Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1 Формула 1 (так называемое состояние Эйнштейна-Подольского-Розена).
Рис.2. Схема квантового компьютера
Рис. 3. Энергетические уровни электрона в квантовой точке
Рис. 4. Схема МОП-структуры с кубитами из квантовых точек в подзатворном диэлектрике.G1,G2,…,Gm – индивидуальные затворы при кубитах. Все кубиты в состоянии n=1

Компьютер будущего на квантовых точках

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, квантовый компьютер, периодика, творчество

Автор(ы): Хадиев А.Р.

Опубликовал(а):  Шушарина Анастасия Леонидовна

28 октября 2010

«Воображение — это все.

Это предварительный показ предстоящих событий в жизни».

А. Эйнштейн

Казань. 2039 год КГТУ им. Туполева. Лекция «Нанотехнологии в электронике».

Профессор зашел в аудиторию почти незаметно, лишь студенты, сидевшие около двери, успели стоя поприветствовать его. Александр Николаевич был достоин уважения, потому что его лекции не транслировались по медиаборду или медиабуку, он читал лекции вживую, по старинке, предпочитая видеть заинтересованные глаза студентов, а не бездушное изображение на дисплеях современной техники.

Размеренным шагом он прошел мимо медиаборда, встал напротив окна и, провожая взглядом пролетавшие на улице аэромобили, о чем-то задумался, а именно о том, что было несколько десятков лет назад.

— Вы, наверное, даже не задумываетесь, что дало толчок развитию науки и техники, откуда все эти технические устройства, которыми пользуется большая часть людей нашей страны и как произошла революция в электронике. Должен вам сказать, что, будучи студентом, я уже слышал о развитии нанотехнологии и наноэлектроники, но тогда это развитие шло очень медленно, потому что существующая база электроники удовлетворяла почти все потребности людей. Студентом я застал использование 65 нм, 45нм, 32 нм, 22 нм, 16 нм технологии производства электронных схем, а это уже относилось к наноэлектронике [6]. Эмпирический закон Мура обеспечил развитие стандартной технологии производства вплоть до 2020 года, до того момента, как человек достиг рубежа, определяемого самой природой. Но параллельно с совершенствованием существующей технологии человек занимался разработкой новых направлений развития электроники, ведь он понимал, что с повсеместным наличием компьютеров, огромных серверов, развитием интернета, который затем перерос в инфрасеть, существующая база будет негодной для их обслуживания. Поэтому человек начал заниматься разработкой супермощных, экономичных и миниатюрных компьютеров.

Было несколько направлений поиска новых решений: биологическое направление (ДНК-компьютер); химическое (наличие молекул с несколькими стационарными состояниями); физическое (различные переключатели на молекулах) и квантовое (квантовый компьютер).

Наиболее развитым стало квантовое направление в силу ряда причин:

