Квантовая память

Среди альтернативных подходов наноэлектроники наиболее революционными являются те, которые приближают работу устройства к квантовым пределам, положенным самой Природой - это один электрон, один спин, один квант магнитного потока, энергии и т. д. Этосулит быстродействие ~ ТГц (~ 10¹² операций в секунду), а плотность записи информации ~ 10³ ТВ/см², что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в винчестере размерами с наручные часы можно было бы разместить фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех, до единого, жителей Земли!

Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые спо­собны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие «О» и «1», и допускать максимально быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле). Для этого он должен перейти с одного атома на другой, что реализовало бы заветную мечту - «одноэлектронное»устройство, а впоследствии - освоение мира «одноэлектроники». Для сравнения упомянем, что современные электронные средства неэкономно «тратят» сотни - тысячи электронов на одну операцию. Другая возможность заключается в переориентации спина электрона, у которого может быть только два устойчивых состояния в пространстве. На этом принципе основывается совершенно новое направление в науке и нанотехнологий - спинтроника.

Большую перспективу применения в наноэлектронике, наносенсорной технике и других областях имеют низкоразмерные квантовые структуры, интенсивно изучаемые физикой в последние несколько десятилетий. Обычно это полупроводниковые или сверхпроводящие объекты, имеющие атомарный масштаб в одном, двух или всех трех направлениях. Их свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала вследствие яркого проявления квантовых закономерностей поведения. Физическая причина этих различий заключается в том, что, когда хотя бы один из размеров объекта становится соизмеримым с длиной волны де Бройля для электронов или меньше ее, вдоль этого направления начинается размерное квантование. Различия в энергетической структуре и плотности электронных состояний для низкоразмерных систем таковы, что по мере понижения размерности (т.е. с ростом ограничений для движения электронов), спектр все более дискретизируется, и для квантовой точки становится похожим на атомарный.

Различные варианты двух основных технологий получения низкоразмерных структур - молекулярно-лучевая эпитаксия и химическое осаждение - дают возможность получения двумерных (тонкие пленки), одномерных (квантовые проволоки) или нуль-мерных (квантовые точки) образований, которые уже используются и будут использоваться еще шире в электронных и фотонных приборах. Большую роль в получении таких объектов играют также процессы самоорганизации, в которых необходимая структура создается из менее упорядоченной путем нанотехнологической операции самосборки.

Одним из путей радикального обновления принципов и схемотехники в электронике является использование сверхпроводящих (СП) элементов, включающих джозефсоновский переход. Он представляет собой две сверхпроводящие пленки, разделенные тонким слоем (~ 1 нм) диэлектрика. Такие сверхпроводники называют слабосвязанными, а саму сверхпроводимость обозначают как «слабую». В физических лабораториях к настоящему времени разработано множество джозефсоновских элементов и устройств, имеющих обширные перспективы применения в качестве генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, логических элементов и ячеек памяти, устройств квантового кодирования и передачи данных, высокочувствительных датчиков магнитного слоя, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т.д.

Принцип действия таких элементов основан на квантовых закономерностях поведения одного или нескольких джозефсоновских контактов, включенных в обычную электрическую цепь. Электроны в сверхпроводнике ведут себя скоррелированно, в результате чего ток и созданный им магнитный поток квантуется, подобно тому, как квантуются электронные орбитали и уровни энергии в отдельном атоме. Из-за этого в кольце, состоящем из двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно, может укладываться только целое число длин электронных волн, а внутри такого кольца может существовать не любой магнитный поток, а только кратный целому числу квантов магнитного потока Ф_о = h/ 2е ≈ 2 10^-15 Вб (здесь е - заряд электрона; h - постоянная Планка).

Это обеспечивает автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному. Использование слабосвязанных СП структур позволяет достичь в устройствах квантового кодирования и передачи данных предельно низких уровней шума и энергопотребления при рабочих частотах ~10¹² Гц.

Элементы так называемой быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации является квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами, превышающими 100 ГГц, при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом и ячейкой памяти. Поскольку объем передаваемых в сети Интернет данных удваивается каждые 100 - 120 дней, в ближайшей перспективе даже наиболее современные из разрабатываемых сейчас полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки. Трехмерные СП структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как практически единственная реальная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам, для обработки больших объемов информации.

