ДЕЯКІ НАПРЯМКИ КВАНТОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ (СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ЕЛЕКТРОНІКА, ОДНОЕЛЕКТРОНІКА, СПІНТРОНІКА, КВАНТОВА ІНФОРМАЦІЯ)

Сверхпроводниковая електроніка зародилася в 1960-і рр. після відкриття принципово нового явища - протікання постійного і виникнення змінного надпровідного струму через тонкий вакуумний або діелектричний зазор, що розділяє два надпровідника (ефект Джозефсона), передбаченого в 1962 р і підтвердженого експериментально через два роки. Фізичні об'єкти, в яких має місце ефект Джозефсона, прийнято називати джозефсоновские переходами, або джозефсоновские контактами. Для того щоб уявити собі ту роль, яку вони грають в надпровідникової електроніці, можна провести паралель між ними та напівпровідниковими р-п-переходами - елементної базою традиційної напівпровідникової електроніки.

Системи з джозефсоновские переходами мають унікальні фізичні властивості (джозефсоновские генерація електромагнітного випромінювання, квантування магнітного потоку, негативна індуктивність і ін.), Характеризуються надзвичайно низьким енерговиділенням і малим часом процесів перемикання. Саме ці якості дозволяють створювати надпровідні аналогові, аналого цифрові і цифрові пристрої з рекордно високою чутливістю і високими робочими частотами. В даний час розробляється нова технологія цифрових пристроїв швидкої одноквантовой (БОК) логіки, або RSFQ (rapid single flux quantum) logik. У них носіями логічної інформації є поодинокі кванти магнітного потоку і одноквантовие імпульси напруги, що генеруються джозефсоновские елементами при проходженні через них квантів магнітного потоку. Перспективними напрямками використання в найближчому майбутньому надпровідникових RSFQ-схем будуть високопродуктивні обчислювальні системи і пристрої обробки зображень для широкого спектра задач в науці і техніці, в тому числі для надчіткого цифрового телебачення і створення елементної бази комп'ютерів.

У загальних рисах вже зрозумілі напрямки, в яких може розвиватися область фізики, що займається вивченням пристроїв, заснованих на контрольованому русі окремих електронів - одноелектронікі.

Перший - побудова звичайних схем на основі одноелектронних транзисторів. Друге пов'язане з особливостями одноелектронних ефектів. Якщо безліч мікроскопічних провідників з'єднати між собою тунельними переходами, поведінка електронів в кожному з них стане залежати від розподілу часток в сусідніх елементах. Така система здатна виконувати логічні дії, і тому її можна використовувати як процесор ЕОМ.

У 2007 р А. К. Гейм і К. С. Новоселов з групою дослідників з Манчестерського університету створили одноелектронний транзистор, побудований на основі графену. Цікаво, що цього ж авторського колективу належить пальма першості і у відкритті самого графена (2004), за передові досліди з яким вони були удостоєні Нобелівської премії з фізики 2010 р

Графен - шар атомів вуглецю, з'єднаних в гексагональну (шестигранну) двовимірну кристалічну решітку. Його можна уявити як одну площину графіту, відокремлену від об'ємного кристала. Як було отримано новий матеріал? Співробітники групи Гейма і Новосьолова поміщали лусочки пиролитического графіту на стрічку-скотч, складали її клейким шаром всередину і потім «роздирали», в результаті чого чешуйка поділялася на дві. Багаторазове повторення операції дозволило отримувати все більш тонкі лусочки, при дослідженні яких виявилося, що товщина деяких з них становить усього один атомний шар!

За оцінками, графен володіє великою механічною жорсткістю і хорошою теплопровідністю. Недавні дослідження показали, що графен є найтвердішим з відомих науці матеріалів на Землі. Виявилося також, що графен як чистий бездефектний кристал при кімнатній температурі проводить електрони швидше за всіх інших речовин. З чим це пов'язано? Для пояснення цього факту необхідно звернутися до квантової електродинаміки. Графен дає можливість перевірити одне з найбільш інтригуючих явищ, передбачених цією теорією, так званий ідеальний квантовий тунельний ефект. Він полягає в тому, що коли швидкий електрон в графені наближається до потенційного бар'єра, електрон виявиться по ту сторону бар'єру зі 100% -ною вірогідністю (на відміну від квантовомеханічного тунельного ефекту, для якого є ненульова, але не 100% -ва ймовірність тунелювання частинки ). Дуже висока електропровідність графену підтверджує цей прогноз. Очікується, що новий матеріал дозволить продемонструвати й інші ефекти квантової електродинаміки.

