量子計(jì)算的特點(diǎn)精選(九篇)

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第1篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

密碼鑰匙

大家都喜歡看諜戰(zhàn)片吧？科技含量高的諜戰(zhàn)片通常有破解通信密碼的情節(jié)。破解通信密碼需要獲得密碼鑰匙。

這里說(shuō)的密碼鑰匙就是信息的加密方式，因?yàn)樗驮蹅冮_門用的鑰匙有相似功能，所以被稱為密碼鑰匙，簡(jiǎn)稱密鑰。打個(gè)比方，甲想向乙傳輸“123”這段信息，先按照將每個(gè)數(shù)字都加3的方式向乙傳輸“456”，“123”就叫明文，“456”就叫密文，而每個(gè)數(shù)字都加3就是密碼鑰匙。發(fā)送者可用密碼鑰匙加密信息，接收者可用它來(lái)解密。

如果第三方?jīng)]有密碼鑰匙，又想獲得明文信息，就需要間諜活動(dòng)了。間諜獲得密碼鑰匙的方法很多，有時(shí)靠騙，可以從甲或乙那兒騙來(lái)密碼鑰匙；有時(shí)靠買，間諜向甲或乙許以報(bào)酬，收買密碼鑰匙有時(shí)也能成功；有時(shí)還靠偷。

無(wú)論騙還是偷，都屬于人工方法，獲得密碼鑰匙的效率比較低?，F(xiàn)在間諜都愿意用計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算來(lái)獲取密碼鑰匙，就是利用計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)功能，尋找密文信息的變化規(guī)律，其中的規(guī)律就是加密方式。有了計(jì)算機(jī)這種機(jī)器助手來(lái)幫助間諜破解密碼，間諜們很囂張地宣稱：沒(méi)有破解不了的密碼鑰匙，破解密碼鑰匙只是個(gè)時(shí)間問(wèn)題！

利用計(jì)算機(jī)破解密碼終究會(huì)成功，所以說(shuō)信息安全只是某一段時(shí)間內(nèi)的相對(duì)安全，而不是永久的安全。那么，有沒(méi)有永遠(yuǎn)不會(huì)被解密的通信方式呢？有呀，它就是量子通信。

科學(xué)探索

公元前405年，雅典和斯巴達(dá)發(fā)生了戰(zhàn)爭(zhēng)。斯巴達(dá)軍隊(duì)捕獲了一名雅典送信人，從他身上除了搜出一條布滿雜亂無(wú)章的字母的腰帶之外，別無(wú)所獲。情報(bào)究竟藏在什么地方呢？斯巴達(dá)軍隊(duì)統(tǒng)帥萊桑德無(wú)意中把腰帶呈螺旋形纏繞在手中的劍鞘上時(shí)，奇跡出現(xiàn)了，原來(lái)腰帶上那些雜亂無(wú)章的字母，竟組成了一段表意清楚的文字，密碼得以破解！腰帶情報(bào)，就是世界上最早的密碼情報(bào)，具體運(yùn)用方法是，通信雙方首先約定密碼解讀規(guī)則，然后通信一方將腰帶纏繞在約定長(zhǎng)度和粗細(xì)的木棍上書寫？收信一方接到后，如不把腰帶纏繞在同樣長(zhǎng)度和粗細(xì)的木棍上，就只能看到一些毫無(wú)規(guī)則的字母。

趣味鏈接

有人通過(guò)破解密碼顯示才能，有人通過(guò)設(shè)計(jì)密碼顯示才能。1977年，數(shù)學(xué)家李維斯特給出了一個(gè)129位數(shù)，要求把這個(gè)數(shù)分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積，得到這個(gè)結(jié)果，就會(huì)發(fā)現(xiàn)隱藏的信息。其實(shí)這個(gè)129位數(shù)就是密文，分解質(zhì)因數(shù)就是密碼鑰匙。李維斯特信心滿滿地宣稱，算出他的密碼鑰匙，需要好多億年。誰(shuí)知17年之后，600名密碼破解愛好者動(dòng)用了1600臺(tái)計(jì)算機(jī)，只用了6個(gè)月的時(shí)間就把李維斯特的密碼給破解了，獲得的信息是“挑食的禿鷹”。密碼雖然被破解了，但人們還是很佩服李維斯特：他太厲害了，得600人聯(lián)手，用1600臺(tái)計(jì)算機(jī)，花了6個(gè)月才打敗他！

量子通信是什么

傳統(tǒng)的通信方式都需要介質(zhì)，比如寫信你得用信紙，打電話的信號(hào)得靠電磁波來(lái)傳輸。竊密者通常會(huì)侵入介質(zhì)獲得通信信息，在掌握了密文信息后，再通過(guò)計(jì)算獲取密碼鑰匙，將密文破解成明文。凡是通過(guò)介質(zhì)傳送信息，必定無(wú)密可言，這種破解密碼的方式通常被稱為“截獲”。

量子通信是不需要傳輸介質(zhì)的，這是為什么呢？

科學(xué)家在1900年發(fā)現(xiàn)了量子這種微粒，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了量子糾纏現(xiàn)象。量子糾纏是這樣的：一對(duì)量子甲和乙，甲攜帶的信息，可以瞬間在乙身上體現(xiàn)出來(lái)！不架天線，不鋪電纜，信息可以在量子之間無(wú)形無(wú)影地傳輸，這事跟神話中的心靈感應(yīng)似乎是一個(gè)套路呀！

