В середине октября 2025 года я опубликовал в этом блоге статью «Квантовые загоны и квантовые миражи», описанный в которой проект фактически стал первым практическим результатом в области нанотехнологий. На современном этапе нанотехнологии стали скорее отраслью материаловедения, чем машиностроения — сооружать машины и механизмы из отдельных атомов пока практически невозможно, а напылять (готовить) поверхности со свойствами, определяемыми на атомном уровне, сравнительно легко. Одним из наиболее известных материалов, свойства которых определяются на атомном уровне, является графен.
Но в конце прошлого века, когда перспективы нанотехнологий казались гораздо более оптимистичными и достижимыми, футурологи и инженеры рассуждали о программируемых веществах, в которых каждая молекула является вычислительной единицей. Из гипотетического материала такого класса могла состоять машина Т-1000 в фильме «Терминатор-2. Судный день»; эту тему я пробовал разбирать на Хабре в статье «О жидком металле замолвите слово. Мысли об аппаратной и программной реализации Т-1000». Такой робот из мимикрирующего полисплава был фантазией вполне в духе времени, так как всего на пять лет раньше фильма вышла книга-манифест Эрика Дрекслера (род. 1955) «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологий» (выложена здесь). Сам Дрекслер сформулировал идею молекулярных вычислительных машин на основе знаменитого доклада Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики», прочитанного в Калтехе в канун 1960 года. Эти выкладки предполагали, что наряду с нанотехнологиями можно реализовать ещё более миниатюрные «фемтотехнологии». Пока эта точка зрения не подтверждается, так как на уровне атомов квантовые эффекты преобладают над классическими. Однако на этапе её развития обсуждалось, насколько реально создать «компьютрониум» — вещество с предельной вычислительной плотностью, каждый атом которого работает как ядро процессора.
Компьютрониум и клеточные автоматы
Предложили термин «компьютрониум» («вычислений») и описали этот гипотетический материал в 1991 году Норман Маргулис и Томмазо Тоффоли из Массачусетского технологического института. Они предположили, что этот материал будет первой в своём роде программируемой материей, которая позволит задействовать принципы компьютерного моделирования для создания практически любых физических объектов. Сферой научных интересов Маргулиса были клеточные автоматы, и «машина», описанная в их с Тоффоли программной статье, называлась «CAM-8», где CAM — «Cellular Automation Machine». По мысли авторов, кубический метр программируемой материи может образовывать аэродинамическую трубу, а затем практически мгновенно перестроиться в полимерную смесь. Его можно разложить на облако фермионов, собрать из него заданный пул генов, таким образом прямо с клавиатуры переходя от физических экспериментов к эпидемиологическим.
Идея возникла как мысленный эксперимент, призванный популяризовать клеточные автоматы, но вскоре была подхвачена и стала развиваться. По мысли Маргулиса, чистый компьютрониум может представлять собой «вычислительный кристалл, который, реализуя заложенные в нём алгоритмы, сам себя перестраивает по принципу клеточного автомата. В результате объёмная форма кристалла меняется, и все его молекулы участвуют в вычислениях». В то же время Бросль Хасслахер из Лос-Аламосской национальной лаборатории предполагал, что CAM-подобные вещества могут послужить сырьём для нанометровых суперкомпьютеров, где атомы компьютрониума были бы расположены в равномерно рассредоточенных квантовых точках и управлялись бы с терминала. При управлении по принципу клеточного автомата такая система проявляла бы самоорганизацию и корректировала бы собственные ошибки при моделировании.
Со временем компьютрониум стал пониматься и в более широком смысле как максимально эффективное расположение некоторого количества вещества, позволяющее по максимуму задействовать атомы этого вещества для вычислений.
