Цифровой журнал «Компьютерра» № 28 - Коллектив Авторов

Их прибор работает на туннельном токе, который как минимум в 10 раз меньше, чем инжекционный, так как вероятность туннелирования экспоненциально сильно зависит от расстояния, а также от числа уровней, по которым возможно туннелирование. Получение большого тока — главная проблема туннельных приборов.

- Является ли этот транзистор шагом к созданию квантового компьютера?

- Да, является. В Австралии существует большая программа по созданию квантового компьютера, такие программы имеются во всём мире, в том числе и в России. Главная проблема заключается в том, чтобы точно, в заданном положении, расположить атомы примеси в твёрдом теле.

Например, в работе 2006 года эту проблему попробовали решить очень простым способом. Они просто имплантировали одиночные примесные атомы в готовые структуры, которые потом случайно обнаруживали.

Сейчас уже разработана специальная установка, которая имплантирует по одному атому. Такие установки дороги и сложны в изготовлении, и достоинство рассматриваемой работы в Nature в том, что авторы используют сканирующий туннельный микроскоп со сверхвысоким вакуумом, с помощью которого точно по заданному рисунку размещаются атомы фосфора на поверхности кремния.

- Расскажите про транзистор из одного атома.

- Первая работа с одним легирующим атомом была сделана в 2006 году и опубликована также в журнале Nature, авторство принадлежит сотрудникам университета Дельфта из Голландии. Они сделали транзистор с использованием всего одного примесного атома фосфора. Сейчас эта технология доведена до совершенства. Этим занимаются и австралийские и немецкие исследовательские центры, центры в США.

Исследователи давно работают со считанным количеством легирующих атомов на кремнии и транзисторными структурами, и пытаются делать приборы, подобные тем, что описаны в майской статье. Благодаря эффекту туннелирования можно сделать прибор из 1-3 атомов и получить при этом хорошие характеристики.

В процессе туннелирования задействовано большое количество электронов и один примесный атом, у которого есть возбужденные уровни. И через эти уровни можно заставить электроны туннелировать, это чисто квантовый эффект. Электрон проходит не над барьером, как в обычном транзисторе или в электронной лампе, а туннелирует под барьером. На этом же принципе основана работа транзистора, на который вы ссылаетесь.

Есть похожие разработки, в которых авторы также сумели приготовить очень чистую поверхность, потом они покрыли её водородом, обеспечив ей стабильность. Потом подвели туда туннельный микроскоп и сумели оторвать эти атомы водорода от поверхности. В результате получилась поверхность с большим количеством оборванных связей.

На самом деле уже 25 лет назад за такую работу была дана Нобелевская премия, именно за «выкладывание» атомов на поверхности. Учёные из научного центра IBM первые выложили буквы "I", "B" и "M". Они получили премию за создание такого сканирующего микроскопа. Поэтому сказать, что у австралийцев совсем новый подход, нельзя.

Но их заслуга заключается ещё и в том, что они смогли разместить атомы примеси очень близко друг к другу. Для чего нужно такое близкое расположение? Конечно, их цель — создание квантового компьютера. Из близко расположенных атомов можно сделать ячейки квантового компьютера. Потому что когда вы помещаете атомы сурьмы или атомы фосфора, помимо электрического заряда появляется ещё одно состояние системы, которым можно управлять — спин (магнитный момент).

Между электронами и ядрами существует спиновое взаимодействие, и оказалось, что в кремнии большое время релаксации спина электрона, то есть можно проводить операции не только с зарядом, но и с магнитным моментом движения электрона. Это позволяет получать более эффективные компьютерные алгоритмы, в частности, квантовые.

Если вам удастся близко и точно разместить атомы сурьмы, то с помощью электродов вы сможете устроить взаимодействие между электронами, захваченными атомами сурьмы, и они начнут обмениваться спинами. А это приведет к тому, что информация будет уже не просто 0 или 1, как в обычном компьютере, она будет принимать все комбинированные значения в соответствии с законами квантовой физики.

Возникают связанные и запутанные состояния, они позволяют сделать очень многие физические алгоритмы более быстрыми, например, расчет экспоненты производится почти моментально, буквально за одну операцию, а при существующих системах это сложно и долго. Такой способ действительно очень эффективен и быстр. При этом тратится мало энергии, потому что разница по энергиям этих состояний менее 10-3 эВ. Предложено много технологий, как делать квантовый компьютер, публикации идут валом.

