Science, 13 Aug 93, Vol. 261, pg, 852 - Bill Buzbee - Fino a poco tempo fa si ricorreva ai supercomputers per calcoli di elevata complessità. Si trattava di macchine superpotenti, ma estremamente costose. Recentemente si va affermando come alternativa a basso costo il cluster di workstation cioè un insieme di potenti microprocessori collegati in rete. Ciò è stato possibile con i progressi dei VLSI (Very Large Scale Integrated Circuit) che hanno permesso la rapida ascesa dei personal computers soppiantando le classi dei microcomputer e dei mainframe. Oggi le workstation hanno prestazioni che si misurano in milioni di flops (floating point operations) per dollaro.
Science, 17 Sep 93, Vol. 261, pg. 1569 - Seth Lloyd - La ricerca dei limiti fisici dei calcolatori ha portato a definire dispositivi logici reversibili e senza dissipazione in cui gli elementi di informazione o bits vengono registrati come quanti della meccanica quantistica ad esempio spin. Si può concludere che un computer quantistico può essere realizzabile. Si tratta di considerare un array di elementi quantistici costituito da un eteropolimero in cui ogni elemento possiede uno stato eccitato a lunga durata: lo stato eccitato rappresenta lo 1 logico e quello diseccitato lo 0 logico. Nella transizione coerente si emette o si assorbe un fotone o una frequenza e non c’è dissipazione. Solo il processo di correzione di errore è un processo irreversibile e comporta dissipazione. Non ci sono fili che collegano gli elementi logici, ma una appropriata sequenza di impulsi fra gli elementi può creare un collegamento attraverso l’array. Se ogni elemento possiede anche uno stato eccitato 2 che decade nello stato 0 in un tempo più breve dello stato 1, lo si può utilizzare per la lettura dei dati e per la correzione degli errori. Per leggere il valore di un bit lo si trasferisce ad un estremo e quindi si applica un impulso capace di portare lo stato 1 allo stato 2 che decade rapidamente; se il decadimento avviene il bit era 1 altrimenti non viene emesso nessun fotone.
Science, 24 Sep 93, Vol. 261, pg. 1670 - Gary Taubes - Nel settembre 1983 la IBM poneva fine al programma di ricerca per computers ultraveloci basati su materiali superconduttori mediante la giunzione di Josephson, formata da due strati di superconduttori separati da una sottile barriera isolante. Nel 1991 anche i giapponesi abbandonavano questo campo di ricerca, ma un altro tentativo è in corso presso la State University di New York da parte di due scienziati russi, Likharev e Semenov, con un nuovo tipo di logica in cui i livelli 1 e 0 non sono basati su differenze di potenziale, ma su un quanto di magnetismo o Rapid Single Flux Quantum (RSFQ). Se il metodo ha successo si potranno raggiungere velocità di 50 miliardi di cicli al secondo 100 volte più veloci dei più veloci dispositivi al silicio. Il limite ottenibile sarà di 300 miliardi di operazioni al secondo con un consumo infinitesimo dato l’impiego di superconduttori. Lo schema RSFQ non richiede la commutazione fra superconduzione e non-superconduzione ma, in un piccolo anello superconduttore di niobio noto come SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), viene immagazzinato o rilasciato un quanto di magnetismo. L’anello è interrotto da uno strato isolante che crea una giunzione di Josephson e brevi impulsi di corrente possono acquisire o rilasciare l’unità magnetica in tempi inferiori al picosecondo. Attualmente è in corso la creazione di una completa libreria di unità logiche elementari e la fabbricazione di circa 10 chips al mese. Si conta di poter dimostrare entro la prossima estate dei prototipi funzionali come un analog-to-digital converter ed un magnetometro contenenti migliaia di switches a giunzione di Josephson. Il futuro successo di questi dispositivi dipenderà dalla tecnologia e dalla soluzione dei problemi di fabbricazione in competizione con la tecnologia al silicio.
Science, 13 Oct 95, Vol. 270, pg, 255 - David P. Di Vincenzo - Riducendo le dimensioni dei bit delle logiche a quelle di un atomo gli effetti della meccanica quantistica possono cambiare profondamente la natura del calcolo. In un computer quantistico lo stato di un bit può essere descritto da una funzione d’onda con coefficienti complessi il cui modulo quadro rappresenta la probabilità dello stato. Tutti gli stati esistono simultaneamente fino a che non vengono misurati.
