Выше уже отмечалось, что квантовые эффекты не позволяют просто уменьшать размеры уже существующих полевых МОП-транзисторов. По этой же причине завершаются неудачей многие попытки создать квантовые когерентные устройства, исходя из их аналогии с волноводами. Исследователям никак не удается обеспечить точную работу таких волноводов из-за квантовых флуктуаций, связанных как с наличием случайных атомов примесей в материале, так и из-за сложности регулирования процессов и размеров в наномасштабе вообще. Со временем эти недостатки будут преодолены, однако следует помнить, что фундаментальными ограничениями для наноустройств этого типа останутся характерная длина когерентности и время существования квантовых состояний с фазовой когерентностью. Это заставляет еще раз задуматься о новых материалах для электронной промышленности, поскольку эти характерные величины имеют очень малые значения для кремния при комнатной температуре.
В последние годы ученые все чаще пытаются использовать для создания наноустройств еще одну чисто квантовую характеристику электронов или любых других заряженных частиц. Речь идет о «спине», под которым физики подразумевают внутренний (иногда его называют собственным) магнитный момент, присущий всем элементарным частицам, обладающим электрическим зарядом. Наличие спина обнаруживается при взаимодействии частиц с полем и проявляется в том, что спин в электромагнитных полях может иметь лишь два направления или ориентации, которые условно можно назвать спин-вверх и спин-вниз. Этому квантово-механическому свойству вещества за весь XX век не удалось подобрать удачного классического аналога или объяснения, а его название (оно происходит от английского слова
Существование двух спиновых состояний у элементов любой системы позволяет использовать множество материалов для создания запоминающих устройств, в качестве примера можно упомянуть выпуск магнитных запоминающих устройств на основе ферромагнетиков (объем производства в этой области давно превышает десятки миллиардов долларов!). В реальной жизни все такие запоминающие устройства устроены очень просто и работают на основе записи или считывания информации в двоичной системе, когда одна ориентация спина соответствует цифре 1, а другая – цифре 0. При переходе к нанотехнологиям исследователи могут не только продолжить традицию записи информации в двоичном коде, но даже воспользоваться совершенно новым, квантовым принципом записи информации. Прототипом вычислительных элементов, построенных на принципах квантовой механики, могут стать так называемые «кубиты», под которыми подразумеваются гипотетические устройства или системы, способные достаточно долго сохранять квантовые состояния с фазовой когерентностью. Выше уже упоминалось, что время существования квантовых состояний электрона с фазовой когерентностью очень мало. Речь шла о когерентности волн де-Бройля, между тем когерентность спиновых состояний электронов в полупроводниках уже сейчас варьируется в пределах от наносекунд до миллисекунд, что позволяет исследователям серьезно относиться к проектированию квантовых вычислительных и запоминающих устройств.
Далее, при уменьшении размеров обычных транзисторов исследователи сталкиваются с проблемой обеспечения исключительно высокой чистоты используемых материалов, так как даже один случайный атом примеси может менять характеристики сверхмалых полупроводниковых устройств. Однако, преодолев это препятствие и научившись реально манипулировать отдельными электронами в наномасштабных системах, ученые получили возможность создать целый набор совершенно новых типов устройств или даже приборов. Для пояснения принципов и особенностей работы таких одноэлектронных систем можно рассмотреть задачу о емкости одноэлектронного транзистора с очень небольшим туннельным переходом (речь идет о емкости системы из двух очень малых проводников, разделенных сверхтонким слоем изолятора).
