量子计算的特点精选(九篇)

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第1篇：量子计算的特点范文

密码钥匙

大家都喜欢看谍战片吧？科技含量高的谍战片通常有破解通信密码的情节。破解通信密码需要获得密码钥匙。

这里说的密码钥匙就是信息的加密方式，因为它和咱们开门用的钥匙有相似功能，所以被称为密码钥匙，简称密钥。打个比方，甲想向乙传输“123”这段信息，先按照将每个数字都加3的方式向乙传输“456”，“123”就叫明文，“456”就叫密文，而每个数字都加3就是密码钥匙。发送者可用密码钥匙加密信息，接收者可用它来解密。

如果第三方没有密码钥匙，又想获得明文信息，就需要间谍活动了。间谍获得密码钥匙的方法很多，有时靠骗，可以从甲或乙那儿骗来密码钥匙；有时靠买，间谍向甲或乙许以报酬，收买密码钥匙有时也能成功；有时还靠偷。

无论骗还是偷，都属于人工方法，获得密码钥匙的效率比较低。现在间谍都愿意用计算机通过计算来获取密码钥匙，就是利用计算机的超强功能，寻找密文信息的变化规律，其中的规律就是加密方式。有了计算机这种机器助手来帮助间谍破解密码，间谍们很嚣张地宣称：没有破解不了的密码钥匙，破解密码钥匙只是个时间问题！

利用计算机破解密码终究会成功，所以说信息安全只是某一段时间内的相对安全，而不是永久的安全。那么，有没有永远不会被解密的通信方式呢？有呀，它就是量子通信。

科学探索

公元前405年，雅典和斯巴达发生了战争。斯巴达军队捕获了一名雅典送信人，从他身上除了搜出一条布满杂乱无章的字母的腰带之外，别无所获。情报究竟藏在什么地方呢？斯巴达军队统帅莱桑德无意中把腰带呈螺旋形缠绕在手中的剑鞘上时，奇迹出现了，原来腰带上那些杂乱无章的字母，竟组成了一段表意清楚的文字，密码得以破解！腰带情报，就是世界上最早的密码情报，具体运用方法是，通信双方首先约定密码解读规则，然后通信一方将腰带缠绕在约定长度和粗细的木棍上书写？收信一方接到后，如不把腰带缠绕在同样长度和粗细的木棍上，就只能看到一些毫无规则的字母。

趣味链接

有人通过破解密码显示才能，有人通过设计密码显示才能。1977年，数学家李维斯特给出了一个129位数，要求把这个数分解成两个质数的乘积，得到这个结果，就会发现隐藏的信息。其实这个129位数就是密文，分解质因数就是密码钥匙。李维斯特信心满满地宣称，算出他的密码钥匙，需要好多亿年。谁知17年之后，600名密码破解爱好者动用了1600台计算机，只用了6个月的时间就把李维斯特的密码给破解了，获得的信息是“挑食的秃鹰”。密码虽然被破解了，但人们还是很佩服李维斯特：他太厉害了，得600人联手，用1600台计算机，花了6个月才打败他！

量子通信是什么

传统的通信方式都需要介质，比如写信你得用信纸，打电话的信号得靠电磁波来传输。窃密者通常会侵入介质获得通信信息，在掌握了密文信息后，再通过计算获取密码钥匙，将密文破解成明文。凡是通过介质传送信息，必定无密可言，这种破解密码的方式通常被称为“截获”。

量子通信是不需要传输介质的，这是为什么呢？

科学家在1900年发现了量子这种微粒，进一步发现了量子纠缠现象。量子纠缠是这样的：一对量子甲和乙，甲携带的信息，可以瞬间在乙身上体现出来！不架天线，不铺电缆，信息可以在量子之间无形无影地传输，这事跟神话中的心灵感应似乎是一个套路呀！

是的，量子通信可以看作是神奇的心理感应术，信息的传输端和接收端之间不用连接实线，也不需要电磁波，信息来去很神奇。量子纠缠现象曾经被爱因斯坦浅显地描述为：两个物体之间，无论距离多远，都存在相互感应信息的天然魔力。

量子通信非常神奇，且非常安全，这又是为什么呢？

量子通信的一个特点就是加密速度极快，它可以给数之不尽的每一个信息片段加一个独立的密码钥匙。举个例子来说，如果把一次通话分割成100亿个信息片段来传输，则量子通信可以瞬间给这100亿个信息片段各加各的密码钥匙，这种加密方式被形象地称为“一次一密”。你可以想象，在通信过程中，信息源源不断，加密码钥匙源源不断，千变万化，间谍要破解这么多的密码钥匙，简直是比登天还难。一次一密带来了天量密码钥匙，让密码间谍从此失去饭碗！

有人或许会说，让计算机出场帮着计算嘛！

这主意不错，不过告诉你吧，现在的计算机虽然有超强的计算能力，但是它们面对无穷无尽的量子通信密码也是束手无策，算不尽呀！如果硬要一台计算机来破解量子通信密码，从理论上说也是可以的，但时间却需要数亿年，甚至是无限久。呵呵，计算机破解量子通信密码，时间是无限久，其实就是破解不了的意思呀！谁等密码能等上数亿年呢？

