25.5. Графеновые транзисторы (спинтроника)

Спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. В спинтронике используется возможность

представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц. Развитие синтроники позволит создать компьютеры с быстодействием порядка 1 ТГц и плотностью записи информации до

1000 Тбит/см2.

25.6. Молекулярная электроника

Как реальная альтернатива “кремниевой” электронике в недалеком

будущем многими специалистами рассматривается молекулярная электроника. Тому есть несколько причин. Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Зачем разрабатывать и производить

искусственные структуры из отдельных атомов при наличии готовых строительных “блоков”? Тем более что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры. В настоящее время

существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно лишь для демонстрации принципиальных возможностей создания практически всех структур, необходимых для информационных технологий и микроробототехники. Однако нет сомнений, что в ближайшем будущем они будут играть важную роль во многих приложениях.

Рис. 25.13. Схема молекулярного транзистора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

473

Возможные применения элементов молекулярной электроники:

∙высокочувствительные химические/биохимические сенсоры для оборонных и экологических/медицинских применений;

∙ячейки памяти с большим временем хранения, высокой плотностью интеграции и малой рассеиваемой мощностью;

∙одноэлектронные мономолекулярные оптоэлектронные устройства.

25.6.1. Квантовые компьютеры

Каждое состояние квантовой системы в отличие от классической может находиться в состоянии суперпозиции. В терминах классического компьютера квантовый бит (quantum bit = кубит) в соответствии с законами квантовой механики может находиться одновременно в состоянии «0» и «1».

Наиболее популярна в соответствующей литературе попытка объяснения этой «странности» квантового мира производится на примере спина электрона, проявляющегося в экспериментах ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это свойство электрона часто изображают в виде вращения волчка с осью вращения, направленной вверх или вниз. Спин вверх можно принять за единицу, спин вниз за – ноль. Но оказывается можно показать математически, что электрон способен также находиться в «призрачном» двойном состоянии, состоянии суперпозиции, в котором спин как бы смотрит одновременно вверх и вниз. Это, в свою очередь, означает что это состояние есть одновременно ноль и единица. Если теперь проводить вычисление с помощью этого электрона, то они будут выполняться с одновременным использованием нуля и единицы, то есть два вычислительных действия так сказать «за цену одного»!

Всё это означает, что если один кубит может быть одновременно в двух суперпозиционных состояниях – 0 и 1, то два кубита могут быть уже в четырёх суперпозиционных состояниях – 00, 01, 10, и 11, представляя четыре числа сразу!

Видно, что увеличение растёт экспоненциально: на m кубитах можно выполнять одновременно вычисление над 2m числами параллельно. Это значит, что используя всего несколько сотен кубитов, можно представить одновременно больше чисел, чем имеется атомов во вселенной, что также

позволяет предполагать такое же увеличение скорости вычислений квантового компьютера по сравнению с классическим. Это предположение основано на том, что при квантовых вычислениях элементарным шагом является отдельная унитарная операция над m — кубитной суперпозицией — принцип квантового параллелизма. Иначе говоря, когда в классическом

компьютере вычисляется единственное выходное значение для одного входного, в квантовом компьютере вычисляются выходные значения для всех входных состояний. Именно этот процесс и принято называть квантовым параллелизмом.

Несмотря на всю привлекательность преимуществ предполагаемого квантового компьютера, вопрос о реальной возможности его использования

475

долгое время оставался открытым. Однако за последние несколько лет состояние дел в этой области существенно продвинулось.

Можно указать на несколько причин, по которым интерес к квантовому компьютеру резко увеличился:

−разработаны квантовые алгоритмы для решения упомянутых ранее наиболее трудных задач.

−разработана процедура коррекции квантовых ошибок, без которой практически невозможны попытки создавать квантовый компьютер.

−продемонстрирована экспериментально возможность квантовых вычислений на основе алгоритма Гровера и др. на жидкостных ядерных магнитно – резонансных (ЯМР) квантовых компьютерах.

−предложены реалистичные варианты конструкций квантовых компьютеров на основе твёрдотельных элементов:

∙на основе квантовых точек;

∙основе сверхпроводящих переходов Джозефсона;

∙ядерных спинах донорных атомов фосфора 31Р в изотопически чистом 28Si;

∙электронных спинах тех же атомов фосфора в эпитаксиальных гетероструктурах Ge1-xSix .

Как следует из всего вышесказанного, квантовый компьютер должен состоять из квантовых частиц-кубитов, которые можно рассматривать как единичные векторы в двухмерном комплексном векторном пространстве, с ортогональным зафиксированным базисом |0> и |1>.

Кубитом может быть любая двухуровневая квантовая система.

Простейшей системой с двумя состояниями является квантовая частица со спином 1\2 в постоянном магнитном поле. Такой частицей может быть как электрон, так и ядро. Безусловно, при измерениях состояния |0> или |1> должны быть физически различимы, то есть спиновое состояние должно быть каким-либо образом измерено.

Можно сформулировать наиболее общие условия создания твёрдотельного (полупроводникового) квантового компьютера на электронных (ядерных ) спинах.

Для реализации такого компьютера необходимы:

∙наличие ансамбля (регистра) кубитов;

∙наличие постоянного магнитного поля, снимающего вырождение по спину;

∙низкие температуры, приводящие перед началом работы все кубиты в нижнее (основное) состояние (делающие все электроны спин – поляризованными) и предотвращающие неконтролируемые переходы с нижних уровней на верхние (сопровождаемые переворотом спина!);

∙возможность проведения индивидуализации кубитов, с помощью

подачи напряжения на специальные операционные затворы одноэлектронных транзисторов;

476