_29. Ялама. Наноэлектроника

[DimGA]

Доклад на тему: наноэлектроника. Автор: Ялама Дмитрий Евгеньевич, гр. 442 об-5  Научный руководитель: Карпова Т.В.

Наноэлектроника -- область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров.
Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура- эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, -- это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники. Помимо всего вышесказанного одной из главных задач наноэлектроники является осуществление качественного перехода от наноэлектроники к атомной электронике, но опять же, это является очень далекой перспективой. Не отходя от поставленной темы, хотелось бы добавить, что наноэлектроника, как уже говорилось выше, открывает человечеству совершенно новые возможности, которых ранее не существовало. Речь идет о сверхбыстрых и компактных ЭВМ, устройств промышленного и частного производства, бытовых приборах, а также средств оборонной и военной промышленности. Но все это является предметом далеких перспектив. Основной проблемой, при переходе от полупроводниковой электроники к наноэлектронике является качественное изменение физики, а также физических процессов внутри каждого элемента нано-микросхемы. К примеру, если мы возьмем классическую микросхему со стандартными по размеру и функционированию элементами, то все они подчиняются физическим законам, имеют классическую ВАХ (Вольтамперную характеристику) и не вызывают трудностей в манипуляциях и получении желаемого результата. Что касается наноэлементов, то в связи с изменением их размеров, процессы в них протекающие проходят в тысячи, а где-то в миллионы раз быстрее, при этом, потребляя намного меньше энергии. Физические характеристики данных элементов, а также их ВАХ не исследованы до конца.
Основные задачи наноэлектроники:
1) разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;
2) разработка физических основ технологических процессов;
3) разработка самих приборов и технологий их изготовления;
4) разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.
 Говоря о развитии наноэлектроники в нашей стране, в России ситуация с развитием наноэлектроники является неоднозначной. Микроэлектроника по сравнению с передним мировым фронтом в России развита достаточно слабо. В наноэлектронике Россия сохранила преимущества, которые были у Советского Союза. Это касается таких областей, как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на основе полупроводников. Россия является родиной одного из наиболее значимых электронных приборов -- полупроводникового лазера, за который получил Нобелевскую премию академик Жорес Алфёров.


Во многих областях наноэлектроники стартовые позиции у России достаточно неплохие. На полупроводниковых наногетероструктурах с двумерным электронным газом основывается, например, сотовая связь. Здесь Россия не в лидерах, но сделанные ранее разработки в областях СВЧ, фотоприёмников, излучательных структур, солнечных батарей, силовой электроники и сейчас на очень хорошем уровне.
Квантовые ЭВМ (Компьютеры)
Основным предметом моего доклада является применение наноэлектроники в наиболее распространенной сфере жизнедеятельности человека-в сфере компьютерных технологий. На данный момент, человечество находится на этапе революции в данном вопросе. На данный момент, ученые, а также ведущие программисты ведут активную разработку компьютеров, работающих на базе квантовых процессоров, и будущее в данной технологии действительно завораживает.
Квантовый компьютер -- вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Хотя появление транзисторов, классических компьютеров и множества других электронных устройств связано с развитием квантовой механики и физики конденсированного состояния, информация между элементами таких систем обычно передается в виде электрического напряжения.
Полноценный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на переднем краесовременной физики.
Первым практическим высокоуровневым языком программирования для такого вида компьютеров считается язык Quipper, основанный на Haskell

Идея о квантовых вычислениях была высказана Юрием Маниным в 1980 году.
Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году. Вскоре Пол Бениофф описал теоретические основы построения такого компьютера.
Так же концепцию квантового компьютера в 1983 предлагал Стивен Визнер в статье, которую он пытался опубликовать в течение более десяти лет до этого.
Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа   составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для  . Поэтому Визнер и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.
Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, -- такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.
Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний   (обозначения Дирака), то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоянии   -- со своей комплексной амплитудой  . Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией»
 
Базисные состояния могут иметь и более сложный вид. Тогда квантовую суперпозицию можно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени. Или не подвергнуться. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: „распад" и „не распад", <…> но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние -- „распада -- не распада", то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется „суперпозицией"».
Квантовое состояние   может изменяться во времени двумя принципиально различными путями:
1. Унитарная квантовая операция (квантовый вентиль, англ. quantum gate), в дальнейшем просто операция.
2. Измерение (наблюдение).
Если классические состояния   есть пространственные положения группы электронов в квантовых точках, управляемых внешним полем  , то унитарная операция есть решение уравнения Шрёдингера для этого потенциала.
Измерение есть случайная величина, принимающая значения   с вероятностями   соответственно. В этом состоит квантовомеханическое правило Борна. Измерение есть единственная возможность получения информации о квантовом состоянии, так как значения   нам непосредственно недоступны. Измерение квантового состояния не может быть сведено к унитарной шрёдингеровской эволюции, так как, в отличие от последней, оно необратимо. При измерении происходит так называемый коллапс волновой функции  , физическая природа которого до конца не ясна. Спонтанные вредоносные измерения состояния в ходе вычисления ведут к декогерентности, то есть отклонению от унитарной эволюции, что является главным препятствием при построении квантового компьютера (см. физические реализации квантовых компьютеров).
Квантовое вычисление есть контролируемая классическим управляющим компьютером последовательность унитарных операций простого вида (над одним, двумя или тремя кубитами). В конце вычисления состояние квантового процессора измеряется, что и даёт искомый результат вычисления.
Содержание понятия «квантовый параллелизм» в вычислении может быть раскрыто так: «Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счёт того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно».

