За пикоэлектроникой. Физич. смысл фемтодиапазона

В.К. Петросян (Вадимир). Мировая пикоэлектроника. Прошлое, настоящее, будущее. Проектирование Метаразвития. Тома 1-6

За пикоэлектроникой: физический смысл фемтодиапазона

1. Фемтометр как физический масштаб
2. Атомная и ядерная размерные области
3. Почему обычное уменьшение транзисторов здесь неприменимо
4. Возможные квантовые и иные физические направления исследований
5. Долгосрочные горизонты постпикоэлектронных технологий



*********

© В.К.
Петросян (Вадимир) © Lag.ru [Large Apeironic Gateway, Большой Апейронический
Портал (Шлюз), Суперпортал в Бесконечность].

При копировании данного материала и размещении его на другом сайте, ссылки
на соответствующие локации порталов Lag.ru и Proza.ru обязательны

Работа написана на основе концепции и разработок В.К. Петросяна при полноценном соавторстве (активном творческом и техническом участии) ChatGPT (OpenAI), GPT-5.6 Sol

******
За пикоэлектроникой: физический смысл фемтодиапазона

Глава продолжает исследовательскую логику глав 3–4, но посвящена принципиально иному физическому рубежу — переходу от атомных и электронных структур к масштабам атомного ядра.

В основе главы лежит важное разграничение: фемтометр является характерной единицей измерения ядерных размеров, но из этого не следует возможность создания транзисторов размером один фемтометр. Постпикоэлектронные технологии необходимо искать прежде всего в новых физических принципах управления информационными состояниями, а не в механическом уменьшении существующих устройств.

Особое внимание уделено экспериментам 2024–2026 годов с ядерным переходом тория-229. В октябре 2026 года опубликованы результаты реализации ядерных часов с обратной связью — существенное достижение на пути к практическим устройствам, использующим энергетические состояния ядра.


Nature

+2

Далее представлен полный текст пяти разделов, заключение, перспективная карта исследований и научная библиография.

Глава 5. За пикоэлектроникой: физический смысл фемтодиапазона
От атомарно управляемых электронных структур — к исследованию ядерных состояний, новых квантовых принципов и долгосрочных физических оснований постпикоэлектронных технологий.

Введение. Фемтодиапазон как новый физический рубеж
В предыдущих главах была рассмотрена перспектива перехода от современной наноэлектроники к пикоэлектронике.

Показано, что пикоэлектронику нельзя рассматривать как простое продолжение геометрического уменьшения транзисторов.

Её физический смысл связан с возможностью целенаправленно создавать атомарные конфигурации, управлять электронными состояниями и использовать соответствующие эффекты для выполнения полезных электронных функций.

При этом главным условием возникновения полноценной технологии является переход от единичного физического эксперимента к воспроизводимому устройству, интегрированной системе и экономически осуществимому производству.

Однако возникает следующий фундаментальный вопрос.

Что находится за пределами пикоэлектроники?

Если физическая структура обычного вещества определяется атомами, а характерные межатомные расстояния измеряются десятками и сотнями пикометров, существует ли возможность перехода к ещё меньшим масштабам?

В Международной системе единиц следующим после пикометра десятичным масштабом является фемтометр.

Но переход от пико- к фемтодиапазону имеет принципиально иной физический смысл, чем исторический переход от микроэлектроники к наноэлектронике.

Дело заключается в том, что фемтометровые расстояния относятся преимущественно к пространственным масштабам атомных ядер и составляющих их нуклонов.

На этом уровне изменяется сама физическая природа исследуемых объектов.

Если электронная техника преимущественно использует движение электрических зарядов, электронные энергетические состояния и электромагнитное взаимодействие, то для атомных ядер существенное значение приобретают сильное ядерное взаимодействие, внутриядерная структура и ядерные квантовые состояния.

Следовательно, нельзя предполагать, что последующее развитие электронной техники будет осуществляться посредством постепенного уменьшения полупроводникового канала до размеров атомного ядра.

Наоборот, возникает необходимость поставить другую исследовательскую задачу.

Можно ли использовать физические состояния и взаимодействия, связанные с фемтометровой областью, для создания принципиально новых информационных, измерительных и вычислительных технологий?

Ответ на данный вопрос пока не может быть окончательным.

Современная наука уже располагает экспериментальными методами исследования ядерных состояний.

Существуют технологии ядерного магнитного резонанса, сверхточной ядерной спектроскопии, управления отдельными ядерными спинами и резонансного взаимодействия излучения с атомными ядрами.

Особое значение приобрели исследования ядерного перехода тория-229.

В 2024 году были представлены результаты прямого лазерного возбуждения соответствующего ядерного состояния и его прецизионного сравнения с атомным частотным стандартом.

В октябре 2026 года опубликованы экспериментальные результаты создания действующих ядерных часов с обратной связью.

Эти достижения свидетельствуют, что определённые ядерные состояния могут использоваться в качестве управляемых функциональных объектов.

Но они не доказывают существования универсальной фемтоэлектроники.

Поэтому в настоящей главе предлагается разграничивать три исследовательские области.

Первая область — физика фемтометровых масштабов.

Вторая — технологии, использующие ядерные состояния и взаимодействия.

Третья — гипотетические постпикоэлектронные вычислительные системы, которые могут возникнуть на основе новых физических принципов.

Такое разграничение позволяет сохранить научную строгость и одновременно сформировать достаточно широкий горизонт перспективных исследований.

5.1. Фемтометр как физический масштаб
5.1.1. Переход от нано- и пико- к фемтодиапазону
Международная система единиц предусматривает использование десятичных приставок для обозначения чрезвычайно малых величин.

Нанометр соответствует одной миллиардной части метра.

Пикометр — одной триллионной части метра.

Фемтометр — одной квадриллионной части метра.

Таким образом, каждый последующий масштаб в указанной последовательности меньше предыдущего в тысячу раз.

Однако это математическое соотношение не означает, что любой физический объект может быть уменьшен в соответствующее число раз с сохранением своего функционального принципа.

Например, макроскопический электрический проводник можно последовательно уменьшать до микрометровых и нанометровых размеров.

Но при достижении атомарного уровня возникают ограничения, связанные с дискретностью строения вещества.

При дальнейшем переходе к фемтометровому диапазону изменяется уже не только структура проводника, но и класс физических объектов, которым соответствует данный масштаб.

Важнейшее обстоятельство заключается в том, что фемтометр не является естественным технологическим продолжением обычной полупроводниковой геометрии.

Он принадлежит к области физических размеров, характеризующих внутреннюю структуру атомных ядер.

5.1.2. Сравнение характерных пространственных масштабов
Для понимания соответствующего различия необходимо сопоставить несколько физических величин.

Физический объект или характеристика Характерный масштаб
Нанометр 1 000 пм
Расстояния между соседними атомами Сотни пикометров
Боровский радиус Около 52,9 пм
Комптоновская длина волны электрона Около 2,43 пм
Фемтометр Одна тысячная пикометра
Зарядовый радиус протона Около 0,84 фм
Размеры атомных ядер Единицы фемтометров
Приведённые значения основаны на данных BIPM и CODATA [1–4].

Необходимо учитывать, что радиус атома и радиус ядра определяются различными физическими способами.

Атом не имеет абсолютно жёсткой внешней поверхности.

Его электронная структура представляет собой квантовое распределение.

Размер атомного ядра также не определяется универсальной геометрической границей.

В ядерной физике используются, в частности, среднеквадратичные зарядовые радиусы и характеристики пространственного распределения ядерного вещества.

Поэтому указанные размеры являются физически определёнными характеристиками соответствующих объектов, а не диаметрами идеальных твёрдых шаров.

Особенно важно правильно понимать комптоновскую длину волны электрона.

