Elektronikk

Et bruksområde som har vært preget av nanoteknologi i flere år er innenfor elektronikk. Flere viktige innretninger som smarttelefoner, datamaskiner, LED-skjermer, minne- og prosessorteknologi, benytter seg av nanoteknologi. For å forstå dette må vi til en viktig teknologisk oppfinnelse, kalt transistoren, som står for mye av den elektroniske utviklingen vi har sett de siste 50 årene. Enkelt sagt fungerer en transistor som en bryter eller forsterker. Når en kombinerer flere transistorer kan en danne et logisk system av transistorer for å utføre enkle matematiske operasjoner som addisjon, subtraksjon, divisjon og multiplikasjon, noe som er grunnlaget i enhver prosessor. Siden transistoren ble oppfunnet i 1947 av John Bardeen og William Bradford Shockley, har de blitt mindre og mindre [1]. Ved overgangen til år 2000 var størrelsen på transistorene redusert til et sted mellom 130 og 250 nanometer, mens den minste transistoren som har blitt konstruert per 2016 har en størrelse på 1 nanometer [2]. Denne utviklingen er ofte oppsummert i Moores lov som sier at tettheten av transistorer dobles hver 18. måned. Reduksjonen i størrelsen på transistoren medfører at tettheten av transistorer øker, og som ofte betyr høyere ytelse på prosessorene.

En mulig arvtager til dagens datamaskiner er kvantedatamaskiner som benytter seg av kvantemekanikk og kvanteeffekter. Informasjon i dagens datamaskiner lagres som bits, det vil si som enten 0 eller 1, ved å bruke transistorer som brytere. I kvantedatamaskiner har en et tilsvarende begrep, kvantebit eller qubit. En qubit kan også befinne seg i en tilstand 0 og 1, men til forskjell fra tradisjonelle datamaskiner, kan en qubit også befinne seg i en superposisjon av tilstandene 0 og 1 [3]. Med andre ord, gitt at man har et elektron med et ubestemt spinn, vil spinnet kunne befinne seg i en tilstand som er en superposisjon av spinn opp og spinn ned,

|ψ⟩ = α |0⟩ + β |1 ⟩,

hvor er Diracs notasjon for en tilstand i Hilbertrommet, mens α og β er komplekse sannsynlighetskoeffisienter med tilhørende basistilstander |0⟩ og |1⟩ som elektronets spinn kan befinne seg i. Summen av kvadratet av de komplekse sannsynlighetskoeffisientene skal summeres til 1 ved normering,

|α⟩2 + |β⟩2 = 1.

Dette medfører at spinnets tilstand kan befinne seg i en av et uendelig antall spinntilstander, avhengig av kombinasjonen av α og β [3]. Spinnet er i dette tilfellet i en superposisjon mellom to tilstander, |0⟩ og |1⟩. Når en øker antall qubits med en, vil antall sannsynlighetskoeffisienter dobles. Dette gir et stort beregningspotensial for kvantedatamaskiner [3].

Et selskap som har klart å høste fruktene av kvantedatamaskiner er D-Wave Systems og bygger på et prinsipp som heter Quantum Annealing. Kvantedatamaskinen kan blant annet brukes i optimaliseringsproblemer, maskinlæring, videkomprimering og Monte Carlo-simuleringer og dette er arbeidsoppgaver tradisjonelle datamaskiner har store utfordringer med å håndtere på grunn av mengden informasjon som skal prosesseres. Likevel er kvantedatamaskinen til D-Wave Systems også begrenset til slike oppgaver og kan generelt ikke brukes som tradisjonelle datamaskiner [4].

IBM er et annet selskap som har bygget en fungerende kvantedatamaskin med 5 qubits. De har i tillegg gjort kvantedatamasikene skybasert slik at alle som er nysgjerrige kan prøve den. Antallet qubits er likevel svært lite, og kan derfor ennå ikke brukes som en tradisjonell datamaskin. IBM påstår derimot at når antall qubits ligger et sted mellom 50 og 100 så vil den virkelig begynne å bli betydningsfull, og det er noe IBM håper på å få bygget iløpet av få år [5].

  1. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1956/, 22.03.2017.
  2. S. B. Desai, S. R. Madhvapathy, A. B. Sachid, J. P. Llinas, Q. Wang, G. H. Ahn, G. Pitner, M. J. Kim, J. Bokor, C. Hu, H.-S. P. Wong, and A. Javey. Mos2 transistors with 1-nanometer gate lengths. Science, 354, 07 October 2016.
  3. Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition. Cambridge, 2010.
  4. https://www.dwavesys.com/tutorials/background-reading-series/introduction-d-wave-quantum-hardware, 22.03.2017.
  5. http://research.ibm.com/ibm-q/business/, 22.03.2017.