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半导体“革命者” 的量子芯片

点击:1292  添加时间:2015-12-31 15:55:00

半导体“革命者” 的量子芯片

  现在或许还无法准确预测“量子计算时代”何时到来,但在科学家看来,已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性产品的诞生了。

  计算机已经成为我们日常生活中的必备工具,如果问一句“你的计算机CPU用的是什么芯片?是Intel,还是AMD呢?”其实无论是Intel还是AMD,它们在本质上一样,都属于半导体芯片,基本单元都是半导体晶体管。未来,电脑芯片或许要多一个选择了:量子芯片。

  半导体芯片是在半导体片材上进行浸蚀、布线、制成的能实现某种功能的半导体器件,主要包括砷化镓、硅和硅锗等半导体材料。随着人们对更小电子产品尺寸要求的提出,晶体管集成度越来越高,单个晶体管的尺寸也越来越小。据科学家推算,大约到2020年,每个晶体管将小到只有一个电子,即单电子晶体管。然而,一旦晶体管体积在不断变小的进程中出现“量子隧穿效应”,电子就可以直接从晶体管中“穿”过去,经典逻辑运算将不复存在。

  据了解,目前世界上主要的计算机芯片生产企业仍在想办法避免量子隧穿效应。从长远来看,与其避免不如加以利用,发展使用“量子运算”的半导体量子芯片。

  量子计算机将兴起

  近年来,科学家利用量子效应在单电子晶体管上开展量子计算与量子信息技术研究,期待能够研制出实用化的量子计算机。量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

  现在或许还无法准确预测“量子计算时代”何时到来,但在科学家看来,已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性产品的诞生。科学家所研究的半导体量子芯片,就是能够进行逻辑运算和处理量子信息过程的量子处理器,是研制量子计算机的核心器件,类比于经典计算机全电控的半导体中央处理器(CPU)。

  对于现代计算机而言,通过控制晶体管电压的高低电平,从而决定一个数据到底是“1”还是“0”,采用“1”或“0”的二进制数据模式,俗称经典比特。而量子计算机采用的是量子比特,它的每个数据位用微观的量子态表示。根据量子力学原理,量子比特同时可以处于“1”和“0”两种状态的叠加态,量子计算的输入和输出都是概率性的,这是量子力学的奇特性质之一。正是由于这种叠加状态的存在,量子计算机就可以同时进行很多条路径的计算,经过多次运算就可以获得精确的结果。

  这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力。采用量子计算机进行一些复杂的计算任务,如密码破译、气候模拟和生物医学模拟等,量子计算机的运算速度可比传统计算机快数万倍。

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