Computerworld, США

Спины электронов — превосходная платформа для создания простого квантового компьютера

Работа Джима Алена, физика из Университета штата Калифорния в Санта-Барбаре, настолько далека от повседневной жизни, что он вынужден рассказывать о ней, прибегая к аналогии: представьте себе магнитные фигурки для холодильника, которые лежат на столе. «Если они оказываются близко друг к другу, то начинают забавно прыгать», — заметил он.

Но это необычные магниты. Их размер составляет всего несколько нанометров, да и танец их совсем не хаотичный. Эти тонкие магниты можно организовать, или запрограммировать, так, чтобы они решали логическую задачу. Прикосновение к одному из них заставляет его соседей, по словам Алена, делать интересные вещи.

Кенг Ванг: «Основной стимул развития спинтроники — это понимание того, что реальных КМОП-решений для уровня 20-30 нм не существует. Сегодня мы используем заряд электрона, но ищем альтернативные решения»

В этих магнитах используется явление, называемое спином электрона. Многие десятилетия при создании компьютерных микросхем использовалась способность электрона переносить заряд. Но электроны не только перемещаются, они еще и вращаются. Это вращение описывается показателем, который называют «спином», причем спин имеет ориентацию, условно говоря, «вверх» или «вниз». Опираясь на это явление, ученые создают новый способ хранения, передачи и обработки информации. Явление спина электрона было открыто в 20-х годах, однако практические его применения пока фактически отсутствуют.

Но Ален и его коллеги из Стэнфордского университета и университетов в Санта-Барбаре, Лос-Анджелесе и Беркли надеются, что ситуация изменится. Недавно эти четыре вуза совместно с Intel, IBM и еще четырьмя компаниями создали исследовательский институт Western Institute of Nanoelectronics (WIN), который будет заниматься «спинтроникой» (spintronics).

В институте ведется целый ряд проектов, однако его основная задача — найти альтернативу традиционной технологии КМОП, повсеместно применяемой для производства полупроводниковых устройств. Чем больше будет уменьшаться норма проектирования КМОП-микросхем, тем большая часть энергии будет превращаться в тепло. Создатели микросхем обеспокоены тем, что буквально через несколько лет подходы, которые они используют, не будут работать.

«Основной стимул развития спинтроники — это понимание того, что реальных решений для уровня 20-30 нм не существует, в первую очередь из-за рассеивания энергии, — заметил Кенг Ванг, директор WIN и профессор Университета Лос-Анджелеса. — Сегодня мы используем заряд электрона, но ищем альтернативные решения».

Микросхемы, основанные на достижениях спинтроники, имеют и другие интересные свойства. Спины можно выстраивать подобно тонким магнитам, магнитные свойства которых сохраняются при отключении питания. Такая энергонезависимая память может найти применение не только в компьютерах.

В ближайшее время, как считает Ванг, развитие спинтроники может привести к созданию более быстрой и компактной магниторезистивной памяти. Кроме того, WIN работает над решением задачи применения спинов электронов в логических микросхемах для того, чтобы использовать свойство энергонезависимости для сохранения их состояния.

Фактически в одном логическом устройстве, созданном на основе спинтроники, может содержаться и состояние памяти, в отличие от традиционных устройств, которые содержат комбинации транзисторов и конденсаторов для логики и памяти. Тесная интеграция памяти и логики может значительно увеличить скорость работы приложений, которым необходимо часто получать быстрый доступ к памяти, например приложений обработки изображений.

От производителей микросхем WIN получил финансирование на четыре года в размере 28,2 млн. долл. В течение этих четырех лет в институте намерены вести работы в трех областях: логические устройства на основе спинов; микросхемы на основе спинов, в частности вопросы, касающиеся того, как обеспечить взаимодействие между устройствами на основе спинов и традиционными микросхемами; тестирование производительности и измерения. Предполагается, что исследователям удастся разработать прототипы устройств, которые в конечном итоге могут стать коммерческими продуктами.

Параллельно с этими прикладными работами некоторые научные сотрудники института ведут фундаментальные исследования, которые могут дать результаты в более долгосрочной перспективе. Например, они пытаются представить, как еще одно явление, спин ядра, можно применять для создания субатомных модулей памяти и логических устройств. Одна из идей заключается в том, чтобы использовать спин электрона в качестве «шины» для передачи данных в ядра, где они могли бы обрабатываться или сохраняться с помощью спинов ядра.

Дэвид Авшалом, профессор физики У ниверситета в Санта-Барбаре, заметил, что спины ядра существуют относительно долго, в течение нескольких дней или недель, в зависимости от температуры. По его словам, угол и величина одного спина могут выражать любой из миллионов состояний памяти, и спин ядра когда-нибудь можно будет применять для создания энергонезависимой памяти в миллионы раз меньшей по размеру, чем традиционная память.

Авшалом заметил, что спины электронов — превосходная платформа для создания простого квантового компьютера, что сейчас намного реальнее, чем это можно было бы представить всего пять лет назад. Кроме того, по его словам, поскольку можно легко создать микросхемы на основе спинов, которые «преобразовывают» данные между электронным и фотонным представлениями, то открывается возможность тесно интегрировать эти два вида технологий.

Авшалом полагает, что трудно предсказать, к каким открытиям может привести работа в такой передовой области физики. «Неясно, что мы можем делать с этими совершенно новыми видами явлений. Это все настолько ново, и открытия в этой области происходят очень быстро», — сказал он. 

Профессор спина

Профессор Стэнфордского университета Джим Харрис считает, что в относительно краткосрочной перспективе практическая ориентация большей части работы, выполняемой в WIN и связанной со спинтроникой, имеет критически важное значение.

«Я всегда настороженно отношусь к работе, результаты которой могут появиться лет через двадцать, поскольку столь долгий срок отбивает интерес у самих ученых и тех, кто финансирует подобные исследования», — сказал он.

Но было бы ошибкой считать Харриса сторонником проектов, рассчитанных на краткосрочную перспективу.

«Я считаю, что такие долгосрочные исследования необыкновенно важны, и я должен знать направления перспективных исследований достаточно хорошо, чтобы помочь следующему или даже двум следующим поколениям студентов, — сказал он. — Именно они смогут сделать открытия и все остальное для того, чтобы эти открытия состоялись. Большую часть того, что мы видим сейчас, раньше не видел никто и никогда».