Pora na komputery kwantowe?

Spintronika zrewolucjonizuje budowę urządzeń komputerowych i przetwarzanie informacji.

Spintronika zrewolucjonizuje budowę urządzeń komputerowych i przetwarzanie informacji. Być może kolejny Nobel z fizyki będzie przyznany za badania właśnie w dziedzinie spintroniki.

Komputery wykonują obliczenia dzięki sterowanemu przepływowi ładunków elektrycznych, a nośnikiem informacji są zmiany w przepływie prądu. Stosunkowa nowa nauka – spintronika –uwzględnia, oprócz ładunku elektronu, również jego spin. Zajmuje się konstrukcją elementów elektronicznych z zaplanowaną strukturą spinową. Przypomnijmy, że spin jest to kierunek, w którym elektron obraca się wokół własnej osi. To dzięki niemu elektron jest mikroskopijnym magnesem.

Jednym z wyzwań spintroniki jest konstrukcja pamięci magnetycznych, nie zawierających elementów mechanicznych. Dotychczas prowadzone prace na materiałach z zawartością arsenku galu pokazały, że można sterować ich własnościami magnetycznymi za pomocą napięcia lub wiązki światła. Prof. Tomasz Dietl, wybitny polski specjalista w dziedzinie spintroniki, laureat nagrody Europejskiego Towarzystwa Fizycznego tłumaczy, że gdyby można było zmieniać napięciem zapis magnetyczny, zawodne ruchome części można byłoby odrzucić, a informacja zapisywana byłaby układem elektrod, doprowadzanych do poszczególnych miejsc na dysku czy taśmie. Pamięć magnetyczna bez głowicy przesuwającej się nad wirującym dyskiem byłaby mniej zawodna, a jednocześnie szybka i trwała.

Szybko rozwijająca się tzw. spintronika półprzewodnikowa opiera się na badaniach nad materiałami, łączącymi zalety materiałów magnetycznych i półprzewodnikowych. Materiałem magnetycznym jest m.in. żelazo, a półprzewodnikiem na przykład krzem. Trwają prace nad otrzymaniem półprzewodników, bądących jednocześnie ferromagnetykami. Jeśliby się to udało, realne stałoby się połączenie własności służących do zapisu informacji z tymi, które są wykorzystywane do przetwarzania i przesyłania informacji. Można sobie wyobrazić zapis, pamięć i odczyt scalone w jednym przyrządzie. Prof. Dietl jest przekonany, że w przyszłości stanie się możliwe scalenie mikroprocesora z pamięcią magnetyczną lub odtwarzacza wideo z telewizorem.

Spintronika pozwoli także na budowę rekonfigurowalnych procesorów. Takich, które mogłyby zmieniać swoją logiczną strukturę zależnie od zadania, które mają wykonać. Obecnie tranzystory w procesorach mają określone zadania, zatem część pozostaje za każdym razem nieużywana.

Istnieje również drugi poziom spintroniki – informatyka kwantowa, gdzie do kwantowych obliczeń wykorzystuje się spin elektronu. To wielkie wyzwanie techniczne, ponieważ operuje się tutaj pojedynczymi spinami. W laboratoriach powstają już pierwsze komputery kwantowe z użyciem półprzewodników ferromagnetycznych. Muszą one jednak pozostawać w niskich temperaturach, chłodzone ciekłym helem. Dzieje się tak, ponieważ kwantowy proces obliczeniowy jest podatny na zakłócenia takie jak drgania atomów, nasilające się w wysokich temperaturach.

Kanadyjska firma D-Wave Systems w lutym tego roku zaprezentowała pierwszy komercyjny komputer kwantowy. Nazywa się Orion, składa się z 16 kubitów czyli bitów kwantowych. Kubity różnią się od bitów klasycznych, które przyjmują tylko wartości 0 lub 1, ponieważ mechanika kwantowa dopuszcza istnienie rozmaitych mieszanin tych dwóch stanów. To właśnie decyduje o zwiększonej wydajności komputerów kwantowych w przypadku niektórych zagadnień obliczeniowych. Na razie jednak Orion ze swoimi 16 kubitami ma wydajność wielokrotnie niższą od przeciętnego komputera PC. Potrafi na przykład rozwiązać sudoku albo odszukać wzorzec białka w bazie protein. Ważne jest jednak to, że architektura dzieła firmy D-Wave pozwala na skalowanie czyli na szybkie zwiększanie liczby kubitów. Twórcy Oriona zapowiadają, że zaprezentują 32-kubitowy model jeszcze w tym roku, a 1024-kubitowy pod koniec 2008 roku.

Niestety, kwantowy komputer Orion może pracować tylko w specjalnych warunkach, w temperaturze zaledwie 5 milikelwinów (czyli -273, 145 stopnia C). Wciąż nie ma takich półprzewodników, które wykazywałyby własności ferromagnetyczne w temperaturze pokojowej. Jednak i ta trudność wydaje się do przezwyciężenia. Polski naukowiec, prof. Dietl, zaproponował w 2000 roku na łamach „Science" model teoretyczny półprzewodników ferromagnetycznych, działających w temperaturze pokojowej, a nawet wyższej, bo kilkudziesięciu stopni. Na całym świecie trwa teraz wyścig o skonstruowanie takich materiałów. Być może kolejny Nobel z fizyki zostanie przyznany właśnie za badania w dziedzinie spintroniki?

Agnieszka Labisko