Это характерная квантово-релятивистская длина, связанная с массой электрона.

Она не является измеренным геометрическим радиусом электрона.

В современной физике электрон рассматривается как элементарная частица, не имеющая установленной внутренней структуры.

Таким образом, переход к меньшей числовой единице длины не следует отождествлять с обнаружением нового слоя механически делимых электронных деталей.

5.1.3. Физический смысл размера атомного ядра
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, за исключением ядра обычного водорода, представляющего собой один протон.

Протоны и нейтроны относятся к нуклонам.

В отличие от электронов, которые в рамках Стандартной модели рассматриваются как элементарные частицы, нуклоны обладают внутренней структурой.

Они состоят из кварков и взаимодействующих с ними глюонных полей.

Для описания соответствующих процессов используется квантовая хромодинамика.

Однако нельзя представлять ядро как уменьшенную копию электронного устройства.

Нуклоны не являются обычными проводящими контактами.

Кварки не выступают свободно перемещаемыми носителями электрического тока, аналогичными электронам в металлическом проводнике.

Внутри ядер действуют особые физические закономерности, включая свойства сильного взаимодействия и конфайнмент.

Поэтому даже теоретическое проектирование будущих информационных систем на основе внутриядерных эффектов потребует принципиально иной физической модели.

5.1.4. Энергетическое значение фемтометровых расстояний
Между характерным пространственным масштабом физического процесса и необходимыми средствами его исследования существует глубокая связь.

Для изучения чрезвычайно малых структур применяются частицы и излучение с подходящими длинами волн и переданными импульсами.

Исследование структуры с пространственным разрешением порядка одного фемтометра обычно связано с высокоэнергетическими методами.

Характерные переданные энергии и импульсы могут соответствовать масштабам сотен мегаэлектронвольт и выше.

Это значительно превышает типичные энергетические масштабы обычной полупроводниковой электроники.

Однако здесь необходимо провести важное разграничение.

Энергия, необходимая для исследования пространственной структуры ядра, не равна энергии любого перехода между его квантовыми состояниями.

Некоторые ядерные состояния имеют сравнительно небольшие энергетические различия.

Особенно показателен торий-229, обладающий исключительно низкоэнергетическим ядерным изомерным состоянием.

Его переход находится в области около 8,4 электронвольта и может возбуждаться вакуумным ультрафиолетовым излучением [20–25].

Это означает, что использование ядерного состояния не всегда требует прямого применения высокоэнергетического пучка частиц.

Но соответствующее обстоятельство не устраняет необходимости создавать и обслуживать сложную систему управления.

5.1.5. Фемтометровая точность измерения и фемтометровый размер устройства
Следует различать ещё два понятия.

Первое — возможность исследовать величины, характеризующие фемтометровые расстояния.

Второе — возможность изготавливать самостоятельные функциональные устройства с геометрическими размерами порядка фемтометра.

Современная экспериментальная физика уже позволяет извлекать информацию о размерах атомных ядер.

Для этого используются электронное рассеяние, спектроскопия мюонных атомов, измерения изотопических сдвигов и другие методы.

Однако соответствующие измерительные комплексы могут занимать значительное пространство.

Они не являются устройствами фемтометрового размера.

Например, прецизионное измерение радиуса протона представляет собой исследование характеристики субатомного объекта.

Но измерительная установка, обеспечивающая такой результат, не имеет аналогичных пространственных размеров.

Следовательно, физическая глубина измерения не определяет автоматически степень миниатюризации технологического оборудования.

5.1.6. Фемтосекунда и фемтометр — различные физические величины
Особого внимания требует терминологическая точность.

В современной научной литературе широко используются понятия фемтосекундной спектроскопии, фемтосекундных лазерных импульсов и фемтосекундной динамики.

Однако фемтосекунда является единицей времени.

Фемтометр является единицей длины.

Одинаковая приставка не означает одинакового физического содержания.

В частности, использование фемтосекундного лазерного импульса не означает, что исследуемый объект имеет размер один фемтометр.

Аналогичным образом сверхвысокое временное разрешение эксперимента не доказывает существования фемтоэлектронного устройства.

Это разграничение особенно важно для последующих исследований, поскольку смешение пространственных и временных масштабов способно создавать необоснованные представления о достигнутой степени технологического развития.

5.1.7. Три значения фемтодиапазона для будущей техники
Для целей настоящей книги предлагается различать следующие значения фемтодиапазона.

Первое — метрологическое.

Фемтометр используется как единица измерения размеров и структурных характеристик субатомных объектов.

Второе — физико-функциональное.

Исследуемое устройство использует состояния или взаимодействия объектов, чья внутренняя структура характеризуется фемтометровыми масштабами.

Третье — технологически-конструкционное.

Предполагается возможность создать самостоятельную функциональную конструкцию с характерными размерами соответствующего порядка.

Первое значение является общепринятым.

Второе уже имеет экспериментальные примеры в ядерной спектроскопии, квантовой метрологии и устройствах с ядерными спинами.

Третье применительно к обычным вычислительным элементам остаётся гипотетическим и не имеет достаточного экспериментального подтверждения.

Следовательно, именно второе направление представляет наиболее обоснованную исходную область исследований постпикоэлектронных технологий.

5.2. Атомная и ядерная размерные области
5.2.1. Почему атомная структура и ядерная структура требуют разных технологий
Обычная электронная техника использует физические свойства материалов, определяемые преимущественно электронной структурой атомов и их коллективным взаимодействием.

Электрическая проводимость металлов связана с электронными состояниями в твёрдом теле.

Полупроводниковые приборы используют особенности энергетических зон, концентрации носителей заряда и электрических полей.

Молекулярная электроника исследует перенос заряда между электронными состояниями отдельных молекул.

Атомарно-точное производство позволяет управлять положением определённых атомов и локальной электронной структурой.

Во всех этих случаях основным функциональным объектом остаётся электронная система.

Но атомное ядро представляет собой другую физическую подсистему.

Оно обладает собственной внутренней структурой, энергетическим спектром, спином и электромагнитными моментами.

Взаимодействия внутри ядра определяются не только электромагнитными, но и сильными ядерными силами.

Поэтому переход к исследованию ядерных состояний предполагает использование новых физических параметров.

Вместо обычной проводимости могут рассматриваться частоты ядерных переходов.

Вместо изменения концентрации электронов — управление ядерными спинами.

Вместо электронного транспортного барьера — взаимодействие излучения с определёнными ядерными энергетическими уровнями.

Следовательно, ядерные информационные технологии могут иметь совершенно другую архитектуру.

5.2.2. Физические размеры атомных ядер
Размеры атомных ядер зависят от количества нуклонов, изотопного состава и особенностей внутренней структуры.

В первом приближении многие ядра характеризуются радиусами порядка нескольких фемтометров.

Но соответствующие значения нельзя описывать универсальным радиусом, одинаковым для всех химических элементов.

Для лёгких ядер характерны меньшие пространственные размеры.

Для тяжёлых — большие.

При этом возможны отклонения от простой сферической структуры.

Некоторые ядра обладают деформациями.

Другие демонстрируют особенности пространственного распределения нуклонов.

Экспериментальные методы измерения ядерных зарядовых радиусов систематизированы, в частности, в работе Angeli и Marinova [5].

Эти данные имеют значение не только для ядерной физики.

Они используются также при уточнении атомных спектров, исследовании изотопических сдвигов и проверке теоретических моделей вещества.

Но сами по себе они не указывают на возможность изготовления электронных схем внутри ядер.

5.2.3. Протон как объект фемтометровых исследований
Особое место занимает исследование размера протона.

Современные рекомендованные данные CODATA характеризуют его среднеквадратичный зарядовый радиус величиной около 0,84 фемтометра.