Освоение новых физических принципов позволяет создавать принципиально новые классы вычислительных системна основе квантовых низкоразмерных структур. Уже разработаны квантовые ал­горитмы вычислений, позволяющие решать задачи, заведомо не решаемые на традиционных компьютерах, использующих детерминистическую бинарную логику (т.е. управление состоянием классических ячеек 0 и 1). Квантовый бит (кубит) должен представлять собой квантовую когерентную двухуровневую систему типа объекта, имеющего электронный спин +1/2 или -1/2.

Информация хранится, обрабатывается и передается в такой гипотетической (пока) вычислительной машине по квантовомеханическим законам в виде волновой функции системы, состоящей из большого числа кубитов. Колоссальное увеличение объема и скорости оперирования информацией в таком устройстве будет обусловлено не просто уменьшением времени одной операции, а максимально возможным в природе распараллеливанием вычислений, лимитируемым только квантовым пределом. Одновременно могут быть решены на новом уровне вопросы кодированияи криптографии.В настоящее время идут поиски удобной наноструктуры для реализации кубита. Одновременно развивается несколько подходов к решению этой проблемы. Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров. На основе двумерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов.

В 1997–1998 гг. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, США) разработала программу формирования новой наукоемкой технологии — молекулярной электроники (молетроники, moletronics). Целью реализации программы создания молетроники является доказательство возможности интеграции молекул или других наночастиц в законченные функциональные электронные устройства, которые связаны друг с другом и с внешними устройствами вычислительной техники. Информация передается или хранится в них в виде электронов или в виде разности электрических потенциалов, определяемых считанным количеством все тех же электронов. Собственно говоря, как обычно, нужны логические элементы и элементы памяти. Те и другие должны функционировать в привычном диапазоне температур (промышленном и коммерческом), иметь очень высокую плотность, малую мощность энергопотребления при управлении. Память должна быть энергонезависимой, словарной (например, байтной) и терабитного уровня по объему. Сами устройства создаются по принципу направленной самоорганизации, так как масштабирование здесь теряет смысл. Их структура предпочтительно должна быть трехмерной.

В настоящее время ведутся интенсивные разработки основ методов хранения информации на квантовом уровне и осуществлении сложных вычислений с помощью квантовых устройств, требующих, в том числе, для их проведения сотен тысяч потенциальных квантовых бит (кубит или qubit). В одной из описанных ранее систем используется новое состояние вещества, получившее название «изолятор Мотта» (Mott insulator), или так называемая «упорядоченная жидкость» (patterned liquid). В другой рассматриваются методы, позволяющие останавливать, хранить и восстанавливать импульсы света. Группа физиков из Мюнхенского института квантовой оптики им. Макса Планка и Цюрихского института квантовой электроники опубликовали в журнале Nature статью с описанием охлаждения и помещения газа, состоящего из атомов рубидия, в каркас упорядоченной решетки. Каждая ячейка такой решетки может быть заполнена только одним атомом, которым можно индивидуально манипулировать с помощью прецизионных магнитных импульсов.

Главной проблемой исследования квантовых объектов и квантовых измерений является легкость, с которой квантовый объект уничтожается (как это происходит с фотоном) или возмущается его состояние (например, при измерении координаты элементарной частицы) при единичном акте измерения или считывания информации. Сегодня уже удалось записать без потерь в квантовое состояние атома рубидия информацию, содержащуюся в фотоне, а затем также без потерь ее воспроизвести.

Для того чтобы синтезировать такую экзотическую структуру, ученые должны были «поймать» и охладить атомы цезия до субмилликельвиновых температур в вакууме. Далее исследователям удалось «выстроить» их в одну горизонтальную линию в волновой ловушке оптических диполей, образованной двумя лазерными лучами. Однако атомы не построились «друг за другом» — между ними остались нерегулярные промежутки, причем в каждом определенном опыте промежутки были различными.

Чтобы рассортировать атомы более точно, ученым пришлось использовать оптический пинцет, сформированный другой парой лазерных лучей в вертикальной плоскости. Благодаря пинцету появилась возможность удалять любой из атомов из «горизонтальной» ловушки.

