НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Квантовые вычислительные устройства X. Эверитт[7]

Одной из основных причин инвестиций в нанотехнологию стало желание фирм-производителей продлить действие уже упоминавшегося закона Мура, согласно которому размеры микроэлектронных устройств должны умень­шаться вдвое каждые четыре года. При таком темпе уменьшения уже к 2020 г. устройства должны были бы иметь размеры порядка 10 нм, а к 2035 г. — поряд­ка атомов. В действительности, совершенствование логических устройств по этому закону (т. е. исключительно посредством уменьшения размеров) долж­но прекратиться еще раньше (примерно к 2012 г.) вследствие нарастания квантовых эффектов при уменьшении размеров. Поэтому для дальнейшего наращивания вычислительных возможностей ЭВМ необходимо развивать но­вые методы обработки информации.

Наиболее перспективным направлением в этой области являются, по-ви - димому, квантовые вычислительные устройства, идею которых Ричард Фейн­ман предложил еще в начале 1980-х гг. В таких компьютерах квантовые эффек­ты не ограничивают, а расширяют возможности проведения вычислений и позволяют намного увеличить быстродействие. В обычных, цифровых ЭВМ информация сохраняется в виде последовательности символов «0» и «1» (бит информации соответствует выбору одной из этих цифр). Информация в кван­товых битах записывается суперпозицией состояний «0» и «1», точное значение которых одновременно определяется в момент измерения. Последователь­ность из N цифровых битов может представлять любое число в интервале от 0 до 2N—1, в то время как N квантовых битов могут представить все эти 2N чи­сел одновременно. Квантовый компьютер с 300 такими битами может описы­вать систему с числом элементов 2300 ~ 10100, что превышает общее число атомов во Вселенной! Поэтому квантовые компьютеры могут решать гораздо более сложные задачи, чем любая цифровая ЭВМ.

Уже разработаны квантовые алгоритмы вычисления факториалов больших чисел, которые по быстродействию намного превосходят алгоритмы для циф­ровых компьютеров. При поиске данных в массиве из N элементов скорость квантовых компьютеров в №/2раз превосходит скорость цифровых ЭВМ. Сей­час проводятся лишь простейшие квантовые логические операции в устройст­вах с небольшим числом атомарных квантовых битов, и ясно, что этот подход не приведет к крупномасштабным квантовым вычислениям. Однако именно на­нотехнология может решить проблему изготовления большого числа квантовых

Рис. 1.7. Модели трехмерных наночастиц диаметром около 5 нм. (© 1999, Mark Reed. All rights reserved.)

Битов и вывести вычислительную технику к пределам действия закона Мура. Уже сейчас нанотехнология подходит к решению задачи о создании матриц из полупроводниковых или сверхпроводящих квантовых точек (так называемых «искусственных атомов»), которые могут применяться в качестве квантовых битов при выполнении следующих условий: 1) они должны быть наноразмер - ными, чтобы в них могли проявляться квантовые эффекты; 2) все квантовые точки матрицы должны быть одинаковыми; 3) квантовые точки должны быть изолированы от окружения, чтобы квантовые эффекты сохранялись. Экспери­менты по созданию квантовых битов из отдельных квантовых точек могут дать результат уже в ближайшие годы. Если это случится, нанотехнология обеспечит средство изготовления матриц из тысяч квантовых битов и тогда, возможно, не­долго придется ждать создания квантовых компьютеров.