Квантовая память
Среди альтернативных подходов наноэлектроники наиболее революционными являются те, которые приближают работу устройства к квантовым пределам, положенным самой Природой - это один электрон, один спин, один квант магнитного потока, энергии и т. д. Это сулит быстродействие ~ ТГц (~ 1012 операций в секунду), а плотность записи информации ~ 103 ТВ/см2, что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в винчестере размерами с наручные часы можно было бы разместить фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех, до единого, жителей Земли!
Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые способны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие «О» и «1», и допускать максимально быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле). Для этого он должен перейти с одного атома на другой, что реализовало бы заветную мечту - «одноэлектронное» устройство, а впоследствии - освоение мира «одноэлектроники». Для сравнения упомянем, что современные электронные средства неэкономно «тратят» сотни - тысячи электронов на одну операцию. Другая возможность заключается в переориентации спина электрона, у которого может быть только два устойчивых состояния в пространстве. На этом принципе основывается совершенно новое направление в науке и нанотехнологий - спинтроника.
Большую перспективу применения в наноэлектронике, наносенсорной технике и других областях имеют низкоразмерные квантовые структуры, интенсивно изучаемые физикой в последние несколько десятилетий. Обычно это полупроводниковые или сверхпроводящие объекты, имеющие атомарный масштаб в одном, двух или всех трех направлениях. Их свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала вследствие яркого проявления квантовых закономерностей поведения. Физическая причина этих различий заключается в том, что, когда хотя бы один из размеров объекта становится соизмеримым с длиной волны де Бройля для электронов или меньше ее, вдоль этого направления начинается размерное квантование. Различия в энергетической структуре и плотности электронных состояний для низкоразмерных систем таковы, что по мере понижения размерности (т.е. с ростом ограничений для движения электронов), спектр все более дискретизируется, и для квантовой точки становится похожим на атомарный.
Различные варианты двух основных технологий получения низкоразмерных структур - молекулярно-лучевая эпитаксия и химическое осаждение - дают возможность получения двумерных (тонкие пленки), одномерных (квантовые проволоки) или нуль-мерных (квантовые точки) образований, которые уже используются и будут использоваться еще шире в электронных и фотонных приборах. Большую роль в получении таких объектов играют также процессы самоорганизации, в которых необходимая структура создается из менее упорядоченной путем нанотехнологической операции самосборки.
Одним из путей радикального обновления принципов и схемотехники в электронике является использование сверхпроводящих (СП) элементов, включающих джозефсоновский переход. Он представляет собой две сверхпроводящие пленки, разделенные тонким слоем (~ 1 нм) диэлектрика. Такие сверхпроводники называют слабосвязанными, а саму сверхпроводимость обозначают как «слабую». В физических лабораториях к настоящему времени разработано множество джозефсоновских элементов и устройств, имеющих обширные перспективы применения в качестве генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, логических элементов и ячеек памяти, устройств квантового кодирования и передачи данных, высокочувствительных датчиков магнитного слоя, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т.д.
Принцип действия таких элементов основан на квантовых закономерностях поведения одного или нескольких джозефсоновских контактов, включенных в обычную электрическую цепь. Электроны в сверхпроводнике ведут себя скоррелированно, в результате чего ток и созданный им магнитный поток квантуется, подобно тому, как квантуются электронные орбитали и уровни энергии в отдельном атоме. Из-за этого в кольце, состоящем 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 Фо = h/ 2е ≈ 2 10-15 Вб (здесь е - заряд электрона; h - постоянная Планка).
Это обеспечивает автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному. Использование слабосвязанных СП структур позволяет достичь в устройствах квантового кодирования и передачи данных предельно низких уровней шума и энергопотребления при рабочих частотах ~1012 Гц.
Элементы так называемой быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации является квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами, превышающими 100 ГГц, при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом и ячейкой памяти. Поскольку объем передаваемых в сети Интернет данных удваивается каждые 100 - 120 дней, в ближайшей перспективе даже наиболее современные из разрабатываемых сейчас полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки. Трехмерные СП структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как практически единственная реальная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам, для обработки больших объемов информации.
Освоение новых физических принципов позволяет создавать принципиально новые классы вычислительных систем на основе квантовых низкоразмерных структур. Уже разработаны квантовые алгоритмы вычислений, позволяющие решать задачи, заведомо не решаемые на традиционных компьютерах, использующих детерминистическую бинарную логику (т.е. управление состоянием классических ячеек 0 и 1). Квантовый бит (кубит) должен представлять собой квантовую когерентную двухуровневую систему типа объекта, имеющего электронный спин +1/2 или -1/2.
