Научно-исследовательская работа на кафедре сапр спбгэту «лэти»

Замечание. Эмерджентность (от англ. «emergent» – возникающий, неожиданно появляющийся) в теории систем – наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих отдельным её элементам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; синоним – «системный эффект». В биологии, например, скопление отдельных клеток – ещё не организм. В химии соединение водорода с кислородом, каждый из которых обладает рядом особенных свойств, даёт по формуле H₂O новое вещество – воду.
Симуляция наноструктур на уровне отдельных атомов давно стало важнейшим исследовательским инструментом наук о строении вещества. Так, Нобелевская премия по химии в 1996 г. была присуждена авторам метода функционала плотности. Этот метод компьютерного моделирования, благодаря уникальному сочетанию высокой точности и эффективности, буквально открыл новые измерения для химиков и физиков, занимающихся вопросами структуры и свойств молекулярных систем.
На сегодняшний момент, по мнению экспертного сообщества, существует разрыв между реально проводимыми экспериментами и соответствующими виртуальными моделями. С одной стороны, доступные методы управления структурой вещества на наноуровне не всегда позволяют с достаточной точностью и достаточной универсальностью изготавливать объекты с произвольной требуемой атомарной структурой. С другой стороны, существующая вычислительная техника и методы моделирования часто не позволяют учесть в модели все релевантные детали реального объекта (дефекты, окружающая среда и т. д.).
Любопытно, что в биотехнологиях методы «виртуального скрининга» позволяют в тысячи раз сократить необходимый труд химиков по синтезу соединений кандидатов в лекарства, снизить необходимость применения дорогостоящего оборудования для автоматизированной проверки кандидатов на биологическую активность. При этом, стоимость разработки лекарственного препарата снижается на сотни тысяч и даже миллионы долларов, а сроки его выхода на рынок сокращаются на несколько лет.
Реализация огромного потенциала нанотехнологий в полной мере требует создания сложных функциональных наносистем с атомарной точностью: необходимо уметь контролировать положение каждого индивидуального атома при создании таких систем.
Направлять развитие нано производства можно только при условии опережающего исследовательского проектирования. Подтверждением служат исторические факты:

• 
  именно с помощью квантово-химических расчётов за 12 лет до экспериментальной расшифровки структуры была продемонстрирована стабильность фуллеренов;
  
• 
  теоретические расчёты электронной структуры углеродных нанотрубок, а также предсказание о высокой прочности этих наноструктур послужили толчком для взрывного роста интереса к углеродным нанотрубкам сразу после их обнаружения;
  
• 
  отправной точкой для создания квантового компьютера послужило предложение о возложении функции памяти на различные квантовые двухуровневые системы;
  
• 
  задачи моделирования являются наиболее актуальными для продвижения современной нанотехнологии в область нанометровых масштабов. В повестке дня стоит и моделирование физических свойств различных сложных органических, молекулярных и биологических систем, искусственных полупроводниковых материалов и структур и т. д.;
  
• 
  специалисты в области теории физики вычислений пришли к признанию того факта, что квантовая физика поддерживает принципиально другую парадигму организации вычислений; её суть состоит в том, что вычисления выполняются цифровым способом, но управление является аналоговым;
  
• 
  парадигма квантовых вычислений открывает существенно новые характеристические свойства символьной обработки данных;
  
• 
  наконец, вся область нанотехнологий во многом обязана проявляемым к ней научным и техническим интересам, а именно к детальному теоретическому анализу перспектив этой области, проведённому с использованием методов компьютерного моделирования; об этом, в частности, хорошо повествует Э. Дрекслер в своей книге «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation».
  

При выполнении Инновационной образовательной программы (ИОП) на ФКТИ, в целом, и на кафедре САПР, в частности, в результате научно-исследовательских работ, связанных с разработкой волновых и квантовых методов представления и обработки данных для информационно-аналитических систем, была подготовлена монография «Комплементарное моделирование в средах САПР: виртуализация квантовых объектов информации». В этой монографии в качестве краткосрочной перспективы развития САИПР рассмотрено создание сред виртуальных инструментов, обеспечивающих [19], [17]:

• 
  возможность самостоятельного тиражирования и поддержку саморазвития исполнительных компонент на базе вариативных виртуальных активностей;
  
• 
  расширение числа проектных процедур, основанных на формализованных методах и шаблонах, для формирования оптимальных вариантов n-кубитных преобразований посредством квантовых цепей;
  
• 
  развитие аппарата алгебры операторов и векторной алгебры логики для математической платформы как языка функциональных спецификаций квантовых цепей, так и для решения задач их функционально-физического анализа;
  
• 
  применение p-адической машинной арифметики в неархимедовом пространстве квантовых вычислений и др.
  