还有，量子通信不是不需要传输介质嘛，所以，间谍想在半路上截获信息的想法也破灭。

有人或许又要问了：你在半路上截不到信息，不会直接从传送端和接收端的量子上获取信息吗？

嗯，这想法似乎不错，但做法也行不通呀，因为量子还有一个特点：只要有人干扰它，想从它身上获得信息，它立马就改变原来的信息状态，把真实信息提前毁掉，让间谍一无所获。量子这种干扰即毁信息的特点，封死了间谍想从信息发送端和接收端获取信息的想法。如果有的间谍“不知趣”，非得要到量子那儿获取信息，那么信息接收方和信息发送方就可以从量子自毁信息的频率，判断是不是有人正在搞窃密，让间谍行为立马现形。这么说来，身负通信使命的量子，还是通信警察呀，只要间谍一来，它立即报警，让间谍无处遁形。

哎，在量子通信时代，间谍要么选择远离量子通信网络，要么掩耳盗铃却被人捉，间谍成了超高危无成果的职业，没有人能做得来了。

量子通信先靠一次一密的加密方式，把间谍淹没在密码钥匙的大海里，还会用自毁信息的方式报警，让仍旧执迷于截获信息的间谍无处藏身，基于这两点，量子通信就成了绝对安全的通讯方式。

科学探索

世界是运动的，但是宏观世界的运动规律和微观世界的运动规律并不相同。牛顿提出的物理学说解答了宏观世界的运动规律，但牛顿的学说一拿到微观世界来解答微观世界的运动规律就会“失效”。这种失效促使科学家努力寻找微观世界的运动规律，于是量子力学就产生了，量子力学是一门年轻的科学，它总共才有一百来年的历史。

英国有所谓的物理学家提出，人的灵魂是由大脑中的量子物质形成的，当人死亡之后，大脑微管中的量子信息会离开身体进入到宇宙，如果能阻止这些量子向宇宙中散失，就可以阻止人的死亡，如果能把散失在宇宙中的大脑量子收回来，人就能死而复生。量子科学有这么玄乎吗？人可以不死，可以死而复生，这类“量子理论”谁敢信呀！

为什么发射量子卫星

既然量子之间可以传输无限加密的第三者不可破解的信息，那就在地球上建设量子通信网络就行了，为什么还要发射量子卫星呢？

这得从目前量子信息传输的距离来解释这个问题。

甲量子向乙量子传送信息，理论上它们之间心灵感应的距离可以无限远，无论间隔多远，信息都能由甲传输给乙的。但事实上，量子在自由环境里（即地球表面环境），能量会衰减，衰减虽然不影响信息传递，但影响我们人类对信息的辨别，你想想，甲虽然最终把信息传递给了乙，但信号太弱，弱到目前我们无法辨识，不也是无用嘛。

量子之间信息传输距离是无限的，多远都能传到。但量子之间保持信息可辨认的传输距离却是有限的，太远了，它们之间有“对话”，但咱们却“听”不清楚了。

1977年，科学家利用量子传送信息，结果只让信息传送了数米远的距离。这个距离虽然很近，但是验证了量子传输信息的可能性。

随后，量子通信在“能”的基础上，不断进步，传输距离从最初的数米，发展到了可以传输16千米了：2010年6月6日，中国量子通信实验小组将信息传输了16千米的距离，创造了当时量子通信的新记录。

量子通信可传输16千米，但仍旧不能满足实用要求。于是在16千米的基础上，科学家们继续努力，要让量子通信的距离越来越远，可这个期望后来“破灭”了，因为科学家发现在自由环境中，量子通信距离存在一个极限，大约是100千米。100千米的传输距离虽然具有实用价值，但是要建设量子通信网络，需要在地面上每隔100千米建设一个传输基站。众多基站，会降低量子通讯的效率和安全性，因为信号需要不断在明文和密文之间多次转换接力，每个基站容易成为信息安全漏洞，所以大量建设基站支持量子通信的方案被认为不可行。

基站方案被否决之后，科学家就把建设量子通信网络的厚望寄托于量子通信卫星身上。量子卫星可以把量子信息传输的距离扩大到数千千米，三颗量子卫星就能满足在全球建立信号优良、安全无忧的量子信息通信网络，让信息高速安全地直达任意地方，所以说发射量子卫星是量子通信网络建设的关键节点，谁拥有了量子卫星传输技术，谁就掌握了全球量子通信网络建设的主动权。

中国发射的“墨子号”，是全世界发射的第一颗量子通信卫星，标志着中国将成为量子通信界的老大，在以后量子通信网络建设进程中，中国的话语权和支配权都将是至高无上的。别的国家见咱们有了量子卫星，都急红眼了！

全球首颗量子科学实验卫星为什么命名为“墨子号”。墨子是我国古代伟大的科学家，被称为“科圣”。他最早提出光线沿直线传播的理论，设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。用中国古代伟大科学家的名字命名量子卫星，为的是提升我们的文化自信。

