Квантовые точки – самосборка нанопирамид InAs / GaAs , Ge / Si ,

микроэлектронное формирование наноструктур Al / AlGaAs / GaAs, Al / SiO ₂ / Si

Квантовые точки могут быть сформированы за счёт явления самосборки субмолекулярных кластеров одного вещества на поверхности подложки из другого вещества. Известны технологии самосборки субмолекулярных InAs -пирамид на поверхности GaAs -подложки (рис.2), Ge -пирамид на поверхности Si -подложки (рис.3). Размеры Ge -пирамиды или InAs -пирамиды таковы, что с точки зрения физики твёрдого тела и квантовой механики, внутри формируется квантовая яма с одним дискретным разрешённым энергетическим уровнем. Поэтому, с точки зрения проводимости, InAs-пирамида на GaAs-подложке и Ge-пирамида на Si-подложке представляют собой квантовые точки. Раньше использовались более грубые, но достаточно надёжные и эффективные микроэлектронные методы получения квантовых точек в гетероструктурах с металлизацией Al/AlGaAs/GaAs (рис.4—рис.6) или в наноструктурах с металлизаций Al/SiO₂/Si (рис.7). Круглые вырезы, полученные сквозным травлением в слое Al -металлизации (Metal gate), или металлические электроды – искусственно созданные неоднородности, приводят к искривлению зон проводимости и валентности в слоях AlGaAs, GaAs, Si. Таким образом, под вырезами/электродами, диаметром около 20—200 нм, образуются квантовые точки с 0DEG (0-мерным электронным газом) окружённые AlGaAs -областью или Si -областью с 2DEG (2-мерным электронным газом).

Кулоновское взаимоотталкивание заставляет 2 электрона, имеющиеся в ШКТ, располагаться в диаметрально противоположных углах ШКТ. Таким образом, обеспечивается два равноправных стабильных состояния поляризации ШКТ, одно из которых принимается за логический «0», а другое за логическую «1» (рис.8, рис.9). ШКТ позволяют строить квантовые провода (КП – последовательности ШКТ), в которых полезный сигнал передаётся вдоль КП, а туннельные одноэлектронные электрические токи – поперёк КП: это туннельные переходы между КТ внутри ШКТ (рис.10—рис.12, рис.16, рис.17). Так как при туннельных переходах между КТ энергия электронов не меняется, то тепло не выделяется: кванты колебаний кристаллической решётки (фононы) не образуются – рассеяния нет, то есть, в КП на базе ШКТ нет электрического сопротивления. Благодаря этому, тактовые частоты цифровых БТВУ на ШКТ могут достигать 1÷25ТГц=1÷25×10¹²Гц. Доказана возможность аппаратно реализовывать на основе ШКТ вентили «И», «ИЛИ», «НЕ» используя мажоритарную логику – вентили «М» (рис.13—рис.15). Поэтому можно полностью воспроизвести всю схемотехнику современных СБИС на бестранзисторной основе и сохранить при переходе на наноразмерные топологии БТВУ огромные инвестиции, вложенные в архитектуру, схемотехнику и программное обеспечение БРЭА. Не нужен терагерцевый транзистор – нужен терагерцевый вентиль на ШКТ.

	Рис.2. Физическая реализация квантовой точки на основе самосборки пирамиды из InAs на GaAs (www.qcadesigner.ca/).	Рис.3. Физическая реализация квантовой точки на основе самосборки пирамиды из Ge на Si.
	Рис.4. Физическая реализация ШКТ на основе гетероструктуры Al/ AlGaAs/ GaAs (www.nd.edu/~qcahome/).	Рис.5. Микрофотография физической реализации ШКТ на основе гетероструктуры Al/ AlGaAs/ GaAs (www.nd.edu/~qcahome/).
	Рис.6. Физическая реализация ШКТ на основе наноструктуры Al/ AlGaAs/ GaAs (www.nd.edu/~qcahome/).	Рис.7. Физическая реализация ШКТ на основе наноструктуры Al/ SiO2/ Si (www.nd.edu/~qcahome/).
	Рис.8. ШКТ с зарядовой поляризацией: P =+1 и P =–1, работающих без рассеяния энергии на основе Кулоновского отталкивания одноимённых зарядов в электростатически связанных КТ.	Рис.9. Передаточная характеристика взаимодействия двух ШКТ (cell1, cell2).
	· чёрный кружок – КЯ занята электроном; · белый кружок – КЯ свободна от электрона. Рис.10. Шины из 900 ШКТ.	· чёрный кружок – КЯ занята электроном; · белый кружок – КЯ свободна от электрона. Рис.11. Шины из 450 ШКТ.
	Рис.12. Уголок и разветвитель 900 ШКТ.	Рис.13. Инвертор на ШКТ – вентиль «НЕ».
· «И» – реализуется при фиксации на «М» X3=0. · «ИЛИ» – реализуется при фиксации на «М» X3=1. Рис.14. Реализация на ШКТ вентилей «И» (сверху) и «ИЛИ» (снизу) с помощью мажоритарного вентиля «М».				· «0» для «И».  · «1» для «ИЛИ». Рис.15. Преобразование вентиля «М» в «И» и «ИЛИ» фиксацией значения X3.
Рис.16. Кроссовер 450 ШКТ и 900 ШКТ.			Рис.17. Комплементарный ответвитель сигнала из 450 ШКТ в 900 ШКТ.

