С когерентностью волн, описывающих поведение электронов, связана еще одна новая и очень важная парадигма развития компьютерной техники. Дело в том, что на основе фазовых состояний электронных волн теоретически можно создать информационные и вычислительные системы, которые по своим возможностям будут значительно мощнее всех существующих компьютеров, действующих, как известно, на основе простой бинарной логики, связанной с двумя возможными состояниями. Будущие устройства, уже названные квантовыми компьютерами, представляют собой сейчас одно из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники. С другой стороны, из-за упомянутой чувствительности квантовых систем придется постоянно учитывать, что квантовые когерентные состояния являются очень «хрупкими» и могут легко разрушаться при взаимодействии электрона с окружением. В квантовых компьютерах будет возникать множество диссипативных процессов, в первую очередь – из-за колебаний молекул в органических и неорганических материалах самого устройства. Когерентность и другие квантовые эффекты резко ослабляются при нагреве любых атомно-молекулярных структур, вследствие чего для практического наблюдения и использования этих эффектов необходимо работать при низких температурах (для справки отметим, что при комнатной температуре длина когерентности в кристалле кремния составляет всего несколько десятых долей нанометра).
Вообще говоря, квантовые эффекты в полупроводниковой технике сейчас выступают в несколько необычной и даже забавной роли. С одной стороны, как отмечалось выше, они являются основным препятствием к дальнейшей миниатюризации и совершенствованию привычных полевых МОП-транзисторов на основе кремния. С другой стороны, при отказе от весьма распространенного и ценного полевого эффекта, эти же квантово-механические явления позволяют создать целый ряд совершенно новых устройств, работающих на иных принципах и имеющих гораздо меньшие размеры. К числу физических явлений, которые начинают проявляться в нанометрическом масштабе и вполне могут быть использованы для конструирования новых приборов, следует отнести, прежде всего, квантовую интерференцию, отрицательное электрическое сопротивление, одноэлектронные процессы и т. п. Особую ценность многим квантовомеханическими эффектам придает их связь именно с наномасштабами процессов и устройств, а не с конкретными материалами, то есть новые принципы могут быть реализованы в самых разных системах (металлы, полупроводники, нанопроволоки, углеродные нанотрубки, молекулярные соединения и т. п.). Некоторые из этих разнообразных возможностей более подробно рассматриваются ниже.
Еще раз повторим, что как только размеры используемых структур становятся меньше характерной длины фазовой когерентности, физическая картина изменяется и протекающие через вещество электроны начинают проявлять квантовые, волновые свойства, характеризующиеся интерференцией, туннелированием через энергетический барьер, квантованием энергии и импульса и т. п. Свойства таких систем еще требуют изучения, систематизации и классификации. Например, известный физик Рольф Ландауэр из фирмы IBM сумел в очень элегантной теоретической работе показать, что уравнения, описывающие характеристики одномерного проводника (типа нанопроволоки), почти совпадают с теми, которые используются для описания давно применяемых в физике электромагнитных волноводов. Напомним, что такие волноводы обладают несколькими «режимами» работы, проводимость которых ограничена значением фундаментальной константы
Квантование проводимости вещества было впервые экспериментально доказано в работах конца 80-х годов, осуществленных в лабораториях университетов Кембриджа и Дельфт (Голландия) на специально изготовленных полевых транзисторах при очень низких температурах. Характерной особенностью этих транзисторов был так называемый «расщепленный» затвор, создающий одномерное устройство с полевым эффектом. Позднее выяснилось, что квантование проводимости в разной форме проявляется во многих явлениях переноса и в самых разных системах (общие флуктуации проводимости, шумы, квантовый эффект Холла и т. п.). На основе аналогии этих явлений с уже известными эффектами (в поведении пассивных микроволновых структур) было предложено много схем и устройств, использующих новые явления. Из них стоит отметить так называемые «направленные» элементы связи (ответвления) и вычислительные квантовые устройства на связанных волноводах. Интересные результаты были получены исследователями из Лундского университета (Швеция), изучавшими так называемые разветвленные структуры с баллистическим механизмом переноса электронов (баллистическая мода переноса наблюдается в полупроводниках при очень малой толщине проводящего материала и характеризуется отсутствием электрического сопротивления). В этих работах была доказана возможность создания устройств нового типа (нелинейных переключателей, простейших логических устройств), работающих на квантовых эффектах даже при комнатной температуре.
