量子计算发展前景

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量子计算发展前景范文第1篇

摘 要：随着计算机技术的发展，支配计算机领域长达44年之久的摩尔定律已经逐渐失效。让我们最为担忧的是在摩尔定律之后计算机领域会发生怎样的变革。我们可以通过从根本上改变芯片的涉及、寻找替代硅的新材料或者改变目前的计算框架。其中一种框架就是基于日前获得2016年诺贝尔物理学奖的拓扑相变理论。拓扑绝缘体就是拓扑材料的一种，其在量子计算机中具有巨大的潜在应用价值。本文将重点关注拓扑绝缘体器件在量子计算机中的应用前景，从专利和期刊文献的角度，对其发展脉络进行研究分析。

关键词：拓扑绝缘体；量子反常霍尔效应；量子计算机；应用发展

1.引言

拓扑物态目前而言是一个内容丰富并且蓬勃发展的领域，作为先驱者，索利斯、霍尔丹和科斯特利兹获得诺贝尔物理学奖是实至名归。最早索利斯和他的合作者提出采用“陈数”（华人数学家陈省身提出的概念）来理解量子霍尔效应，随后霍尔丹建立的量子反常霍尔效应模型则以巧妙的方式实现了非零陈数。然而这个模型一直未得到足够的重视，直到近年来清华大学薛启坤教授等课题组在磁性掺杂的拓扑绝缘体和其它拓扑材料中的实验中才被得以证实。

2.拓扑绝缘体的理论发展

2004年Geim和Novoselov制备出单原子层的石墨烯，2005年Kane和Mele在单层石墨烯模型中引入自旋轨道耦合作用替代原先假想周期磁场，从而发现了与量子霍尔系统不同的时间反演不变拓扑绝缘体，也称作Z2拓扑绝缘体[1]。首晟通过其它理论独立的提出了量子自旋霍尔效应[2]。三维拓扑绝缘体的体能带在费米能级处具有能隙，在其表面却具有无能隙的表面态。这种表面态的能量-动量色散关系具有类似于石墨烯电子态的二维狄拉克锥形结构。和石墨烯不同的是，这种表面态除了狄拉克点之外都是自旋极化的（如图1c），因此有可能直接产生自旋相关的效应，这为自旋电子学的发展提供了全新的思路。Z2拓扑绝缘体概念的提出使得人们很快发现大量材料属于这一类拓扑绝缘体。这大大拓宽了拓扑材料和效应的研究范围，使得人们看到了拓扑绝缘体在未来应用的发展前景。

左图箭头表示电流方向，右图箭头表示自旋方向。

自旋量子霍尔效应和霍尔效应一样，电子在块体的边界上游走。霍尔效应里电子在某一个边界上只沿一个方向运动（如图1），但是在自旋量子霍尔效应中，每一个边界上有两条边界态构成的能带，每有一个（k，+）态，那么有一个另一个能带上对应的（-k，-）态，这里的+-代表自旋。因此电子同时具有沿着一个方向运动，也有沿反方向运动的。它们数目相等从而没有净电流，也就是没有霍尔电导。但是这两种沿不同方向传导的电子的自旋方向相反，因此有净自旋流，而且类似于霍尔效应，这个自旋流的电导是量子化的，因此称为自旋量子霍尔效应。自旋量子霍尔效应和量子霍尔效应的区别就是，没有外加磁场。如果有外加磁场体系的时间反演对称性被破坏，这个时候自旋量子霍尔效应不再存在。

自旋量子霍尔效应体系材料则是拓扑绝缘体中的一种。自旋量子霍尔效应中每个边界上有两个边界能带，这两个能带的手性是一样的，因此会出现自旋量子霍尔效应，但是假设我们一个边界上有四个能带，其中两个能带的手性一样，但是另两个能带的手性不一样，那么此时沿边界上一个方向走的电子自旋可以为正，也可以为负，两者数目相等，相消。此时既没有电流，也没有自旋流。因此是另一种绝缘体。这两种绝缘体的不同是由于它们能带的拓扑性质不同。这里所说的是就是二维拓扑的情形。通俗来讲就是块体内部的电子是绝缘态，而边缘电子由于可以隧穿能带间的带隙，因而边缘态是导电的。