主持建造“墨子号”的潘建伟教授是我国量子科学的领头人，1996年他到奥地利求学量子科学，导师问他的梦想是什么，他说要在中国建世界一流的量子物理实验室。仅过了一年，他就与同事合作，宣布在实验中实现了量子态隐形传输，这被公认为量子信息实验领域的开山之作，《科学》杂志将其列为年度全球十大科技进展。这一年，潘建伟仅27岁。后来，潘建伟回国开展量子科学研究，结果理解这门科学的人太少，什么隐形传输，什么大变活人的，他的研究项目被称为伪科学，本人则被误解为骗子。今天这个“骗子”终于可以向所有人说：看，一切都是真的！

量子传输的不仅仅是信息

目前这个阶段，中国发射的量子卫星，主要担负安全传输信息的实验任务。将来，量子卫星的任务不仅仅是传输信息，很有可能还会传输人。

什么？传输人！

是的，就是传输人。

前面我们说过，量子是微粒。可以把物体理解成是由量子组成的，也就是说物体可以分解成一个一个的量子，量子不但可以瞬间传输信息，而且可以瞬间传输量子。如果用量子传输信息，就叫量子通信。如果用量子传输量子，那么传输人就成为一种可能，这在魔术里叫大变活人吧。

我们用量子传输量子，就可以将魔术变成真实的科技项目。科学家在用量子传输信息的基础上，还开始研究如何把量子传输信息变成量子传输实物，这项研究被称为隐形传输。

隐形传输技术在科幻电影《星际旅行》中有体现：宇航员在特殊装置中平静地说一句：“发送我吧，苏格兰人！”他瞬间就被转移到外星球了。将来，量子机器很可能把科幻电影中的神奇情景变成现实，依靠量子传输实物的功能将我们发射到想去的星球上去。

尽管想要达到“发送我吧”这样的结果，我们还得等上一些年头，但量子隐形传输技术，终将带我们走进不可思议的量子传输情景中，很可能让我们瞬间到达我们想到达的任意地方。量子传输或许将是星际旅行的终极大法――因为，身体是由量子组成的，量子能够被瞬间传输，所以我们的身体，我们的生命也就可能被瞬间传输。

天呀，原来大变活人不只是魔术！

科学探索

第2篇：量子计算的特点范文

关键词：量子比特；量子力学；量子相干性；并行运算

0　引言

自1946年第一台电子计算机诞生至今，共经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路四个时代。计算机科学日新月异，但其性能却始终满足不了人类日益增长的信息处理需求，且存在不可逾越的“两个极限”。

其一，随着传统硅芯片集成度的提高，芯片内部晶体管数与日俱增，相反其尺寸却越缩越小(如现在的英特尔双核处理器采用最新45纳米制造工艺，在143平方毫米内集成2.91亿晶体管)。根据摩尔定律估算，20年后制造工艺将达到几个原子级大小，甚至更小，从而导致芯片内部微观粒子性越来越弱，相反其波动性逐渐显著，传统宏观物理学定律因此不再适用，而遵循的是微观世界焕然一新的量子力学定理。也就是说，20年后传统计算机将达到它的“物理极限”。

其二，集成度的提高所带来耗能与散热的问题反过来制约着芯片集成度的规模，传统硅芯片集成度的停滞不前将导致计算机发展的“性能极限”。如何解决其发热问题?研究表明，芯片耗能产生于计算过程中的不可逆过程。如处理器对输入两串数据的异或操作而最终结果却只有一列数据的输出，这过程是不可逆的，根据能量守恒定律，消失的数据信号必然会产生热量。倘若输出时处理器能保留一串无用序列，即把不可逆转换为可逆过程，则能从根本上解决芯片耗能问题。利用量子力学里的玄正变换把不可逆转为可逆过程，从而引发了对量子计算的研究。

1　量子计算的基本原理

1.1　传统计算的存储方式

首先回顾传统计算机的工作原理。传统电子计算机采用比特作为信息存储单位。从物理学角度，比特是两态系统，它可保持其中一种可识别状态，即“1”或者“()”。对于“1”和“0”，可利用电流的通断或电平的高低两种方法表示，然后可通过与非门两种逻辑电路的组合实现加、减、乘、除和逻辑运算。如把0～0个数相加，先输入“00”，处理后输入“01”，两者相“与”再输入下个数“10”，以此类推直至处理完第n个数，即输入一次，运算一次，n次输入，n次运算。这种串行处理方式不可避免地制约着传统计算机的运算速率，数据越多影响越深，单次运算的时间累积足可达到惊人的数字。例如在1994年共1600个工作站历时8月才完成对129位(迄今最大长度)因式的分解。倘若分解位数多达1000位，据估算，即使目前最快的计算机也需耗费1025年。而遵循量子力学定理的新一代计算机利用超高速并行运算只需几秒即可得出结果。现在让我们打开量子计算的潘多拉魔盒，走进奇妙神秘的量子世界。

