量子器件

又向我們靠近了一大步，使科學家們對利用量子研究領域的新技術研製出超級計算機充滿了信心。美國科學家宣佈，他們已經實現了4量子位邏輯門，取得了4個鋰離子的量子纏結狀態，此舉使21世紀量子計算機的研製取得了重大突破 ^[1]  。

2016年7月4日，德國慕尼黑技術大學和美國哈佛大學等高等學府和科研機構的科學家們，聯合宣佈研製成功5量子位的核磁共振量子計算機，並且成功地通過了運算試驗。此舉標誌着全球量子理論研究進入了一個嶄新的階段。 ^[1] 

量子研究領域的新成果，對半導體技術的發展有着重大影響。目前，世界上發達國家的半導體廠商已經開始採用0.18μm工藝生產半導體芯片，甚至還採用了更先進的0.1μm工藝，使半導體芯片及器件的生產達到了爐火純青的極高境界。然而，當線寬小到接近極限之後，線路與線路相互間的距離越來越窄，結果導致相互干擾。為了減少這種干擾，可以採取減小電流的方法來解決，但是，當通過線路的電流微弱到僅有幾十個甚至幾個電子流動之時，信號的背景噪聲會變得很大，而且由於線寬過於狹窄，量子效應會發生作用，導致傳統的計算機理論不再靈驗。 ^[1] 

為了解決這個半導體芯片發展中的瓶頸問題，科學家們另闢蹊徑，根據量子理論研製新穎的量子器件。近年來，量子器件的研製取得了新的進展，為量子計算機的研製創造了必要的前提條件。 ^[1] 

量子器件新品迭出

量子晶體管 ^[1] 

量子理論認為，藉助信號量子化使電子運動速度加快，就能使電子通過似乎無法通過的結構，這使得電子的物理結構發生變化，驅使電子“隧道貫穿”物體。據科學家透露，一種新的量子晶體管正在研製之中，它能使現行的電腦運行提高几百倍。 ^[1] 

美國新墨西哥州桑迪亞國立實驗室最近宣佈研製出量子晶體管樣管，較好地解決了量子晶體管批量生產的工藝問題。據報道，這一名為“雙電子層隧道晶體管”的器件是根據量子物理學的基本原理研製成功的。它利用電子高速運動產生的隧道作用，使電子突破在經典物理學中無法逾越的能量界限，來實現晶體管的開關效應，並可以用特定頻率的光來進行開關控制。 ^[1] 

該實驗室研究小組的負責人透露，量子理論就像沒有接觸開關的情況下開關一個電燈。在量子晶體管中，電子運動速度之快使它們能“隧道貫穿”一個障礙。這在普通物理條件下是不可能的。在一個普通的晶體管裏，上萬個電子路徑是由一個電子開關控制的；而在量子晶體管裏，電子被永久性的封閉所阻擋。然而，當所有的電子具有相同的能量時，只要有效地打開晶體管，電子就能以高速穿過封閉門。新的晶體管將會在計算機芯片上大行其道，得到廣泛的應用。目前量子晶體管已經可以批量生產，量子晶體管是未來量子計算機和通信系統的組件之一。如果採用量子晶體管制造計算機，這種量子計算機的速度按照保守估計也至少比目前的計算機快10倍。一旦工程師們掌握了生產量子芯片以及其他各種量子器件的技術，那麼，量子計算機的批量投產就指日可待了。 ^[1] 

人類利用量子技術的前景非常廣闊，軍事用途的高速衞星通信系統可能最先採用量子技術。目前，科學家研製的量子晶體管是在-200℃的條件下工作的。科學家們表示這項研究有望在今年年底獲得突破，使量子晶體管能夠在常温下工作。 ^[1] 

量子存儲器

在電子計算機中，信息或數據是用二進制數據位(bit)存儲的每一個數據位只能是一個數據，非0即1。研製量子存儲器就成為實現量子計算機的重中之重 ^[1]  。

美國密歇根大學的物理學家在L.K.格羅夫理論的基礎上創建了一個以原子量子相來存儲和檢索數據的數據庫。在密歇根大學的實驗中，計算機將數據隨機賦值給一個銫原子中的一個量子態。使用超強激光脈衝，將信息存儲在被賦值的量子態中，用不了1納秒，即十億分之一秒，同一原子被第2個激光脈衝擊中，放大倒轉的量子態並抑制波包中所有其它的狀態，從而給存儲的數據定了位 ^[1]  。

密歇根大學物理學教授巴克思鮑姆指出:量子數據庫存儲器將成為一種比電子計算機的二進制更快、更高級的數據存儲和檢索方法。因為量子力學規則允許同時搜索許多位置。我們試驗了格羅夫的一種算法並證實了其設想是正確的。根據這種思路，科學家們正在考慮採用量子粒子的自旋作為存儲媒體，如果這種探索獲得成功，那麼，量子存儲器將成為21世紀初一種極具市場潛力的新款存儲器 ^[1]  。

量子阱激光器 ^[1] 

近年來，美國、日本和歐洲一些發達國家的通信廠商紛紛將採用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料InCaAsP/InP製造的激光二極管廣泛地應用於光纖通信系統，因為這種材料的發光波長能夠滿足石英光纖的需要。但是這種激光器對温度的變化非常敏感，在温度較高時往往不能正常工作 ^[1]  。

為了使半導體激光器的工作温度範圍拓寬，科學家們將量子阱技術應用於半導體激光器的研製。量子阱結構的引入，使半導體激光器的温度特性得到極大的改善。科學家們採用先進的半導體外延生長工藝，將厚度只有幾十個原子層的半導體發光材料用作量子阱，使其交替生長在作為量子勢壘的光限制材料之間，從而發生一系列的量子限制效應。實驗表明，採用直徑小於20納米的一堆堆物質構成或者大約相當於60個硅原子排成一串的長度的量子點，能夠控制非常小的電子羣的運動，並且不與奇異的量子效應發生矛盾。因此，量子阱激光器能夠在較寬的範圍內正常工作，具有廣闊的市場前景 ^[1]  。