В 2010 году Pohl и соавторы опубликовали в журнале Nature результаты прецизионной спектроскопии мюонного водорода [6].

В подобном атоме электрон заменён значительно более тяжёлым мюоном.

Это существенно изменяет пространственное распределение связанного лептона и чувствительность определённых энергетических переходов к зарядовому распределению протона.

Соответствующие эксперименты стали важнейшей частью дискуссии о радиусе протона.

Для настоящей главы они имеют более общий методологический смысл.

Исследование фемтометровой структуры может выполняться опосредованно, посредством анализа спектральных характеристик системы, размеры которой значительно превышают размеры самого исследуемого объекта.

Следовательно, для будущих постпикоэлектронных технологий особый интерес представляет не только прямое воздействие на субатомную структуру, но и создание эффективных физических интерфейсов между различными масштабами.

5.2.4. Ядерные энергетические состояния
Подобно атомным электронным системам, атомные ядра обладают квантовыми состояниями.

Однако физические механизмы формирования этих состояний существенно отличаются от электронных энергетических уровней.

Ядерная структура определяется взаимодействиями нуклонов.

Энергетические переходы могут сопровождаться излучением фотонов, изменениями спиновых состояний и другими процессами.

Для многих ядер характерные энергии возбуждения значительно превышают энергии обычных электронных переходов.

Это осложняет использование соответствующих состояний в компактной электронике.

Но существуют исключения.

В частности, чрезвычайно низкоэнергетическое изомерное состояние тория-229 стало основанием исследовательской программы ядерных оптических часов.

Его значение заключается в возможности использовать переход внутри атомного ядра как высокостабильный частотный эталон.

Таким образом, именно энергетическая структура ядра, а не механическое уменьшение электронного прибора, может создавать предпосылки новых технологических функций.

5.2.5. Ядерный спин как информационная степень свободы
Одним из наиболее практически значимых свойств атомных ядер является спин.

Ядерный спин представляет собой квантовую характеристику системы.

При определённых условиях состояния ядерного спина могут использоваться для представления и хранения квантовой информации.

Это направление уже имеет значительную экспериментальную историю.

В 1998 году Kane предложил архитектуру кремниевого квантового компьютера на основе ядерных спинов донорных атомов [11].

В дальнейшем были созданы экспериментальные устройства, в которых отдельные ядерные спины управляются посредством внешних полей и взаимодействия с электронными состояниями.

Значительный интерес представляет сочетание сравнительно длительного времени сохранения квантовой информации с возможностью интеграции в полупроводниковые структуры.

Однако необходимо сделать принципиальное уточнение.

Ядерный спин связан с ядром, внутренние размеры которого характеризуются фемтометровым масштабом.

Но само устройство, предназначенное для управления этим спином, может иметь нанометровые и значительно более крупные размеры.

Таким образом, использование ядерного спина представляет пример ядерной информационной функции, но не доказывает создания физически фемтометровой вычислительной конструкции.

5.2.6. Электронно-ядерное взаимодействие как технологический интерфейс
Особое значение приобретает взаимодействие электронных и ядерных степеней свободы.

В атомах и твёрдых телах электронные состояния могут взаимодействовать с ядерными магнитными и электрическими моментами.

Соответствующие взаимодействия изучаются, в частности, посредством сверхтонкой спектральной структуры.

Для будущих технологий важна возможность использовать электронную систему как средство управления ядерным состоянием.

Например, электронный элемент может выполнять функцию считывания.

В другом случае внешнее электрическое поле способно изменять условия ядерного резонанса.

В третьем — электронная система обеспечивает передачу информации между различными ядерными регистрами.

Таким образом, возникает потенциальная гибридная архитектура.

Атомное ядро выполняет определённую информационную функцию.

Электронная система обеспечивает её управление, считывание или сопряжение с другими элементами.

Подобный подход позволяет избежать необходимости непосредственно формировать соединения фемтометрового размера.

Но он создаёт другие ограничения, включая сложность управления, ошибки и дополнительные энергетические затраты.

5.2.7. Стабильные и радиоактивные ядра
Для технического проектирования необходимо различать стабильные и радиоактивные изотопы.

Многие системы ядерных спинов исследуются с использованием стабильных атомных ядер.

Соответствующие информационные операции не требуют осуществления ядерных реакций.

Другие направления, включая исследование тория-229, используют радиоактивные изотопы.

Такие эксперименты предъявляют дополнительные требования к обращению с материалами, измерениям, безопасности и регулированию.

Это обстоятельство принципиально важно для технико-экономических оценок.

Даже если устройство обладает уникальными физическими характеристиками, его практическое распространение может ограничиваться доступностью определённого изотопа и сложностью необходимой инфраструктуры.

Следовательно, выбор ядерного функционального объекта должен включать не только физические характеристики, но и производственные, эксплуатационные и регуляторные условия.

5.2.8. Главный вывод о двух размерных областях
Атомная и ядерная области тесно связаны, но не являются последовательными уровнями одной и той же электронной конструкции.

Переход от атомных электронных состояний к ядерным состояниям сопровождается изменением физического принципа.

Поэтому наиболее обоснованной исследовательской моделью становится гибридная система, в которой электронные, фотонные и ядерные подсистемы выполняют различные функции.

Соответственно, будущая постпикоэлектронная технология может использовать фемтометровую физику, оставаясь значительно более крупной по геометрическим размерам.

5.3. Почему обычное уменьшение транзисторов здесь неприменимо
5.3.1. Физические основания традиционного транзистора
Традиционный полевой транзистор использует управляемое изменение проводимости полупроводникового канала.

Для его работы необходимы области истока и стока, управляющий затвор, электрическая изоляция и функциональный канал.

Работа такого устройства определяется не только отдельным электронным состоянием, но и определённой организацией полупроводникового материала.

В традиционной микроэлектронике уменьшение транзисторов на протяжении длительного времени обеспечивало повышение плотности интеграции.

Физические основания такого масштабирования систематически исследовались в классической работе Dennard и соавторов 1974 года [8].

Однако соответствующие закономерности предполагают существование материала и структуры, сохраняющих необходимые электронные свойства при изменении размеров.

Когда устройство приближается к атомарному масштабу, эти предпосылки становятся всё менее применимыми.

А переход к размерам атомного ядра вообще выводит нас за пределы обычной полупроводниковой конструкции.

5.3.2. Отсутствие обычного полупроводникового канала
Невозможно просто представить фемтометровый транзистор как уменьшенный вариант существующего MOSFET.

Внутри атомного ядра отсутствует обычная кристаллическая решётка полупроводника.

Не существуют привычные области истока и стока.

Нет обычного электронного канала, проводимость которого можно регулировать аналогично кремниевому устройству.

На соответствующем уровне действуют другие физические механизмы.

Поэтому сама постановка задачи «изготовить традиционный транзистор размером один фемтометр» не имеет необходимого физического основания.

Это не означает, что в ядерной системе принципиально невозможны процессы передачи или изменения информации.

Но подобные процессы не могут автоматически описываться привычной архитектурой полевого транзистора.

5.3.3. Электронная проводимость и внутриядерная физика
В обычных проводниках электрический ток связан с движением электронных носителей заряда.

В полупроводниках используются электроны и дырки.

В молекулярных устройствах исследуется квантовый перенос заряда между определёнными электронными состояниями.

Но внутриядерные процессы описываются другими степенями свободы.

При переходе к ядерным масштабам нельзя сохранять без изменения привычные понятия подвижности носителей, электронного канала и затворного управления.

Даже если внутри ядра происходит изменение распределения электрического заряда, это не означает возникновения обычной электронной проводимости.

Следовательно, проектирование возможных ядерных информационных элементов должно начинаться с определения физически реализуемой операции.

Например, изменение ядерного спина.

Переход между двумя энергетическими уровнями.

