«Если у вашего соседа такие технологии есть, а у вас нет, то вам будет плохо»

Со 2 по 6 октября в парк-отеле «Ершово» под Звенигородом при традиционной поддержке НИКСа прошла 15 Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2023» (ICMNE-2023). О том, какие вопросы обсуждались там, дает представление интервью с доцентом кафедры полупроводников и криоэлектроники Физического факультета МГУ Владиславом Шороховым.

Рис. 1. Схематичное изображение молекулярного одноатомного одноэлектронного транзистора на основе металлоорганического соединения родия, изготовленного в лаборатории криоэлектроники физического факультета МГУ. Получение изображения такого транзистора с помощью сканирующего электронного микроскопа невозможно ввиду малости молекулы. Транзистор работает при комнатной температуре.

С каким докладом вы выступали на конференции? Расскажите о нем и о своей научной работе в целом?

Я занимаюсь моделированием транспортных характеристик классических одноэлектронных устройств, молекулярных одноэлектронных устройств и одноатомных одноэлектронных устройств. Наверное, меня можно назвать генератором идей в нашей лаборатории. Придумываю и предлагаю экспериментаторам что-то новое. Мой доклад на конференции – «Одноатомные одноэлектронные устройства».

А что это такое – одноатомные одноэлектронные устройства?

Это наноэлектронные устройства, режим функционирования которых определяется структурно или химически «выделенными» одиночными атомами в какой-то специально подобранной молекуле или твердотельной матрице. Например, в очень тонком приповерхностном слое кристаллического полупроводника, расположенного на диэлектрической подложке. При правильном подборе и расположении «выделенных» атомов в этом устройстве могут возникать одноэлектронные эффекты и эффекты размерного квантования энергетического спектра электронов. Например, эффект кулоновской блокады, когда вы пытаетесь пропустить электрический ток через устройство, а ток не проходит, и только повышением напряжения вы можете эту блокаду снять. На основе таких устройств можно создавать субнанометровые рабочие одноатомные одноэлектронные функциональные элементы, а с их помощью, в перспективе, – электронные вычислительные и сенсорные системы сверхвысокой плотности и быстродействия.

Рис. 2. Полупроводниковый одноатомный одноэлектронный транзистор на основе структуры кремния на изоляторе с зарядовым центром на основе примесного атома фосфора. Транзистор изготовлен в лаборатории криоэлектроники Физического факультета МГУ. Работает при температурах жидкого гелия.

Это уже реально существующая технология?

Мы уже около 10 лет делаем одноатомные одноэлектронные устройства на основе кремния, карбида кремния и на основе металлоорганических соединений. Но пока эта работа находится на этапе фундаментальных исследований. Сейчас мы активно работаем с одноэлектронной резервуарной сетью на примесных атомах в кремнии. Это та же нейросеть для машинного обучения, но в ней в качестве нейронов выступают одноатомные зарядовые центры. Благодаря этому на «пяточке» диаметром примерно 200 нм вы имеете эффективно несколько тысяч искусственных нейронов. В современных нейроморфных процессорах хорошо если несколько десятков искусственных нейронов поместится в области размером 200 нм.

Рис. 3. Схемы различных резервуарных одноэлектронных сетей на основе квазидвумерного приповерхностного слоя примесных атомов в кремнии с векторной системой управления и считывания. Точки и линии изображают одноатомные зарядовые центры и туннельные переходы между ними. В реальной резервуарной сети количество зарядовых центров существенно больше, сотни и тысячи.

Эту сеть вы можете обучать для выполнения различных функций. Ее можно обучить быть цифровым или аналоговым элементом. Для практического использования такую сеть необходимо снабдить большим количеством электродов для входных, выходных и подстроечных сигналов. Пока в нашей резервуарной сети не очень много электродов – всего 8. Требуется гораздо больше. Если этого добиться, то получится что-то вроде нейропроцессора.

Но более реалистичное применение этой технологии – сенсоры. Как известно, одноэлектронный транзистор – это самый высокочувствительный электрометр. А тут, условно говоря, тысяча таких транзисторов в одном устройстве и каждый из них «чувствует» присутствие поляризационных зарядов в доли электрона. Если такую резервуарную одноэлектронную сеть натренировать на распознавание «севших» на нее молекул, то мы получим сенсор одиночных химических событий. Его можно использовать, например, в секвенаторах ДНК.

Рис. 4. Схема предполагаемого машинно-обучаемого однофотонного сенсора инфракрасного излучения на основе одноэлектронной резервуарной сети. Напряжение сток-исток используется для установки сенсора в пограничном подблокадном режиме наибольшей чувствительности.

Как повлияли санкции на вашу работу? Возникли какие-то проблемы? Или наоборот, к отечественной науке стало больше внимания?

Какие-то сложности возникли, но поскольку мы в нашей группе изначально все делали в России, непреодолимых проблем пока у нас нет. Мы ни на кого за рубежом не завязаны в технологическом плане, все нужные технологии у нас имеются. Есть, конечно, проблемы с запасными частями для лабораторного оборудования, но как-то выкручиваемся. Скажем так, на ходе наших исследований санкции пока существенного влияния не оказали.