- А какие есть «альтернативные» варианты?

- Предлагается использовать не только кремний, но и другие полупроводники, в частности, алмаз. Сформулированы семь критериев ДиВинченцо (DiVincenzo) (D. Loss. D. DiVincenzo. Quantum Computation with Quantum Dots. Phys.Rev., 1998, v.A57, N1, pp.120-126 , R. Vrijen, D. Di Vincenzo. Electron Spin Resonance Transistor for Quantum Computation in Silicon — Germanium Heterostructure. Phys.Rev.A.vol.62,012306(1-10) , 2000) для квантовых информационных вычислений. Оказалось, что алмаз практически полностью удовлетворяет им всем. В одном из последних номеров Nature Materials была опубликована его статья "Квантовые биты — лучше, чем «отлично» (D. DiVincenzo «Quantum bits: Better than excellent» Nature Mat. 9, 468-469 (2010), которая является ещё одним подтверждением того, что создать квантовый компьютер вполне реально.

Более того, квантовые кубиты и вычислительные операции на них продемонстрированы уже лет пять назад, но это делалось либо на отдельных атомах, либо в сверхпроводниках. Сейчас это осуществили и в твёрдом теле, не на эффекте сверхпроводимости.

Предложены красивые схемы на алмазах, уже продумано, как записывать информацию, как считывать, причём система работает даже при комнатной температуре. Но алмаз есть алмаз, это дорогой материал. Мы в этом направлении тоже работаем, у нас есть работающие элементы интегральных схем на алмазе, но мы пока не собираемся делать квантовый компьютер, а просто пытаемся создавать квантовые точки B0 и дорожки.

- И как успехи?

- Ну... по крайней мере нас приглашают с докладами на международные конференции, хотя с алмазами с точки зрения электроники мы работаем всего второй год. Основной наш интерес — это кремниевые структуры, в основном мы работаем с ними. На кремнии у нас успехи существенно больше.

Тем не менее, вы можете посмотреть на маленькую схемку на изолирующем алмазе с проводящими дорожками внутри кристалла. Это настоящий прозрачный алмаз, ювелирного качества, он синтетический, но его стоимость не намного меньше, чем у натурального, и понятно, что это серьёзное ограничение для практического применения.

Если создать целую промышленность по производству алмазной электроники, то, думаю, недолго и разориться и, возможно, у девушек не останется бриллиантов, их лучших друзей. Тем не менее, такие разработки ведутся. Кремниевые квантовые системы лучше только тем, что на кремнии уже хорошо отработаны все технологии, и можно сделать только квантовое ядро для квантовых вычислений. А для работы в обычных условиях можно не охлаждать компьютер до безумно низких температур, вблизи 0 К.

- А охлаждать дорого?

- Да, конечно. Охлаждать очень дорого, это гигантские энергозатраты. Это реально большая проблема в компьютерных технологиях. Кто-то охлаждает жидкостью, кто-то газом, каждый изобретает, кто что может. Чем ниже температура, тем выше затраты. Поэтому алмаз — хороший вариант для квантовых компьютеров, без сомнения. Возможно, что карбид кремния окажется таким же эффективным. Его свойства не намного хуже.

На мой взгляд, делать квантовый компьютер на кремнии — задача тяжелая. Она хороша только тем, что технология, как вы видите, отработана настолько, что уже можно размещать на поверхности отдельные атомы. Проблема — избавиться от их перемещения при отжиге. С этим пока не научились справляться.

Более того, для того, чтобы квантовый компьютер работал, надо чтобы атом фосфора или сурьмы оказался не на поверхности, а на глубине порядка 5 нм, это оптимальная глубина. Тогда свойства поверхности меньше всего повлияют на работу квантового кубита, и вы получите лучшие характеристики. Для того чтобы зарастить полученную структуру, нужна повышенная температура.

При этом примесные атомы опять начинают двигаться. Видимо, главной задачей исследователей в будущем станет точная фиксация атомов. То, что они достигли сейчас, позволяет контролировать, как расположены атомы примеси, и сравнивать результаты по проводимости с теоретическими расчетами.