是的，量子通信可以看作是神奇的心理感應(yīng)術(shù)，信息的傳輸端和接收端之間不用連接實(shí)線，也不需要電磁波，信息來(lái)去很神奇。量子糾纏現(xiàn)象曾經(jīng)被愛因斯坦淺顯地描述為：兩個(gè)物體之間，無(wú)論距離多遠(yuǎn)，都存在相互感應(yīng)信息的天然魔力。

量子通信非常神奇，且非常安全，這又是為什么呢？

量子通信的一個(gè)特點(diǎn)就是加密速度極快，它可以給數(shù)之不盡的每一個(gè)信息片段加一個(gè)獨(dú)立的密碼鑰匙。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，如果把一次通話分割成100億個(gè)信息片段來(lái)傳輸，則量子通信可以瞬間給這100億個(gè)信息片段各加各的密碼鑰匙，這種加密方式被形象地稱為“一次一密”。你可以想象，在通信過(guò)程中，信息源源不斷，加密碼鑰匙源源不斷，千變?nèi)f化，間諜要破解這么多的密碼鑰匙，簡(jiǎn)直是比登天還難。一次一密帶來(lái)了天量密碼鑰匙，讓密碼間諜從此失去飯碗！

有人或許會(huì)說(shuō)，讓計(jì)算機(jī)出場(chǎng)幫著計(jì)算嘛！

這主意不錯(cuò)，不過(guò)告訴你吧，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)雖然有超強(qiáng)的計(jì)算能力，但是它們面對(duì)無(wú)窮無(wú)盡的量子通信密碼也是束手無(wú)策，算不盡呀！如果硬要一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)破解量子通信密碼，從理論上說(shuō)也是可以的，但時(shí)間卻需要數(shù)億年，甚至是無(wú)限久。呵呵，計(jì)算機(jī)破解量子通信密碼，時(shí)間是無(wú)限久，其實(shí)就是破解不了的意思呀！誰(shuí)等密碼能等上數(shù)億年呢？

還有，量子通信不是不需要傳輸介質(zhì)嘛，所以，間諜想在半路上截獲信息的想法也破滅。

有人或許又要問(wèn)了：你在半路上截不到信息，不會(huì)直接從傳送端和接收端的量子上獲取信息嗎？

嗯，這想法似乎不錯(cuò)，但做法也行不通呀，因?yàn)榱孔舆€有一個(gè)特點(diǎn)：只要有人干擾它，想從它身上獲得信息，它立馬就改變?cè)瓉?lái)的信息狀態(tài)，把真實(shí)信息提前毀掉，讓間諜一無(wú)所獲。量子這種干擾即毀信息的特點(diǎn)，封死了間諜想從信息發(fā)送端和接收端獲取信息的想法。如果有的間諜“不知趣”，非得要到量子那兒獲取信息，那么信息接收方和信息發(fā)送方就可以從量子自毀信息的頻率，判斷是不是有人正在搞竊密，讓間諜行為立馬現(xiàn)形。這么說(shuō)來(lái)，身負(fù)通信使命的量子，還是通信警察呀，只要間諜一來(lái)，它立即報(bào)警，讓間諜無(wú)處遁形。

哎，在量子通信時(shí)代，間諜要么選擇遠(yuǎn)離量子通信網(wǎng)絡(luò)，要么掩耳盜鈴卻被人捉，間諜成了超高危無(wú)成果的職業(yè)，沒(méi)有人能做得來(lái)了。

量子通信先靠一次一密的加密方式，把間諜淹沒(méi)在密碼鑰匙的大海里，還會(huì)用自毀信息的方式報(bào)警，讓仍舊執(zhí)迷于截獲信息的間諜無(wú)處藏身，基于這兩點(diǎn)，量子通信就成了絕對(duì)安全的通訊方式。

科學(xué)探索

世界是運(yùn)動(dòng)的，但是宏觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不相同。牛頓提出的物理學(xué)說(shuō)解答了宏觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但牛頓的學(xué)說(shuō)一拿到微觀世界來(lái)解答微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就會(huì)“失效”。這種失效促使科學(xué)家努力尋找微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，于是量子力學(xué)就產(chǎn)生了，量子力學(xué)是一門年輕的科學(xué)，它總共才有一百來(lái)年的歷史。

英國(guó)有所謂的物理學(xué)家提出，人的靈魂是由大腦中的量子物質(zhì)形成的，當(dāng)人死亡之后，大腦微管中的量子信息會(huì)離開身體進(jìn)入到宇宙，如果能阻止這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腦量子收回來(lái)，人就能死而復(fù)生。量子科學(xué)有這么玄乎嗎？人可以不死，可以死而復(fù)生，這類“量子理論”誰(shuí)敢信呀！

為什么發(fā)射量子衛(wèi)星

既然量子之間可以傳輸無(wú)限加密的第三者不可破解的信息，那就在地球上建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)就行了，為什么還要發(fā)射量子衛(wèi)星呢？

這得從目前量子信息傳輸?shù)木嚯x來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題。

甲量子向乙量子傳送信息，理論上它們之間心靈感應(yīng)的距離可以無(wú)限遠(yuǎn)，無(wú)論間隔多遠(yuǎn)，信息都能由甲傳輸給乙的。但事實(shí)上，量子在自由環(huán)境里（即地球表面環(huán)境），能量會(huì)衰減，衰減雖然不影響信息傳遞，但影響我們?nèi)祟悓?duì)信息的辨別，你想想，甲雖然最終把信息傳遞給了乙，但信號(hào)太弱，弱到目前我們無(wú)法辨識(shí)，不也是無(wú)用嘛。