А на счет большего внимания, мы же не снаряды разрабатываем, а занимаемся фундаментальными исследованиями. Поэтому, я бы сказал, уровень интереса к нашим исследованиям остался прежний. Конечно, мы всегда думаем, как сделать что-то полезное для общества в том направлении, которым мы занимаемся. В данный момент – это именно машинно обучаемые сенсоры электрического поля на резервуарных одноэлектронных сетях.

Что вообще интересного происходит в вашей области исследований в мире? Какие перспективные технологии могут появиться в результате этих исследований в будущем?

Сейчас в основном упор идет на квантовые вычисления, то есть все пытаются делать кубиты, в том числе и на полупроводниках. На одиночных атомах это сейчас сложновато сделать из-за необходимости точного ангстремного позиционирования, но, в принципе, любое полупроводниковое одноэлектронное устройство – это уже фактически кубит. И все одноэлектронщики в мире, конечно же, бросились делать твердотельные кубиты, потому что на это выделяют деньги. Мы тоже уже работаем в этом направлении. Хотел бы отметить, что первый сделанный в 1999 году выпускником нашей лаборатории твердотельный кубит – ловушка куперовских пар, является базовым одноэлектронным устройством. С этого устройства у нас на кафедре начинается изучение курса по одноэлектронике.

Вместе с тем, с провозглашением квантовой инициативы в США в начале 2000 годов по многим интересным программам нашего направления исследований произошло урезание финансирования. Как пример можно привести зарядовые клеточные автоматы. Есть такая компьютерная симуляция – игра «Жизнь». Ее придумал в 1970 году английский математик Джон Конвей. Это игра без игроков. В ней нужно задать начальные условия, после чего игровая ситуация развивается без какого-либо вмешательства согласно всего нескольким простым правилам. Несмотря на простоту, игра очень заинтересовала математиков и физиков. В начале 2000 годов были проекты по созданию вычислительных устройств на основе одноэлектронных клеточных автоматов, но в настоящее время ничего особо в этом направлении не развивается, потому что все пытаются делать кубиты.

Вы лично верите в то, что квантовый компьютер когда-то будет реально создан? Или это просто конъюнктура?

Вопрос создания универсального квантового компьютера открытый, потому что есть различные фундаментальные ограничения, которые пока не очень понятно, как преодолеть. Например, уровень шумов, который накапливается по мере передачи квантовой информации, просто колоссально возрастает с ростом числа кубитов, и что с этим делать – не очень понятно.

В то же время работа с квантовыми устройствами второго поколения – а это устройства, в котором вы можете управлять квантовой эволюцией, – полезна с фундаментальной точки зрения, потому что из этого можно много чего полезного получить, те же квантовые сенсоры и какие-то промежуточные, условно говоря, вычислительные системы.

Что касается конъюнктуры, то это обычное явление для науки. Лет 10 назад отовсюду звучало слово графен, а сейчас шумиха немного поутихла. Возможно, и с квантовым компьютером произойдет такая же история, и он окажется чем-то вроде термоядерного реактора, который 70 лет уже как создают. А может быть, буквально завтра появится работа, в которой покажут, как обойти эти принципиальные ограничения и сделать миллион полупроводниковых кубитов, которые позволят подряд выполнять тысячи квантовых операций, и тогда квантовое превосходство кардинально поменяет нашу жизнь.

Может быть, ChatGPT поможет написать такую статью? Вы им пользуетесь?

Пока нет. Мне не хочется возиться с обходом западных блокировок. Начать использовать, конечно, необходимо, но не для написания научных статьей, разумеется, а для поиска нужной информации, чтобы повысить свою эффективность. Например, не «продираться» к нужным знаниям сквозь десятки статей, а просто сформулировать задачу: есть такое-то уравнение – какие есть варианты решений, как их реализовать, что для этого надо? В этом смысле эта технология для меня была бы очень полезной.

Многие считают ChatGPT событием того же масштаба, как и появление персональных компьютеров и интернета. Вы согласны с такой оценкой?

Конечно. В свое время поисковик в интернете стал вехой, которая внесла существенные изменения в организацию труда многих людей. Если раньше надо было идти в библиотеку, рыться в картотеке, заказывать журналы и книги, то сейчас я могу, не вставая с кресла, за час получить доступ к сотням статей по нужной мне тематике. И вот сейчас появляется поисковик, который не просто ищет, но и обрабатывает по вашему заданию информацию в нужном вам виде и для этого от вас требуется минимум усилий.

Но мало ли что он вам подсунет? Может быть, недаром в связи с ростом беспокойства общественности по поводу быстрого развития технологий ИИ обучение ChatGPT-5 остановлено? Вы разделяете эти опасения?

Я думаю, кому надо, обучение проводят и никто ничего не приостанавливает, а говорить на публику могут все, что угодно. Все хотят хорошо жить и понимают, что если у вашего соседа по земному шару такие технологии есть, а у вас нет, то вам будет плохо. Опасения, что сейчас появится какой-то искусственный интеллект, который все захватит или всех поработит, – это, на мой взгляд, пока преувеличенные фантазии. Без помощи каких-то злодеев ИИ этого не сделает. Доберутся ли злодеи до него – это вопрос. Люди, которые владеют соответствующими технологиями, хорошо понимают риски, которые они несут, в том числе для них самих.

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям.