Комп’ютер майбутнього на квантових точках

Комп'ютер майбутнього на квантових точках

Автор(и): Хадієв А.Р.

of your page -->

«Уява — це все.

Це попередній показ майбутніх подій у житті».

Казань. 2039 КДТУ ім. Туполєва. Лекція "Нанотехнології в електроніці".

Професор зайшов до аудиторії майже непомітно, лише студенти, які сиділи біля дверей, встигли стоячи привітати його. Олександр Миколайович був гідний поваги, тому що його лекції не транслювалися медіабордом або медіабуком, він читав лекції наживо, по-старому, воліючи бачити зацікавлені очі студентів, а не бездушне зображення на дисплеях сучасної техніки.

Розміреним кроком він пройшов повз медіаборд, став навпроти вікна і, проводжаючи поглядом аеромобілі, що пролітали на вулиці, про щось задумався, а саме про те, що було кілька десятків років тому.

— Ви, мабуть, навіть не замислюєтеся, що дало поштовх до розвитку науки і техніки, звідки всі ці технічні пристрої, якими користується більшість людей нашої країни і як відбулася революція в електроніці. Маю сказати, що, будучи студентом, я вже чув про розвиток нанотехнології та наноелектроніки, але тоді цей розвиток йшов дуже повільно, тому що існуюча база електроніки задовольняла майже всі потреби людей. Студентом я застав використання 65 нм, 45нм, 32 нм, 22 нм, 16 нм технології виробництва електронних схем, а це вже стосувалося наноелектроніки [6]. Емпіричний закон Мура забезпечив розвиток стандартної технології виробництва аж до 2020 року, до того моменту, як людина досягла межі, що визначається самою природою. Але паралельно зудосконаленням існуючої технології людина займалася розробкою нових напрямків розвитку електроніки, адже вона розуміла, що з повсюдною наявністю комп'ютерів, величезних серверів, розвитком інтернету, який потім переріс в інфрасеть, існуюча база буде непридатною для їх обслуговування. Тому людина почала займатися розробкою суперпотужних, економічних та мініатюрних комп'ютерів.

Було кілька напрямів пошуку нових рішень: біологічний напрямок (ДНК-комп'ютер); хімічна (наявність молекул з декількома стаціонарними станами); фізичне (різні перемикачі на молекулах) та квантове (квантовий комп'ютер).

Найбільш розвиненим став квантовий напрямок з низки причин:

