Nobel-2016. Mukofot sohiblarining kashfiyoti, XXI asr kompyuterlari sohasida inqilob yasashi mumkin

Ma’lumingizkim, fizika sohasida 2016-yilgi Nobel mukofoti Britaniyalik uch nafar yetakchi fizik olimlarga — Maykl Kosterlits, Devid Tauless hamda, Dunkan Xoldeynlarga munosib ko‘rildi. Mukofot hay’ati e’lon qilgan press-relizda, yuqoridagi olimlarga mukofot «materiyaning topologik fazalari hamda topologik faza o‘tishlarini nazariy jihatdan kashf qilganliklari uchun«berilayotgani keltirib o‘tilgan. Ushbu izoh bilan tanishgan ko‘pchilikning fikratida «nazariy jihatdan« jumlasi qandaydir shubha-gumon uyg‘otishi tabiiy. «Nazariy« so‘zi orqali yuqoridagi uchlikning ilmiy ishlari faqat nazariyada (tasavvurda) bo‘lib, undan biror amaliy naf chiqishi ehtimoli gumon ostiga olinadi. Faqat nazariy bilimlar uchun shunday nufuzli mukofotni berilmasa kerak to‘g‘rimi?

Umuman olganda bunday shubhalar o‘rinsizdir. Harholda, ijtimoiy fanlardan farqli o‘laroq, aniq fanlar sohasida, ayniqsa fizika, matematika va kimyo kabi fanlarda chiroyli jumlalar va qofiyador nutqlar uchun mukofot berilmaydi. Aniq fanlar sohasida asl haqiqatni maddohona va’zxonlik va balandparvoz notiqlik bilan berkitishning iloji yo‘q. Shu nuqtai nazarda, fizika bo‘yicha 2016-yilgi Nobel mukofoti egalarning ham ushbu yutuqlari shubha ostiga olinishi o‘rinsizdir. Qaytanga, hammasi mutlaqo aksincha bo‘lishi, ya’ni, ushbu nazariya yaqin yillarda insoniyat uchun misli ko‘rinmagan darajada yangi texnik va texnologik imkoniyatlar eshigini ochib berishi haqiqatga yaqinroqdir.

Bir tarixiy misol keltiraman. XIX-asr o‘rtalariga qadar, odamlar orasida axborot-xabar almashinuvning yagona vositasi qog‘ozga yozilgan va konvertga joylangan oddiy xatlar bo‘lgan. XIX-asr o‘rtalarida avvaliga Maksvell tabiatda elektromagnit to‘lqinlarning mavjudligini nazariy kashf qilib bergan edi. Oradan ko‘p o‘tmay Genrix Gers ushbu to‘lqinlarning haqiqatan mavjudligini amaliy isbotladi. o‘shanda ayrim skeptik shaxslar, hatto ba’zi olimlar ham bu kashfiyotdan nima naf chiqishini tanqidiy muhokama qilib, uni behuda izlanishga tenglashtirishgan edi. Holbuki, hozirda kundalik foydalanayotgan barcha texnologik vositalar — smartfonlardan tortib, siz hozir foydalanib turgan kompyuterlar va internet bog‘lanishigacha — hamma-hammasi o‘sha Maksvell nazariy kashf qilgan va Gers amaliy isbotlagan bilimlar mahsulidir. Xat-xabar almashinuvi oddiy qog‘oz xatlar vositasi kechgan davrlarda odamlar o‘zlari uchun muhim bo‘lgan xabar haqida 15-20 kunlab keyin bilishar edi. Qit’alararo aloqa esa oylab cho‘zilardi. Elektromagnit to‘lqinlardan foydalanishga o‘tish orqali esa, avvaliga telegraf vositasi dunyoning istalgan joyidan turib, istalgan boshqa joyga arzimagan daqiqalarda xabar yetkazish imkonli bo‘ldi. Endilikda esa, siz narigi yarimshardagi tanishingizni biror narsadan xabardor qilib qo‘yishingiz uchun qandaydir soniyalar kifoya qilmoqda. Bularning hammasi, o‘z vaqtida shunchaki nazariya deb qaralgan Maksvell ilmiy ishlarining mahsulidir.