Science, 12 Apr 96, Vol. 272, pg. 199 - Barry Cipra - Il calcolatore quantistico è ancora un sogno dei teorici; nessuno ha ancora costruito un tale calcolatore. Uno dei problemi è la nota fragilità degli stati quantici che rende i sistemi quantici vulnerabili agli errori. Per garantire la correttezza delle informazioni i computer classici si servono dei codici a correzione di errore, ma questa strategia non è applicabile con la tecnica quantistica perché leggere o copiare uno stato significa alterarlo. Il bit quantico o qubit non è semplicemente 0 o 1, ma una combinazione dei due stati con coefficienti che hanno un significato probabilistico. Un sistema a n qubit è la combinazione di 2^n stati classici con coefficienti che rappresentano la probabilità che il sistema “collassi” in quello stato quando i qubit vengono misurati. Un modo di salvaguardare il contenuto di informazione di un qubit è quello di distribuirla su 9 qubit, ma ancora nessuno sa come eseguire poi un calcolo su informazioni distribuite su qubit multipli.
Science, 5 Jul 96, Vol. 273, pg. 37 - Random Samples - Ricercatori dell’Università di Tokyo hanno costruito il più veloce computer del mondo capace di eseguire 1,08 trilioni di operazioni floating point al secondo, o Teraflop. Il computer si chiama GRAPE-4 ( per GRAvity PipE) e deve servire per simulazioni di sistemi astronomici su grande scala con l’analisi di n-corpi interagenti per gravità. Per realizzarlo è stato creato un chip speciale che esegue le operazioni ripetitive in hardware in una struttura di 1692 processori integrati.
Science, 23 Aug 96, Vol. 273, pg. 1073 - Seth Lloyd - Negli ultimi 50 anni le memorie dei computer si sono ridotte di dimensioni di un fattore 2 ogni 2 anni. Questo processo di miniaturizzazione si arresterà quando l’elemento di memoria diventerà tanto piccolo da acquistare un comportamento quantistico. Ad esempio se l’elemento di memoria diventa un atomo questo assumerà il livello logico 1 se eccitato, ma per la meccanica quantistica l’atomo potrà essere allo stesso tempo eccitato o no e questo lascia in dubbio circa il tipo di problemi che un calcolatore quantistico può risolvere in modo efficiente. Sembra evidente invece che un calcolatore quantistico può simulare in modo efficiente l’evoluzione nel tempo di un sistema quantistico cosa molto difficile da fare con un calcolatore convenzionale che si trova ad affrontare in questo caso un’esplosione esponenziale di dati.
Science, 30 Aug 96, Vol. 273, pg. 1164 - Gary Taubes - Più di 10 anni fa il fisico Richard Feynman ebbe l’idea di realizzare il più veloce computer usando nella sua struttura gli stati quantici. Nonostante il gran numero di studi non è stato ancora mostrato come un calcolatore quantistico possa realmente funzionare. Ora un consorzio di ricercatori del Caltech, del MIT e dell’università della Southern California hanno creato un istituto per Quantum Information and Computing (QUIC), con un finanziamento di 5 milioni di US$ della DARPA, per rispondere alle seguenti domande: a) quanto sia efficace; b) quali problemi siano adatti per lui; c) quanto deve essere perfetto per funzionare. I computer quantistici soffrono di due handicap: 1) le leggi della fisica quantistica limitano l’ammontare delle informazioni che si possono estrarre da un computer quantistico per cui le sue applicazioni sono limitate alla moltiplicazione di grandi numeri ed alla simulazione di altri sistemi quantistici come i superconduttori ad alta temperatura; 2) la sovrapposizione degli stati quantici è estremamente fragile, ogni contatto con l’ambiente esterno porta ad un processo di decoerenza per cui il valore collassa all’uno logico. Il problema è quindi quanto a lungo si potrà prolungare un calcolo con sistemi quantistici in un ambiente rumoroso.
