- •Оглавление
- •Первая и вторая научно-технические революции
- •Третья научно-техническая революция
- •Природные и искусственные наночастицы
- •Свойства наночастиц
- •Общие принципы получения наночастиц
- •История возникновения нанотехнологии
- •Ближайшие перспективы нанотехнологии
- •Туннельный эффект. Зонная теория и гетероструктуры
- •Сканирующие микроскопы
- •Основные» принципы ст микроскопии
- •Асм и его возможности
- •Технологические применения зондовой микроскопии
- •Кластеры и особенности их свойств
- •Методы получения кластеров. Магические числа
- •Квантовые точки Роль процессов самоорганизации
- •Методы модификации свойств кластеров
- •Области применения кластеров
- •Природа магнетизма
- •Магнитные свойства кластеров
- •Методы получения магнитных кластеров
- •Области применения магнитных кластеров
- •Суперпарамагнетизм
- •Магнитные нанослои, гигантское магнитосопротивление
- •Магнитная память
- •Аллотропные соединения углерода
- •История открытия фуллеренов и их структура
- •Соединения фуллеренов и их свойства
- •Методы получения фуллеренов
- •Углеродные нанотрубки - история открытия, структура
- •Использование фуллеренов и углеродных нанотрубок
- •Электрические свойства нанотрубок
- •Электрические свойства нанотрубок
- •Механические свойства углеродных нанотрубок
- •Углеродные наноконтейнеры
- •Использование фуллеренов и нанотрубок в наноэлектромеханических системах (нэмс)
- •Углеродные наноструктуры в природе и в изделиях ремесленников
- •Перспективы применения фуллеренов и нанотрубок
- •Сверхрешетки
- •Дифракция на одно-, двух-, трехмерной сверхрешетке. Зонная теория фотонных кристаллов
- •Оптоэлектроника. Возможности оптического компьютера
- •Получение фотонных кристаллов
- •Применение фотонных кристаллов
- •Фотонные кристаллы в природе
- •Микро- и наноэлектроника
- •Одноэлектронный транзистор
- •Новая логика
- •Физические основы памяти
- •Полупроводниковые гетероструктуры и сверхрешетки
- •Основные материальные элементы современной электроники
- •Новые материалы
- •Технологии
- •Роль процессов самоорганизации
- •Использование нейронов
- •Дисплеи
- •Перспективы
- •Определение понятия «наноматериалы»
- •Нанокристаллические материалы
- •Композиты и нанокомпозиты
- •Н анопористые материалы
- •Нанопленки и покрытия
- •Методы получения наноматериалов
- •Гибридные наноматериалы
- •«Умные» материалы
- •Основные составляющие наноробота
- •Ассемблер э. Дрекслера
- •Мэмс - микроэлектромеханические системы
- •«Умная пыль»
- •Наномоторы
- •Нанопереключатели
- •Угроза «серой слизи». Идея нанофабрик
- •Нано и биотехнология
- •Основные области применения нанотехнологии в медицине
- •Биодатчики (биосенсоры)
- •«Умные» устройства в медицине
- •Новые имплантаты
- •Доставка лекарства «по адресу»
- •Наноматериалы в медицине
- •Перспективы медицинской диагностики
- •Нанотехнология - «путь к бессмертию и свободе»
- •Дистанционная хирургия
- •Нанотехнология в производстве средств гигиены
- •Нанопокрытия
- •Внедрение нанотехнологии в производство парфюмерии и пищевую промышленность
- •Новые спортивные товары
- •«Умная» одежда и обувь
- •Влияние нанотехнологии на военные доктрины
- •Костюм солдата будущего
- •Использование новых материалов в «костюме скорпиона»
- •Мэмс и нэмс системы
- •Экзоскелет
- •Биодатчики в костюме солдата будущего
- •Наносредства для защиты от химического и биологического оружия
- •Проблемы, связанные с применением нанотехнологии в военном деле
Одноэлектронный транзистор
Больших успехов физики добились в создании одноэлектронных транзисторов начиная с 90-х гг. XX в.
Переход элементов электроники на наноразмеры поставил задачу передачи и обработки информации за счет использования отдельных частиц (электронов, фотонов). В микроэлектронике измеряется сила тока – потока электронов, который можно рассматривать как поток сплошной электронной «жидкости». В наноэлектронике ток в принципе состоит из квантовых частиц, и существенными для надежности информации становятся флуктуации (случайные отклонения) силы тока. Чтобы остаться в рамках классической информатики с ее битами, надо перейти к передаче информации с помощью одного электрона и решить задачу его фиксации. В вакууме регистрация отдельных частиц ис-1 пользуется давно, но в твердом теле на отдельный 1 электрон действует слишком много факторов, от различных дефектов до тепловых колебаний. Следовательно, электрон должен быть связан не с макроскопическим твердым телом, а с кластером. Электроемкость кластера мала, и энергия связи электрона с ним оказывается достаточно велика по сравнению с энергией теплового движения. Если еще понизить температуру до температуры жидкого гелия (4,2 К), мы получим для кластера в 20-30 нм одноэлектронный транзистор. I При комнатных температурах создание одноэлектронного транзистора потребует уменьшения кластера до 1-2 нм. Тем не менее такие работы выполняются, в том числе российскими учеными [4].
Новая логика
В обычных компьютерах используется логика, основанная на двоичной системе. Это условие было заложено в принципиальную схему компьютера еще Д. фон Нейманом. Логика, по которой работает мозг животных и человека, видимо, более сложена.
Биологический компьютер – один из вариантов создания новой логики. В развивающихся схемах нейросетей отдельные операции производятся не последовательно, а параллельно. Новая логика будет развиваться также на основе клеточных автоматов и квантовых компьютеров, каждый из которых предназначен для эффективного решения своего круга задач.
