Диссертация (1090147), страница 7
Текст из файла (страница 7)
На практике реализация такой системы, когдакаждый раз при посылке сообщения, нужно создавать и передавать новуюпоследовательность чисел (код), наталкивается на серьезные трудности.Изменить ситуацию может передача квантовых состояний, которая позволяетна приемной стороне обнаружить факт попытки «перехвата» секретногокода. Так, любое проникновение в систему передачи квантовой информациисопровождается воздействием на квантовый объект, который необратимоизменяет свое состояние. Это фиксируется на приемной стороне с помощьюспециального алгоритма «сравнения уровня ошибок»после измерениясостояния квантового объекта. В конце 90-х годов учеными была успешнопроведена операция передачи квантового кода по дну Женевского озера постандартному оптическому волокну на расстояние 67 км [29].Таким образом, развитие квантовых устройств обработки и передачиинформации является приоритетной задачей уже сегодняшнего дня [33-45].Решить ее можно с помощью создания соответствующей элементной базы,которая позволила бы хранить, обрабатывать и передавать состоянияквантовых объектов.
Для этого нужно уметь манипулировать отдельнымимолекулами и атомами, развивать различные направления молекулярнойэлектроникиинаноинженерии,создаватьновыепроизводственно-технологические процессы.Длякодированияквантовойинформациинужноиспользоватьразличные квантовые объекты и их возможные состояния. Квантовыеобъекты возбуждаются в изолированных структурах, которые образуютквантовую систему. В качестве кодирующего признака квантового объектаможно использовать направление поляризации (фотона, фонона, экситона,ядра атома) или направление спина (электрона, экситона, ядра атома). Вовсех этих примерах важно время, в течение которого сохраняется квантовое40состояние,например,горизонтальноеиливертикальноенаправлениеполяризации фотона или экситона.
Это время, называемое временемкогерентности τ к , отводится для осуществления вычислительных операций,передачи по квантовым каналам или запоминания квантовой информации.Величинаτ к в зависимости от квантового объекта может значительноотличаться, например, для спина ядра атомаτ к = (10 −2 ÷ 10 8 )с , для спинаэлектрона τ к = 10 −3 с [38].Квантовые состояния очень чувствительны к внешним возмущениям.Поэтому необходимо найти или создать такую квантовую систему, котораябыла бы максимально изолирована от окружающей среды.Наиболее перспективными квантовыми объектами с точки зренияуправленияисохраненияихкогерентностиявляютсяэкситонывнизкоразмерных (квантовых) структурах (НРС) [38].
Экситон - это связанноесостояние электрона и дырки, возникающее в результате поглощения фотона,и котороене обладает электрическим зарядом. Возбуждение экситоновзначительно облегчается в НРС и возможно даже при комнатнойтемпературе, так как локализация в ограниченной области усиливаетэффекты перекрытия волновых функций электронов и дырок.У такихэкситонов боровской радиус r больше геометрических размеров квантовойструктуры [35]. Основными параметрами таких микрочастиц, влияющими навремя когерентности, являются энергия экситона Е экс , энергия связиэкситона Есв , величина боровского радиуса r .
Известно, что характеристикиквантовых объектов значительно зависят от физических свойств материала[46]. Это можно показать на примере характеристик экситонов в кремнии игермании. Так, в предположении, что приведенная масса экситона составляет0,1 массы свободного электрона, имеем для кремния Е экс = 1,088 эВ ,r = 3,12 нм ,Е св = Е з - Е экс = 12 мэВ (где Е з = 1,1эВ - ширина запрещенной зоны);для германия аналогичные параметры равны соответственно Е з =0,746 эВ ,Е экс =0,741 эВ , Е св = 5 мэВ , r = 8 нм [38].
Следует отметить, что размеры НРС41сильно влияют на локализацию экситонов (энергию связи и величину τ к ).Поэтому приизготовлении наноструктур для возбуждения квантовыхобъектов требуется высокая точность (менее одного нанометра). Такуютехнологию производства элементной базы для квантовых устройств ещепредстоит создать.Обеспечение заданного времени когерентности, которое связано современем «жизни» экситона, является сложной задачей. Здесь главную рольиграет механизм экситон-фононного взаимодействия внутри НРС.
Экситон втакой структуре при своем вращении вокруг центра «тяжести» генерируетфононы(квазичастицы).Фононы–этолокализованнаяобластьколеблющихся атомов, которая перемещается по кристаллу в виде квантовэнергии. Поведение фононов в НРС описывается уравнением Шредингера[10,46]. Характер образования фононов зависит от типа полупроводника.Фононы обладают относительно небольшой энергией, поэтому запертыпотенциальным барьером НРС в большей степени, чем экситоны. Несмотряна то, что энергия фонона на три порядка меньше, чем у экситона, волновыефункции этих квантовых объектов могут пересекаться. В результате такоговзаимодействия объектов происходит процесс декогеренции.Вероятность декогеренции определяется соотношением длин свободногопробега в материале НРС при упругом и неупругом рассеянии электрона[10,11].
Если размеры структуры большевеличины свободного пробегаэлектрона при упругом рассеянии, но меньше длины для неупругогорассеяния,то возможны столкновения фонона иэкситона. Так,критическими размерами для Si и GaAs при t = 20 0 являются значениясоответственно 100нм и 120нм [11]. Если размеры структурыточка) меньше(квантоваярадиуса вращения экситона, то экситонными эффектамиможно пренебречь. Такая наноструктура рассматривается как «большаямолекула» со своими молекулярными орбиталями [4,12].Известно, что энергия фононов зависит от изотопического составаматериала НРС. Если создавать НРС из разных изотопов одного и того же42элемента, то возможно не только избирательно возбуждать экситоны, но именять энергию фононов, а следовательно, увеличивать время когерентности.Отсюда, для решения проблемы декогеренции квантовых состоянийнеобходимо уменьшать влияние фононов за счет снижения их количества иэнергии.Этоповыситресурсквантовыхпроцессоров,атакжебыстродействие различных оптоэлектронных устройств, которое зависит отпроцессов испускания и поглощения фононов носителями заряда (скорости«насыщения» и времени «термализации») [47].
Учитывая, что во многихразмерно-ограниченныхполупроводниковыхструктурахпроисходитнакопление фононов, то существует большая вероятность их поглощенияэлектронами [47].Следует отметить, что фононы сами разрушаются врезультате ангармонических взаимодействий с кристаллической решеткой.Отсюда, строение кристаллической решетки, размеры атомов играютбольшуюрольвэмиссиифононов.Использованиеизотопически«родственных» материалов для создания НРС (с одинаковыми зарядами ядери почти одинаковыми значениями постоянной кристаллической решетки а )может снизить число собственных фононных мод и время их жизни.
Кромесобственных колебаний кристаллическойэлектронов,другойпричинойрешеткивозникновенияифононовдвиженияможетбытьмеханическое напряжение в гетеропереходе НРС. Оно возникает присопряжении слоев из полупроводников с разной величиной постояннойкристаллической решеткиа,которое приводит к сжимающему илирастягивающему механическому воздействию [10,11]. Изотопические НРС,имеющие почти равные значения а , позволят значительно уменьшитьмеханические напряжения в «гетеропереходе» и вероятность образованияфононов.
Это особенно актуально для многослойных структур с толщинойслоеввнескольконанометров.Поэтому однимиз перспективныхнаправлений наноинженерии можно считать изотопическую наноинженерию.В ее основе – создание НРС с помощью собственных изотопов исходноговещества. Это могут быть структуры с разными размерами и количеством43координат пространственного ограничения, формами, конфигурациямикристаллической решетки, числом и порядком чередования слоев. Следуетотметить, что в наноструктурах, состоящих из изотопически однородныхслоев, уменьшаются потери света благодаря отсутствию рассеяния надефектах (тяжелых изотопах, посторонних или легирующих атомах). Присозданиимногослойных изотопических структур каждый слой можетсостоять (в зависимости от материала и назначения) из одного изотопа, илибыть «легированным» более тяжелыми изотопами [24].1.7 Физико-математическое моделирование модифицированныхнаноструктур на основе изотопической наноинженерииПовышениебыстродействияэлектронныхиоптоэлектронныхустройств, а также переход в будущем на квантовые принципы обработки ипередачи информации требуют новых подходов к созданию наноструктур, ипреждевсего,прогнозированияповеденияфононныхмод.Можнопредположить, что «фононные технологии» в наноструктурах станутглавными направлениями исследований в области создания квантовыхустройств.
Известно, что экспериментальные способы анализа релаксациикристаллической решетки требуют специальных методов с атомнымразрешением,использованиеЭффективнымспособомкоторыхкрайнетеоретическогозатруднительноисследования[11].являетсяматематическое моделирование. Максимальное подавление помехдлясохранения когерентности квантовых объектов может стать основнойзадачей для математического моделирования при проектировании квантовыхсистемнабазепреимуществамиНРС.обладаетВрешенииизотопическаяэтойзадачиопределенныминаноинженерия,вкоторойисходными материалами являются изотопы одного и того же химическогоэлемента. Это позволяет создавать пространственные ограничения безпосторонниххимическихвеществ,чтоувеличиваетэффективность44возбуждения экситонов и время их жизни (нет эффекта экранированияэкситонов свободными носителями, как в случае легирования [10]).Применение технологий нейтронного облучения позволит изготовить«гетеропереход»элементов,агеометрическихбезтакже«шероховатостей»обеспечитьразмеровНРС.ипостороннихвысокуюИспользуяточностьметодхимическихизготовленияматематическогомоделирования, можно получить рекомендации по изотопическому составуНРС, включая структуру кристаллической решетки, а также оптимальнымразмерам, форме НРС и др.
характеристикам. При этом в качестве основнойзадачи может быть поиск изотопических НРС, более «устойчивых» кгенерациифононов(моделированиеконфигурациикристаллическойрешетки) или создание структур, позволяющих «подавлять» фононы(моделирование многослойных НРС). В качестве моделей могут бытьиспользованыразличныекристаллообразующихуравнения,частиц,атомов,описывающиедеформациюдвиженияупругойсреды,волновые процессы и др. [11,12,13]. Положительный эффект в борьбе спомехами может дать создание с помощью моделирования изотопическихНРС с различной геометрией и формой структуры, способной «гасить»фононы. Такими структурами могут быть длинные квантовые проволоки.Генерируемыеэкситономфононыввиде«бегущихволн»будутраспространяться в противоположные стороны и при условии достаточнойдлины квантовой проволоки или затухнут через 5 пс (что соответствуетдлине квантовой проволоки примерно в несколько мкм ), или не успеютвернуться (отразиться от конца проволоки) к экситону за время его «жизни»,чтобы нарушить его когеренцию [12,13].Другим примером физической реализации изотопических НРС могутстать квантовые точки в виде «колец, эллипсов или микроколлайдеров».Повышение времени когерентности квантовых объектов в этом случае можнодобиться путем интерференции фононов друг с другом при условии ихпротивофазности, которую создают с помощью специального дефекта.45Эффективность таких систем сильно зависит от качества изготовления НРС.Изотопическая нанотехнология дает возможность создавать такие квантовыесистемы за счет использования метода НТЛ [21,24,40].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