Управляемое взаимодействие ядерного состояния с электромагнитным полем.

Но нельзя заранее считать, что подобные операции обладают всеми свойствами цифрового транзистора.

5.3.4. Квантовые ограничения и пространственная локализация
Важнейшее значение приобретает квантовая природа вещества.

При уменьшении пространственной области локализации частицы изменяются ограничения на возможные состояния её импульса и энергии.

Для электронных устройств это означает, что чрезвычайно сильное пространственное ограничение нельзя рассматривать как простое геометрическое сжатие привычного проводящего канала.

Квантовые эффекты определяют энергетический спектр и характер переноса.

В отдельных случаях электрон может туннелировать через потенциальный барьер.

В других — возникают дискретные электронные состояния.

Поэтому попытка продолжать традиционное масштабирование без изменения физической модели приводит к потере первоначального смысла прибора.

При переходе к фемтометровым масштабам соответствующая проблема становится ещё более фундаментальной.

Необходимо исследовать совсем другие объекты и взаимодействия.

5.3.5. Энергетические ограничения внутриядерных процессов
Дополнительное ограничение связано с характерными энергиями ядерных процессов.

Для многих внутриядерных возбуждений энергетические масштабы значительно выше типичных энергий электронных переключений.

Если бы каждую обычную логическую операцию требовалось осуществлять посредством высокоэнергетического ядерного перехода, это не гарантировало бы энергетического выигрыша.

Кроме того, некоторые ядерные возбуждения могут сопровождаться ионизирующим излучением.

Но важно избегать обратного чрезмерного обобщения.

Не все операции, использующие ядерные степени свободы, являются высокоэнергетическими.

Управление ядерными спинами посредством магнитного или электрического резонанса может осуществляться при значительно меньших энергетических масштабах.

Таким образом, энергетические ограничения необходимо устанавливать отдельно для каждого физического механизма.

Нельзя автоматически относить все ядерные информационные процессы к одному классу.

5.3.6. Проблема адресации и управления
Даже если определённое ядерное состояние может представлять информацию, необходимо обеспечить его индивидуальное управление.

Это чрезвычайно сложная задача.

Требуется различать состояния отдельных функциональных объектов.

Необходимо подавать управляющие воздействия.

Получать достоверные результаты считывания.

Организовывать взаимодействие между элементами.

При этом управляющая система неизбежно обладает собственной физической структурой.

Например, использование локального электрического поля требует электродов.

Использование оптического перехода требует источника и детектора излучения.

Управление ядерными спинами может потребовать специальных резонансных систем.

Следовательно, невозможно оценивать размеры информационного элемента отдельно от размеров всей системы управления.

5.3.7. Различие между ядерной частотой и вычислительным быстродействием
Ещё одно распространённое заблуждение может возникнуть при рассмотрении чрезвычайно высоких частот физических переходов.

Высокая частота электромагнитного излучения, соответствующая определённому энергетическому переходу, не означает, что электронная или ядерная вычислительная система способна выполнять логические операции с такой же частотой.

Рабочее быстродействие определяется не только энергией перехода.

Необходимо учитывать скорость подготовки состояния.

Длительность управляющего воздействия.

Время считывания.

Вероятность ошибки.

Возможность повторного выполнения операции.

Скорость взаимодействия между различными элементами.

Поэтому нельзя автоматически приравнивать оптическую частоту ядерного перехода к тактовой частоте будущего процессора.

Для оценки вычислительной архитектуры необходим анализ полного рабочего цикла.

5.3.8. Тепловыделение и системная энергетика
Даже если новая физическая система позволяет выполнять чрезвычайно малые элементарные операции, необходимо учитывать энергетические затраты всей инфраструктуры.

Этот принцип применим к обычной электронике, квантовым устройствам и потенциальным ядерным информационным системам.

Например, ядерное состояние может обладать высокой устойчивостью.

Но управление им может требовать сложного лазерного оборудования.

Или специализированной охлаждающей системы.

Или дорогостоящих измерительных приборов.

В этом случае стоимость полезной операции будет определяться не только энергией самого перехода.

Соответственно, поиск фемтодиапазонных физических принципов должен осуществляться совместно с оценкой полной энергетической и экономической эффективности.

5.3.9. Предел обычной миниатюризации не означает предела вычислений
Главный вывод заключается в следующем.

Невозможность обычного масштабирования транзистора до фемтометровых размеров не означает, что дальнейшее развитие вычислительной техники становится невозможным.

Она означает завершение применимости определённой геометрической модели.

История техники уже показывает, что новые физические принципы могут создавать новые способы выполнения известных функций.

Например, квантовые вычисления не являются просто разновидностью уменьшенного классического компьютера.

А фотонные устройства используют другой способ передачи и обработки информации.

Следовательно, переход за пределы пикоэлектроники должен рассматриваться как поиск новых физических функций.

Но этот поиск должен осуществляться без предположения о гарантированном превосходстве будущих технологий.

Каждая альтернатива требует самостоятельной экспериментальной проверки.

5.4. Возможные квантовые и иные физические направления исследований
5.4.1. Общая исследовательская постановка
Наиболее перспективные направления исследований за пределами обычной пикоэлектроники связаны с использованием новых информационных состояний и механизмов взаимодействия.

Однако их научная зрелость существенно различается.

Некоторые уже имеют экспериментальные реализации.

Другие существуют в виде теоретических моделей.

Третьи пока представляют только долгосрочные физические гипотезы.

Для настоящей книги особенно важно не объединять их в одну категорию готовых технологий.

Поэтому необходимо рассматривать каждое направление отдельно.

5.4.2. Квантовые вычисления на ядерных спинах
Одно из наиболее обоснованных направлений связано с использованием ядерных спинов для хранения и обработки квантовой информации.

В кремниевых устройствах уже экспериментально продемонстрированы соответствующие возможности.

В частности, Muhonen и соавторы показали сохранение квантовой информации в полупроводниковом устройстве на протяжении десятков секунд [12].

Исследования Sigillito и соавторов продемонстрировали электрическое управление ядерными спиновыми состояниями донорных атомов [13].

В 2020 году Asaad и соавторы представили результаты когерентного электрического управления спином отдельного ядра сурьмы в кремниевом устройстве [15].

Другим существенным результатом стало создание ядерного спинового кубита, связанного с кремниевой квантовой точкой, исследованного Hensen и соавторами [14].

Эти достижения показывают, что ядерное состояние может быть элементом действующей квантовой информационной системы.

Однако соответствующие системы не следует автоматически называть фемтоэлектроникой.

Их конструктивная элементная база остаётся полупроводниковой и атомарной.

Поэтому правильнее говорить об электронно-ядерных квантовых архитектурах.

Возможность их масштабирования определяется не только качеством отдельных ядерных спинов, но и эффективностью взаимодействия между регистрами.

5.4.3. Ядерные оптические часы на основе тория-229
Особого внимания заслуживают исследования изомерного состояния тория-229.

В отличие от большинства ядерных возбуждений, соответствующий переход обладает чрезвычайно низкой энергией.

Это позволяет использовать вакуумное ультрафиолетовое излучение для его исследования.

В 2024 году Tiedau и соавторы продемонстрировали прямое лазерное возбуждение ядерного перехода тория-229 в кристаллической среде [20].

В том же году Zhang и соавторы представили измерение частотного отношения ядерного перехода тория-229 и атомных часов на основе стронция [21].

Эти результаты означали важный переход от косвенных исследований ядерного состояния к его непосредственному оптическому управлению и прецизионной метрологии.

Следующий этап был связан с обеспечением воспроизводимости.

В январе 2026 года Ooi и соавторы опубликовали результаты исследования стабильности частотного перехода в различных кристаллах [22].

А 7 октября 2026 года в Nature были опубликованы две экспериментальные работы о реализации ядерных часов.

В первой Toscani De Col и соавторы продемонстрировали стабилизацию лазерной частоты по ядерному переходу тория-229 с использованием обратной связи [23].

Во второй Huang и соавторы представили независимую реализацию действующего ядерного частотного стандарта и исследование воспроизводимости соответствующего перехода [24].

Значение этих достижений трудно переоценить.

Они подтверждают возможность использования энергетического состояния атомного ядра как рабочего элемента реального измерительного устройства.

Однако необходимо правильно определить технологический результат.

Ядерные часы не являются ядерным вычислительным процессором.

Они представляют устройство для высокоточного формирования и сравнения частот.

Кроме того, экспериментальная реализация не означает автоматического достижения лучших характеристик современных атомных оптических часов.

Дальнейшее развитие требует повышения метрологических характеристик, уменьшения сложности оборудования и исследования долговременной воспроизводимости.

Тем не менее ядерные часы представляют один из наиболее убедительных примеров возникновения технологически полезной функции, непосредственно связанной с ядерной физикой.

5.4.4. Ядерная квантовая оптика
Другим перспективным направлением является ядерная квантовая оптика.

Она исследует управляемое взаимодействие электромагнитного излучения с квантовыми состояниями атомных ядер.

Особое значение имеют резонансные процессы, связанные с эффектом Мёссбауэра.

В определённых условиях ядра в твёрдом теле способны испускать и поглощать гамма-кванты без обычного энергетического уширения, связанного с отдачей свободного ядра.

Это позволяет исследовать чрезвычайно узкие ядерные резонансы.

В 2012 году R;hlsberger и соавторы продемонстрировали электромагнитно-индуцированную прозрачность в рентгеновском диапазоне с использованием резонансных ядер железа-57 [16].

В 2018 году Chumakov и соавторы представили экспериментальное исследование коллективного сверхизлучательного поведения ядер, возбуждаемых рентгеновским лазером на свободных электронах [17].

В 2021 году Heeg и соавторы продемонстрировали когерентное управление ядерными возбуждениями с использованием рентгеновских импульсов [18].

Эти исследования свидетельствуют, что ядерная система может выступать объектом управляемого квантового взаимодействия.

Но они также показывают сложность необходимой экспериментальной инфраструктуры.

Использование синхротронного или лазерного рентгеновского излучения не означает появления компактного промышленного вычислительного устройства.

Поэтому ядерную квантовую оптику следует рассматривать как научную основу возможных будущих измерительных и специализированных квантовых систем.

5.4.5. Электронно-ядерные гибридные устройства
Одним из потенциально наиболее важных направлений является объединение электронных и ядерных функциональных состояний.

Такая система может использовать преимущества каждой физической подсистемы.

Электронные состояния удобны для управления электрическими сигналами и соединения с существующей электронной инфраструктурой.

Ядерные состояния в определённых условиях способны обеспечивать длительное сохранение информации или высокостабильные частотные переходы.

Следовательно, перспективная гибридная архитектура может разделять функции.

Электронная подсистема обеспечивает подготовку и считывание.

Ядерная подсистема выполняет специальную информационную или метрологическую функцию.

Фотонная подсистема обеспечивает связь либо возбуждение определённых переходов.

Однако эффективность такого устройства зависит от качества интерфейсов.

Если передача информации между подсистемами требует чрезмерно сложных операций, функциональное преимущество может быть утрачено.

Поэтому основной исследовательской задачей становится не просто создание нового состояния, а воспроизводимое управление взаимодействием между различными физическими уровнями.

5.4.6. Ядерно-электронные переходные механизмы
Отдельный интерес представляет возможность взаимодействия ядерных возбуждений с электронными переходами.

В теоретических и экспериментальных исследованиях рассматриваются различные механизмы передачи энергии между электронной оболочкой и атомным ядром.

В частности, изучается так называемый электронный мост.

Его физическая идея связана с участием электронных состояний в возбуждении или релаксации ядерного перехода.

Подобные механизмы особенно важны для исследования низкоэнергетических ядерных состояний.

Они потенциально позволяют использовать сравнительно доступные средства управления электронной системой для воздействия на ядро.

Однако их техническая эффективность зависит от конкретного изотопа, энергетической структуры и условий взаимодействия.

Поэтому электронно-ядерные механизмы следует рассматривать как перспективную область фундаментального исследования, а не как универсальный способ создания ядерной вычислительной техники.

5.4.7. Квантовые датчики на основе ядерных состояний
Одним из наиболее реалистичных направлений практического применения ядерных квантовых состояний являются высокоточные измерения.

Ядерный спин может использоваться как чувствительный элемент.

Ядерные переходы — как частотные стандарты.

Резонансное взаимодействие излучения с ядрами — как средство исследования структуры и свойств вещества.

Такие системы могут иметь значение для метрологии, материаловедения и фундаментальной физики.

Однако конкретная полезность определяется не минимальным размером измеряемого объекта.

Необходимо оценивать чувствительность, точность, устойчивость, скорость измерения и эксплуатационные затраты.

Следовательно, наиболее вероятные ранние применения ядерных функциональных технологий связаны со специализированными измерительными устройствами.

Вычислительные применения требуют решения дополнительных архитектурных задач.

5.4.8. Перспективы рентгеновских и иных коротковолновых функциональных систем
Следующее направление связано с использованием высокочастотного электромагнитного излучения.

Рентгеновские и другие коротковолновые источники позволяют исследовать физические процессы, недоступные обычной оптической технике.

На их основе могут развиваться новые методы спектроскопии, когерентного управления и преобразования информации.

Но необходимо учитывать важное обстоятельство.

Короткая длина волны используемого излучения не означает, что законченная система обладает такой же геометрической миниатюрностью.

Более того, некоторые коротковолновые системы требуют крупной экспериментальной инфраструктуры.

Поэтому при оценке перспектив необходимо разграничивать физические возможности взаимодействия и экономику соответствующих устройств.

5.4.9. Прямое использование внутриядерных процессов
Наиболее отдалённый исследовательский горизонт связан с вопросом о возможности непосредственного использования внутриядерных состояний для информационных преобразований.

В теоретическом отношении можно исследовать различные квантовые степени свободы ядер.

Однако современная физика не предоставляет оснований утверждать, что из подобных состояний можно построить универсальную вычислительную архитектуру, превосходящую существующие электронные системы.

Не установлены универсальные методы формирования соответствующих логических элементов.

Не продемонстрированы необходимые способы их соединения.

Не подтверждена экономическая масштабируемость.

Кроме того, ряд внутриядерных процессов связан с высокими энергиями и радиационными ограничениями.

Поэтому подобное направление должно оставаться в категории фундаментального поиска.

Для генеральной программы Метаразвития важно не запрещать рассмотрение подобных гипотез, но и не представлять их как технологические возможности, уже вытекающие из современных экспериментов.

5.4.10. Научная оценка перспективных направлений
В результате можно выделить три уровня зрелости.

Первый включает экспериментально подтверждённые способы использования ядерных состояний.

Сюда относятся ядерный магнитный резонанс, управление отдельными ядерными спинами и прецизионная ядерная спектроскопия.

Второй охватывает экспериментальные прототипы новых устройств.

Сюда относятся ядерные часы и специализированные гибридные электронно-ядерные системы.

Третий включает долгосрочные гипотезы о новых вычислительных архитектурах, непосредственно использующих внутриядерные процессы.

Переход между этими уровнями требует самостоятельной научной проверки.

Следовательно, будущие постпикоэлектронные технологии должны развиваться не на основе единой заранее заданной концепции, а посредством конкуренции различных физических гипотез.

5.5. Долгосрочные горизонты постпикоэлектронных технологий
5.5.1. Почему будущее не обязано следовать последовательности геометрических масштабов
Историческое развитие микроэлектроники создало устойчивую ассоциацию между техническим прогрессом и уменьшением размеров электронных элементов.

Однако дальнейшее развитие не обязательно будет подчиняться аналогичной последовательности.

Переход от нанометровой к атомарно-точной организации электронной техники уже требует изменения многих физических и технологических принципов.

Переход к фемтометровой области представляет ещё более существенное изменение.

Поэтому нельзя рассматривать будущее как заранее определённую цепочку уменьшения транзисторов.

Вместо этого необходимо исследовать различные пути повышения функциональных возможностей.

Один путь может быть связан с атомарной электронной техникой.

Другой — с квантовыми вычислениями.

Третий — с новыми фотонными архитектурами.

Четвёртый — с электронно-ядерными системами.

Пятый — с принципиально новыми информационными состояниями, которые пока не получили технической реализации.

Следовательно, постпикоэлектронный этап может характеризоваться не единым физическим масштабом, а расширением разнообразия используемых физических принципов.

5.5.2. Первый горизонт: специализированные ядерные устройства
Наиболее близкий исследовательский горизонт связан с развитием уже продемонстрированных ядерных функциональных систем.

Особенно важны ядерные часы.

Их дальнейшее совершенствование может включать повышение стабильности, воспроизводимости и снижение эксплуатационной сложности.

Другим направлением являются устройства с управляемыми ядерными спинами.

Возможно развитие специализированных квантовых регистров и датчиков.

Но необходимо подчеркнуть, что подобные устройства не обязаны конкурировать с традиционными процессорами.

Их ценность может заключаться в выполнении специальных функций, недоступных или чрезвычайно дорогих для существующих технологий.

Следовательно, первым практически обоснованным направлением постпикоэлектронного поиска является не создание универсального ядерного компьютера, а развитие специализированной ядерной квантовой техники.

5.5.3. Второй горизонт: интеграция электронных, фотонных и ядерных систем
Следующий этап может быть связан с формированием многоуровневых гибридных архитектур.

В подобных устройствах различные физические подсистемы выполняют различные функции.

Электронная часть обеспечивает управление.

Фотонная — определённые способы связи и передачи энергии.

Ядерная — высокостабильные или специальные квантовые состояния.

Однако технологическая реализация требует решения многочисленных задач.

Необходимо обеспечить надёжное сопряжение.

Ограничивать ошибки.

Минимизировать энергетические затраты.

Создавать воспроизводимые материалы и функциональные структуры.

Разрабатывать методы испытаний.

Следовательно, основная сложность будет заключаться не в существовании отдельных физических эффектов, а в создании эффективной архитектуры взаимодействия между ними.

5.5.4. Третий горизонт: новые информационные степени свободы
Более отдалённая перспектива предполагает поиск физических состояний, которые сегодня ещё не используются для практических информационных преобразований.

Однако подобный поиск должен оставаться связанным с экспериментальной физикой.

Необходимо установить, какие состояния способны сохранять информацию.

Каким образом можно осуществлять управляемые преобразования.

Какие способы считывания физически доступны.

Можно ли объединять несколько функциональных элементов.

Какова вероятность ошибки.

Какова полная стоимость работы системы.

Без ответов на эти вопросы новая физическая гипотеза не превращается в технологическую программу.

Особенно важно не отождествлять теоретическую возможность существования сложной квантовой системы с возможностью построения на её основе полезного вычислителя.

5.5.5. Четвёртый горизонт: фундаментальная физика как источник новых технологических принципов
История науки демонстрирует, что фундаментальные открытия способны создавать новые технические возможности.

Квантовая механика стала одним из физических оснований современной электроники.

Исследование электромагнитного взаимодействия позволило развить радиотехнику и фотонику.

Изучение ядерных свойств привело к созданию различных методов спектроскопии и измерительной техники.

Однако между открытием физического эффекта и его полезным применением может проходить значительное время.

Кроме того, далеко не всякое фундаментальное открытие обязательно приводит к массовому технологическому применению.

Поэтому генеральная исследовательская программа должна сочетать широкую физическую постановку вопросов с жёсткими требованиями к проверке результатов.

Для возможных постпикоэлектронных технологий особенно важны исследования квантовых состояний вещества, электронно-ядерных взаимодействий и пределов управления микроскопическими системами.

Но нельзя заранее утверждать, что соответствующие исследования приведут к конкретному экономическому или вычислительному результату.

5.5.6. Необходимость самостоятельной классификации постпикоэлектронных направлений
В рамках настоящей книги можно использовать рабочее понятие постпикоэлектронных технологий.

Однако необходимо установить его границы.

Не всякая система, использующая атомное ядро, должна называться фемтоэлектроникой.

Не всякое устройство с ядерным спином представляет новый исторический этап электроники.

И не всякий эксперимент по исследованию фемтометровых расстояний создаёт информационный элемент.

Поэтому целесообразно выделять следующие исследовательские классы.

Первый — атомарно-точная электроника.

Второй — гибридные электронно-ядерные квантовые системы.

Третий — ядерная квантовая метрология.

Четвёртый — ядерная квантовая оптика.

Пятый — гипотетические технологии непосредственного использования внутриядерных информационных состояний.

Такое разделение имеет принципиальное значение.

Оно позволяет оценивать реальное развитие научных направлений, не создавая искусственного представления о существовании единой промышленной фемтоэлектронной платформы.

5.5.7. Критерии научно-технологического перехода
Для оценки появления нового технологического направления необходимо использовать строгие критерии.

Во-первых, должен существовать экспериментально подтверждённый физический механизм.

Во-вторых, необходимо доказать возможность управляемого воспроизведения соответствующей функции.

В-третьих, требуется количественно определить основные характеристики устройства.

В-четвёртых, необходимо продемонстрировать возможность взаимодействия с внешней информационной или измерительной системой.

В-пятых, следует исследовать надёжность и воспроизводимость.

В-шестых, необходимо установить возможность практического применения.

Наконец, следует определить, создаёт ли новая технология преимущество по отношению к существующим решениям.

В предыдущих главах для PICO предложена авторская шкала технологической зрелости P0–P5.

Общая логика доказательного перехода от физической гипотезы к практическому применению может использоваться и при исследовании постпикоэлектронных направлений.

Однако не следует автоматически распространять соответствующее обозначение на все ядерные исследования.

Для новых классов технологий могут потребоваться собственные критерии.

5.5.8. Проблема радикального снижения стоимости вычислений
В предыдущей главе была сформулирована одна из центральных целей PICO.

Она заключается в поиске механизмов радикального снижения полной стоимости полезных вычислений.

При переходе к постпикоэлектронным исследованиям эта цель сохраняет значение.

Однако появляется важная особенность.

Физические системы с ядерными состояниями могут обладать уникальными характеристиками, но требовать дорогостоящей инфраструктуры.

Например, сложных лазерных источников.

Специализированных материалов.

Высокоточной метрологии.

Особых условий эксплуатации.

Поэтому наличие нового физического эффекта не означает автоматического экономического преимущества.

Более того, специализированная ядерная технология может быть исключительно ценной для определённого применения, оставаясь совершенно нецелесообразной для обычных вычислительных задач.

Следовательно, необходимо разделять две исследовательские цели.

Первая — создание ранее недоступной функции.

Вторая — снижение стоимости уже существующей функции.

Они могут совпадать, но не обязаны.

Для Метаразвития особенно важно учитывать обе.

5.5.9. Экспериментальная программа поиска постпикоэлектронных принципов
Для формирования долгосрочного исследовательского направления предлагается следующая последовательность.

Первоначально определяется физическое состояние или взаимодействие, обладающее потенциальной информационной ценностью.

Затем устанавливается возможность его управляемого изменения.

После этого исследуются способы считывания.

Далее разрабатывается функциональная модель устройства.

Проводится экспериментальная проверка.

Исследуются ошибки и устойчивость.

Затем устанавливается возможность соединения нескольких функциональных элементов.

И только после получения соответствующих результатов рассматриваются производственные и экономические перспективы.

Особое внимание необходимо уделять отрицательным результатам.

Если физическая гипотеза не подтверждается, соответствующий результат должен использоваться для уточнения исследовательской программы.

Это позволяет сокращать затраты на бесперспективные направления.

Следовательно, технологическое проектирование должно быть организовано как последовательная проверка физических предположений.

5.5.10. Взаимодействие с интеллектуально-креативной субтехнологией NOO
В рамках генеральной технологии Метаразвития особую роль приобретает взаимодействие исследований новой элементной базы с интеллектуально-креативными технологиями.

В концепции настоящей книги PICO и NOO рассматриваются как две базовые субтехнологии META.

Первая направлена на поиск новых физических оснований электроники.

Вторая — на разработку интеллектуальных средств научного поиска и технологического проектирования.

Подобное взаимодействие может оказаться особенно важным при исследовании постпикоэлектронных направлений.

Фундаментальная физика атомных ядер, квантовых состояний и электронно-ядерных взаимодействий требует сложного теоретического моделирования.

Экспериментальные исследования часто связаны с большим количеством параметров.

Поэтому интеллектуальные методы могут использоваться для анализа результатов, поиска закономерностей и выбора наиболее информативных экспериментов.

Однако необходимо учитывать, что компьютерная модель не заменяет экспериментального подтверждения.

Даже сложная интеллектуальная система может формировать физически некорректные гипотезы.

Поэтому решающее значение сохраняют независимая проверка и воспроизводимость.

В таком понимании NOO может рассматриваться как средство повышения эффективности научного поиска, а не как замена фундаментальной физики.

5.5.11. Постпикоэлектроника в генеральной стратегии Метаразвития
Для генеральной технологии Метаразвития постпикоэлектронные исследования имеют двойственное значение.

С одной стороны, они расширяют представления о возможных физических основаниях будущей техники.

С другой — создают дополнительную область проверки эффективности научно-технологического проектирования.

Однако необходимо установить разумную последовательность развития.

Современная атомарно-точная электроника уже располагает экспериментальной базой.

Ядерные квантовые технологии обладают отдельными подтверждёнными функциональными результатами.

Гипотетические вычисления на основе внутриядерных процессов пока не имеют сопоставимой технологической зрелости.

Поэтому их нельзя включать в одну программу промышленного внедрения с одинаковыми сроками и ожидаемыми результатами.

Исследовательские ресурсы следует распределять с учётом физической обоснованности, экспериментальной доступности и возможной полезности.

Это означает, что постпикоэлектронная программа может развиваться параллельно с PICO, но не должна подменять её ближайшие технологические задачи.

5.5.12. Главный стратегический вывод
Фемтодиапазон открывает доступ к физической области атомных ядер.

Но не представляет собой очередной геометрический этап традиционного производства транзисторов.

Наиболее обоснованные направления исследований связаны с использованием ядерных квантовых состояний, электронно-ядерных взаимодействий и резонансных методов управления.

Современные эксперименты подтверждают возможность создания отдельных функциональных систем.

Особенно значимыми являются исследования ядерных спинов и ядерных часов.

Но дальнейшее развитие требует создания воспроизводимых, интегрируемых и практически полезных устройств.

Следовательно, постпикоэлектронные технологии необходимо рассматривать как открытый научный горизонт, в котором новые физические принципы могут оказаться важнее дальнейшей геометрической миниатюризации.

Перспективная карта постпикоэлектронных исследований
Для систематизации рассмотренных направлений предлагается следующая исследовательская карта.

Направление Подтверждённая основа Главная нерешённая задача
Ядерные спиновые регистры Управление отдельными спинами Масштабирование связных систем
Ядерные оптические часы Действующие прототипы Стабильность и практическая интеграция
Ядерная квантовая оптика Управление резонансами Компактность и эффективность
Электронно-ядерные интерфейсы Экспериментальная управляемость Передача информации и ошибки
Квантовые ядерные датчики Спектроскопия и резонанс Полная стоимость измерений
Внутриядерные вычислительные принципы Фундаментальные физические модели Отсутствие доказанной архитектуры
Таблица отражает различные уровни научной и технологической зрелости.

Наличие экспериментальной основы не означает существования промышленного устройства.

Поэтому каждое направление должно оцениваться по отдельной программе экспериментальных исследований.

Заключение к главе 5
Исследование фемтодиапазона приводит к принципиальному уточнению представлений о будущем физической элементной базы.

Фемтометр является характерной единицей измерения субатомных размеров, прежде всего атомных ядер и нуклонов.

Однако переход к этому масштабу нельзя рассматривать как продолжение обычного уменьшения электронных транзисторов.

Атомная и ядерная физические области обладают различными свойствами.

Электронная техника преимущественно использует электронные состояния, движение электрических зарядов и электромагнитное взаимодействие.

Ядерные системы обладают собственными квантовыми состояниями, определяемыми внутриядерной структурой и соответствующими взаимодействиями.

Поэтому создание устройств, непосредственно использующих ядерные состояния, требует других физических принципов.

Современные научные достижения показывают, что определённые ядерные степени свободы уже могут использоваться для выполнения полезных функций.

Особенно важны эксперименты по управлению отдельными ядерными спинами.

Они подтверждают возможность создания гибридных электронно-ядерных квантовых систем.

Другим значительным направлением стало развитие ядерных оптических часов.

Результаты исследований тория-229, включая эксперименты 2024–2026 годов, демонстрируют переход от изучения ядерного резонанса к использованию соответствующего состояния как рабочего частотного эталона.

Однако подобные устройства пока не образуют универсальной вычислительной платформы.

Следовательно, понятие фемтоэлектроники требует особой осторожности.

Оно не должно использоваться как обозначение уже существующего промышленного поколения электронных устройств.

Более корректно рассматривать совокупность постпикоэлектронных направлений, использующих новые квантовые, электронно-ядерные и иные физические механизмы.

Для генеральной технологии Метаразвития это имеет стратегическое значение.

Будущее вычислительной техники не обязано определяться бесконечным уменьшением физических размеров транзисторов.

Оно может быть связано с возникновением новых способов представления, преобразования и передачи информации.

Однако каждый предполагаемый технологический переход должен подтверждаться экспериментально.

Необходимо доказать работоспособность физического механизма.

Обеспечить управление состояниями.

Создать способы считывания и взаимодействия.

Исследовать ошибки.

Подтвердить воспроизводимость.

И установить экономическую целесообразность практического применения.

Поэтому последовательность развития будущей элементной базы следует понимать не как механическое движение от нано- к пико-, затем к фемто-, а как расширение физических возможностей выполнения полезных функций.

Наноэлектроника совершенствует управление электронными системами на чрезвычайно малых пространственных масштабах.

Пикоэлектроника в предлагаемой концепции Метаразвития исследует целенаправленное использование атомарных структур и управляемых электронных состояний.

Постпикоэлектронные технологии открывают исследовательский горизонт новых физических функций, в том числе связанных с ядерными квантовыми состояниями.

Но между этими направлениями не существует обязательной последовательности полного технологического замещения.

Они могут развиваться параллельно, взаимодействовать и дополнять друг друга.

Следовательно, наиболее перспективной становится стратегия физического и архитектурного разнообразия.

Именно она способна создать предпосылки для последующих научно-технологических преобразований.

В рамках проекта Метаразвития важнейшая задача заключается не в объявлении заранее определённого конечного физического масштаба электронной техники.

Она заключается в создании эффективного механизма поиска, экспериментальной проверки и практического освоения новых физических принципов.

