Итоги и перспективы использования размерных эффектов в электронике

В настоящее время вычислительная техника подошла к пределу своих возможностей по быстродействию компьютеров и размеру микросхем. Масштаб порядка 0,1 мкм определяет границу применимости законов классической физики, и при дальнейшем увеличении быстродействия и уменьшении размеров мы попадаем в мир нанометрового масштаба, где доминируют квантовые размерные эффекты. Поэтому для решения задач конструирования компьютеров нового поколения требуется принципиально новый подход. В последние годы стала широко обсуждаться идея использования квантовых размерных эффектов для хранения и обработки информации, поэтому квантовые точки привлекают всё большее внимание. Электроны в квантовых точках локализованы, поэтому энергетический спектр каждой такой квантовой точки будет являться дискретным, как у отдельно взятого атома. Мы привыкли к тому, что ЭВМ оперирует с числами, выраженными в двоичной форме, т.е. состоящими из набора нулей и единиц. На заре развития вычислительной техники логические элементы ЭВМ выполнялись на основе реле (ключ разомкнут – 0, ключ замкнут – 1), потом на смену реле пришли электронные лампы, а затем – полупроводниковые структуры. Все перечисленные электронные устройства являются, по сути дела, объектами макромира, поскольку для выполнения ими своих функций требуется наличие макроскопического числа электронов (более чем 10⁶). Один отдельно взятый электрон обладает одной удивительной характеристикой – наличием спина, или собственным вращательным моментом. При этом возможны только два таких состояния, которым отвечают два значения спинового квантового числа и . Электрон может таким образом быть естественным кандидатом для представления чисел в двоичной форме. Действительно, приписав электронам со спином и соответственно логическую единицу и логический нуль, можно каждой конкретной спиновой конфигурации системы электронов поставить в соответствие определённый набор таких нулей и единиц, т.е. определённое число, записанное в двоичной форме, или другими словами, определённую информацию (при этом один электрон является носителем одного бита информации). Однако наличия соответствия между знаком спина электрона и логическими переменными (нулями и единицами) недостаточно для конструирования конкретных вычислительных схем и устройств. Нужно найти какие-то реальные способы ввода, хранения, обработки и вывода спиновой информации. Прежде же всего необходимо научиться локализовать отдельные электроны в небольших областях пространства (чем меньше будут размеры этих областей, тем выше будет плотность информации, и тем больше логических элементов можно будет разместить в единице объёма или на единице площади). На современном уровне развития технологии для этой цели как нельзя лучше подходят квантовые точки. В каждую пирамидку из атомов можно внедрить произвольное число электронов. При этом движение электрона в квантовой точке будет ограничено во всех трёх направления, и энергетический спектр будет являться полностью дискретным, как в отдельном атоме. Таким образом, дискретность электронных состояний в квантовой точке и наличие у него собственного вращательного момента – спина – могут быть использованы при конструировании сверхминиатюрных логических элементов, которые в скором времени, будем надеяться, станут основой нового поколения ЭВМ. Так, компания HP уже провозгласила стратегию создания наноэлектроники на основе квантовых размерных эффектов и молекулярных компьютеров. Издавна люди мечтали о телепортации – мгновенном перемещении в пространстве. Так, герои народных сказок оказываются в тридесятом царстве, надев волшебное колечко, а компьютерные игры и фантастика кишат порталами и прыжками в гиперпространстве. Известен так называемый парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР - парадокс), заключающийся в том, что если после взаимодействия двух квантовых частиц провести наблюдения за одной из них, то мгновенно изменятся параметры другой, уже далеко отлетевшей частицы. Эксперименты показали, что частицы проявляют удивительную взаимосогласованность даже на таких больших расстояниях, на которых они никак не могли бы повлиять друг на друга с точки зрения классической теории. Проблема заключается в так называемой нелокальности волновой функции для системы из нескольких частиц – несмотря на то, что частицы уже далеко друг от друга, вероятности нахождения их в том или ином состоянии остались взаимосвязанными после квантового взаимодействия. Это казалось фантастикой, пока Антон Цойлингер и Франческо де Мартини не передали состояние поляризации между двумя фотонами при помощи третьего фотона на расстояние 10 км. Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами – электронами, атомами и ионами. Телепортация сможет обеспечить надёжную передачу и хранение данных на фоне общих помех, когда все другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети. Однако в отличие от передачи информации на расстояние, которым уже никого не удивишь, обычно считают, что невозможно переместить какой-либо материальный объект или даже человека, поскольку при этом необходимо переместить все частицы, из которых он состоит. Поскольку квантовые частицы неотличимы друг от друга, их можно не перемещать, а собрать телепортируемый объект из новых частиц на основе полученной информации (например, при помощи молекулярных сборщиков – ассемблеров). Следовательно, телепортация объекта есть телепортация квантовых состояний частиц и воссоздание их на удалённом расстоянии. Так можно было бы и копировать объекты, но в силу принципа неопределённости, чем больше получено информации о некотором объекте, тем больше искажений будет вноситься в этот объект – и так до тех пор, пока исходное состояние не будет разрушено полностью. Как только будет считана вся нужная информация, объект исчезнет и снова появится вновь после соответствующей квантовой сборки. Экспериментальные подтверждения справедливости квантовой механики столь убедительны, что должны были развеять всякое недоверие к ней. Однако всё же остаётся нерешённым нравственный аспект данной проблемы. Так, хорошо известно, что и Эйнштейн, и Шрёдингер, и де Бройль, которые были творцами новой механики, высказывались против понимания сущности теории на основе принципа неопределённости. «Бог не играет в кости…» - так Эйнштейн отзывался о вероятностной трактовке волновой функции. Однако в своей работе физики всегда имеют дело с несовершенными теориями, справедливыми только для ограниченного круга явлений, ровно до тех пор, пока не появляется новая, более общая теория. Так, например, две с половиной тысячи лет назад, атом считался неделимым. Вплоть до XV века человечество пребывало в абсолютной уверенности относительно того, что Земля плоская. В наше время пока нет ни конкретных предложений, как преодолеть рубежи квантовой механики, ни экспериментальных данных, указывающих на такую возможность. Однако, всё же квантовая механика, вне всяких сомнений, в конце концов, приоткроет перед людьми завесу неопределённости, скрывающую сегодня тайны микромира.