Революційний підхід до обробки, зберігання та передачі інформації. Прикладом класичної дворівневої системи є відомий мікроелектроніці інвертор, що здійснює операцію NOT (НЕ). Залежно від того, чи зайняті ці стани з ймовірностями P(0) = 1, P(1) = 0 або P(0) = 0, P(1) = 1, ми маємо булеві логічні стани «0» або «1» . У квантовому випадку виникає набагато багатша ситуація. Хвильова функція квантових станів дворівневої системи - квантового біта, що отримав надалі назву кубіту (quantum bit або qubit), може бути суперпозицією базисних станів (вектор стану) наступного виду yс = a0с + b1с, де a, b - комплексні амплітуди станів, цьому а? + b? = 1 . Крім ймовірностей P(0) = а ² і P(1) = b ² , заповнення базисних станів 0с і 1с, стан кубіту характеризується когерентними або інтерференційними складниками у ймовірностістану yс, що визначаються творами комплексних амплітуд ab* та a*b. Стан квантового біта на відміну від класичного може змінюватися не тільки шляхом зміни ймовірностей P(0) і P(1), але і більш тонко шляхом зміни амплітуд станів a і b, що відповідає поворотам вектора стану yс в так званому двомірному гільбертовому просторі станів. У цьому полягає принципова відмінність класичного і квантового біта. Кардинально новою виявилася ідея про квантові обчислення. Вона полягає в можливості ізольованої квантової системи з L дворівневих квантових елементів перебувати в когерентній суперпозиції з 2 булевих станів, що характеризується 2 комплексними числами і збільшеною до 2 розмірністю відповідного гільбертового простору. Зрозуміло, що з опису такого квантового стану в класичному обчислювальному пристрої потрібно було б задати 2 комплексних чисел, тобто знадобилися б експоненційно великі обчислювальні ресурси. Звідси було зроблено зворотний висновок про те, що ефективне чисельне моделювання квантових систем, що містять до сотні дворівневих елементів, практично недоступне класичним комп'ютерам, але може ефективно здійснюватися шляхом виконання логічних операцій на квантових системах, які діють суперпозиції багатьох квантових станів. Елементарний крок при квантових обчисленнях – унітарна операція над L-кубитовой суперпозицією стану регістру з L кубитів – виконується отже відразу всі 2 комплексні амплітуди обробляються паралельно. У класичному комп'ютері подібна дія потребувала б 2 окремих елементарних кроків для обробки кожної амплітуди. Саме ця властивість – квантовий паралелізм у роботі квантових пристроїв – призводить до експоненційного прискорення.обчислювального процесу [4]. Особлива властивість квантових станів, що принципово відрізняється від класичних - заплутування (entanglement), коли взаємодія між кубитами породжує таку когерентну суперпозицію квантових станів декількох елементів, яка не зводиться до твору станів окремих кубитів. Прикладом може бути заплутаний стан двох кубитів типу (див. формулу 1). Заплутані стани відіграють дуже важливу роль у процесах передачі та обробки квантової інформації. Люди виявили теоретичну можливість передавати з його допомогою невідомий для відправника А квантовий стан дворівневої системи до одержувача без реального переміщення самого елемента. Це явище, що отримало назву телепортації, стало основою для розвитку принципово нового методу секретної передачі інформації (криптографії). Завдяки властивості заплутування відкрилися нові шляхи кодування, забезпечення перешкодозахищеності та ефективнішого управління інформацією [3].
Мініатюрність. Якщо як одиниці інформації брати спин електрона, то сам пристрій буде дуже маленьких розмірів.
Низьке енергоспоживання.
Можливість більш простого спільного використання квантового та класичного комп'ютера. Якщо в якості сигналів у квантовому комп'ютері будуть використовуватися електричні сигнали, то спільна робота класичного та квантового комп'ютера не вимагатиме великої кількості перетворювачів [1].

Давайте розглянемо схему одного з перших працюючих квантових комп'ютерів, реалізованих на квантових точках.

Схематична структура квантового комп'ютера представлена рис. 2. Квантову частину комп'ютера становлять n кубитов, що реалізовувалися на паріквантових точок із зарядовими станами. Перш ніж "запустити" обчислювальний процес на квантовому комп'ютері, всі n кубити повинні бути приведені в стан 0. Ця процедура зветься "ініціалізація". Після завершення алгоритму результат обчислення буде записаний у кінцевому квантовому стані кубітів. Щоб «вважати» результат, необхідно провести квантовий вимір стану кубитів (одного чи кількох) [7].

Перший безперебійно працюючий власне квантовий комп'ютер був на квантових точках з двома електронними орбітальними станами як кубити, що описуються за допомогою псевдоспину ½. Як окремий осередок бралася несиметрична пара квантових точок різного розміру з істотно різними власними енергіями. Ці пари точок були розташовані в тунельних структурах з несиметричними бар'єрами в області між каналом та затвором деякої структури МОП. Між собою точки розділялися досить прозорим потенційним бар'єром, завдяки чому здійснювався певний зв'язок між точками. Електрон, що інжектується в структуру з боку каналу, займає нижчий рівень, тобто він виявляється локалізованим у квантовій точці більшого розміру. Повної локалізації електрона на одній квантовій точці a можна зіставити логічний стан «1)»=1а, 0b), а локалізації на іншій квантовій точці b (вища власна енергія) – стан «0)»=0а, 1b) (рис.3 ). Цим двом станам квантових точок відповідають власні енергії Ea та Eb. Припускатимемо, що вони містять і внесок зовнішнього потенціалу.