Ще одне практичне значення робіт манчестерської групи полягає в тому, що вченим вдалося спостерігати квантовий ефект Холла на графенових пристрої при кімнатній температурі. До цього ефект спостерігався в тонких плівках або двовимірному електронному газі і тільки при дуже низьких температурах Г ~ 4,2 К. Всі спроби підвищити температуру, при якій можна було помітити квантовий ефект Холла (хоча б до 40 К) виявилися невдалими. Тепер завдяки графену ця задача вирішена.

Одноелектронні і графенові пристрої відкривають багатообіцяючі перспективи для розвитку мікроелектроніки, виробництва надміцних композитів, надшвидкодіючих транзисторів, квантових комп'ютерів. Активні пошукові дослідження в цьому напрямку тривають.

Важливий внесок у розвиток інформаційних технологій був зроблений Чарльзом КУЕН Као (р. 1933), Уіллардом Бойл (1924-2011) і Джордж Сміт (р. 1930) лауреат Нобелівської премії з фізики 2009 р Као стояв біля витоків оптоволоконної технології передачі даних . Бойл і Сміт винайшли напівпровідниковий пристрій, що дозволяє безпосередньо, минаючи фотоплівку, отримувати цифрові фотографії. Вчені придумали новий метод передачі даних, названий зарядним зв'язком. Прилади з зарядовим зв'язком (ПЗС) давно використовують в компактних цифрових фото- і відеокамерах, медичній діагностиці, детекторах для реєстрації елементарних частинок, які народжуються на коллайдерах, сучасних наземних і космічних телескопах.

Магістральним напрямом сучасної квантової електроніки є спінтроніка ( «спінова електроніка»). Ця галузь науки вивчає взаємодію спінів електронів з електромагнітними полями, і на основі виявлених явищ і ефектів здійснюється розробка відповідних приладів і пристроїв. Інтерес дослідників до спінтроніці виник в 1988 році у зв'язку з виявленням ефекту гігантського магнітоопору (ГМС). Відкриття було зроблено незалежно двома групами дослідників на чолі з Ал'бером Фертом (р. 1938) і Петером Андреасом Грюнбергом (р. 1939), що стали згодом Нобелівськими лауреатами з фізики в 2007 р

Ефект ГМС полягає в тому, що шаруватий провідник, в якому надтонкий шар немагнітного металу, що знаходиться між двома шарами ферромагнетиков, різко змінює свій електричний опір під впливом навіть дуже малих змін магнітного поля. На основі ГМС були створені високоточні сенсори магнітного поля, датчики кутового обертання, модулі пам'яті MRAM, а також зчитувальні ГМС- головки жорстких дисків.

Фахівці виділяють три основні напрями розвитку спінтроніки: квантовий комп'ютер (для його реалізації передбачається задіяти спини в напівпровідникових квантових точках і ямах - спінові кубіти, які можуть перебувати в двох стійких станах, «спін-вгору» і «спін вниз», відповідних логічним « 0 »і« 1 »), спіновий польовий транзистор (його робота ґрунтується на ефекті магниторезистивного тунелювання спинив через прошарок ізолятора, вміщену між шарами феромагнітного металу), спінова пам'ять (тут вико ьзуется той факт, що напрямок спина не обов'язково приймає два фіксованих положення, що відповідають логічним «О» і «1», а може мати і проміжні фази; таким чином, спінтроніка дозволяє перейти від бітів до так званим фитам - фазовим числах - здатним приймати більше значень).

Далі мова піде про квантової інформації - передовому міждисциплінарному науковому напрямку, заснованому на ідеях квантової фізики та інформатики. На початку 1980-х рр. П. Бенефф, Р. Фейнман, Д. Дойч і Ю. І. Манін показали, що квантова механіка не тільки не обмежує обчислювальних можливостей, але і дозволяє в ряді випадків істотно їх розширити. Найпростішою системою, яка виконує функцію, аналогічну бітам в класичних комп'ютерах, є система q-біт (кубіт) - квантовий біт інформації - стан квантової системи з двома станами | 0> і | 1>. На відміну від класичних бітів, кубіти можуть одночасно перебувати в різних квантових станах, що представляють собою суперпозицію Ю> і | 1>. Фізичними системами, що реалізовують кубіти, можуть бути будь-які об'єкти, що мають два квантових стану: поляризаційні стану фотонів, електронні стану ізольованих атомів або іонів, спінові стану ядер атомів і ін. Повномасштабний квантовий комп'ютер повинен містити велику кількість кубітів (сотні і навіть тисячі), щоб на ньому дійсно можна було вирішувати реальні завдання.