量子之間信息傳輸距離是無(wú)限的，多遠(yuǎn)都能傳到。但量子之間保持信息可辨認(rèn)的傳輸距離卻是有限的，太遠(yuǎn)了，它們之間有“對(duì)話”，但咱們卻“聽”不清楚了。

1977年，科學(xué)家利用量子傳送信息，結(jié)果只讓信息傳送了數(shù)米遠(yuǎn)的距離。這個(gè)距離雖然很近，但是驗(yàn)證了量子傳輸信息的可能性。

隨后，量子通信在“能”的基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)步，傳輸距離從最初的數(shù)米，發(fā)展到了可以傳輸16千米了：2010年6月6日，中國(guó)量子通信實(shí)驗(yàn)小組將信息傳輸了16千米的距離，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)量子通信的新記錄。

量子通信可傳輸16千米，但仍舊不能滿足實(shí)用要求。于是在16千米的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們繼續(xù)努力，要讓量子通信的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，可這個(gè)期望后來(lái)“破滅”了，因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)在自由環(huán)境中，量子通信距離存在一個(gè)極限，大約是100千米。100千米的傳輸距離雖然具有實(shí)用價(jià)值，但是要建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)，需要在地面上每隔100千米建設(shè)一個(gè)傳輸基站。眾多基站，會(huì)降低量子通訊的效率和安全性，因?yàn)樾盘?hào)需要不斷在明文和密文之間多次轉(zhuǎn)換接力，每個(gè)基站容易成為信息安全漏洞，所以大量建設(shè)基站支持量子通信的方案被認(rèn)為不可行。

基站方案被否決之后，科學(xué)家就把建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)的厚望寄托于量子通信衛(wèi)星身上。量子衛(wèi)星可以把量子信息傳輸?shù)木嚯x擴(kuò)大到數(shù)千千米，三顆量子衛(wèi)星就能滿足在全球建立信號(hào)優(yōu)良、安全無(wú)憂的量子信息通信網(wǎng)絡(luò)，讓信息高速安全地直達(dá)任意地方，所以說(shuō)發(fā)射量子衛(wèi)星是量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，誰(shuí)擁有了量子衛(wèi)星傳輸技術(shù)，誰(shuí)就掌握了全球量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主動(dòng)權(quán)。

中國(guó)發(fā)射的“墨子號(hào)”，是全世界發(fā)射的第一顆量子通信衛(wèi)星，標(biāo)志著中國(guó)將成為量子通信界的老大，在以后量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)程中，中國(guó)的話語(yǔ)權(quán)和支配權(quán)都將是至高無(wú)上的。別的國(guó)家見咱們有了量子衛(wèi)星，都急紅眼了！

全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為什么命名為“墨子號(hào)”。墨子是我國(guó)古代偉大的科學(xué)家，被稱為“科圣”。他最早提出光線沿直線傳播的理論，設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。用中國(guó)古代偉大科學(xué)家的名字命名量子衛(wèi)星，為的是提升我們的文化自信。

主持建造“墨子號(hào)”的潘建偉教授是我國(guó)量子科學(xué)的領(lǐng)頭人，1996年他到奧地利求學(xué)量子科學(xué)，導(dǎo)師問(wèn)他的夢(mèng)想是什么，他說(shuō)要在中國(guó)建世界一流的量子物理實(shí)驗(yàn)室。僅過(guò)了一年，他就與同事合作，宣布在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸，這被公認(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作，《科學(xué)》雜志將其列為年度全球十大科技進(jìn)展。這一年，潘建偉僅27歲。后來(lái)，潘建偉回國(guó)開展量子科學(xué)研究，結(jié)果理解這門科學(xué)的人太少，什么隱形傳輸，什么大變活人的，他的研究項(xiàng)目被稱為偽科學(xué)，本人則被誤解為騙子。今天這個(gè)“騙子”終于可以向所有人說(shuō)：看，一切都是真的！

量子傳輸?shù)牟粌H僅是信息

目前這個(gè)階段，中國(guó)發(fā)射的量子衛(wèi)星，主要擔(dān)負(fù)安全傳輸信息的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。將來(lái)，量子衛(wèi)星的任務(wù)不僅僅是傳輸信息，很有可能還會(huì)傳輸人。

什么？傳輸人！

是的，就是傳輸人。

前面我們說(shuō)過(guò)，量子是微粒?？梢园盐矬w理解成是由量子組成的，也就是說(shuō)物體可以分解成一個(gè)一個(gè)的量子，量子不但可以瞬間傳輸信息，而且可以瞬間傳輸量子。如果用量子傳輸信息，就叫量子通信。如果用量子傳輸量子，那么傳輸人就成為一種可能，這在魔術(shù)里叫大變活人吧。

我們用量子傳輸量子，就可以將魔術(shù)變成真實(shí)的科技項(xiàng)目?？茖W(xué)家在用量子傳輸信息的基礎(chǔ)上，還開始研究如何把量子傳輸信息變成量子傳輸實(shí)物，這項(xiàng)研究被稱為隱形傳輸。

