Одноэлектронный транзистор

Больших успехов физики добились в создании одноэлектронных транзисторов начиная с 90-х гг. XX в.

Переход элементов электроники на наноразмеры поставил задачу передачи и обработки информации за счет использования отдельных частиц (электронов, фотонов). В микроэлектронике измеряется сила тока – потока электронов, который можно рассматривать как поток сплошной электронной «жидкости». В наноэлектронике ток в принципе состоит из квантовых частиц, и существенными для надежности информации становятся флуктуации (случайные отклонения) силы тока. Чтобы остаться в рамках классической информатики с ее битами, надо перейти к передаче информации с помощью одного электрона и решить задачу его фиксации. В вакууме регистрация отдельных частиц ис-1 пользуется давно, но в твердом теле на отдельный 1 электрон действует слишком много факторов, от различных дефектов до тепловых колебаний. Следовательно, электрон должен быть связан не с макроскопическим твердым телом, а с кластером. Электроемкость кластера мала, и энергия связи электрона с ним оказывается достаточно велика по сравнению с энергией теплового движения. Если еще понизить температуру до температуры жидкого гелия (4,2 К), мы получим для кластера в 20-30 нм одноэлектронный транзистор. I При комнатных температурах создание одноэлектронного транзистора потребует уменьшения кластера до 1-2 нм. Тем не менее такие работы выполняются, в том числе российскими учеными [4].

Новая логика

В обычных компьютерах используется логика, основанная на двоичной системе. Это условие было заложено в принципиальную схему компьютера еще Д. фон Нейманом. Логика, по которой работает мозг животных и человека, видимо, более сложена.

Биологический компьютер – один из вариантов создания новой логики. В развивающихся схемах нейросетей отдельные операции производятся не последовательно, а параллельно. Новая логика будет развиваться также на основе клеточных автоматов и квантовых компьютеров, каждый из которых предназначен для эффективного решения своего круга задач.

В клеточных автоматах состояние каждого элемента определяется текущим состоянием соседних элементов. Это имитация коллективного поведения клеток в организме, изящно реализованная в известной интел­лектуальной игре «Жизнь» [7, 8]. В этой игре на клетчатой бумаге первоначально закрашиваются те клетки, которые считаются «живыми». Вокруг каждой клетки есть 8 ближайших. В каждом последующем шаге «умирают» те клетки, вокруг которых из 8 соседей оказалось слишком много «живых» (больше трех) или слишком мало (меньше двух). В свою очередь, «оживают» те клетки, около которых оказываются 3 живых. Развитие такой системы в целом можно наблюдать на сайте [8]. Клеточные автоматы окажутся полезными для таких компьютерных функций, как, например, распознавание образов или сверхстойкое шифрование. Они мо­гут быть созданы на базе взаимодействующих наноэлементов (квантовых точек, наномагнитов), образующих сверхрешетку. В одном из лабораторных вариантов был изготовлен подобный клеточный автомат в виде «бестранзисторного» процессора на основе железно-никелевых наномагнитов на никелевой подложке. Как известно, одним из достоинств магнитной памяти является то, что она сохраняется в отсутствие электричества. Плюсом является также малый размер наномагнитика. В Японии ведутся работы по созданию клеточного автомата из нанометровых компонентов, которые надеются создать за счет самоорганизации в процессе химического синтеза.

Одно лишь уменьшение размеров транзисторов и использование квантовых закономерностей при их работе не приведет к созданию квантового компьютера. Переход к квантовому компьютеру требует изменения представлений о характере информации. Основой нового подхода к информации для квантового компьютера является квантово-механическое представление о состоянии физического объекта.

Классический бит основан на физической системе, находящейся в одном из двух состояний, которым приписывается значение «1» - «0» («да» - «нет»). При­мером может быть атомный магнитик, ориентированный или по, или против внешнего магнитного по­ля. Если он находится в одном состоянии с вероятностью, равной 1, то при этом вероятность его на­хождения в другом состоянии равна 0.