Gapni cho‘zib yuborgan bo‘lsam ham, lekin bekorga mavzuni aynan kompyuterlar sohasi bilan bog‘lamadim. Zero, Nobel-2016 sohiblari — Kosterlits, Tauless va Xoldeynlarning ham ilmiy ishlari, ya’ni, nazariyalari endilikda XXI-asr kompyuter texnikasi sohasida yangi inqilob yasashi kutilmoqda.

Keling, ushbu nazariy kashfiyotning haqiqiy kuch-qudratini tasavvur qilish uchun, uning asl mohiyati bilan qisqacha tanishib chiqamiz (mufassal tanishuv uchun kattagina kitob yozish kerak bo‘ladi).

Ko‘pchiligimiz maktab fizika darslaridan yaxshi bilamizki, atom ichida, aniqrog‘i uning markazida yadro mavjud bo‘lib, ushbu yadroning atrofida elektronlar aylanadi. Har bir elektronning orbital joylashuvi turli energetik darajalarga mos keladi. Ko‘p sonli atomlar o‘zaro birlashib, natijada yaxlit holdagi qandaydir materiyani shakllantirganida, ushbu materiyaga birlashgan har bir atomning energetik pog‘onalari o‘zaro uyg‘unlashib elektron hududini tashkil qiladi. Bu hududni elektronlarning energetik hududi deb yuritiladi va ushbu hududda muayyan miqdordagi elektronlar uchun joy mavjud bo‘ladi. Shunday har bir energetik hududlar oralig‘ida, elektronlar harakatlana olmaydigan (o‘ta olmaydigan) oraliq to‘siqlar turadi.

Agar materialga elektr zaryadi, ya’ni, qo‘shimcha elektronlar oqimi berilsa, unda mazkur materialning o‘tkazuvchanligi, ushbu material ichidagi eng katta energetik hududda yangi kirib kelayotgan elektronlarni sig‘dirish uchun joy bor yoki yo‘qligiga bog‘liq bo‘ladi. Agar materialdagi elektronlarning energetik hududida yangi elektronlar uchun joy bo‘lsa, unda ushbu material o‘tkazgich sifatida namoyon bo‘ladi. Agar joy yo‘q bo‘lsa, unda materialda yangi elektronlar uchun yangi energetik hudud tashkil qilish va u joyga yangi elektronlarni sig‘dirish uchun yana qo‘shimcha energiya berish talab etiladi. Natijada bunday material izolyatorga aylanadi. Materiallarning o‘tkazuvchanligi haqida aniq bilimlarga ega bo‘lish elektronika sohasi uchun g‘oyat muhimdir. Chunki, elektronika mahsulotlarning hammasining mohiyat-zamirida materiallarning o‘tkazgichlik, yarimo‘tkazgichlik hamda dielektrik xossalaridan foydalanish yotadi.

Kosterlits, Tauless va Xoldeynlar tomonidan 1970-1980 yillar orasida o‘rtaga tashlangan ilmiy g‘oyaning mohiyati esa, tabiatda ayrim materiallar yuqorida qayd etilgan tamoyillarga bo‘ysunmasligini ifodalaydi. Ushbu uchun olimning bunday nuqtai nazarini qo‘llab-quvvatlovchilar ham, unga e’tiroz bildiruvchilar ham o‘z vaqtida yetarlicha bo‘lgan. Nobel-2016 loyiq ko‘rilgan uchlik ilgari surgan nazariyaning mohiyatiga ko‘ra, materiallardagi o‘sha elektronlar o‘ta olmaydigan va elektronlarning o‘zi ham joylasha olmaydigan oraliq joylarda, ya’ni, elektronlarning energetik hududlari oraliqlarida qandaydir alohida, maxsus energetik daraja (energetik pog‘ona) mavjud bo‘lib, aynan o‘sha hududda fizika uchun kutilmagan, g‘aroyib hodisalar mavjud bo‘lishi mumkin.

