Ієрогліфи квантової логіки

Відмінність між логічними кодами сучасних комп’ютерів і способом квантової запису інформації нагадує різницю між алфавітом і ієрогліфами. У випадку квантового підходу хвильові функції багатьох частинок утворюють єдину хвильову функцію ансамблю. При цьому запам’ятовування відбувається не по черзі, у вигляді окремих розрядів-частинок, що змінюють свій стан, а одночасно у всьому ансамблі. Збережена інформація зачіпає хвильові функції всіх частинок одночасно і являє собою квантовий штрих-код. Одним з найбільш перспективних носіїв цього штрих-коду є кремній [1].

Ситуація схожа з малюнком (ієрогліфом), що позначає якесь японське слово, наприклад “магніт” (рис. 1).

Рис. 1. Японський ієрогліф (Jishyaku – магніт) об’єднує два ієрогліфи:
“магнітний” (перший ієрогліф) та “камінь” (другий ієрогліф).
Перший ієрогліф бере участь у всіх словах, які повідомляють про магнетизм
(магнітна сприйнятливість, феромагнетизм, стрілка компаса та ін).

Елементи цього малюнка не читаються по-окремо, а інформація, що переноситься ієрогліфом, зчитується оком одномоментно і включає в себе значно більше, ніж те, що можна передати з допомогою однієї літери. Ієрогліф – історично сформований штрих-код, комбінація первісних малюнків-уявлень про світ і, свого роду, “хвильова функція людської свідомості, компилирующая прості образи.

За іронією долі саме японські вчені (у співавторстві з американськими) першими створили повністю кремнієві кубіти [2-4]. Спочатку було показано, що відмінність між ядерними спинами I ізотопів кремнію (I=1/2 для 29Si, але I=0 для 28Si і 30Si) сильно змінює фізико-хімічні властивості наноструктур. Вперше в світі були створені зразки, у яких тонкі шари (1-3 нм), збагачені різними ізотопами (28Si, 29Si і 30Si), чергувалися в дуже акуратною над ратці, виконаної з нанометровою точністю [2] (рис. 2а).

Рис. 2. а – Гетероструктура, що складається з чергуються шарів кремнію магнітного і немагнітного ізотопів;
б – схема ядерної спінової процесора на изотопах кремнію [4] (зазначені номери кубітів і їх робочі частоти wi)

Такі структури дозволили виявити чудові особливості хімічних реакцій та їх залежність від наявності магнітного ізотопу, тобто магнітний ізотопний ефект [5, 6], а також збільшити точність дизайну логічного симулятора CMOS – процесора (сomplementary metal-oxide-semicon-ductor), потрібного для створення кремнієвої мікросхеми пам’яті. Це спричинило за собою розвиток ізотопної спінової інженерії кремнію і розвиток нових інструментів для спінтроніки.

Ідея застосування одиночного атома кремнію з магнітним ядром як біта і процесора була запропонована в [4]. Удосконалена версія цієї концепції показана на рис. 2б. У цьому пристрої орієнтація і фаза кожного спина ядра 29Si в ланцюжку еквівалентна біту інформації. Ключем до зчитування є атом фосфору з електронним спіном, поміщений на кінці ланцюжка і “зчитує” інформацію, записану в ланцюжку ядерних спінів кремнію. Реалізація такого квантово-механічного пристрою виявилася можлива завдяки виконанню наступних умов:

1) Изотопно-очищений кремній без парамагнітних домішок володіє гігантським часом утримання квантової інформації – при кімнатній температурі спини ядер 29Si залишаються орієнтованими 25 з [7]. Цього часу цілком достатньо, щоб зробити мільярди логічних операцій.

2) Спінова когерентність електронного спіну фосфору допускає передачу інформації про стан кубітів через надтонке взаємодія з ядрами 29Si [8]. Таким чином, електронний спін фосфору на кінці ланцюжка керує роботою всіх кубітів в ній.

3) Ланцюжка ядер 29Si вдалося створити та довести їх узгоджену роботу [9].

4) Ініціалізація приладу (орієнтування всіх спінів в одному напрямку) здійснювалася оптичною накачкою [10], а також динамічної ядерної поляризацією за допомогою електронного спіну фосфору. Маніпуляція спинами ядер кремнію було здійснено за допомогою ядерного магнітного резонансу.

5) Для зчитування з ансамблю ядерних спінів 31P були використані два методи: оптичний і електричний. При електричному метод зчитування (розроблений за участю російських вчених з ФТІ ім. А. Ф. Іоффе РАН [11]) був використаний факт передачі інформації від ланцюжка кремнієвих ядер до ядра фосфору. Для зчитування інформації з ядра фосфору використовували электродипольный магнітний резонанс в невеликому магнітному полі (~ 200 Е.), який створював заплутані стану Белла між ядерної підсистемою і електронним спіном, тобто під дією мікрохвильового електричного поля виникали квантові ієрогліфи – штрих-коди, необхідні для обробки інформації і встановлення одночасно і електронних і ядерних спінових станів [11].

Таким чином, створення реального пристрої квантової пам’яті вимагає виконання цілого ряду перерахованих вище високотехнологічних умов, що реалізуються тільки в рамках нанотехнологій і обладнання, придатного для маніпулювання окремими атомами. Одним з головних умов запису-зчитування інформації (спілкування з кубитной пам’яттю) є надійне і сильний вплив ядерних спінів на стану електронних спінів у зчитувальному пристрої. Цей елемент (званий “ключем”) [2-10] пропонується виконати у вигляді кінцевого атома фосфору, що володіє електронним та ядерних спинами, пов’язаними ефективним надтонким взаємодією (рис. 2б).

Зазначимо, що й тут продовжується аналогія з японською мовою. “Ключем” у першому ієрогліфі на рис. 1 називають зображення другого ієрогліфа (“камінь”), включеного також і в перший ієрогліф. Саме по ньому знаходять це слово в словнику і відносять до певної групи ієрогліфів. “Ключ” однаково відкриває двері в семантичний аналіз інформації в японській мові і при зчитуванні квантового “слова”. Аналогія між ієрогліфами (продуктом людської свідомості) і квантової пам’яттю (об’єктом, здатним існувати поза свідомістю) нами вибрана не випадково. Ймовірно, аналогія стала можлива тому, що принципи роботи комп’ютера поступово наближаються до невідомих досі принципів роботи людського мозку.

 

1. J. J. Pla et al., Nature 496, 334 (2013).

2. T. Kojima et al., Appl. Phys. Lett. 83, 2318 (2003).

3. E. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 89, 017901 (2002).

4. K. M. Itoh, Solid State Comm. 133, 747 (2005).

5. K. Ibano et al., J. Appl. Phys.103, 026101 (2008).

6. Y. Shimizu et al., Phys. Rev. Lett. 98, 095901 (2007).

7. T. D. Ladd et al., Phys. Rev. B 71, 014401 (2005).

8. E. Abe et al., Phys. Rev. B 70, 033204 (2004).

9. T. Sekiguchi et al., Appl. Phys. 101, 081702 (2007).

10. A. S. Verhulst et al., Phys. Rev. B 71, 235206 (2005).

11. H. Morishita et al., Phys. Rev. B 80, 205206 (2009).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *