Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Tranzystor z pojedynczego atomu

Recommended Posts

Wynikiem współpracy uczonych z Purdue University, University of New South Wales i University of Melbourne jest najmniejszy tranzystor na świecie. Urządzenie zbudowane jest z pojedynczego atomu fosforu. Tranzystor nie tyle udoskonali współczesną technologię, co pozwoli na zbudowanie zupełnie nowych urządzeń.

To piękny przykład kontrolowania materii w skali atomowej i zbudowania dzięki temu urządzenia. Pięćdziesiąt lat temu gdy powstał pierwszy tranzystor nikt nie mógł przewidzieć, jaką rolę odegrają komputery. Teraz przeszliśmy do skali atomowej i rozwijamy nowy paradygmat, który pozwoli na zaprzęgnięcie praw mechaniki kwantowej do dokonania podobnego jak wówczas technologicznego przełomu - mówi Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała pracami zespołu badawczego.

Niedawno ta sama grupa uczonych połączyła atomy fosforu i krzem w taki sposób, że powstał nanokabel o szerokości zaledwie czterech atomów, który przewodził prąd równie dobrze, jak miedź.

Gerhard Klimeck, który stał na czele grupy uczonych z Purdue prowadzących symulacje działania nowego tranzystora stwierdził, że jest to najmniejszy podzespół elektroniczny. Według mnie osiągnęliśmy granice działania Prawa Moore’a. Podzespołu nie można już zmniejszyć - powiedział.

Prawo Moore’a stwierdza, że liczba tranzystorów w procesorze zwiększa się dwukrotnie w ciągu 18 miesięcy. Najnowsze układy Intela wykorzystują 2,3 miliarda tranzystorów, które znajdują się w odległości 32 nanometrów od siebie. Atom fosforu ma średnicę 0,1 nanometra. Minie jeszcze wiele lat zanim powstaną procesory budowane w takiej skali. Tym bardziej, że tranzystor zbudowany z pojedynczego atomu ma bardzo poważną wadę - działa tylko w temperaturze -196 stopni Celsjusza. Atom znajduje się w studni czy też kanale. Żeby działał jak tranzystor konieczne jest, by elektrony pozostały w tym kanale. Wraz ze wzrostem temperatury elektrony stają się bardziej ruchliwe i wychodzą poza kanał - wyjaśnia Klimeck. Jeśli ktoś opracuje technikę pozwalającą na utrzymanie elektronów w wyznaczonym obszarze, będzie można zbudować komputer działający w temperaturze pokojowej. To podstawowy warunek praktycznego wykorzystania tej technologii - dodaje.

Pojedyncze atomy działające jak tranzystory uzyskiwano już wcześniej, jednak teraz po raz pierwszy udało się ściśle kontrolować ich budowę w skali atomowej. Unikatową rzeczą, jaką osiągnęliśmy, jest precyzyjne umieszczenie pojedynczego atomu tam, gdzie chcieliśmy - powiedział Martin Fuechsle z University of New South Wales.

Niektórzy naukowcy przypuszczają, że jeśli uda się kontrolować elektrony w kanale, to będzie można w ten sposób kontrolować kubity, zatem powstanie komputer kwantowy.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Nie czytałem artykułu u źródła, ale podjejrzewam że jedyne co taki "tranzystor" portrafi pracować jako klucz. Tylko to już raczej nie jest tranzystor, chociaż zakres jego zastosowania jest bardzo duży i pozwolił by zminiaturyzować wiele cyfrowych urządzeń.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Aalto University, IQM Quantum Computers oraz VTT Technical Research Centre of Finland odkryli nowy nadprzewodzący kubit. Unimon bo o nim mowa, zwiększy dokładność obliczeń dokonywanych za pomocą komputerów kwantowych. Pierwsze bramki logiczne wykorzystujące unimony pracują z dokładnością 99,9%.
      Nieliczne współczesne komputery kwantowe wciąż nie są wystarczająco wydajne i nie dostarczają wystarczająco dokładnych danych, by można było je zaprzęgnąć do obliczeń rozwiązujących praktyczne problemy. Są najczęściej urządzeniami badawczo-rozwojowymi, służącymi pracom nad kolejnymi generacjami komputerów kwantowych. Wciąż zmagamy się z licznymi błędami powstającymi w 1- i 2-kubitowych bramkach logicznych chociażby wskutek zakłóceń z otoczenia. Błędy te są na tyle poważne, że uniemożliwiają prowadzenie praktycznych obliczeń.
