Компютър на бъдещето, базиран на квантови точки

Автор(и): Хадиев А.Р.

на вашата страница -->

„Въображението е всичко.

Това е предварителен преглед на предстоящите събития в живота."

Казан. 2039 KSTU. Туполев. Лекция "Нанотехнологии в електрониката".

Професорът влезе в класната стая почти неусетно, само седящите до вратата студенти успяха да го поздравят изправени. Александър Николаевич беше достоен за уважение, тъй като лекциите му не се излъчваха на медийно табло или медийна книга, той преподаваше на живо, по старомодния начин, предпочитайки да вижда заинтересованите очи на студентите, а не бездушния образ на дисплеите на съвременната техника.

С премерена стъпка той мина покрай медиаборда, застана пред прозореца и, наблюдавайки прелитащите по улицата въздушни коли, се замисли за нещо, а именно за случилото се преди няколко десетилетия.

- Вероятно дори не се замисляте какво даде тласък на развитието на науката и технологиите, откъде идват всички тези технически устройства, които се използват от повечето хора в нашата страна и как се случи революцията в електрониката. Трябва да ви кажа, че като студент вече чух за развитието на нанотехнологиите и наноелектрониката, но тогава това развитие беше много бавно, тъй като съществуващата база от електроника задоволяваше почти всички нужди на хората. Като студент открих използването на 65 nm, 45 nm, 32 nm, 22 nm, 16 nm технология за производство на електронни схеми и това вече се отнасяше за наноелектрониката [6]. Емпиричният закон на Мур е осигурил развитието на стандартна производствена технология до 2020 г., преди момента, в който човекът е достигнал крайъгълния камък, определен от самата природа. Но успоредно сПодобрявайки съществуващата технология, човек развива нови насоки за развитие на електрониката, защото разбира, че с широкото присъствие на компютри, огромни сървъри, развитието на Интернет, който след това прераства в инфранет, съществуващата база ще бъде неподходяща за тяхното обслужване. Следователно човек започна да разработва супермощни, икономични и миниатюрни компютри.

Имаше няколко области на търсене на нови решения: биологичното направление (ДНК-компютър); химически (наличие на молекули с няколко стационарни състояния); физически (различни превключватели на молекули) и квантови (квантов компютър).

Квантовата посока стана най-развита поради редица причини:

Революционен подход към обработката, съхранението и предаването на информация. Всяка класическа двустепенна система, включително квантовата, има основно 0c и неосновно 1c основно състояние. Пример за класическа двустепенна система е добре познатият в микроелектрониката инвертор, който изпълнява операцията НЕ (НЕ). В зависимост от това дали тези състояния са заети с вероятности P(0) = 1, P(1) = 0 или P(0) = 0, P(1) = 1, имаме булеви логически състояния "0" или "1". В квантовия случай възниква много по-богата ситуация. Вълновата функция на квантовите състояния на система от две нива - квантов бит, по-късно наречен кубит (квантов бит или кубит), може да бъде суперпозиция на основни състояния (вектор на състоянието) със следната форма yc = a0c + b1c, където a, b са комплексните амплитуди на състоянията, докато a ² + b ² = 1. В допълнение към вероятностите P(0) = a ² и P(1) = b ², запълващи основните състояния 0c и 1c, състоянието на кубита се характеризира с кохерентни или интерферентни членове във вероятносттасъстояния yс, определени от произведенията на комплексните амплитуди ab* и a*b. Състоянието на квантовия бит, за разлика от класическия, може да се промени не само чрез промяна на вероятностите P(0) и P(1), но и по-фино чрез промяна на амплитудите на състоянията a и b, което съответства на ротации на вектора на състоянието yc в така нареченото Хилбертово двумерно пространство на състоянията. Това е фундаменталната разлика между класическите и квантовите битове. Идеята за квантовите изчисления се оказа коренно нова. Тя се крие в способността на изолирана квантова система от L квантови елемента на две нива да бъде в кохерентна суперпозиция от 2ᴸ булеви състояния, характеризирани с 2ᴸ комплексни числа и увеличени до 2ᴸ измерение на съответното Хилбертово пространство. Ясно е, че за да се опише такова квантово състояние в класическо изчислително устройство, би било необходимо да се зададат 2ᴸ комплексни числа, тоест ще са необходими експоненциално големи изчислителни ресурси. От това беше направено обратното заключение, че ефективната числена симулация на квантови системи, съдържащи до сто елемента на две нива, е практически недостъпна за класическите компютри, но може да бъде ефективно извършена чрез извършване на логически операции върху квантови системи, които действат върху суперпозиции на много квантови състояния. Елементарна стъпка в квантовото изчисление - единна операция върху суперпозиция на L-кубит на състоянието на регистър от L кубити - се изпълнява по такъв начин, че всички 2ᴸ комплексни амплитуди се обработват едновременно паралелно. В класически компютър подобно действие би изисквало 2ᴸ отделни елементарни стъпки за обработка на всяка амплитуда. Именно това свойство - квантовият паралелизъм в работата на квантовите устройства - води до експоненциално ускорениеизчислителен процес [4]. Специално свойство на квантовите състояния, което фундаментално ги отличава от класическите, е заплитането, когато взаимодействието между кубити генерира такава кохерентна суперпозиция на квантови състояния на няколко елемента, които не могат да бъдат сведени до произведение на състояния на отделни кубити. Пример е заплетеното състояние на два кубита от типа (виж формула 1) Заплетените състояния играят много важна роля в предаването и обработката на квантова информация. Хората са открили теоретичната възможност за предаване с негова помощ на квантовото състояние на двустепенна система, непозната за изпращача А, към получателя Б, без реално да се движи самият елемент. Това явление, наречено телепортация, стана основа за разработването на фундаментално нов метод за тайно предаване на информация (криптография). Благодарение на свойството на обфускация се откриха нови начини за кодиране, осигуряване на шумоустойчивост и по-ефективно управление на информацията [3].
Миниатюрност. Ако вземем спина на електрона като единица информация, тогава самото устройство ще бъде много малко.
Ниска консумация на енергия.
Възможност за по-просто съвместно използване на квантови и класически компютри. Ако електрическите сигнали се използват като сигнали в квантов компютър, тогава съвместната работа на класически и квантов компютър няма да изисква голям брой преобразуватели [1].

Нека да разгледаме схемата на един от първите работещи квантови компютри, който е реализиран на квантови точки.

Схематичната структура на квантов компютър е показана на фиг. 2. Квантовата част на компютъра се състои от n кубита, които са внедрени на двойкаквантови точки със състояния на заряд. Преди да "пуснете" изчислителния процес на квантов компютър, всичките n кубита трябва да бъдат доведени до състояние 0>. Тази процедура се нарича "инициализация". След завършване на алгоритъма, резултатът от изчислението ще бъде записан в крайното квантово състояние на кубитите. За да се „разчете” резултатът, е необходимо да се извърши квантово измерване на състоянието на кубитите (един или повече) [7].

Първият правилно функциониращ квантов компютър се основава на квантови точки с две електронни орбитални състояния като кубити, описани от псевдоспин ½. Асиметрична двойка квантови точки с различни размери със значително различни собствени енергии беше взета като отделна клетка. Тези двойки точки бяха разположени в тунелни структури с асиметрични бариери в областта между канала и портата на някаква MOS структура. Точките бяха отделени една от друга с достатъчно прозрачна потенциална бариера, поради което между точките се установи определена връзка. Електронът, инжектиран в структурата от страната на канала, заема по-ниско ниво, т.е. той е локализиран в по-голяма квантова точка. Пълната локализация на електрон върху една квантова точка a може да се сравни с логичното състояние "1)"=1a, 0b), а локализацията върху друга квантова точка b (по-висока собствена енергия) - състоянието "0)"=0a, 1b) (фиг. 3). Тези две състояния на квантовите точки съответстват на собствените енергии Ea и Eb. Ще приемем, че те съдържат и приноса на външния потенциал.