1.2　量子计算的存储方式

量子计算的信息存储单位是量子比特，其两态的表示常用以下两种方式：

(1)利用电子自旋方向。如向左自转状态代表“1”，向右自转状态代表“0”。电子的自转方向可通过电磁波照射加以控制。

(2)利用原子的不同能级。原子有基态和激发态两种能级，规定原子基态时为“0”，激发态时为“1”。其具体状态可通过辨别原子光谱或核磁共振技术辨别。

量子计算在处理0～n个数相加时，采用的是并行处理方式将“00”、“01”、“10”、“11”等n个数据同时输入处理器，并在最后做一次运算得出结果。无论有多少数据，量子计算都是同时输入，运算一次，从而避免了传统计算机输入一次运算一次的耗时过程。当对海量数据进行处理时，这种并行处理方式的速率足以让传统计算机望尘莫及。

1.3　量子叠加态

量子计算为何能实现并行运算呢?根本原因在于量子比特具有“叠加状态”的性质。传统计算机每个比特只能取一种可识别的状态“0”或“1”，而量子比特不仅可以取“0”或“1”，还可同时取“0”和“1”，即其叠加态。以此类推，n位传统比特仅能代表2n中的某一态，而n位量子比特却能同时表示2n个叠加态，这正是量子世界神奇之处。运算时量子计算只须对这2n个量子叠加态处理一次，这就意味着一次同时处理了2n个量子比特(同样的操作传统计算机需处理2n次，因此理论上量子计算工作速率可提高2n倍)，从而实现了并行运算。

量子叠加态恐怕读者一时难以接受，即使当年聪明绝顶的爱因斯坦也颇有微词。但微观世界到底有别于我们所处的宏观世界，存在着既令人惊讶又不得不承认的事实，并取得了多方面验证。以下用量子力学描述量子叠加态。

现有两比特存储单元，经典计算机只能存储00，01，10，11四位二进制数，但同一时刻只能存储其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”两态，还可同时表示“0”和“1”的叠加态，量子力学记为：

lφ〉＝al1〉＋blO〉

其中ab分别表示原子处于两态的几率，a＝0时只有“0”态，b＝0时只有“1”态，ab都不为0时既可表示“0”，又可表示“1”。因此，两位量子比特可同时表示4种状态，即在同一时刻可存储4个数，量子力学记为：

1.4　量子相干性

量子计算除可并行运算外，还能快速高效地并行运算，这就用到了量子的另外一个特性――量子相干性。

量子相干性是指量子之间的特殊联系，利用它可从一个或多个量子状态推出其它量子态。譬如两电子发生正向碰撞，若观测到其中一电子是向左自转的，那么根据动量和能量守恒定律，另外一电子必是向右自转。这两电子间所存在的这种联系就是量子相干性。

可以把量子相干性应用于存储当中。若某串量子比特是彼此相干的，则可把此串量子比特视为协同运行的同一整体，对其中某一比特的处理就会影响到其它比特的运行状态，正所谓牵一发而动全身。量子计算之所以能快速高效地运算缘归于此。然而令人遗憾的是量子相干性很难保持，在外部环境影响下很容易丢失相干性从而导致运算错误。虽然采用量子纠错码技术可避免出错，但其也只是发现和纠正错误，却不能从根本上杜绝量子相干性的丢失。因此，到达高效量子计算时代还有一段漫长曲折之路。

2　对传统密码学的冲击

密码通信源远流长。早在2500年前，密码就已广泛应用于战争与外交之中，当今的文学作品也多有涉猎，如汉帝赐董承的衣带诏，文人墨客的藏头诗，金庸笔下的蜡丸信等。随着历史的发展，密码和秘密通讯备受关注，密码学也应运而生。防与攻是一个永恒的活题，当科学家们如火如荼地研究各种加密之策时，破译之道也得以迅速发展。

传统理论认为，大数的因式分解是数学界的一道难题，至今也无有效的解决方案和算法。这一点在密码学有重要应用，现在广泛应用于互联网，银行和金融系统的RSA加密系统就是基于因式难分解而开发出来的。然而，在理论上包括RSA在内的任何加密算法都不是天衣无缝的，利用穷举法可一一破解，只要衡量破解与所耗费的人力物力和时间相比是否合理。如上文提到传统计算机需耗费1025年才能对1000位整数进行因式分解，从时间意义上讲，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行运算的量子计算一旦问世，萦绕人类很久的因式分解难题迎刃而解，传统密码学将受到前所未有的巨大冲击。但正所谓有矛必有盾，相信届时一套更为安全成熟的量子加密体系终会酝酿而出。

3　近期研究成果

目前量子计算的研究仍处于实验阶段，许多科学家都以极大热忱追寻量子计算的梦想，实现方案虽不少，但以现在的科技水平和实验条件要找到一种合适的载体存储量子比特，并操纵和观测其微观量子态实在是太困难了，各界科学家历时多年才略有所获。

(1)1994年物理学家尼尔和艾萨克子利用丙胺酸制出一台最为基本的量子计算机，虽然只能做一些像1＋1＝2这样简单的运算，但对量子计算的研究具有里程碑的意义。

(2)2000年8月IBM用5个原子作为处理和存储器制造出当时最为先进的量子计算机，并以传统计算机无法匹敌的速度完成对密码学中周期函数的计算。

(3)2000年日本日立公司成功开发出“单电子晶体管”量子元件，它可以控制单个电子的运动，且具有体积小，功耗低的特点(比目前功耗最小的晶体管约低1000倍)。

(4)2001年IBM公司阿曼顿实验室利用核磁共振技术建构出7位量子比特计算机，其实现思想是用离子两个自转状态作为一个量子比特，用微波脉冲作为地址。但此法还不能存储15位以上的量子单元。

