量子器件

计算机术语

据新出版的英国《自然》杂志载文报道，美国科学家在量子计算机研究方面获得重大的进展，这使得人们向往已久的量子计算机又向我们靠近了一大步，使科学家们对利用量子研究领域的新技术研制出超级计算机充满了信心。

简介

又向我们靠近了一大步，使科学家们对利用量子研究领域的新技术研制出超级计算机充满了信心。美国科学家宣布，他们已经实现了4量子位逻辑门，取得了4个锂离子的量子缠结状态，此举使21世纪量子计算机的研制取得了重大突破。

2016年7月4日，德国慕尼黑技术大学和美国哈佛大学等高等学府和科研机构的科学家们，联合宣布研制成功5量子位的核磁共振量子计算机，并且成功地通过了运算试验。此举标志着全球量子理论研究进入了一个崭新的阶段。

量子研究领域的新成果，对半导体技术的发展有着重大影响。目前，世界上发达国家的半导体厂商已经开始采用0.18μm工艺生产半导体芯片，甚至还采用了更先进的0.1μm工艺，使半导体芯片及器件的生产达到了炉火纯青的极高境界。然而，当线宽小到接近极限之后，线路与线路相互间的距离越来越窄，结果导致相互干扰。为了减少这种干扰，可以采取减小电流的方法来解决，但是，当通过线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动之时，信号的背景噪声会变得很大，而且由于线宽过于狭窄，量子效应会发生作用，导致传统的计算机理论不再灵验。

为了解决这个半导体芯片发展中的瓶颈问题，科学家们另辟蹊径，根据量子理论研制新颖的量子器件。近年来，量子器件的研制取得了新的进展，为量子计算机的研制创造了必要的前提条件。

产品

量子器件新品迭出

量子晶体管

量子理论认为，借助信号量子化使电子运动速度加快，就能使电子通过似乎无法通过的结构，这使得电子的物理结构发生变化，驱使电子“隧道贯穿”物体。据科学家透露，一种新的量子晶体管正在研制之中，它能使现行的电脑运行提高几百倍。

美国新墨西哥州桑迪亚国立实验室最近宣布研制出量子晶体管样管，较好地解决了量子晶体管批量生产的工艺问题。据报道，这一名为“双电子层隧道晶体管”的器件是根据量子物理学的基本原理研制成功的。它利用电子高速运动产生的隧道作用，使电子突破在经典物理学中无法逾越的能量界限，来实现晶体管的开关效应，并可以用特定频率的光来进行开关控制。

该实验室研究小组的负责人透露，量子理论就像没有接触开关的情况下开关一个电灯。在量子晶体管中，电子运动速度之快使它们能“隧道贯穿”一个障碍。这在普通物理条件下是不可能的。在一个普通的晶体管里，上万个电子路径是由一个电子开关控制的；而在量子晶体管里，电子被永久性的封闭所阻挡。然而，当所有的电子具有相同的能量时，只要有效地打开晶体管，电子就能以高速穿过封闭门。新的晶体管将会在计算机芯片上大行其道，得到广泛的应用。目前量子晶体管已经可以批量生产，量子晶体管是未来量子计算机和通信系统的组件之一。如果采用量子晶体管制造计算机，这种量子计算机的速度按照保守估计也至少比目前的计算机快10倍。一旦工程师们掌握了生产量子芯片以及其他各种量子器件的技术，那么，量子计算机的批量投产就指日可待了。

人类利用量子技术的前景非常广阔，军事用途的高速卫星通信系统可能最先采用量子技术。目前，科学家研制的量子晶体管是在-200℃的条件下工作的。科学家们表示这项研究有望在今年年底获得突破，使量子晶体管能够在常温下工作。

量子存储器

在电子计算机中，信息或数据是用二进制数据位(bit)存储的每一个数据位只能是一个数据，非0即1。研制量子存储器就成为实现量子计算机的重中之重。

美国密歇根大学的物理学家在L.K.格罗夫理论的基础上创建了一个以原子量子相来存储和检索数据的数据库。在密歇根大学的实验中，计算机将数据随机赋值给一个铯原子中的一个量子态。使用超强激光脉冲，将信息存储在被赋值的量子态中，用不了1纳秒，即十亿分之一秒，同一原子被第2个激光脉冲击中，放大倒转的量子态并抑制波包中所有其它的状态，从而给存储的数据定了位。

密歇根大学物理学教授巴克思鲍姆指出:量子数据库存储器将成为一种比电子计算机的二进制更快、更高级的数据存储和检索方法。因为量子力学规则允许同时搜索许多位置。我们试验了格罗夫的一种算法并证实了其设想是正确的。根据这种思路，科学家们正在考虑采用量子粒子的自旋作为存储媒体，如果这种探索获得成功，那么，量子存储器将成为21世纪初一种极具市场潜力的新款存储器。

量子阱激光器

近年来，美国、日本和欧洲一些发达国家的通信厂商纷纷将采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料InCaAsP/InP制造的激光二极管广泛地应用于光纤通信系统，因为这种材料的发光波长能够满足石英光纤的需要。但是这种激光器对温度的变化非常敏感，在温度较高时往往不能正常工作。