Подобный метод позволил ученым создать струну из семи атомов, разделенных расстоянием 15 микрон. В результате был получен первый «квантовый регистр», то есть элементарная ячейка хранения данных с помощью одиночных атомов. Правда, время, в течение которого такая память хранит информацию, ничтожно мало - флуктуации полей окружающей среды и самого атома рубидия возмущают содержимое ячейки памяти за время около 0,001 с, что требует слишком частых циклов обновления. Так что излишний оптимизм исследователей о скором создании квантового компьютера, увы, разделить нельзя. Дальнейшие планы ученых направлены на построение квантового транзистора, который смог бы записывать информацию в атомный регистр.

Специалисты корпорации Arial&Intel и компании и QinetiQ разработали технологию производства транзисторов на основе антимонида индия (InSb), которая обещает повысить скорость работы примерно на 50% и снизить энергопотребление до 10 раз. Сотрудники Intel уповают на то, что новая технология продлит действие закона Мура вплоть до 2015 года.

Транзисторы с каналами из антимонида индия с длиной затвора 85 нанометров, работающие в режиме обеднения на основе "квантового колодца", отличаются малыми размерами (более чем в два раза меньше существующих). Работающие в режиме обогащения транзисторы были продемонстрированы впервые. Транзисторы этого типа являются самыми распространенными транзисторами, используемыми в микропроцессорах и других логических схемах. Новые транзисторы могут работать при напряжении около 0,5 В (это примерно вдвое меньше, чем напряжение, используемое транзисторами современных процессоров).

Следующая по сложности задача - сконструировать молекулярные переключатели и ячейки памяти. Их физической основой могут быть различные бистабильные системы, построенные на базе органических молекул. Некоторые наиболее важные примеры таких систем и принципы их работы схематически изображены на рис. 13. Классификацию таких

Рис. 13. Два класса молекулярных приборов:а) объемные, с хаотическим расположением большого числа молекул; б) одномолекулярные с подключением электродов к определенным атомам и связям в молекуле. 1 - электрод, 2 - молекула, 3 – атом, 4 – межатомная связь.

устройств можно представить в виде двумерной сетки, по горизонтали у которой отложены переключающие факторы (нагрев, освещение, электрическое напряжение, магнитное поле и т.д.), а по вертикали – переключаемое свойство (проводимость, намагниченность, поляризация и т.п.). В узлах этой сетки находятся молекулярные переключатели различных типов, реализованные на известных или сконструированных специально молекулярных системах. В качестве примера одного из них на рис. 14 показана схема триггера с двумя устойчивыми положениями, выполненная на катенановой молекуле. Она представляет собой два кольца, сцепленных между собой и способных менять положение друг относительно друга. Подключение электрического напряжения той или иной полярности и величины (в пределах от -1,5 В до +2 В) приводит к повороту одного из колец на 180⁰, а затем на 360⁰. Причем молекула бистабильна (устойчива в

Рис. 14. Схема переключателя (ячейки памяти) на молекуле ротаксана, меняющей конформацию вследствие присоединения или потери электрона (окислительно-восстановительной реакции). В результате левая кольцеобразная часть молекулы поворачивается относительно замкнутой правой части на 180⁰.

обоих положениях в отсутствие приложенного напряжения) и может рассматриваться и как переключатель, и как ячейка памяти. К настоящему времени найдено несколько десятков органических молекул, способных изменять конформацию под действием света или в результате изменения зарядового состояния (окисление/восстановление). Обычно – это ароматические соединения с несколькими бензольными кольцами, катенаны, ротаксаны и др.

Имеются сообщения и о реализациях трехэлектродных молекулярных приборов – аналогов полупроводниковых транзисторов, и оптоэлектронных устройств.

Очень схематично единичные ячейки таких устройств показаны на рис. 15. Они состоят из двух основных электродов (анод А и катод С) и молекулы (или ее фрагментов), помещенной между ними. Управление такими ячейками может осуществляться несколькими способами. Для чисто электрических приборов это может быть третий электрод (G) или другая молекула субстрата (S), связывающаяся с основной. Ясно, что такая структура принципиально схожа с известными полупроводниковыми устройствами (диод, ключ, транзистор и т.д.), но имеет нанометровые размеры во всех измерениях. В этой связи электроны внутри нее могут иметь только дискретные уровни, по которым должен транспортироваться носитель, транслирующийся с уровня Ферми F₁ одного электрода на уровень Ферми F₂ другого электрода.

Рис. 15. Схематическое устройство отдельной ячейки молекулярного электронного устройства (а) и оптоэлектронного устройства (б): С – катод; А – анод; G – управляющий электрод; S – молекула субстрата; М – модулирующий электрод; ЕТL и НТL – транспортный мостик с электронными и дырочными носителями соответственно; Ph – фотоны; в – схема дискретных энергетических уровней для носителя (1-6), перемещающегося между электродами с уровнями Ферми Е_F1 и E_F2.

Аналогично может быть устроен и оптоэлектронный элемент. В общем случае он может содержать два молекулярных фрагмента с электронной и дырочной проводимостью, что обеспечивает легкую реализацию светодиода в месте их соединения. Дополнительное управление может осуществляться вспомогательными модулирующими электродами, расположенными под катодом и анодом. На роль молекулярных мостиков претендует множество хорошо (и не очень хорошо) изученных молекул – нанотрубки, полимеры, ДНК, РНК и другие органические молекулы. Несмотря на большое число принципиальных вопросов и проблем, еще ждущих своего решения, уже созданы высокоплотные матрицы, содержащие до нескольких тысяч отдельных ячеек, выполняющих запрограммированные функции. Так, разработана экспериментальная матрица, использующая триггерный эффект в катенановых молекулах, схематически показанных на рис. 14. Сначала с помощью поверхностно-активного вещества (ПАВ) создают монослой молекул катенана, а затем помещают его между двумя слоями электродов. Нижние электроды выполнены из поликристаллического кремния и расположены на диэлектрической подложке, верхние – из напыленной пленки Ti/Al. Электроды образуют матрицу из взаимно перпендикулярных проводников, обеспечивающих произвольное подключение разности потенциалов к любому узлу, что важно для создания чипов быстродействующей оперативной памяти. Эксперименты показали, что при смене полярности напряжения наблюдается отчетливый гистерезис на вольтамперной характеристике ячейки, что трактуется как результат поворота молекулярных колец в катенане и может использоваться для запоминания бита информации.

Трехмерная голографическая память

Среди зарождающихся технологий записи и хранения информации едва ли не наибольший интерес представляет голографическая память, которая уже выходит на рынок из стадии лабораторных разработок. Принципы технологии голографической памяти заключаются в следующем.

Голография (от греч. hólos — весь, полный) - это метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Идея была впервые высказана англичанином Д. Габором (1948), однако техническая реализация метода оказалась чрезвычайно сложной и голография не получила практического распространения. Голографическая память развивается, начиная с работ Питера ван Хеердена (Pieter J. Van Heerden), сотрудника фирмы Polaroid. Он предложил идею хранения данных в трех измерениях еще в 1963 г. (рис. 16). Однако, только с появлением лазеров открылись многочисленные и разнообразные возможности практического использования этого явления.

Рис. 16. Принцип получения и считывания голографического изображения.

Голографические устройства памяти с большой ёмкостью были предложены в 1966 А. Л. Микаэляном и В. И. Бобриневым (СССР). Они основаны на записи большого числа голограмм на одну и ту же поверхность (или объём) материала. Для того чтобы изображения не накладывались друг на друга, при записи каждого из них изменяют угол падения опорной волны на светочувствительный слой (рис. 17). Опорный луч, прежде чем попасть на голограмму, проходит через отклоняющую систему, которая устанавливает направление опорного луча в соответствии с введённым в неё адресом. Каждому адресу соответствует своё направление опорного луча. Сигнальный луч делится на n каналов, в каждый из которых включен модулятор М. При наличии управляющего напряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напряжения становится непрозрачным. На выходе модуляторов возникает комбинация n лучей, которые вместе с опорным лучом записываются в виде голограммы. При накоплении информации в запоминающем устройстве на адресный вход подаются поочерёдно все адреса, а на сигнальный — соответствующие числа.