Информация хранится, обрабатывается и передается в такой гипотетической (пока) вычислительной машине по квантовомеханическим законам в виде волновой функции системы, состоящей из большого числа кубитов. Колоссальное увеличение объема и скорости оперирования информацией в таком устройстве будет обусловлено не просто уменьшением времени одной операции, а максимально возможным в природе распараллеливанием вычислений, лимитируемым только квантовым пределом. Одновременно могут быть решены на новом уровне вопросы кодирования и криптографии. В настоящее время идут поиски удобной наноструктуры для реализации кубита. Одновременно развивается несколько подходов к решению этой проблемы. Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров. 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.
В 1997–1998 гг. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, США) разработала программу формирования новой наукоемкой технологии — молекулярной электроники (молетроники, moletronics). Целью реализации программы создания молетроники является доказательство возможности интеграции молекул или других наночастиц в законченные функциональные электронные устройства, которые связаны друг с другом и с внешними устройствами вычислительной техники. Информация передается или хранится в них в виде электронов или в виде разности электрических потенциалов, определяемых считанным количеством все тех же электронов. Собственно говоря, как обычно, нужны логические элементы и элементы памяти. Те и другие должны функционировать в привычном диапазоне температур (промышленном и коммерческом), иметь очень высокую плотность, малую мощность энергопотребления при управлении. Память должна быть энергонезависимой, словарной (например, байтной) и терабитного уровня по объему. Сами устройства создаются по принципу направленной самоорганизации, так как масштабирование здесь теряет смысл. Их структура предпочтительно должна быть трехмерной.
В настоящее время ведутся интенсивные разработки основ методов хранения информации на квантовом уровне и осуществлении сложных вычислений с помощью квантовых устройств, требующих, в том числе, для их проведения сотен тысяч потенциальных квантовых бит (кубит или qubit). В одной из описанных ранее систем используется новое состояние вещества, получившее название «изолятор Мотта» (Mott insulator), или так называемая «упорядоченная жидкость» (patterned liquid). В другой рассматриваются методы, позволяющие останавливать, хранить и восстанавливать импульсы света. Группа физиков из Мюнхенского института квантовой оптики им. Макса Планка и Цюрихского института квантовой электроники опубликовали в журнале Nature статью с описанием охлаждения и помещения газа, состоящего из атомов рубидия, в каркас упорядоченной решетки. Каждая ячейка такой решетки может быть заполнена только одним атомом, которым можно индивидуально манипулировать с помощью прецизионных магнитных импульсов.
Главной проблемой исследования квантовых объектов и квантовых измерений является легкость, с которой квантовый объект уничтожается (как это происходит с фотоном) или возмущается его состояние (например, при измерении координаты элементарной частицы) при единичном акте измерения или считывания информации. Сегодня уже удалось записать без потерь в квантовое состояние атома рубидия информацию, содержащуюся в фотоне, а затем также без потерь ее воспроизвести.
Для того чтобы синтезировать такую экзотическую структуру, ученые должны были «поймать» и охладить атомы цезия до субмилликельвиновых температур в вакууме. Далее исследователям удалось «выстроить» их в одну горизонтальную линию в волновой ловушке оптических диполей, образованной двумя лазерными лучами. Однако атомы не построились «друг за другом» — между ними остались нерегулярные промежутки, причем в каждом определенном опыте промежутки были различными.
Чтобы рассортировать атомы более точно, ученым пришлось использовать оптический пинцет, сформированный другой парой лазерных лучей в вертикальной плоскости. Благодаря пинцету появилась возможность удалять любой из атомов из «горизонтальной» ловушки.
Подобный метод позволил ученым создать струну из семи атомов, разделенных расстоянием 15 микрон. В результате был получен первый «квантовый регистр», то есть элементарная ячейка хранения данных с помощью одиночных атомов. Правда, время, в течение которого такая память хранит информацию, ничтожно мало - флуктуации полей окружающей среды и самого атома рубидия возмущают содержимое ячейки памяти за время около 0,001 с, что требует слишком частых циклов обновления. Так что излишний оптимизм исследователей о скором создании квантового компьютера, увы, разделить нельзя. Дальнейшие планы ученых направлены на построение квантового транзистора, который смог бы записывать информацию в атомный регистр.
Специалисты корпорации Arial&Intel и компании и QinetiQ разработали технологию производства транзисторов на основе антимонида индия (InSb), которая обещает повысить скорость работы примерно на 50% и снизить энергопотребление до 10 раз. Сотрудники Intel уповают на то, что новая технология продлит действие закона Мура вплоть до 2015 года.
Транзисторы с каналами из антимонида индия с длиной затвора 85 нанометров, работающие в режиме обеднения на основе "квантового колодца", отличаются малыми размерами (более чем в два раза меньше существующих). Работающие в режиме обогащения транзисторы были продемонстрированы впервые. Транзисторы этого типа являются самыми распространенными транзисторами, используемыми в микропроцессорах и других логических схемах. Новые транзисторы могут работать при напряжении около 0,5 В (это примерно вдвое меньше, чем напряжение, используемое транзисторами современных процессоров).