  1. Революционный подход к обработке, хранению и передаче информации. Любая классическая двухуровневая система, квантовая в том числе, имеет основное |0с и не основное |1с базисное состояние. Примером классической двухуровневой системы является известный в микроэлектронике инвертор, осуществляющий операцию NOT (НЕ). В зависимости от того заняты ли эти состояния с вероятностями P(0) = 1, P(1) = 0 или P(0) = 0, P(1) = 1, мы имеем булевые логические состояния «0» или «1». В квантовом случае возникает намного более богатая ситуация. Волновая функция квантовых состояний двухуровневой системы - квантового бита, получившего в дальнейшем название кубита (quantum bit или qubit), может представлять собой суперпозицию базисных состояний (вектор состояния) следующего вида |yс = a|0с + b|1с, где a, b - комплексные амплитуды состояний, при этом | а |² + | b |² = 1 . Помимо вероятностей P(0) = | а |² и P(1) = | b |² , заполнения базисных состояний |0с и |1с, состояние кубита характеризуется когерентными или интерференционными слагаемыми в вероятности состояния |yс, определяемых произведениями комплексных амплитуд ab* и a*b. Состояние квантового бита в отличие от классического может изменяться не только путем изменения вероятностей P(0) и P(1), но и более тонко путем изменения амплитуд состояний a и b, что соответствует поворотам вектора состояния |yс в так называемом гильбертовом двухмерном пространстве состояний. В этом и состоит принципиальное различие классического и квантового бита. Кардинально новой оказалась идея о квантовых вычислениях. Она заключается в способности изолированной квантовой системы из L двухуровневых квантовых элементов находиться в когерентной суперпозиции из 2ᴸ булевых состояний, характеризующейся 2ᴸ комплексными числами и увеличенной до 2ᴸ размерностью соответствующего гильбертова пространства. Ясно, что для описания такого квантового состояния в классическом вычислительном устройстве потребовалось бы задать 2ᴸ комплексных чисел, то есть понадобились бы экспоненциально большие вычислительные ресурсы. Отсюда был сделан обратный вывод о том, что эффективное численное моделирование квантовых систем, содержащих до сотни двухуровневых элементов, практически недоступно классическим компьютерам, но может эффективно осуществляться путем выполнения логических операций на квантовых системах, которые действуют на суперпозиции многих квантовых состояний. Элементарный шаг при квантовых вычислениям – унитарная операция над L-кубитовой суперпозицией состояния регистра из L кубитов – выполняется так, что сразу все 2ᴸ комплексные амплитуды обрабатываются параллельно. В классическом компьютере подобное действие потребовало бы 2ᴸ отдельных элементарных шагов для обработки каждой амплитуды. Именно это свойство – квантовый параллелизм в работе квантовых устройств - приводит к экспоненциальному ускорению вычислительного процесса [4]. Особое свойство квантовых состояний, принципиально отличающее их от классических - запутывание (entanglement), когда взаимодействие между кубитами порождает такую когерентную суперпозицию квантовых состояний нескольких элементов, которая не сводится к произведению состояний отдельных кубитов. Примером может служить запутанное состояние двух кубитов типа (см. формулу 1) Запутанные состояния играют очень важную роль в процессах передачи и обработки квантовой информации. Люди обнаружили теоретическую возможность передавать с его помощью неизвестное для отправителя А квантовое состояние двухуровневой системы к получателю В без реального перемещения самого элемента. Это явление, получившее название телепортации, стало основой для развития принципиально нового метода секретной передачи информации (криптографии). Благодаря свойству запутывания открылись новые пути кодирования, обеспечения помехозащищенности и более эффективного управления информацией [3].
  2. Миниатюрность. Если в качестве единиц информации брать спин электрона, то само устройство будет очень маленьких размеров.
  3. Низкое энергопотребление.
  4. Возможность более простого совместного использования квантового и классического компьютера. Если в качестве сигналов в квантовом компьютере будут использоваться электрические сигналы, то совместная работа классического и квантового компьютера не будет требовать большого количества преобразователей [1].

Давайте рассмотрим схему одного из первых работающих квантовых компьютеров, который был реализован на квантовых точках.

Схематическая структура квантового компьютера представлена на рис. 2. Квантовую часть компьютера составляют n кубитов, которые реализовывались на паре квантовых точек с зарядовыми состояниями. До того как «запустить» вычислительный процесс на квантовом компьютере, все n кубиты должны быть приведены в состояние |0>. Эта процедура носит название "инициализация". По завершении алгоритма результат вычисления будет записан в конечном квантовом состоянии кубитов. Чтобы «считать» результат, необходимо провести квантовое измерение состояния кубитов (одного или нескольких) [7].

Первый бесперебойно работающий собственно квантовый компьютер был на квантовых точках с двумя электронными орбитальными состояниями в качестве кубитов, описываемых с помощью псевдоспина ½. В качестве отдельной ячейки бралась несимметричная пара квантовых точек разного размера с существенно отличающимися собственными энергиями. Эти пары точек были расположены в туннельных структурах с несимметричными барьерами в области между каналом и затвором некоторой МОП-структуры. Между собой точки разделялись достаточно прозрачным потенциальным барьером, благодаря чему осуществлялась определенная связь между точками. Инжектируемый в структуру со стороны канала электрон занимает нижележащий уровень, то есть он оказывается локализованным в квантовой точке большего размера. Полной локализации электрона на одной квантовой точке a можно сопоставить логическое состояние «|1)»=|1а, 0b), а локализации на другой квантовой точке b (более высокая собственная энергия) – состояние «|0)»=|0а, 1b) (рис.3). Этим двум состояниям квантовых точек соответствуют собственные энергии Ea и Eb. Будем предполагать, что они содержат и вклад внешнего потенциала.