Qizig‘i shundaki, materiyaning bunday maxsus energetik joylari uning faqat sirt yuzasida va qirralarida mavjud bo‘ladi va bunday hududlar favqulodda ravishda mustahkam va barqaror bo‘ladi. Bunday energetik hududning barqarorligi muayyan darajada materialning shakliga ham bog‘liq bo‘ladi. Fizikada bunday bog‘liqlikni topologik bog‘liqlik, yoki, shunchaki topologiya deyiladi. Aytaylik, sfera shaklidagi materialda, masalan, tuxum, yoki, bo‘g‘irsoq nonda bunday maxsus energetik hududlar bir tekis taqsimlangan va o‘zaro o‘xshash bo‘ladi. Lekin, misol uchun teshikkulcha singari materiallarda, o‘rtasida teshik sababli, material yuzasi bo‘ylab joylashgan maxsus energetik hududlar hammasi har xil bo‘ladi. Materiallarning bunday xossalarini o‘rganish va o‘lchash borasidagi dastlabki ishlarda, tekislik bo‘lagi sifatida qaralishi mumkin bo‘lgan buyumlar, masalan, qog‘ozning chetki qirralari bo‘ylab o‘tayotgan tok kuchiga tayanilgan.

Bunday topologik materiallarning fizik xossalari biz uchun kutilmagan darajada foydali bo‘lib chiqishi mumkin. Masalan, bunday materiallar yuzasi bo‘ylab elektr tokini hech bir qarshiliksiz o‘tishiga erishish mumkin. Ya’ni, o‘sha maxsus energetik hududlar vositasi o‘ta o‘tkazuvchanlik va hatto undan ham ziyoda, ya’ni, mutlaq o‘tkazuvchanlikka erishish mumkin. Hozirda fiziklar ixtiyorida mavjud bo‘lgan o‘ta o‘tkazgichlar topologik xossalarsiz ham elektr tokini deyarli qarshiliksiz o‘tkaza oladi. Lekin, bu gapdagi «deyarli« so‘zi ko‘p narsani hal qiladi. Chunki, o‘ta o‘tkazuvchanlikka erishish uchun birinchidan nihoyatda past haroratlar zarur. Harorat shunchalik past bo‘lishi kerakki, u imkon qadat mutlaq nolga yaqin bo‘lishi shart. Avvalo, bunday past haroratlarni hosil qilish uchun ham muayyan sarf-xarajat talab etiladi. Qolaversa, shunda ham baribir o‘ta o‘tkazuvchanlikda juda kichik bo‘lsa hamki, elektr qarshiligi saqlanib qolaveradi. Topologik materiallar esa, odatiy sharoitlarda ham elektr tokini qarshiliksiz o‘tkazish imkonini berishi nazariy jihatdan aniqlangan bo‘lib, Nobel-2016 ning fizika sohasi mukofoti sohiblarining ilmiy ishlari aynan shu masalalarni ochib bergan edi.

Masalaning amaliy ahamiyatiga kelsak, bu nazariyaning amalda qo‘llanishga o‘tilishi, elektr energiyasi iste’mol qilish orqali ishlaydigan texnik va texnologik jihozlarning keyingi taraqqiyotiga, masalan, aytaylik kompyuter sohasiga nihoyatda katta ta’sirga ega bo‘ladi. Muammo shundaki, zamonamizning kompyuter va internet zamonasi ekanligi haqidagi har qanday balandparvoz shiorlarga ters ravishda, ushbu kabi texnika vositalarining energiya iste’moli nuqtai nazarida nihoyatda qo‘pol va samarasiz ekanini ko‘pchilik tan olgisi kelmaydi. Oddiy kompyuter va yoki noutbuk iste’mol qilayotgan elektr energiyasining katta qismi, uning ichki elektronikasi va o‘tkazgich simlari tayyorlangan metallarning qarshiligi sababli yuzaga keladigan issiqlik ajralib chiqishi jarayonini, ya’ni, detallarning qizishini bartaraf etish uchun sarflanadi. Shu sababli ham kompyuteringiz keysi ichida sovutgich parraklar (kuler) muttasil aylanib, shovqin ham chiqarib turadi. Shunchaki ushbu qizish orqali kelib chiqadigan qo‘shimcha elektr energiya iste’moli muammosini bartaraf etilsa, barcha elektronika texnik vositalarini, nafaqat kompyuterlarni, balki, boshqa ko‘plab maishiy texnika va sanoat dastgohlarining energiya tejamkorligi va energiya samaradorligini chandon-chandon orttirish mumkin. Bu esa, sovitish uchun sarflanayotgan energiyani tejashdan tashqari, sanoatda sovitish maqsadlarida qo‘llanadigan maxsus vositalar (xladagentlar) tufayli atmosferaga tashlanadigan zararli gazlar (uglerod oksidlari, freonlar) miqdorining kamayishiga xizmat qilishi muqarrar. Bundan tashqari, oddiy akkumulyatorlar va batareykalarni ham yanada samarador ishlaydigan va uzoqroq muddat xizmat qiladigan qilib tayyorlash imkoniyati ochiladi. o‘ylaymanki, bunday topologik materiallardan keng ko‘lamda foydalanishga o‘tilishi yaqin o‘n yilliklar ichida real voqe’likka aylanadi. Chunki, hozirning o‘zida jahonning yetakchi ilg‘or ilmiy dargohlarida bunday topologik materiallarni tayyorlash borasida allaqachon amaliy tajribalar boshlab yuborilgan. Hozircha olimlarning diqqat markazida kadmiy telluriti va simob telluriti asosidagi materiallar turibdi. Tajribalarda muayyan muvaffaqiyatlar qayd etilgani ham xabar qilinmoqda. Lekin, bu borada aniq xulosalar chiqarishga hozircha biroz erta.