До однієї з основних проблем, що стоять на шляху реалізації квантового комп'ютера, відноситься швидкий розпад суперпозіціонного станів і перетворення їх в суміш. Цей процес називають декогеренції. Вона накладає головна вимога на фізичні елементи в квантових комп'ютерах: час збереження когерентності станів повинно бути більше часу обчислень.

Хоча ідея про можливість створення квантових комп'ютерів була висловлена ще 1980-х рр., Реальні результати по її втіленню досягнуті тільки в кінці 1990-х рр. Сучасний стан теорії та експериментального забезпечення ядерно ного магнітного резонансу (ЯМР) дозволяє вважати його одним з найпотужніших методів отримання інформації про будову і поведінку багатоелектронних систем. В арсеналі ЯМР є широкий набір імпульсних радіочастотних послідовностей, які можуть забезпечити виконання унітарних перетворень над системою кубітів з селективним впливом на кожен з них. Саме за допомогою ЯМР був вперше реалізований елементарний квантовий алгоритм (1998) з використанням двох кубітів, в якості яких в одному випадку виступали спини ядер атомів водню (протони), а в іншому - водню і вуглецю. Протягом наступних років у цьому напрямку була виконана серія робіт, спрямованих на збільшення числа ЯМР-кубітів в елементарному квантовому процесорі. Так, групою А. Чуанг з Компанії IBM створено квантовий комп'ютер з розрядністю 7 кубіт. У Росії розробкою питань фізичної реалізації квантового комп'ютера займається ряд дослідницьких груп, ядро яких складає наукова школа академіка Каміля Ахметович Валієва (1931-2010).

У 2007 р канадська компанія D-Wave продемонструвала перший квантовий комп'ютер Orion в Комп'ютерному музеї в Каліфорнії. Комп'ютер D-Wave побудований на кремнієвому чіпі і містить 16 кубітів, з'єднаних один з одним. Кожен кубіт складається з кристала надпровідного ніобію, поміщеного в котушку індуктивності. Електричний струм, що протікає по котушці, генерує магнітне поле, а воно, у свою чергу, змінює стану кубіта. Оскільки відомо, як ніобій реагує на магнітні поля, і параметри магнітних полів можна виміряти, то їх зміни, викликані ніобієм, можуть бути переведені в результат, який і буде рішенням завдання. Важлива перевага такої системи полягає в тому, що комп'ютер має мінімальну витрату енергії, так як ніобій - надпровідник і, таким чином, не випромінює тепло, а квантовий чип розсіює потужність всього кілька нановатт. В силу властивих йому квантових властивостей комп'ютер фірми D-Wave оптимізований для реалізації складних задач моделювання. Система може використовуватися і в інших областях, наприклад при аналізі патентних баз даних, для пошуку пар однакових або перекриваються об'єктів інтелектуальної власності та ін.

У 2011 р був представлений комп'ютер D-Wave One, створений на базі 128-кубітного процесора. За допомогою цього комп'ютера була успішно вирішена задача про знаходження тривимірної форми білка по відомій послідовності амінокислот.

Поговоримо тепер про сфери застосування квантової інформації. Почнемо з криптографії, яку використовують для передачі конфіденційної інформації по відкритих каналах зв'язку (наприклад, через Інтернет) і для встановлення достовірності переданих повідомлень. Властивість квантових об'єктів змінювати стан при вимірюванні як не можна краще підходить для забезпечення секретності повідомлень, переданих по відкритих мережах. Перший криптографічний протокол обміну даними, заснований на квантових властивості фотонів, був придуманий Ч. Беннет і Ж. Брассар в 1984 р Одне з найважливіших досягнень в галузі квантової криптографії полягає в тому, що з її допомогою показана можливість передачі даних по квантовому каналу зі швидкістю до 1 Мбіт / с. В даний час квантова криптографія тільки наближається до практичного рівня використання.