Принципиально важным итогом явилось предложение рассматривать парадигму предмета исследований как виртуальную интеллектуальную среду, находясь в которой специалисты, общаясь между собой, создают «образ» предмета, некую систему взглядов, образ мышления и т. д. Процесс создания парадигмы и является, на наш взгляд, главной задачей тех, кто добывает новое фундаментальное знание, которое впоследствии материализуется благодаря проектной деятельности по созданию принципиально новых образцов техники и технологий в интересах когнитивной экономики.
7.2. Квантовые объекты информации
Проблема онтологических оснований информации, в том числе квантовой информации, является одной из самых актуальных проблем в процессе философского осмысления информационного подхода, имеющего статус общенаучного. Равно как и проблем, возникающих в ходе развития информатики в качестве научной дисциплины. [1], [22], [13], [4]
Современное естествознание стремится точнее описывать реальность и поэтому формулирует законы не столько для изолированных систем, сколько для систем открытых, которые обмениваются с окружающей средой материей, энергией и информацией. Именно такие системы и составляют тот мир, в котором мы живём и который имеем возможность познавать. Такие системы находятся в непрерывном изменении, причём это изменение происходит в определённом направлении: от хаоса к порядку. Синергетика – одна из новейших междисциплинарных концепций – пришла к выводу, прямо противоположному классической физике. Этот вывод заключается в том, что суть законов движения, определяющих тенденции взаимодействия в мире, состоит в том, что конечное состояние, к которому стремятся все существующие системы, – не хаос, что утверждалось в одном из начал равновесной термодинамики (законе возрастания энтропии), а, напротив, – порядок.
Применительно к информационным технологиям, взаимодействие материального и идеального при протекании информационных процессов реализуется через взаимодействие двух компонент: элементной базы, аппаратных средств, комплектующих (hardware) – т. е. материальной составляющей, и программного обеспечения (software) – т. е. идеальной (логической) составляющей. По этой причине основным онтологическим вопросом развития информационных технологий является вопрос об отношении аппаратных средств и программного обеспечения. Нетрудно увидеть аналогию между основным вопросом развития информационных технологий и основным вопросом философии (вопрос об отношении материи и сознания, материального и идеального). Эта аналогия имеет под собой историческое основание. Через всю историю возникновения и развития информационных технологий красной нитью проходит проблема соотношения естественного и искусственного интеллектов, мозга и компьютера (ЭВМ). В этом ракурсе анализ онтологических проблем развития информационной реальности трансформируется в анализ онтологических проблем развития информационных технологий, который распадается на два коррелирующих между собой направления: 1) анализ развития аппаратных средств, «железа» (hardware) и 2) анализ развития программного обеспечения (software).
Эволюция аппаратных средств информационных технологий детерминирована развитием естествознания (в первую очередь – физики, химии, нейрофизиологии и др.) и техники (электротехника, электроника, микроэлектроника, наноэлектроника и др.). Здесь необходимо отметить взаимосвязь между этапами научного познания материи (от макромира к микромиру) и этапами создания и развития вычислительной техники (от механических счётных машин XVII века к квантовому компьютеру, создание которого прогнозируется в первой половине XXI века). Таким образом, характер и направление развития информационных технологий в аппаратной части в определённой степени зависят от состояния научного познания различных уровней объективной реальности в естествознании.
Эволюция программного обеспечения определяется главным образом развитием математики, логики, лингвистики, психологии [2], [13], [6], [17]
Принимая во внимание вышесказанное, можно сформулировать основную онтологическую проблему развития информационных технологий: проблему когерентности (соответствия) аппаратных средств («hardware») и программного обеспечения («software»).
Другую важную онтологическую проблему развития информационной реальности, а значит, и информационных технологий, составляет взаимосвязь уровней организации материального мира, и, прежде всего, макро- и микромира (классического и квантового миров). Несмотря на рост быстродействия вычислительной техники в ряде случаев время на решение с её помощью тех или иных задач стремится к бесконечности. Например, самому быстрому на сегодняшний день компьютеру потребуется более 14 млрд. лет для расшифровки кода с ключом в 256 бит. Речь идёт об отрезке времени, сопоставимом с возрастом Вселенной. В этом примере отражён тот факт, что существующие сегодня информационные технологии, реализованные на основе закономерностей макромира, имеют предел в своё развитии. Согласно закону взаимного перехода количественных изменений в качественные, неизбежен переход к новым технологиям, в основу которых будут положены иные природные закономерности, и, как следствие, аппаратная часть информационных технологий будет реализована на ином уровне организации физической реальности – на квантовом уровне.
Речь идёт о переходе к использованию в аппаратной части информационных технологий процессов, протекающих в микромире – на атомном и субатомном уровнях организации материи. Таким образом, следующий виток развития информационной реальности связан с развитием квантовой физики.
В перспективе, развитие нанотехнологий позволит кардинальным образом обновить «начинку» компьютерной техники. Приблизительно через 10 лет миниатюризация микросхем, протекающая нынешними темпами, исчерпает себя. Следовательно, неизбежен переход аппаратной части информационных технологий в новое качество. В частности, ставшие сегодня классическими чипы на основе кремния будут заменены на чипы из полимеров и биополимеров, созданных с применением нанотехнологий. Память компьютеров станет трёхмерной, при этом может быть использован голографический способ записи информации.
Пиком развития нанотехнологий может стать создание квантового компьютера¹. Теоретические выкладки показывают, что квантовый компьютер (кубит) из 50 атомов будет иметь большую вычислительную мощь, чем все ныне существующие компьютеры, вместе взятые². Основная проблема, возникающая в процессе создания квантового компьютера, заключается в том, каким образом получить от атомов результат вычисления и каким образом осуществить ввод и вывод информации.
Учитывая требование соответствия аппаратных средств и программного обеспечения, следует ожидать кардинальных изменений в программной части информационных технологий. Суть этих изменений в том, чтобы обеспечить надлежащие способы ввода и вывода информации для пользователя, который живёт в макромире.