量子計算發展前景

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量子計算發展前景范文第1篇

摘 要：隨著計算機技術的發展，支配計算機領域長達44年之久的摩爾定律已經逐漸失效。讓我們最為擔憂的是在摩爾定律之后計算機領域會發生怎樣的變革。我們可以通過從根本上改變芯片的涉及、尋找替代硅的新材料或者改變目前的計算框架。其中一種框架就是基于日前獲得2016年諾貝爾物理學獎的拓撲相變理論。拓撲絕緣體就是拓撲材料的一種，其在量子計算機中具有巨大的潛在應用價值。本文將重點關注拓撲絕緣體器件在量子計算機中的應用前景，從專利和期刊文獻的角度，對其發展脈絡進行研究分析。

關鍵詞：拓撲絕緣體；量子反常霍爾效應；量子計算機；應用發展

1.引言

拓撲物態目前而言是一個內容豐富并且蓬勃發展的領域，作為先驅者，索利斯、霍爾丹和科斯特利茲獲得諾貝爾物理學獎是實至名歸。最早索利斯和他的合作者提出采用“陳數”（華人數學家陳省身提出的概念）來理解量子霍爾效應，隨后霍爾丹建立的量子反常霍爾效應模型則以巧妙的方式實現了非零陳數。然而這個模型一直未得到足夠的重視，直到近年來清華大學薛啟坤教授等課題組在磁性摻雜的拓撲絕緣體和其它拓撲材料中的實驗中才被得以證實。

2.拓撲絕緣體的理論發展

2004年Geim和Novoselov制備出單原子層的石墨烯，2005年Kane和Mele在單層石墨烯模型中引入自旋軌道耦合作用替代原先假想周期磁場，從而發現了與量子霍爾系統不同的時間反演不變拓撲絕緣體，也稱作Z2拓撲絕緣體[1]。首晟通過其它理論獨立的提出了量子自旋霍爾效應[2]。三維拓撲絕緣體的體能帶在費米能級處具有能隙，在其表面卻具有無能隙的表面態。這種表面態的能量-動量色散關系具有類似于石墨烯電子態的二維狄拉克錐形結構。和石墨烯不同的是，這種表面態除了狄拉克點之外都是自旋極化的（如圖1c），因此有可能直接產生自旋相關的效應，這為自旋電子學的發展提供了全新的思路。Z2拓撲絕緣體概念的提出使得人們很快發現大量材料屬于這一類拓撲絕緣體。這大大拓寬了拓撲材料和效應的研究范圍，使得人們看到了拓撲絕緣體在未來應用的發展前景。

左圖箭頭表示電流方向，右圖箭頭表示自旋方向。

自旋量子霍爾效應和霍爾效應一樣，電子在塊體的邊界上游走。霍爾效應里電子在某一個邊界上只沿一個方向運動（如圖1），但是在自旋量子霍爾效應中，每一個邊界上有兩條邊界態構成的能帶，每有一個（k，+）態，那么有一個另一個能帶上對應的（-k，-）態，這里的+-代表自旋。因此電子同時具有沿著一個方向運動，也有沿反方向運動的。它們數目相等從而沒有凈電流，也就是沒有霍爾電導。但是這兩種沿不同方向傳導的電子的自旋方向相反，因此有凈自旋流，而且類似于霍爾效應，這個自旋流的電導是量子化的，因此稱為自旋量子霍爾效應。自旋量子霍爾效應和量子霍爾效應的區別就是，沒有外加磁場。如果有外加磁場體系的時間反演對稱性被破壞，這個時候自旋量子霍爾效應不再存在。

自旋量子霍爾效應體系材料則是拓撲絕緣體中的一種。自旋量子霍爾效應中每個邊界上有兩個邊界能帶，這兩個能帶的手性是一樣的，因此會出現自旋量子霍爾效應，但是假設我們一個邊界上有四個能帶，其中兩個能帶的手性一樣，但是另兩個能帶的手性不一樣，那么此時沿邊界上一個方向走的電子自旋可以為正，也可以為負，兩者數目相等，相消。此時既沒有電流，也沒有自旋流。因此是另一種絕緣體。這兩種絕緣體的不同是由于它們能帶的拓撲性質不同。這里所說的是就是二維拓撲的情形。通俗來講就是塊體內部的電子是絕緣態，而邊緣電子由于可以隧穿能帶間的帶隙，因而邊緣態是導電的。

3.拓撲絕緣體在量子計算機中的應用發展

由著名物理學家費曼于1982年在一個公開演講中提出了利用量子計算體系實現計算的新奇想法，并由英國物理學家杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。2012年的諾貝爾物理學獎授予法國物理學家塞爾日?阿羅什和美國物理學家戴維?瓦恩蘭，以表彰他們在量子物理學方面的卓越研究。

清華大學于2012年12月21日申請的專利201210559480.6中提出一種包括磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型載流子和Bi引入的電子型載流子相互抵消，從而宏觀上具有量子反常霍爾效應。

而在2013年麻省理工學院的科學家在《Nature Communications》上發表文章[3]，稱可以在特定條件下，將石墨烯轉變為拓撲絕緣體，為量子計算機的研發提供了新的思路。這表明石墨烯型拓撲絕緣體在量子計算機中具有極大的潛在價值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申請的專利201610291358.3中提出具有量子反常霍爾效應的材料和由其形成的霍爾器件。器件包括拓撲絕緣體基材，摻雜到基材中的三種元素分別引入電子型載流子、空穴型載流子和磁性，從而形成雙磁性摻雜拓撲絕緣體。其中拓撲絕緣體基材采用的是Sb2Te3材料。上述發現為低能耗的電子器件如晶體管的制造并最終促成全拓撲量子計算機的實現提供了元器件基礎。

從最近的專利與文獻分析中可以看出，目前的研究重點主要集中在中美等科研強國，其從自然界存在的石墨烯到人工合成的拓撲材料，再到各種基于拓撲絕緣體的元器件都有一定的研究基礎。

4.結論

盡管拓撲絕緣體以及量子反常霍爾效應的相關理論研究已經日漸成熟，但是其在元器件上的應用仍然具有十分長遠發展。并且通過檢索發現在量子反常霍爾效應領域的發明專利的申請量非常少，由此可見，在可以預見的將來，拓撲絕緣體以及量子反常霍爾效應的相關元器件專利布局的競爭將日趨激烈。路漫漫其修遠兮，在新一代計算機―量子計算機的研發領域，我們還有很長的路要走。

參考文獻

[1] Kane C L， Mele E J， Quantum spin Hall effect in Graphene， Physical Review Letters， 95， 226801（2005）.

量子計算發展前景范文第2篇

多年來雖然摩爾定律已走到極限的說法不絕于耳，但是半導體工藝的進步卻從來沒有停止。目前特征尺寸32nm的半導體工藝已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不斷縮小工藝尺寸的同時，結構上的改進也在進行。2011年5月4日，Intel宣布經過近十年的研究，在半導體技術上取得革命性突破，將推出被稱為三柵極（Tri-Gate）的全新3D架構晶體管設計，并將在年內開始批量制造。傳統的二位平面柵極結構被豎起的3D硅鰭狀物代替，實現在晶體管在“關”狀態下的低功耗，并可實現“開”、“關”狀態的快速切換，從而可以實現高性能、低功耗的電子器件。

多核處理器的成熟

2006年出現的雙核處理器標志著以主頻論英雄的年代正式結束開始，處理器領域已進入一個多核時代，無論是業界巨 擘Intel還是AMD都已經明確表示，今后CPU將會是雙核乃至多核的世界。多核設計為摩爾定律帶來了新的生命力，在保持較低的時鐘頻率的同時，提高并行處理能力和計算密度，大大減少了散熱和功耗。多核處理器提供了高性價比和高效節能的新途徑，可以緩解當今處理器設計所面臨的各種挑戰。多核處理器是已成為主流處理器的發展趨勢。

由于多核技術仍然是基于傳統的“馮·諾依曼”結構，處理器內核數量的增加并沒有緩解并行處理技術中算法并行化、并行編程的難題，多核的性能并不能充分發揮。因此近年來內核數量增加的速度有所減緩，集成多種功能電路的混合異構多核成為流行的結構，目前Intel的酷睿二代處理器采用四核結構，內部集成顯示芯片。

超級計算機從高性能到高效能轉變

國外歷來強調高性能計算器在國家安全關鍵領域的戰略作用。美國早年提出的“加速戰略計算創新”（ASCI）計劃，其目的就是在全球全面禁止核試驗的情況下，美國能夠繼續保持它的核威懾能力和核壟斷地位。主要的手段是利用數學方程和三維建模仿真核武器的爆炸效果，確保現有庫存核武器的性能、安全和可靠性。從1997年到2007年，為ASCI計劃專門研制的高性能計算機系統，已經經歷了五代，2004年達到100萬億次，2010年達到1000萬億次量級的高性能計算機，預計2015年達到萬萬億次以上量級。我國的“天河一號”目前名列超級計算機TOP500榜首，速度高達4700萬億次。

除了性能的不斷提高，計算機處理的效能也在軍事作戰領域逐步得到重視。據估算，一臺持續千萬億次計算的超級計算機系統可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要專門建設發電站，每年的電費開銷可能高達1億元以上。根據超級計算機世界500強排行榜重新排序的綠色500強排行榜中，IBM的超級計算機排名榜首，功耗效率達到1684Mflops/瓦，“天河一號”排在第十位，為635 Mflops/瓦。

不斷探索采用新器件、新原理的計算機

以硅晶體管為基本單元的傳統計算機在小型化的過程中將逐步接近其物理極限。研究表明，計算機運行速度的快慢與芯片之間信號傳輸的速度直接相關，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號的過程中會吸收掉一部分信號，從而延長了信息傳輸的時間。

據報道，美國紐約倫斯雷爾·保利技術公司的科學家發明了一種利用空氣的絕緣性能來成倍地提高計算機運行速度的新技術：芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導線連接，“空氣膠滯體”導線幾乎不吸收任何信號，因而能夠更迅速地傳輸各種信息，可以成倍地提高計算機的運行速度。

將納米技術與計算機制造技術相結合的納米計算機（Nanometer Computer）也是很有發展前景。現在納米技術正從MEMS（微電子機械系統）起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積不過數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。

此外，以生物計算機、光計算機和量子計算機為代表的新概念計算機研究也非常引人注目。

生物計算機（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技術產生的蛋白質分子構成（所以又稱分子計算機）。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運算速度比當今最新一代計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十分之一，并且擁有巨大的存儲能力。由于蛋白質分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能自動修復芯片發生的故障，還能模仿人腦的思考機制。

美國已研制出生物計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進入實用階段。

光子計算機（Optical Computer）

光子計算機利用光作為信息的傳輸媒體。由于光子具有電子所不具備的頻率及偏振特征，從而大大提高了傳載信息的能力。此外，光信號傳輸根本不需要導線，即使在光線交匯時也不會互相干擾、互相影響。一塊直徑僅2厘米的光棱鏡可通過的信息比特率可以超過全世界現有全部電纜總和的300多倍。光腦還具有與人腦相似的容錯性，如果系統中某一元件遭到損壞或運算出現局部錯誤時，并不影響最終的計算結果。目前光腦的許多關鍵技術，如光存儲技術、光存儲器、光電子集成電路（OIC）等都已取得突破。科學家們預計，光子計算機的進一步研制將是21世紀高科技領域的重大課題。

量子計算機（Quantum Computer）

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行計算。量子計算機能夠實行量子并行計算, 其運算速度可能比目前計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。

量子計算發展前景范文第3篇

【關鍵詞】計算機；體系結構；發展局限

0 引言

1946年世界上誕生第一臺電子數字計算機ENIAC，拉開了人類計算機發展的序幕，經過60余的發展已經成為人類工作和生活不可缺少的一部分，它是科技發展史上最具影響力的成果。

然而，現代計算機發展所遵循的基本結構形式始終是馮?諾依曼機結構。這種結構特點是“程序存儲，共享數據，順序執行”，需要CPU從存儲器取出指令和數據進行相應的計算，因此CPU與共享存儲器間的信息交換的速度成為影響系統性能的主要因素，而信息交換速度的提高又受制于存儲元件的速度、存儲器的性能和結構等諸多條件。

傳統計算機在數值處理方面已經到達較高的速度和精度，而隨著非數值處理應用領域對計算機性能的要求越來越高，傳統體系結構的計算機已經難以到達這些要求，所以需要尋求新的體系結構來解決問題。

