|
Реферат: Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения эпитаксиальных пленок (Технология)
Московский Государственный
Технический Университет им. Н. Э. Баумана
Калужский филиал
КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Курсовая работа
по курсу:” Технология материалов электронной техники”
ТЕМА: ” Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения
эпитаксиальных пленок.”
Выполнил: Тимофеев
А. Ю.
Группа: ФТМ-71
Проверил: Кунакин Ю.
И.
г. Калуга
1996 год
Содержание
Введение. 3
Электрофизические свойства объемного арсенида индия. 3
. Зонная структура арсенида индия. 3
. Оптические свойства арсенида индия. 4
. Подвижность в арсениде индия. 5
Методы глубокой очистки индия и мышьяка. 6
. Методы глубокой очистки индия. 6
. Методы получения мышьяка и его соединений высокой
степени чистоты. 7
Эпитаксиальное наращивание арсенида индия
из газовой фазы. 7
. Система In-AsCl3-H2 . 8
. Система In-HCl-AsH3-H2. 9
. Система InAs-SiCl4-H2. 10
. Пиролиз МОС. 11
Жидкофазная эпитаксия арсенида индия. 12
Молекулярно лучевая эпитаксия арсенида индия. 13
Заключение. 14
Список использованной литературы. 16
Введение.
Эпитаксиальный арсенид индия - перспективный материал электронной техники.
Высокая подвижность электронов в арсениде индия прямозонная структура
позволяют использовать его для изготовления высокоэффективных электронных и
оптоэлектронных приборов, в частности быстродействующих транзисторов и
интегральных схем, фотоприемных детекторов ИК - диапазона, инжекционных
лазеров с длиной волны (3,5 мкм.
Однако широкое использование тонкопленочных структур арсенида индия
сдерживается отсутствием полуизолирующих подложек в связи с малой шириной
запрещенной зоны арсенида индия. Следует также отметить недостаточную
механическую прочность материала. Указанные проблемы могут быть преодолены,
по крайней мере частично, при гетероэпитаксиальном выращивании арсенида
индия. В этом случае, как правило, эпитаксию проводят на подложках арсенида
галлия с ориентацией поверхности (001).
Значительное рассогласование параметров решеток арсенида индия и арсенида
галлия 7.4% приводит при получении гетероэпитаксиальных пленок арсенида
индия и арсенида галлия методами газотранспортной и жидкофазной эпитаксии к
формированию переходного слоя значительной толщины и к большей плотности
морфологических и структурных дефектов. Это обусловлено ограничениями как
физического характера, присущим данным эпитаксиальным технологиям, так и
ограничениям, связанными с “ненаблюдаемостью” процесса роста.
Электрофизические свойства объемного арсенида индия.
Зонная структура арсенида индия.
Зона проводимости.
Арсенид индия является прямозонным полупроводником, у которого зона
проводимости сферически симметрична и минимум ее находится в центре зоны
Бриллюэна. Вблизи минимума кривизна зоны велика, вследствие чего
эффективная масса электрона очень мала и равна me(0.026 m0.
Зона проводимости имеет не-параболичную форму, кривизна ее уменьшается с
увеличением энергии. Экспериментальные результаты подтверждают
непараболичность зоны проводимости. Измерение эффективной массы на
поверхности уровня Ферми, приведенное для образцов с различной
концентрацией электронов, показало увеличение эффективной массы с ростом n-
кол-личеством носителей заряда (рис.1).
[pic]
Рис.1. Зависимость эффективной массы электрона от концентрации электронов.
Валентная зона.
Расчеты зоной структуры валентной зоны показали, что зона тяжелых дырок
состоит из двух подзон, сдвинутых относительно точки [pic]=0 в направлении
[111] на величину 0.008 а-1б .
В максимумах энергии не более чем на 0.006 эВ превышает энергию,
соответствующую центру зоны Бриллюэна. Зона легких дырок вырождена с зоной
тяжелых дырок при [pic]=0. Имеется также третья зона, положение которой
обусловлено спин-орбитальным взаимодействием. Величина эффективных масс и
некоторые характеристики зонной структуры приведены ниже:
Ширина запрещенной зоны Eg=0.35 эВ (300 К)
Температурная зависимость Eg=(0.44-2.8(10-4T)эВ
Эффективная масса электрона me*=0.026 m0
Эффективная масса тяжелой дырки mp*=0.41 m0
Эффективная масса легкой дырки mi*=0.025 m0
Эффективная масса дырки в зоне
спин-орбитального расщепления mj*=0.083 m0
Энергия спин-орбитального расщепления (Eg=0.43 эВ.
Оптические свойства арсенида индия.
Наибольший практический интерес представляет спектральный диапазон в близи
края собственного поглощения. Именно в этой области длин волн (3-5 мкм)
работают фотоприемники, изготовленные из эпитаксиальных структур арсенида
индия.
Поглощение света в толстом полупроводника может быть описано выражением
I=I0(1-k)(exp(-(X), (1)
где I0 - интенсивность падающего излучения, k - коэффициент отражения, ( -
коэффициент поглощения, X - координата.
Величина коэффициента отражения в близи края собственного поглощения не
превышает 30-40% и может быть оценена из выражения
[pic] (2)
где n - показатель преломления.
. В полупроводниках, как правило, одновременно работает несколько
механизмов поглощения света. Основные из них:
. собственное или фундаментальное поглощение;
. эксионное;
. поглощение свободными носителями;
. решетчатое;
. внутризонное.
Полный коэффициент поглощения в случае одновременного участия нескольких
механизмов поглощения равен:
[pic]. (3)
В указанном диапазоне длин волн 3-5 мкм и обычно используемой области
температур 77-300 К работает в основном два механизма: собственное
поглощение и поглощение на свободных носителях. В области собственного
поглощения прямозонная структура арсенида индия обуславливает резкую
зависимость коэффициента поглощения от энергии:
[pic],
[pic] (4)
где e - заряд электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света. В
арсениде индия n-типа величина Еg=0.35 эВ при Т=300 К, а показатель степени
в выражении для (=0.85 n=1, в материале р-типа Еg=0.36 эВ, а n=0.5.
В легированных образцах за счет малой эффективной массы электронов с
увеличением концентрации носителей происходит быстрое заполнение зоны
проводимости электронами, в следствии чего уровень Ферми находится выше дна
зоны проводимости на величину энергии (En. В этом случае коэффициент
поглощения описывается выражением
[pic] (5)
т.е. происходит сдвиг края поглощения в сторону больших энергий.
Поглощение на свободных носителях в области длин волн, превышающих 3 мкм,
хотя слабее, чем собственное, тем не менее может играть значительную роль в
сильно легированных образцах. В этом случае ( описывается выражением
[pic] (6)
где n - показатель преломления, ( - проводимость, ( - длина волны, [pic]
Оценки показывают, что при (=3 мкм и n=1018 см-3 в пластине арсенида индия
толщиной 400 мкм поглотится около 80% светового потока.
Подвижность в арсениде индия.