为了使半导体激光器的工作温度范围拓宽，科学家们将量子阱技术应用于半导体激光器的研制。量子阱结构的引入，使半导体激光器的温度特性得到极大的改善。科学家们采用先进的半导体外延生长工艺，将厚度只有几十个原子层的半导体发光材料用作量子阱，使其交替生长在作为量子势垒的光限制材料之间，从而发生一系列的量子限制效应。实验表明，采用直径小于20纳米的一堆堆物质构成或者大约相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，能够控制非常小的电子群的运动，并且不与奇异的量子效应发生矛盾。因此，量子阱激光器能够在较宽的范围内正常工作，具有广阔的市场前景。

量子干涉元件传感器

日本九洲大学电子器件工程系副教授K·Enpuku和德国柏林联邦物理技术研究所合作研制成功世界上性能最好的高温超导量子干涉元件(SQUID)传感器。由于采用了最优化设计和高性能约瑟夫森结技术，传感器的性能和再生能力大为提高，因此该传感器可用于医学和工业用途。

为实现高性能设计，该研究组对器件参数进行了优化，使约瑟夫森结达到约10Ω电阻，临界电流约20μA。确立了双晶粘接技术，用30°倾角取代一般的24°和36.8°。因此，这种高温超导量子干涉元件传感器能够将地磁的分辨率由三亿分之一提高到十亿分之一。与使用液氦的SQUID传感器相比，虽然其分辨力较差，但是由于使用价廉、易得的液氮，因此这种传感器可以用于测定脑磁场区，其应用范围已经扩展到生物磁测定、无损检验和全球环境监测等领域。

量子效应器件

量子效应器件的研制是从1985年开始的，十多年来，科学家们克服了重重困难，在量子效应器件的研制方面取得了突破性的进展。虽然量子效应器件的制造方法是多种多样的，但其原理基本上相同，都无一例外地采用电子拥挤控制。量子效应晶体管用一个“岛”取代场效应晶体管的沟道，通过一种薄层材料与源极和漏极隔离。场效应晶体管的沟道像源极和漏极之间的一根导管，当晶体管导通时，它让电子通过。从另外的角度来看，“岛”也像两个旋转栅门之间的缝隙，限制了电子通行的空间。旋转栅门作为隔离材料层，只允许电子低速通过，在某些情况下一次只让一个电子通过。

在量子效应器件中，一类是“单电子晶体管”，它可以有一个电子开关；另一类是共振隧道晶体管，它的优越性是:代替简单的“开”或“关”，它在开关之间有很多不同的状态，它可以只采用一个共振隧道晶体管代替十几个常规的晶体管。

单电子晶体管的开发与应用前景十分看好。在美国明尼苏达州大学由斯蒂芬·乔领导的一个小组宣布，他们已经得到一个即使在室温下也能工作的单电子晶体管；在日立剑桥实验室由哈鲁·阿迈德领导的一个小组日前在《应用物理通讯》期刊上报道了单电子晶体管研究的最新进展:一个单电子晶体管首次放大输入的信号，虽然只能放大3.7倍，比传统的晶体管小几百倍，但是该成果已经在量子器件的研究领域迈出了一大步。日本NTT公司的科学家们也研究成功了使用多个单电子晶体管构成的电子计算机逻辑电路，这种电路经过改进，可用于制造高性能的PC和便携式通信终端设备。这家公司使用特殊形状的硅材料进行加热氧化，仅留下极小的非氧化区域，形成10纳米的“硅岛”，只能通过一个电子，从而构成了单电子晶体管。通常的晶体管约需10万个电子，而单电子晶体管只需要一个电子即可。因此其体积仅为传统晶体管的1%，耗电也仅为传统晶体管的十万分之一。NTT公司表示，到2000年将可以制造出集成1000个单电子晶体管的芯片，2015年左右达到实用化水平，为制作低功耗、超微型PC等电子新产品提供高性能的量子效应元件。

量子位量子计算机

德国慕尼黑技术大学和美国哈佛大学等高等学府和科研机构的科学家们于今年7月4日宣布研制成功五量子位的核磁共振量子计算机，并且成功地通过了运算试验。参加研制的美国科学家指出，量子计算机是未来计算机的研究热点，现有的电子计算机是基于二进位的，而量子计算机则基于量子位。二进位只能用“0”和“1”两种状态表示信息，而量子位可用粒子的量子力学状态表示信息。

由于量子世界的不确定性，量子位可以包含所有可能数值的不确定状态，因此，量子计算机可以实现电子计算机无法进行的复杂计算。量子计算的关键是要在原子水平上实现对量子的控制，目前可以提供几种方案。

我国的量子研究

我国科学家也把目光瞄准了量子计算机这个世界科学的前沿阵地，已经开始着手进行量子计算机的研究。1997年，中科院武汉物理与数字研究所在国内率先开展了量子计算机研究。目前，大多利用微粒的自转性模拟集成电路中的各种元件来进行量子计算机的研究。在原子世界中，质子、电子等微粒都在不停地自转，自转轴线在磁场内与磁场方向不同，会导致它呈现不同的能量状态。一台有几个原子的量子计算机能够同时进行2n次运算，大大超过电子计算机的运算能力。

为了能够在微观状态下实现量子运算，国际上先后提出了4种方案，我国科学家对其中的核磁共振以及表腔中的原子等方案进行了探索。1999年，中国科大建立了量子通信和量子计算开放研究实验室，开展量子信息科学领域的研究，以量子信息领域的基本问题为研究方向，进行理论探索和各种实验，近期以量子密码、量子通信、量子逻辑器件和量子计算为主要的研究课题，长期则以量子计算机为研究目标，吸收国内外优秀的人才进行研究，广泛开展国际交流和协作，力争建成国内量子研究领域的研究基地。

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