(5)2003年5月《Nature》杂志发表了克服量子相关性的实验结果，对克服退相干，实现量子加密、纠错和传输在理论上起到指导作用，从此量子通信振奋人心。

(6)2004年9月，NTT物性科学研究所试制出新一代存储量子比特的新载体――“超导磁束量子位”。它可通过微波照射大幅度提高对量子比特自由度的控制，其量子态也相对容易保持。

第3篇：量子计算的特点范文

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

[10]SatoruK,MikioW,ShinighiK.ElectrochimicaActa1998,43(21-22):3127

[11]麻明友,何则强,熊利芝等.量子化学原理在锂离子电池研究中的应用.吉首大学学报,2006,27(3):97.

第4篇：量子计算的特点范文

关键词：共振隧穿；能级耦合；传输矩阵；量子阱；中间势垒

一、引言

经典力学的理论认为，当粒子的动能小于势垒高度时，粒子不可能从势垒的一边翻越势垒到达另一边，它会被反射回来。不过在量子力学中，我们发现一般情况下，尽管粒子的动能并不足以让它从势垒顶部翻越势垒，但它们仍然有可能穿越势垒到达势垒的另一边。我们把这种粒子穿越比自己动能更高的势垒的现象称为“隧穿效应”。

电子的隧穿效应在实际应用中有很重要的价值，它是研究半导体器件的基础。计算隧穿电流，研究隧穿器件的伏安特性等问题的关键就在于如何计算电子穿越势垒的透射系数。计算透射系数的理论重点就在于如何求解一维定态薛定谔方程。事实上，适用解析方法精确求解的一维定态薛定谔方程非常有限，相比而言用传递矩阵求解具有适用范围广，使用简单，能够快速精确地得到数值解等特点。

本文利用传输矩阵技术，对电子共振隧穿双量子阱的情况进行了数值模拟，并且分析了中间势垒的厚度对于能级耦合引起的透射强度和透射能级的影响。

二、模拟及结果讨论

由传输矩阵的基本理论有如下定义，其中 为透射几率， 为透射振幅， 为入射振幅。

我们保持两边势垒厚度为2nm,势垒高度为0.2625eV，中心势垒宽度为6nm,势垒高度为0.225eV，其中第一个势阱的宽度为1.5nm，第二个势阱宽度分别为1nm,1.25nm,1.5nm和2nm。在此基础上进行数值模拟，得到图1所示的透射谱结果。

由图1可以看出，其中一个阱的峰位没有变化，另外一个阱的峰位变化分别为0.239eV,0.221eV,0.200eV和0.171eV。随着量子阱的阱宽变化，两个阱的能级也会变化。当量子阱的阱宽为1.5nm时，两个阱的能级很接近，共振隧穿现象得到增强。当两个量子阱的阱宽完全相同时，共振达到最大。而当量子阱的阱宽继续增大时，耦合减弱。中间势垒的宽度变化对透射几率有着类似的影响。

可以改变中间势垒的厚度来研究势垒层所起的作用。根据数值模拟的结果可以发现，当中间势垒宽度小于3nm时，随着势垒厚度的减小，能级趋近于一个量子阱宽度为3nm的能级。此时中间势垒对大量子阱的能级产生微扰。并不能把一个量子阱一分为二。否则，它们之间的耦合将会很强，应该接近1.5nm量子阱的能级。当中间势垒层大于4nm时，系统的基态和第一激发态的能级比较接近，它们之间的耦合也比较强。当中间势垒层达到5nm时，模拟结果显示两个小量子阱的阱宽相同时，透射峰的半高宽度比较大，这显示了在基态和激发态的能级之间也存在耦合现象。否则，如果仅在两个小阱的基态能级之间存在耦合，那么透射峰的半高宽度应该很窄。

可见，在三势垒系统中，其透射特性受到比较复杂的能级之间耦合的影响。这其中包括两个量子阱之间最临近的能级之间的耦合，量子阱基态能级和激发态能级之间的耦合等等。

可以在阱中引入势垒来调制隧穿结构的特性，改变势垒在阱中的位置和高度来研究其对透射几率的影响。这对于设计隧穿半导体器件具有一定的意义。在理论模拟中，控制量子阱的宽度为8nm，其势垒高度为Al含量0.4的AlGaAs,量子阱采用GaAs材料。

下面我们研究Al含量0.2的AlGaAs的量子阱的透射特性，通过数值模拟可以发现，将势垒加在势阱中心后，第一共振能级与第二共振能级的耦合程度发生改变，它们的间距缩小，透射几率几乎达到100％。而与中心插入相比，非对称插入后能级间距有一定程度得增大，但透射几率显著减小。造成这种情况的原因是，非对称对波函数的耦合产生影响，导致透射几率减小。同时还可以发现，中心插入势垒的宽度对系统的透射几率强度并无影响，电子在共振能级能够全部透过。这是因为在势阱中心插入势垒后，会形成两个能级一致的量子阱，形成共振隧穿。而不对称插入时，如果两个量子阱之间的能级差别不大就会形成不完全隧穿。插入势垒的高度低于势垒层的高度，两个分开的量子阱限制性减弱，共振能级总是偏移向低能方向。在非对称情况下，形成的窄量子阱的能级向高能方向漂移，形成的宽量子阱的能级则向低能方向漂移。这里要强调一点，当其他条件相同时，中心势垒的宽度增加导致对共振能级发生改变，显然，这是由于中心势垒的厚度对系统能级产生影响。

