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

Tranzystor w skali atomowej

Recommended Posts

Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Helsinkach, University of New South Wales i University of Melbourne zbudowali tranzystor, którego aktywne części składają się z... pojedynczego atomu fosforu umieszczonego na krzemie.

Idea tranzystora bazuje na zjawisku tunelowania elektronów pomiędzy atomem fosforu a źródłem i drenem. Przepływ elektronów może być kontrolowany za pomocą napięcia podawanego do pobliskiej elektrody, której szerokość liczona jest w dziesiątkach nanometrów.

Pół roku temu ktoś zapytał mnie i drugiego lidera projektu, profesora Andrew Dzuraka, kiedy, naszym zdaniem, może powstać tranzystor o wielkości pojedynczego atomu. Popatrzyliśmy na siebie, uśmiechnęliśmy się i odpowiedzieliśmy, że już taki tranzystor skonstruowaliśmy - mówi doktor Mikko Möttönen. Naszym celem nie było jednak stworzenie najmniejszego tranzystora dla klasycznego komputera, ale kwantowego bitu dla komputerów kwantowych - dodaje.

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
      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
      Fizycy z Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF – Jefferson Lab) zmierzyli z niezwykłą dokładnością grubość neutronowej „skórki” tworzącej otoczkę jądra ołowiu. Na łamach Physical Review Letters poinformowali, że grubość ta wynosi 0,28 milionowych części nanometra. A ich pomiary mają duże znaczenie dla określenia struktury i rozmiarów... gwiazd neutronowych.
      Jądro każdego pierwiastka składa się z protonów i neutronów. To m.in. one określają właściwości pierwiastków i pozwalają nam je od siebie odróżnić. Fizycy od dawna badają jądra atomowe, by dowiedzieć się, w jaki sposób protony i neutrony oddziałują ze sobą. W Jefferson Lab prowadzony jest Lead Radius Experiment (PREx), którego celem jest dokładne zbadanie rozkładu protonów i neutronów w jądrze ołowiu.
      Pytanie brzmi, gdzie w jądrze znajdują się neutrony. Ołów to ciężki pierwiastek. Posiada dodatkowe neutrony. Jeśli jednak bierzemy pod uwagę wyłącznie oddziaływanie sił jądrowych, które wiążą protony i neutrony w jądrze, to lepiej sprawdza się model, w którym jądro ołowiu posiada równą liczbę protonów i neutronów, mówi profesor Kent Paschke z University of Virginia, rzecznik prasowy PREx.
      W lekkich jądrach, zawierających niewiele protonów, zwykle rzeczywiście liczba protonów i neutronów jest równa. Jednak im cięższe jądro, tym potrzebuje więcej neutronów niż protonów, by pozostać stabilnym. Wszystkie stabilne jądra pierwiastków, które zawierają ponad 20 protonów, mają więcej neutronów niż protonów. Ołów zaś to najcięższy pierwiastek o stabilnych izotopach. Jego jądro zawiera 82 protony i 126 neutronów. A do zrozumienia, jak to wszystko trzyma się razem, musimy wiedzieć, w jaki sposób w jądrze rozłożone są dodatkowe neutrony.
      Protony w jądrze ołowiu ułożone są w kształt sfery. Neutrony tworzą większą sferę otaczającą mniejszą. Tę większą sferę nazwaliśmy skórką neutronową, wyjaśnia Paschke. Tę skórkę po raz pierwszy zauważono właśnie w Jefferson Lab w 2012 roku. Od tamtej pory naukowcy starają się mierzyć jej grubość z coraz większą precyzją.
      Neutrony trudno jest badać, gdyż wiele narzędzi, które mają do dyspozycji fizycy, rejestruje oddziaływania elektromagnetyczne, które są jednymi z czterech podstawowych sił natury. Eksperyment PREx do pomiarów wykorzystuje inną z podstawowych sił – oddziaływania słabe. Protony posiadają ładunek elektryczny, który możemy badań za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego, ale – w porównaniu z protonami – generują potężne oddziaływania słabe. Jeśli więc jesteś w stanie to wykorzystać, możesz określić, gdzie znajdują się neutrony, dodaje Paschke.
