СПОТКНУТСЯ ЛИ ФИЗИКИ,
или
Неизбежность квантового компьютера
Галина Шпак, "НВС".
Четвертая Российская конференция по физике полупроводников
проходила под флагом юбилея Российской академии наук. Возможно,
поэтому "Полупроводники-99" получили финансовую поддержку.
Организаторы конференции выразили благодарность Министерству
науки и технологии РФ, РФФИ, Президиуму РАН, Научному Совету
программы "Физика твердотельных наноструктур", Международному
центру фундаментальной физики в Москве. Перечень этих организаций
вынесен на титульную страницу книжки программы конференции.
Именно -- книжки -- на два печатных листа -- настолько велико
было количество докладов.
Конференция проводилась в Сосновке, полюбившейся многим
организаторам крупных научных конференций (на полном пансионе,
уютно и недорого).
Первое, пленарное заседание, открыл член-корреспондент РАН
Владислав Борисович Тимофеев -- председатель Научного совета по
физике полупроводников РАН.
И первый доклад "Поверхность и границы раздела полупроводников:
структура и электронные свойства", с которым выступил доктор
физико-математических наук А.Асеев (директор ИФП СО РАН), отразил
основные результаты института по исследованию структуры и
электронных свойств поверхности и границ раздела полупроводников.
Отмечалось, что основополагающие принципы данных работ, состоящие
в требовании химической и структурной определенности объектов
исследования, были сформулированы основателем Института физики
полупроводников академиком А.Ржановым в его известной монографии
"Электронные процессы на поверхности полупроводников". Институту
принадлежит первенство в решении сложнейшей проблемы управления
плотностью поверхностных состояний границ раздела
полупроводник-диэлектрик. Сделанное "на кончике пера"
предположение о непрерывности спектра поверхностных состояний
нашло в последующем убедительное подтверждение при изучении
атомной структуры границ раздела методом электронной микроскопии
высокого разрешения.
...На третий день работы конференции меня познакомили с
"полярными" физиками.
Владислав Борисович Тимофеев представлял Москву. Он, кроме всего
прочего, -- главный научный сотрудник Института физики твердого
тела РАН, занимается оптической спектроскопией полупроводников.
Член-корреспондент РАН Виктор Григорьевич Лифшиц -- из
Владивостока. Он руководит научно-технологическим центром
полупроводниковой микроэлектроники (при Институте автоматики и
процессов управления ДВО РАН), декан физико-технического
факультета, заведующий кафедрой физики и технологии материалов
полупроводниковой микроэлектроники Дальневосточного
государственного университета. Вот и получилось -- "от Москвы до
самых до окраин...". И все о полупроводниках.
Разумеется, мне не терпелось спросить, как физики "дошли до
точки". Точка -- основное понятие не только в геометрии, но
соответственно -- в механике, физике... Объект, не имеющий ни
одного измерения... Воображаемое тело бесконечно малых
размеров... Но квантовую точку телом никак не назовешь... Где же
точка опоры для физиков, которые предлагают идеи создания
квантового компьютера?
|
|
В кулуарах конференции. В центре -- член-корреспондент РАН
В.Тимофеев
|
Но коль скоро мой "западный" собеседник В.Тимофеев возглавляет
Научный совет Академии по физике полупроводников и Программный
комитет конференции, -- он задал тон в разговоре, и сказал, что в
системе цивилизационных ценностей полупроводники занимают не
последнее место. Я напомнила о Нобелевской премии по физике за
1998 год, которая была присуждена трем американским физикам --
"За открытие новой формы квантовой жидкости с дробнозаряженными
возбуждениями" (формулировка Нобелевского комитета; предлагаю
всем заинтересованным познакомиться, кто не читал, с блестящей
статьей доктора физико-математических наук З.Д.Квона, заведующего
лабораторией ИФП СО РАН --
"Нобелевская премия как зеркало
современной физики", опубликованной в "НВС",
N 41
за 1998 г.). В
свою очередь, В.Тимофеев назвал последние годы двадцатого
столетия юбилейными для физики полупроводников. В прошлом году
отмечался юбилей открытия транзистора, который перевернул мир и
открыл дорогу к информационному обществу.