Аналогично, страница с цифровой информацией формируется первоначально в виде двумерного изображения. Она создается с помощью устройства, называемого пространственным модулятором света (Spatial Light Modulator - SLM). На втором этапе создается голограмма изображения. Лазерный луч, попадая на дефлектор - систему отклоняющих полупрозрачных зеркал (от лат. deflecto - отклоняю, отвожу), расщепляется на два луча. Один из лучей, называемый объектным, освещает информационную страницу; второй луч, называемый опорным, создает интерференционную картину. Далее происходит наложение двух лучей, которые создают голограмму. Голограмма сохраняется в запоминающей среде. Для чтения информации используется только опорный луч, которым освещается голограмма для воспроизведения страницы. Отклоняющая система устанавливает угол падения считывающего опорного луча, соответствующий заданному адресу, и голограмма формирует изображение в виде системы ярких точек, количество и взаимное расположение которых определяется комбинацией включенных при записи модуляторов. Это изображение проецируется на систему фотоприёмников, на выходе которых сигналы дают считанное число. Уже удалось записать последовательно до 1000 голограмм 32-разрядных чисел на участке поверхности с диаметром около 2 мм. Изображение считывается с помощью матрицы ПЗС (прибор с зарядной связью).

К достоинствам голографической памяти можно отнести то, что голограммы хранятся не в виде изображений, а в виде волновых интерференционных кодограмм. Если разделить такую голограмму на две части, то получатся не две части одного изображения, а два идентичных изображения. Это означает, что случайный дефект носителя данных не приведет к потере части информации. Это свойство проявляется за счет избыточности информации, характерной для всей голограммы.

Рис. 17. Голографическое трехмерное запоминающее устройство.

Для характеристики голографической памяти используется понятие объемной плотности записи. Используемая в трехмерной голографии процедура заключения нескольких страниц с данными в один и тот же объем называется мультиплексированием. Традиционно используются следующие методы мультиплексирования: по углу падения опорного пучка, по длине волны и по фазе, но, к сожалению, они требуют сложных оптических систем и толстых (толщиной в несколько миллиметров) носителей, что делает их непригодными для коммерческого применения, по крайней мере, в сфере обработки информации. Однако совсем недавно Bell Labs были изобретены три новых метода мультиплексирования: сдвиговое, апертурное и корреляционное, основанные на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное - пучок еще более сложной формы. Кроме того, поскольку при корреляционном и сдвиговом мультиплексировании задействованы механические движущиеся элементы, время доступа при их применении будет примерно таким же, как и у обычных оптических дисков. Bell Labs удалось построить экспериментальный носитель на основе ниобата лития LiNbO₃, использующий технику корреляционного мультиплексирования с плотностью записи около 226GB на квадратный дюйм.

Другой сложностью, возникшей на пути создания устройств голографической памяти, стал поиск подходящего материала для носителя. Большинство исследований в области голографии проводились с использованием фотореактивных материалов (главным образом, упоминавшегося выше ниобата лития), однако если они годятся для записи голографических изображений ювелирных украшений, то этого никак нельзя сказать в отношении записи информации, да еще в коммерческих устройствах: они дороги, имеют слабую чувствительность и ограниченный динамический диапазон (частотная полоса пропускания). Поэтому был разработан новый класс фотополимерных материалов, обладающих неплохими перспективами с точки зрения коммерческого применения. Фотополимеры представляют собой вещества, в которых под действием света происходят необратимые изменения, выражающиеся во флуктуациях состава и плотности. Созданные материалы имеют более продолжительный жизненный цикл (в плане хранения записанной на них информации) и устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками, в общем, подходят для однократной записи данных (WORM).

Многие характеристики голограмм зависят от параметров пространственно-временных модуляторов света (SLM). Пространственно-временные модуляторы света изготавливаются в виде электрически либо оптически управляемых оптических транспарантов и характеризуются следующими параметрами:

- размеры линейной апертуры, мм;

- число элементарных ячеек;

- разрешающая способность, линии мм;

- рабочие и управляющие (ОУТ) длины волн, нм;

- величина управляющего напряжения (ЭУТ), В;

- коэффициент контраста (равен отношению разности максимального и ми­нимального пропусканий транспаранта к их сумме);

- быстродействие (время релаксации ПВМС);

- нелинейность передаточной характеристики;

- шумы.

