- Новые нанооптические материалы для летательных аппаратов с автоматически изменяемой окраской поверхности.

- Лазерные наногироскопы.

В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. Это достигается в полупроводниковых структурах с размерами, уменьшенными до 10 нм и ниже. Одними из первых появились элементы на резонансном туннелировании. Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л. Исаки и детально исследовалось им до 1974 года. Однако всестороннее теоретическое обоснование и экспериментальные транзисторы на резонансном туннелировании появились лишь в начале 90-х годов. Транзисторы на резонансном туннелировании представляют собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом. Эти транзисторы имеют частоты переключения порядка 1012 Гц, что в 100-1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем. Есть предложения по созданию на таких транзисторах ячеек статической памяти и других элементов для вычислительных систем (РИС. 12).

В 1986 году советскими учеными и , изучавшими одноэлектронное туннелирование, был предложен, а позже и опробован одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. В его конструкции, состоящей из двух последовательно включенных туннельных переходов (рис. 1), туннелирование индивидуальных электронов контролируется кулоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной в его середине между двумя прослойками тонкого диэлектрика. Количество электронов в этой области прибора должно быть не более 10, а желательно и меньше. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм. В цифровых интегральных схемах на одноэлектронных транзисторах один бит информации, то есть два возможных состояния 0 и 1, может быть представлен как присутствие или отсутствие индивидуального электрона. Тогда однокристальная схема памяти емкостью 1012 бит, что в 1000 раз больше, чем у современных сверхбольших интегральных схем, разместится на кристалле площадью всего 6,45 см2. Над практической реализацией этих перспектив сегодня активно работают специалисты ведущих американских, японских и европейских электронных фирм.

Квантовый интерференционный транзистор, предложенный в 1986 году Ф. Солсом и др., использует эффект фазовой интерференции электронов в вакууме. Прибор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Конденсаторы контролируют траектории и фазовую интерференцию электронов в вакууме за счет электростатического потенциала на них. Рабочие частоты этого прибора оцениваются величинами 1011-1012 Гц.

В 1993 году японскими учеными (Ю. Вада и др.) было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Базовая ячейка (рис. 1) состоит из атомного шнура, переключающего атома (на рисунке он показан красным цветом) и переключающего электрода. Общий размер такой структуры составляет менее 10 нм, а рабочие частоты оцениваются величинами порядка 1012 Гц. Принцип работы атомного реле состоит в следующем. Переключающий атом смещается из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему электроду. Реле переходит в выключенное состояние. Теоретически показано, что зазор в атомном шнуре величиной 0,4 нм является достаточным, чтобы прервать продвижение по нему электронов. На предложенной основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, ячейка динамической памяти. Предполагается, что они позволят создать суперкомпьютер c оперативной памятью 109 байт на площади 200 мкм2. Для создания атомных реле требуется уникальный сканирующий туннельный микроскоп, обеспечивающий прецизионную манипуляцию атомами. Работы в этом направлении идут успешно.

Магнитные квантовые эффекты задействованы также в работе сверхпроводящих элементов, включающих джозефсоновский переход. Последние представляют собой две сверхпроводящие пленки, разделенные тонким слоем (~1 нм) диэлектрика. Один или несколько джозефсоновских контактов включаются в обычную электрическую цепь. Электроны в сверхпроводнике ведут себя скоррелированно, в результате чего ток и созданный им магнитный поток квантуются: в кольце из двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно, может укладываться только целое число длин электронных волн, а внутри такого кольца может существовать не любой магнитный поток, а только кратный целому числу квантов магнитного потока. Это обеспечивает автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному. 

Элементы быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации служит квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами выше 100 ГГц при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом, и ячейкой памяти. Поскольку объем данных, передаваемых в Интернете, удваивается каждые три-четыре месяца, в ближайшей перспективе даже лучшие из разрабатываемых сейчас полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки. Трехмерные структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как единственная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам. 

Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров [6]. На основе двумерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов. Такая система будет способна распознавать образы, принимать оперативные решения в многофакторных ситуациях (например, в экономике, оборонных задачах, космических исследованиях) в реальном времени без механического перебора всех возможных вариантов. По-видимому, криогенная электроника не будет конкурировать с традиционной полупроводниковой во всех существующих сейчас областях применения. Ее задача - обеспечить основу для новых поколений суперкомпьютеров и высокопроизводительных опорных телекоммуникационных систем, создание которых было бы коммерчески оправданно, несмотря на затраты, обусловленные необходимостью глубокого охлаждения. 

В физических лабораториях уже разработано множество джозефсоновских элементов и устройств для применения в качестве не только логических элементов и ячеек памяти, устройств квантового кодирования и передачи данных, но и генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, а также высокочувствительных датчиков магнитного поля, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т. д. Подобные датчики при регистрации малых сигналов имеют чувствительность вблизи фундаментального квантового предела, т. е. в тысячи, десятки тысяч раз выше, чем у традиционных полупроводниковых устройств. Это позволяет использовать их в бесконтактной медицинской диагностике (магнитокардиографы, магнитоэнцефалографы). На повестке дня - создание магнитной томографии, позволяющей по картине магнитного поля следить за функционированием органов, внутриутробным развитием плода в реальном масштабе времени. 

4.6. Квантовые компьютеры

Ученые разных университетов США заняты проектом создания сверхбыстрого компьютера, основанного на использовании свойств квантовой физики.

“Квантовые компьютеры могут решать сложные задачи, на которые обычные компьютеры тратили бы миллионы лет”, заявили ученые: Фред Чонг из Университета Калифорнии, Дэвис, Айзек Чуанг из MIT и Джон Кубиатоуикз из Беркелей, занимающиеся этим проектом.

Квантовая физика описывает законы и свойства для действия на уровне атомов и субатомных частиц. Отличительные особенности работы компьютеров по такому принципу от современных, работающих на передаче электронов по микросхемам, состоит в том, что субатомные частицы могут работать в одном из двух состояний, например "up" или "down", или даже могут быть в обоих состояниях одновременно.

Обычные компьютеры обрабатывают информацию "битами". В зависимости от комбинации единиц и нулей в восьми битах, формируется индивидуальное число от нуля – 00000000 до 255 - 11111111. В квантовом компьютере биты могут одновременно состоять из нулей или единиц одновременно. “Таким образом, байт из восьми битов может представлять все числа между нулем и 255 в одно и тоже время, что позволит квантовым компьютерам производить некоторые виды математических операций намного быстрее, чем это делают обычные компьютеры”, сказал Чонг. Например, общее кодирование ключа, широко используемое в сети Internet, создает комбинацию кода, умножая два простых числа вместе. Умножение двух чисел – простейшая и мгновенная операция, но обратная работа по подбору кода к этим двух простым числам чрезвычайно тяжелая и требует уйму времени, а иногда, при сложном ключе, ее просто нереально сделать на современных компьютерах. Для спецслужб, которым порой очень важно взломать те или иные коды защиты, причем за довольно короткое время, решение этой проблемы – одна из важнейших задач.

Для подбора сложного кода обычный компьютер может потратить миллионы лет, чтобы обработать все возможные решения и найти единственное - верное. Квантовый компьютер решил бы такую задачу за месяц, потому что он может обрабатывать множество комбинаций решений одновременно.

Квантовые компьютеры обладают и другим преимуществом – телепортацией – мечтой фантастов. Телепортация позволяет передать информацию от одной частице к другой частице на значительном удалении обеих друг от друга. На данном уровне техники квантовый компьютер может пока использовать телепортацию, чтобы перемещать биты между чипами материнской платы, заменяя микросхемы проводов.

"Простые первые квантовые компьютеры уже были созданы Чуангом и Нейлом Гершенфелдом из MIT. Их машины работали на обработку и передачу данных (битов) за счет использования ядерного магнитного резонанса (NMR). Их удачный проект позволил УПРАВЛЕНИЮ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ США сосредоточиться на разработке более мощных компьютеров, и оно выделило 3 миллиона долларов на дальнейшее исследование”, сказал Чонг.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9