Квантовая механика и компьютер

В настоящее время вычислительная техника подошла к пределу своих возможностей по быстродействию компьютеров и размеру микросхем. Масштаб порядка 0,1 микрометра определяет границу применимости законов классической физики, и при дальнейшем увеличении быстродействия и уменьшении размеров мы попадаем в наномир, где доминируют квантовые размерные эффекты. Поэтому для решения задач конструирования компьютеров нового поколения требуется принципиально новый подход.

В последние годы стала широко обсуждаться идея использования квантовых эффектов для хранения и обработки информации, поэтому квантовые точки привлекают все большее внимание. Электроны в квантовой точке локализованы, поэтому энергетический спектр квантовой точки является дискретным,

как у отдельно взятого атома.

Мы привыкли к тому, что ЭВМ оперирует с числами, выраженными в двоичной форме, то есть состоящими только из нулей и единиц. На заре вычислительной техники логические элементы ЭВМ выполнялись на основе реле (ключ разомкнут-0, ключ замкнут – 1), потом на смену реле пришли электронные лампы, а затем – полупроводниковые структуры. Все перечисленные электронные устройства являются, по сути дела, объектами макромира, поскольку для выполнения ими своих функций требуется наличие макроскопического (многие миллионы и даже миллиарды) числа электронов.       Давайте теперь пристальнее посмотрим на один отдельно взятый электрон. Он обладает одной удивительной характеристикой – спином, или собственным моментом вращения. Вращаться электрон может только в двух состояниях: “спин вверх” (S=+1/2) и “спин вниз” (S= –1/2). Такое впечатление, что сама Природа говорит нам: “Вот он, электрон, _ естественный кандидат для представления чисел в двоичной форме”. Действительно, приписав электронам со спином вниз и вверх соответственно логический нуль и логическую единицу, мы можем каждой конкретной спиновой конфигурации системы электронов поставить в соответствие определенный набор таких нулей и единиц, то есть определенное число, записанное в двоичной форме, или, другими словами, определенную информацию (при этом один электрон является носителем одного бита ин-формации).

Наличия соответствия между знаком спина электрона и логическими переменными (нулями и единицами) недостаточно для конструирования конкретных вычислительных схем и устройств. Пока это лишь голая идея. Нужно придумать какие-то реальные способы ввода, хранения, обработки и вывода спиновой информации. И, прежде всего, нужно научиться локализовать отдельные электроны в небольших областях пространства (чем меньше будут размеры этих областей, тем выше будет плотность информации, и тем больше логических элементов мы сможем разместить в единице объема или на единице площади).

На современном уровне развития технологии для этой цели как нельзя лучше подходят квантовые точки. В каждую пирамидку из атомов можно внедрить произвольное число электронов. При этом движение электрона в квантовой точке будет ограничено во всех трех направлениях и энергетический спектр является полностью дискретным, как в отдельном атоме.

Таким образом, дискретность электронных состояний в квантовой точке и наличие у него собственного вращательного момента – спина – могут быть использованы при конструировании сверхминиатюрных логических элементов, которые в скором времени, будем надеяться, станут основой нового поколения ЭВМ. Компания HP уже провозгласила стратегию создания наноэлектроники на основе квантовых эффектов и молекулярных компьютеров.