Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 6

Однако существуют материалы,например, LiH и LiD , у которых эта разница значительна (десятые доли эВ )[12,13].1.5 Физические и технологические пределы повышения скоростипередачи информации по ВОСПИзвестно,чтопредельнаярабочаячастотаэлектронныхиоптоэлектронных устройств зависит от размеров отдельных элементов[1,11,20]. Так, эту частоту можно определить временем пролета электрона,следовательно, его скоростью и длиной затвора транзистора. Внедряемыеуникальные технологии позволяют создавать тонкий оксидный слой затворатолщиной 1,2 нм (менее пяти атомарных слоев) и достигать рабочей частотытранзистора 1ТГц [11]. Однако уменьшение размеров электронных приборовне может происходить до бесконечности. Поэтому дальнейшее повышениебыстродействия элементной базы должно замедлиться.

Это объясняетсясуществующими пределами, обусловленными фундаментальными законамиприроды. Первый предел – релятивистский, который говорит о том, чтоскорость распространения сигнала не может быть выше скорости света.Поэтому с учетом минимальной длины затвора транзистора, равнойпостоянной кристаллической решетки, легко можно подсчитать минимальноевремя пролета электрона (сотые доли фемтосекунды) и максимальнуюрабочую частоту. Второй предел связан с принципом неопределенностиГейзенберга, согласно которому в транзисторе с ростом частоты легкодостигается квантовый предел (произведение времени и энергии процессаограничены постоянной Планка).

Существуют также и технологическиеограничения, связанные с разбросом параметров, который невозможноконтролировать при пропорциональном уменьшении размеров, а такжеэнергопотреблением и тепловыделением [11].35Поэтому для дальнейшего повышения быстродействия требуютсяновые архитектура, принципы работы устройств, а также новые материалы итехнологии производства. Так, большие надежды ученые связывают сграфеном [1]. Этот материал оказался стабильным, очень гибким, прочным иэлектропроводным. С его помощью можно создать суперкомпьютер, гдеразмеры вычислительных ячеек будут уменьшены в миллионы раз.

Поэтомуи в этом случае на первый план выходят успехи в развитии технологийпроизводства элементной базы, которые во многом определяются новымиидеями и объемом вкладываемых материальных средств. Несмотря навыдающиеся достижения в области нанотехнологий, существующие сейчасограничения по разрешающей способности (порядка 10нм) не позволяютпока перейти на качественно новый уровень работы вычислительнойтехники.Одним из путей перехода на новый уровень является дальнейшееразвитие устройств обработки и передачи информации с помощьюмолекулярной электроники [11]. В качестве элементной базы предполагаетсяиспользоватьотдельныемолекулыорганическихсоединений.Длякодирования различных состояний элементов можно выбирать разныеконфигурации молекул. Изменение состояний может быть быстрым и нетребовать значительных расходов энергии, легко управляться внешнимисигналами и регистрироваться с помощью зондовых методов. Последниедостижениявобластисканирующейатомно-силовоймикроскопиипозволяют манипулировать отдельными молекулами.

Это приведет к ещебольшей миниатюризации электронных устройств, поскольку характерныеразмеры элементов молекул на порядки меньше, чем размеры элементовсуществующих электронных схем. Однако пока еще не решена проблемасоединения«вычислительныхмолекул»сдругимисистемами.Разновидностью молекулярной электроники является изотоптроника [13-16,22].

Изотоптроника – наука об изучении возможности применения физикиизотопов во многих областях науки и техники от вычислительных и36телекоммуникационных систем до медицины. Основное внимание уделяетсяиспользованию изотопических свойств химических элементов для полученияновых эффектов, создания новых устройств и технологий их изготовления.При этом применяются различные методы исследования, в том числемоделирования изотопического состава вещества на уровне атомарных слоев.Другими словами, изотоптроника – это субнанонаука и субнанотехнология,поскольку размеры, создаваемых с помощью ее структур на порядок меньше,чем нанометр.

Основополагающим понятием изотоптроники являетсяпонятие изотопа, введенного в науку около века назад [13-14]. Изотопы – этоте же самые атомы, имеющие одинаковое число протонов, но разное числонейтронов. Благодаря этому химические свойства различных изотоповодного и того же химического элемента практически идентичны, нофизические свойства их различны.