В основе действия современных ПВМС лежат различные температурные, электрооптические, магнитооптические, акустооптические и др. явления – эффекты Поккельса, Керра, Фарадея, дифракция Брэгга и др. Типичные раз­меры линейной апертуры ПВМС составляют 20-30 мм. В качестве примера ПВМС с электрическим управлением световым потоком рассмотрим пьезокерамический модулятор (рис. 18). ПВМС на основе электрооптической керамики обладают преимуществами пе­ред большинством других ПМВС благодаря сравнительно низкой стоимости. Рабочим материалом здесь является пластина из поликристалла цирконата-титаната свинца легированного лантаном, толщиной около 100 мкм. В такой пьезокерамике образуются области спонтанной метрической поляриза­ции (домены), вектора ориентации которых в отсутствие внесшего доля рас­положены хаотично. При прохождении света через такую пьезокерамическую пластину состояние поляризации света изменяется незначи­тельно, так как средняя величина двулучепреломления при этом близка к нулю. При действии внешнего электрического поля, что обеспечивается соз­данием потенциального рельефа решеткой прозрачных электродов на по­верхности ЭУТ, направления векторов спонтанной поляризации доменов керамики выстраиваются вдоль вектора внешнего поля. Вследствие продоль­ного электрооптического эффекта Поккельса в разных участках пластины средняя величина двулучепреломления становится отличной от нуля, что приводит к изменению поляризации света, проходящего через данный уча­сток ЭУТ (рис. 3б). Пьезокерамические ЭУТ содержат до 10 000 ячеек размерами 0,3×0,3 мм, прозрачны в широком диапазоне длин волн 0,6 – 6,0 мкм, характеризуются высоким (1:500) контрастом и высокой (до 0,1 мс) ско­ростью срабатывания.

Рис. 18. Принцип действия пьезокерамического пространственного модулятора света: а – произвольная ориентация доменов в отсутствие внешнего поля, б – ориентирующее действие электрического поля на вектор поляризации световой волны.

Теоретически голограммы могут хранить 1 бит в объеме, который равен кубу длины волны лазера. Например, красный луч лазера на смеси неона и гелия имеет длину волны 632,8 нм, и совершенная голографическая память могла бы хранить 4 Гб в кубическом миллиметре. В действительности же плотность записи данных намного ниже, чему есть, по крайней мере, четыре причины: необходимость коррекции ошибок, недостатки и ограничения оптической системы, экономические (с увеличением плотности записи стоимость растет непропорционально быстрее) и физические ограничения (конечность длины волны лазера, междуатомного расстояния в кристалле записи и несовершенство оптических систем).

Работы по созданию голографической памяти начались более 40 лет назад, и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в США, имеют законченные разработки с голографическими дисками (Holographic Versatile Disc – HVD) и картами (Holographic Versatile Card – HVC), и наконец приступают к продаже своих первых коммерческих приборов. Рассмотрим несколько голографических устройств, уже вышедших на рынок.

Компания InPhase Tech пришлось находить новый носитель информации, который обладал бы высокой фоточувствительностью, стабильностью, оптической чистотой, возможностью лёгкого производства, который бы не разрушался при считывании, не подвергался воздействию внешних факторов и при этом оставался бы лёгким и тонким. Таким носителем стал фото-полимер, из которого стали изготавливать диски, заключённые в специальном картридже. Диск имеет диаметр 130 мм, чуть больше, чем стандартный компакт-диск или DVD. Когда свет попадает на этот материал, происходит химическая реакция, вырабатываются фотоны, записывающие данные. Этот процесс нельзя обратить, поэтому потребовалось создать дополнительные средства защиты, гарантирующие целостность записи как в процессе, так и после. Каждый диск Tapestry имеет встроенный чип, используемый для хранения карты данных, чем-то напоминающей FAT жёсткого диска. В этой библиотеке хранятся все данные о партициях, формате и положении данных. При установке диска в устройство, прежде всего, производится считывание информации с этого чипа. Если эти данные утеряны, считать информацию будет очень сложно, практически невозможно. Эти карты данных могут быть зашифрованы методом криптографии, так что доступ к ним получит только владелец информации. Ещё одно средство защиты - изменение длины волны лазера. Малейшее изменение длины волны лазера позволит защитить данные от считывания другими приводами, на которых установлена другая длина волны. Не зная длины волны, считать данные не получится. Длина волны лазера может изменяться от 403 до 407 нм. Последний, наиболее эффективный метод защиты данных - фазовая маска. Суть её заключается в том, что привод может накладывать определённую маску на пути лазерного луча, несущего данные. Эта маска потребуется как при записи, так и при считывании данных. После применения фазовой маски считать данные на стандартных приводах уже не получится. Эту функцию можно установить на некоторых приводах по заказу без увеличения стоимости продукта. Каждая маска уникальна, она получается с использованием генератора случайных чисел и повторить её не удастся.