      Autorzy nowych badań wykorzystali precyzyjnie kontrolowany strumień elektronów, który został wystrzelony w stronę cienkiej warstwy ołowiu schłodzonej do temperatur kriogenicznych. Elektrony obracały się w kierunku ruchu wiązki i wchodziły w interakcje z protonami i neutronami w atomach ołowiu. Oddziaływania elektromagnetyczne zachowują symetrię odbicia, a oddziaływania słabe nie. to oznacza, że elektron, który wchodzi w interakcję za pomocą sił elektromagnetycznych, robi to niezależnie od kierunku swojego spinu. Natomiast jeśli chodzi o interakcje za pomocą oddziaływań słabych, to widoczna jest tutaj wyraźna preferencja jednego kierunku spinu. Możemy więc wykorzystać tę asymetrię do badania siły oddziaływań, a to pozwala nam określić obszar zajmowany przez neutrony. Zdradza nam zatem, gdzie w odniesieniu do protonów, znajdują się neutrony, mówi profesor Krishna Kumar z University of Massachusetts Amherst.
      Przeprowadzenie eksperymentów wymagało dużej precyzji. Dość wspomnieć, że kierunek spinu elektronów w strumieniu był zmieniany 240 razy na sekundę, a elektrony, zanim dotarły do badanej próbki ołowiu, odbywały ponad kilometrową podróż przez akcelerator. Badacze znali relatywną pozycję względem siebie strumieni elektronów o różnych spinach z dokładnością do szerokości 10 atomów.
      Dzięki tak wielkiej precyzji naukowcy stwierdzili, że średnica sfery tworzonej przez protony wynosi około 5,5 femtometrów. A sfera neutronów jest nieco większa, ma około 5,8 femtometrów. Skórka neutronowa ma więc 0,28 femtometra grubości. To około 0,28 milionowych części nanometra, informuje Paschke.
      Jak jednak te pomiary przekładają się na naszą wiedzę o gwiazdach neutronowych? Wyniki uzyskane w Jefferson Lab wskazują, że skórka neutronowa jest grubsza, niż sugerowały niektóre teorie. To zaś oznacza, że do ściśnięcia jądra potrzebne jest większe ciśnienie niż sądzono, zatem samo jądro jest nieco mniej gęste. A jako, że nie możemy bezpośrednio badać wnętrza gwiazd neutronowych, musimy opierać się na obliczeniach, do których używamy znanych właściwości składowych tych gwiazd.
      Nowe odkrycie ma też znaczenie dla danych z wykrywaczy fal grawitacyjnych. Krążące wokół siebie gwiazdy neutronowe emitują fale grawitacyjne, wykrywane przez LIGO. Gdy już są bardzo blisko, w ostatnim ułamku sekundy oddziaływanie jednej gwiazdy powoduje, że druga staje się owalna. Jeśli skórka neutronowa jest większa, gwiazda przybierze inny kształt niż wówczas, gdy skórka ta jest mniejsza. A LIGO potrafi zmierzyć ten kształt. LIGO i PREx badają całkowicie różne rzeczy, ale łączy je podstawowe równanie – równanie stanu materii jądrowej.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Delft wykazali, że możliwe jest niezależne manipulowanie dwoma rodzajami magnetyzmu w atomach. Magnetyzm w atomach powstaje w wyniku orbitalnego oraz obrotowego ruchu elektronów. W tym pierwszym przypadku mowa jest o ruchu elektronu wokół jądra. Ruch obrotowy zaś to ruch elektronu wokół własnej osi. Jako, że każdy z tych rodzajów ruchu może odbywać się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub w stronę przeciwną, zatem może reprezentować 0 lub 1. Teoretycznie więc w atomie możemy zapisać 2 bity danych.
      "W praktyce jednak jest to niezwykle trudne, gdyż jeśli zmienimy kierunek ruchu orbitalnego, niemal zawsze zmieni się kierunek ruchu obrotowego i vice versa", mówi główny autor najnowszych badań, Sander Otte.
      Holendrzy, we współpracy z Hiszpanami i Chilijczykami dowiedli, że można odwrócić kierunek ruchu orbitalnego elektronu bez zmiany jego ruchu obrotowego. Osiągnęli to dzięki wykorzystaniu efektu Einsteina-de Haasa. Zgodnie z nim odwrócenie kierunku ruchu orbitalnego można skompensować przez niemierzalnie mały obrót środowiska. W tym przypadku był to kawałek metalu, którego część stanowi atom.
      Naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy, którego próbnik może manipulować pojedynczymi atomami. Zwykle atom ma kontakt z wieloma sąsiadującymi atomami, co zaburza jego magnetyzm. Otte i jego zespół odseparowali spin od ruchu orbitalnego atomu żelaza umieszczając go na pojedynczym niemagnetycznym atomie azotu. Dzięki temu mogli manipulować ruchem orbitalnym bez wpływania na spin elektronu.