Science, 20 Sep 96, Vol. 273, pg. 1655 - Gary Taubes - Dopo aver raggiunto la velocità di un trilione di operazioni al secondo (teraflops) i ricercatori affrontano il prossimo passo: il petaflops o i 1000 trilioni di operazioni al secondo che comprimerà in 30 sec il lavoro di un anno della più potente workstation. La collaborazione della NASA, DOE, NSF, NSA e DARPA ha creato l’Interagency Petaflops Initiative Computing Group e si prevede che il primo petaflops supercomputer verrà costruito entro i prossimi 10 anni. Si stanno studiando ora architetture e tecnologie esotiche per raggiungere lo scopo. Ad un estremo c’è il parallelo di parecchie migliaia di processori a superconduttori, a metà strada circa 100000 cluster di processori convenzionali al silicio, all’altro estremo il parallelo di 1 milione di processori semplici. Qualunque sia la soluzione vi sono due problemi da affrontare: il tempo di latenza, cioè il tempo che impiegano i dati ad arrivare dalla memoria durante il quale il calcolatore è in attesa, e la simultaneità, cioè la capacità del processore di lavorare a più di una sequenza in modo da occupare i tempi di attesa. Per un computer che fa un’operazione in un trilionesimo di secondo (10 picosecondi), limite dell’attuale tecnologia, l’eliminazione del tempo di latenza richiede che l’hardware sia concentrato entro 3 mm di diametro, distanza percorsa dalla luce in 10 picosecondi, ed ogni processore dovrebbe avere un centinaio di compiti su cui lavorare e, per 10000 processori, si avrebbe un parallelismo di un milione di compiti. Inoltre l’uso della tecnologia convenzionale al silicio porterebbe al consumo di decine o centinaia di megawatt. Una tecnologia alternativa sarebbe quella che usa gli SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) la cui velocità è 200 volte superiore alla massima prevedibile di qui a 10 anni per il silicio. La nuova logica è chiamata RSFQ (Rapid Single-Flux Quantum) logic e sarebbero necessari da 1000 a 10000 processori con un consumo da 30 a 300 w. Il tempo di latenza è di 1 nanosecondo e saranno necessari 100 compiti per processore. Un’alternativa meno esotica è quella detta PIM (processor-in-memory) che può raggiungere la velocità del petaflops con un grande numero di processori semplici. Questa tecnologia minimizza il tempo di latenza mettendo nello stesso chip da 16 a 64 processori insieme alla memoria necessaria. L’architettura PIM richiederà da 10 a 100 mila di tali chips. Fra le due tecnologie estreme, RSFQ e PIM, ce ne sono molte altre intermedie. Altri problemi riguardano il software (petaprogramming), le memorie per l’oceano di dati generati dalla macchina (uso di memorie olografiche?), le comunicazioni con l’esterno e la presentazione dei dati forse con display tridimensionali. Lo sforzo costerà circa 400 milioni di US$ ogni anno per 10 anni. Il petaflops computer sarà utile per problemi da risolvere in tempo reale come analisi cliniche, effetto di contaminanti e modelli della borsa; analisi che oggi richiedono 2 settimane sarebbero eseguite in circa 1 secondo; altre applicazioni riguardano campi multidisciplinari come nel progetto di aerei dove il progetto dell’aerodinamica e della struttura deve massimizzare anche fabbricabilità ed affidabilità e minimizzare rumore e costi; vi sono poi le simulazioni a livello globale della Terra in cui si manipolano contemporaneamente tutti i fattori e si potrà forse realizzare un simulatore ragionevole di un’esplosione nucleare.
Science, 15 Nov 96, Vol. 274, pg. 1079 - Robert F. Service - Ricercatori del laboratorio di Zurigo della IBM stanno realizzando il primo abaco di dimensioni nanometriche composto di molecole sferiche di carbonio allineate su una superficie di rame. L’abaco può memorizzare in ogni riga numeri da 0 a 9 spostando la molecole ad una ad una su un lato mediante uno scanning tunneling microscope (STM).
Science, 13 Dec 96, Vol. 274, pg. 1819 - Robert F. Service - Nel 1965 Gordon Moore della Intel Corp. predisse che il numero di transistor nei computer chips si sarebbero raddoppiati ogni 18 mesi. Questa previsione si trasformò nella “legge di Moore” ed è stata rispettata negli ultimi 35 anni. Oggi molti esperti di semiconduttori temono che presto non sarà più valida. La tecnica della litografia è progredita riducendo la lunghezza d’onda e l’attuale stato dell’arte usa già la luce ultravioletta (UV), si potrà continuare per altri 10 anni usando lunghezze d’onda ancora più corte, ma oltre non sarà più possibile. I ricercatori stanno lavorando per allungare la vita della legge di Moore e ci sono alcune tecniche possibili: fasci di elettroni, raggi X o raggi UV di alta energia. Il problema è se si potranno tracciare miliardi di elementi all’ora per essere economicamente validi. Forse il più forte candidato è la litografia a raggi X con una lunghezza d’onda di 4 nanometri che potrà tracciare figure delle dimensioni di 0,017 micrometri, 175 volte più piccole dello standard attuale. Nel 1994 la IBM ha realizzato 64 milioni di transistor su un chip di memoria tipo DRAM, la Toshiba ha inciso 4,7 milioni di dispositivi in un chip con tracce minime di 0,13 micrometri, tuttavia vi sono ancora da superare delle difficoltà; ad esempio le lenti convenzionali non possono focalizzare i raggi X e non si possono così usare lenti per ridurre le maschere che debbono essere quindi della stessa dimensione del wafer e sono difficili da tracciare. I ricercatori cercano di aggirare il problema usando elettroni ad alta energia, ma la scrittura è sempre molto lenta. Gli ostacoli più grandi poi non sono tecnologici, ma economici, quando aumenta il numero di dispositivi in un chip aumenta la probabilità di avere difetti e di scartare il chip; aumentare l’affidabilità significa aumentare i costi, ma piccolo significa anche migliore ed uno degli obiettivi dei progettisti è di integrare nello stesso chip ambedue le funzioni di logica e di memoria cosa che da sola avrà un tremendo impatto anche economico.
