Нова квантова технологія дозволить відмовитися від ключової деталі електроніки

Якими можуть бути технології майбутнього?

Протягом десятиліть транзистор був фундаментом обчислювальної техніки. Його робота базується на управлінні напругою: він або дозволяє струму текти (стан 1), або блокує його (стан 0). Проте зі збільшенням кількості транзисторів на кристалі та зростанням їхньої швидкості виникає критична проблема надлишкового тепла. Кожне перемикання генерує енергію, і чим вища частота роботи, тим швидше пристрій нагрівається, що зрештою призводить до деградації матеріалів, пише Gizmodo.

Наукова група з Токійського університету у співпраці з інститутом RIKEN та Осакським університетом опублікувала в журналі Science результати дослідження, яке пропонує вихід із цього глухого кута. Замість того, щоб покладатися на потік електричного заряду, вчені використали квантову властивість електронів – спін. Спін можна уявити як обертання частинки навколо своєї осі, яке може мати два напрямки, що ідеально підходить для кодування бінарних даних.

Центральним елементом нової технології став топологічний антиферомагнетик Mn₃Sn. Цей матеріал унікальний тим, що попри майже нульову загальну намагніченість, він демонструє сильний аномальний ефект Холла при кімнатній температурі, що дозволяє легко зчитувати його магнітний стан.

Цей механізм дозволив досягти значного зниження тепловиділення та високої довговічності одночасно,
– прокоментували у звіті дослідники.

Ключовою перевагою нової технології є неймовірна швидкість. Перемикання стану квантового елемента займає лише 40 пікосекунд. Для порівняння: сучасні найшвидші центральні та графічні процесори працюють у наносекундному діапазоні, що у тисячу разів повільніше за новий показник.

При цьому процес відбувається за допомогою спін-орбітального моменту (SOT), що не потребує сильного нагріву матеріалу для зміни стану.

Це єдиний метод, який дозволяє досягти пікосекундного перемикання, недоступного для традиційних механізмів,
– зазначають автори.

Енергоефективність нової розробки також вражає. Енергія, необхідна для обробки одного біта інформації, становить приблизно 1 фемтоджоуль. Це на порядки менше, ніж у сучасних напівпровідникових системах. Крім того, технологія є енергонезалежною: дані зберігаються навіть після вимкнення живлення, оскільки електрони зберігають свій спіновий стан.

Дослідники також продемонстрували можливість інтеграції цієї технології з оптичними системами. Використовуючи лазери та надшвидкісні фотодетектори, вони змогли генерувати імпульси струму тривалістю 60 пікосекунд для керування станом пристрою, йдеться в самому тексті дослідження, яке переклав 24 Канал. Це відкриває шлях до створення так званої спінтроніки з фотоелектричним з'єднанням, що може радикально знизити споживання енергії центрами обробки даних.

Проблема "стіни пам'яті", коли швидкість обміну даними між процесором і пам'яттю стає пляшковим горлом для всієї системи, також може бути вирішена за допомогою цих пристроїв. Завдяки високій стійкості до зносу – елементи витримали понад 100 мільярдів циклів перемикання без пошкоджень – нова технологія може стати базою для обчислень безпосередньо в пам'яті.

Подальша оптимізація та реалізація пікосекундної роботи без зовнішніх магнітних полів дозволить застосувати ці технології в енергозберігаючих системах обробки інформації нового покоління,
– підсумував керівник дослідження, професор Токійського університету Сатору Накацудзі.

На жаль, поки що невідомо, коли нова технологія може вийти на ринок. Як помітив 24 Канал, учені взагалі не говорять про це у своїх оголошеннях. Імовірно, пройдуть ще роки перш ніж ми побачимо щось подібне, адже навіть самі транзистори з'явилися в електроніці не відразу.

Вам також буде цікаво дізнатися: що ми знаємо про транзистори, які можуть зникнути через це відкриття

Історія транзистора почалася задовго до його офіційного винайдення. Ще у 1920-х роках фізики припускали, що напівпровідники можуть замінити громіздкі вакуумні лампи, які тоді використовувалися в радіо, телефонії та перших електронних машинах. Проблема полягала в тому, що наука ще недостатньо добре розуміла поведінку електронів усередині напівпровідникових матеріалів. Лише після Другої світової війни дослідження різко прискорилися, коли в американській лабораторії Bell Labs почали активно шукати заміну ненадійним і енергозатратним електронним лампам, пише Encyclopedia Britannica.