Подвижность носителей заряда в кристаллах арсенида индия ограничивается
несколькими механизмами рассеивания:
. рассеянием на оптических и акустических фононах;
. на ионных примесях;
. на нейтральных примесях:
. на дефектах кристаллической решетки (дислокациях):
. на носителях заряда.
В приближении времени релаксации ( подвижность вычисляется по формуле
[pic] (7)
где ( - вычисляется для каждого механизма рассеивания отдельно.
В монокристаллических объемных образцах арсенида индия достигнуты следующие
значения подвижности:
n-тип, (=30000 см2/Вс(300К),
р-тип, (=450 см2/Вс(300К).
Сростом концентрацией примесей подвижность падает.
Методы глубокой очистки индия и мышьяка.
Для получения монокристаллов арсенида индия с высокими и стабильными
электрофизическими параметрами необходимо использовать высокочистые
исходные материалы.
Арсенид индия с трудом поддается очистке кристаллизационными методами в
следствие высокого давления диссоциации при температуре плавления, высокой
химической активности индия и мышьяка при температуре выращивания и близких
к единице значений коэффициентов распределения основных примесей в исходных
элементах, таких как сера, селен, цинк и др., а также из-за загрязнением
кремнием из кварца при высокой температуре.
Методы глубокой очистки индия.
В индии предназначенном для синтеза полупроводниковых соединений,
лимитирующими являются следующие примеси: алюминий, медь, магний, кремний,
серебро, кальций, серебро и сера.
Применяемые методы очистки индия можно разделить на химические и
физические. Методы первой группы - субхлоридный, экстракционный,
электролитический и перекристаллизация солей из растворов. Химические
методы требуют наличия сверхчистых вспомогательных материалов кислот,
щелочей, органических растворителей. Методы второй группы (физические) -
термообработка, ректификация, вытягивание из расплава и зонная плавка -
включают воздействие на индий каких-либо вспомогательных химических
реактивов.
При применении для приготовлении электролита особо чистого натрия
электролитическое рафинирование индия позволяет получить индий чистотой
99,9999% (выход по току 90%).
Субхлоридный метод получения индия высокой чистоты позволяет получать
индий чистотой 99,9999%.
Для успешного осуществления метода вакуумной термообработки необходимо
выполнения следующих условий:
. материал контейнера должен быть достаточно чистым и не взаимодействовать
с расплавленном индием;
. термообработка должна проводится в условиях высокого вакуума (10-6 мм
рт.ст.) и в остаточной атмосфере, не содержащей углеводородов.
Термообработка индия проводится в интервале температур 500-900ОС. Верхний
предел температурного интервала ограничивается взаимодействием
расплавленного индия с кварцем и значительным увеличение упругости пара
индия.
Вакуумная термообработка позволяет получить индий чистотой 99,9999%.
Зонная плавка электрически рафинированного индия позволяет осуществлять
дальнейшую очистку его от примесей.
При вытягивании кристаллов индия по методу Чохральского эффективная очистка
происходит при выращивании кристаллов с большими скоростями вращения
затравки (60-100 об/мин) и скоростью роста 2см/ч. Чистота индия выращенного
по методу Чохральского, выше 99,9999%. Применение только одного способа
очистки индия может оказаться недостаточным, и возможно потребуется
сочетание различных способов (физических и химических).
Методы получения мышьяка и его соединений высокой степени чистоты.
Общее содержание примесей в мышьяке используемом для синтеза арсенида
индия, не должно превышать 1(10-5%, суммарное содержание селена и теллура
должно быть < 1(10-6% каждого в отдельности.
Наиболее перспективными технологиями очистки мышьяка являются хлоридная и
гидридная с получением промежуточных высоко чистых продуктов треххлористого
мышьяка или гидрида мышьяка. Хлоридная схема получения чистого мышьяка
включает:
. хлорирование металлического мышьяка хлором или взаимодействие трехокиси
мышьяка с соляной кислотой;
. очистку трихлорида мышьяка ректификацией;
. восстановление очищенного трихлорида мышьяка водородом до компактного
металлического мышьяка.
Перед ректификацией треххлорида мышьяка проводят сорбционную очистку.
Для получения особо чистых гидрида мышьяка и элементарного мышьяка
используется гидридная схема. Гидридная технология мышьяка имеет ряд
преимуществ:
. содержание мышьяка в гидриде выше, чем в любом другом соединении;
. разложение гидрида мышьяка происходит при невысоких температурах и
отсутствует необходимость в восстановлении;
. гидриды имеют малую реакционную способность по отношению к
конструкционным материалам при температурах синтеза и очистки.
Недостатками гидрида мышьяка являются высокая токсичность и
взрывоопасность.
Гидридная технология очистки мышьяка состоит из следующих этапов:
. синтез арсенида металла II группы;
. гидролиз арсенида с получением арсина;
. очистка арсина сорбцией;
. вымораживание и ректификация;
. разложение арсина до металлического мышьяка.
Мышьяк, полученный по приведенным схемам, с успехом используется для
синтеза арсенида индия. Кроме того, треххлористый мышьяк находит широкое
применение для нарашивания эпитаксиальных слоев арсенида индия.
Эпитаксиальное наращивание арсенида индия из газовой фазы.
Газотранспортные процессы, в основе которых лежат обратимые химические
реакции, широко применяются для получения эпитаксиальных структур
полупроводниковых соединений А3В5. Основными достоинствами процесса
получения эпитаксиальных слоев арсенида индия из газовой фазы в проточной
системе являются:
. простота конструктивного оформления процесса;
. низкое пересыщение вещества над растущим кристаллом;
. сравнительно невысокие температуры кристаллизации, возможность
предотвращения загрязнения материалом контейнера;
. возможность управления процессом роста изменением скорости потока и
концентрации транспортирующего агента;
. широкие возможности легирования слоев различными примесями;
. возможность автоматизации процесса;
. осуществление непрерывного процесса;
. возможность получение многослойных структур и заданной морфологии.
Суммарные реакции, наиболее часто используемых для осаждения эпитаксиальных
слоев арсенида индия и переноса компонентов, в общем виде мощно представить
следующим образом:
4InГ3+As4+6H2(4InAs+12HГ; (8)
3As+2InГ3+3/2H2(3AsГ+2In+3HГ, (9)
3AsГ+2In(2InAs+AsГ3; (10)
In+As(InAs; (11)
2InAs+3Г2(InГ3+As2; (12)
2InAs+H2O(In2O+As2+H2; (13)
где Г - галоген. Арсенид индия в виде эпитаксиальных слоев получают
методами транспортных реакций либо синтезом из элементов, либо
пересублимацией соединения. Для переноса чаще всего используют галоиды
(трихлориды элементов III и V групп, хлористый водород) и воду. Галоидные
системы (хлоридные, йодидные) имеют преимущества перед системой H2O-H,
поскольку хлор и йод являются нейтральными примесями для арсенида индия.
Система In-AsCl3-H2 .