隱形傳輸技術(shù)在科幻電影《星際旅行》中有體現(xiàn)：宇航員在特殊裝置中平靜地說(shuō)一句：“發(fā)送我吧，蘇格蘭人！”他瞬間就被轉(zhuǎn)移到外星球了。將來(lái)，量子機(jī)器很可能把科幻電影中的神奇情景變成現(xiàn)實(shí)，依靠量子傳輸實(shí)物的功能將我們發(fā)射到想去的星球上去。

盡管想要達(dá)到“發(fā)送我吧”這樣的結(jié)果，我們還得等上一些年頭，但量子隱形傳輸技術(shù)，終將帶我們走進(jìn)不可思議的量子傳輸情景中，很可能讓我們瞬間到達(dá)我們想到達(dá)的任意地方。量子傳輸或許將是星際旅行的終極大法――因?yàn)?，身體是由量子組成的，量子能夠被瞬間傳輸，所以我們的身體，我們的生命也就可能被瞬間傳輸。

天呀，原來(lái)大變活人不只是魔術(shù)！

科學(xué)探索

第2篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

關(guān)鍵詞：量子比特；量子力學(xué)；量子相干性；并行運(yùn)算

0　引言

自1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生至今，共經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模集成電路四個(gè)時(shí)代。計(jì)算機(jī)科學(xué)日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長(zhǎng)的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個(gè)極限”。

其一，隨著傳統(tǒng)硅芯片集成度的提高，芯片內(nèi)部晶體管數(shù)與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現(xiàn)在的英特爾雙核處理器采用最新45納米制造工藝，在143平方毫米內(nèi)集成2.91億晶體管)。根據(jù)摩爾定律估算，20年后制造工藝將達(dá)到幾個(gè)原子級(jí)大小，甚至更小，從而導(dǎo)致芯片內(nèi)部微觀粒子性越來(lái)越弱，相反其波動(dòng)性逐漸顯著，傳統(tǒng)宏觀物理學(xué)定律因此不再適用，而遵循的是微觀世界煥然一新的量子力學(xué)定理。也就是說(shuō)，20年后傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將達(dá)到它的“物理極限”。

其二，集成度的提高所帶來(lái)耗能與散熱的問(wèn)題反過(guò)來(lái)制約著芯片集成度的規(guī)模，傳統(tǒng)硅芯片集成度的停滯不前將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)發(fā)展的“性能極限”。如何解決其發(fā)熱問(wèn)題?研究表明，芯片耗能產(chǎn)生于計(jì)算過(guò)程中的不可逆過(guò)程。如處理器對(duì)輸入兩串?dāng)?shù)據(jù)的異或操作而最終結(jié)果卻只有一列數(shù)據(jù)的輸出，這過(guò)程是不可逆的，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生熱量。倘若輸出時(shí)處理器能保留一串無(wú)用序列，即把不可逆轉(zhuǎn)換為可逆過(guò)程，則能從根本上解決芯片耗能問(wèn)題。利用量子力學(xué)里的玄正變換把不可逆轉(zhuǎn)為可逆過(guò)程，從而引發(fā)了對(duì)量子計(jì)算的研究。

1　量子計(jì)算的基本原理

1.1　傳統(tǒng)計(jì)算的存儲(chǔ)方式

首先回顧傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作原理。傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)采用比特作為信息存儲(chǔ)單位。從物理學(xué)角度，比特是兩態(tài)系統(tǒng)，它可保持其中一種可識(shí)別狀態(tài)，即“1”或者“()”。對(duì)于“1”和“0”，可利用電流的通斷或電平的高低兩種方法表示，然后可通過(guò)與非門兩種邏輯電路的組合實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除和邏輯運(yùn)算。如把0～0個(gè)數(shù)相加，先輸入“00”，處理后輸入“01”，兩者相“與”再輸入下個(gè)數(shù)“10”，以此類推直至處理完第n個(gè)數(shù)，即輸入一次，運(yùn)算一次，n次輸入，n次運(yùn)算。這種串行處理方式不可避免地制約著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速率，數(shù)據(jù)越多影響越深，單次運(yùn)算的時(shí)間累積足可達(dá)到驚人的數(shù)字。例如在1994年共1600個(gè)工作站歷時(shí)8月才完成對(duì)129位(迄今最大長(zhǎng)度)因式的分解。倘若分解位數(shù)多達(dá)1000位，據(jù)估算，即使目前最快的計(jì)算機(jī)也需耗費(fèi)1025年。而遵循量子力學(xué)定理的新一代計(jì)算機(jī)利用超高速并行運(yùn)算只需幾秒即可得出結(jié)果。現(xiàn)在讓我們打開量子計(jì)算的潘多拉魔盒，走進(jìn)奇妙神秘的量子世界。

1.2　量子計(jì)算的存儲(chǔ)方式

量子計(jì)算的信息存儲(chǔ)單位是量子比特，其兩態(tài)的表示常用以下兩種方式：

(1)利用電子自旋方向。如向左自轉(zhuǎn)狀態(tài)代表“1”，向右自轉(zhuǎn)狀態(tài)代表“0”。電子的自轉(zhuǎn)方向可通過(guò)電磁波照射加以控制。

(2)利用原子的不同能級(jí)。原子有基態(tài)和激發(fā)態(tài)兩種能級(jí)，規(guī)定原子基態(tài)時(shí)為“0”，激發(fā)態(tài)時(shí)為“1”。其具體狀態(tài)可通過(guò)辨別原子光譜或核磁共振技術(shù)辨別。

