Иван Сапрыкин
Сверхчувствительный чип на микротрубках для определения фентанила. Фото Physorg
Мы уже привыкли, что буква «е» перед словами означает сегодня нечто, связанное с электроникой. Но пока еще она непривычна перед словом «кубит», означающим квантовый – в отличие от электронного – бит информации.
Основатель американской компании по производству чипов Intel Гордон Мур еще в 60-е годы прошлого века предрек удвоение этих самых битов каждые год-полтора. И теперь специалисты Intel, похоже, сделали очередной шаг в направлении создания квантовых компьютеров. Это не стало бы сенсацией, если бы не пояснение: речь идет о квантовых чипах, производимых с помощью стандартной кремниевой технологии, используемой с разным успехом во всем мире.
Речь идет об индустрии производства CMOS (Complement Metal-Oxide Silicon), или обычных металл-оксидных чипов на подложке из диоксида кремния (SiO2). В этом процессе сегодня широко используются соединение кремния с германием (SiGe) и стандартные вафельные (wafer) диски диаметром 300 мм (на сегодня самый большой диаметр).
Преимущество нового подхода – использование силиконовых спиновых кубитов. Можно напомнить, что спин, или угловой момент, представляет собой квантовое свойство, присущее вращению («спиннингу») электрона вокруг своей оси. Ось вращения может быть направлена вверх или вниз, что избавляет квантовых электронщиков от необходимости управлять электронными потоками. Использование электронных спинов получило название «спинтроника», и она имеет много преимуществ перед известной всем электроникой.
Уже первые электротехники столкнулись с проблемой взаимодействия движущихся электронов с элементами среды. Это ведет к выделению больших количеств тепла и потерям электрической энергии. Естественно, что даже при комнатной температуре ни о каких квантовых эффектах говорить не приходится. Вот почему создание квантовых компьютеров сталкивается с необходимостью глубокого – до нескольких долей градуса Кельвина – охлаждения.
В данном случае создатели квантового транзистора использовали классическую его компоновку и «заморозку» до 1,6 К (напомним, абсолютный ноль температур по Кельвину означает 273 градуса ниже нуля по Цельсию). Задача – набрать большую базу данных и результатов измерений. Речь идет об эмиттере и коллекторе, ток между которыми в обычном транзисторе проходит через базу, или «ворота» (gate).
Особенность последних – использование плунжерной базы (от plunger – «поступательное ныряние и выныривание»), или своеобразного плунжерного «насоса»-помпы, аналогичной по принципу действия применяемой на флоте. В словарях объясняется, что плунжер представляет собой длинный поршень, длина которого намного больше его диаметра.
Особенностью квантового «транзистора» является то, что он на самом деле представляет собой квантовую точку, испускающую электрон или фотон в полном соответствии с так называемыми боровскими скачками. Датчанин Нильс Бор предположил, что электрон в своем вращении не может «упасть» на ядро, но после получения кванта энергии поднимается на более высокий уровень, где пребывает весьма недолго, после чего рекомбинирует и возвращается на свой исходный (ground) уровень. При этом он испускает световой фотон.
База нового квантового транзистора представляет собой плунжерный «насос», поступательные движения которого «отсасывают» электрон за электроном, пока не останется последний из них. При этом оценивается не его электрический заряд, а состояние спина. В результате спиновые кубиты имеют привычную транзисторную структуру со своими уникальными свойствами. Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, отмечают, что им удалось проанализировать случайную (рандомизированную) вариабельность перепадов напряжения одиночных электронов и определить операционную точку спиновых кубитов.
Пока же вниманию заинтересованных лиц, силовых ведомств и медицинских властей представлен классический чип, использующий золотые наночастицы (AuNp) и углеродные нанотрубки (SWCNT – Single-Wall Carbon NanoTubes). С помощью стандартных полевых транзисторов на основе нанотрубок, «декорированных» AuNp, удалось провести линейно-дискриминантый анализ (LDA). Так, по оценке авторов работы, точность определения синтетического фентанила достигала 91,2%. Новый транзисторный сенсор имеет чувствительность около 10–15 Моль/л. Для сравнения: имеющиеся сегодня транзисторные сенсоры по этому показателю достигают лишь 10–9 Моль/л.