Yuqorida qayd etilganlardan tashqari, topologik materiallar va topologik faza o‘tishlarining o‘ziga xos tabiatidan shuningdek kvant hisoblashlari sohasida ham muvaffaqiyatli foydalanish mumkinligi aytilmoqda. Siz bilan biz foydalanadigan oddiy kompyuterlar mikrosxemalarga elektr kuchlanishi orqali ta’sir qilish yoki qilmaslik orqali ishlaydi. Ikkilik sanoq tizimiga asoslangan bunday ishlash mohiyatida, kompyuter elektronika sxemasiga kuchlanish berganida, bu holat 1; aksincha, kuchlanish yo‘qligida 0 deb olinadi. Shu tarzda, har bir bit axborot kodlanadi va qayta ishlanadi. Bunday bitlarni o‘zaro uyg‘unlashtirish orqali biz murakkab axborotlarni — butun-boshli matn, tovush yoki video fayllarni hosil qilamiz. Bunday ishlash tizimini «binar tizim«, yoki, oddiy o‘zbekcha qilib «ikkilik tizimi« deyiladi.

Kvant hisoblashlariga kelsak, unda biz axborotni mikrosxemalarga emas, balki, mikrosxemalarda elektr tokini tashib yuruvchi zarralar — elektronlarning o‘ziga yuklashimiz mumkin bo‘ladi. Bunday elektronlarning energetik pog‘onalari oddiy kompyuterlardagi 0 va 1 holatlariga mos keladi. Lekin, eng qiziq joyi shundaki, kvant mexanikasi tamoyillariga ko‘ra, elektronlar bir vaqtning o‘zida har ikkala holatda ham bo‘lishi mumkin! Ya’ni, bir vaqtning o‘zida ikkita holat! Kvant mexanikasi — katta bir alohida fan, uning tafsilotlariga bu o‘rinda to‘xtalish mutolaachidan juda katta nazariy tayyorgarlik va noshirdan (yoki sayt egasidan ) juda katta hajmdagi matn maydoni talab qiladi. Shu sababli, oddiyroq misol bilan cheklanamiz.

Masalan, siz biror axborotni qog‘ozga yozayotganingizda faqat bir qo‘lingiz bilan, faqat bitta qog‘ozga yozasiz, to‘g‘rimi? Endi tasavvur qiling, Yaratgan sizga shunday qobiliyat bersa-ki, siz har ikkala qo‘lingiz bilan bir vaqtning o‘zida bir xil tezlikda birdaniga ikkita qog‘ozga yoza olsangiz… Shunda siz bir vaqtning o‘zida ham tezroq axborot yozgan bo‘lasiz, ham ikki barobar hajmdagi axborotni qog‘ozga yozib saqlagan bo‘lasiz…

Xuddi shuning singari, elektronlarning bir vaqtning o‘zida ikki xil holatda bo‘la olishi — axborotni qayta ishlash jarayonini ikki barobarga tezlatish va saqlash hajmini ham ikki barobarga qisqartirish imkoni demakdir. Natijada, kompyuterlar yanada tezlashadi va axborot saqlash hajmi ham mislsiz darajada kattalashadi.