1 馮?諾依曼體系計算機發展的局限

1.1 集成電路生產技術制約存儲器的性能，存儲器的性能制約系統的性能

傳統馮?諾依曼計算機體系結構的存儲程序方式造成了系統對存儲器的依賴，CPU訪問存儲器的速度制約了系統運行的速度。集成電路IC芯片的技術水平決定了存儲器及其他硬件的性能。為了提高硬件的性能，以英特爾公司為代表的芯片制造企業在集成電路生產方面做出了極大的努力，且獲得了巨大的技術成果。現在每隔18個月IC的集成度翻一倍，性能也提升一倍，產品價格降低一半，這就是所謂的“摩爾定律”。這個規律已經持續了40多年，估計還將延續若干年。然而，電子產品面臨的二個基本限制是客觀存在的：光的速度和材料的原子特性。首先，信息傳播的速度最終將取決于電子流動的速度，電子信號在元件和導線里流動會產生時間延遲，頻率過高會造成信號畸變，所以元件的速度不可能無限的提高直至達到光速。第二，計算機的電子信號存儲在以硅晶體材料為代表晶體管上，集成度的提高在于晶體管變小，但是晶體管不可能小于一個硅原子的體積。隨著半導體技術逐漸逼近硅工藝尺寸極限，摩爾定律原導出的規律將不再適用。

現在集成電路中兩個晶體管之間的距離只有22納米，相當于只有100個硅原子那么大了。可以推測將來會有15納米，7.7納米，5.4納米，可能2023年做到2.7納米，2030年0.9納米。0.9納米只有4個硅原子那么大，4個硅原子不可能構成實用的晶體管，可以確定2030年以前硅材料為代表的IC技術到達發展極限。

因此，計算機基礎硬件的發展屆時將受到嚴重制約，需要從基礎物理、材料科學及生產技術多方面來重新思考計算機的硬件構成，更需要從體系結構方面有所創新。

1.2 對馮?諾依曼計算機體系結構缺陷的分析

（1）指令和數據存儲在同一個存儲器中，形成系統對存儲器的過分依賴。如果儲存器件的發展受阻，系統的發展也將受阻。

（2）指令在存儲器中按其執行順序存放，由指令計數器PC指明要執行的指令所在的單元地址。然后取出指令執行操作任務。所以指令的執行是串行。影響了系統執行的速度。

（3）存儲器是按地址訪問的線性編址，按順序排列的地址訪問，利于存儲和執行的機器語言指令，適用于作數值計算。但是高級語言表示的存儲器則是一組有名字的變量，按名字調用變量，不按地址訪問。機器語言同高級語言在語義上存在很大的間隔，稱之為馮?諾依曼語義間隔。消除語義間隔成了計算機發展面臨的一大難題。

（4）馮?諾依曼體系結構計算機是為算術和邏輯運算而誕生的，目前在數值處理方面已經到達較高的速度和精度，而非數值處理應用領域發展緩慢，需要在體系結構方面有重大的突破。

（5）傳統的馮?諾依曼型結構屬于控制驅動方式。它是執行指令代碼對數值代碼進行處理，只要指令明確，輸入數據準確，啟動程序后自動運行而且結果是預期的。一旦指令和數據有錯誤，機器不會主動修改指令并完善程序。而人類生活中有許多信息是模糊的，事件的發生、發展和結果是不能預期的，現代計算機的智能是無法應對如此復雜任務的。可見計算機從自動機器到自為機器還有很遙遠的路要走。

2 非馮?諾依曼體系計算機的發展

2.1 非馮?諾依曼體系計算機研究的主要線路

近幾年來人們努力謀求突破傳統馮?諾依曼體制的局限，各類非諾依曼化計算機的研究如雨后春筍蓬勃發展，主要表現在以下四個方面：

（1）對傳統馮?諾依曼機進行改良，如傳統體系計算機只有一個處理部件是串行執行的，改成多處理部件形成流水處理，依靠時間上的重疊提高處理效率。

（2）由多個處理器構成系統，形成多指令流多數據流支持并行算法結構。這方面的研究目前已經取得一些成功。

（3）否定馮?諾依曼機的控制流驅動方式。設計數據流驅動工作方式的數據流計算機，只要數據已經準備好，有關的指令就可并行地執行。這是真正非諾依曼化的計算機，這樣的研究還在進行中，已獲得階段性的成果，如神經計算機。

（4）徹底跳出電子的范疇，以其它物質作為信息載體和執行部件，如光子、生物分子、量子等。眾多科學家正為進行這些前瞻性的研究。

2.2 具有代表性的非馮?諾依曼體系計算機研究方向如下

2.2.1 光子計算機

光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。

歐洲科學家研制成功第一臺光子計算機，其運行速度比普通的電子計算機快1000倍。電子計算機是由電子來存儲傳遞和處理信息，光子計算機利用激光來傳送信號，靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行運算處理，它可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速的并行處理，這遠勝通過電子“0”、“1”狀態變化進行的運算。光子計算機在圖像處理、目標識別和人工智能等方面發展的潛力巨大。

2.2.2 量子計算機

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。半導體靠控制集成電路來記錄和運算信息，量子電腦則希望控制原子或小分子的狀態，記錄和運算信息。使用量子門替代晶體管邏輯門的功能。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得?秀爾（Peter Shore）證明量子計算機能完成對數運算，而且速度遠勝傳統計算機。這是因為量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態。如果把半導體計算機比成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40位元的量子計算機，就能解開1024位元的電子計算機花上數十年解決的問題。

2.2.3 神經計算機

神經計算機是模仿人的大腦判斷能力和適應能力，并具有可并行處理多種數據功能的神經網絡計算機。神經網絡有自適應、自學習、自組織和容錯自修復功能。神經計算機與電子計算機最大的不同是：電子計算機的存儲部件和處理部件是兩個不同的部分，而模仿大腦神經記憶的信息存放在神經元上，神經元又是處理信息的基本單元，所以二者是不可分的。

目前，美國科學家研究出左腦和右腦兩個神經塊連接而成的神經電子計算機。右腦為經驗功能部分，有1萬多個神經元，適于圖像識別；左腦為識別功能部分，含有100萬個神經元，用于存儲單詞和語法規則。它能識別文字，符號，圖形，語言以及聲納和雷達收到的信號，控制智能機器人，進行智能決策和智能指揮等。神經計算機它可能引導計算機從自動運行走向自覺和自為工作，這將是人工智能發展的主攻方向。

3 結論

馮?諾依曼計算機的發展的硬件基礎受到集成電路生產技術的制約，結構體系上存儲控制流驅動任務的方式，已經滿足不了人們對計算機更高速、更智能和使用更方便的要求。結構改良之路已經走到盡頭，只有突破現有體系結構的制約并尋求新的物質作為計算機的物質基礎，才能使得計算機有質的飛躍，光子計算機和神經計算機將是最具發展前景的探索。

馮?諾依曼計算機是全人類智慧的結晶，由于技術成熟、價格低廉、軟件豐富及人們的使用習慣，馮?諾依曼計算機將繼續長期在人類的工作和生活中發揮重要的作用。當然，未來會有商品化的非馮?諾依曼計算機問世，我們將會迎來一個各類型計算機百花爭艷的信息時代。

【參考文獻】

[1]白中英.計算機組成原理[M].北京：科學出版社，2007.

量子計算發展前景范文第4篇

本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。

1突破傳統制造技術的觀念

納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。

T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。

2納米材料的完美定律

描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。

完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術等等。

3涂層納米材料將給我們帶來什么?

涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池、各向異性結構材料、新型面光源材料等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。

熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流。為熱端溫度Th與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。

電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。

類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。

4含鐵碳納米管薄膜場發射

碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。

5電子強關聯體系和軟凝聚態物質

上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。

在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題。基于Bloch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。

軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。

物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。

量子計算發展前景范文第5篇

關于21世紀的科學發展，我主要想講講物理科學的前景，我不敢講其他的科學，就是物理科學的前景也是我個人的看法。我認為，物理科學的發展前景是很好的。為什么呢？因為目前的情況正像20世紀初出現的情況一樣。20世紀初的兩個著名的科學發現，提出了兩個科學疑問：即光順地球轉動和逆地球轉動時的速度為什么一樣？如何解釋熱的東西發光的光譜？現在，我們同樣也有兩個疑問：第一，目前我們的物理理論都是對稱的，而實驗表明有些對稱性在弱作用過程中被破壞了（1997年是吳健雄先生做的宇稱不守恒定律實驗的40周年紀念，她的文章是1957年的2月15日發表的，她是1997年2月16日去世的）；另外一個疑問是一半基本粒子是永遠獨立不出來的。我們現在知道，所有的中子、質子、原子、分子都是由兩類基本粒子組成的：一類是夸克，另一類是輕子。一共有6種夸克，6種輕子。可是這6種夸克，每一個都不能單獨自由行動，從來沒有人觀察到它們可以自由地存在。我們現在認為，理論是對稱的而實驗表明對稱被破壞這個疑問被解答為這個破壞來自于真空。什么是真空？真空是沒有物質的態，可它仍有作用，有作用就有能量的漲落。這能量的漲落是可以破壞對稱的。為什么夸克走不出來呢？這和超導類似。超導是抗磁場的，假如有一塊材料沒有變成超導前有磁場通過，一變成超導，磁場就被排出來了。假如有一個圓圈，里面有磁場，沒變成超導前磁場可以任意進出，一旦變成超導，磁場就走不出來了。我們認為，在真空的漲落中，很可能有單磁子和反單磁子，它們抗量子色動力學的場。我們認為，真空是物理的相對論性的凝聚態，它雖然是沒有物質的態，但卻是有作用的，也是可以激發的。

相對論的重離子碰撞，通過高能量100GeV/N的金核和金核相碰撞后，金核可以相互穿過去，在二核中間產生新的真空，這里面夸克就可以自由行動。這個方面正在研究，這臺對撞機建造在Brookhaven，1999年造成，總投資約十億美元。如果真空是可以被激發的，那么粒子的微觀世界和宏觀的真空就結合起來了。這將是一個新的發現。

在宇宙中，有一種叫做類星體（quasar）的東西，我們不知道它是什么，它不是普通的星，它的能量來源我們不知道，每個類星體的能量可以是太陽的1015倍，這是很大很大的。估計在宇宙里約有100萬個類星體，其中有1000個我們在仔細研究。這個能量絕對不是核能量，太陽的能量來自核能量，它比太陽的能量大得多。類星體的發現是在1961年，那年發現了兩個。最早發現的兩個類星體之一，是3C273，3C是英國劍橋目錄的第三本，273是其中第273星。這個類星體在1982年2月，一天之內能量增加一倍，這是非常稀奇的，不僅能量大，而且可以一天之內增加一倍。宇宙中還有很大能量的來源我們是不知道的。

另一個在宇宙中的大問題是暗物質。從引力我們知道有暗物質存在，可是用光看不見，紅外、紫外、X光都看不見。宇宙里90%以上是暗物質。暗物質存在的證明很簡單，拿一個星系（galaxy），在距離這星系中心r處，量任何星或星際塵埃（dust）、粒子等的速度u，M（r）是從星系中心至r間的引力質量。從牛頓定理 ，G是牛頓引力常數，離galaxy非常遠。如果M（r）不繼續增加，u應該越來越小，可是事實上不然。拿任何一個星系，u并不減小，就說明有很多引力質量在里面。NGC3192不是單獨的一個例子，現在已測量的有967個星系，所有的都是這樣，沒有一個例外。這些暗物質是什么我們不知道。所以在宇宙中有90%以上的物質我們不知道，有極大的能量來源我們不知道。真空有可能被激發。我們研究這個問題的方法是想制造一個狀態，它和當初宇宙開始大爆炸的情況相似。大爆炸開始就是一個激發的真空，制造出這個狀態也許可以使我們測量出它的特性。

在110多年前，湯姆遜（Thompson）發現電子，從那以后影響了我們這世紀的物理思想，即大的是由小的組成的，小的是由更小的組成的，找到了最基本的粒子就知道最大的構造。這個思想不僅影響到物理，還影響到本世紀生物的發展，要知道生命就應研究它的基因（gene），知道基因就可能會知道生命。我們現在發現這并不然。小的粒子，是在很廣泛的真空里，而真空很復雜，是個凝聚態，是有構造的。也就是微觀的粒子和宏觀的真空是分不開的，這兩個必須同時處理。知道基本粒子就知道真空的觀念是不對的。從這個簡單化的觀點出發不會有暗物質，也不會有類星體這類的東西。我覺得，基因組（genome）也是這樣，僅是基因并不能解開生命之謎，生命是宏觀的。

20世紀的文明是微觀的。我認為，21世紀微觀和宏觀應結合成一體。