 

3.2. Цепное распространение сигнала в топологических элементах.

Четыре фазы переключения ШКТ (QCA) – парадигма CNN-UM

На рис.18—рис.20 показано цепное распространение сигнала в топологических элементах. Переключение ШКТ из состояния «1» в состояние «0» или обратно, из состояния «0» в состояние «1», происходит поэтапно и проходит четыре фазы (Clocking Zone) – четыре основных состояния:

1. Switch – включение ( Clock 0, C0, D0): повышение от низкого до высокого состояния потенциального барьера электрического поля для туннелирования электронов внутри ШКТ, в этой фазе электроны в ШКТ могут быть под влиянием Кулоновского отталкивания от электронов из других ШКТ.

2. Hold – захват ( Clock 1, C1, D1): высокий потенциальный барьер электрического поля для туннелирования, в этой фазе электроны в ШКТ не будут изменять состояние, но могут влиять на другие смежные ШКТ своим Кулоновским отталкиванием – в соседнем ШКТ произойдёт переключение.

3. Release – сброс ( Clock 2, C2, D2): понижение от высокого до низкого состояния потенциального барьера электрического поля для туннелирования, чтобы ШКТ не влиял на другие ШКТ.

4. Relax – ослабление ( Clock 3, C3, D3): низкий потенциальный барьер электрического поля для туннелирования, чтобы ШКТ не влиял на другие ШКТ. ШКТ остаётся в неполяризованном состоянии.

Рис.18. Цепное распространение сигнала (Information Flow – информационного потока) в топологических элементах ШКТ (QCA) от входа (IN) к выходу (OUT).

· E, эВ – высота (уровень) потенциального барьера между соседними КЯ в КТ внутри ШКТ; · t, пс – время переключения состояний ШКТ; · чёрный кружок – КЯ занята электроном; · белый кружок – КЯ свободна от электрона. Рис.19. Фазы переключения состояний ШКТ (QCA).

· чёрный кружок – КЯ занята электроном; · белый кружок – КЯ свободна от электрона. Рис.20. Фазы переключения ШКТ (QCA).

Универсальный цифровой процессор, в принципе может быть построен на базе адиабатически управляемой системы с двумя состояниями. Однако требуемая в перспективных СБИС и УБИС большая степень интеграции сильно осложняют адиабатическое управление в локально связанных клеточных архитектурах. Для преодоления этого препятствия предложена парадигма клеточной нелинейной сетевой универсальной машины – Cellular - Nonlinear - Network Universal Machines (CNN-UM). Парадигма CNN-UM является естественной концепцией для наноэлектронной обработки сигналов (рис.21—рис.26).

Рис.21. 1-битная память: 2D топология триггера SR flip-flop и соответствующие 4-е фазы переключения (Clock#1, Clock#2, Clock#3, Clock#4) и соответствующие им зоны на 2D топологии SR-триггера.	Рис.22. Направление трапециидальной 2D топологии переключения с учётом пространственно-временной синхронизации 4-х фаз переключения ШКТ (QCA).
Рис.23. Трапециидальный блок вентилей «М» с согласованными фазами переключения ШКТ (QCA).	Рис.24. Универсальный блок с согласованными фазами переключения ШКТ (QCA).

 

О квантовом компьютере как спецвычислителе (сопроцессоре) и проблеме сохранения инвестиций в программное обеспечение и схемотехнику аппаратуры реальных систем реальных потребителей вычислительных услуг

       Проблема квантового компьютера и квантовых вычислений с большим энтузиазмом исследуется последние 15—20 лет [67—72]. Благожелательный анализ многочисленных публикаций ведущих научных школ в области квантовых вычислений, показывает, что речь идет об узкоспециализированных вычислителях или сопроцессорах, способных на основе проявления квантовых свойств материи максимально (физически предельно) быстро решать узкий класс вычислительных задач с комбинаторной сложностью. Квантовые свойства материи, с помощью которых реализуются квантовые биты – кубиты, проявляются в специальном устройстве – квантовом регистре (КР). Физическая реализация КР достаточно хорошо отработана.

· В криогенной вакуумной камере магнитные ловушки удерживают цепочку ионов Ca ⁺ (до 10 штук) охлаждённых примерно до температуры абсолютного нуля T ≈0 K с помощью лазерного торможения. Дорогие серийные электронные микроскопы устроены сложнее такого КР. Кстати, при чём тут нанотехнология? Криогенная и вакуумная техника, магнитные линзы и ловушки, лазерное охлаждение – это всё макроскопические устройства, некоторые применялись в старых кинескопных телевизорах, и к нанотехнологии они прямого отношения не имеют.