Достоинствами системы можно считать:
. малое число исходных компонентов в системе;
. устранение предварительного получения InAs, используемого в качестве
источника;
. возможность глубокой очистки AsCl3 ректификацией;
получение хлористого водорода и мышьяка высокой степени чистоты
восстановлением AsCl3 водородом.
Схема установки для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида индия с
использованием системы In-AsCl3-H2 представлена на рис.2.
Рис. 2. Схема установки для получения эпитаксиальных пленок InAs в системе
In-AsCl3-H2:
1- зона мышьяка; 2-лодочка с индием; 3-держатель с подложкой; 4-выход
водорода с продуктами реакций; 5-вход чистого водорода; 6-барботер с AsCl3.
Реактор имеет три зоны нагрева, причем печь сконструирована таким образом,
что источник индия можно наблюдать во время процесса.
Водород барботирует через испаритель с хлористым мышьяком при температуре
20ОС, и смесь AsCl3+H2 поступает в печь.
В зоне 1 печи протекает реакция :
2AsCl3+3H2 ( 6HCl+1/2As4. (14)
В зане 2 пары мышьяка взаимодействуют с индием. Смесь газов поступает в
зону источника индия и проходят реакции:
2In+2HCl ( InCl+H2; (15)
In+As4 ( 4InAs. (16)
Взаимодействие источника индия с газовой смесью происходит до насыщения
индия мышьяком. Когда индий полностью насыщается мышьяком, на поверхности
расплава образуется пленка арсенида индия, при этом избыточный мышьяк
поступает в реактор и конденсируется на холодных стенках реактора вне печи.
В течении периода насыщения индия мышьяком подложка находится вне реактора.
Продолжительность насыщения определяется количеством индия, его
температурой и скоростью поступления пара мышьяка к поверхности индия. При
использовании не полностью насыщенного источника индия состав газовой фазы
в зоне осаждения непостоянен.
При выращивании арсенида индия n-типа в системе In-AsCl3-H2 в газовый поток
вводится смесь H2S+H2 . Концентрацией H2S определяется уровень легирования.
Для получения пленок р-типа используется элементарный цинк и кадмий,
вводимые в виде легирующей добавки из испарителя с отдельной зоной нагрева.
Система In-HCl-AsH3-H2.
Принципиальными технологическими преимуществами гидридов являются
следующие:
. летучие ковалентные гидриды можно получать из всех наиболее важных в
полупроводниковой технике элементов;
. свойства гидридов позволяют успешно применять очистку, основанную на трех
фазовых переходах (жидкость- пар, твердое- пар, твердое- жидкость), а
также эффективные методы газовой очистки (сорбции, ионного обмена);
. содержание основного элемента в гидриде выше, чем в любом другом
соединении;
. гидриды имеют малую реакционную способность по отношению к
конструкционным материалам.
Недостатками гидридов являются их высокая токсичность и взрывоопасность.
При выращивании эпитаксиальных слоев этой системы мышьяк при комнатной
температуре находится в газообразном состоянии, что обеспечивает
постоянство состава газовой фазы и гибкость процесса легирования.
Типичная схема установки для наращивания эпитаксиальных слоев арсенида
индия с помощью системы In-HCl-AsH3-H2 приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема установки для наращивания эпитаксиальных слоев InAs с помощью
системы In-HCl-AsH3-H2: 1-выпускная труба; 2-подложка.
xIn+HCl xInCl+(1-x)HCl+x/2H2, (17)
где х - мольная доля HСl участвующая в реакции (сильно зависит от
температуры). Следует отметить, что реакция протекает не до конца, т.е.
химическое равновесие не наступает. Наиболее вероятной причиной
наблюдаемого отклонения от химического равновесия является геометрия
установки и значительные скорости потока газа. Гидриды элементов V группы,
в том числе и AsH3, термически неустойчивы при температурах, обычно
используемых при выращивании эпитаксиальных слоев. Основные реакции
осаждения следующие:
3InCl+1/4As4+1/2H2 ( InAs+HCl. (18)
При получении эпитаксиальных слоев арсенида индия с помощью системы In-HCl-
AsH3-H2 является гибким методом наращивания. Качество слоев, полученных с
помощью этой системы, обычно эквивалентно или даже превосходит качество
слоев, полученных с участием других систем и методов, за исключением
хлоридной системы In-AsCl3-H2.
Система InAs-SiCl4-H2.
Эпитаксиальные пленки арсенида индия высокой чистоты можно получать с
использованием в качестве транспортирующего агента тетрахлорид кремния.
Схема установки приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема установки для эпитаксиального наращивания InAs с
использованием системы InAs-SiCl4-H2: 1-печь; 2-первый источник InAs; 3-
второй источник InAs; 4-подложка.
Водород, насыщенный тетрахлоридом кремния, при температуре -30СО, подается
во внутреннюю трубку реакционной камеры. Продукты разложения (водород,
хлористый водород и дихлорид кремния) вместе с остатком тетрахлорида
кремния поступают во внешнюю реакционную трубу, где взаимодействуют с
первым источником арсенида индия. При этом на источнике растет пористая
пленка кремния и образуется хлорид индия мышьяк. На втором источнике,
предназначенном для полного восстановления хлоридов кремния, также
осаждается небольшое количество кремния. Эпитаксиальное наращивание пленок
арсенида индия проводится на одноименные подложки, расположенные за вторым
источником. Этот процесс можно представить
следующим
последовательнымрешением:
в реакционной камере
SiCl4 ( SiCl2+2HCl, (19)
с источник арсенида индия
2InAs+ SiCl4+ SiCl2(2Si+2InCl+1/4As4, (20)
2InAs+SiCl4(4InCl+As4, (21)
на подложке
2InCl+As2+H2(2InAs+HCl. (22)
Тетрахлорид кремния как транспортный агент в газотранспортных реакциях
имеет преимущество перед другими хлоридами:
. может быть получен особо высокой степени чистоты;
. имеет высокое парциальное давление при относительно невысоких
температурах;
. не дает донорных уровней в эпитаксиальном слое.
Пиролиз МОС.
Значительный интерес представляют реакции металлоорганических соединений.
Процессы такого рода проводятся при низких температурах, что существенно
повышает чистоту, синтезируемого соединения, кроме того синтез многих МОС
носит избирательный характер, а так как целый ряд примесей, влияющих на
электрофизические параметры полупроводниковых материалов, не образуют
аналогичных соединений, то уже в процессе самого синтеза МОС происходит
очистка от нежелательных примесей до уровня 10-5-10-6 вес %.
Основными реакциями, приводящими к образованию арсенида индия при участии
МОС, можно назвать следующие:
. термическое разложение индивидуального МОС по схеме
RnInAs(InAs+nRH (23)
разложение происходит в атмосфере водорода;
. реакции элементоорганических производных, имеющими подвижный водород по
схеме
(C2H5)3In+AsH3(InAs+3C2H6; (24)
. совместное разложение двух или более МОС или гидридов, приводящее к
образованию твердых растворах на их основе.
В качестве источников индия и мышьяка для выращивания эпитаксиальных
структур используются метил- и этил производные, эфираты триметил индия.
Последние соединения в сравнении с триметилиндия более технологичны, так
как менее реакционно способны и удобнее как в процессе очистки, так и при
проведении процесса эпитаксиального наращивания.
Как правило, процесс осаждения термическим разложением МОС осуществляется в
атмосфере водорода. Возможно проведение процесса также в смеси водорода и
азота или только в азоте.
В зависимости от условий проведения процесса термического разложения
арсенид индия может быть получен как в виде порошка, так и в виде
эпитаксиально выращенных слоев.
Одним из преимуществ метода является легкость проведения легирования в
процессе эпитаксиального наращивания. С этой целью применяют широкий
ассортимент алкильных соединений элементов.
Из рассмотренных диаграмм парциальных давлений для хлоридного, хлоридно-
гидридного метода и пиролиза триметилиндия с арсином в водороде следует,
что максимальную область осаждения арсенида индия имеет система (CH3)3In-
(CH3)3As-H2, минимальную система In-AsCl3-AsH3-H2. Из этого следует, что с
учетом ограничений связанных с кинетикой, процесс получения эпитаксиальных
структур арсенида индия с использованием МОС менее критичен к температуре,
давлению и концентрации реагентов, а осуществление этого процесса возможно
в более широком диапазоне, чем в случае хлоридного метода.
Важным вопросом с точки зрения развития метода получения эпитаксиальных
структур арсенида индия с использованием МОС является возможность
загрязнения слоев углеродом. Термодинамическим анализом процесса получения
арсенида индия по реакции
(CH3)3In+AsH3(InAs+3CH4 (25)
показано, что переход углерода в слои арсенида индия за счет вторичных
превращений углеводородов (метана, этана, этилена) в присутствии избытка
арсина и водорода невозможно.
Получение эпитаксиальных полупроводниковых структур с использованием МОС
открывает возможности стимулирования процессов газофазного выращивания под
воздействием электромагнитного поля, лазерного и ультрафиолетового
облучения.
Основными особенностями и преимуществами метода являются:
. простота конструкции реактора с одной высокотемпературной зоной;
. более низкая температура процесса, что уменьшает эффект самолегирования,
улучшает профиль распределения концентрации по толщине слоя;
. возможность независимой регулировки исходных компонентов, что
обеспечивает возможность получения эпитаксиальных слоев с любым заданным
профилем распределения концентрации носителей заряда по толщине слоя;
. отсутствие травящих агентов (HСl) в системе позволяет осуществлять рост
эпитаксиальных слоев на гетероподложках;
. возможность получать субмикронные эпитаксиальные слои (0.2-0.8 мкм),
величина переходной области подложка-слой составляет 0.03-0.1 мкм.
Жидкофазная эпитаксия арсенида индия.
Несмотря на то, что получение эпитаксиальных слоев из паровой фазы является
основным направлением в технологии изготовления полупроводниковых приборов
процесс эпитаксиального оста из жидкой фазы в ряде случаев обладает
некоторыми преимуществами к примеру
. при получении сильнолегированных слоев;
. p-n переходов высокого качества.
Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида индия производится с
использованием легкоплавких металлов или их смесей, которые могут быть как
донорными так и акцепторными примесями в получаемых слоях.
На качество и электрофизические свойства эпитаксиальных слоев,
выращиваемых из жидкой фазы, влияют следующие факторы:
. скорость охлаждения раствора-расплава;
. начальная равновесная температура раствора-расплава;
. увеличение веса растворяющего вещества сверх равновесного значения;
. соотношение объема расплава и контактирующей площади поверхности подложки
с расплавом;
. физико-химическая природа растворителя и растворимого вещества;
. металлографическое состояние поверхности подложки;
. чистота используемых в процессе веществ и конструкционных материалов.
На рис.5 представлена схема установки для проведения процесса
эпитаксиального роста из жидкой фазы, а на рис.6 изображена кривая нагрева
печи в ходе процесса.
Рис. 5. Схема установки эпитаксиального роста из жидкой фазы: 1-держатель
подложки; 2-полдложка; 3-держатель раствора-расплава; 4-раствор-расплав.
Рис. 6. Температурный профиль процесса эпитаксиального роста InAs из жидкой
фазы.
Электронографические и металлографические исследования установили, что слои
выращенные в высокотемпературных областях, имеют более совершенную
структуру по сравнению с теми, которые которые получены в
низкотемпературных областях.
Молекулярно лучевая эпитаксия арсенида индия.
МЛЭ - один из современных и много обещающих технологических методов
выращивания тонких монокристаллических полупроводниковых структур.
Для осаждения эпитаксиальных пленок в МЛЭ используются управляемое
испарение из термического источника (или одновременное испарение из
нескольких источников) в условиях сверхвысокого вакуума. Типичная установка
МЛЭ показана на рис. 7.
Рис.7. Схема установки для МЛЭ: 1-молекулярные или атомные источники с
заслонками; 2-основная заслонка; 3-подложка; 4-аналитический блок.
Держатель подложки и источники атомных или молекулярных пучков -
испарительные ячейки - находятся в условиях сверхвысокого вакуума,
получаемого ионной откачкой. Испарительные ячейки представляют собой
небольшие нагреваемые камеры (“стаканы”), открытые в сторону подложки. С
целью уменьшения теплового взаимодействия и предотвращения взаимного
загрязнения испарительные ячейки разделяют экранами, охлаждаемыми жидким
азотом. Такой же экран помещают позади держателя образца для уменьшения
загрязнения остаточной атмосферы в камере. С этой же целью держатели
источников, подложки изготавливают из материалов с низким давлением паров,
таких, как алунд, тантал, графит. Рабочий вакуум в ростовой камере близок к
10-8Па.
Для контроля молекулярных или атомных пучков и выращиваемых слоев
непосредственно в процессе выращивания используются дифрактометр электронов
высоких энергий “на отражение”, масс-спектрометр, оже-спектрометр и ионный
вакуумметр, контролирующий нейтральные атомные пучки.
Возможность контроля непосредственно в процессе выращивания - одно из
значительных преимуществ МЛЭ. В случае МЛЭ температура подложки может быть
сравнительно невысокой (500-600ОС), что приводит к низкой скорости роста
(порядка 0.1 нм/с) и низкой скорости объемной диффузии. Основная заслонка и
заслонки испарительных ячеек позволяют очень быстро перекрывать пучки. Это
дает возможность изменять состав или уровень легирования выращиваемых
структур буквально на межатомном расстоянии.
При выращивании слоев арсенида индия методом МЛЭ атомы индия и молекулы As2
и As4 попадают на подложку арсенида галлия (100). К поверхности прилипают
практически все атомы индия. Поток атомов мышьяка является избыточным и
только один атом As на каждый атом In остается на подложке, формируя
стехиометрический состав выращиваемого слоя. Интенсивность молекулярных
пучков и, следовательно, скорость осаждения можно варьировать, меняя
температуру индиевого источника. Обычно плотность потока индия близка к
1015 атом.(см2(с), а мышьяка она в 5-10 раз выше.
