Ячейка размером в атом
Ученые из IBM придумали новый способ управления магнитными свойствами меди. В перспективе наработки в этой области могут оказаться полезными при создании микросхем энергонезависимой памяти, в которых ячейка памяти «умещается» в одном атоме металла и способна хранить в несколько раз большее количество информации по сравнению с существующими аналогами. Об этом говорится в работе, опубликованной исследователями из IBM, доктором Кристофером Луцем (Christopher Lutz) и доктором Каем Янгом (Kai Yang) в издании Nature Nanotechnology.
В своей статье ученые описали методику контроля магнитных свойств ядра одиночного атома меди при помощи ядерного магнитного резонанса (ЯМР) – явления, технологии на основе которого широко используются химиками для изучения структуры вещества, а также в медицине – для проведения неинвазивного исследования внутренних органов пациентов (ЯМР-спектроскопия, МРТ – Магнитно-резонансная томография).
Добиться ЯМР в меди исследователям удалось с помощью сканирующего туннельного микроскопа, зонд которого, представляющий из себя металлическую иглу толщиной в десятые доли нанометра, позволил перемещать, изолировать одиночные атомы образца и правильно располагать их ядра в пространстве. Изоляция элементарной частицы от «соседей», как выяснилось, – непременное условие возникновения у меди магнитных свойств.
Изучив, изолированный атом меди, ученые обнаружили, что магнитная ориентация ядра напрямую связана с магнитной ориентацией находящегося вне ядра электрона. Эта связь может позволить записывать и считывать информацию благодаря изменению ориентации магнитного поля ядра, которую обеспечивает туннельный ток микроскопа. Свое внимание исследователи обратили на медь как раз из-за наличия сильной связи между ядром и внешними электронами.
Кристофер Луц отметил, что ядро атома меди имеет четыре квантовых состояния. Потенциально это позволяет одноатомной медной ячейке памяти хранить четыре бита информации одновременно. Для сравнения: современные образцы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) хранят лишь один бит данных в ячейке, при этом она содержит сотни тысяч атомов ферромагнетика.
Специалисты отказались высказывать предположения о возможных сроках начала коммерческого применения результатов их исследования, поскольку проект в настоящее время находится на очень ранней стадии.
На следующем этапе своих исследований Луц и Янг планируют приступить к созданию целых массивов из «намагниченных» медных атомов.
Квантовая электроника
Другим перспективным направлением в области вычислительной техники являются квантовые технологии. Преимущества квантовых компьютеров основаны на том, что в них для представления данных используются не классические двоичные ячейки памяти, содержащие один бит информации (единицу или ноль), а так называемые кубиты (qubit, quantum bit, «квантовые биты»), представляющие собой квантовые объекты, которые могут принимать множество различных состояний благодаря принципу квантовой суперпозиции.
Считается, что квантовый компьютер с регистром из 50 полносвязных кубитов сможет продемонстрировать превосходство над классическими вычислительными системами. Решение практически значимых задач требует реализации регистра из 0,5–2 тыс. полносвязных кубитов, при этом точность операций с кубитами должна превосходить 99,999%. Наибольшие трудности у разработчиков квантовых вычислительных систем на сегодняшний день вызывает реализация процесса корректировки возникающих ошибок.
Работой над созданием квантовых компьютеров занимаются крупнейшие технологические компании мира, такие как Google, Microsoft, Intel, а также некоммерческие научно-исследовательские организации. Так, группе ученых Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) удалось создать квантовый «процессор» на базе атома фосфора.
В России впервые создать кубит смогли ученые Российского квантового центра, Московского физико-технического института (МФТИ), Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Института физики твердого тела Российской академии наук в 2015 г.
В июне 2018 г. научно-технический совет Фонда перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект «Оптические системы квантовых вычислений», в рамках которого до 2021 г. запланирована разработка демонстраторов 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.
Микросхемы из металлов с оптическими свойствами
В октябре 2018 г. специалисты Университета Джорджии в США предложили способ, позволяющий на порядки увеличить производительность вычислительной техники. Выигрыш в скорости работы микросхем достигается за счет применения сверхтонких полупроводников, которые изготавливаются из так называемых дихалькогенидов (особых бинарных химсоединений) переходных металлов (TMDC) и обладают оптическими свойствами.
Для внедрения этой технологии понадобится кардинальная переработка вычислительных систем во множестве аспектов, а это, в свою очередь, значит, что переход на TDMC наверняка не состоится в ближайшем будущем, а может и не состояться вовсе.