      Możliwość przechowywania bitów w pojedynczym atomie zwiększyłaby tysiące razy pojemność obecnych układów pamięci. Do tego jeszcze bardzo długa droga. Otte mówi, że w tej chwili głównym osiągnięciem, z którego naukowcy się bardzo cieszą, jest możliwość kontrolowania pojedynczych atomów oraz elektronów krążących wokół nich.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy w historii zmierzono dokładność dwukubitowych operacji logicznych w krzemie. Dokonał tego zespół prof. Andrew Dzuraka z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW), który w 2015 jako pierwszy stworzył dwukubitową bramkę logiczną w krzemie.
      Wszystkie obliczenia kwantowe mogą składać się z jedno- i dwukubitowych operacji. To podstawowe budulce obliczeń kwantowych. Gdy je mamy, możemy wykonać dowolne obliczenia kwantowe, jednak precyzja obu tych rodzajów obliczeń musi być bardzo wysoka, wyjaśnia profesor Dzurak.
      Od czasu, gdy w 2015 roku zespół Dzuraka stworzył pierwszą dwukubitową bramkę logiczną umożliwiając w ten sposób prowadzenie obliczeń z użyciem dwóch kubitów, wiele zespołów naukowych zaprezentowało podobne konstrukcje. Jednak dotychczas nie była znana dokładność obliczeń dokonywanych za pomocą takich bramek
      Precyzja obliczeń to kluczowy parametr, który decyduje o tym, na ile dana technologia kwantowa może zostać zastosowana w praktyce. Potęgę obliczeń kwantowych można wykorzystać tylko wtdy, jeśli operacja na kubitach są niemal idealne, dopuszczalne są minimalne błędy, mówi doktor Henry Yang, współpracownik Dzuraka.
      Australijscy naukowcy opracowali test oparty na geometrii Clifforda i za jego pomocą ocenili wiarygodność dwukubitowej bramki logicznej na 98%. Osiągnęliśmy tak wysoką dokładność dzięki zidentyfikowaniu i wyeliminowaniu podstawowych źródeł błędów, poprawiając w ten sposób dokładność obliczeń do takiego stopnia, że zrandomizowany test o znaczącej dokładności – tutaj 50 operacji na bramce – może zostać przeprowadzony na naszym dwukubitowym urządzeniu, dodał doktorant Wister Huang, główny autor artykułu, który opublikowano na łamach Nature.
      Komputery kwantowe będą mogły rozwiązać problemy, z którymi klasyczne komputery nigdy nie będą w stanie sobie poradzić. Jednak większość tych zastosowań będzie wymagała użycia milionów kubitów, więc będziemy musieli korygować błędy kwantowe, nawet jeśli będą one niewielkie. Aby korekcja tych błędów byla możliwa, same kubity muszą być niezwykle dokładne. Dlatego też podstawową rzeczą jest ocena ich dokładności. Im bardziej dokładne kubity, tym mniej będziemy ich potrzebowali, a zatem tym szybciej będziemy w stanie wyprodukować prawdziwy komputer kwantowy, dodaje profesor Dzurak.
      Australijczycy zauważają jeszcze jedną świetną informację, która płynie z ich badań. Otóż krzem po raz kolejny dowiódł,; że jest świetną platformą obliczeniową. Jako, że materiał ten jest wykorzystywany w przemyśle elektronicznym od niemal 60 lat jego właściwości, ograniczenia i problemy z nim związane zostały dobrze poznane, zatem już istniejące fabryki będą w stanie przestawić się na nową technologię.
      Jeśli okazałoby się, że dokładność kwantowych obliczeń na krzemie jest zbyt niska, to mielibyśmy poważny problem. Fakt, że wynosi ona blisko 99% to bardzo dobra wiadomość. Daje nam to możliwość dalszych udoskonaleń. To pokazuje, że krzem jest odpowiednia platformą dla prawdziwych komputerów kwantowych, cieszy się Dzurak. Myślę, że w najbliższej przyszłości osiągniemy znacznie większą dokładność i otworzymy w ten sposób drzwi do zbudowania prawdziwego odpornego na błędy komputera kwantowego. Obecnie jesteśmy bliscy granicy, poza którą w dwukubitowych systemach będzie można zastosować korekcję błędów, dodaje.
      Warto w tym miejscu przypomnieć, że niedawno zespół Dzuraka poinformował na łamach Nature Electronics o osiągnięciu rekordowej dokładności jednokubitowej bramki logicznej. Wyniosła ona 99,96%.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...