量子計(jì)算在處理0～n個(gè)數(shù)相加時(shí)，采用的是并行處理方式將“00”、“01”、“10”、“11”等n個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)輸入處理器，并在最后做一次運(yùn)算得出結(jié)果。無(wú)論有多少數(shù)據(jù)，量子計(jì)算都是同時(shí)輸入，運(yùn)算一次，從而避免了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輸入一次運(yùn)算一次的耗時(shí)過(guò)程。當(dāng)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，這種并行處理方式的速率足以讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望塵莫及。

1.3　量子疊加態(tài)

量子計(jì)算為何能實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算呢?根本原因在于量子比特具有“疊加狀態(tài)”的性質(zhì)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每個(gè)比特只能取一種可識(shí)別的狀態(tài)“0”或“1”，而量子比特不僅可以取“0”或“1”，還可同時(shí)取“0”和“1”，即其疊加態(tài)。以此類推，n位傳統(tǒng)比特僅能代表2n中的某一態(tài)，而n位量子比特卻能同時(shí)表示2n個(gè)疊加態(tài)，這正是量子世界神奇之處。運(yùn)算時(shí)量子計(jì)算只須對(duì)這2n個(gè)量子疊加態(tài)處理一次，這就意味著一次同時(shí)處理了2n個(gè)量子比特(同樣的操作傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需處理2n次，因此理論上量子計(jì)算工作速率可提高2n倍)，從而實(shí)現(xiàn)了并行運(yùn)算。

量子疊加態(tài)恐怕讀者一時(shí)難以接受，即使當(dāng)年聰明絕頂?shù)膼垡蛩固挂差H有微詞。但微觀世界到底有別于我們所處的宏觀世界，存在著既令人驚訝又不得不承認(rèn)的事實(shí)，并取得了多方面驗(yàn)證。以下用量子力學(xué)描述量子疊加態(tài)。

現(xiàn)有兩比特存儲(chǔ)單元，經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)00，01，10，11四位二進(jìn)制數(shù)，但同一時(shí)刻只能存儲(chǔ)其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”兩態(tài)，還可同時(shí)表示“0”和“1”的疊加態(tài)，量子力學(xué)記為：

lφ〉＝al1〉＋blO〉

其中ab分別表示原子處于兩態(tài)的幾率，a＝0時(shí)只有“0”態(tài)，b＝0時(shí)只有“1”態(tài)，ab都不為0時(shí)既可表示“0”，又可表示“1”。因此，兩位量子比特可同時(shí)表示4種狀態(tài)，即在同一時(shí)刻可存儲(chǔ)4個(gè)數(shù)，量子力學(xué)記為：

1.4　量子相干性

量子計(jì)算除可并行運(yùn)算外，還能快速高效地并行運(yùn)算，這就用到了量子的另外一個(gè)特性――量子相干性。

量子相干性是指量子之間的特殊聯(lián)系，利用它可從一個(gè)或多個(gè)量子狀態(tài)推出其它量子態(tài)。譬如兩電子發(fā)生正向碰撞，若觀測(cè)到其中一電子是向左自轉(zhuǎn)的，那么根據(jù)動(dòng)量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉(zhuǎn)。這兩電子間所存在的這種聯(lián)系就是量子相干性。

可以把量子相干性應(yīng)用于存儲(chǔ)當(dāng)中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協(xié)同運(yùn)行的同一整體，對(duì)其中某一比特的處理就會(huì)影響到其它比特的運(yùn)行狀態(tài)，正所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。量子計(jì)算之所以能快速高效地運(yùn)算緣歸于此。然而令人遺憾的是量子相干性很難保持，在外部環(huán)境影響下很容易丟失相干性從而導(dǎo)致運(yùn)算錯(cuò)誤。雖然采用量子糾錯(cuò)碼技術(shù)可避免出錯(cuò)，但其也只是發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達(dá)高效量子計(jì)算時(shí)代還有一段漫長(zhǎng)曲折之路。

2　對(duì)傳統(tǒng)密碼學(xué)的沖擊

密碼通信源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。早在2500年前，密碼就已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)與外交之中，當(dāng)今的文學(xué)作品也多有涉獵，如漢帝賜董承的衣帶詔，文人墨客的藏頭詩(shī)，金庸筆下的蠟丸信等。隨著歷史的發(fā)展，密碼和秘密通訊備受關(guān)注，密碼學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。防與攻是一個(gè)永恒的活題，當(dāng)科學(xué)家們?nèi)缁鹑巛钡匮芯扛鞣N加密之策時(shí)，破譯之道也得以迅速發(fā)展。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，大數(shù)的因式分解是數(shù)學(xué)界的一道難題，至今也無(wú)有效的解決方案和算法。這一點(diǎn)在密碼學(xué)有重要應(yīng)用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，銀行和金融系統(tǒng)的RSA加密系統(tǒng)就是基于因式難分解而開發(fā)出來(lái)的。然而，在理論上包括RSA在內(nèi)的任何加密算法都不是天衣無(wú)縫的，利用窮舉法可一一破解，只要衡量破解與所耗費(fèi)的人力物力和時(shí)間相比是否合理。如上文提到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需耗費(fèi)1025年才能對(duì)1000位整數(shù)進(jìn)行因式分解，從時(shí)間意義上講，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行運(yùn)算的量子計(jì)算一旦問(wèn)世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統(tǒng)密碼學(xué)將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，相信屆時(shí)一套更為安全成熟的量子加密體系終會(huì)醞釀而出。