Последнее определяется в первую очередьразными массой, радиусом, значением спина и магнитными свойствами ядер,а также величиной запрещенной зоны и т.д.Применительно к системамтелекоммуникации изотоптронику можно использоватьдля созданияэлектронных и оптоэлектронных приборов с помощью специальных методовпроектированияИНС(изотопическаянаноинженерия)испособовпроизводства (изотопическая нанотехнология) [12,13,24].1.6 Проблемы создания базовых элементов для устройств обработки ипередачи квантовой информацииАнализ динамики временных коррекций «закона Мура» позволяетсделать вывод о том, что уже к концу нашего десятилетия наступиточередной этап «перехода количества в качество». На смену замедленияроста быстродействия устройств электроники и оптоэлектроники придеточередной скачок производительности вычислительной техники и скоростипередачиинформации.Технологическийпроцесс,которыйпозволитуменьшить размеры элементной базы до размеров отдельных молекул или37даже атомов, приведет к принципиальному изменению не только алгоритмовобработки и передачи информации, но и самого понятия информации.Постепенно на смену классическому представлению об устройствахобработки и передачи информации придут квантовые системы и квантоваятеория информации (рис.

1.5).Повышение быстродействия устройств обработки и передачи информацииУменьшение размеровСовершенствованиенанотехнологийДостижение физическихпределовДостижениетехнологическихпределовПереход на квантовые принципы обработки и передачи информацииСоздание квантовыхкомпьютеровСоздание волоконнооптических систем передачиквантовой информацииСоздание новой элементной базы на уровне молекул, атомов и технологий ихпроизводстваРисунок 1.5. Пути повышения быстродействия элементной базыВ настоящее время по всему миру развернулась настоящая научнаягонка по созданию квантовых вычислительных устройств (компьютеров) исистем передачи (квантовой телепортации и квантовой оптической связи)[25-45]. Следует отметить, что квантовую телепортацию и квантовуюоптическую связь можно условно считать аналогами беспроводных иволоконно-оптических систем передачи классической информации.Наиболее актуальной научной темой в настоящее время является поискспособов реализации квантового процессора.

Это объясняется тем, что он побыстродействию не соизмеримо выше, чем самый скоростной современныйпроцессор [12,13,16]. Какими же преимуществами обладают квантовыевычисления, можно объяснить на следующем примере. Несмотря на успехивычислительной техники сегодняшнего дня, которая способна развиватьпроизводительность более 1012 операций в секунду, требуются еще большиемощности.

Так, для отыскания простых сомножителей 300-значного числа38необходимо сделать 5 ⋅ 1024 шагов в секунду. При производительностисовременной вычислительной техники на это потребуется 150 тысяч лет. Длясравнения следует отметить, что квантовый компьютер должен будет сделать5 ⋅ 1010 шагов и затратить на все операции меньше секунды [25-33].Для обмена квантовой информацией большое значение имеетквантовая телепортация. Это удивительный процесс передачи квантовойинформации на любые расстояния, который может оказать огромное влияниена алгоритмы управления различными объектами, передачи секретных кодов,квантовых вычислений и т.д.Телепортация – это исчезновение объекта в одном месте и появлениеего в другом, пространственно удаленном от первого.

Ключевую роль вквантовой телепортации играют фотонные пары, находящиеся в такназываемом сцепленном состоянии. Сцепленные фотонные пары обладаютпарадоксальными свойствами, описанными в 1964году Дж. Беллом [25-31].Так, измерение состояния одной частицы (фотона), мгновенно влияет насостояние другой, которая может быть удалена на произвольное расстояниеот первой. Такие сцепленные состояния можно получить на основеспонтанного параметрического распада в кристаллах с квадратичнойнелинейностью. Таким образом, с помощью фотонных пар реализуетсяквантовый канал связи. Уже в конце 20 века удалось осуществить квантовуютелепортацию с помощью поляризационных сцепленных фотонов нарасстояние более 10 км [29].

В наше время успешные опыты по квантовойтелепортации проводятся учеными разных стран (Швецария, Австралия,Япония и т.д.).Не менее важна реализация идеи передачи на большие расстоянияквантовых состояний (например, отдельных фотонов света определеннойполяризации) с помощью волоконно-оптической связи. Такой способпередачи необходим для осуществления идей квантовой криптографии.Задачакриптографиисостоитвобеспечениисекретностипередачиинформации между двумя объектами. Для этого используется секретный код,39который должен быть известен объектам. Согласно К. Шеннону абсолютносекретная передача может быть тогда, когда код представляет из себябольшую последовательность «истинно случайных чисел» и используетсятолько один раз [25-41].