3.拓扑绝缘体在量子计算机中的应用发展

由著名物理学家费曼于1982年在一个公开演讲中提出了利用量子计算体系实现计算的新奇想法，并由英国物理学家杜斯于1985年提出量子图灵机模型。2012年的诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日・阿罗什和美国物理学家戴维・瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。

清华大学于2012年12月21日申请的专利201210559480.6中提出一种包括磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型载流子和Bi引入的电子型载流子相互抵消，从而宏观上具有量子反常霍尔效应。

而在2013年麻省理工学院的科学家在《Nature Communications》上发表文章[3]，称可以在特定条件下，将石墨烯转变为拓扑绝缘体，为量子计算机的研发提供了新的思路。这表明石墨烯型拓扑绝缘体在量子计算机中具有极大的潜在价值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申请的专利201610291358.3中提出具有量子反常霍尔效应的材料和由其形成的霍尔器件。器件包括拓扑绝缘体基材，掺杂到基材中的三种元素分别引入电子型载流子、空穴型载流子和磁性，从而形成双磁性掺杂拓扑绝缘体。其中拓扑绝缘体基材采用的是Sb2Te3材料。上述发现为低能耗的电子器件如晶体管的制造并最终促成全拓扑量子计算机的实现提供了元器件基础。

从最近的专利与文献分析中可以看出，目前的研究重点主要集中在中美等科研强国，其从自然界存在的石墨烯到人工合成的拓扑材料，再到各种基于拓扑绝缘体的元器件都有一定的研究基础。

4.结论

尽管拓扑绝缘体以及量子反常霍尔效应的相关理论研究已经日渐成熟，但是其在元器件上的应用仍然具有十分长远发展。并且通过检索发现在量子反常霍尔效应领域的发明专利的申请量非常少，由此可见，在可以预见的将来，拓扑绝缘体以及量子反常霍尔效应的相关元器件专利布局的竞争将日趋激烈。路漫漫其修远兮，在新一代计算机―量子计算机的研发领域，我们还有很长的路要走。

参考文献

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

量子计算发展前景范文第2篇

多年来虽然摩尔定律已走到极限的说法不绝于耳，但是半导体工艺的进步却从来没有停止。目前特征尺寸32nm的半导体工艺已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不断缩小工艺尺寸的同时，结构上的改进也在进行。2011年5月4日，Intel宣布经过近十年的研究，在半导体技术上取得革命性突破，将推出被称为三栅极（Tri-Gate）的全新3D架构晶体管设计，并将在年内开始批量制造。传统的二位平面栅极结构被竖起的3D硅鳍状物代替，实现在晶体管在“关”状态下的低功耗，并可实现“开”、“关”状态的快速切换，从而可以实现高性能、低功耗的电子器件。

多核处理器的成熟

2006年出现的双核处理器标志着以主频论英雄的年代正式结束开始，处理器领域已进入一个多核时代，无论是业界巨 擘Intel还是AMD都已经明确表示，今后CPU将会是双核乃至多核的世界。多核设计为摩尔定律带来了新的生命力，在保持较低的时钟频率的同时，提高并行处理能力和计算密度，大大减少了散热和功耗。多核处理器提供了高性价比和高效节能的新途径，可以缓解当今处理器设计所面临的各种挑战。多核处理器是已成为主流处理器的发展趋势。

由于多核技术仍然是基于传统的“冯·诺依曼”结构，处理器内核数量的增加并没有缓解并行处理技术中算法并行化、并行编程的难题，多核的性能并不能充分发挥。因此近年来内核数量增加的速度有所减缓，集成多种功能电路的混合异构多核成为流行的结构，目前Intel的酷睿二代处理器采用四核结构，内部集成显示芯片。