我们有必要进一步理解隧穿结构中的载流子动力学过程。这就需要对载流子隧穿中心势垒的时间进行分析。根据Choe的理论，如果两个量子阱的能级不同，那么当粒子透射时就会产生双峰结构，而由于能量测不准原理，就可以得到粒子穿越中心势垒的时间。其表达式如下：

根据此原理，我们模拟了如下结构：总的量子阱厚度为10nm，两端势垒层厚度为2nm，中心势垒层有1nm变化至3.5nm，所有势垒层中的Al含量都是0.4，然后研究粒子从第一个量子阱隧穿到第二个量子阱所需的时间。

根据我们得到的透射谱结果可以发现，随着中心势垒的增加，能级之间的距离越来越接近。

如果从中提取出基态和第一激发态的能级，随着中心势垒宽度的增加，基态的能级逐渐增加。而第一激发态的能级则相反，随着中心势垒宽度的增加，其能级逐渐减小。这和我们前面得出的结论是吻合的，随着中心势垒宽度的增加，基态能级和第一激发态能级将相互靠近，因此，它们之间的耦合程度也逐渐增大。

三、 总结

经过以上分析和研究，我们得到如下结论：

（1）当中心势垒层小于等于3nm时，中心势垒层只能对系统能级产生微扰。而不能把一个量子阱分为两个量子阱。

（2）当中心势垒层大于3nm时，中心势垒层会把一个量子阱分为两个独立的量子阱，但是这两个独立量子阱之间仍然存在波函数的耦合，同时，在我们研究的系统中还可以看到，耦合不仅存在于两个量子阱之间，还存在于基态波函数和激发态波函数之间。

作者单位：河北省邯郸市广播电视大学

参考文献

[1]Tsu R, Esaki L. Tunneling in a finite superlattice [J].Appl Phys Lett,1973,22(11): 562-564.

第5篇：量子计算的特点范文

关键词：计算机；发展史；前景展望

1 前言

计算机由机械技术向电子技术以及生物技术、智能技术的转变，为我们的生活带来了巨大的变化。计算机已经拥有了60年的发展历程，共经历了5个重要的发展阶段，将在不久的未来经历第六个发展阶段。

2 计算机发展历史

（1）电子管计算机（1946-1958年）

用阴极射线管或汞延尺线作主存储器，外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机器指令或符号指令，应用邻域主要是科学计算。

（2）晶体管计算机（1958-1964年）

主存储器均采用磁蕊存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的外存储器，程序设计使用了更接近于人类自然语言的高级程序设计语言，计算机的应用领域也从科学计算扩展到了事务处理，工程设计等各个方面。

（3）小规模集成电路计算机(1964-1971年)

半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，使计算机使用效率明显提高。

（4）大规模集成电路（1972年-至今）

大规模、超大规模集成电路应用的一个直接结果是微处理器和微型计算机的诞生。微处理器自1971年诞生以来几乎每隔二至三年就要更新换代，以高档微处理器为核心构成的高档微型计算机系统已达到和超过了传统超极小型计算机水平，其运算速度可以达到每秒数亿次。由于微型计算机体积小、功耗低、其性能价格比占有很大优势，因而得到了广泛的应用。

（5）人工智能计算机——神经计算机。

其特点是可以实现分布式联想记忆．并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。

3 计算机发展前景展望

计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。计算发展如此之快，计算机界据此总结出了“ 摩尔法则”，该法则认为每 18个月左右计算机性能就会提高一倍。因此，在未来，第六代计算机发展方向如下：

（1）分子计算机

分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高， 分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10 微微秒，比人的思维速度快 100 万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液可存储 1 万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。

（2）光子计算机

光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”和“1” 状态变化进行的二进制运算, 可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

（3）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。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，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，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此, 一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时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。

（4）纳米计算机

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围, 质地坚固,有着极强的导电性, 能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位, 一个纳米等于10-9米, 大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从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，其体积只有数百个原子大小，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。

（5）生物计算机[1]

20世纪80年代以来，生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力，以期研制出可以模拟人脑思维、低耗、高教的第六代计算机——生物计算机。用蛋白质制造的电脑芯片，存储量可以达到普通电脑的10亿倍。生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。

第6篇：量子计算的特点范文

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

第7篇：量子计算的特点范文

1.1计算机科学技术在生活中应用广泛

在这个信息化时代，计算机网络作为人们社会生活的重要部分，已经进入千家万户。人们不用出门就可以通过计算机了解国内外新闻、天气预报资讯、股市行情、世界地图、收发电子邮件、检索信息等；不用逛街就可以通过互联网中的购物网站买到喜欢的东西；通过计算机可以与相隔较远的朋友在线聊天、视频聊天等，加强人们之间的交流和沟通，促进友谊；人们可以通过计算机网络订购飞机票、火车票等，节省排队时间；教师可以通过计算机科学技术实现对学生的在线授课，更及时、更方便；动漫工作者可以使用计算机科学技术制作动漫；政府机关也可以通过计算机科学技术建立城市网站，及时了解市民反映的问题，通过计算机与各个行业的工作人员在线交流；很多企业使用计算机来处理大量数据和信息，代替传统的人工处理，提高工作效率。计算机科学技术潜移默化的影响着人们的生产、工作和学习。

1.2计算机科学技术更加智能化和专业化

计算机科学技术的快速发展和广泛应用，推动了集成电路、微电子和半导体晶体管的发展，计算机科学技术更加智能化和专业化。计算机能根据使用对象的不同个体需要进行改装、更新，对于有更高需求的用户可以专门定做计算机，用户可以根据使用环境的不同选择台式计算机、笔记本计算机、掌上电脑和平板电脑等。计算机科学技术在其他特殊领域也能发挥自己的优势，如智能化家用电器和智能手机，家庭式网络分布系统代替了传统的单机操作系统，满足人们的生活需求。

1.3计算机的微处理器和纳米技术

微处理器能提高计算机的使用性能，缩小传统处理器芯片中的晶体管线宽和尺寸。利用光刻技术，波长更短的曝光光源经过掩膜的曝光，将晶体管在硅片上制作的更精巧，将晶体管导线制作的更细小。计算机科学技术的快速发展使计算机运算速度更快，体积更微型，操作更智能，传统的电子元件不能适应计算机的发展。纳米技术是一种用分子射程物质和单个原子的毫微技术，可以研究0.1～100纳米范围内的材料应用和性质。计算机科学技术中利用纳米技术，可以使计算机尺寸变小，解决运算速度和集成度的问题。

2计算机科学技术的未来发展

现如今，计算机科学技术的应用越来越广，人们对计算机科学技术的要求越来越高，促使数学家和计算机学家们不断研究计算机科学技术，使计算机科学技术在各个领域、各个行业发挥更大的作用，满足人们的不同需求。下面从DNA生物计算机、光计算机和量子计算机三方面来探究计算机科学技术的发展前景。

2.1DNA生物计算机DNA生物计算机用生物蛋白质芯片代替传统的半导体硅芯片。1994年，美国科学家阿德勒曼率先提出关于生物计算机的设想。在计算机运算数据时，将生物DNA碱基序列作为信息编码载体，运用分子生物学技术和控制酶，改变DNA碱基序列，从而反映信息，处理数据。这一设想增加了计算机操作方式，改变了传统的、单一的物理操作性质，拓宽了人们对计算机的了解视野。DNA生物计算机元件密度比大脑神经元的密度高100万倍，信息数据的传递速度也比人脑思维快100万倍，生物计算机的蛋白质芯片存储量是传统计算机的10亿倍。2001年，以色列科学家研制出世界上第一台DNA生物计算机，体积较小，仅有一滴水的体积。2013年，英国生物信息研究院的科学家们使用DNA碱基序列对文学家莎士比亚154首作品的音乐文件格式和相关照片进行编制，增加了储存密度，使储存密度达到2.2PB/克（1024TB=1PB），提高了人们对信息储存的认识，这一重大突破使生物计算机的设想有望成为现实。

2.2光信号和光子计算机

光子计算机是一种由光子信号进行信息处理、信息存储、逻辑操作和数字运算的新型计算机。集成光路是光子计算机的基本构成部件，包括核镜、透镜和激光器。光子计算机和传统计算机相比较，有以下几点好处：

(1)光计算机的光子互联芯片集成密度更高。在高密度下，光子可以不受量子效应的影响，在自由空间将光子互联，就能提高芯片的集成密度。

(2)光子没有质量，不受介质干扰，可以在各种介质和真空中传播。

(3)光自身不带电荷，是一种电磁波，可以在自由空间中相互交叉传播，传播时各自不发生干扰。

(4)光子在导线中的传播速度更快，是电子传播速度的1000倍，光计算机的运算速度比传统计算机更快。20世纪50年代末，科学家提出光计算机的设想，即利用光速完成计算机运算和储存等工作。与芯片计算机相比较，光子计算机可以提高计算机运行速度。1896年，戴维•米勒首先研制出光开关，体型较小。1990年，贝尔实验室的光计算机工作计划正式开启。根据元器件的不同，光子计算机可以分为全光学型计算机和光电混合型计算机。全光学型计算机比光电混合型计算机运算速度快，还可以对手势、图形、语言等进行合成和识别。贝尔实验室已经成功研制出光电混合型计算机，采用的是混合型元器件。研发制作全光学型计算机的重要工作就是研制晶体管，这种晶体管与现存的光学“晶体管”不同，它能用一条光线控制另一条光线。现存的光学“晶体管”体积较大较笨拙，满足不了全光学型计算机的研发要求。