      Naszym celem jest zbudowanie kwantowych komputerów, które nadawałyby się do rozwiązywania rzeczywistych problemów. To odkrycie jest ważnym kamieniem milowym dla IQM oraz znaczącym osiągnięciem na drodze ku zbudowaniu lepszych komputerów kwantowych, powiedział główny autor badań, profesor Mikko Möttönen z Aalto University i VTT, który jest współzałożycielem i głównym naukowcem IQM Quantum Computers.
      Unimony charakteryzują się zwiększoną anharmonicznością, pełną odpornością na szumy wywoływane prądem stałym, zmniejszoną wrażliwością na zakłócenia magnetyczne oraz uproszczoną budową, która wykorzystuje pojedyncze złącze Josephsona w rezonatorze. Dzięki temu w jednokubitowej bramce o długości 13 nanosekund udało się uzyskać dokładność od 99,8 do 99,9 procent na trzech kubitach unimonowych. Dzięki wyższej anharmoniczności czyli nieliniowości niż w transmonach [to wcześniej opracowany rodzaj kubitów, który ma zredukowaną wrażliwość za zakłócenia ze strony ładunku elektrycznego – red.], możemy pracować z unimonami szybciej, co prowadzi do pojawiania się mniejszej liczby błędów na każdą operację, wyjaśnia doktorant Eric Hyyppä.
      Na potrzeby badań fińscy naukowcy skonstruowali układy scalone, z których każdy zawierał trzy kubity unimonowe. W układach użyto głównie niobu, z wyjątkiem złącz Josephsona, które zbudowano z aluminium. Unimony są bardzo proste, a mimo to mają liczne zalety w porównaniu z transmonami. Sam fakt, że już pierwsze uzyskane unimony działały tak dobrze, pozostawia dużo miejsca na ich optymalizację i osiągnięcie ważnych kamieni milowych. W następnym kroku badań chcemy zapewnić jeszcze lepszą ochronę przed szumem i zademonstrować bramki dwukubitowe, mówi profesor Möttönen.
      Więcej o unimonie można przeczytać na łamach Nature Communications.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dwie amerykańskie grupy badawcze stworzyły – niezależnie od siebie – pierwsze kwantowe procesory, w których rolę kubitów odgrywają atomy. To potencjalnie przełomowe wydarzenie, gdyż oparte na atomach komputery kwantowe mogą być łatwiej skalowalne niż dominujące obecnie urządzenia, w których kubitami są uwięzione jony lub nadprzewodzące obwody.
      W 2020 roku firma Heoneywell pochwaliła się, że jej komputer na uwięzionych jonach osiągnął największą wartość „kwantowej objętości”. Tego typu maszyny, mają tę zaletę, że jony w próżni jest dość łatwo odizolować od zakłóceń termicznych, a poszczególne jony w chmurze są nieodróżnialne od siebie. Problemem jest jednak fakt, że jony wchodzą w silne interakcje, a do manipulowania nimi trzeba używać pól elektrycznych, co nie jest łatwym zadaniem.
      Z drugiej zaś strony mamy kwantowe maszyny wykorzystujące obwody nadprzewodzące. Za najpotężniejszy obecnie procesor kwantowy z takimi obwodami uznaje się 127–kubitowy Eagle IBM-a. Jednak wraz ze zwiększaniem liczby kubitów, urządzenia tego typu napotykają coraz więcej problemów. Każdy z kubitów musi być w nich wytwarzany indywidualnie, co praktycznie uniemożliwia wytwarzanie identycznych kopii, a to z kolei – wraz z każdym dodanym kubitem – zmniejsza prawdopodobieństwo, że wynik obliczeń prowadzonych za pomocą takiego procesora będzie prawidłowy. Jakby jeszcze tego było mało, każdy z obwodów musi być schłodzony do niezwykle niskiej temperatury.
      Już przed sześcioma laty zespoły z USA i Francji wykazały, że możliwe jest przechowywanie kwantowej informacji w atomach, którymi manipulowano za pomocą szczypiec optycznych. Od tamtego czasu Amerykanie rozwinęli swój pomysł i stworzyli 256-bitowy komputer kwantowy bazujący na tej platformie. Jednak nikt dotychczas nie zbudował pełnego obwodu kwantowego na atomach.
      Teraz dwa niezależne zespoły zaprezentowały procesory bazujące na takich atomach. Na czele grupy z Uniwersytetu Harvarda i MTI stoi Mikhail Lukin, który w 2016 roku opracował ten oryginalny pomysł. Zespołem z University of Wisonsin-Madison, w pracach którego biorą też udział specjaliści z firm ColdQuant i Riverlane, kieruje zaś Mark Saffman. Zespół Lukina wykorzystał atomy rubidu, zespół Saffmana użył zaś cezu.
