессоры, что совершенно невозможно на базе классических кремниевых технологий. Только представьте — мощный компьютер будет умещаться на кончике волоса! Молекулярные схемы будет возможно организовать по нейроноподобному принципу, что поможет наконец добиться успеха в решении весьма застарелой проблемы «качественного искусственного интеллекта (ИИ)» Молекулярная память также оставит далеко позади свою полупроводниковую конкурентку. По прогнозу ведущего специалиста в области молетроники, американского биохимика Мак-Алира, плотность структурных элементов в таких блоках достигнет тысяч триллионов на каждый кубический миллиметр. А это означает, что на домашних компьютерах можно будет хранить терабайты информации. Еще более перспективно построение блоков белковой памяти, действующей по принципу запоминания, возможно используемому и человеческим мозгом. Вероятно, такой подход позволит реализовать переселение человеческого интеллекта в компьютер. Однако для теоретической разработки этого направления мы пока слишком мало знаем о том, как все-таки работает наш мозг.

Компьютеры на основе ДНК.

Весьма оригинальна и имеет огромные перспективы идея создания вычислительных устройств на базе ДНК. Родоначальником этого направления является Леонард Адлеман (один из создателей схемы RSA), решивший в 1994 г. с помощью «умных» молекул задачу о коммивояжере. Тогда ДНК-компьютер смог верно найти кратчайший путь для путешествия по семи городам. В этом году был достигнут куда больший успех: детищу Адлемана удалось справиться со сходной задачей, содержащей уже более миллиона вариантов.

Основная идея, которая используется при создании ДНК-компьютеров, следующая: для каждой из переменных (определяющих, например, путь) синтезируется уникальная последовательность оснований; затем, будучи смешаны в достаточном количестве (триллионы молекул), эти переменные соединяются в варианты. Исходя из правила больших чисел, всех вариантов будет приблизительно поровну. Остается только определить, в каком из них переменные не повторяются. Это самая сложная проблема, решаемая при помощи многоступенчатой экстракции, хроматографии и других химических методов.

Работа Адлемана, вызвав интерес как генетиков, так и микроэлектронщиков, стала поводом подумать о сотрудничестве различных, ранее обособленных групп ученых. Через несколько месяцев после публикации в журнале «Science» в Принстоне состоялась первая конференция по ДНК-компьютерам. Она собрала три сотни участников и, по сути, впервые заявила о новом направлении исследований. В работу включились специалисты ряда научных лабораторий. Они продолжили упражняться с логическими задачами, расширив их масштаб и спектр. Ученые из университета Висконсина экспериментировали с другим носителем генетической информации - одинарной спиралью РНК. С ее помощью они нашли решение шахматной головоломки, суть которой - разместить многочисленные фигуры коней на доске таким образом, чтобы ни один конь не угрожал другому. Проводились опыты с использованием молекул, закрепленных на поверхности золотой пластины, были предложены ДНК-алгоритмы для шифрования данных и, наоборот, вскрытия кодов. Ричард Липтон (Richard J. Lipton) из Принстона первым показал возможность ДНК-кодирования двоичных чисел и решения бинарных задач. Кроме того, изучается идея применения ДНК для «выращивания» отдельных компонентов процессоров. Ученые разрабатывают технологию создания необычных унифицированных молекулярных структур, которые могут стать основой полупроводниковых наносхем. Эта же технология рассматривается как первый шаг к программированию молекулярных реакций.