Английский физик Джон Бэрроу, книгу которого мне в своё время довелось перевести на русский язык, предложил шкалу Бэрроу, которая расширяет и конкретизирует знаменитую шкалу Кардашёва. О шкале Кардашёва на Хабре написал уважаемый @SemenOk2. Такую шкалу предложил в 1967 году советский физик Николай Семёнович Кардашёв (1932 — 2019) для оценки степени развития внеземных цивилизаций. Бэрроу предположил, что продвинутые цивилизации должны не расширяться экстенсивно, захватывая всё больше пространства и ресурсов, а наоборот — всё более интенсивно использовать освоенное пространство и ресурсы. Например, вокруг родной звезды можно было бы выстроить «мозг-матрёшку». Такая гипотетическая структура является развитием концепции «сфера Дайсона», но удовлетворяет не энергетические, а вычислительные потребности цивилизации. Небольшой обзор подобных гипотетических технологий я ранее делал в публикации «О датаомах и несостоявшихся ноосферах». В идеале мозг-матрёшка должен состоять именно из компьютрониума в его второй трактовке — вещества, максимально приспособленного для вычислений на единицу массы. Именно о компьютрониуме в такой трактовке мы поговорим в оставшейся части статьи.
Вычислительная мощность материи
Итак, пусть компьютрониум — это субстанция, структура которой позволяет ей приблизиться к теоретическому пределу вычислительной мощности на данный объём вещества. То есть полезную работу при вычислениях выполняет каждый атом компьютронирума. Этот материал практически не теряет энергию в виде тепла, а затрачивает её на вычисления.
Попробуем прикинуть, как может рассчитываться вычислительная мощность на массу вещества. В современных процессорах логично измерять её во флопсах (FLOPs, операции с плавающей точкой в секунду). Другая хорошая мера — тактовая частота процессора, по которой можно судить о темпе изменения состояний в системе. Вторая метрика в случае компьютрониума выглядит менее привлекательной, так как материал должен будет затрачивать часть таких операций на вычисление, а часть — на борьбу с собственной энтропией, то есть на поддержание «слитка» или «кристалла» в рабочем состоянии, где он сохраняет способность к вычислениям. С другой стороны, атомов в макроскопическом куске компьютрониума будет так много, что материал легко распараллелит и/или конвейеризует любые задачи, поэтому тактовая частота от атома к атому может оказаться неодинаковой или переменной.
С другой стороны, современные компьютеры (в том числе, самые совершенные нейронные сети) проектировались для выполнения математических операций, которые подчиняются строгим законам, а также могут выполняться итерация за итерацией. Кажется, что компьютрониум значительно более тяготеет к эволюционным алгоритмам и обучению с подкреплением, поэтому его вычислительная мощность может выражаться не просто в количестве операций в секунду, а в количестве удачных операций в секунду и в количестве тех итераций, которые дали результат, пусть даже неоптимальным или кружным путём. Не забываем, что компьютрониум больше всего похож на клеточный автомат, поэтому, вероятно, должен перекликаться по принципу работы с культурой ксеноботов, серой слизью или слизевиками.
Как упорядочивать материю
Таким образом, недостаточно научиться собирать транзисторы размером с атом — нужно ещё и правильно располагать их в виде вычислительных контуров, реализуя на физическом носителе как граф, так и колокацию ресурсов. Здесь вырисовывается ещё одно «околобиологическое» свойство компьютрониума: вероятно, он должен состоять, как минимум, из пяти-шести видов атомов со следующими функциями:
1) Вычислительные атомы.
2) Атомы для хранения информации. Речь может идти как о постоянном хранении данных, так и о промежуточных данных, используемых только в процессе вычислений.
3) Атомы ввода/вывода, атомы сетевого интерфейса, обеспечивающие взаимодействие компьютрониума с обычными компьютерами или пользователем — вам виднее, это один вид атомов или два.
4) Атомы‑катализаторы, запускающие нужные серии вычислений. Вероятно, функционально должны быть аналогичны системным вызовам.
5) Атомы, из которых слагаются логические вентили.
Такое вещество было бы устроено сложнее, чем совершенно одноранговый слизевик, но, как упоминалось выше, компьютрониум должен быть компактным и при этом интегрироваться с уже имеющимися вычислительными системами. В данном случае различные виды атомов компьютрониума похожи по специализации на различные виды клеток крови, сосуществующие в плазме.