Bu borada ham jahonning yetakchi AT-kompaniyalari, xususan, Google, IBM singarilar allaqachon maxsus tadqiqotlarni boshlab yuborishgan. Agar bu boradagi izlanishlar muvaffaqiyat qozonsa, ehtimol yaqin yillar ichida siz bilan biz hozir foydalanayotgan kompyuterlar «beso‘naqay« ko‘rinadigan bo‘lib qolar. Kvant kompyuterlarini ommaviy ishlab chiqarishga o‘tilgach esa, bugungi zamon kompyuterlari endi «mumtoz» texnika vositalariga aylanib qolishi hech gap emas.

Lekin kvant kompyuterlarini yaratish yo‘lida to‘g‘anoq bo‘layotgan kattagina muammo mavjud. Kvant kompyuterlari uchun atrof-muhitdagi tashqi xalaqitlardan, ya’ni, yaqin orada yuzaga kelgan tasodifiy elektr maydonidan, yoki, shunchaki protsessor yaqinida qo‘zg‘algan havo molekulalari ta’sirida ham xato ishlay boshlashi ehtimoli katta. Bugungi kun kompyuterlari tashqi omillarning xalaqitlariga chidamli bo‘lib, lekin, bu maqsad uchun ham hozirgi kompyuterlar qo‘shimcha energiya iste’mol qiladi. Kvant kompyuterlarini barqaror ishlashini ta’minlash uchun yechimlardan biri sifatida uning protsessorlarini vakuumda ushlab turish taklif etilmoqda. Vakuum orqali elektromganit maydonlari va qo‘zg‘algan (zaryadlangan) zarrachalar elektronlarga ta’sir qilmasligiga esa hech qanday kafolat yo‘q. Shu sababli ham kvant kompyuterlarining yaratilishi jarayoni hozircha boshi berk ko‘chaga kirib qolgan. Lekin shunga qaramay, fiziklar bu borada ham yangicha yondoshuvlarga asoslangan yechimlarni qidirishda davom etishmoqda. Taklif etilayotgan g‘oyalardan biriga ko‘ra, kelajak kvant kompyuterlarida axborotni bitta elektronda emas, balki bir vaqtning o‘zida bir necha elektronda saqlash ko‘zda tutilgan. Chunki, tashqi xalaqit ta’sirlari odatda kvant jarayonlariga alohida-alohida zarrachalar miqyosida namoyon bo‘ladi. Aytaylik, bizdagi aynan bir xil axborot (bir bit axborot) 5 ta alohida-alohida elektronlarda saqlanmoqda. Shunday holda, ulardan alohida biriga ta’sir qilgan tashqi xalaqit omili tufayli, qolgan to‘rttasidagi axborotga zarar yetmaydi. Faqat bitta elektrondagi bit zararlanadi xolos. Lo‘nda qilib aytganda, axborot bitlarining zararlanish v yo‘qotilish ehtimoli shu tarzda pasaytiriladi (yoki butunlay yo‘qqa chiqariladi).

Olimlar bunday yondoshuvni majoritar ijro‘ deb ataydilar va bu borada ham amaliy tekshirishlar allaqachon davom etmoqda. Biroq, aytib o‘tilganidek, bu yondoshuv faqat axborotni yo‘qotish ehtimolligini kamaytiradi (bir axborotni bir necha joyda saqlash orqali). Shu nuqtai nazarda, majoritar ijro ham kvant kompyuterlari muammosi uchun mukammal yechim bo‘la olmaydi. Shu nuqtai nazardan, yanada mukammal yechimni, Nobel-2016 mukofoti fizika yo‘nalishi egalarining nazariyasi taklif etishi mumkin. Topologik o‘ta o‘tkazgichlar elektr tokini qarshiliksiz o‘tkazishi singari, topologik kvant kompyuterlari ham tashqi xalaqit omillariga shunday barqaror bo‘lishi mumkin. Topologik materiallardan foydalanish orqali, kvant muhandislari kvant kompyuterlarini haqiqatan ham real jihatdan yasay olishlari imkoniyati keskin ortadi. Bu borada AQSHlik olimlar faol ishlarni boshlab yuborishgan.

