Сайт переехал physreal.com

Ситуация сходна с рисунком (иероглифом), обозначающим какое-либо японское слово, например “магнит” (рис. 1).

Рис. 1. Японский иероглиф (Jishyaku – магнит) объединяет два иероглифа:
“магнитный” (первый иероглиф) и “камень” (второй иероглиф).
Первый иероглиф участвует во всех словах, сообщающих о магнетизме
(магнитная восприимчивость, ферромагнетизм, стрелка компаса и др.).

Элементы этого рисунка не читаются по-отдельности, а информация, переносимая иероглифом, считывается глазом одномоментно и включает в себя значительно больше, чем то, что можно передать с помощью одной буквы. Иероглиф – исторически сложившийся штрих-код, комбинация первоначальных рисунков-представлений о мире и, своего рода, “волновая функция” человеческого сознания, компилирующая простые образы.

По иронии судьбы именно японские ученые (в соавторстве с американскими) первыми создали полностью кремниевые кубиты [2-4]. Сначала было показано, что различие между ядерными спинами I изотопов кремния (I=1/2 для ²⁹Si, но I=0 для ²⁸Si и ³⁰Si) сильно изменяет физико-химические свойства наноструктур. Впервые в мире были созданы образцы, в которых тонкие слои (1-3 нм), обогащенные различными изотопами (²⁸Si, ²⁹Si и ³⁰Si), чередовались в очень аккуратной сверхрешетке, выполненной с нанометровой точностью [2] (рис. 2а).

Рис. 2. а – Гетероструктура, состоящая из чередующихся слоев кремния магнитного и немагнитного изотопов;
б – схема ядерного спинового процессора на изотопах кремния [4] (указаны номера кубитов и их рабочие частоты w_i)

Такие структуры позволили обнаружить чудесные особенности химических реакций и их зависимость от наличия магнитного изотопа, т.е. магнитный изотопный эффект [5, 6], а также увеличить точность дизайна логического симулятора CMOS- процесора (сomplementary metal-oxide-semicon-ductor), нужного для создания кремниевой микросхемы памяти. Это повлекло за собой развитие изотопной спиновой инженерии кремния и развитие новых инструментов для спинтроники.

Идея применения одиночного атома кремния с магнитным ядром в качестве бита и процессора была предложена в [4]. Усовершенствованная версия этой концепции показана на рис. 2б. В этом устройстве ориентация и фаза каждого спина ядра ²⁹Si в цепочке эквивалентна биту информации. Ключом к считыванию является атом фосфора с электронным спином, помещенный на конце цепочки и “считывающий” информацию, записанную в цепочке ядерных спинов кремния. Реализация такого квантово-механического устройства оказалась возможна благодаря выполнению следующих условий:

1)  Изотопно-очищенный кремний без парамагнитных примесей обладает гигантским временем удержания квантовой информации – при комнатной температуре спины ядер ²⁹Si остаются ориентированными 25 с [7]. Этого времени вполне достаточно, чтобы произвести миллиарды логических операций.

2)  Спиновая когерентность электронного спина фосфора допускает передачу информации о состоянии кубитов через сверхтонкое взаимодействие с ядрами ²⁹Si [8]. Таким образом, электронный спин фосфора на конце цепочки дирижирует работой всех кубитов в ней.

3)  Цепочки ядер ²⁹Si удалось создать и доказать их согласованную работу [9].

4)  Инициализация прибора (ориентирование всех спинов в одном направлении) осуществлялась оптической накачкой [10], а также динамической ядерной поляризацией с помощью электронного спина фосфора. Манипуляция спинами ядер кремния была произведена с помощью ядерного магнитного резонанса.

5)  Для считывания с ансамбля ядерных спинов ³¹P были использованы два метода: оптический и электрический. При электрическом методе считывания (разработан с участием российских ученых из ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН [11]) был использован факт передачи информации от цепочки кремниевых ядер к ядру фосфора. Для считывания информации с ядра фосфора использовали электродипольный магнитный резонанс в небольшом магнитном поле (~ 200 Э), который создавал запутанные состояния Бэлла между ядерной подсистемой и электронным спином, т.е. под действием микроволнового электрического поля возникали квантовые иероглифы – штрих-коды, нужные для обработки информации и установления одновременно и электронных и ядерных спиновых состояний [11].

Таким образом, создание реального устройства квантовой памяти требует выполнения целого ряда вышеперечисленных высокотехнологичных условий, реализуемых только в рамках нанотехнологий и оборудования, пригодного для манипулирования одиночными атомами. Одним из главных условий записи-считывания информации (общения с кубитной памятью) является надежное и сильное влияние ядерных спинов на состояния электронных спинов в считывающем устройстве. Этот элемент (называемый “ключом”) в [2-10] предлагается выполнить в виде концевого атома фосфора, обладающего электронным и ядерным спинами, связанными эффективным сверхтонким взаимодействием (рис. 2б).

Отметим, что и здесь продолжается аналогия с японским языком. “Ключом” в первом иероглифе на рис. 1 называют изображение второго иероглифа (“камень”), включенного также и в первый иероглиф. Именно по нему находят это слово в словаре и относят к определенной группе иероглифов. “Ключ” одинаково открывает двери в семантический анализ информации в японском языке и при считывании квантового “слова”. Аналогия между иероглифами (продуктом человеческого сознания) и квантовой памятью (объектом, способным существовать вне сознания) нами выбрана не случайно. Вероятно, аналогия стала возможна потому, что принципы работы компьютера постепенно приближаются к неизвестным до сих пор принципам работы человеческого мозга.

 

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).