3　近期研究成果

目前量子計(jì)算的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，許多科學(xué)家都以極大熱忱追尋量子計(jì)算的夢(mèng)想，實(shí)現(xiàn)方案雖不少，但以現(xiàn)在的科技水平和實(shí)驗(yàn)條件要找到一種合適的載體存儲(chǔ)量子比特，并操縱和觀測(cè)其微觀量子態(tài)實(shí)在是太困難了，各界科學(xué)家歷時(shí)多年才略有所獲。

(1)1994年物理學(xué)家尼爾和艾薩克子利用丙胺酸制出一臺(tái)最為基本的量子計(jì)算機(jī)，雖然只能做一些像1＋1＝2這樣簡(jiǎn)單的運(yùn)算，但對(duì)量子計(jì)算的研究具有里程碑的意義。

(2)2000年8月IBM用5個(gè)原子作為處理和存儲(chǔ)器制造出當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)，并以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法匹敵的速度完成對(duì)密碼學(xué)中周期函數(shù)的計(jì)算。

(3)2000年日本日立公司成功開發(fā)出“單電子晶體管”量子元件，它可以控制單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)，且具有體積小，功耗低的特點(diǎn)(比目前功耗最小的晶體管約低1000倍)。

(4)2001年IBM公司阿曼頓實(shí)驗(yàn)室利用核磁共振技術(shù)建構(gòu)出7位量子比特計(jì)算機(jī)，其實(shí)現(xiàn)思想是用離子兩個(gè)自轉(zhuǎn)狀態(tài)作為一個(gè)量子比特，用微波脈沖作為地址。但此法還不能存儲(chǔ)15位以上的量子單元。

(5)2003年5月《Nature》雜志發(fā)表了克服量子相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)克服退相干，實(shí)現(xiàn)量子加密、糾錯(cuò)和傳輸在理論上起到指導(dǎo)作用，從此量子通信振奮人心。

(6)2004年9月，NTT物性科學(xué)研究所試制出新一代存儲(chǔ)量子比特的新載體――“超導(dǎo)磁束量子位”。它可通過(guò)微波照射大幅度提高對(duì)量子比特自由度的控制，其量子態(tài)也相對(duì)容易保持。

第3篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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第4篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

關(guān)鍵詞：共振隧穿；能級(jí)耦合；傳輸矩陣；量子阱；中間勢(shì)壘

一、引言

經(jīng)典力學(xué)的理論認(rèn)為，當(dāng)粒子的動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，粒子不可能從勢(shì)壘的一邊翻越勢(shì)壘到達(dá)另一邊，它會(huì)被反射回來(lái)。不過(guò)在量子力學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)一般情況下，盡管粒子的動(dòng)能并不足以讓它從勢(shì)壘頂部翻越勢(shì)壘，但它們?nèi)匀挥锌赡艽┰絼?shì)壘到達(dá)勢(shì)壘的另一邊。我們把這種粒子穿越比自己動(dòng)能更高的勢(shì)壘的現(xiàn)象稱為“隧穿效應(yīng)”。

電子的隧穿效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中有很重要的價(jià)值，它是研究半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。計(jì)算隧穿電流，研究隧穿器件的伏安特性等問(wèn)題的關(guān)鍵就在于如何計(jì)算電子穿越勢(shì)壘的透射系數(shù)。計(jì)算透射系數(shù)的理論重點(diǎn)就在于如何求解一維定態(tài)薛定諤方程。事實(shí)上，適用解析方法精確求解的一維定態(tài)薛定諤方程非常有限，相比而言用傳遞矩陣求解具有適用范圍廣，使用簡(jiǎn)單，能夠快速精確地得到數(shù)值解等特點(diǎn)。

本文利用傳輸矩陣技術(shù)，對(duì)電子共振隧穿雙量子阱的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且分析了中間勢(shì)壘的厚度對(duì)于能級(jí)耦合引起的透射強(qiáng)度和透射能級(jí)的影響。

二、模擬及結(jié)果討論

由傳輸矩陣的基本理論有如下定義，其中 為透射幾率， 為透射振幅， 為入射振幅。

我們保持兩邊勢(shì)壘厚度為2nm,勢(shì)壘高度為0.2625eV，中心勢(shì)壘寬度為6nm,勢(shì)壘高度為0.225eV，其中第一個(gè)勢(shì)阱的寬度為1.5nm，第二個(gè)勢(shì)阱寬度分別為1nm,1.25nm,1.5nm和2nm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬，得到圖1所示的透射譜結(jié)果。

由圖1可以看出，其中一個(gè)阱的峰位沒(méi)有變化，另外一個(gè)阱的峰位變化分別為0.239eV,0.221eV,0.200eV和0.171eV。隨著量子阱的阱寬變化，兩個(gè)阱的能級(jí)也會(huì)變化。當(dāng)量子阱的阱寬為1.5nm時(shí)，兩個(gè)阱的能級(jí)很接近，共振隧穿現(xiàn)象得到增強(qiáng)。當(dāng)兩個(gè)量子阱的阱寬完全相同時(shí)，共振達(dá)到最大。而當(dāng)量子阱的阱寬繼續(xù)增大時(shí)，耦合減弱。中間勢(shì)壘的寬度變化對(duì)透射幾率有著類似的影響。

