Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 22 – vyšlo 26. července, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Sen o optickém tranzistoru

Petr Kulhánek

Objev tranzistoru v roce 1947 v Bellových telefonních laboratořích (Shockley, Bardeen, Brattain) znamenal naprostý převrat v elektrotechnice. Napětím přiváděným na bázi je možné ovládat velikost proudu tekoucího polovodičovým tranzistorem. Tranzistor se stal součástí veškerých integrovaných obvodů a dnes ho nalezneme v každé elektronické součástce. Bez tranzistorů by nefungovaly počítače, televize, mobily, různé senzory, vyhodnocovací zařízení ani další přístroje. Postupující miniaturizace znamená, že v počítačových a přístrojových čipech je na malé ploše obrovské množství tranzistorů, které potřebují stále více energie a produkují nechtěné teplo, které je třeba z čipu složitě odvádět. Pokud by se namísto elektrického proudu k logickým operacím využilo světlo, vyřešilo by to oba problémy (se spotřebou i s odpadním teplem) a navíc by mohlo dojít k další miniaturizaci součástek. Tok světla by musel být nějakým jednoduchým, ale nelineárním mechanizmem řízen – analogicky, jako je řízen proud tekoucí tranzistorem. O takovém řešení uvažoval ve své doktorské práci Andrew Daves z Dukeovy univerzity ve Spojených státech již v roce 2008. Ovlivnění průchodu světla rezonanční dutinou za pomoci souboru atomů nebo molekul úspěšně otestovali v Laboratoři fyzikální chemie a optiky v roce 2009 ve švýcarském Curychu. Jednoduchý princip skutečného optického tranzistoru demonstroval tým z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. vedený Vladanem Vuletićem na počátku roku 2013. Tým byl složen z pracovníků MIT, Harvardu a Vídeňské technické univerzity. Výsledky byly publikovány v časopise Nature v červenci roku 2013. I když jde zatím jen o demonstraci principu optického tranzistoru, byl nepochybně učiněn první krok, který bude znamenat další revoluci v elektrotechnickém průmyslu. I když název elektrotechnický ztrácí v novém kontextu svůj původní význam.

Tranzistor jako samostatná součástka. Zdroj: Historická kolekce Arnolda Reinholda

Foton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.

Superpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|² ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|² mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná.

Kvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností.

Kvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů.

Kvantový svět

Při postupné miniaturizaci se nutně dostáváme do oblasti kvantového světa, kde neplatí pravidla, na která jsme si zvykli v makrosvěte. Po miliony let se vyvíjely naše smysly, kterými se vynikajícím způsobem orientujeme ve světě nám běžných rozměrů. Nejsme ale vybaveni receptory elektrického a magnetického pole, nedokážeme vnímat elementární částice a jejich vlastnosti a náš mozek se je za každou cenu snaží interpretovat jako malé kuličky, přestože se někdy chovají i jako vlny. Svět malých rozměrů je obtížně uchopitelný našimi smysly a jeho chování nám připadá velmi podivné. Upozorněme zde na několik odlišností mezi kvantovým mikrosvětem a lidským makrosvětem.