超级计算机从高性能到高效能转变

国外历来强调高性能计算器在国家安全关键领域的战略作用。美国早年提出的“加速战略计算创新”（ASCI）计划，其目的就是在全球全面禁止核试验的情况下，美国能够继续保持它的核威慑能力和核垄断地位。主要的手段是利用数学方程和三维建模仿真核武器的爆炸效果，确保现有库存核武器的性能、安全和可靠性。从1997年到2007年，为ASCI计划专门研制的高性能计算机系统，已经经历了五代，2004年达到100万亿次，2010年达到1000万亿次量级的高性能计算机，预计2015年达到万万亿次以上量级。我国的“天河一号”目前名列超级计算机TOP500榜首，速度高达4700万亿次。

除了性能的不断提高，计算机处理的效能也在军事作战领域逐步得到重视。据估算，一台持续千万亿次计算的超级计算机系统可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要专门建设发电站，每年的电费开销可能高达1亿元以上。根据超级计算机世界500强排行榜重新排序的绿色500强排行榜中，IBM的超级计算机排名榜首，功耗效率达到1684Mflops/瓦，“天河一号”排在第十位，为635 Mflops/瓦。

不断探索采用新器件、新原理的计算机

以硅晶体管为基本单元的传统计算机在小型化的过程中将逐步接近其物理极限。研究表明，计算机运行速度的快慢与芯片之间信号传输的速度直接相关，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在传输信号的过程中会吸收掉一部分信号，从而延长了信息传输的时间。

据报道，美国纽约伦斯雷尔·保利技术公司的科学家发明了一种利用空气的绝缘性能来成倍地提高计算机运行速度的新技术：芯片或晶体管之间由胶滞体包裹的导线连接，“空气胶滞体”导线几乎不吸收任何信号，因而能够更迅速地传输各种信息，可以成倍地提高计算机的运行速度。

将纳米技术与计算机制造技术相结合的纳米计算机（Nanometer Computer）也是很有发展前景。现在纳米技术正从MEMS（微电子机械系统）起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

此外，以生物计算机、光计算机和量子计算机为代表的新概念计算机研究也非常引人注目。

生物计算机（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技术产生的蛋白质分子构成（所以又称分子计算机）。在这种芯片中，信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十分之一，并且拥有巨大的存储能力。由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。

美国已研制出生物计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进入实用阶段。

光子计算机（Optical Computer）

光子计算机利用光作为信息的传输媒体。由于光子具有电子所不具备的频率及偏振特征，从而大大提高了传载信息的能力。此外，光信号传输根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干扰、互相影响。一块直径仅2厘米的光棱镜可通过的信息比特率可以超过全世界现有全部电缆总和的300多倍。光脑还具有与人脑相似的容错性，如果系统中某一元件遭到损坏或运算出现局部错误时，并不影响最终的计算结果。目前光脑的许多关键技术，如光存储技术、光存储器、光电子集成电路（OIC）等都已取得突破。科学家们预计，光子计算机的进一步研制将是21世纪高科技领域的重大课题。

量子计算机（Quantum Computer）

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。它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行计算。量子计算机能够实行量子并行计算, 其运算速度可能比目前计算机的PentiumⅢ晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。

量子计算发展前景范文第3篇

【关键词】计算机；体系结构；发展局限

0 引言

1946年世界上诞生第一台电子数字计算机ENIAC，拉开了人类计算机发展的序幕，经过60余的发展已经成为人类工作和生活不可缺少的一部分，它是科技发展史上最具影响力的成果。

然而，现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯・诺依曼机结构。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，需要CPU从存储器取出指令和数据进行相应的计算，因此CPU与共享存储器间的信息交换的速度成为影响系统性能的主要因素，而信息交换速度的提高又受制于存储元件的速度、存储器的性能和结构等诸多条件。