可以改變中間勢(shì)壘的厚度來(lái)研究勢(shì)壘層所起的作用。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中間勢(shì)壘寬度小于3nm時(shí)，隨著勢(shì)壘厚度的減小，能級(jí)趨近于一個(gè)量子阱寬度為3nm的能級(jí)。此時(shí)中間勢(shì)壘對(duì)大量子阱的能級(jí)產(chǎn)生微擾。并不能把一個(gè)量子阱一分為二。否則，它們之間的耦合將會(huì)很強(qiáng)，應(yīng)該接近1.5nm量子阱的能級(jí)。當(dāng)中間勢(shì)壘層大于4nm時(shí)，系統(tǒng)的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能級(jí)比較接近，它們之間的耦合也比較強(qiáng)。當(dāng)中間勢(shì)壘層達(dá)到5nm時(shí)，模擬結(jié)果顯示兩個(gè)小量子阱的阱寬相同時(shí)，透射峰的半高寬度比較大，這顯示了在基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)之間也存在耦合現(xiàn)象。否則，如果僅在兩個(gè)小阱的基態(tài)能級(jí)之間存在耦合，那么透射峰的半高寬度應(yīng)該很窄。

可見，在三勢(shì)壘系統(tǒng)中，其透射特性受到比較復(fù)雜的能級(jí)之間耦合的影響。這其中包括兩個(gè)量子阱之間最臨近的能級(jí)之間的耦合，量子阱基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)之間的耦合等等。

可以在阱中引入勢(shì)壘來(lái)調(diào)制隧穿結(jié)構(gòu)的特性，改變勢(shì)壘在阱中的位置和高度來(lái)研究其對(duì)透射幾率的影響。這對(duì)于設(shè)計(jì)隧穿半導(dǎo)體器件具有一定的意義。在理論模擬中，控制量子阱的寬度為8nm，其勢(shì)壘高度為Al含量0.4的AlGaAs,量子阱采用GaAs材料。

下面我們研究Al含量0.2的AlGaAs的量子阱的透射特性，通過(guò)數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，將勢(shì)壘加在勢(shì)阱中心后，第一共振能級(jí)與第二共振能級(jí)的耦合程度發(fā)生改變，它們的間距縮小，透射幾率幾乎達(dá)到100％。而與中心插入相比，非對(duì)稱插入后能級(jí)間距有一定程度得增大，但透射幾率顯著減小。造成這種情況的原因是，非對(duì)稱對(duì)波函數(shù)的耦合產(chǎn)生影響，導(dǎo)致透射幾率減小。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，中心插入勢(shì)壘的寬度對(duì)系統(tǒng)的透射幾率強(qiáng)度并無(wú)影響，電子在共振能級(jí)能夠全部透過(guò)。這是因?yàn)樵趧?shì)阱中心插入勢(shì)壘后，會(huì)形成兩個(gè)能級(jí)一致的量子阱，形成共振隧穿。而不對(duì)稱插入時(shí)，如果兩個(gè)量子阱之間的能級(jí)差別不大就會(huì)形成不完全隧穿。插入勢(shì)壘的高度低于勢(shì)壘層的高度，兩個(gè)分開的量子阱限制性減弱，共振能級(jí)總是偏移向低能方向。在非對(duì)稱情況下，形成的窄量子阱的能級(jí)向高能方向漂移，形成的寬量子阱的能級(jí)則向低能方向漂移。這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，當(dāng)其他條件相同時(shí)，中心勢(shì)壘的寬度增加導(dǎo)致對(duì)共振能級(jí)發(fā)生改變，顯然，這是由于中心勢(shì)壘的厚度對(duì)系統(tǒng)能級(jí)產(chǎn)生影響。

我們有必要進(jìn)一步理解隧穿結(jié)構(gòu)中的載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這就需要對(duì)載流子隧穿中心勢(shì)壘的時(shí)間進(jìn)行分析。根據(jù)Choe的理論，如果兩個(gè)量子阱的能級(jí)不同，那么當(dāng)粒子透射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生雙峰結(jié)構(gòu)，而由于能量測(cè)不準(zhǔn)原理，就可以得到粒子穿越中心勢(shì)壘的時(shí)間。其表達(dá)式如下：

根據(jù)此原理，我們模擬了如下結(jié)構(gòu)：總的量子阱厚度為10nm，兩端勢(shì)壘層厚度為2nm，中心勢(shì)壘層有1nm變化至3.5nm，所有勢(shì)壘層中的Al含量都是0.4，然后研究粒子從第一個(gè)量子阱隧穿到第二個(gè)量子阱所需的時(shí)間。

根據(jù)我們得到的透射譜結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著中心勢(shì)壘的增加，能級(jí)之間的距離越來(lái)越接近。

如果從中提取出基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能級(jí)，隨著中心勢(shì)壘寬度的增加，基態(tài)的能級(jí)逐漸增加。而第一激發(fā)態(tài)的能級(jí)則相反，隨著中心勢(shì)壘寬度的增加，其能級(jí)逐漸減小。這和我們前面得出的結(jié)論是吻合的，隨著中心勢(shì)壘寬度的增加，基態(tài)能級(jí)和第一激發(fā)態(tài)能級(jí)將相互靠近，因此，它們之間的耦合程度也逐漸增大。

三、 總結(jié)

經(jīng)過(guò)以上分析和研究，我們得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)中心勢(shì)壘層小于等于3nm時(shí)，中心勢(shì)壘層只能對(duì)系統(tǒng)能級(jí)產(chǎn)生微擾。而不能把一個(gè)量子阱分為兩個(gè)量子阱。