Квантова механіка вказує на можливість телепортації стану об'єкта без безпосереднього його вимірювання, а це саме те, що потрібно при передачі інформації. Вперше цей факт був встановлений все тими ж Беннет і Брассар в 1993 р Експериментальна реалізація квантової телепортації поляризаційного стану фотона була здійснена в 1997 р незалежно групами фізиків під керівництвом А. Цайлінгер і Ф. де Мартіні. У 2009 р вченим вперше вдалося телепортувати квантовий стан іона на 1 м, в 2010 р в експерименті, поставленому фізиками з Науково-технічного університету Китаю і Університету Цінхуа, проводилася передача квантового стану фотона на 16 км, а в 2012 р фізики з університету Відня і Академії наук Австрії встановили новий рекорд в квантової телепортації -143 км!

Завершуючи тему досліджень в галузі квантової інформації, необхідно обговорити фундаментальні роботи Нобелівських лауреатів з фізики 2012 р Серж Арош (р. 1944) і Девіда Джея Уайнленда (р. 1944). Незалежно один від одного вони запропонували оригінальні методи, що дозволяють вимірювати і контролювати дуже нестійкі квантові стану, «зловити» які безпосередньо вважалося до цього неможливим. Арош працює з квантовими станами одиночних фотонів, укладених в резонатор, а Уайнленд - з квантовими станами одиночних іонів, спійманих в пастку. При цьому Арош використовує атоми, щоб спостерігати за станом фотона, а Уайнленд - фотони, щоб маніпулювати станами іонів. Група Арош виконала кілька блискучих досліджень, що дозволили по-новому поглянути на основні квантові явища. Так, наприклад, в 2007-2008 рр. вдалося простежити появу і зникнення окремих фотонів в резонаторі, спостерігати поступовий «колапс» семіфотонного початкового стану, в якому видно, як на протязі 0,5 с фотони один за одним зникають з резонатора. Тим самим було досягнуто стан типу «кота Шредінгера», коли в резонаторі знаходиться не якесь певне кількість фотонів, а суперпозиція фотонного і четирехфотонного стану. Таким чином був реалізований знаменитий гіпотетичний експеримент з «однофотонна ящиком», придуманий ще на зорі квантової механіки, змодельований квантовий ефект Зенона в резонаторі, згідно з яким безперервне спостереження за розпадається системою «заморожує» її розпад.

Маніпуляція з квантовим станом окремого іона - не менше важка з технічної точки зору завдання. Для того щоб домогтися квантування поступального руху, окремий атом або іон потрібно не просто зловити, але і охолодити до дуже низьких температур (порядку міллікельвінов і нижче). Технологія іонних пасток, в яких заряджені частинки утримуються в центрі змінним електромагнітним полем певної форми, була розроблена півстоліття тому. Вона принесла своїм творцям Вольфгангу Паулю (1913-1993) і Хансу Георгу Демелту (р. 1922) половину Нобелівської премії з фізики 1989 У 1973 р.Д. Уайнленд, Ф. Екстром і X. Демелт повідомили про перші експерименти з одиночним електроном , полоненим в такий пастці, а також висловили ідею повної квантової локалізації окремого іона. Вона була реалізована лише в 1995 р багато в чому завдяки досягненням групи Уайнленда. Як тільки поступальний рух іона в пастці повністю підкорилася дослідникам, відразу були реалізовані незвичайні квантово-механічні ситуації, що залишалися до цього чисто гіпотетичними.

Після цього досягнення експериментальні методи в фізиці квантової інформації почали стрімко розвиватися. У 1998 р Уайнленд домігся квантового заплутування двох просторово рознесених іонів. На даний момент вже реалізовано квантове заплутування 14 іонів, а також багато з логічних операцій, необхідних для роботи квантового обчислювача. Групою Уайнленда запропонована принципова схема квантового комп'ютера на ланцюжку холодних іонів, полонених в пастці. Спеціально підготовлені світлові імпульси управляють логічними операціями між іонами, а чутлива фотокамера детектирует світіння окремих іонів і тим самим зчитує результат операцій.

Полон і квантовий контроль окремих іонів дозволяють створити новий сверхстабільний стандарт частоти. Група Уайнленда повідомила про створення оптичних годин. У них два іона разом вимірюють час в 100 разів точніше, ніж сучасні цезієві годинник. Темп ходу нового годинника було виміряно з відносною точністю 10 -17 !

Результати, отримані Арош і Уайнлендом, по праву вважаються проривними і відкривають перспективи для реалізації квантових комп'ютерів в доступному для огляду майбутньому. Можливо, вони змінять наше повсякденне життя вже в цьому столітті так само кардинально, як це зробили звичайні комп'ютери в минулому столітті.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >