Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

размеров мы попадаем в наномир, где доминируют квантовые размерные эффекты. Поэтому для решения задач конструиро вания компьютеров нового поколения требуется принципиаль но новый подход.

В последние годы стала широко обсуждаться идея исполь зования квантовых эффектов для хранения и обработки инфор мации, поэтому квантовые точки привлекают все большее вни мание. 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, выра женными в двоичной форме, то есть состоящими только из ну лей и единиц. На заре вычислительной техники логические элементы ЭВМ выполнялись на основе реле (ключ разомкнут – 0, ключ замкнут – 1), потом на смену реле пришли электрон ные лампы, а затем – полупроводниковые структуры. Все пере численные электронные устройства являются, по сути дела, объектами макромира, поскольку для выполнения ими своих функций требуется наличие макроскопического (многие мил лионы и даже миллиарды) числа электронов.

Давайте теперь пристальнее посмотрим на один отдельно взятый электрон. Он обладает одной удивительной характерис тикой – спином, или собственным моментом вращения. Вра щаться 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 кан дидат для представления чисел в двоичной форме”. Действи тельно, приписав электронам со спином вниз и вверх соответ ственно логический нуль и логическую единицу, мы можем каждой конкретной спиновой конфигурации системы электро нов 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 ло гическими переменными (нулями и единицами) недостаточно для конструирования конкретных вычислительных схем и уст ройств. Пока это лишь голая идея. Нужно придумать какие то

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

реальные способы ввода, хранения, обработки и вывода спино вой информации. И, прежде всего, нужно научиться локализо вать 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 пло щади).

На современном уровне развития технологии для этой цели как нельзя лучше подходят квантовые точки. В каждую пира мидку из атомов можно внедрить произвольное число электро нов. При этом движение электрона в квантовой точке будет ог раничено 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 конструиро вании сверхминиатюрных логических элементов, которые в скором времени, будем надеяться, станут основой нового поко ления ЭВМ. Компания HP уже провозгласила стратегию созда ния наноэлектроники на основе квантовых эффектов и молеку лярных компьютеров.

Сверхпроводимость и сверхтекучесть

Собсвенным моментом вращения обладаю не только элект роны, но и другие элементарные частицы, которые в зависи мости от их спина делятся на два вида фермионы и бозоны. Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое значе ние спина (например, электроны), а бозонами частицы с це лым спином (например, фотоны). Принцип Паули, по которо му две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии, справедлив для всех фермионов, но бозоны его начисто игнорируют: в одном состоянии может находиться сколько угодно бозонов!

При глубоком охлаждении некоторых металлов электроны их атомов с противоположными спинами, превозмогая элект рическое отталкивание, объединяются в пары, называемые ку* перовскими (по имени их первооткрывателя). Эти пары, в отли чие от отдельных электронов, обладают нулевым суммарным спином и поэтому являются бозонами. Такие частицы облада

114

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

ют замечательным свойством: если температура ниже некото рого критического значения, они могут скапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем больше их там соберется, тем труднее какой либо частице вый ти из этого состояния. Все пары при этом когерентны, то есть описываются единой волновой функцией. Тогда электрический ток переносится не отдельными электронами, а куперовскими парами, то есть квантами тока с зарядом 2е (е заряд электро на). Если в обычном проводнике электроны постоянно натыка ются на дефекты кристаллической решетки, примесные атомы и т.п., мешающими прохождению тока, то с когерентными ку перовскими парами этого не происходит. Грубо говоря, они мо гут проходить через любые преграды и даже друг через дружку! Это сводит электрическое сопротивление проводника к нулю, и, например, возбужденный в сверхпроводящем кольце ток может крутиться в нем бесконечно долго.

Электрический ток в сверхпроводнике напоминает ток, создаваемый электроном на орбите в атоме Бора: это как бы очень большая электронная орбита.

В 1911 году Камерлинг Онесс открыл сверхпроводимость ртути, а в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер создали свою знаменитую теорию сверхпроводимости. В 1933 году Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники полностью вытал кивают линии магнитного поля из своего объема это так на зываемый эффект Мейснера: постоянный магнит парит (леви тирует) над сверхпроводящим диском (см. фото).