У грудні 1947 року фізики Джон Бардін, Волтер Браттейн та Вільям Шоклі створили перший працездатний транзистор. Це був так званий point-contact transistor – маленький напівпровідниковий пристрій на основі германію, здатний підсилювати сигнал. Сам термін "transistor" з'явився трохи пізніше як поєднання слів "transfer" і "resistor". У 1956 році винахідники отримали Нобелівську премію з фізики.

Транзистор став справжнім переломним моментом в історії технологій, як проаналізував 24 Канал. До його появи електроніка була величезною, дорогою та ненадійною. Наприклад, ранні комп'ютери займали цілі кімнати, споживали колосальну кількість електроенергії та постійно перегрівалися через вакуумні лампи. Транзистори виявилися маленькими, дешевими, довговічними та значно ефективнішими. Уже в 1950-х роках вони почали масово витісняти лампи з радіоприймачів, телефонних систем і комп'ютерів. У 1954 році з'явилося перше транзисторне радіо, а далі почалася стрімка мініатюризація електроніки.

Саме транзистори зробили можливими сучасні комп'ютери, смартфони, інтернет, супутники, цифрові камери, центри обробки даних і штучний інтелект. Сучасний процесор містить уже не тисячі, а десятки мільярдів транзисторів. Фактично вся цифрова цивілізація працює на принципах, закладених ще в середині XX століття.

Як квантові технології можуть змінити і покращити наші технології?

Квантові технології сьогодні часто порівнюють із ранньою ерою транзисторів. Вони теж базуються на фундаментальній фізиці, яку дуже складно реалізувати на практиці, але потенційно можуть радикально змінити технологічний світ. Головна відмінність полягає в тому, що класичні комп'ютери працюють із бітами – тобто нулями та одиницями, тоді як квантові системи використовують кубіти, які можуть перебувати в суперпозиції станів одночасно. Це відкриває можливість паралельної обробки величезної кількості варіантів, йдеться в дослідженні на arXiv.

Квантові технології можуть вплинути на кілька критично важливих сфер:

• Насамперед це квантові комп'ютери. Вони особливо перспективні для задач, де класичні системи стикаються з нездоланною перепоною – моделювання молекул, пошук нових ліків, оптимізація логістики, фінансові моделі, криптографія та просунуте матеріалознавство. Саме тому великі технологічні компанії, зокрема Google, IBM та Microsoft, активно інвестують у цю сферу.
• Окремий напрям – квантовий зв'язок. Його головна перевага полягає у потенційно надзвичайно високому рівні захисту даних. Квантове шифрування теоретично дозволяє виявляти сам факт перехоплення інформації. Це може змінити банківську сферу, військовий зв'язок і кібербезпеку.
• Ще одна перспективна сфера – квантові сенсори. Вони можуть значно перевершити сучасні GPS-системи, радари та медичні прилади за точністю. Квантові датчики вже тестують для навігації без супутників, пошуку корисних копалин і навіть виявлення підземних об'єктів.

Скільки часу зазвичай проходить від технологічного відкриття до його практичного застосування і чому це може бути дуже довго?

Проте між науковим проривом і появою масового продукту зазвичай проходить дуже багато часу. У випадку транзистора перші ідеї з'явилися ще в 1920-х роках, перший працездатний пристрій створили у 1947 році, а масове домінування транзисторів почалося лише в 1960-х роках. Аналогічна ситуація спостерігається і з квантовими технологіями.

Причин цього кілька.

• По-перше, фундаментальне відкриття ще не означає наявність готової інженерної технології. Вчені можуть довести, що певний фізичний ефект існує, але перетворити його на стабільний, дешевий і масовий продукт – окреме завдання.
• По-друге, потрібна величезна інфраструктура: нові матеріали, фабрики, виробничі процеси, стандарти та програмне забезпечення.
• По-третє, технології часто залишаються надто дорогими на ранньому етапі. Перші комп'ютери коштували мільйони доларів і були доступні лише державам та великим корпораціям. Квантові комп'ютери зараз перебувають приблизно в такій самій фазі – вони потребують складних систем охолодження та спеціальних лабораторних умов.

Також важливий фактор – надійність. Багато революційних технологій роками "сирі" та нестабільні. Інженерам потрібно навчитися робити їх достатньо надійними для повсякденного використання. Саме тому від відкриття до масового ринку може проходити 10 – 30 років, а іноді навіть більше, підсумовує 24 Канал. Історія транзистора добре демонструє, що найважливіші технологічні революції часто починаються з маленьких лабораторних експериментів, які спочатку здаються вузькоспеціалізованими й малозрозумілими для більшості людей.