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 искусственные квантовые точки привлекают все большее внимание ученых. Электрон в квантовой точке локализован, 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, подобно планете Солнечной системы, вращается не только вокруг положительно заряженного ядра, но и вокруг собственной оси. Поэтому одной из важнейших характеристик при описании электрона является его собственный момент вращения, который называется спином (от англ. "spin" – вращение). 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 информации).
Наличие соответствия между знаком спина электрона, с одной стороны, и логическими переменными (нулями и единицами) - с другой, само по себе 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 ограничено во всех трех направлениях, и энергетический спектр является полностью дискретным, как в отдельно взятом атоме.
Таким образом, дискретность электронных состояний в квантовой точке и наличие у электрона собственного вращательного момента – спина – могут быть использованы при конструировании сверхминиатюрных логических элементов, которые в скором времени, будем надеяться, станут основой нового поколения ЭВМ.
Вместо заключения или некоторые замечания по поводу вероятностной интерпретации квантовых явлений
Экспериментальные подтверждения справедливости квантовой механики столь убедительны, что должны были развеять всякое недоверие к ней. Но остаются сомнения в плане философском: хорошо известно, что Эйнштейн, как и Шредингер и де Бройль, которые были творцами новой механики, высказывались против понимания сущности теории на основе принципа неопределенности.
Но в своей работе физики всегда имеют дело с несовершенными теориями, справедливыми только для ограниченного круга явления, ровно до тех пор, пока кто-нибудь не открывает новые явления, вынуждающие их выходить за рамки старых теорий и строить новые. Так, две с половиной тысячи лет назад, атом считался неделимым; вплоть до XV века человечество пребывало в абсолютной уверенности относительно того, что Земля плоская. До рождения Ньютона многие природные закономерности, скорее всего, также описывались лишь в терминах вероятности.
В настоящее же время пока нет ни конкретных предложений, как преодолеть рубежи квантовой механики, ни экспериментальных данных, указывающих на такую возможность. Но все же квантовая механика (вне всяких сомнений!) будет, в конце-концов, превзойдена, приоткрыв перед людьми завесу неопределенности, скрывающую сегодня тайны квантового мира.