      Jeśli mamy obok siebie dwa atomy w stanie nadsubtelnym, to nie wchodzą one w interakcje. Jeśli więc chcemy je splątać, jednocześnie wzbudzamy je do stanu Rydberga. W stanie Rydberga wchodzą one w silne interakcje, a to pozwala nam je szybko splątać. Później możemy z powrotem wprowadzić je w stan nadsubtelny, gdzie można nimi manipulować za pomocą szczypiec optycznych, wyjaśnia Dolev Bluvstein z Uniwersytetu Harvarda.
      Grupa z Harvarda i MIT wykorzystała stan nadsubtelny do fizycznego oddzielenia splątanych atomów bez spowodowania dekoherencji, czyli utraty kwantowej informacji. Gdy każdy z atomów został przemieszczony na miejsce docelowe został za pomocą lasera splątany z pobliskim atomem. W ten sposób naukowcy byli w stanie przeprowadzać nielokalne operacje bez potrzeby ustanawiania specjalnego fotonicznego lub atomowego łącza do przemieszczania splątania w obwodzie.
      W ten sposób uruchomiono różne programy. Przygotowano m.in. kubit logiczny, składający się z siedmiu kubitów fizycznych, w którym można było zakodować informacje w sposób odporny na pojawienie się błędów. Naukowcy zauważają, że splątanie wielu takich logicznych kubitów może być znacznie prostsze niż podobne operacje na innych platformach. Istnieje wiele różnych sztuczek, które są stosowane by splątać kubity logiczne. Jednak gdy można swobodnie przesuwać atomy, to jest to bardzo proste. Jedyne, co trzeba zrobić to stworzyć dwa niezależne kubity logiczne, przesunąć je i przemieszać z innymi grupami, wprowadzić za pomocą lasera w stan Rydberga i utworzyć pomiędzy nimi bramkę, stwierdza Dluvstein. Te technika, jak zapewnia uczony, pozwala na przeprowadzenie korekcji błędów i splątania pomiędzy kubitami logicznymi w sposób niemożliwy do uzyskania w obwodach nadprzewodzących czy z uwięzionymi jonami.
      Grupa z Wisconsin wykorzystała inne podejście. Naukowcy nie przemieszczali fizycznie atomów, ale za pomocą lasera manipulowali stanem Rydberga i przemieszczali splątanie po macierzy atomów. Mark Saffman podaje przykład trzech kubitów ustawionych w jednej linii. Za pomocą laserów oświetlamy kubit po lewej i kubit centralny Zostają one wzbudzone do stanu Rydberga i splątane. Następnie oświetlamy atom centralny oraz ten po prawej. W ten sposób promienie laserów kontrolują operacje na bramkach, ale tym, co łączy kubity są interakcje zachodzące w stanach Rydberga.
      Grupa Saffmana wykorzystała opracowaną przez siebie technikę do stworzenia składających się z sześciu atomów stanów Greenbergera-Horne'a-Zeilingera. Wykazali też, że ich system może działać jak kwantowy symulator służący np. do szacowania energii molekuły wodoru. Dzięki temu, że nie trzeba było przesuwać atomów, zespół z Wisconsin osiągnął kilkaset razy większe tempo pracy niż zespół z Harvarda i MIT, jednak ceną była pewna utrata elastyczności. Saffman uważa, że w przyszłości można będzie połączyć oba pomysły w jeden lepszy system.
      Na razie oba systemy korzystają z niewielkiej liczby kubitów, konieczne jest też wykazanie wiarygodności obliczeń oraz możliwości ich skalowania. Chris Monroe, współtwórca pierwszego kwantowego kubita – który oparty był na uwięzionych jonach – uważa, że obie grupy idą w dobrym kierunku, a kubity na atomach mogą osiągnąć wiarygodność 99,9% i to bez korekcji błędów. Obecnie osiągamy taki wynik na uwięzionych jonach i – mimo że technologia wykorzystania atomów jest daleko z tyłu – nie mam wątpliwości, że w końcu osiągną ten sam poziom, stwierdza.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Od dekad tranzystory są mniejsze i mniejsze. Dzięki temu w procesorze możemy upakować ich więcej. To zaś najłatwiejszy sposób na zwiększenie wydajności procesora. Powoli zbliżamy się do momentu, w którym nie będziemy już w stanie zmniejszać długości bramki tranzystora. Niewykluczone, że Chińczycy właśnie dotarli do tej granicy.