В данной трактовке компьютрониум сближается с ещё одной гипотетической технологией — «утилитарным туманом» (utility fog). Эту концепцию, понимаемую как реконфигурируемый рой нанороботов, предложил в 1989 году Джон Холл, считавший, что такой рой может реагировать на внешние стимулы и при необходимости мгновенно собираться, скажем, в «ремни безопасности». Утилитарный туман, возможно, заслуживает отдельной статьи на Хабре, но здесь я отмечу его важное отличие от компьютрониума: наличие сенсорных элементов, реагирующих на состояние окружающей среды. То есть компьютрониум с функциями утилитарного тумана должен был бы не просто выполнять вычисления, но и переключаться из режима в режим при изменении условий, а информацию о таких изменениях получал бы ещё от одного сорта атомов, дополняющего перечисленные выше.
Как сделать атом двоичным
Отталкиваясь от вышеизложенного, остаётся придумать, каким образом можно было бы кодировать информацию в минимальных единицах компьютрониума, и что могли бы представлять собой эти единицы с физической точки зрения. Если мы стремимся к тому, чтобы компьютрониум был двоичным, то 1 может соответствовать атом, а 0 — ион. При этом прицельно ионизировать отдельные атомы в кристаллической решётке может быть затруднительно, так как в веществе будет возрастать количество свободных электронов, а само вещество станет проявлять повышенную химическую активность. Возможно, поэтому, правильнее взять за 0 невозбуждённый атом, а за 1 — возбуждённый, где крайние электроны находятся выше своего нормального энергетического уровня (n). Технология управления таким возбуждением могла бы напоминать работу с ридберговскими атомами, о которых я писал на Хабре в начале 2026 года.
Для извлечения информации из ридберговских атомов можно использовать лазерные пучки или электромагнитные импульсы заданной частоты. Предполагается, что, в зависимости от его размеров, в одном атоме можно хранить сотни бит информации. Возвращаясь к модели компьютрониума на основе квантовых точек, которую я упоминал выше, также можно представить себе, что внутри квантовой точки будут заключены сотни или тысячи атомов в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна. Если это будут атомы тяжёлых металлов, например, хорошо изученных рубидия или цезия, а оболочка квантовых точек будет состоять из углеродных нанотрубок, то в качестве компьютрониума будут работать только капли этого конденсата, надёжно заключённые в атомных клетках, а не весь слиток или кристалл. Подобные манипуляции с атомами уже изучаются для производства и изоляции кубитов, о чём я ранее писал на Хабре в статье «Из чего удобно делать кубиты. Искусственные атомы для квантовых вычислений».
Заключение
Таким образом, ниже нанотехнологического уровня действительно просматривается пространство для дальнейшей миниатюризации технологий, и компьютрониум уже не кажется столь чистой научной фантастикой, как в 1991 году (напомню, что конденсат Бозе-Эйнштейна был впервые получен в 1995 году, а первый квантовый загон сконструировали в 1993 году). Пожалуй, единственными физическими ограничениями для создания компьютрониума, которые просматриваются сегодня, являются 1) минимальная температура, при которой продолжается движение атомов (в таком качестве можно принять температуру реликтового излучения, составляющую около 2,7 K) и 2) радиус Шварцшильда, присущий квантовой точке, по достижении которого она превратится в миниатюрную чёрную дыру. Гипотезы о том, обладает ли информация массой, и может ли квантовая точка спонтанно обрасти горизонтом событий из-за переполнения информацией, определённо выходят за рамки этой статьи. Однако при производстве компьютрониума наверняка потребовалось бы учитывать предел Бекенштейна — величину, позволяющую рассчитать, какой максимальный объём информации может содержаться в заданной области пространства.
С учётом всех этих вводных позволю себе причислить компьютрониум к невозможностям второго класса по Митио Каку, а ваши мнения и идеи рассчитываю посмотреть в комментариях.
Автор: OlegSivchenko