В клеточных автоматах состояние каждого элемента определяется текущим состоянием соседних элементов. Это имитация коллективного поведения клеток в организме, изящно реализованная в известной интеллектуальной игре «Жизнь» [7, 8]. В этой игре на клетчатой бумаге первоначально закрашиваются те клетки, которые считаются «живыми». Вокруг каждой клетки есть 8 ближайших. В каждом последующем шаге «умирают» те клетки, вокруг которых из 8 соседей оказалось слишком много «живых» (больше трех) или слишком мало (меньше двух). В свою очередь, «оживают» те клетки, около которых оказываются 3 живых. Развитие такой системы в целом можно наблюдать на сайте [8]. Клеточные автоматы окажутся полезными для таких компьютерных функций, как, например, распознавание образов или сверхстойкое шифрование. Они могут быть созданы на базе взаимодействующих наноэлементов (квантовых точек, наномагнитов), образующих сверхрешетку. В одном из лабораторных вариантов был изготовлен подобный клеточный автомат в виде «бестранзисторного» процессора на основе железно-никелевых наномагнитов на никелевой подложке. Как известно, одним из достоинств магнитной памяти является то, что она сохраняется в отсутствие электричества. Плюсом является также малый размер наномагнитика. В Японии ведутся работы по созданию клеточного автомата из нанометровых компонентов, которые надеются создать за счет самоорганизации в процессе химического синтеза.
Одно лишь уменьшение размеров транзисторов и использование квантовых закономерностей при их работе не приведет к созданию квантового компьютера. Переход к квантовому компьютеру требует изменения представлений о характере информации. Основой нового подхода к информации для квантового компьютера является квантово-механическое представление о состоянии физического объекта.
В
квантовой механике состояние системы
представляет собой суперпозицию
(сложение с разной вероятностью) двух
базовых состояний, соответствующих
значениям «0» и «1». Система находится
как бы сразу в обоих состояниях, но
с разной степенью вероятности. Изменение
состояния происходит за счет изменения
этой вероятности. Информация в квантовом
компьютере представляется такой
квантовой системой, квантовым битом
или кубитом (quantum
bit,
qubit).
В
качестве физических носителей квантовых
битов (кубитов) могут быть ионы, фотоны,
атомы, ядерные спины, в том числе в
твердой матрице, эндоэдральные молекулы
фуллеренов.
Интерес к квантовому компьютеру объясняется колоссальной скоростью вычислительных операций по сравнению с классической логикой. Чтобы промоделировать N операций квантового компьютера, обычному компьютеру понадобится 2N операций. Идея о квантовых вычислениях принадлежит советскому математику Ю. И. Манину (1980). Толчком к активным обсуждениям стало высказывание Р. Фейнмана (1982), что система из N квантовых двухуровневых элементов (элементов с двумя базовыми состояниями) может быть задана с помощью 2N классических битов, что может оказаться невозможным для обычного компьютера. Отсюда был сделан обратный вывод, что сложные («невычисляемые») задачи, практически недоступные компьютеру с обычной логикой, могут быть решены на квантовом компьютере. В частности, это моделирование процессов в приборах и устройствах наноэлектроники, моделирование процессов в сложных молекулярных и биологических системах. Р. Фейнман предложил первую теоретическую схему квантового компьютера.
Однако некоторые задачи, решаемые с помощью классических компьютеров, на компьютере квантовом требуют не меньшего времени. Академик К. А. Валиев пишет: «По-видимому, место квантовых компьютеров в компьютерном мире XXI в. можно определить следующим образом: они не вытесняют, а дополняют существующий компьютерный мир» [10*].
По сложности задачу создания квантового компьютера сравнивают с реализацией проекта межзвездных перелетов. На настоящий момент теоретические возможности квантового компьютера известны достаточно хорошо, разрабатываются все новые алгоритмы их создания. Но реально долгое время удавалось создавать только системы из нескольких кубитов. Задача присоединения каждого нового кубита к системе в общем случае не решалась, в конкретных экспериментах каждый раз ее решали индивидуально.
Однако в феврале 2007 г. в музее истории компьютеров в Силиконовой долине США канадская компания «D-Wave Systems» презентовала квантовый компьютер «Орион» из 16 кубитов (рис. 6.3). Одна квантовая операция на нем эквивалентна 65 536 операциям на обычном компьютере. Правда, он пока каждую свою операцию выполняет в тысячу раз медленнее обычного персонального компьютера.
Около 4 млрд состояний могут образовать 32 кубита, а при наборе из 300 кубитов квантовый компьютер в принципе способен найти 2300 возможных решений – это число примерно равно числу всех элементарных частиц во Вселенной.
Для того чтобы создать квантовый компьютер на N кубитах, необходимо иметь N частиц, например электронов, строго в одном и том же квантовом состоянии. Но электронам это запрещает так называемый запрет Паули. Канадские ученые использовали одинаковые пары электронов в сверхпроводнике при температуре, предельно близкой к абсолютному нулю. При таких температурах электроны объединяются в пары с противоположными спинами, так что суммарный спин такой пары равен нулю, и она уже не подчиняется запрету Паули.
С «Орионом» в день презентации можно было связаться через Интернет и дать ему задачу. «Орион» рассматривался многими специалистами как первый коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер.
Возникающее при взаимодействии кубитов запутанное состояние является основой телепортации – передачи квантового состояния двухуровневой системы неизвестного отправителя А к получателю В без реального перемещения системы. В свою очередь, телепортация дает принципиально новый метод криптографии,, столь важный для обеспечения технических, военных,) политических секретов.
Недавно на мировом рынке появились генераторы I случайных чисел и дистрибьюторы («обменники») с секретными ключами, использующие квантовые алгоритмы (но не квантовый компьютер).