Kelajak…

Balki olimlar va muhandislar topologik materiallarning imkoniyatlaridan to‘liq foydalanishni o‘rganib olishlari uchun yana kamida 10-20 yillar o‘tishi mumkin. Lekin, taqqoslaydigan bo‘lsak, bugungi kunda hamma uchun oddiy hol bo‘lib ketgan shaxsiy kompyuterlar va mobil aloqa vositalari ham qandaydir 10-20 yillar muqaddam bizga mo‘jizadek ko‘rinar va ular haqidagi maqolalar ham qandaydir ilmiy fantastika janrdan hikoyaga o‘xshab tuyular edi. Shu nuqtai nazardan, agar sabr bilan kutsak, yaqin o‘n yilliklar ichida kvant kompyuterlari ham xuddi shunday oddiy holga aylanib ketishi mumkin. Ularning imkoniyatlari esa, tibbiyot, ilm-fan, sanoat, texnika va kundalik maishiy turmush uchun ham yangidan-yangi yutuqlar eshigini ochib beradi. Misol uchun, bugungi kundagi eng zamonaviy superkompyuterlar ham turli elementlar asosida molekulalarning shakllanish jarayonini modellashtirib bera olmaydi. Bu jarayon hozirgi avlod kompyuterlari uchun «o‘ta og‘ir» masalalar sirasiga kiradi. Oddiy bir organik molekulaning shakllanish jarayonini modellashtiradigan kompyuter hozirda juda uzoq hisoblashlarni bajarishi va jarayonda katta energiya iste’mol qilishi aniq. Boz ustiga, zamonaviy kompyuterda modellashtirilgan molekula shakllanishi jarayoni tabiiy (real) muhitdagidan xato chiqishi mumkin. Kvant kompyuterlarida esa bunday bo‘lmaydi deb ishontirishmoqda mutaxassislar. Chunki, bunday kompyuterlar juda tez ishlaydi molekula shakllanishi jarayonini aniq modellashtirib bera oladi. Bu esa ayniqsa tibbiyot sohasi, ayniqsa, farmatsevtika yo‘nalishi uchun inqilob bo‘lishi mumkin. Chunki, u yoki bu dorining ta’siri natijasida organizmning qaysi muhitida aynan qanday kimyoviy jarayon yuz berishini oldindan bilish imkoniyati paydo bo‘ladi.

Yana bir ajoyib va qiziqarli misolni kvant kompyuterlarini sun’iy intellekt sohasi uchun tadbiq etishni mo‘ljallayotgan mutaxassislar keltirishmoqda. Kvant kompyuterlarining tezkor ishlashi va katta axborotni saqlay olishi xossasida, ularga hozirgi kompyuterlar ko‘tara olmaydigan murakkab, qiyin algoritmlarni yuklash imkonini berishi kerak. Kvant kompyuterlaridan o‘quv jarayonlarida foydalanish, yoki, ular vositasida hosil qilingan sun’iy intellektni logistika, navigatsiya, avtomatlashtirish va kibernetika singari kuchli aqliy-intellektual salohiyat talab qilinadigan sohalarida keng qo‘llash mumkin. Kvant sun’iy intellekt esa odam intellektiga nisbatan tezkor ishlashi va eng to‘g‘ri variantdagi qarorni tezkor qabul qila olishi bilan bizga xizmat qilishi mumkin.

Shularni inobatga olganda, Kosterlits, Xoldeyn va Taulesslarning Nobel mukofotiga loyiq ko‘rilgan ilmiy ishlari XXI-asr kompyuter texnologiyalarida haqiqiy inqilob yasashi mumkin. Nobel mukofoti hay’ati ularning ilmiy ishlarining ahamiyatini bugun, shu yili tan olgan bo‘lsa, ehtimolki, biz va keyingi o‘n yilliklarning avlodlari, kelajakda ularning ilmiy ishlarining amaliy mahsullaridan minnatdor bo‘lib foydalansak ajab emas…