-- И сорокалетие полупроводникового лазера, -- уточнил мой
собеседник. -- Эти два объекта -- полевой транзистор и
полупроводниковый лазер -- два кита, на которых построена вся
современная и, по-видимому, будущая информатика. Это компьютеры,
оптоэлектроника, это обработка и транспорт информации. И
естественно, полупроводниками занят весь научный мир.
-- Владислав Борисович, какое же место отведено отечественной
науке?
-- Я бы сказал, -- вполне достойное и приличное. В области физики
полупроводников работает целый ряд академических учреждений. В
Сибирском отделении -- Институт физики полупроводников. И не
случайно, что здесь проводится столь престижная конференция. В
институте большие достижения, реальные, признанные не только в
нашей стране. Назову и такие физические центры, как
Физико-технический институт имени Иоффе в Санкт-Петербурге,
Институт физики твердого тела в Черноголовке, московские
институты -- Радиотехники и электроники, Институт им. Лебедева
(ФИАН), МГУ, Физики металлов в Екатеринбурге, Институт физики
микроструктур в Нижнем Новгороде.
За последние годы, как известно, общая ситуация в науке
изменилась. Прямо скажем, -- к фундаментальной науке, подчеркиваю
-- фундаментальной, а не прикладной, -- очень заниженное
внимание, слабая финансовая поддержка. И все-таки сохраняются
основные научные школы, которые продолжают готовить научную
смену, выискивать молодые таланты, с тем, чтобы существовала
преемственность и непрерывность этого процесса. Процесс не
прерывается во многом благодаря научным контактам с зарубежными
партнерами. Как говорят, чтобы не происходило "утечки мозгов",
чтобы молодые ученые не сбегали за рубеж в поисках пристанища, --
мы и взаимодействуем с зарубежными партнерами, которые частично
финансируют лидирующие направления физики полупроводников.
-- Извините, институты, которые вы назвали, сами ищут себе
партнеров? Существует ли общая программа приоритетных работ в
большой Академии?
-- Конечно, в Российской академии, а также в Министерстве науки и
технологий существуют различные целевые программы, направленные
на поддержку наиболее приоритетных исследований. Например, эта,
новосибирская, конференция, ее участники получили поддержку
межотраслевой научно-технической программы, которая называется
"Физика твердотельных наноструктур". В рамках Академии давно
организован Российский фонд фундаментальных исследований...
-- Ну, это известно...
-- Но я подчеркиваю, что для поддержки на современном
научно-техническом уровне технологий, экспериментальных методик и
вообще научной и технологической деятельности выделяемых средств
далеко недостаточно. Поэтому-то и возникло партнерство.
Инициатива исходит подчас непосредственно от исследователей,
потому что научные связи существовали и раньше. А сейчас стали
более крепкими и надежными. Это позволяет и молодых
исследователей приобщать к широкому взгляду на проблему, на
научные задачи, которыми они занимаются. Они быстрее добиваются
новых результатов. Кстати, на Западе никогда не замыкались в
каких-то исключительно национальных программах. Что и у нас
сейчас происходит. И это хорошо. Плохо только то, что
государство, по-моему, недооценивает фундаментальную науку.
Говорят много, но результатов особенных не видно...
-- Конференция идет третий день, расскажите о наиболее интересных
работах, "пикантных", находящихся на пике внимания физиков -- о
квантовых точках, о квантовом компьютере.
-- Сегодня еще рано подводить итоги, впереди три дня... Могу
коротко рассказать о некоторых работах на примере Института
физики полупроводников. Здесь проводятся экстраклассные работы по
квантовой оптоэлектронной интерферометрии. В исследованиях
используется фундаментальный физический принцип -- электрон не
просто механическая частица. Она обладает волновыми свойствами.
Как и в обычном оптическом интерферометре, возникают
интерференционные эффекты, но связанные с волновыми свойствами
электрона. В частности, интересны работы З.Квона, о котором вы
упоминали. Но более любопытно, что реализовать эти эксперименты,
осуществить их можно благодаря изысканной полупроводниковой
нанотехнологии, созданной в стенах института. Иначе говоря, можно
вырастить изысканными методами молекулярно-пучковой (у нас
говорят "лучевой". -- прим. Г.Ш.) эпитаксии такие сложные
структуры. Используя технику, опять-таки изысканного
литографирования, сконструировать такой латеральный плоский
интерферометр, а затем с помощью электрометрических измерений
произвести соответствующее исследование этого эффекта! Такие
комплексные работы здесь проводятся. Мы следим за этими работами,
видим совершенство и структур, и самой измерительной техники,
видим новые интересные результаты. Новосибирцы известны и своими
фундаментальными работами, связанными с поверхностью, с границами
раздела полупроводника. Сибирские физики умеют делать
определенные структуры, границы которых имеют заданные свойства,
и более того -- умеют экспериментальными методиками
охарактеризовать на атомном уровне, как сконструирована
поверхность. Такими возможностями у нас в стране мало кто владеет
да и за рубежом, я думаю, не так много мест, где располагают
подобными техническими возможностями.
-- А ваши научные интересы? Сказать: "Занимается оптической
спектроскопией полупроводников" -- очень обще.
-- Мой интерес связан с использованием оптических методов в
изучении довольно любопытных полупроводниковых систем с
разделенными электрон-дырочными слоями. Дырки -- это те места,
откуда ушли электроны. Физики научились пространственно разделять
электроны и дырки и размещать их определенным образом. Такие
слоистые электрон-дырочные системы очень распространены, кстати,
в природе. Слоистые материалы демонстрируют совершенно
удивительные свойства. Это новый класс соединений. Открыватели
получили Нобелевскую премию лет десять назад.
-- А теперь поговорим о квантовом компьютере. В программе
конференции значится приглашенный доклад М.Фейгельмана на эту
тему. Как я узнала, он работает в Институте теоретической физики
имени Ландау, в Черноголовке.
-- Такая задача обсуждается. За последние десять лет -- мы это
видим, это происходит у нас на глазах -- как совершенствуются
свойства обычного персонального компьютера. Начинали мы с
каких-то "жалких" устройств с низкой тактовой частотой и
ограниченной памятью... Современный компьютер обладает тактовой
частотой в десятки гигагерц -- это колоссальная частота, -- а
память доходит до десятка гигабайт. Вот такое линейное движение,
если просто проэкстраполировать, -- казалось бы год от года будет
приводить к улучшению параметров компьютеров и что это будет
происходить бесконечно. Но уже в начале следующего тысячелетия,
примерно в 2005--2010 годах, мы споткнемся, поскольку улучшенные
параметры достигаются за счет миниатюризации, уменьшения размеров
элементов базового компьютера, в частности -- транзисторов: когда
создатели перейдут на масштабы, сопоставимые с атомными, либо
молекулярными, то здесь возникнет, так сказать, совсем другая
физика событий. Здесь возникнут шумы, возникнет интерференция
волновых функций различных атомных объектов...
-- Только из-за уменьшения размеров?
-- Да. Потому что мы приходим фактически к размеру, сопоставимому
с размерами обычных молекул, поэтому тривиальный, так скажем,
закон Ома, который работал в макроцепях, попросту будет
отказывать по причине волновых свойств электронов. Сейчас уже
формулируются новые принципы, которые позволят провести
логические операции, заложенные в обычных компьютерах, но совсем
на другой физической основе. Квантовый компьютер -- это пока
сформулированная идея о том, как эти логические операции на таком
квантово-механическом модуле можно осуществить. Реализованной
идеи -- действующего квантового компьютера -- нигде в мире нет.
Отрабатываются различные модели. Надо найти базовый элемент, как
знаменитый транзистор.
-- А может быть, это квантовая точка?!
-- Может быть, но это вопрос. Может, какой-то другой
двухуровневый или трехуровневый элемент, связанный квантовыми
точками, квантовыми ямами. Этот вопрос находится в стадии
детального, тщательного экспериментального исследования не только
у нас, но и за рубежом. Если вы спросите, а когда это чудо
произойдет, -- я затрудняюсь ответить, но, думаю, до реализации
идеи в конкретном устройстве -- достаточная дистанция.
-- Интересно, как будет выглядеть квантовый компьютер? Вот,
рядом, на столе, вижу обычную "персоналку"...
-- В конечном итоге это будет выглядеть, извините, в виде некоей
"кастрюли", стоящей на столе. Дисплей вряд ли изменится, но
вместо электроннолучевой трубки будут жидкие кристаллы -- экран
будет плоским, но это уже не сам квантовый компьютер, а
визуализация результатов его действия. Все остальное -- как
обычно -- некий ящик -- вещь в себе.
ВЗГЛЯД С ВОСТОКА
|
|
Профессор Ю.Трушин, профессор А.Двуреченский и
член-корреспондент РАН В.Лифшиц представляют соответственно
научные центры Санкт-Петербурка, Новосибирска и Владивостока
|
Виктор Григорьевич Лифщиц как раз занимается уменьшением размеров
полупроводниковых структур. Мне интересно было узнать его мнение,
тем более, что он присутствовал при разговоре с В.Тимофеевым.
-- Вы живете на Дальнем Востоке. Когда-то мы, я имею в виду
газетчиков, все-таки встречались -- Дальневосточное отделение
Академии входило в состав Сибирского отделения... Расскажите о
своей работе.
-- Если в общих чертах... дело в том, что в человеческом мозге --
десять в десятой степени нейронов. Если ты хочешь сделать память
машины, с близкими возможностями, тогда и полупроводниковых
приборов нужно в машину поместить не меньше, чем десять в десятой
штук. Поскольку по современной технологии размеры
полупроводниковых приборов, о чем говорил Тимофеев, -- это
микроны и доли микрона, а к 2015 году, как предсказывается, --
это будет 400 ангстрем -- такого размера будут затворы
полупроводникового прибора -- транзистора, -- то дальше,
действительно, вся современная технология перестанет работать. И
надо искать что-то новое. Именно это "что-то новое" лет двадцать
пять назад было предложено -- как получить высокую плотность
функциональных элементов полупроводниковых приборов -- десять в
десятой степени штук. Этот путь был предсказан Филиппом
Георгиевичем Старосом. Кстати, он в свое время бывал в
Новосибирске, в Институте физики полупроводников (к сожалению,
его уже нет в живых, умер в 1979 году). Напомню, во многом
благодаря его усилиям был создан Зеленоград -- крупнейший центр
микроэлектроники. Этот человек действительно многое сделал для
развития отечественной микроэлектроники. Филипп Георгиевич
эмигрировал из Соединенных Штатов Америки в Советский Союз.
-- Когда это было?
-- Это было после "дела Розенберга", с которым он был хорошо
знаком.
-- Что вы говорите!
-- Но это отдельная история. Старос работал в Министерстве
электронной промышленности в Москве, а затем переехал во
Владивосток. У него была идея сделать многослойную интегральную
схему с большим числом функциональных элементов. И мы взялись за
эту работу.
-- Вы с ним работали?
-- Я был у него в заместителях пять лет, вплоть до его кончины.
Что же это за идея? Можно, по-видимому, делать полупроводниковые
приборы толщиной в один атомный слой. Если, допустим, атомы
чужого материала нанести на поверхность кремния, то образуется
очень тонкий слой нового вещества. Оно может быть
полупроводником. Если расположить два таких полупроводника рядом
-- получится двумерный диод и так далее. Оказывается, можно
вырастить многослойные структуры с такими захороненными
приборами... Может быть, это и есть выход -- лет через
пятнадцать-двадцать появится нетрадиционная полупроводниковая
техника. Не "объемная", а из так называемого "поверхностного"
материала в один-два атома толщины. Сейчас науке о поверхности
уделяется особое внимание. Полистайте программу конференции --
очень много работ посвящено именно поверхностным процессам; очень
мелким объектам -- как раз с целью повышения интеграции элементов
и одновременно -- изменению их свойств. В нашей стране существует
несколько крупных центров, которые занимаются такими проблемами.