Science, 17 Jan 97, Vol. 275, pg. 303 - Robert F. Service - I costruttori di chip nella corsa alla miniaturizzazione sempre più spinta ed alla riduzione di potenza intravedono una soluzione in dispositivi che manipolano un elettrone alla volta detti “single-electron devices”. L’elemento base è il single electron transistor (SET) simile al metal-on-oxide field effect transistor (MOSFET) in cui il channel è costituito da “quantum dots” cioè microscopiche isole di metallo o semiconduttore di circa 10 nm circondate da isolante. Gli elettroni non possono affollarsi nelle isole per effetto della reciproca repulsione e applicando una tensione fra drain e source saltano uno alla volta. I primi esperimenti sono stati fatti raffreddando i dispositivi a temperature molto basse, poi alla Hitachi ed alla Stanford University si sono costruiti SET a temperatura ambiente con isole di 5-10 nm in silicio o titanio policristallino. La stessa tecnica viene applicata per una nuova generazione di random access memory (RAM). L’elemento di memoria del tipo single-electron device memorizza un bit di informazione come presenza o assenza di un singolo elettrone o di un piccolo gruppo di elettroni. Se nell’isola del channel non ci sono elettroni basta mezzo volt fra drain e source per fare passare corrente e questo rappresenta lo stato 0. Per creare lo stato 1 si applica una tensione più alta fra gate e source e drain e questo sposta un elettrone nell’isola. Si ridurrà così drasticamente la corrente fra drain e source indicando la presenza dello stato 1. Attualmente il maggior problema per queste nuove memorie è l’affidabilità. Per un comportamento uniforme dei milioni di elementi di memoria è necessario che la struttura cristallina sia estremamente uniforme.
Science, 17 Jan 97, Vol. 275, pg. 307 - Gary Taubes - In teoria un computer quantistico consente di eseguire calcoli complessi come quello di trovare i fattori primi in modo estremamente veloce perché ogni qubit rappresenta la sovrapposizione dei due stati 1 e 0 quindi n bit rappresentano 2^n numeri. Il problema è che i qubit devono essere isolati da ogni influenza esterna onde evitare il fenomeno di decoerenza che fa collassare la sovrapposizione degli stati quanto-meccanici in quelli della meccanica classica. Ora Niel Gershenfeld del MIT e Isaac Chuang dell’Università di S. Barbara in California propongono di usare la risonanza magnetica nucleare (NMR), largamente impiegata nelle immagini mediche e nelle analisi chimiche, per riprodurre degli stati quantici. Il vantaggio della NMR è che gli spin up-or-down dei nuclei atomici, come stato quantistico, hanno lunga vita perché sono protetti da ogni influenza esterna inoltre i vari spin presenti in una molecola sono accoppiati fra di loro. Nella spettroscopia nucleare si può definire lo spin di un liquido come se si trattasse di una sola molecola e questo è sufficiente per creare un elemento di logica quantistica.
Science, 14 Feb 97, Vol. 275, pg. 920 - Alexander Hellermans - La scorsa settimana l’Unione Europea (EU) ha lanciato un progetto di ricerca, parte del programma Esprit, da 37 milioni di US$ nello sforzo di realizzare chip di memoria sempre più capaci. I limiti stanno nelle dimensioni delle celle e nel consumo di energia. Il programma si orienta verso l’architettura delle single-electron tunneling (SET) memories nelle quali un bit di informazione è costituito da un singolo elettrone. L’obiettivo è di produrre entro il 2015 una memoria SET capace di 10E12 bit di informazioni ed il programma è chiamato FASEM (Fabrication and Architecture of Single-Electron Memories) e viene affrontato da un consorzio di laboratori in UK, Francia, Germania, Belgio e Grecia. Il problema più grave è quello di mettere a punto un sistema di fabbricazione riproducibile e controllabile con la precisione di un nanometro. Il primo passo del consorzio è quello di realizzare entro 3 anni un array 4 x 4 di memoria single-electron su substrato di silicio inclusi i circuiti di scrittura e lettura.
