В начале 20-го века электричество и ДВС полностью изменили города и дома, а также то, как мы живем, работаем, проникли практически во все аспекты повседневной жизни. Сегодня мы находимся на схожем этапе развития, за исключением того, что можно выделить сразу три ключевые отрасли, способные кардинально изменить мир: редактирование генов, новые вычислительные архитектуры и материаловедение. Эти технологии могут быть такими же преобразующими, как электричество и внутреннее сгорание, что положило начало 50-летнему буму производительности.
CRISPR
CRISPR — это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. В основе этой системы — особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы, или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Между идентичными повторами располагаются отличающиеся друг от друга фрагменты ДНК — спейсеры, многие из которых соответствуют участкам геномов вирусов, паразитирующих на данной бактерии. При попадании вируса в бактериальную клетку он обнаруживается с помощью специализированных Cas-белков (CRISPR-associated sequence — последовательность, ассоциированная с CRISPR), связанных с CRISPR РНК.
Если фрагмент вируса «записан» в спейсере CRISPR РНК, Cas-белки разрезают вирусную ДНК и уничтожают ее, защищая клетку от инфекции. В начале 2013 года несколько групп ученых показали, что системы CRISPR/Cas могут работать не только в клетках бактерий, но и в клетках высших организмов, а значит, CRISPR/Cas-системы дают возможность исправлять неправильные последовательности генов и таким образом лечить наследственные заболевания человека.
Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон и их коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Франциско применили инструмент редактирования генов для изучения, какие гены затрагивают конкретные антибиотики. Они планируют лучше понять существующие антибиотики или разработать новые. Резистентность болезнетворных патогенов к существующим антибиотикам является растущей проблемой, которая, по оценкам, может поставить под угрозу миллионы жизней. Техника под названием Mobile-CRISPRi позволяет ученым проводить скрининг функции антибиотиков у широкого спектра патогенных бактерий.
Квантовые вычисления
В последние несколько десятилетий мы наблюдали цифровую революцию, которая в значительной степени движима законом Мура, который гласит, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Чуть позже появилась разновидность закона, где фигурирует не два года, а 18 месяцев. Это связано уже не с Муром, а с Давидом Хаусом из Intel. По его мнению, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за одновременного роста как количества транзисторов, так и быстродействия каждого из них.
Гордон Мур в 2007-м году заявил, что уже через 10-15 лет дальнейший процесс миниатюризации транзисторов натолкнется на фундаментальные законы физики. При этом г-н Мур сослался на мнение известного британского физика-теоретика Стивена Хокинга, который считал, что фундаментальными пределами развития микроэлектроники является скорость света и атомарное строение материи. Таким образом, выявление нового способа повышения производительности вычислений уже продолжительное время было основной областью изучения.
Квантовые вычислительные системы считаются одной из самых перспективных технологий на данный момент. Предполагается, что они станут основой для полноценного искусственного интеллекта, смогут упростить аэрокосмические и военные системы, смоделировать новые материалы и лекарства. Также не исключено, что в будущем квантовые системы смогут улучшить игровые проекты в виртуальной реальности, моделируя любые физические законы в вымышленных мирах.
В широком смысле квантовый компьютер — это вычислительное устройство, использующее для передачи и обработки данных явления квантовой механики.
Его главное отличие от обычного компьютера — метод предоставления информации. В классическом вычислительном устройстве обработка информации достигается посредством бинарного кода, который обладает двумя базовыми состояниями — нулем и единицей. И может находиться лишь в каком-то конкретном.
В свою очередь работа квантового компьютера основана на концепции суперпозиции, а вместо обычных битов применяются кубиты. Благодаря суперпозиции кубит может иметь значения, полученные за счет комбинирования нуля и единицы, так что он может иметь два этих состояния одновременно. Благодаря этому квантовые компьютеры потенциально способны демонстрировать высочайшую производительность в вычислениях. Важной вехой для квантовых технологий считается достижение так называемого квантового превосходства (Quantum supremacy) — способности производить вычисления быстрее классических систем.
Первые квантовые компьютеры уже начинают производиться. Так, IBM в начале года представила Q System One – компактный модульный квантовый компьютер, который сами представители компании окрестили "первой в мире интегрированной универсальной квантовой вычислительной системой, разработанной для научного и коммерческого применения". Купить этот компьютер пока нельзя. Ученые и компании смогут арендовать его в квантовом вычислительном центре, который IBM в ближайшее время откроет в городе Покипси (штат Нью-Йорк, США). В дальнейшем он появится в свободной продаже.
IBM Q предлагает 20-кубитное вычисление с использованием классических компьютерных компонентов и квантовых решений. Компьютер довольно массивный — это герметичный корпус в форме куба с гранью длинной 2,75 м, который выполнен из боросиликатного стекла толщиной 1,27 см. Помимо квантового процессора в корпусе Q System One располагаются различные управляющие модули, а также система охлаждения.
Материаловедение
Чтобы создавать новое будущее, где используются экологически чистая энергия, нам нужны более эффективные солнечные батареи, ветряные турбины и аккумуляторы. Производителям нужны новые материалы для создания более совершенных продуктов. Нам также необходимо заменить материалы, подверженные перебоям в поставках, такие как редкоземельные элементы.
Традиционно разработка новых материалов была медленным, кропотливым процессом. Чтобы исследовать свойства материалов, ученым часто приходится тестировать сотни или даже тысячи материалов. Это сделало исследование материалов непомерно дорогим для большинства отраслей.
Тем не менее, сегодня очень важное место в иерархии знаний занимает материаловедение — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся: структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ.
Материаловедение использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов.
Сегодня применяются новые методы моделирования в сочетании с возросшей вычислительной мощностью и машинным обучением, что позволяет исследователям автоматизировать большую часть процесса обнаружения необходимых свойств, что значительно ускоряет разработку новых материалов.