-- В том числе и ваш -- научно-технологический центр
полупроводниковой микроэлектроники?
-- В академическом Институте автоматики и процессов управления
ДВО РАН существует отдел, в который входит шесть лабораторий плюс
еще физико-технический факультет, где я -- декан и заведующий
кафедрой физики и технологии материалов полупроводниковой
микроэлектроники. На этом факультете студенты обучаются в
академическом институте, там же практику проходят. Прямо со
второго курса студенты работают с научным руководителем.
-- Виктор Григорьевич, есть ли у вас совместные работы с
Институтом физики полупроводников?
-- Они всегда были еще со времен, когда мы не разделились на
собственно Сибирское и Дальневосточное отделения. Недавно
председатель нашего отделения Георгий Борисович Еляков и ваш
председатель Николай Леонтьевич Добрецов договорились о
сотрудничестве между Отделениями. Такое Соглашение готовится с
обеих сторон по самым разным проблемам и в частности, -- по
физике поверхности. Мы такую договоренность готовим примерно по
десяти направлениям.
-- А что вы думаете о новом компьютере? Как бы вы продолжили
мысль Тимофеева?
-- Сложно продолжить... Ни Тимофеев, ни я и никто другой не может
предсказать, чем дело кончится. Все дело в том, на каком носителе
организовать систему, это раз, и как организовать ее -- это два.
Как обычно, новая проблема многими решается, а кто придет первым
-- не берусь предсказывать, тем более, я в этом деле отнюдь не
самый большой специалист.
-- Как вы оценили бы конференцию?
-- Она очень многопланова, была блестяще организована и вообще --
удалась! Отмечу также, что от Института физики полупроводников
представлен целый ряд весьма замечательных работ. И это
традиционно. Институт всегда интересно работал, Назову хотя бы
несколько имен. Это А.Асеев, А.Двуреченский, А.Латышев,
И.Неизвестный, Б.Ольшанецкий, О.Пчеляков, С.Репинский.
-- Все они работают в разных направлениях.
-- И все выдают высококачественный продукт. И знаете, почему это
происходит? Потому что в свое время блестяще организовал институт
академик Анатолий Васильевич Ржанов. В его бытность создана и
экспериментальная база для создания приборов, и аналитика, и
условия для внедрения новой техники в промышленность. И все это
было замечательно продумано, организовано и с толком сделано. И
даже теперь, несмотря на то, что финансирования почти нет,
институт продолжает работать. Во многом на старых запасах.
-- А новое -- это мысль?
-- Мысль, которая приходит мне в голову не новая, в вот какая.
Вообще-то работать можно из-за страха, из-за денег и из
удовольствия. Четвертого не дано. Страха нет, денег нет. Значит
все, кто здесь работает, работают лишь потому, что получают
удовольствие. Работать из удовольствия можно, занимаясь только
наукой. За инженерную работу, работу у станка надо платить. Вот
тут у нас все и останавливается. Наука хорошо работает. Все
остальное -- плохо. Поэтому трудно ждать каких-то скачков в
полупроводниковой технологии... Хотя научные результаты -- на
мировом уровне.
-- Но и за удовольствие надо платить, чтоб не искали его на
стороне.
-- Вы об "утечке мозгов"? На самом деле -- сильно преувеличенная
ситуация. Никакой утечки нет.
Вообще это задача "бассейна с двумя трубами" -- сколько втекает,
а столько утекает воды. Важно, чтоб втекало больше. Надо работать
с молодежью. А когда молодые специалисты уезжают, надо сделать
так, чтобы они расставались с институтом на короткое время --
полгода, год. Подзаработают на стороне, наберутся опыта и снова
-- домой. Ведь им предстоит других готовить к выходу в мир. Мы на
таких принципах работаем. И в Институте физики полупроводников
примерно так же. Так что, с этим все нормально.
Фото В.Яковлева.
стр.
|