2.3量子理论计算机

量子计算机将处于量子状态的原子作为计算机CPU和内存，处于量子状态的原子在同一时间内能处于不同位置，根据这一特性可以提高计算机处理信息的精确度，提高处理数据的运算速度，有利于数据储存。量子计算机处理信息时的基本数据单元是量子比特，取代了传统的“1”和“0”，具有极强的运算能力，运算速度比传统计算机快10亿倍。中国和美国的科学家们在实验室里成功实现了同时对多个量子比特进行操作，为制造量子计算机提供了可能。相信在科学技术的不断发展和世界各国的科学家们共同努力下，量子计算机会成为现实。

3结束语

第8篇：量子计算的特点范文

 

引言：

 

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。这一新型通信技术是伴随着通信技术的不断发展和物理学领域的不断研究而发展起来的，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。近年来这门学科已逐步从理论走向实验，以其特有的高效性和安全性等特点而被军事等领域广泛研究应用，并向实用化发展。同时，随着社会科技和经济的不断发展，普通民众对信息传输的要求也日益提高，对信息传输的稳定性、安全性要求也不断提高，因此也急需这一技术来作为对现有通信手段的补充和优化，以不断提高信息传输的质量。这种无论是来自军事等特殊领域还是来自普通民众等普通领域对信息传输的高要求都促使着量子通信技术不断研究与发展，以满足人们不断严苛的通信需求。

 

一、量子通信的发展概述

 

量子通信技术是在量子力学的基础上发展起来的。量子力学诞生于1926年，是人类对微观世界加以认识的理论基础之一。量子力学和相对论之间的不相容性在1935年被爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证后，约翰?贝尔于1964年提出贝尔理论，阿斯派克等人于1982年证明了超光速响应的存在。在这一基础上，美国科学家贝内特于1993年首次提出了量子通信的概念。这一概念的提出，使爱因斯坦的量子纠缠效益开始真正发挥其威力。

 

自量子通信概念提出以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案，这是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。

 

1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。此后经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

 

二、量子通信技术简介

 

量子通信即指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子是不可分的最小能量单位，“光量子”即为光的最小能量单位。量子通信的理论基础是量子纠缠。在量子世界中，存在着一种“纠缠”效应，所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。因此具有极大的研究价值。

 

量子密码通信原理是基于“海森堡测不准”原理的发展的。在量子物理学中“海森堡测不准”原理表明，如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化，那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子，照亮粒子的光的行为都会使之改变路线，从而无法发现该粒子的实际位置。因此对传输光子线路的窃听会破坏原通讯路线之间的相互联系，通讯会被终端。另外还有“单量子不可复制”定理，这是上述原理的推论，是指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子必须先做测量，而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理，即使量子密码不幸被获取，也会因测量过程中对量子状态的改变而得到一些几乎无意义的信息。

 

量子远程传态是经由经典通道和量子通道传送未知量子态。通俗来讲就是将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来。因量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理，限制人们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来，因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道送到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。但这一过程并不传输任何的能量或物质，只是传输一种量子态。

 

量子密集编码是用量子通道传送经典比特，即使用量子纠缠现象可以实现只传送一个量子比特，而传送两个比特的经典信息。具体方法是信息的传送者(Alice)和接受者(Bob)各拥有处于最大纠缠态中的一个粒子，Alice可以对她手中的粒子施加四种可能的幺正变换以编码两个比特的经典信息，由于两个粒子处于纠缠态，对一个粒子的任何操作都会对另一个粒子产生影响，引起另一个粒子的态发生相应的变化。Alice对它的纠缠粒子施加幺正变换后，两系统处于四个Bell基态之一，为了使Bob能读出Alice编码的信息，Alice必须再把她的粒子传送给Bob，Bob再对两个粒子实施联合Bell 基测量，测量结果可使Bob提出2比特的经典信息，在这过程中，Alice仅传送给Bob一个粒子，但却能成功的传送2比特的经典信息，这就是所谓的“密集编码”。

 

三、量子通信技术的发展前景

 

量子通信技术依托于发达的现代信息技术和先进的量子技术而发展起来的，以其独特的优势而被广泛关注。与传统通信技术相比较，量子通信具有抗干扰力强、保密性高、传输速度快等优点。因此，它的发展应用前景很广阔。一方面，在国家政府和军事领域，由于其保密性极高，几乎不可能被敌方破译，且这种量子通信技术能够抵御未来量子计算机技术带来的威胁，因此会被不断研究和应用。另一方面，在民用通信技术领域，早在2009年9月，中国科技大学组建了世界上首个5节点的全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。“城域量子通信网络”使得城市范围的安全量子通信网络成为现实。因此，量子通信在未来的民用领域也将被广泛研究应用。

 

结语

 

量子通信是通信技术的又一次划时代革命，与目前采用的传统通信技术相比，量子通信在保密性、通信容量、通信时效等方面都具有十分明显的优势，是未来通信发展的主要方向。虽然量子通信有着广阔的应用前景，但在单元技术和理论方面还有许多需要解决的问题。在信息产业作为国民经济重要组成部分的今天，需要在量子通信这一领域继续加大投入和研究力度，为进入量子通信时代打下坚实的基础，不断服务于现代人类的发展需求。

第9篇：量子计算的特点范文

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

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半导体材料研究的新进展

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。