Идея квантовых вычислений состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространство состояний такого квантового регистра является 2L-мерным гильбертовым пространством. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит фактически задействует одновременно 2L классических состояний.
Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния: поляризационные состояния фотонов, электронные состояния изолированных атомов или ионов, спиновые состояния ядер атомов, и т. д.
Один классический бит может находиться в одном и только в одном из состояний |0rangle или |1rangle. Квантовый бит, называемый кубитом, находится в состоянии |psirangle=a,|0rangle+b,|1rangle, так что |a|² и |b|² -- вероятности получить 0 или 1 соответственно при измерении этого состояния; a,b in mathbb{C}; |a|² + |b|² = 1. Сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, соответствующее классическому результату.


Основные вычисления и алгоритмы
Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берётся система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера. Роль проводов классического компьютера играют кубиты, а роль логических блоков классического компьютера играют унитарные преобразования. Такая концепция квантового процессора и квантовых логических вентилей была предложена в 1989 году Дэвидом Дойчем. Также Дэвид Дойч в 1995 году нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно выполнять любые квантовые вычисления. Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счёт небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице. С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней. Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов. Далее будет приведен перечень основных алгоритмов квантовых компьютеров:

1) Алгоритм Гровера позволяет найти решение уравнения f(x)=1,; 0le x < N за время O(sqrt{N}).
2) Алгоритм Шора позволяет разложить натуральное число n на простые множители за полиномиальное от log(n) время.
3) Алгоритм Залки -- Визнера позволяет моделировать унитарную эволюцию квантовой системы n частиц за почти линейное время с использованием O(n) кубит.
4) Дойча -- Йожи позволяет «за одно вычисление» определить, является ли функция двоичной переменной f(n) постоянной (f1(n) = 0, f2(n) = 1 независимо от n) или «сбалансированной» (f3(0) = 0, f3(1) = 1; f4(0) = 1, f4(1) = 0)
5) Алгоритм Саймона[en] решает проблему чёрного ящика экспоненциально быстрее, чем любой классический алгоритм, включая вероятностные алгоритмы.
Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение». Более того, возможность получения квантового ускорения для произвольного классического алгоритма является большой редкостью.
Физическая реализация квантовых компьютеров
Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. По состоянию на начало 2010-х годов построены только ограниченные его варианты (самые большие сконструированные квантовые регистры имеют немногим более десятка связанных кубит). Вопрос о том, до какой степени возможно масштабирование такого устройства (так называемая «Проблема масштабирования»), является предметом новой интенсивно развивающейся области -- многочастичной квантовой механики. Центральным здесь является вопрос о природе декогерентности (точнее, о коллапсе волновой функции), который пока остаётся открытым. Различные трактовки этого процесса можно найти в книгах.

Главные технологии для квантового компьютера:
1. Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствиеэлектрона в определённой точке) либо направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние потенциалы илилазерным импульсом.
2. Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, СКВИДы и др.). В качестве логических кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской парыв определённой пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
3. Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических кубитов используются основное/возбуждённое состояния внешнего электрона в ионе. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы + колебательные моды ионного ансамбля.
4. Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или как элементы управления классическими вычислительными сетями.
На рубеже XXI века во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, о которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов).
В конце 2001 года IBM заявила об успешном тестировании 7-кубитного квантового компьютера, реализованного с помощью ЯМР. На нём был исполнен алгоритм Шора и были найдены сомножители числа 15.
В 2005 году группой Ю. Пашкина (кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости г. Москвы) при помощи японских специалистов был построен двухкубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах.
В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит.
В феврале 2012 года компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов, которые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера.
В апреле 2012 года группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова, иКалифорнийского университета, Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями. Компьютер функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азотасоответственно. Для обеспечения защиты от влияния декогерентности была разработана целая система, которая формировала импульс микроволнового излучения определённой длительности и формы. При помощи этого компьютера реализован алгоритм Гровера для четырёх вариантов перебора, что позволило получить правильный ответ с первой попытки в 95 % случаев.
Заключение
С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.
Человечество ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь.
Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики, и других сфер жизнедеятельности человека, а основным фактором развития человечества будет развитие в области сверхновых квантовых машин, которые приведут человечество к совершенно новой ступени технической эволюции.

Список используемой литературы:
1.   Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г.
2.   Головин, Ю. И. Введение в нанотехнику. М. : Машиностроение, 2007.
3.   Рыбалкина М. М.: Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network, 2005.
4.   Материалы сайтов: Wikipedia, Bank Referatov.

[KTV]

В чем заключается преимущество квантовых ЭВМ? В чем заключается сложность их физической реализации ?

[DimGA]

Как уже говорилось в докладе, в основе вычислительных процессов обычных компьютеров лежит "битная" система, состоящая из последовательностей 0-1. В основе же квантового ЭВМ лежит "кубитная" система исчисления, в отличие от бита, кубит одновременно содержит 0 и 1 (принцип суперпозиции). Данная технология, как считают некоторые ученые способна совершать требуемые операции в тысячи раз быстрее своих классических аналогов, а также решать задачи, которые на данный момент считаются нерешаемыми. Трудность физической реализации, на мой взгляд, заключается в двух следующих положениях:
1) Кубит сам по себе содержит множество решений, но когда задается конкретно одна операция, то он выбирает первое попавшееся, т.к очень сильно зависит от окружающих воздействий. Они в свою, очередь контролируются сложными квантовыми алгоритмами (выше в тексте доклада), которые ввиду своей масштабности очень трудно уместить в машину привычных нам размеров. К тому же, с экономической точки зрения, это совершенно невыгодно.
2) Второй фактор связан с достижением высокой точности, который также достигается с большим трудом, в связи с первым пунктом проблемы.
Однако, несмотря на все трудности в физической реализации, большинство ведущих ученых прогнозируют масштабное производство и распространение уже на 2020 годы. Уже 2016, скоро увидим