Следующая по сложности задача - сконструировать молекулярные переключатели и ячейки памяти. Их физической основой могут быть различные бистабильные системы, построенные на базе органических молекул. Некоторые наиболее важные примеры таких систем и принципы их работы схематически изображены на рис. 13. Классификацию таких
Рис. 13. Два класса молекулярных приборов: а) объемные, с хаотическим расположением большого числа молекул; б) одномолекулярные с подключением электродов к определенным атомам и связям в молекуле. 1 - электрод, 2 - молекула, 3 – атом, 4 – межатомная связь.
устройств можно представить в виде двумерной сетки, по горизонтали у которой отложены переключающие факторы (нагрев, освещение, электрическое напряжение, магнитное поле и т.д.), а по вертикали – переключаемое свойство (проводимость, намагниченность, поляризация и т.п.). В узлах этой сетки находятся молекулярные переключатели различных типов, реализованные на известных или сконструированных специально молекулярных системах. В качестве примера одного из них на рис. 14 показана схема триггера с двумя устойчивыми положениями, выполненная на катенановой молекуле. Она представляет собой два кольца, сцепленных между собой и способных менять положение друг относительно друга. Подключение электрического напряжения той или иной полярности и величины (в пределах от -1,5 В до +2 В) приводит к повороту одного из колец на 1800, а затем на 3600. Причем молекула бистабильна (устойчива в
Рис. 14. Схема переключателя (ячейки памяти) на молекуле ротаксана, меняющей конформацию вследствие присоединения или потери электрона (окислительно-восстановительной реакции). В результате левая кольцеобразная часть молекулы поворачивается относительно замкнутой правой части на 1800.
обоих положениях в отсутствие приложенного напряжения) и может рассматриваться и как переключатель, и как ячейка памяти. К настоящему времени найдено несколько десятков органических молекул, способных изменять конформацию под действием света или в результате изменения зарядового состояния (окисление/восстановление). Обычно – это ароматические соединения с несколькими бензольными кольцами, катенаны, ротаксаны и др.
Имеются сообщения и о реализациях трехэлектродных молекулярных приборов – аналогов полупроводниковых транзисторов, и оптоэлектронных устройств.
Очень схематично единичные ячейки таких устройств показаны на рис. 15. Они состоят из двух основных электродов (анод А и катод С) и молекулы (или ее фрагментов), помещенной между ними. Управление такими ячейками может осуществляться несколькими способами. Для чисто электрических приборов это может быть третий электрод (G) или другая молекула субстрата (S), связывающаяся с основной. Ясно, что такая структура принципиально схожа с известными полупроводниковыми устройствами (диод, ключ, транзистор и т.д.), но имеет нанометровые размеры во всех измерениях. В этой связи электроны внутри нее могут иметь только дискретные уровни, по которым должен транспортироваться носитель, транслирующийся с уровня Ферми F1 одного электрода на уровень Ферми F2 другого электрода.
Рис. 15. Схематическое устройство отдельной ячейки молекулярного электронного устройства (а) и оптоэлектронного устройства (б): С – катод; А – анод; G – управляющий электрод; S – молекула субстрата; М – модулирующий электрод; ЕТL и НТL – транспортный мостик с электронными и дырочными носителями соответственно; Ph – фотоны; в – схема дискретных энергетических уровней для носителя (1-6), перемещающегося между электродами с уровнями Ферми ЕF1 и EF2.
Аналогично может быть устроен и оптоэлектронный элемент. В общем случае он может содержать два молекулярных фрагмента с электронной и дырочной проводимостью, что обеспечивает легкую реализацию светодиода в месте их соединения. Дополнительное управление может осуществляться вспомогательными модулирующими электродами, расположенными под катодом и анодом. На роль молекулярных мостиков претендует множество хорошо (и не очень хорошо) изученных молекул – нанотрубки, полимеры, ДНК, РНК и другие органические молекулы. Несмотря на большое число принципиальных вопросов и проблем, еще ждущих своего решения, уже созданы высокоплотные матрицы, содержащие до нескольких тысяч отдельных ячеек, выполняющих запрограммированные функции. Так, разработана экспериментальная матрица, использующая триггерный эффект в катенановых молекулах, схематически показанных на рис. 14. Сначала с помощью поверхностно-активного вещества (ПАВ) создают монослой молекул катенана, а затем помещают его между двумя слоями электродов. Нижние электроды выполнены из поликристаллического кремния и расположены на диэлектрической подложке, верхние – из напыленной пленки Ti/Al. Электроды образуют матрицу из взаимно перпендикулярных проводников, обеспечивающих произвольное подключение разности потенциалов к любому узлу, что важно для создания чипов быстродействующей оперативной памяти. Эксперименты показали, что при смене полярности напряжения наблюдается отчетливый гистерезис на вольтамперной характеристике ячейки, что трактуется как результат поворота молекулярных колец в катенане и может использоваться для запоминания бита информации.