传统计算机在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而随着非数值处理应用领域对计算机性能的要求越来越高，传统体系结构的计算机已经难以到达这些要求，所以需要寻求新的体系结构来解决问题。

1 冯・诺依曼体系计算机发展的局限

1.1 集成电路生产技术制约存储器的性能，存储器的性能制约系统的性能

传统冯・诺依曼计算机体系结构的存储程序方式造成了系统对存储器的依赖，CPU访问存储器的速度制约了系统运行的速度。集成电路IC芯片的技术水平决定了存储器及其他硬件的性能。为了提高硬件的性能，以英特尔公司为代表的芯片制造企业在集成电路生产方面做出了极大的努力，且获得了巨大的技术成果。现在每隔18个月IC的集成度翻一倍，性能也提升一倍，产品价格降低一半，这就是所谓的“摩尔定律”。这个规律已经持续了40多年，估计还将延续若干年。然而，电子产品面临的二个基本限制是客观存在的：光的速度和材料的原子特性。首先，信息传播的速度最终将取决于电子流动的速度，电子信号在元件和导线里流动会产生时间延迟，频率过高会造成信号畸变，所以元件的速度不可能无限的提高直至达到光速。第二，计算机的电子信号存储在以硅晶体材料为代表晶体管上，集成度的提高在于晶体管变小，但是晶体管不可能小于一个硅原子的体积。随着半导体技术逐渐逼近硅工艺尺寸极限，摩尔定律原导出的规律将不再适用。

现在集成电路中两个晶体管之间的距离只有22纳米，相当于只有100个硅原子那么大了。可以推测将来会有15纳米，7.7纳米，5.4纳米，可能2023年做到2.7纳米，2030年0.9纳米。0.9纳米只有4个硅原子那么大，4个硅原子不可能构成实用的晶体管，可以确定2030年以前硅材料为代表的IC技术到达发展极限。

因此，计算机基础硬件的发展届时将受到严重制约，需要从基础物理、材料科学及生产技术多方面来重新思考计算机的硬件构成，更需要从体系结构方面有所创新。

1.2 对冯・诺依曼计算机体系结构缺陷的分析

（1）指令和数据存储在同一个存储器中，形成系统对存储器的过分依赖。如果储存器件的发展受阻，系统的发展也将受阻。

（2）指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器PC指明要执行的指令所在的单元地址。然后取出指令执行操作任务。所以指令的执行是串行。影响了系统执行的速度。

（3）存储器是按地址访问的线性编址，按顺序排列的地址访问，利于存储和执行的机器语言指令，适用于作数值计算。但是高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量，按名字调用变量，不按地址访问。机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔，称之为冯・诺依曼语义间隔。消除语义间隔成了计算机发展面临的一大难题。

（4）冯・诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的，目前在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而非数值处理应用领域发展缓慢，需要在体系结构方面有重大的突破。

（5）传统的冯・诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是执行指令代码对数值代码进行处理，只要指令明确，输入数据准确，启动程序后自动运行而且结果是预期的。一旦指令和数据有错误，机器不会主动修改指令并完善程序。而人类生活中有许多信息是模糊的，事件的发生、发展和结果是不能预期的，现代计算机的智能是无法应对如此复杂任务的。可见计算机从自动机器到自为机器还有很遥远的路要走。

2 非冯・诺依曼体系计算机的发展

2.1 非冯・诺依曼体系计算机研究的主要线路

近几年来人们努力谋求突破传统冯・诺依曼体制的局限，各类非诺依曼化计算机的研究如雨后春笋蓬勃发展，主要表现在以下四个方面：

（1）对传统冯・诺依曼机进行改良，如传统体系计算机只有一个处理部件是串行执行的，改成多处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率。

（2）由多个处理器构成系统，形成多指令流多数据流支持并行算法结构。这方面的研究目前已经取得一些成功。

（3）否定冯・诺依曼机的控制流驱动方式。设计数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，这样的研究还在进行中，已获得阶段性的成果，如神经计算机。