Komutativnost

Od malička jsme se ve škole učili, že 3×5 je totéž co 5×3, že zkrátka ab = ba, tj. násobení je komutativníKomutace – symetrická vlastnost objektů vzhledem k zavedené operaci, platí například při běžném násobení nebo sčítání čísel: AB = BA, A+B = B+A. Svět na malých škálách nekomutuje, měření dvou veličin závisí na jejich pořadí. Znbsp;tohoto faktu plynou velmi odlišné vlastnosti mikrosvěta od makrosvěta.. Ve světě malých rozměrů je vše jinak. Změříte-li polohu elementární částice a poté její hybnost, dostanete jiný výsledek než při měření v opačném pořadí. Je to dáno tím, že samotný akt měření principiálně ovlivňuje objekty mikrosvěta a objekt po měření už není stejný, jako byl předtím. Ke změření polohy elektronu musíme použít foton, který se od něho odrazí, předá mu hybnost, a tím pozmění jeho stav. Nekomutativnost je základní vlastností mikrosvěta a k aktu měření dokonce nemusí ani dojít. Míra nekomutativnosti mikrosvěta je vyjádřena základní konstantou kvantové teorie, tzv. redukovanou Planckovou konstantouRedukovaná Pl. konstanta – (1,054 571 68 ± 0,000 000 18)×10⁻³⁴ J·s. . Přímo s nekomutativností souvisí nemožnost současného určení polohy a hybnosti. Čím přesněji změříme polohu, tím menší máme informace o hybnosti objektu a naopak. V mikrosvětě nebudeme mít nikdy zcela úplné informace o všech makroskopických parametrech objektů.

Planckova konstanta je mírou nekomutativnosti mikrosvěta.

Superpozice

V makrosvětě nemůžeme být nikdy ve dvou stavech naráz. Není možné být současně v posluchárně na přednášce a přitom popíjet pivo s přáteli v oblíbené restauraci. Pro objekty mikrosvěta jde ale o zcela běžnou vlastnost. ElektronElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. může procházet dvěma nebo více štěrbinami naráz, neutronNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. může být v tíhovém poli nad podložkou v několika výškách současně, fotonFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. může být současně v obou ramenech interferometru a hypotetická Schrödingerova kočka, která pochází z mikrosvěta, může být v superpozici stavů živé i neživé kočky. Že je to absurdní? Pro skutečnou kočku ano, pro objekty mikrosvěta jde o zcela běžnou záležitost. Takové objekty jsou zpravidla v superpozici mnoha stavů (kvantových možností, chcete-li) a při aktu měření se sčítají amplitudy pravděpodobností všech možností:

A = A₁ + A₂ + A₃ + A₄ + ···

Pravděpodobnost, že v přístroji některou z možností naměříme, je dána druhou mocninou velikosti (absolutní hodnoty) příslušné amplitudy, například w₃ = |A₃|², celková pravděpodobnost výskytu je dána výrazem w = |A|². To je obrovský rozdíl oproti klasické fyzice, kde se sčítají pravděpodobnosti všech možností. Ve světě malých rozměrů sčítáme amplitudy pravděpodobností. Důsledkem je kvantová interferenceKvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností., při které jsou některé možnosti posíleny a jiné zcela vyloučeny. Může se stát, že půjde-li světlo k detektoru více rameny interferometru, detektor žádné světlo nezaznamená (došlo k destruktivní interferenci), a pokud v jedné z cest dáme překážku, detektor začne světelný paprsek zaznamenávat (podmínky destruktivní interference byly narušeny). Méně tedy může v kvantovém světě znamenat více! (menší počet možností šíření světla způsobí, že detektor začne zaznamenávat tok fotonů).

Nelokálnost

Kvantová teorie není lokální teorií. To znamená, že měření provedené na určitém objektu může okamžitě odhalit vlastnosti objektu, který je velmi vzdálený. Pokud dvě částice vznikly rozštěpením nějaké jiné částice a víme, že mají opačný spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole., potom jsou už navždy spolu propojeny, říkáme, že mají propletené kvantové stavyPropletený stav (entanglement) – kvantový stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z propleteného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Nelze ale měřit stav jedné částice aniž bychom ovlivnili druhou. . Změřením spinu jedné částice určíme i spin druhé, byť by byla libovolně daleko. Na první pohled by se mohlo zdát, že jde o šíření informace nekonečnou rychlostí, nicméně mezi objekty se žádná informace nešíří. Poněkud nepřesně si to lze představit jako dvě rukavice, o kterých víme, že kdysi tvořily pár. Pokud kdykoli v budoucnosti nalezneme levou rukavici, automaticky víme, že ta druhá je pravá, byť by byla kdekoli. Nelokálnost souvisí i s principem superpozice – jeden jediný foton může být v obou ramenech interferometru současně, není lokalizován v žádném konkrétním místě. Situace je zcela odlišná od klasické mechaniky, kde vlastnosti objektů ovlivňuje především jejich bezprostřední okolí a od vzdálenějších objektů se jejich působení šíří konečnou rychlostí. V kvantovém světě jsou objekty ovlivněny i jinými, velmi vzdálenými objekty, se kterými mají propletené stavy.