量子干涉元件傳感器 ^[1] 

日本九洲大學電子器件工程系副教授K·Enpuku和德國柏林聯邦物理技術研究所合作研製成功世界上性能最好的高温超導量子干涉元件(SQUID)傳感器。由於採用了最優化設計和高性能約瑟夫森結技術，傳感器的性能和再生能力大為提高，因此該傳感器可用於醫學和工業用途 ^[1]  。

為實現高性能設計，該研究組對器件參數進行了優化，使約瑟夫森結達到約10Ω電阻，臨界電流約20μA。確立了雙晶粘接技術，用30°傾角取代一般的24°和36.8°。因此，這種高温超導量子干涉元件傳感器能夠將地磁的分辨率由三億分之一提高到十億分之一。與使用液氦的SQUID傳感器相比，雖然其分辨力較差，但是由於使用價廉、易得的液氮，因此這種傳感器可以用於測定腦磁場區，其應用範圍已經擴展到生物磁測定、無損檢驗和全球環境監測等領域 ^[1]  。

量子效應器件 ^[1] 

量子效應器件的研製是從1985年開始的，十多年來，科學家們克服了重重困難，在量子效應器件的研製方面取得了突破性的進展。雖然量子效應器件的製造方法是多種多樣的，但其原理基本上相同，都無一例外地採用電子擁擠控制。量子效應晶體管用一個“島”取代場效應晶體管的溝道，通過一種薄層材料與源極和漏極隔離。場效應晶體管的溝道像源極和漏極之間的一根導管，當晶體管導通時，它讓電子通過。從另外的角度來看，“島”也像兩個旋轉柵門之間的縫隙，限制了電子通行的空間。旋轉柵門作為隔離材料層，只允許電子低速通過，在某些情況下一次只讓一個電子通過 ^[1]  。

在量子效應器件中，一類是“單電子晶體管”，它可以有一個電子開關；另一類是共振隧道晶體管，它的優越性是:代替簡單的“開”或“關”，它在開關之間有很多不同的狀態，它可以只採用一個共振隧道晶體管代替十幾個常規的晶體管 ^[1]  。

單電子晶體管的開發與應用前景十分看好。在美國明尼蘇達州大學由斯蒂芬·喬領導的一個小組宣佈，他們已經得到一個即使在室温下也能工作的單電子晶體管；在日立劍橋實驗室由哈魯·阿邁德領導的一個小組日前在《應用物理通訊》期刊上報道了單電子晶體管研究的最新進展:一個單電子晶體管首次放大輸入的信號，雖然只能放大3.7倍，比傳統的晶體管小几百倍，但是該成果已經在量子器件的研究領域邁出了一大步。日本NTT公司的科學家們也研究成功了使用多個單電子晶體管構成的電子計算機邏輯電路，這種電路經過改進，可用於製造高性能的PC和便攜式通信終端設備。這家公司使用特殊形狀的硅材料進行加熱氧化，僅留下極小的非氧化區域，形成10納米的“硅島”，只能通過一個電子，從而構成了單電子晶體管。通常的晶體管約需10萬個電子，而單電子晶體管只需要一個電子即可。因此其體積僅為傳統晶體管的1%，耗電也僅為傳統晶體管的十萬分之一。NTT公司表示，到2000年將可以製造出集成1000個單電子晶體管的芯片，2015年左右達到實用化水平，為製作低功耗、超微型PC等電子新產品提供高性能的量子效應元件 ^[1]  。

量子位量子計算機

德國慕尼黑技術大學和美國哈佛大學等高等學府和科研機構的科學家們於今年7月4日宣佈研製成功五量子位的核磁共振量子計算機，並且成功地通過了運算試驗。參加研製的美國科學家指出，量子計算機是未來計算機的研究熱點，現有的電子計算機是基於二進位的，而量子計算機則基於量子位。二進位只能用“0”和“1”兩種狀態表示信息，而量子位可用粒子的量子力學狀態表示信息 ^[1]  。

由於量子世界的不確定性，量子位可以包含所有可能數值的不確定狀態，因此，量子計算機可以實現電子計算機無法進行的複雜計算。量子計算的關鍵是要在原子水平上實現對量子的控制，目前可以提供幾種方案。

我國的量子研究

我國科學家也把目光瞄準了量子計算機這個世界科學的前沿陣地，已經開始着手進行量子計算機的研究。1997年，中科院武漢物理與數字研究所在國內率先開展了量子計算機研究。目前，大多利用微粒的自轉性模擬集成電路中的各種元件來進行量子計算機的研究。在原子世界中，質子、電子等微粒都在不停地自轉，自轉軸線在磁場內與磁場方向不同，會導致它呈現不同的能量狀態。一台有幾個原子的量子計算機能夠同時進行2n次運算，大大超過電子計算機的運算能力 ^[1]  。

為了能夠在微觀狀態下實現量子運算，國際上先後提出了4種方案，我國科學家對其中的核磁共振以及表腔中的原子等方案進行了探索。1999年，中國科大建立了量子通信和量子計算開放研究實驗室，開展量子信息科學領域的研究，以量子信息領域的基本問題為研究方向，進行理論探索和各種實驗，近期以量子密碼、量子通信、量子邏輯器件和量子計算為主要的研究課題，長期則以量子計算機為研究目標，吸收國內外優秀的人才進行研究，廣泛開展國際交流和協作，力爭建成國內量子研究領域的研究基地 ^[1]  。