В качестве доноров при выращивании арсенида индия методом МЛЭ используют
элементы IV групп, такие, как Si, Ge и Sn. Они могут входить в подрешетку
индия или мышьяка, и тип легирования будет зависить от соотношения вакансий
индия и мышьяка. Наименее чувствительно к этому соотношению олово, введение
которого дает материал n-типа. Самой распространенной донорной примесью, по-
видимому, кремний, при его использовании достигается наиболее высокая
подвижность при температуре жидкого азота, которая обычно считается
основным параметром, характеризующим качество арсенида индия.
Концентрация электронов в слоях арсенида индия, выращенных методом МЛЭ,
может превышать 5(1018 см-3, что значительно больше той концентрации,
которая достигается при использовании газофазной эпитаксии.
Еще одним преимуществом МЛЭ является сглаживание поверхности арсенида индия
в процессе роста. Благодаря этому свойству метод МЛЭ особенно удобно
использовать при выращивании гетеропереходов, сверхрешеток и многослойных
структур. Как и в случае остальных эпитаксиальных методов, решающим для
качества будущей пленки является качество приготовления подложки.
Заключение.
Результаты сравнения различных методов эпитаксиального выращивания
приведены в табл. 1.
Список использованной литературы:
1. Вайсс Г. Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их
применение/Пер. с нем. под ред. Хомерики О. К. М.: Энергия, 1974. 384 с.
2. Исследование пригодности гомо- и гетероэпитаксиальных слоев GaAs, InAs и
InSb для создания датчиков Холла различных направлений/ Портной Г. Я.,
Постных О. А., Тихонов В. И., Бессонов В. И.- В кн.: Синтез и рост
совершенных кристаллов и пленок полупроводников. Новосибирск: Наука,
Сибирское отделение, 1981, с. 127-132.
3. Герловин И. Л., Двас В. С., Лихницкий М. И. Гальваномагнитные эффекты и
их использование. М.: Машиностроение, 1967. 72 с.
4. Александров Л. Н. Гетероэпитаксиальное осаждение полупроводниковых
пленок.- Микроэлектроника, 1972, т. 1, № 2, с. 120-133.
5. Проблемы эпитаксии полупроводниковых пленок/ Под ред. Александрова Л.Н.
Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1972. 226 с.
6. Андреев В. М., Долгинов Л. М., Третьяков Д. Н. Жидкостная эпитаксия в
технологии полупроводниковых приборов. М.: Советское радио, 1975. 328 с.
7. Палатник Л. С., Папиров И. И. Эпитаксиальные пленки. М.: Наука, 1971.
480 с.
8. Обзоры по электронной технике: Развитие теории и практики
эпитаксиального наращивания из жидкой фазы на примере GaP/Федоров В. А.,
Минаждинов М. С., Невский О. Б., Одинцова И. Р. М., 1980. Вып. 3 (724).
Сер. 6. “Материалы”. 22 с.
9. Чистяков Д.Ю., Райков Ю. П. Физико-химические основы технологии
микроэлектроники. М.: Металлургия, 1979. 408 с.
10. Обзоры по электронной технике: Кинетика осаждения эпитаксиальных слоев
соединений АIIIBV из газовой фазы/Стрельченко С. С., Матяш А. А., М.,
11979. Вып. 8 (678). Сер. 6, “Материалы”. 56 с.
11. Обзоры по электронной технике: Молекулярно-лучевая эпитаксия
(особенности технологии и свойства пленок)/Денисов А. Г., Садофьев Ю. Г.,
Сеничкин А. П. М., 1980. Вып. 14 (762). Сер. 7, “Технология, организация
производства и оборудование”. 76 с.
12. Олсен Г. Х., Эттенберг М. Особенности получения гетероэпитаксиальных
структур типа АIIIBV.- В кн. Рост кристаллов. М.: Мир, 1981, с. 9-77.
13. Крессел Г., Нельсон Г. Свойства и применение пленок соединений
элементов групп III и V, полученных эпитаксией из жидкой фазы.- В кн.:
Физика тонких пленок. М.: Мир, 1977, т. 7, с. 58-63.
14. Wieder H. H. Transport coefficients of InAs epilayers.-Appl. Phys.
Lett., 1974, v. 25, N 4, p. 206-208.
15. Mc Carthy J. P. Preparation and properties of epitaxial InAs.- Solid-
State Electron, 1967, v. 10, N 7, p. 649-655.
16. Исследование начальных стадий роста, структурных и электрофизических
свойств гетероэпитаксиальных слоев InAs на GaAs/Стрельченко С. С.,
Захаров Б. Г., Гурфинкель В. И. и др.- В кн.: Рост и легирование
полупроводниковых кристаллов и пленок. Новосибирск: Наука, 1977, ч. 2, с.
98-106.
17. Molecular beat epitaxial growth of InAs/Yano M., Nogami M., Matsuchima
Y., Kimata M.- Japan. J. Appl. Phys., 1977, v. 16, N 12, p. 2131-2137.
18. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V
групп/Пер. с англ. под ред. Б. И. Болтаксаю М.: Мир, 1967. 477 с.
19. Горюнова Н. А. Сложные алмазоподобные полупроводники. М.: Советское
радио, 1968. 267 с.
20. Хилсум К., Роуз-Инс А. Полупроволники типа А3В5/Пер. с англ.
М.:ИЛ,1963.324 с.
21. Разуваев Г.А., Грибов Б.Г., Домрачев Г.А., Саламатин Б.А.
Металлоорганические соединения. М.:Наука, 1972. 479 с.
22. Гидриды, галиды, МОС особой чистоты. М.: Наука,1976.143 с.
23. Осаждение пленок и покрытий разложением МОС. М.: Наука, 1981. 322 с.
24. Активируемые процессы технологии микроэлектроники: Межвузовский
тематический научный сборник. Вып. 1. Таганрог, 1975.
25. Корзо В.Ф. и др. Пленки из элементорганических соединений в
радиоэлектронике. М.:Энергия, 1973.
Реферат на тему: Архитектура квантовых компьютеров
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
|[pic] | |
| |Факультет КИБЕРНЕТИКИ |
| |Кафедра «Компьютерные системы и технологии» |
РЕФЕРАТ
по курсу:
Архитектура ВС
на тему:
Архитектура квантовых компьютеров.
Студент группы К9-122 Островский А.В.
Москва 2001
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1: История появления теории квантовых компьютеров:
1. Рождение квантовой физики;
2. Появление теории квантовых компьютеров;
3. Квантовая физика и квантовая информатика;
ГЛАВА 2: Принципы и понятия, положенные в основу работы
квантовых компьютеров:
1. Единицы квантовой информации. Кубит;
2. Единицы квантовой информации. Квантовый регистр;
3. Квантовая коррекция ошибок в квантовом компьютере;
ГЛАВА 3: Архитектура квантовых копьютеров:
1. Принципиальная схема квантового компьютера;
2. Общие требования к элементной базе квантового компьютера;
3. Основные направления в развитии элементной базы квантовых
компьютеров:
1. Квантовые компьютере на основе ионов, захваченных ионными
ловушками;
2. Квантовые компьютеры на основе молекул органических
жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними
и методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для
управления кубитами;
3. Квантовые компьютеры на основе зарядовых состояний
куперовских пар;
4. Твердотельные ЯМР квантовые компьютеры;
ГЛАВА 4: Перспективы развития квантовых компьютеров:
1. Нерешенные проблемы на пути построения квантовых компьютеров;
2. Квантовая связь и криптография;
3. Будущее квантовых компьютеров;
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Элементная база современных информационных систем построена на лампах,
транзисторах, лазерах, фотоэлементах, являющихся классическими, в том
смысле, что их внешние параметры (токи, напряжение, излучение) являются
классическими величинами. С этими величинами связываются информационные
символы, что позволяет отображать информационные процессы на физические
системы. Аналогично, информационные символы можно связать с дискретными
состояниями квантовых систем, подчиняющихся уравнению Шредингера, а с их
управляемой извне квантовой эволюцией связать информационный
(вычислительный) процесс. Такое отображение превращает квантовую систему
(частицу) в квантовый прибор. Совокупность квантовых приборов, используемых
для построения квантовых информационных систем, можно назвать квантовой
элементной базой.
ГЛАВА 1. История появления теории квантовых компьютеров
1. Рождение квантовой физики.
В канун XX века 14 декабря 1900 года немецкий физик и будущий
нобелевский лауреат Макс Планк доложил на заседании Берлинского физического
общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения.
Этот день считается днем рождения квантовой теории. В физике родилось
понятие кванта энергии и среди других фундаментальных постоянных поля
вилась постоянная Планка h = 1,38062*10-23Дж/К.
В 1925 году В.Гайзенберг предложил матричный вариант квантовой
механики, а в 1926 году Э.Шредингер сформулировал свое знаменитое волновое
уравнение для описания движения электрона во внешнем поле. В это же время
Э.Ферми и П.Дирак получили квантово-статистическое распределение для
электронного газа, учитывающее при заполнении отдельных квантовых состояний
квантовый принцип, сформулированный тогда же В.Паули. Анализ
квантовомеханической задачи о движении электрона во внешнем периодическом
поле, создаваемом атомными остатками в кристаллической решетке, выполненный
Ф.Блохом в 1928 году, показал, что электронный энергетический спектр в
кристаллическом твердом теле имеет зонную структуру. Это привело к
существенным изменениям наших представлений о Природе вообще и о твердом
теле, в частности.
2. Появление теории квантовых компьютеров.
Кардинально новой оказалась идея о квантовых вычислениях, впервые
высказанная советским математиком Ю.И.Маниным в 1980 году, и которая стала
активно обсуждаться лишь после опубликования в 1982 году статьи
американского физика-теоретика нобелевского лауреата Р.Фейнмана. Он обратил
внимание на способность изолированной квантовой системы из L двухуровневых
квантовых элементов находиться в когерентной суперпозиции из 2L булевых
состояний, характеризующейся 2L комплексными числами и увеличенной до 2L
размерностью соответствующего гильбертова пространства. Ясно, что для
описания такого квантового состояния в классическом вычислительном
устройстве потребовалось бы задать 2L комплексных чисел, то есть,
понадобились бы экспоненциально большие вычислительные ресурсы. Отсюда был
сделан обратный вывод о том, что эффективное численное моделирование
квантовых систем, содержащих до сотни двухуровневых элементов, практически
недоступно классическим компьютерам, но может эффективно осуществляться
путем выполнения логических операций на квантовых системах, которые
действуют на суперпозиции многих квантовых состояний.
Поскольку законы квантовой физики на микроскопическом уровне являются
линейными и обратимыми, то и соответствующие квантовые логические
устройства оказываются также логически и термодинамически обратимыми, а
квантовые вычислительные операции представляются унитарными операторами
(или матрицами 2L + 2L) в 2L-мерном гильбертовом пространстве. Квантовые
вентили аналогичны соответствующим обратимым классическим вентилям, но в
отличие от классических они способны совершать унитарные операции над
суперпозициями состояний. Выполнение унитарных логических операций
предполагается осуществлять с помощью соответствующих внешних воздействий,
которыми управляют классические компьютеры.
3. Квантовая физика и квантовая информатика
Возможность построения квантовых компьютеров и систем связи
подтверждается современными теоретическими и экспериментальными
исследованиями. Новая техника XXI в. рождается путем синтеза новых идей в
математике, физике, информатике, технологии. Взаимодействие фундаментальных
отраслей науки и технологии, рождающее новую технику, показано в таблице 3.
Важно подчеркнуть, что в процессе решения задач квантовой информатики
происходит развитие и углубление понимания основ квантовой физики,
подвергаются новому анализу и экспериментальной проверке основные ее
проблемы - локальности (причинности), скрытых параметров, реальности,
неопределенности, дополнительности, измерений, коллапса волновой функции.
ГЛАВА 2: Принципы, положенные в основу работы квантовых компьютеров
2.1 Единицы квантовой информации. Кубит.
Любая классическая двухуровневая система, как и квантовая, имеет
основное |0? и не основное |1? базисные состояния. Примером классической
двухуровневой системы является известный в микроэлектронике инвертор,
осуществляющий операцию НЕ. В зависимости от того заняты ли эти состояния с
вероятностями P(0) = 1, P(1) = 0 или P(0) = 0, P(1) = 1, мы имеем булевые
логические состояния "0" или "1".
В квантовом случае возникает намного более богатая ситуация. Волновая
функция квантовых состояний двухуровневой системы - квантового бита,
получившего в дальнейшем название кубита (quantum bit или qubit), может
представлять собой суперпозицию базисных состояний (вектор состояния)
следующего вида |?? = ?|0? + ?|1?, где ?,? - комплексные амплитуды
состояний, при этом |?|2 + |?|2 = 1. Помимо вероятностей P(0) = |?|2 и P(1)
= |?|2, заполнения базисных состояний |0? и |1?, состояние кубита
характеризуется когерентными или интерференционными слагаемыми в
вероятности состояния |??, определяемых произведениями комплексных амплитуд
??* и ?*?. Состояние квантового бита в отличие от классического может
изменяться не только путем изменения вероятностей P(0) и P(1), но и более
тонко путем изменения амплитуд состояний ? и ?, что соответствует поворотам
вектора состояния |?? в так называемом гильбертовом двухмерном пространстве
состояний. В этом и состоит принципиальное различие классического и
квантового бита.
Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и
возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра,
направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения
электрона в полупроводнике, различающихся поляризацией фотона или фазой
сверхпроводника. Квантовая система может быть макроскопической
(сверхпроводники, сверхтекучие жидкости, бозе-газ), отдельной атомной
частицей или колебательной модой:
Простейшим случаем двухуровневой квантовой системы является спин ядра
атома или электрона I = Ѕ в постоянном внешнем поле B0: два уровня энергии
и состояния соответствуют проекциям спина на направление B0 (рис. 1).
Рис. 1. Состояния спина Iz = ±Ѕ - и его уровни энергии E0,1 = ±?iB0/2
во внешнем поле B0 представляют логические состояния кубита |0> и |1>
Два оптических уровня энергии и состояния электрона в ионе также могут
быть выбраны в качестве двух состояний кубита (рис. 2).
Рис. 2. Состояния иона Са+, соответствующие уровням энергии 2S1/2
(основной) и 2D5/2 (метастабильный) выбраны за логические |0> и |1>. Числа
у стрелок показывают длину волны лазера, вызывающего переход, и время жизни
иона на соответствующем уровне
2.2 Единицы квантовой информации. Квантовый регистр.
Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это
цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые
логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в
классическом регистре).
Рис. 3. Квантовый регистр - цепочка квантовых битов. Одно- или
двухкубитовые квантовые вентили (NOT 1/2, NOT, CNOT и др.) осуществляют
логические операции над кубитами или парами кубитов.
К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами,
относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности
нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2L различных комбинаций. Их можно
считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2L-1 и обозначать 0,1,2,3,
... 2L-1. Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных
значений квантового регистра (в отличие от классического), поскольку
существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными
амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у
большинства возможных значений квантового регистра (за исключением базовых)
просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень
всего богатства состояний квантового компьютера.
Представим, что на регистр осуществляется внешнее воздействие,
например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены
лазерные лучи. Если это классический регистр, импульс, который можно
рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных. Если же
это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать
до 2L переменных. Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен
обрабатывать информацию в 2L / L раз быстрее по сравнению со своим
классическим аналогом. Отсюда сразу видно, что маленькие квантовые регистры
(L и |1> кодируются большим числом битов; анализ кодовых
комбинаций позволяет найти и удалить ошибку. Эти методы удалось разработать
в квантовом варианте, где ошибки могут быть фазовыми и амплитудными.
Выяснилось, что если вероятность ошибки при выполнении одной элементарной
операции ниже некоторого порогового уровня, вычислительный процесс можно
длить сколь угодно долго. Это означает, что операции квантовой коррекции
ошибок удаляют из компьютера больше ошибок, чем вносят. Этот вывод очень
важен: по существу, он имеет силу теоремы существования полномасштабного
квантового компьютера.
ГЛАВА 3: Архитектура квантовых компьютеров
3.1 Принципиальная схема квантового компьютера
Квантовые методы выполнения вычислительных операций, а также передачи
и обработки информации, уже начинают воплощаться в реально функционирующих
экспериментальных устройствах, что стимулирует усилия по реализации
квантовых компьютеров. Квантовый компьютер состоит из n кубитов и позволяет
проводить одно- и двухкубитовые операции над любым из них (или любой
парой). Эти операции выполняются под воздействием импульсов внешнего поля,
управляемого классическим компьютером.
Принципиальная схема работы любого квантового компьютера может быть
представлена следующим образом (рис.4). Основной его частью является
квантовый регистр - совокупность некоторого числа L кубитов. До ввода
информации в компьютер все кубиты регистра должны быть приведены в основные
базисные (булевые) состояния. Эта операция называется подготовкой
начального состояния или инициализацией (initializing). Далее каждый кубит
подвергается селективному воздействию, например, с помощью импульсов
внешнего электромагнитного поля, управляемых классическим компьютером,
которое переведет основные базисные состояния определенных кубитов в не
основное состояния |0? ? |1?. При этом состояние всего регистра перейдет в
суперпозицию базисных состояний вида |n? = |n1,n2,n3,...nL?, где ni = 0,1.
(Рис. 4) – схематическая структура квантового компьютера
При вводе информации в квантовый компьютер состояние входного
регистра, с помощью соответствующих импульсных воздействий преобразуется в
соответствующую когерентную суперпозицию базисных ортогональных состояний.
В таком виде информация далее подвергается воздействию квантового
процессора, выполняющего последовательность квантовых логических операций,
определяемую унитарным преобразованием, действующим на состояние всего
регистра. К моменту времени t в результате преобразований исходное
квантовое состояние становится новой суперпозицией, которая и определяет
результат преобразования информации на выходе компьютера.
Совокупность всех возможных операций на входе данного компьютера,
формирующих исходные состояния, а также осуществляющих унитарные локальные
преобразования, соответствующие алгоритму вычисления, способы подавления
потери когерентности - так называемой декогерентизации (decoherence)
квантовых состояний и исправления случайных ошибок, играют здесь ту же
роль, что и "программное обеспечение" (software) в классическом компьютере.
3.2 Общие требования к элементной базе квантового компьютера
При выборе конкретной схемы любого квантового компьютера необходимо
решить три вопроса: во-первых, выбрать физическую систему, представляющую
требуемую систему кубитов, во вторых, определить физический механизм,
определяющий взаимодействие между кубитами, необходимое для выполнения
двухкубитовых операций, в третьих, определить способы селективного
управления кубитами и измерения их состояния на выходе. Все это вместе
взятое аналогично "аппаратному обеспечению" (hardware) классического
компьютера.
Считается, что для реализации полномасштабного квантового компьютера,
превосходящего по производительности любой классический компьютер, на каких
бы физических принципах он не работал, следует обеспечить выполнение
следующих пяти основных требований:
1. Физическая система, представляющая полномасштабный квантовый
компьютер, должна содержать достаточно большое число L > 103 хорошо
различаемых кубитов для выполнения соответствующих квантовых операций.
2. Необходимо обеспечить условия для приготовления входного регистра в
исходном основном базисном состоянии |01,02,03,...0L?, то есть
возможность процесса инициализации.
3. Необходимо обеспечить максимальное подавление эффектов
декогерентизации квантовых состояний, обусловленное взаимодействием
системы кубитов с окружающей средой, что приводит к разрушению
суперпозиций квантовых состояний и может сделать невозможной
выполнение квантовых алгоритмов. Время декогерентизации должно, по
крайней мере, в 104 раз превышать время выполнения основных квантовых
операций (времени такта). Для этого система кубитов должна быть
достаточно слабо связана с окружением.
4. Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности
квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование.
Эта совокупность должна содержать определенный набор только
двухкубитовых операций, типа контролируемый инвертор или
контролируемое НЕ (Controlled NOT ? CNOT) (аналог исключающего ИЛИ в
классических компьютерах), осуществляющих операции поворота вектора
состояния двух взаимодействующих кубитов в четырехмерном гильбертовом
пространстве, и однокубитовых операций, осуществляющих поворот вектора
состояния кубита в двухмерном гильбертовом пространстве, таких как
операции НЕ, Адамара и некоторые другие.
5. Необходимо обеспечить с достаточно высокой надежностью измерение
состояния квантовой системы на выходе. Проблема измерения конечного
квантового состояния является одной из основных проблем квантовых
вычислений.
3.3 Основные направления в развитии элементной базы квантовых компьютеров
3.3.1 Квантовые компьютере на основе ионов, захваченных ионными ловушками
Взаимодействие между заряженными ионами в одномерной цепочке этих
ловушек осуществляется посредством возбуждения их коллективного движения, а
индивидуальное управление ими с помощью лазеров инфракрасного диапазона.
Первый прототип квантового компьютера на этих принципах был предложен
австрийскими физиками И.Цираком и П.Цоллером в 1995 году. В настоящее время
интенсивные экспериментальные работы ведутся в Los Alamos Natl.Lab. (LANL)
и Natl.Inst.Stand.Tech. (NIST) в США. Преимущество такого подхода состоит в
сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами.
Основными недостатками этого типа квантовых компьютеров являются
необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости
состояний ионов в цепочке и ограниченность возможного числа кубитов
значением L < 40.
3.3.2 Квантовые компьютеры на основе молекул органических жидкостей с
косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного
магнитного резонанса (ЯМР) для управления кубитами:
В предложенном способе построения квантового компьютера кубитами
выступают спины - ядер водорода (протоны) и углерода 13С в молекулах
жидкости. Так, в молекуле трихлорэтилена (рис. 5) спины ядер двух атомов
13С и одного протона образуют три кубита. Два атома 13С химически
неэквивалентны и поэтому имеют различные частоты ядерного магнитного
резонанса ?A и ?B в заданном внешнем постоянном магнитном поле B0, протон
будет иметь третью резонансную частоту ?C. Подавая импульсы внешнего
переменного магнитного поля на частотах (ид, tog, о)с, мы селективно
управляем квантовой эволюцией любого из этих спинов (выполняем
однокубитовые вентили). Между спинами ядер, разделенных одной химической
связью 1H-13С и 13С-13С, имеется магнитное контактное взаимодействие, что
позволяет построить двухкубитовые вентили.
Рис. 5. – схема ансамблевого ядерно магнитнорезонансного квантового
компьютера
Главным преимуществом такого компьютера является то, что огромное
число практически независимых молекул-компьютеров жидкости действует,
обеспечивая тем самым возможность управления ими с помощью хорошо известных
в технике ядерного магнитного резонанса (ЯМР) операций над макроскопическим
объемом жидкости. Последовательности радиочастотных импульсов, выполняющие
в этом случае роль определенных квантовых логических вентилей, осуществляют
глобальные унитарные преобразования состояний соответствующих ядерных
спинов для всех молекул-компьютеров. Индивидуальное обращение к отдельным
кубитам заменяется одновременным обращением к соответствующим кубитам во
всех молекулах большого ансамбля. Компьютер такого рода получил название
ансамблевого (bulk-ensemble quantum computer) ЯМР квантового компьютера.
Замечательно, что он может в принципе работать при комнатной температуре.
Время декогерентизации квантовых состояний ядерных спинов в жидкости
достаточно велико. Оно может составлять несколько секунд.
В области ЯМР квантовых компьютеров на органических жидкостях к
настоящему времени достигнуты наибольшие успехи. Они связаны в основном с
хорошо развитой импульсной техникой ЯМР-спектроскопии, обеспечивающей
выполнение различных операций над когерентными суперпозициями состояний
ядерных спинов и с возможностью использования для этого стандартных ЯМР-
спектрометров, работающих при комнатных температурах.
Экспериментально на ЯМР квантовых компьютерах были осуществлены алгоритм
Гровера поиска данных, квантовое фурье-преобразование, квантовая коррекция
ошибок, квантовая телепортация, квантовое моделирование и другие операции.
Основными ограничениями для этого направления являются:
Смешанный характер исходного состояния кубитов, что требует использования
определенных неунитарных операций для приготовления начального состояния.
Измеряемый на выходе сигнал экспоненциально убывает с ростом числа кубитов
L.
Число ядерных спинов-кубитов в отдельной молекуле с достаточно
различающимися резонансными частотами L ограничено.
Однокубитовые и двукубитовые квантовые операции являются относительно
медленными.
Эти ограничения приводят к тому, что ЯМР квантовые компьютеры на молекулах
органической жидкости не смогут иметь число кубитов, значительно больше
десяти. Их следует рассматривать лишь как прототипы будущих квантовых
компьютеров, полезные для отработки принципов квантовых вычислений и
проверки квантовых алгоритмов.
3.3.3 Квантовые компьютеры на основе зарядовых состояний куперовских пар:
Данный принцип построения квантовых компьютеров основан на
использовании в качестве кубитов зарядовых состояний куперовских пар в
квантовых точках, связанных переходами Джозефсона, предложенное
Д.В.Авериным в 1998 году.
Первый твердотельный кубит на этих принципах был создан в NEC
Fund.Res.Lab. в Японии в 1999 году. Полагают, что перспективность этого
направления состоит в возможности создания электронных квантовых устройств
высокой степени интеграции на одном кристалле, при этом для управления
кубитами не потребуются громоздкие лазерные или ЯМР установки. Однако на
пути создания квантовых компьютеров еще остается нерешенными ряд важных
проблем и, в частности, проблема устойчивости состояний кубитов и
декогерентизация. Поисковые работы квантовым компьютерам на
высокотемпературных сверхпроводниках в России ведутся в Институте
теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН
3.3.5 Твердотельные ЯМР квантовые компьютеры:
Важные перспективы открываются перед направлением твердотельных ЯМР
квантовых компьютеров.
Для этого в 1998 г. австралийским физиком Б.Кейном было предложено
использовать в качестве кубитов обладающие ядерным спином 1/2 донорные
атомы с изотопами 31P, которые имплантируются в кремниевую структуру, Это
предложение, которое пока остается нереализованным, открывает потенциальную
возможность создания квантовых вычислительных устройств с практически
неограниченным числом кубитов.
В рассматриваемом варианте предполагается использовать температуры
достаточно низкие для того, чтобы электроны донорных атомов занимали только
нижнее спиновое состояние в магнитном поле. В полях B ? 2 Тл это
соответствует температурам T ? 0,1 K, гораздо более низким, чем температура
вымораживания электронных состояний доноров, которые будут поэтому
оставаться в неионизированном основном орбитальном S-состоянии.
Каждый донорный атом с ядерным спином - кубит в полупроводниковой структуре
предполагается расположить регулярным образом с достаточной точностью под
"своим" управляющим металлическим затвором (затвор A), отделенным от
поверхности кремния тонким диэлектриком (например, окисью кремния толщиной
порядка нескольких нанометров). Эти затворы образуют линейную решетку
произвольной длины с периодом l (Рис. 6.).
Рис. 2. Схематическое изображение двух ячеек полупроводниковой структуры
модели Кейна, lA ~ 10 нм, l ~ 20 нм, c ~ 20 нм.
С помощью электрического поля, создаваемого потенциалом затворов A,
можно изменять распределение электронной плотности вблизи ядра в основном
состоянии, изменяя, соответственно, резонансную частоту каждого | |