Světlo interagující se zrcadlem. To, zda projde, nebo neprojde je určeno nelokálními vlastnostmi fotonů, tedy konstrukcí celého přístroje. Průchod konkrétním zrcadlem závisí na poloze ostatních zrcadel a vlastnostmi prostředí mezi nimi, není dán jen oním konkrétním zrcadlem, které sledujeme. Zdroj: Jonas Schmöle, VCQ, Vídeňská univerzita.

Optický tranzistor

Skupina odborníků z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. využila k realizaci optického tranzistoru kvantových vlastností světla v rezonanční dutině. Tu si můžeme představit jako prostor se dvěma zrcadly, mezi kterými se neustále sem a tam odráží slabý světelný paprsek. Situaci můžeme popsat buď za pomoci elektromagnetických vln rozprostřených mezi zrcadly, nebo za pomoci fotonů, které jsou současně v dutině a i u obou zrcadel, jsou tedy nelokálně rozprostřeny. Pokud by zrcadlo bylo jediné, paprsek se od něho odrazí. Pokud jsou zrcadla dvě, dojde ke kvantové interferenci, a pokud je správně nastavena vlnová délka světla a velikost rezonanční dutiny, paprsek zrcadly prochází, zrcadla jsou průhledná a „tranzistor“ je v sepnutém stavu. V experimentu na MIT byla dutina vyplněna velmi chladnými cesiovýmiCesium – Caesium, chemický prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Cesium je měkký (měkkčí než vosk), lehký a zlatožlutý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od ostatních alkalických kovů je spolu s rubidiem těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Cesium bylo objeveno roku 1860 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. atomy. Za normální situace tyto atomy se světlem procházejícím mezi zrcadly neinteragují. Pokud ale zvnějšku přiletí jediný foton a excituje elektron v cesiovém atomu, situace se dramaticky změní. Excitovaný atom naruší poměry v rezonanční dutině a pečlivě nastavená průhlednost zrcadel pomine. V provedeném experimentu poklesla průhlednost zrcadel na 20 procent původní hodnoty. Ten jediný foton, který změnu způsobil, si lze představit jaké bázi tranzistoru. Pokud do dutiny nevletěl, byl tranzistor sepnutý a světlo procházelo (logická jednička). Po jeho vletu do rezonanční dutiny se změnily poměry, světlo přestalo procházet a tranzistor se vypnul (logická nula). Celé zařízení tedy působí jako optický spínač. Mohlo by se ale využít i obráceně, tj,.. jako velmi citlivý senzor k detekci jediného fotonuFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., který vlétl do rezonanční dutiny.

Provedený experiment je jen demonstrací principu optického tranzistoru. Skutečná realizace na nanometrických škálách bude pravděpodobně muset spíše fungovat na bázi pevné látky, nikoli superchladných cesiových atomů v dutině. Ale i v pevné látce si lze představit ovlivnění průchodu světla jedním jediným fotonem, který například změní vlastnosti polovodiče. Optický tranzistor by se mohl stát základní součástkou nejenom elektronických zařízení budoucnosti, ale i kvantových počítačůKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů., neboť je založen na superpozici stavů, která je kvantovému počítači vlastní. Zdá se, že průmyslová realizace optického tranzistoru by nemusela být hudbou příliš vzdálené budoucnosti.

Umělecká vize optického tranzistoru. Zdroj: Christine Daniloff/MIT.

Odkazy