· Разрабатываются варианты твёрдотельной реализации КР на основе микроэлектроники и наноэлектроники. Цепочки локализованных ионов P ⁺ в матрице монокристалла Si. Это технологически сложнее, но ближе к реальным жестким условиям применения спецвычислителей.

 

       Расстояние между ионами в цепочке поддерживается такое, чтобы образовывалась суперпозиция квантовых состояний всех ионов. Для N ионов в КР количество квантовых состояний в суперпозиции равно 2^N. Чем больше N, тем больше комбинаторная размерность решаемых задач. Это очень привлекательно для криптоанализа, задач коммивояжера, «раскраски карты», «упаковки ранца», разработки оптимальной топологии и других задач с комбинаторной сложностью.

       Для загрузки исходной информации в КР и считывания полученного решения необходим обычный универсальный хост-компьютер – ПЭВМ. Без хост-компьютера никак не получается обеспечить работу квантового компьютера. Вероятно, ещё несколько обычных встроенных компьютеров должны управлять технологическими системами поддержания уровня вакуума, конфигурации магнитного поля, лазерного охлаждения для того, чтобы не допустить декогеренитизации – разрушения когерентного состояния КР. Это когерентное состояние КР разрушается от соприкосновения с внешней средой, поэтому необходим сверхглубокий вакуум и сверхглубокое охлаждение. Но соприкосновения с внешней средой полностью не избежать, ведь волновые функции ионов КР нелокальны – полностью их локализовать принципиально невозможно. Предотвратить декогеренитизацию можно на некоторое время, за которое и проводятся квантовые вычисления.

       Принципиальные выводы следующие.

1. Квантовый компьютер не может работать без обычных вспомогательных универсальных хост-компьютеров, и уже в силу этого не может рассматриваться как альтернатива современным традиционным универсальным компьютерам.

2. Квантовый компьютер суть узкоспециализированный спецвычислитель – сопроцессор или ускоритель специальных вычислений, архитектура и внутренние принципы функционирования которого оптимизированы под строго определённый крайне узкий класс вычислительных задач. Это задачи криптоанализа и задачи с комбинаторной сложностью.

       Итак, квантовый компьютер не является универсальным компьютером и не может заменить универсальный компьютер. Можно ли представить себе разработку варианта операционной системы Linux/UNIX, Mac OS X, Microsoft Windows NT/XP/Vista для КР? Может быть и можно, только зачем это нужно? Хватит и драйвера для интерфейса ядра ОС универсального хост-компьютера с сопроцессором – КР. Компьютерная индустрия в целом очень консервативна. Архитектуры вычислителей, схемотехнические решения и связанное с ними программное обеспечение, порядок применения больших техногенных систем, для которых создаются эти вычислители, разрабатываются годами, а используются десятилетиями. В этот процесс уже вложены огромные инвестиции и труд миллионов квалифицированных специалистов, которые никто не позволит выбросить просто потому, что возник новый узкоспециализированный сопроцессор с новыми физическими принципами организации вычислительного процесса. Этот новый сопроцессор должен встроиться в имеющийся технологический поток или найти свою оптимальную нишу, что вероятнее.

       Историческим идейным предшественником квантового компьютера был, вероятно, оптический компьютер [162—167]. Амбициозные проекты универсальных оптических компьютеров с высокопараллельной 3D/4D оптической обработкой информации, представляемой 2D транспарантами – пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), голографической памятью, оптическими резонаторами и фотонными транзисторами (трансфазерами) свелись к нескольким типам сопроцессоров на основе оптических корреляторов для оптического преобразования Фурье, Адамара, Уолша и Хартли, а также к оптической реализации нейрокомпьютеров. Жесткие массогабаритные, энергетические, вибрационные требования, предъявляемые к спецпроцессорам и сопроцессорам, убьют и эти нишевые возможности.  

       Для того, чтобы остаться в основном технологическом потоке необходимо научиться аппаратно реализовывать вентильную бинарную схемотехнику, основанную на вентилях И, ИЛИ, НЕ (AND, OR, NOT), хотя бы и на бестранзисторной основе. Транзистор не нужен – нужен вентиль. В этом случае, на основе новой ЭКБ можно будет аппаратно реализовать весь готовый схемотехнический и программно-алгоритмический задел. Этот задел ранее реализованный, отлаженный и испытанный на предыдущих поколениях ЭКБ потребителям вычислительных услуг – разработчикам больших техногенных систем, очень дорог и они его не разменяют на какие-то сомнительные новшества. Научившись на новой ЭКБ аппаратно реализовывать вентили И, ИЛИ, НЕ (AND, OR, NOT) необходимо научиться делать сумматор, вычитатель, умножитель, делитель и ячейку памяти. Это тот минимальный конструктор, из которого можно сделать всё остальное. Предлагать из-за новых физических принципов вычислений нишевого сопроцессора выбросить всю компьютерную индустрию наивно и бесперспективно.         

 

Нанокопмиляторы-прототипы