Транзистор — это простейшая машина, используемая в современном компьютере для переключения битов. Без реализуемой с его помощью операции инвертирования невозможно построение базисной логической функции — основы цифрового мироздания. В старое доброе время люди, объясняя принцип действия транзистора, называли его по инерции электронным реле и даже сравнивали с водопроводным краном. В наше время — наоборот, пытаясь объяснить работу новых элементов, говорят: транзистор оптический, молекулярный или квантовый. Вот уж, действительно, понять — значит привыкнуть и научиться пользоваться! В конце XX века информационные технологии вплотную приблизились к возможности реализации радикальных идей квантовой физики. Осторожность при знакомстве с ними не будет лишней. Например, на сайте www.BlackLightPower.com сообщается о создании нового типа атомарного водорода (hydrino) с энергией, лежащей ниже энергии основного состояния, определяемого законами квантовой механики. А для желающих выйти в параллельные миры с целью передачи сообщений со скоростью, превышающей скорость света, предлагается патент №6025810 (What‘s New, 17 Mar 00, info.ripn.net ). Лев Давидович Ландау (Нобелевская премия по физике 1962 года за работы по сверхтекучести квантовых жидкостей) подобные случаи объявлял патологией и далее вопрос не обсуждал. Но вот уже несколько лет в солидном научном журнале «Physical Review» существует раздел, регулярно публикующий работы по проблемам телепортации, издревле считавшейся занятием колдунов и мистиков. Однако в данном случае терминология не должна вводить в заблуждение, квантовая телепортация — это не патология, а часть современной физики, рассматривающая передачу информации на квантовом уровне. Именно в эту область ведет рост рабочей частоты и уменьшение размеров элементарных узлов вычислительных устройств.

Кучка атомов — кластер или молекула — вот информационная микромашина недалекого будущего. Это и есть тот уровень миниатюризации, на котором существенны пространственные квантовомеханические эффекты. Квантовый размер малых систем задается длиной волны де Бройля (de Broglie) составляющих системы частиц и расстоянием, на протяжении которого сохраняется когерентность волновой функции. Учтя энергию валентных электронов и зоны проводимости, мы получаем значение длины волны, соответствующей частице, — около нанометра. На подобных расстояниях в квантовом мире становятся заметными явления, невозможные в классической физике, например, прохождение частиц через стенки силовых полей — туннелирование.

Другая важная характеристика волны — длина когерентности. Она характеризует предельное расстояние, на котором волна сохраняет фазу. На меньших расстояниях возможны квантовые эффекты, аналогичные интерференции световых волн. В обычных условиях длина когерентности электрона в твердом теле не превышает 10 нм, поскольку примеси и тепловые колебания атомов сбивают фазу электронной волны. Так что работающие при комнатной температуре суперсовременные 0,13-микронные чипы (130 нм) — это еще не квантовая электроника, но уже где-то рядом. Промышленно развита технология получения квантовых размеров лишь в тонких пленках в направлении, перпендикулярном поверхности (1D-структуры). Сборка более сложных 2D- и 3D-квантовых структур в настоящее время осваивается в лабораториях.

Физические свойства малой частицы вещества — кластера (cluster) — сильно отличаются от свойств больших тел того же химического состава. Например, кластер ртути (которая является металлом), состоящий всего из семидесяти атомов (чуть более 1 нм в поперечнике), по своим свойствам напоминает полупроводник, а состоящий из трех десятков атомов — диэлектрик. Силовое поле, создаваемое атомным или молекулярным кластером, образует потенциальную яму, в которой могут накапливаться другие частицы, например электроны или экситоны. Для создания силовых барьеров в целях удержания квантовых частиц и манипуляции ими можно использовать кластеры металлов, диэлектриков и полупроводников. По установившейся терминологии, квантовой ямой (quantum well) называется любая структура, в которой движение частицы ограничено по одной координате. Если движение ограничено по двум координатам, такая яма называется квантовой нитью, а если по всем трем — квантовой точкой (quantum dot).

Энергия частицы в потенциальной яме квантуется, то есть может принимать только определенный набор значений (рис. 1), причем в широкой яме (рис. 1а) расстояние между энергетическими уровнями меньше, чем в узкой (рис. 1б). Если яма имеет стенки конечной высоты и ширины, частица может покинуть яму, даже не обладая достаточной энергией для преодоления потенциального барьера классическим путем (рис. 2). Это явление называется туннелированием, и оно является чисто квантовым. Однако чем барьер толще и выше, тем меньше вероятность того, что частица покинет ловушку.

На рис. 3 показано преодоление частицей одиночного потенциального барьера. Амплитуда волны, прошедшей через барьер, меньше, чем до встречи с ним, однако энергия туннелировавшей частицы при этом не изменяется! Такой барьер для частицы может играть роль полупрозрачного зеркала.

На основе квантовых ям и барьеров можно создавать квантовые транзисторы — устройства переключения сигналов, переносимых квантовыми частицами. С этой целью были разработаны методы формирования квантовых структур различной конфигурации и размера. Так, ширину ямы или барьера можно регулировать, изменяя размер кластера, а высоту или глубину — изменяя его химический состав. Параметрами квантовых ям можно управлять и с помощью приложенного электрического, магнитного или светового поля. Кроме того, можно изготавливать кластеры разной формы, сплющивая или вытягивая их в разных направлениях. Иногда квантовые структуры получают путем создания дефекта в кристаллической решетке, образуя там вакансию или внедряя примесный атом или ион. Сегодня в арсенале физиков имеется богатый набор квантовых систем: ямы, нити, точки, пленки, а также нанотрубы, наносферы, «гигантские атомы», сверхрешетки, фотонные кристаллы и др. Явлениям туннелирования и интерференции мы обязаны рождению таких новинок квантовой электроники, как сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и квантовый транзистор.