      Prąd w tranzystorze przepływa pomiędzy źródłem a drenem. Przepływ ten kontrolowany jest przez bramkę, która przełącza się pod wpływem napięcia. Długość bramki to kluczowy czynnik decydujący o rozmiarach tranzystora.
      W ostatnich latach naukowcy zaczęli eksperymentować z nowymi materiałami, z których chcą budować elektronikę przyszłości. W obszarze ich zainteresowań jest na przykład grafen – dwuwymiarowy materiał składający się z pojedynczej warstwy atomów węgla – czy disiarczek molibdenu, czyli warstwa atomów molibdenu zamknięta między dwiema warstwami siarki.
      Teraz specjaliści z Chin wykorzystali te materiały do zbudowania rekordowo małego tranzystora. Długość jego bramki wynosi zaledwie 0,34 nanometra. To tyle, co średnica atomu węgla.
      Nowy tranzystor można porównać do dwóch schodów. Na górnym znajduje się źródło, na dolnym zaś dren. Oba zbudowane są z tytanu i palladu. Powierzchnia schodów działa jak łączący je kanał. Jest ona zbudowana w pojedynczej warstwy disiarczku molibdenu, pod którą znajduje się izolująca warstwa ditlenku hafnu. Wyższy stopień zbudowany jest z wielu warstw. Na samy dole znajduje sie warstwa grafenu, nad nią zaś aluminium pokryte tlenkiem aluminium. Jego zadaniem jest oddzielenie grafenu i disiarczku molibdenu. Jedynym miejscem ich połączenia jest widoczna na grafice niewielka szczelina w wyższym stopniu.
      Gdy bramka zostaje ustawiona w pozycji „on” jej długość wynosi zaledwie 0,34 nm. Autorzy nowego tranzystora twierdzą, że nie uda się tej odległości już bardziej zmniejszyć. Na pewno zaś próba zbudowania jeszcze mniejszych tranzystorów będzie wymagała nowatorskiego podejścia do materiałów dwuwymiarowych.
      Ze szczegółami pracy zespołu z Tsinghua University można zapoznać się na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować wiele dziedzin nauki oraz przemysłu, przez co wpłyną na nasze życie. Rodzi się jednak pytanie, jak duże muszą być, by rzeczywiście dokonać zapowiadanego przełomu. Innymi słowy, na ilu kubitach muszą operować, by ich moc obliczeniowa miała znaczący wpływ na rozwój nauki i technologii.
      Na pytanie to postanowili odpowiedzieć naukowcy z Wielkiej Brytanii i Holandii. Przyjrzeli się dwóm różnym typom problemów, jakie będą mogły rozwiązywać komputery kwantowe: złamaniu zabezpieczeń Bitcoina oraz symulowanie pracy kofaktora FeMo (FeMoco), który jest ważnym elementem białka wchodzącego w skład nitrogenazy, enzymu odpowiedzialnego za asymilację azotu.
      Z AVS Quantum Science dowiadujemy się, że naukowcy stworzyli specjalne narzędzie, za pomocą którego mogli określić wielkość komputera kwantowego oraz ilość czasu potrzebnego mu do rozwiązania tego typu problemów. Obecnie większość prac związanych z komputerami kwantowymi skupia się na konkretnych platformach sprzętowych czy podzespołach nadprzewodzących. Różne platformy sprzętowe znacząco się od siebie różnią chociażby pod względem takich kluczowych elementów, jak tempo pracy czy kontrola jakości kubitów, wyjaśnia Mark Webber z University of Sussex.
      Pobieranie azotu z powietrza i wytwarzanie amoniaku na potrzeby produkcji nawozów sztucznych to proces wymagający dużych ilości energii. Jego udoskonalenie wpłynęłoby zarówno na zwiększenie produkcji żywności, jak i zmniejszenie zużycia energii, co miałoby pozytywny wpływ na klimat. Jednak symulowanie odpowiednich molekuł, których opracowanie pozwoliłoby udoskonalić ten proces jest obecnie poza możliwościami najpotężniejszych superkomputerów.
      Większość komputerów kwantowych jest ograniczone faktem, że wykorzystywane w nich kubity mogą wchodzić w bezpośrednie interakcje tylko z kubitami sąsiadującymi. W innych architekturach, gdzie np. są wykorzystywane jony uwięzione w pułapkach, kubity nie znajdują się na z góry ustalonych pozycjach, mogą się przemieszczać i jeden kubit może bezpośrednio oddziaływać na wiele innych. Badaliśmy, jak najlepiej wykorzystać możliwość oddziaływania na odległe kubity po to, by móc rozwiązać problem obliczeniowy w krótszym czasie, wykorzystując przy tym mniej kubitów, wyjaśnia Webber.
      Obecnie największe komputery kwantowe korzystają z 50–100 kubitów, mówi Webber. Naukowcy oszacowali, że do złamania zabezpieczeń sieci Bitcoin w ciągu godziny potrzeba – w zależności od sprawności mechanizmu korekty błędów – od 30 do ponad 300 milionów kubitów. Mniej więcej godzina upływa pomiędzy rozgłoszeniem a integracją blockchaina. To czas, w którym jest on najbardziej podatny na ataki.
      To wskazuje, że Bitcoin jest obecnie odporna na ataki z wykorzystaniem komputerów kwantowych. Jednak uznaje się, że możliwe jest zbudowanie komputerów kwantowych takiej wielkości. Ponadto ich udoskonalenie może spowodować, że zmniejszą się wymagania, co do liczby kubitów potrzebnych do złamania zabezpieczeń Bitcoin.
      Webber zauważa, że postęp na polu komputerów kwantowych jest szybki. Przed czterema laty szacowaliśmy, że do złamania algorytmu RSA komputer kwantowy korzystający z jonów uwięzionych w w pułapce potrzebowałby miliarda fizycznych kubitów, a to oznaczało, że maszyna taka musiałaby zajmować powierzchnię 100 x 100 metrów. Obecnie, dzięki udoskonaleniu różnych aspektów tego typu komputerów, do złamania RSA wystarczyłaby maszyna o rozmiarach 2,5 x 2,5 metra.
      Z kolei do przeprowadzenia symulacji pracy FeMoco komputery kwantowe, w zależności od wykorzystanej architektury i metod korekcji błędów, potrzebowałyby od 7,5 do 600 milionów kubitów, by przeprowadzić taką symulację w ciągu około 10 dni.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Gdy denerwujemy się, że nasz domowy pecet uruchamia się za długo, pewnym pocieszeniem może być informacja, iż w porównaniu z eksperymentalnymi komputerami kwantowymi jest on demonem prędkości. Uczeni pracujący nad tego typu maszynami spędzają każdego dnia wiele godzin na ich odpowiedniej kalibracji.
      Komputery kwantowe, a raczej maszyny, które w przyszłości mają się nimi stać, są niezwykle czułe na wszelkie zewnętrzne zmiany. Wystarczy, że temperatura otoczenia nieco spadnie lub wzrośnie, że minimalnie zmieni się ciśnienie, a maszyna taka nie będzie prawidłowo pracowała. Obecnie fizycy kwantowi muszą każdego dnia sprawdzać, jak w porównaniu z dniem poprzednim zmieniły się warunki. Później dokonują pomiarów i ostrożnie kalibrują układ kwantowy - mówi profesor Frank Wilhelm-Mauch z Uniwersytetu Kraju Saary. Dopuszczalny margines błędu wynosi 0,1%, a do ustawienia jest około 50 różnych parametrów. Kalibracja takiej maszyny jest zatem niezwykle pracochłonnym przedsięwzięciem.
      Wilhelm-Mauch i jeden z jego doktorantów zaczęli zastanawiać się na uproszczeniem tego procesu. Stwierdzili, że niepotrzebnie skupiają się na badaniu zmian w środowisku. Istotny jest jedynie fakt, że proces kalibracji prowadzi do pożądanych wyników. Nie jest ważne, dlaczego tak się dzieje. Uczeni wykorzystali algorytm używany przez inżynierów zajmujących się mechaniką konstrukcji. Dzięki niemu możliwe było zmniejszenie odsetka błędów poniżej dopuszczalnego limitu 0,1% przy jednoczesnym skróceniu czasu kalibracji z 6 godzin do 5 minut. Niemieccy naukowcy nazwali swoją metodologię Ad-HOC (Adaptive Hybrid Optimal Control) i poprosili kolegów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara o jej sprawdzenie. Testy wypadły pomyślnie.
      W przeciwieństwie do metod ręcznej kalibracji nasza metoda jest całkowicie zautomatyzowana. Naukowiec musi tylko wcisnąć przycisk jak w zwykłym komputerze. Później może pójść zrobić sobie kawę, a maszyna kwantowa sama się wystartuje - mówi Wilhelm-Mauch.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...