При математическото разглеждане на взаимодействията на тази двойка точки се стига до заключението, че тази система от асиметрични квантови точки с един електрон има основните свойства, характерни за спиновите кубити.

Верига от съседни двойки квантови точки - кубити - беше поставена в диелектрика на затвора на специално проектиран силициев MOS транзистор по такъв начин, че преносът на заряд между различни двойки кубити беше сравнително малък (фиг. 4). За индивидуален контрол на кубитите, в допълнение към горния общ порт, беше използвана система от индивидуални контролни порти вътре в диелектрика, действащи директно върху всеки кубит.

Основните етапи на квантовите изчислителни операции са следните: инициализирането на състоянието на заряд се извършва чрез прилагане на голямо напрежение към горния общ гейт, което води до запълване на състоянията на големи точки и обединяване на състоянието на кубитите. Същият затвор служи като защита срещу външни електромагнитни влияния. Входните и изходните сигнали идват през отделните порти на всеки кубит.

Използвайки външния електрически потенциал, създаден от напрежението на съответните гейтове, и неговата продължителност, могат да се извършат операциите NOT и CNOT.

Декохерентността на квантовите състояния в силициевите наноструктури се определя главно от влиянието на повърхностните капани; следователно е необходимо използването на свръхчисти технологии за елиминиране на този механизъм на декохерентност. Тази схема успешно съчетава квантови и конвенционални полупроводникови интегрални схеми, което я прави удобна опция за използване в квантов компютър [2].

Класически компютър, който работи заедно с квантов компютър, отговаряше за входа-изхода на информация [1]. Тогава класическият компютър е модифициран в модерен квантов преобразувател.

Квантовите точки бяха използвани като памет и елементи на дисплея на този компютър, което доведе до опростяване на производството му. Прототипи на елементипаметите вече са произведени през 2000-те години, а диодите Q-LED (Quantum Light Emitting Diode) са използвани още по-рано, например в производството на телевизори [5, 8].

Връзката между компютърните блокове и между самите компютри беше реализирана на принципа на квантовото заплитане, което имаше сигурност, висока устойчивост на шум и скорост.

Какви бяха предимствата на квантовия компютър в сравнение с класическия компютър?

Икономически ползи. а) За да приложат този модел, учените не трябваше да реконструират радикално всички фабрики за производство на микросхеми, тъй като вече съществуващата технология беше използвана за производството на квантови компютри. в) Много компютърни компоненти бяха произведени с помощта на подобна технология, дисплеи, памет, процесор - всичко беше базирано на квантови точки.
Ефективността на компютъра се основаваше на най-напредналите знания за наноелектрониката. Q-LED дисплеите осигуряват ярко и ясно възпроизвеждане на цветовете, процесорът - огромна скорост на обработка на информация, а паметта с квантови точки - съхранение на големи количества информация.
Компютърна миниатюра.
Използване във връзка с класически компютър - допринесе за разпространението на квантовите компютри.
Икономия на енергия. Квантовите компютри изискват много малко енергия, за да работят.

Недостатъците на квантовия компютър са следните:

Какви плодове от титаничния труд на учени и инженери от онова време имаме днес?

Скъпи студенти, просто не можете да си представите, че устройствата, които сега се използват навсякъде, които са във всеки дом, всеки студент от нашия университет,преди половин век проблясва само в разказите на писатели на научна фантастика. Затова искам да завърша днешната лекция с цитат от известния физик Айнщайн: „Въображението е всичко. Това е предварителен преглед на предстоящите събития в живота."

Списък на използваните източници:

Използвани материали в статията: Интернет олимпиада