При математическом рассмотрении взаимодействий этой пары точек, приходят к выводу, что данная система несимметричных квантовых точек с одним электроном обладает основными свойствами, характерными для кубитов-спинов.

Цепочка из расположенных рядом пар квантовых точек – кубитов помещалась в подзатворный диэлектрик специально созданного кремниевого МОП-транзистора таким образом, чтобы перенос заряда между различными парами-кубитами был сравнительно мал (рис. 4). Для индивидуального управления кубитами помимо верхнего общего затвора использовалась система индивидуальных управляющих затворов внутри диэлектрика, действующих непосредственно на каждый кубит.

Основные этапы квантовых вычислительных операций состоят в следующем: инициализация зарядового состояния осуществляется путем приложения к верхнему общему затвору большого напряжения, приводящего к заполнению состояний больших точек и унифицирующего состояния кубитов. Этот же затвор служил защитой от внешних электромагнитных воздействий. Входные и выходные сигналы поступают через индивидуальные затворы каждого кубита.

С помощью внешнего электрического потенциала, создаваемого напряжением на соответствующих затворах, и его длительностью можно осуществлять операции NOT и CNOT.

Декогеренизация квантовых состояний в кремниевых наноструктурах в основном определяется влиянием поверхностных ловушек, поэтому потребовалось использование сверхчистых технологий для исключения этого механизма декогеренизации. Эта схема удачно сочетала квантовую и обычные полупроводниковые интегральные схемы, что делало ее удобным вариантом для использования в квантовом компьютере [2].

За ввод-вывод информации отвечал классический компьютер, который работал совместно с квантовым [1]. Затем классический компьютер модифицировался в современный квантовый преобразователь.

В качестве элементов памяти и дисплея этого компьютера использовались квантовые точки, что привело к простоте при его изготовлении. Прототипы элементов памяти были уже изготовлены в 2000 годах, а Q-LED (Quantum Light Emitting Diode-Квантовый светоизлучающий диод) диоды использовались еще раньше, например, при изготовлении телевизоров [5, 8].

Связь между блоками компьютера и между самими компьютерами была реализована по принципу квантовой запутанности, которая обладала защищенностью, большой помехоустойчивостью и скоростью.

Какие же были преимущества квантового компьютера по сравнению с классическим компьютером?

  1. Экономическая выгода. а) Для реализации этой модели ученым не потребовалось кардинально перестраивать все заводы по изготовлению микросхем, так как для производства квантовых компьютеров использовалась уже существующая технология. в) Многие компоненты компьютера изготавливались по схожей технологии, дисплеи, память, процессор – все было на квантовых точках.
  2. Характеристики компьютера основывались на самых передовых знаниях о наноэлектронике. Q-LED дисплеи обеспечивали яркую и четкую цветопередачу, процессор – колоссальную быстроту обработки информации, а память на квантовых точках – хранение больших объемов информации.
  3. Миниатюрность компьютера.
  4. Использование совместно с классическим компьютером – способствовало распространению квантовых компьютеров.
  5. Энергоэкономичность. Для работы квантовых компьютеров требовалось очень мало энергии.

Недостатки квантового компьютера были следующими:

  1. Требовалась разработка новых квантовых алгоритмов, которые обеспечивали бы работу устройства.
  2. Было необходимо увеличить время декогеренизации техническими и программными методами для корректной работы компьютера.
  3. Требовались большие вложения денег, чтобы технически реализовать это устройство, правильно нанести квантовые точки, подобрать материал, из которого они изготавливались, и получить возможность четкого варьирования размеров квантовых точек.
  4. Разработать методы коррекции ошибок в квантовом компьютере, т.к. он сильно реагирует на изменение окружающей среды, на влияние магнитного поля [1].
    1. Лаборатория, помещающаяся на кончике пальца. Развитие наноэлектроники дало большой толчок развитию сенсоров, способных определять к какому типу относится вещество.
    2. Высокая скорость обращения к любым данным, которые были когда-либо созданы человеком.
    3. Инфрасеть – это эволюция интернета, когда каждый человек на Земле бесплатно обеспечивается очень большим объемом свободной квантовой памяти для хранения личных файлов, документов, аудиозаписей, молниеносная связью с любым членом инфрасети и возможностью управлять производством и другими процессами с любого места на земном шаре.
    4. Компьютер может видеть то же, что и носящий его человек. Было установлено, что радужная оболочка всех людей на Земле имеет почти одинаковый размер, а компьютер, установленный в линзу, теперь дополняет жизнь человека.
    5. Постепенная интеграция человека и компьютера. Компьютер теперь дополняет человека, он может диагностировать его болезни, содержание вредных веществ в воде, еде и воздухе.
    6. Развитие квантового компьютера и наноэлектроники сильно сказалось на жизни людей с ограниченными возможностями. Они теперь активно участвуют в общественной, политической и творческой жизни.
    7. Защищенная, помехоустойчивая и высокоскоростная связь между абонентами инфрасети и других систем связи.
    8. Развитие нового программного обеспечения с очень сильной защитой от взлома.
    9. Развитие квантового компьютера и политроники привело к созданию ультратонких ноутбуков, толщиной 1.5 мм (медиабуки), которые можно гнуть и сгибать, как тетрадный лист и медиабордов (ультратонкая медиадоска, подключенная к инфрасети, на которой можно писать стилусом)
    10. Огромная экономия электроэнергии.
    1. Валиев К.А., Квантовые компьютеры и квантовые вычисления// Успехи физических наук: обзоры актуальных проблем. январь 2005. – Том175, № 1.
    2. Валиев К.А., Кокин А.А Квантовые компьютеры: надежды и реальность: Монография. М.: РХД, 2001. 352 с.
    3. Валиев К.А., Кокин А.А. От кванта к квантовым компьютерам // Природа.2002.
    4. http://www.aakokin.ru/xx.htm
    5. http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2006/05/23/201958
    6. http://www.comnews.ru/index.cfm?id=40119
    7. http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/QUBIT/QUBIT.HTM
    8. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2009/kvantovaya-bufernaya-pamyat-vpolne-realna
  5. Но, не смотря на все недостатки, квантовый компьютер все-таки был реализован. Поначалу людям пришлось преодолеть большие трудности с его реализацией, но эти проблемы по сравнению с перспективами были ничтожны. Были решены проблемы декогеренизации, внешнего влияния, расположения квантовых точек. Человек разработал новые квантовые алгоритмы и программное обеспечение, обеспечил согласованную работу классического и квантового компьютера.

    Какие же плоды титанического труда ученых и инженеров того времени мы имеем сегодня?

    Дорогие студенты, вы просто не представляете, что те устройства, которые сейчас используется повсеместно, которые есть в каждом доме, у каждого студента нашего университета, полстолетия назад мелькали лишь в рассказах писателей фантастов. Поэтому я хочу закончить сегодняшнюю лекцию высказыванием знаменитого физика Эйнштейна: «Воображение это все. Это предварительный показ предстоящих событий в жизни».

    Список используемых источников:


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 3)

 


Комментарии
Клюев Павел Геннадиевич, 28 октября 2010 23:28 
статья хорошая! но вот только о людях с
ограниченными возможностями, я думаю, написано
неправду. к сожалению, они по-прежнему испытывают
трудности с передвижением по нашим улицам, не имеют
работы и получают нищенскую пенсию какая там
общественная, политическая и творческая жизнь?! хочется
верить, что интернет хоть как-то приоткрыл завесу,
открыл мир для людей, которые имеют проблемы со
здоровьем, но тем не менее,,, большинству не за что
купить лекарство или отправить свое дитя в школу или
универ, какой там квантовый компьютер

Хотя статья очень хорошая! Молодец!
Режабек Борис Георгиевич, 29 октября 2010 01:25 
Не задумывался ли автор о возможности квантовых вычислений в живой клетке? Если да, то буду рад с ним поговорить на эту тему.Связь по
(499)195 1224 или inrir@inbox.ru

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Золотые листья
Золотые листья

Все члены сборной России получили медали на 30-й Международной биологической олимпиаде для школьников
21 июля в Сегеде (Венгрия) подвели итоги 30-й Международной биологической олимпиады для школьников. Российская сборная на состязании завоевала три серебряные медали и одну бронзовую.

Шесть медалей завоевали российские школьники на 60-й Международной математической олимпиаде
Стали известны итоги 60-й Международной математической олимпиады для школьников, которая проходила в Бате (Великобритания). Российская сборная завоевала две золотые и четыре серебряные медали.

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019. Тезисы доклада Быкова В.А.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.