Сегодня приводы Tapestry позволяют записывать 200 Гб диски со скоростью 20 Мб/с. До 2010 года компания InPhase Tech обещает достигнуть ёмкости 1,6 Тб и скорости записи 120 Мб/с. Время хранения данных на одном диске составляет не менее 50 лет, то есть эти диски очень долговечны, особенно по сравнению со стримерными картриджами.

Компания NTT продемонстрировала прототип принципиально иного накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных. Емкость носителя (100 слоев) размерами с почтовую марку – 1 Гб. Новая карта памяти была названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted Card), так как ее многослойная структура похожа на структуру породы слюды. Запись информации производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью технологии CGH (Computer Generated Hologram), и, наконец, эти голограммы записываются в виде особых структур на слоях носителя. Слои представляют собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображения в плоскости, параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD-сенсорами и декодируются в исходные цифровые данные.

Достоинства новой технологии Info-MICA состоят в высокой плотности записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного копирования данных с них и простоте утилизации. Первые кард-ридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители емкостью 1 Гб ($1–2) уже появились на рынке. В планах компании – выпуск Info-MICA ROM емкостью 10 Гб и разработка устройств записи и перезаписи носителей.

Наконец, разработка фирмы Optware отличается тем, что если для других систем требуются два отдельных луча – данных и опорного, в Optware лучи коллинеарные, что значительно упрощает конструкцию системы чтение/запись, повышает ее надежность, а также снижает стоимость. Эта коллинеарная система может использовать предварительно форматированные диски с адресными метками на поверхности гальванического покрытия, подобно технологиям CD и DVD. В то время как зелено-голубой лазер читает и записывает данные, лазер, генерирующий в красной области спектра, гарантирует прецизионное позиционирование. Система позиционирования сервопривода настолько подобна стандартному DVD, что дисководы Optware способны работать с дисками обоих типов. Коллинеарная технология также удобна для физического кодирования дисков, что позволит значительно повысить степень защиты авторских прав.

В заключении отметим, что Optware и InPhase выпустили свои устройства на коммерческий рынок. Стоимость дисководов приблизительно 15 000 долларов, а дисков – $120. Архивный ресурс гарантируется в течение 50 лет.

Технология двухфотонной записи информации

Если стандартные DVD имеют на каж­дой стороне лишь по два слоя для записи информации, то развиваемая сейчас двухфотонная технология запи­си (Two-photon 3D optical data storage) позволяет использовать по нескольку сот слоев на каждой стороне диска (созданные прототипы имеют 100 слоев при толщине 8 мм).

В основу "Двухфотонного трёхмерного оптического устройства хранения данных" (Two-photon 3D optical data storage), его изобретатель К. Белфилд положил принцип двухфотонного возбуждения (рис. 19). Говоря упрощённо, это когда некая светочувствительная молекула откликается флуоресценцией, поглотив сразу два фотона меньшей энергии, так, как если бы она поглотила один фотон большей энергии. Используя сочетание двух лазеров с разными длинами волны, можно добиться того, что на диск будет спроецировано очень чёткое изображение, с разрешением куда более высоким, чем возможно получить при одном лазере. Внутри этого изображения будут свои тёмные и светлые участки — будущие биты. При этом настройкой лазеров можно добиться того, что по паре фотонов получат всего несколько молекул в толще прозрачного материала, расположенных точно в той точке, где мы хотим записать очередную двоичную единицу. При этом целеуказание можно менять не только в плоскости диска, но и по его глубине, причём разницу между соседними слоями записи можно сделать очень маленькой, а число слоёв — большим (в первых опытах К. Белфилда это были 1 микрон и 33 слоя, соответственно). Для того, чтобы сохранить эту информацию, авторы придумали бихромофорный состав из молекул одной из производных флуорена и представителя класса диарилэтенов, которые реагируют на облучение той или иной частоты изменением своей формы.

Последнее вещество имеет два устойчивых изомера, так называемые открытый и закрытый типы. Вот вам и двоичные "ноль" с "единицей" на молекулярном уровне. При записи флуорен воспринимает фотоны и, словно гонец, передаёт полученную энергию диарилэтену, чтобы тот записал "единичку". Но главное, что требовалось придумать, — не как записывать информацию лазерами, а как ими же и считывать данные, причём чтобы они не стирались. Оказалось, что это легко сделать при помощи флуоресценции данного состава в ответ на облучение с определённой частотой.