Рис 49. Эффект Мейснера *

* Перепечатано с www.phys.pe.kr

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Сверхпроводники позволят создать сверхмощные магниты, не требующие электрического питания, сверхчувствительные сенсоры, электронику, не нуждающуюся в охлаждении и мно гое другое. Кстати, в отличие от Шредингерова кота, электри ческий ток в сверхпроводнике вполне подчиняется квантовым законам суперпозиции различных состояний: ученым удалось создать замкнутое кольцо, по которому ток одновременно течет и по часовой, и против часовой стрелки!

При понижении температуры многие металлы и сплавы пе реходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происхо дит при определенной для каждого материала температуре, на зываемой критической. Однако практическое использование замечательных свойств сверхпроводников тормозится их пот ребностью в сверхнизких температурах и, соответственно, гро моздких криогенных установках. Исследования в области на номатериалов позволили создать специальные вещества (нано керамику, нанотрубки и т.п.), которые являются сверхпровод никами при сравнительно высоких температурах. Широкое распространение высокотемпературных сверхпроводников приведет к огромной экономии электроэнергии, уменьшению и удешевлению всех электрических устройств.

Объединяться в бозоны могут не только электроны. В 1938 году советский ученый П.Л. Капица открыл явление сверхтеку чести гелия. При температурах, близких к абсолютному нулю, у гелия исчезает вязкость и он становится сверхтекучим. Сверхте кучий гелий так и норовит улизнуть: если на лить его в обычный глиняный кувшин, он уте чет сквозь тончайшие поры в его структуре. Ес ли налить сверхтекучее вещество в сосуд из бо лее плотного материала, то в виде тонкой плен ки он потечет вверх по стенкам и далее опять таки через край. Его невозможно заморозить никаким понижением температуры и даже нельзя создать разность температур – сверхте

кучесть приводит к сверхтеплопроводности.

Квантовая телепортация

Издавна люди мечтали о телепортации – мгновенном пере мещении в пространстве. Герои народных сказок оказываются

116

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

в тридевятом царстве, надев волшебное колечко, а компьютер ные игры и фантастика кишат “порталами” и “прыжками в ги перпространстве”. Ну, казалось бы, здесь то причем нанотех нология со своими пылинками?

Известен так называемый парадокс Эйнштейна*Подольско* го*Розена (ЭПР парадокс), заключающийся в том, что если после взаимодействия двух квантовых частиц провести наблю дения за одной из них, то мгновенно изменятся параметры дру гой, уже далеко отлетевшей частицы. Эксперименты показали, что частицы проявляют удивительную взаимосогласованность даже на таких больших расстояниях, на которых они никак не могли бы повлиять на друга с точки зрения классической тео рии. Дело в так называемой “нелокальности” волновой функ ции для системы из нескольких частиц – несмотря на то, что частицы уже далеко друг от друга, вероятности нахождения их в том или ином состоянии остались взаимосвязанными после квантового взаимодействия. Это казалось фантастикой, пока Антон Цойлингер и Франческо де Мартини не передали состо яние поляризации между двумя фотонами при помощи третье го на расстояние 10 км.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, эксперимента торы уже планируют работы с другими частицами: электронами, атомами и ионами. Телепортация сможет обеспечить надежную передачу и хранение данных на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в будущем сети квантовой телепортации получат такое же распро странение, как современные телекоммуникационные сети.

Но передачей информации на расстояние уже никого не удивишь, а как же материальные объекты? Обычно полагают, что переместить какой либо объект или даже человека – значит переместить все частицы, из которых он состоит. Но, посколь ку квантовые частицы неотличимы друг от друга, их можно не перемещать, а “собрать” телепортируемый объект из новых частиц на основе полученной информации (например, при по мощи молекулярных сборщиков – ассемблеров). Следователь но, телепортация объекта есть телепортация квантовых состоя ний частиц и воссоздание их на удаленном расстоянии.

Так можно было бы и копировать объекты, но в силу везде сущего принципа неопределенности чем больше получено ин