Science, 15 Aug 97, Vol. 277, pg. 898 - James Glanz - Circa 6 anni fa due ingegneri dell’università di Notre Dame nell’Indiana, Craig Lent e Wolfgang Porod, hanno proposto uno schema per comprimere al massimo i circuiti logici usando degli array di “quantum dots” nei quali i singoli elettroni passano per effetto tunnel da un dot ad un altro e realizzando dei domini detti Quantum-dots Cellular Automata (QCA) con cui, in principio, è possibile ridurre di un fattore 50000 le dimensioni del più piccolo transistor. Le celle QCA eliminano anche la proliferazione dei collegamenti. Ogni cella consiste in un dispositivo di 4 quantum dots ed è occupata da due elettroni la cui mutua repulsione li costringe ai due vertici opposti; sono possibili due configurazioni che corrispondono agli stati binari 1 e 0. Il salto da un dot all’altro avviene per effetto tunnel ed è condizionato dalle celle vicine, l’informazione passa quindi per interazione e non per trasmissione di impulsi, non c’è quindi corrente e poco calore viene generato. Inoltre più piccoli sono i dot meglio avviene il confinamento degli elettroni impedendo che le fluttuazioni termiche li strappino dalla loro posizione e le celle più piccole possono operare a temperatura ambiente. La cella viene attualmente realizzata con 4 areole puntiformi di alluminio su una superficie di biossido di silicio, ma la tecnologia non è ancora ottimizzata.
Science, 20 Mar 98, Vol. 279, pg. 1967 - TECH.SIGTH: Robert Sikorski and Richard Peters - Recentemente è stato proposto di impiegare le straordinarie proprietà della struttura del DNA nel campo dell’elettronica. Si tratta di usare le catene di DNA per realizzare piste di argento estremamente sottili nei circuiti integrati e questa tecnica potrebbe sostituire quella di etching. Le molecole di DNA agiscono come un ponte fra due elettrodi quindi la molecola di DNA viene trasformata in conduttore rimpiazzando il sodio del suo scheletro con argento e trasformandola in un filo conduttore da 100 nm. Questo spessore che è ancora troppo grande paragonato ai 3-20 nm ottenibili con le tecniche laser, ma si spera che il processo possa essere affinato.
Science, 10 Apr 98, Vol. 280, pg. 229 - Jonathan A. Jones - I computer quantistici potrebbero rivoluzionare molte branche della scienza affrontando problemi troppo vasti per i computer classici, ma benché la teoria sia ben compresa, la realizzazione di un computer quantistico si è dimostrata estremamente difficile e fino ad ora è stato possibile dimostrare solo le operazioni più semplici. Tuttavia negli ultimi anni si sono ottenuti rapidi progressi con l’uso della spettroscopia basata sulla Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Il progetto delle unità elementari è basato sul quantum bit (qubit) e sul quantum logic gate. I valori del qubit non sono limitati agli stati indicati come |0) e |1), ma anche a |0) + |1) che rappresenta la sovrapposizione dei due stati cioè i due stati simultaneamente. In un computer NMR il qubit è implementato dagli stati di spin di un nucleo atomico in un campo magnetico. Poiché in una molecola sono distinguibili più atomi, una molecola può essere usata come computer quantistico a più qubit. Un logic gate viene realizzato con un campo a radiofrequenza che interagisce fortemente con lo spin dei nuclei controllandoli con grande precisione. Per eseguire calcoli interessanti sono necessari più gate complessi che siano capaci di fare interagire un qubit con altri qubit e questo si può fare utilizzando l’interazione di accoppiamento spin-to-spin. Poiché però il segnale NMR di una sola molecola è molto debole, è necessario usare un gran numero di identiche copie di molecole per amplificare il segnale e per questo bastano pochi milligrammi del composto chimico, ma ciò che è difficile è assicurarsi che tutte le copie inizino il calcolo dallo stesso stato iniziale e questo ha impedito per molto tempo una realizzazione pratica. Nel 1970 sono state presentate due soluzioni, ambedue descrivono come “distillare” uno stato puro iniziale da un miscuglio complesso e fare in modo che gli altri stati di partenza si cancellino fra di loro e non diano contributo. Così sono stati realizzati due calcolatori NMR a 2-qubit basati su nuclei H e C 13 di cloroformio ed un altro con due nuclei H di cytosina. Il prossimo passo sarà quello di implementare algoritmi più complessi su sistemi più grandi ed un sistema a 3-qubit è stato già dimostrato; un numero maggiore di qubit presenta difficoltà crescenti e sembra che 6 sia un limite, ma fino a questo momento la tecnologia NMR è l’unica praticabile.
Science, 18 Sep 98, Vol. 281, pg. 1781 - Andrew Watson - Nella corsa alla miniaturizzazione dei circuiti di calcolo si arriverà a dispositivi che dovranno operare secondo le regole della meccanica quantistica, ma un computer quantistico per funzionare dovrà superare la tendenza delle informazioni quantistiche a degradarsi spontaneamente. Sembra ora che un modo per superare questo problema sia nell’identificare e correggere gli errori, il trucco sta però nel localizzare l’errore senza leggere il messaggio. L’idea di base è di distribuire l’informazione di un qubit in un famiglia di qubit connessi in modo che l’informazione sia sempre ricuperabile nel caso che uno si corrompa. Si è usata la risonanza magnetica nucleare (NMR) per codificare i qubit nell’orientamento magnetico degli atomi di una molecola. Il 7 settembre il Physical Review Letters ha descritto le prove su due molecole: l’alanina, un ammino acido, e il tricloroetilene che forniscono tre nuclei orientabili e connessi e quindi due qubit di controllo per la correzione. Si può mettere così in evidenza un disallineamento e correggerlo con un impulso. Le prossime esperienze sono orientate a un sistema più complesso con 5 qubit.
Science, 20 Nov 98, Vol. 282, pg. 1405 - James Glanz - Dopo 3 anni di lavoro un team del National Institute of Standards and Technology (NIST) è riuscito a realizzare un calcolatore quantistico con due qubit e quindi il primo raddoppio nella complessità del sistema. La coppia è costituita da due ioni intrappolati a bassa temperatura e correlati. Poiché un qubit può assumere due valori allo stesso tempo, due qubit ne possono assumere quattro ed all’aumentare del numero dei qubit la potenza di calcolo cresce esponenzialmente. Un computer da 40 qubit sarebbe più potente di ogni altro attualmente esistente. La struttura di un computer con molti qubit è quella di una fila di ioni raffreddati ed intrappolati con una combinazione di compi elettrici statici e a RF; i qubit sono rappresentati dallo spin degli ioni e questi vengono eccitati mediante segnali laser a frequenza opportuna; gli ioni sono legati come da una corda risonante a frequenze discrete quantizzate.
Science, 9 Apr 99, Vol. 284, pg. 274 - Charles G. Smith - Nel 1994 Tougaw e Lent hanno proposto una nuova tecnica di trasferimento di informazioni con una struttura cellulare in cui si propaga uno stato di polarizzazione. La cellula base contiene 4 quantum dots, isolette di metallo o semiconduttore, ai quattro angoli che possono intrappolare delle cariche elettriche per accoppiamento tunnel; la repulsione di coulomb assicura che le cariche si dispongono sugli angoli opposti di ogni cella e l’informazione si propaga senza intervento di corrente. I problemi derivano dal fatto che tali dispositivi funzionano a temperature di 0,1 K (-272,9 °C), è difficile misurare la polarizzazione sull’ultima cella alla fine del calcolo e le tolleranze di fabbricazione devono essere molto strette.
Science, 30 Apr 99, Vol. 284, pg. 722 - Robert F. Service - Nella realizzazione di un computer quantistico la maggiore difficoltà sta nell’accoppiare insieme più qubit; l’uso di spin magnetici o di luce polarizzata non fa superare questa difficoltà. Ora un team della NEC, ha usato un dispositivo a superconduzione che permette ad una coppia di elettroni di saltare fra due isole di metallo attraverso una sottile barretta e, oscillando fra le due posizioni, creare la coppia di stati zero e uno. Per influenzare il comportamento di un secondo qubit si applica una tensione continua ad un elettrodo laterale che aggiunge un livello di energia alla coppia di elettroni e li trasferisce ad un probe; questo acquisterà una coppia di elettroni se questa è presente nell’isola altrimenti rimarrà allo stato zero. Il problema è che la coppia di elettroni oscilla solo per 2 nanosecondi e quindi viene risucchiata dal probe mentre dovrebbe rimanevi indefinitamente.
Science, 13 Jul 2001, Vol. 293, pg. 201 - Dennis Normile - Il GRAPE-6 è oggi il più veloce supercomputer del mondo, l’ultimo di una linea di macchine che ha silenziosamente rivoluzionato le simulazioni di astrofisica. Lo sviluppo fu iniziato nel 1988 da un piccolo team di ricercatori dell’università di Tokyo con budget limitato il cui scopo era quello di simulare la formazione dei pianeti, l’evoluzione di cluster di stelle e la collisione fra galassie. La macchina doveva essere quindi orientata al calcolo dell’attrazione gravitazionale fra più corpi dove al crescere del numero di questi il numero di operazioni cresce quadraticamente perché ognuno interagisce con tutti gli altri. L’idea di base fu di creare un circuito dedicato a questa routine con connessione a pipeline di componenti off-the-shelf e la macchina fu chiamata GRAvityPipE e quindi GRAPE. Il gruppo completò la prima macchina nel 1989 con una capacità di 120 milioni di flops (floating point operations) quando il più veloce supercomputer disponibile era capace di 1 miliardo di flops (1 gigaflops), ed il costo era stato di solo 3000 US$ e lo si poteva subito utilizzare 24 ore al giorno. Il GRAPE-2 fu completato l’anno successivo con una accuratezza numerica superiore ed i risultati scientifici non si fecero attendere. Altri ricercatori nel mondo cominciarono a chiedere come avere un loro GRAPE ed il gruppo fece un accordo con una piccola ditta elettronica per costruirli e venderli con un discreto ritorno economico. Il GRAPE-3 fu la prima versione utilizzata anche da altri gruppi, montava circuiti custom che avevano un’intera pipeline in un chip ed aveva 48 chip in parallelo. Un balzo in avanti si ebbe nel 1995 con il GRAPE-4 che aveva 1692 chip in parallelo e superava la barriera del Teraflops con una velocità massima di 1,08 Teraflops. In quell’anno il più veloce supercomputer, un modello della Fujitsu raggiungeva solo i 280 gigaflops. Seguì il GRAPE-5, ottimizzato per una più bassa accuratezza e potenza ed ultimo il GRAPE-6 ancora da 1 Tflops che si può espandere modularmente. La comunità degli astrofisici ha ora un mezzo relativamente economico per realizzare un laboratorio virtuale di astrofisica e questa filosofia di un sistema dedicato ha interessato anche i ricercatori che si interessano alla dinamica molecolare governata dalle attrazioni di Van der Waals e si è dimostrata la possibilità di modificare un GRAPE per le simulazioni della formazione di proteine.
Science, 3 Aug 2001, Vol. 293, pg. 785 - Robert F. Service - La riduzione delle dimensioni delle piste nei chip ha dei limiti nella lunghezza d’onda usata nella tecnica litografica. L’uso della luce ultravioletta ha permesso di raggiungere gli 80 nanometri nei wafer al silicio e questo dovrebbe portare la velocità dei circuiti integrati dagli 1,5 GHz ai 10 GHz nel 2005-06. Le prossime tecnologie dovrebbero raggiungere i 10 nanometri, le stesse dimensioni dell’elettronica molecolare. La nuova tecnologia è quella della litografia con l’estremo ultravioletto (EUV). Per ogni lunghezza d’onda usata le dimensioni minime ottenibili sono pari alla metà di essa; l’attuale produzione usa lunghezze d’onda di 248 nanometri e questo permette delle dimensioni di circa 120 nanometri. La prossima tecnologia si sta spingendo verso la lunghezza d’onda di 193 nanometri ed il limite di 157 per ottenere gli 80 nanometri. Al di sotto di 157 nanometri si entra nel campo dello EUV (radiazioni X morbide) ed a questo punto tutto cambia perché nessun materiale è trasparente a queste lunghezze d’onda e non si possono realizzare lenti per focalizzarle. Si deve ricorrere a specchi riflettenti. Usando una sorgente laser da 13 nanometri si sono realizzati specchi curvi con precisioni in scala atomica formati da 80 strati alternati di silicio e molibdeno e, poiché l’aria assorbe le radiazioni EUV, il tutto deve essere piazzato nel vuoto. Il risultato è una macchina di 3 x 3 m alta 4 m posta in camera pulita per evitare ogni contaminazione. La ricerca con EUV è iniziata negli anni ‘80, Intel, Advanced Micro Devices ed altri hanno investito 250 milioni di dollari in 5 anni per il prototipo di una macchina EUV. IBM ed altri lavorano a tecnologie alternative con fasci di elettroni. L’industria dei semiconduttori, che oggi è un affare da un trilione di US$ all’anno, vuole portare al limite le capacità dei circuiti al silicio prima di orientarsi al nuovo campo dell’elettronica molecolare.