Опыты показали, что надёжность считывания записи с такого диска остаётся безупречной даже после 10 тысяч циклов чтения, хотя всё же контраст по яркости отклика между "единичками" и "нулями" немного снижается.

Тем не менее, индуцированные изменения при этом могут быть зафиксированы как изменения абсорбции, флуоресценции, отражательной способно­сти или электрических свойств материала в точке рас­положения бита. Такая технология позволит сохранять до 100 Гбайт информации на одном диске того же, что CD и DVD, размера. Одной из перспективных сред, которая может, например, абсорбировать или флуо­ресцировать при записи битов, является материал spirobenzopyran. Однако при комнатной температуре записанная в нем информация может храниться не бо­лее 20 часов. Неограниченно долго данный материал может сохранять информацию только при температуре -32°С, то есть при температуре сухого льда. Исследует­ся также возможность использования для двухфотонной записи фотохромного протеина bacteriorhodopsin и нитронафтиальдегида (rhodamine B).

Рис. 19. Упрощённая схема двухфотонной записи. Красным цветом показан лазер. Качающееся зеркало управляет изменением координат X и Y, а линза — фокусировкой лазерных лучей по глубине диска. Справа: запись происходит благодаря изменению состояния полимера при получении энергии от светочувствительного вещества. Внизу: благодаря настройке лазеров можно вести запись (а потом — чтение) в очень большом числе слоёв.

Однако чисто оптические методы записи, в кото­рых среда для записи (или ее часть) расположена на за­метном расстоянии от лазера, имеют одно важное огра­ничение — минимальный размер бита записываемой информации ограничен величиной l/2. Это обуслов­лено дифракционными ограничениями. Даже при ис­пользовании голубого твердотельного лазера линей­ный размер одного бита информации может быть лишь около 215 нм. Таким образом чисто оптические методы позволят записывать в одном кубическом сантиметре не более 10¹⁴-10¹⁵ бит информации. При этом, для достижения в компьютерах плотнос­ти записи 10¹⁴ бит/см³ понадобится не менее 10 лет.

Заключение.

За последние несколько десятилетий наблюдался почти экспоненциальный рост возможностей микроэлектроники, основанной на кремнии. Однако в новом тысячелетии рост возможностей данной технологии существенно замедлится по двум причинам: во-первых, с уменьшением размеров ячеек памяти ограничивающую роль начинают играть фундаментальные физические законы, не позволяющие работать существующим структурам ячеек памяти; во-вторых, при применении специальных мер, устраняющих данные ограничения и повышающих степень интеграции устройств, экспоненциально повышаются затраты на их производство.

При использовании достижений нанотехнологии речь идет уже не об улучшении таких характеристик вычислительных систем, как объем, быстродействие и энергопотребление, а о создании новых принципов вычислений, свойственных биологической материи от природы. Такой подход, однако, в целом не исключает использования известных принципов электроники на молекулярном уровне.

Нанотехнологии позволят радикально изменить образ жизни человека. В дополнение к гигантскому росту плотности памяти она становится практически энергонезависимой, потребляющей мизерное количество энергии. В целом это позволит распространить действие закона Мура на XXI век.

Данный подход позволяет реализовать в будущем и второй закон Мура, который реже упоминается, но не становится от этого менее важным — уменьшение стоимости системы памяти пропорционально уменьшает стоимость производства изделия. Для этого необходимо решить чрезвычайно сложную задачу развертывания промышленного, конкурентоспособного производства компонентов на принципах нанотехнологии.

Наконец, разрабатываемые устройства должны в какой-то мере «вписаться» в существующее производство электронной аппаратуры и не требовать его полной реконструкции. Однако насколько все это близко к потребительскому рынку? Даже если ни одно из этих революционных решений не укрепится в ближайшее время в практической жизни, имеющиеся в настоящее время успехи в эволюционном развитии нанотехнологии достаточно впечатляющи. Реально практическое повсеместное применение устройств перспективной памяти можно ожидать уже в течение ближайших 5 – 10 лет. Сначала данные изделия будут применяться в исключительных случаях, когда им просто не найдется достойной альтернативы. Затем сфера их применения будет неуклонно расширяться.