При математичному розгляді взаємодій цієї пари точок, приходять до висновку, що дана система несиметричних квантових точок з одним електроном має основні властивості, характерні для кубитов-спінів.

Ланцюжок із розташованих поруч пар квантових точок – кубитів містився в підзатворний діелектрик спеціально створеного кремнієвого МОП-транзистора таким чином, щоб перенесення заряду між різними парами-кубітами було порівняно малим (рис. 4). Для індивідуального управління кубитами крім верхнього загального затвора використовувалася система індивідуальних затворів, що управляють, всередині діелектрика, що діють безпосередньо на кожен кубит.

Основні етапи квантових обчислювальних операцій полягають у наступному: ініціалізація зарядового стану здійснюється шляхом застосування до верхнього загального затвора великої напруги, що призводить до заповнення станів великих точок та уніфікуючого стану кубітів. Цей затвор служив захистом від зовнішніх електромагнітних впливів. Вхідні та вихідні сигнали надходять через індивідуальні затвори кожного кубіту.

За допомогою зовнішнього електричного потенціалу, створюваного напругою на відповідних затворах, та його тривалістю можна здійснювати операції NOT та CNOT.

Декогеренізація квантових станів у кремнієвих наноструктурах в основному визначається впливом поверхневих пасток, тому потрібно використання надчистих технологій для виключення цього механізму декогеренізації. Ця схема вдало поєднувала квантову та звичайні напівпровідникові інтегральні схеми, що робило її зручним варіантом для використання у квантовому комп'ютері [2].

За введення-виведення інформації відповідав класичний комп'ютер, який працював спільно з квантовим [1]. Потім класичний комп'ютер модифікувався у сучасний квантовий перетворювач.

Як елементи пам'яті та дисплея цього комп'ютера використовувалися квантові точки, що призвело до простоти при його виготовленні. Прототипи елементівпам'яті були вже виготовлені в 2000 роках, а Q-LED (Quantum Light Emitting Diode-Квантовий світловипромінюючий діод) діоди використовувалися ще раніше, наприклад, при виготовленні телевізорів [5, 8].

Зв'язок між блоками комп'ютера і між самими комп'ютерами була реалізована за принципом квантової заплутаності, яка мала захищеність, велику перешкодостійкість і швидкість.

Які ж були переваги квантового комп'ютера порівняно з класичним комп'ютером?

Економічна вигода. а) Для реалізації цієї моделі вченим не потрібно було кардинально перебудовувати всі заводи з виготовлення мікросхем, оскільки для виробництва квантових комп'ютерів використовувалася вже існуюча технологія. в) Багато компонентів комп'ютера виготовлялися за схожою технологією, дисплеї, пам'ять, процесор - все було на квантових точках.
Характеристики комп'ютера ґрунтувалися на найпередовіших знаннях про наноелектроніку. Q-LED дисплеї забезпечували яскраву і чітку передачу кольорів, процесор – колосальну швидкість обробки інформації, а пам'ять на квантових точках – зберігання великих обсягів інформації.
Мініатюрність комп'ютера.
Використання спільно з класичним комп'ютером - сприяло поширенню квантових комп'ютерів.
Енергоекономічність. Для роботи квантових комп'ютерів потрібно дуже мало енергії.

Недоліки квантового комп'ютера були такими:

Які ж плоди титанічної праці вчених та інженерів того часу ми маємо сьогодні?

Дорогі студенти, ви просто не уявляєте, що ті пристрої, які зараз використовують повсюдно, які є в кожному будинку, у кожного студента нашого університету,півстоліття тому миготіли лише в оповіданнях письменників фантастів. Тому хочу закінчити сьогоднішню лекцію висловлюванням знаменитого фізика Ейнштейна: «Уява це все. Це попередній показ майбутніх подій у житті».

Список використаних джерел:

У статті використані матеріали: Інтернет-олімпіада