Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 28

На мой взгляд, делать квантовый компьютер на кремнии — задача тяжелая. Она хороша только тем, что технология, как вы видите, отработана настолько, что уже можно размещать на поверхности отдельные атомы. Проблема — избавиться от их перемещения при отжиге. С этим пока не научились справляться.

Более того, для того, чтобы квантовый компьютер работал, надо чтобы атом фосфора или сурьмы оказался не на поверхности, а на глубине порядка 5 нм, это оптимальная глубина. Тогда свойства поверхности меньше всего повлияют на работу квантового кубита, и вы получите лучшие характеристики. Для того чтобы зарастить полученную структуру, нужна повышенная температура.

При этом примесные атомы опять начинают двигаться. Видимо, главной задачей исследователей в будущем станет точная фиксация атомов. То, что они достигли сейчас, позволяет контролировать, как расположены атомы примеси, и сравнивать результаты по проводимости с теоретическими расчетами.

Это означает, что у них есть концепция и все необходимые технологические приемы. Дальше надо экспериментировать и искать лучшие условия. Может быть, их способ окажется удачным. Возможно, более успешным окажется путь, по которому идут американцы из Национальной Лаборатории Сандия. Они внедряют имплантацией под поверхность отдельные атомы примеси, и потом проводят умеренный отжиг, чтобы сохранить их положение. Смещение атома не должно превышать +/- 2, 5 нанометра, тогда такой прибор будет работоспособен как квантовый компьютер.

- Какие ещё функции может выполнять транзистор?

- Сфера его применения очень широкая. Такие системы могут быть полезны, например, в медицине и биологии. Одна из наших работ — это кремниевый транзистор, так называемый нанопроволочный сенсор, он хорошо работает. В нем есть проволочка диаметром 15 — 50 нанометров, такие транзисторы мы полностью изготавливаем и исследуем у себя в институте.

- Для чего она нужна? Когда мы посередине неё помещаем отрицательный заряд, он создает электростатический барьер для электронов, мешает им пройти через проволочку. Чувствительность этого прибора — это единичный заряд электрона. Как только он захватывается на поверхность, проводимость меняется примерно на 10% только за счёт того, что у проволоки маленький размер. Этот принцип используется, например, для регистрации примесей в воде. Мы добавляем в раствор совсем немного молекул соляной кислоты, порядка одного фемтомоля (10 -15Моль/л), и регистрируем отрицательно заряженные ионы хлора.

Это довольно низкая концентрация, и наш прибор её хорошо чувствует. Кроме того, он отлично распознает в жидкости и другие молекулы химических веществ, например, белки. Известно, что альфа-фетопротеин — это свидетель неблагополучия в организме, у него есть две функции. Он подавляет иммунный ответ, в частности, между материнским организмом и новым, который находится внутри плаценты. С другой стороны, альфа-фетопротеин стимулирует здоровые клетки на борьбу с раковыми.

Есть виды рака, которые плохо диагностируется, например, рак желудка или поджелудочной железы. В случае такой болезни организм начинает вырабатывать альфа-фетопротеин. Естественно, он появляется в крови, и его можно зарегистрировать с помощью нашего прибора даже при очень низких концентрациях. Это хороший способ диагностики подобных заболеваний на ранней стадии.

Ещё один пример — вирус гепатита Б, который тоже вызывает появление антигенов, и с ними тоже есть гигантский ответ. Правда, эксперименты с такими белками ведём не мы, а наши коллеги из Института биомедицинской химии РАМН в Москве. Используется наш кремниевый чип, только многопроволочный.

На каждую нанопроволку микророботом наносится своё антитело, и прибор «срабатывает» от микролитра жидкости, то есть меньше чем от капли крови, если в нём есть соответствующие нанесённым антителам антигены. Биологам это нравится! В принципе, такой сенсор можно встроить, например, в сотовый телефон, и он, например, по потовым испарениям определит наличие инфаркта миокарда.

Ещё одно важное применение — расшифровка протеомачеловека.

Сначала считалось, что расшифровка генома даст ключ к болезням человека, но потом выяснилось, что организм функционирует гораздо сложнее. У человека примерно 40 тысяч генов и 4 миллиона белков, гены вырабатывают белки, и именно взаимодействие белков определяет, здоров человек или нет.

То есть теперь надо ещё и белки изучать. Есть белки с очень высокими концентрациями, а есть с очень низкими, 10 -16Моль/л, например, и это даже меньше, чем чувствительность нашего прибора сегодня, но мы работаем и надеемся, что и до этих белков тоже сможем добраться. Так что регулировать жизнедеятельность организма с помощью кремниевых транзисторных систем — это уже реальность. И кремний остается хорошим материалом, на котором можно сделать много полезных для человека вещей.

- Приблизился ли кто-то больше других к созданию квантового компьютера?

- Группы Йорга Враштруба из университета Штутгарда и Михаила Лукина из Гарвардского университета наиболее продвинулись в твердотельном варианте. Отдельные квантовые операции они демонстрируют уже при комнатной температуре. Конкуренция очень большая, поэтому к квантовому компьютеру на основе кремния я отношусь с большим скептицизмом, так как, несмотря на хорошие технологии на кремнии, достоинства широкозонных материалов типа алмаза или карбида кремния существенно выше. Плюсом является и то, что они работают при комнатной температуре, не надо городить большой рефрижератор для криогенных температур.

- Но с другой стороны — цена.

- Да, но я не думаю, что сейчас есть необходимость в большом количестве квантовых компьютеров, если на каждого человека уже приходится 10 миллиардов кремниевых полевых транзисторов. Ими можно распорядиться грамотно, такого количества транзисторов, например, достаточно для того, чтобы создать эмулятор человеческого мозга.

Говорить о том, что такой компьютер обладал бы разумом, наверное, неаккуратно, но то, что он способен принимать решения по тем же принципам, по которым это делает человеческий мозг, вполне корректно. В этом направлении работают. Существует определенный класс задач, где действительно без квантовых вычислений не обойтись.

Там такие вещи нужны и востребованы, а всё остальное будет, скорее всего, на основе кремния. То, что IBM очень успешно продвигается, это видно. Есть «злой» теоретик Масимо Фишети из Италии, он утверждает, что все новые разработки транзисторов нужны только для того, чтобы получать деньги от инвесторов, и что на самом деле для решения задач, которые сейчас стоят перед человеком, можно обойтись кремниевой технологией. Но это крайняя точка зрения. Ясно, что прогресс нельзя остановить, и что человек в конце концов найдёт какие-то новые решения. Будет ли это квантовый компьютер на алмазе, или на чем-то другом, пока неясно.