Science, 14 Sep 2001, Vol. 293, pg. 2044 - James D. Meindl - Dal 1960 al 2000 i progressi della tecnologia al silicio hanno ridotto di cinque ordini di grandezza l’energia associata ad una transizione binaria ed hanno aumentato di nove ordini di grandezza il numero di transistor per chip. Tuttavia un’analisi dei limiti fisici della tecnologia mostra che esiste ancora un enorme potenziale sufficiente per raggiungere il trilione di transistor per chip cioè la terascale integration (TSI) usando la tecnica di metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) e raggiungendo uno spessore di ossido nel gate di 1 nanometro, una larghezza di canale di 3 nanometri e una lunghezza di canale di 10 nanometri. Questo potenziale potrà portare dall’attuale densità di molti miliardi di transistor per chip a quella di molti trilioni di transistor per chip.
Science, 9 Nov 2001, Vol. 294, pg. 1293 - Greg Y. Tseng - La miniaturizzazione su scala micrometrica ha fatto recentemente ulteriori passi avanti verso la realizzazione dei nanocomputer dimostrando la possibilità di costruire circuiti logici con le molecole di nanotubi di carbonio e di poter assemblare circuiti logici realizzati con la tecnica di nanofili semiconduttori. I nanotubi fra due contatti metallici su un substrato di silicio si comportano come transistori ad effetto di campo e guadagno di potenza molto maggiore di 1 e la tecnica usata è quella della litografia a fascio di elettroni. La seconda tecnica sfrutta nanofili semiconduttori in geometria incrociata che realizzano circuiti OR ed AND a diodi, ma anche transistor field-effect. Diverse sono anche le tecniche di assemblaggio tuttavia vi sono ancora molti problemi da superare per integrare un computer su scala molecolare. Integrando un trilione di circuiti logici molecolari in un centimetro quadro il collo di bottiglia è la proliferazione delle interconnessioni e la ricerca di sistemi innovativi per l’assiemaggio in modo economico e con precisione molecolare.
Science, 5 May 2006, Vol. 312, pg. 672 - Adrian Cho - Il metodo litografico nella realizzazione di maschere per i circuiti integrati potrebbe superare le limitazioni fondamentali dell’ottica classica aprendo la strada a maschere con semplici laser e continuare a ridurre le dimensioni dei transistor nei microchips usando tecnologie standard. Sembra una cosa semplice, ma i ricercatori devono ancora studiare a lungo per metterla in pratica. Il disegno dei transistor e dei circuiti viene scritto con un pennello laser su un film detto photoresist deposto sopra il wafer di silicio. Per l’ottica classica i dettagli del disegno non possono essere più sottili di mezza lunghezza d’onda, che è il cosiddetto limite di diffrazione. Per questo motivo si deve usare luce di lunghezza d’onda sempre più piccola come quella ultravioletta o i raggi X molli. Il problema è che le lenti ordinarie non funzionano con le lunghezze d’onda più corte. I fisici sanno che in teoria si può superare il limite di diffrazione usando gli strani comportamenti quantistici. Il metodo consiste nel dividere la luce in due fasci, far percorrere due cammini diversi e ricombinarli sulla superficie dell’oggetto in modo da interferire e creare un disegno di fasce luminose ed oscure. I due fasci però devono essere costituiti da fotoni entangled, un legame quantistico per cui due fotoni si comportano come uno singolo con energia doppia e lunghezza d’onda metà. In tal modo i dettagli disegnati possono essere la metà del limite di diffrazione. Usando più fotoni entangled si possono ottenere dettagli ancora più sottili. Questa litografia quantistica è però ancora lontana dall’essere applicabile industrialmente perché è difficile produrre fotoni entangled. Ora un fisico della Texas A&M University ed il suo team hanno concepito uno schema per ottenere lo stesso risultato con ordinaria luce laser non entangled. Invece di dividere un fascio laser se ne usano due di frequenza leggermente diversa. Facendo convergere i due fasci sullo stesso punto, se si sono regolate opportunamente le due frequenze, il photoresist assorbe da uno dei due l’energia di due fotoni ed il dettaglio si riduce alla metà della lunghezza d’onda. Fino ad ora i ricercatori hanno dimostrato di poter realizzare disegni di linee parallele, ma in teoria ogni disegno si può realizzare sovrapponendo delle linee.