（4）彻底跳出电子的范畴，以其它物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等。众多科学家正为进行这些前瞻性的研究。

2.2 具有代表性的非冯・诺依曼体系计算机研究方向如下

2.2.1 光子计算机

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。

欧洲科学家研制成功第一台光子计算机，其运行速度比普通的电子计算机快1000倍。电子计算机是由电子来存储传递和处理信息，光子计算机利用激光来传送信号，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行运算处理，它可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理，这远胜通过电子“0”、“1”状态变化进行的运算。光子计算机在图像处理、目标识别和人工智能等方面发展的潜力巨大。

2.2.2 量子计算机

量子计算机（quantum computer）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。半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。使用量子门替代晶体管逻辑门的功能。

1994年，贝尔实验室的专家彼得・秀尔（Peter Shore）证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，可以同时表示多种状态。如果把半导体计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40位元的量子计算机，就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。

2.2.3 神经计算机

神经计算机是模仿人的大脑判断能力和适应能力，并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。神经网络有自适应、自学习、自组织和容错自修复功能。神经计算机与电子计算机最大的不同是：电子计算机的存储部件和处理部件是两个不同的部分，而模仿大脑神经记忆的信息存放在神经元上，神经元又是处理信息的基本单元，所以二者是不可分的。

目前，美国科学家研究出左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电子计算机。右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。它能识别文字，符号，图形，语言以及声纳和雷达收到的信号，控制智能机器人，进行智能决策和智能指挥等。神经计算机它可能引导计算机从自动运行走向自觉和自为工作，这将是人工智能发展的主攻方向。

3 结论

冯・诺依曼计算机的发展的硬件基础受到集成电路生产技术的制约，结构体系上存储控制流驱动任务的方式，已经满足不了人们对计算机更高速、更智能和使用更方便的要求。结构改良之路已经走到尽头，只有突破现有体系结构的制约并寻求新的物质作为计算机的物质基础，才能使得计算机有质的飞跃，光子计算机和神经计算机将是最具发展前景的探索。

冯・诺依曼计算机是全人类智慧的结晶，由于技术成熟、价格低廉、软件丰富及人们的使用习惯，冯・诺依曼计算机将继续长期在人类的工作和生活中发挥重要的作用。当然，未来会有商品化的非冯・诺依曼计算机问世，我们将会迎来一个各类型计算机百花争艳的信息时代。

【参考文献】

[1]白中英.计算机组成原理[M].北京：科学出版社，2007.

量子计算发展前景范文第4篇

本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。

1突破传统制造技术的观念

纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。

T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。

2纳米材料的完美定律

描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳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。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池、各向异性结构材料、新型面光源材料等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。

热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。

电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。

5电子强关联体系和软凝聚态物质

上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。

物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。

量子计算发展前景范文第5篇

关于21世纪的科学发展，我主要想讲讲物理科学的前景，我不敢讲其他的科学，就是物理科学的前景也是我个人的看法。我认为，物理科学的发展前景是很好的。为什么呢？因为目前的情况正像20世纪初出现的情况一样。20世纪初的两个著名的科学发现，提出了两个科学疑问：即光顺地球转动和逆地球转动时的速度为什么一样？如何解释热的东西发光的光谱？现在，我们同样也有两个疑问：第一，目前我们的物理理论都是对称的，而实验表明有些对称性在弱作用过程中被破坏了（1997年是吴健雄先生做的宇称不守恒定律实验的40周年纪念，她的文章是1957年的2月15日发表的，她是1997年2月16日去世的）；另外一个疑问是一半基本粒子是永远独立不出来的。我们现在知道，所有的中子、质子、原子、分子都是由两类基本粒子组成的：一类是夸克，另一类是轻子。一共有6种夸克，6种轻子。可是这6种夸克，每一个都不能单独自由行动，从来没有人观察到它们可以自由地存在。我们现在认为，理论是对称的而实验表明对称被破坏这个疑问被解答为这个破坏来自于真空。什么是真空？真空是没有物质的态，可它仍有作用，有作用就有能量的涨落。这能量的涨落是可以破坏对称的。为什么夸克走不出来呢？这和超导类似。超导是抗磁场的，假如有一块材料没有变成超导前有磁场通过，一变成超导，磁场就被排出来了。假如有一个圆圈，里面有磁场，没变成超导前磁场可以任意进出，一旦变成超导，磁场就走不出来了。我们认为，在真空的涨落中，很可能有单磁子和反单磁子，它们抗量子色动力学的场。我们认为，真空是物理的相对论性的凝聚态，它虽然是没有物质的态，但却是有作用的，也是可以激发的。

相对论的重离子碰撞，通过高能量100GeV/N的金核和金核相碰撞后，金核可以相互穿过去，在二核中间产生新的真空，这里面夸克就可以自由行动。这个方面正在研究，这台对撞机建造在Brookhaven，1999年造成，总投资约十亿美元。如果真空是可以被激发的，那么粒子的微观世界和宏观的真空就结合起来了。这将是一个新的发现。

在宇宙中，有一种叫做类星体（quasar）的东西，我们不知道它是什么，它不是普通的星，它的能量来源我们不知道，每个类星体的能量可以是太阳的1015倍，这是很大很大的。估计在宇宙里约有100万个类星体，其中有1000个我们在仔细研究。这个能量绝对不是核能量，太阳的能量来自核能量，它比太阳的能量大得多。类星体的发现是在1961年，那年发现了两个。最早发现的两个类星体之一，是3C273，3C是英国剑桥目录的第三本，273是其中第273星。这个类星体在1982年2月，一天之内能量增加一倍，这是非常稀奇的，不仅能量大，而且可以一天之内增加一倍。宇宙中还有很大能量的来源我们是不知道的。

另一个在宇宙中的大问题是暗物质。从引力我们知道有暗物质存在，可是用光看不见，红外、紫外、X光都看不见。宇宙里90%以上是暗物质。暗物质存在的证明很简单，拿一个星系（galaxy），在距离这星系中心r处，量任何星或星际尘埃（dust）、粒子等的速度u，M（r）是从星系中心至r间的引力质量。从牛顿定理 ，G是牛顿引力常数，离galaxy非常远。如果M（r）不继续增加，u应该越来越小，可是事实上不然。拿任何一个星系，u并不减小，就说明有很多引力质量在里面。NGC3192不是单独的一个例子，现在已测量的有967个星系，所有的都是这样，没有一个例外。这些暗物质是什么我们不知道。所以在宇宙中有90%以上的物质我们不知道，有极大的能量来源我们不知道。真空有可能被激发。我们研究这个问题的方法是想制造一个状态，它和当初宇宙开始大爆炸的情况相似。大爆炸开始就是一个激发的真空，制造出这个状态也许可以使我们测量出它的特性。

在110多年前，汤姆逊（Thompson）发现电子，从那以后影响了我们这世纪的物理思想，即大的是由小的组成的，小的是由更小的组成的，找到了最基本的粒子就知道最大的构造。这个思想不仅影响到物理，还影响到本世纪生物的发展，要知道生命就应研究它的基因（gene），知道基因就可能会知道生命。我们现在发现这并不然。小的粒子，是在很广泛的真空里，而真空很复杂，是个凝聚态，是有构造的。也就是微观的粒子和宏观的真空是分不开的，这两个必须同时处理。知道基本粒子就知道真空的观念是不对的。从这个简单化的观点出发不会有暗物质，也不会有类星体这类的东西。我觉得，基因组（genome）也是这样，仅是基因并不能解开生命之谜，生命是宏观的。

20世纪的文明是微观的。我认为，21世纪微观和宏观应结合成一体。