От исследованного атома — к управляемому электронному состоянию.

От электронного состояния — к интегрированной вычислительной функции.

От изучения атомного ядра — к использованию его квантовых свойств.

От отдельного физического эксперимента — к специализированной технологической платформе.

От новых физических возможностей — к совершенствованию самого процесса научно-технологического развития.

Так определяется долгосрочная исследовательская перспектива постпикоэлектронных технологий в системе генеральной технологии Метаразвития.

Основные источники и научная литература к главе 5
Физические масштабы, фундаментальные постоянные и структура атомных ядер
BIPM. The International System of Units (SI): Prefixes. Bureau International des Poids et Mesures. Официальные определения десятичных приставок nano, pico, femto и последующих единиц.
https://www.bipm.org/en/measurement-units/si-prefixes
Mohr P. J., Newell D. B., Taylor B. N., Tiesinga E. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2022. Reviews of Modern Physics. 2025. Vol. 97. Article 025002.
DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.97.025002
NIST. CODATA Values: Bohr Radius; Compton Wavelength. National Institute of Standards and Technology. Рекомендованные фундаментальные характеристики атомных и квантово-релятивистских масштабов.
https://physics.nist.gov/cuu/Constants/
NIST. CODATA Value: Proton RMS Charge Radius. National Institute of Standards and Technology. Справочное значение среднеквадратичного зарядового радиуса протона.
https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rp=
Angeli I., Marinova K. P. Table of Experimental Nuclear Ground State Charge Radii: An Update. Atomic Data and Nuclear Data Tables. 2013. Vol. 99. No. 1. P. 69–95. Систематизация экспериментальных зарядовых радиусов атомных ядер.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.adt.2011.12.006
Pohl R., Antognini A., Nez F. et al. The Size of the Proton. Nature. 2010. Vol. 466. P. 213–216. Прецизионная спектроскопия мюонного водорода и измерение зарядового радиуса протона.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature09250
Hofstadter R. The Electron-Scattering Method and Its Application to the Structure of Nuclei and Nucleons. Nobel Lecture. 1961. Исторический обзор экспериментального исследования ядерной структуры методом электронного рассеяния.
Пределы обычной электроники и физика атомарных устройств
Dennard R. H., Gaensslen F. H., Yu H.-N., Rideout V. L., Bassous E., LeBlanc A. R. Design of Ion-Implanted MOSFET’s with Very Small Physical Dimensions. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1974. Vol. 9. No. 5. P. 256–268.
DOI: https://doi.org/10.1109/JSSC.1974.1050511
International Roadmap for Devices and Systems. 2024 IRDS: Metrology. IEEE. 2024. Опубликовано NIST в 2025 году. Исследовательская дорожная карта метрологических задач современной и перспективной электронной техники.
Fuechsle M., Miwa J. A., Mahapatra S. et al. A Single-Atom Transistor. Nature Nanotechnology. 2012. Vol. 7. P. 242–246. Экспериментальное создание транзистора с функциональным участием одного детерминированно размещённого атома.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2012.21
Ядерные спины и электронно-ядерные квантовые системы
Kane B. E. A Silicon-Based Nuclear Spin Quantum Computer. Nature. 1998. Vol. 393. P. 133–137. Концепция квантовых вычислений на основе ядерных спинов донорных атомов в кремнии.
DOI: https://doi.org/10.1038/30156
Muhonen J. T., Dehollain J. P., Laucht A. et al. Storing Quantum Information for 30 Seconds in a Nanoelectronic Device. Nature Nanotechnology. 2014. Vol. 9. P. 986–991. Экспериментальное исследование длительного сохранения квантовой информации в полупроводниковой системе.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2014.211
Sigillito A. J., Tyryshkin A. M., Schenkel T., Houck A. A., Lyon S. A. All-Electric Control of Donor Nuclear Spin Qubits in Silicon. Nature Nanotechnology. 2017. Vol. 12. P. 958–962.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2017.154
Hensen B., Huang W. W., Yang C.-H. et al. A Silicon Quantum-Dot-Coupled Nuclear Spin Qubit. Nature Nanotechnology. 2020. Vol. 15. P. 13–17. Экспериментальное управление ядерным спиновым кубитом, связанным с кремниевой квантовой точкой.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-019-0587-7
Asaad S., Mourik V., Joecker B. et al. Coherent Electrical Control of a Single High-Spin Nucleus in Silicon. Nature. 2020. Vol. 579. P. 205–209. Когерентное электрическое управление спином отдельного ядра сурьмы в кремниевой системе.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2057-7
Ядерная квантовая оптика и когерентное управление
R;hlsberger R., Wille H.-C., Schlage K., Sahoo B. Electromagnetically Induced Transparency with Resonant Nuclei in a Cavity. Nature. 2012. Vol. 482. P. 199–203.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature10741
Chumakov A. I., Baron A. Q. R., Sergueev I. et al. Superradiance of an Ensemble of Nuclei Excited by a Free Electron Laser. Nature Physics. 2018. Vol. 14. P. 261–264. Экспериментальное исследование коллективных ядерных возбуждений и сверхизлучения.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-017-0001-z
Heeg K. P., Kaldun A., Strohm C. et al. Coherent X-ray–Optical Control of Nuclear Excitons. Nature. 2021. Vol. 590. P. 401–404. Экспериментальное исследование когерентного управления ядерными возбуждениями рентгеновскими импульсами.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03276-x
Ядерные часы и низкоэнергетическое состояние тория-229
von der Wense L., Seiferle B. The Thorium-229 Isomer: Prospects for a Nuclear Optical Clock. The European Physical Journal A. 2020. Vol. 56. Article 277. Физические основания и перспективы оптических ядерных часов.
DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-020-00263-0
Tiedau J., Okhapkin M. V., Zhang K. et al. Laser Excitation of the Th-229 Nucleus. Physical Review Letters. 2024. Vol. 132. Article 182501. Экспериментальная демонстрация резонансного лазерного возбуждения изомерного состояния тория-229.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.182501
Zhang C., Ooi T., Higgins J. S. et al. Frequency Ratio of the 229mTh Nuclear Isomeric Transition and the 87Sr Atomic Clock. Nature. 2024. Vol. 633. P. 63–70. Прецизионное сопоставление ядерного и атомного частотных переходов.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6
Ooi T., Doyle J. F., Zhang C. et al. Frequency Reproducibility of Solid-State Thorium-229 Nuclear Clocks. Nature. 2026. Vol. 650. P. 72–78. Исследование частотной воспроизводимости и влияния характеристик кристаллической среды.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09999-5
Toscani De Col L., Riebner T., Morawetz I. et al. A Thorium-229 Optical Nuclear Clock with Feedback Loop. Nature. 2026. Vol. 658. P. 897–902. Опубликовано 7 октября 2026 года. Экспериментальная реализация ядерных часов с лазерной стабилизацией по ядерному резонансу.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-11084-4
Huang B., Yan G., Xiao Q. et al. A Nuclear Clock Synchronized to 229Th. Nature. 2026. Vol. 658. P. 903–908. Опубликовано 7 октября 2026 года. Независимая реализация ядерного частотного стандарта с обратной связью и исследованием воспроизводимости.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-11122-1
Фундаментальные энергетические ограничения и метрология
Landauer R. Irreversibility and Heat Generation in the Computing Process. IBM Journal of Research and Development. 1961. Vol. 5. No. 3. P. 183–191. Фундаментальная связь логической необратимости и термодинамических затрат вычислений.
DOI: https://doi.org/10.1147/rd.53.0183
JCGM. Evaluation of Measurement Data — Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. JCGM 100:2008. Joint Committee for Guides in Metrology. Международная методология оценивания неопределённости измерений.
DOI: https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E
********