В квантовой механике состояние системы представляет собой суперпозицию (сложение с разной вероятностью) двух базовых состояний, соответствующих значе­ниям «0» и «1». Система находится как бы сразу в обо­их состояниях, но с разной степенью вероятности. Изменение состояния происходит за счет изменения этой вероятности. Информация в квантовом компьютере представляется такой квантовой системой, квантовым битом или кубитом (quantum bit, qubit). В качестве физических носителей квантовых битов (кубитов) могут быть ионы, фотоны, атомы, ядерные спины, в том числе в твердой матрице, эндоэдральные молекулы фуллеренов.

Интерес к квантовому компьютеру объясняется ко­лоссальной скоростью вычислительных операций по сравнению с классической логикой. Чтобы промодели­ровать N операций квантового компьютера, обычному компьютеру понадобится 2^N операций. Идея о квантовых вычислениях принадлежит советскому математику Ю. И. Манину (1980). Толчком к активным обсужде­ниям стало высказывание Р. Фейнмана (1982), что система из N квантовых двухуровневых элементов (элементов с двумя базовыми состояниями) может быть задана с помощью 2^N классических битов, что может оказаться невозможным для обычного компьютера. Отсюда был сделан обратный вывод, что сложные («невычисляемые») задачи, практически недоступные компьютеру с обычной логикой, могут быть решены на квантовом компьютере. В частности, это моделирование процессов в приборах и устройствах наноэлектроники, моделирование процессов в сложных молекулярных и биологических системах. Р. Фейнман предложил первую теоретическую схему квантового компьютера.

Однако некоторые задачи, решаемые с помощью классических компьютеров, на компьютере квантовом требуют не меньшего времени. Академик К. А. Валиев пишет: «По-видимому, место квантовых компьютеров в компьютерном мире XXI в. можно определить следующим образом: они не вытесняют, а дополняют существующий компьютерный мир» [10*].

По сложности задачу создания квантового компью­тера сравнивают с реализацией проекта межзвездных перелетов. На настоящий момент теоретические возмож­ности квантового компьютера известны достаточно хорошо, разрабатываются все новые алгоритмы их создания. Но реально долгое время удавалось создавать только системы из нескольких кубитов. Задача присоединения каждого нового кубита к системе в общем случае не решалась, в конкретных экспериментах каждый раз ее решали индивидуально.

Однако в феврале 2007 г. в музее истории компьютеров в Силиконовой долине США канадская компания «D-Wave Systems» презентовала квантовый компьютер «Орион» из 16 кубитов (рис. 6.3). Одна квантовая операция на нем эквивалентна 65 536 операциям на обычном компьютере. Правда, он пока каждую свою операцию выполняет в тысячу раз медленнее обычного персонального компьютера.

Около 4 млрд состояний могут образовать 32 кубита, а при наборе из 300 кубитов квантовый компьютер в принципе способен найти 2³⁰⁰ возможных решений – это число примерно равно числу всех элементарных частиц во Вселенной.

Для того чтобы создать квантовый компьютер на N кубитах, необходимо иметь N частиц, например электронов, строго в одном и том же квантовом состоянии. Но электронам это запрещает так называемый запрет Паули. Канадские ученые использовали одинаковые пары электронов в сверхпроводнике при температуре, предельно близкой к абсолютному нулю. При таких температурах электроны объединяются в пары с противоположными спинами, так что суммарный спин такой пары равен нулю, и она уже не подчиняется запрету Паули.

С «Орионом» в день презентации можно было связаться через Интернет и дать ему задачу. «Орион» рассматривался многими специалистами как первый коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер.

Возникающее при взаимодействии кубитов запутанное состояние является основой телепортации – передачи квантового состояния двухуровневой системы неизвестного отправителя А к получателю В без реального перемещения системы. В свою очередь, телепортация дает принципиально новый метод криптографии,, столь важный для обеспечения технических, военных,) политических секретов.

Недавно на мировом рынке появились генераторы I случайных чисел и дистрибьюторы («обменники») с секретными ключами, использующие квантовые алгоритмы (но не квантовый компьютер).