（2）當(dāng)中心勢(shì)壘層大于3nm時(shí)，中心勢(shì)壘層會(huì)把一個(gè)量子阱分為兩個(gè)獨(dú)立的量子阱，但是這兩個(gè)獨(dú)立量子阱之間仍然存在波函數(shù)的耦合，同時(shí)，在我們研究的系統(tǒng)中還可以看到，耦合不僅存在于兩個(gè)量子阱之間，還存在于基態(tài)波函數(shù)和激發(fā)態(tài)波函數(shù)之間。

作者單位：河北省邯鄲市廣播電視大學(xué)

參考文獻(xiàn)

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

第5篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；發(fā)展史；前景展望

1 前言

計(jì)算機(jī)由機(jī)械技術(shù)向電子技術(shù)以及生物技術(shù)、智能技術(shù)的轉(zhuǎn)變，為我們的生活帶來(lái)了巨大的變化。計(jì)算機(jī)已經(jīng)擁有了60年的發(fā)展歷程，共經(jīng)歷了5個(gè)重要的發(fā)展階段，將在不久的未來(lái)經(jīng)歷第六個(gè)發(fā)展階段。

2 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史

（1）電子管計(jì)算機(jī)（1946-1958年）

用陰極射線管或汞延尺線作主存儲(chǔ)器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設(shè)計(jì)主要使用機(jī)器指令或符號(hào)指令，應(yīng)用鄰域主要是科學(xué)計(jì)算。

（2）晶體管計(jì)算機(jī)（1958-1964年）

主存儲(chǔ)器均采用磁蕊存儲(chǔ)器，磁鼓和磁盤開始用作主要的外存儲(chǔ)器，程序設(shè)計(jì)使用了更接近于人類自然語(yǔ)言的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)展到了事務(wù)處理，工程設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。

（3）小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1964-1971年)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器逐步取代了磁芯存儲(chǔ)器的主存儲(chǔ)地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)也進(jìn)入了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的發(fā)展時(shí)期，使計(jì)算機(jī)使用效率明顯提高。

（4）大規(guī)模集成電路（1972年-至今）

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路應(yīng)用的一個(gè)直接結(jié)果是微處理器和微型計(jì)算機(jī)的誕生。微處理器自1971年誕生以來(lái)幾乎每隔二至三年就要更新?lián)Q代，以高檔微處理器為核心構(gòu)成的高檔微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已達(dá)到和超過(guò)了傳統(tǒng)超極小型計(jì)算機(jī)水平，其運(yùn)算速度可以達(dá)到每秒數(shù)億次。由于微型計(jì)算機(jī)體積小、功耗低、其性能價(jià)格比占有很大優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

（5）人工智能計(jì)算機(jī)——神經(jīng)計(jì)算機(jī)。

其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)分布式聯(lián)想記憶．并能在一定程度上模擬人和動(dòng)物的學(xué)習(xí)功能。它是一種有知識(shí)、會(huì)學(xué)習(xí)、能推理的計(jì)算機(jī)，具有能理解自然語(yǔ)言、聲音、文字和圖像的能力，并且具有說(shuō)話的能力，使人機(jī)能夠用自然語(yǔ)言直接對(duì)話，它可以利用已有的和不斷學(xué)習(xí)到的知識(shí)，進(jìn)行思維、聯(lián)想、推理，并得出結(jié)論，能解決復(fù)雜問(wèn)題，具有匯集、記憶、檢索有關(guān)知識(shí)的能力。

3 計(jì)算機(jī)發(fā)展前景展望

計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。計(jì)算發(fā)展如此之快，計(jì)算機(jī)界據(jù)此總結(jié)出了“ 摩爾法則”，該法則認(rèn)為每 18個(gè)月左右計(jì)算機(jī)性能就會(huì)提高一倍。因此，在未來(lái)，第六代計(jì)算機(jī)發(fā)展方向如下：

（1）分子計(jì)算機(jī)

分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過(guò)程。轉(zhuǎn)換開關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來(lái)。生物分子組成的計(jì)算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無(wú)法替代的作用。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高， 分子計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10 微微秒，比人的思維速度快 100 萬(wàn)倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ) 1 萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。

（2）光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過(guò)電子“0”和“1” 狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算, 可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

（3）量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此, 一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的 PentiumⅢ晶片快10億倍。

（4）納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍, 質(zhì)地堅(jiān)固,有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性, 能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)?！凹{米”是一個(gè)計(jì)量單位, 一個(gè)納米等于10-9米, 大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源， 而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。

（5）生物計(jì)算機(jī)[1]

20世紀(jì)80年代以來(lái)，生物工程學(xué)家對(duì)人腦、神經(jīng)元和感受器的研究?jī)A注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高教的第六代計(jì)算機(jī)——生物計(jì)算機(jī)。用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，存儲(chǔ)量可以達(dá)到普通電腦的10億倍。生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬(wàn)倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬(wàn)倍。

第6篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無(wú)疑將從更高的理論起點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對(duì)材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來(lái)取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級(jí)問(wèn)題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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第7篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

1.1計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在生活中應(yīng)用廣泛

在這個(gè)信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為人們社會(huì)生活的重要部分，已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶。人們不用出門就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)了解國(guó)內(nèi)外新聞、天氣預(yù)報(bào)資訊、股市行情、世界地圖、收發(fā)電子郵件、檢索信息等；不用逛街就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)中的購(gòu)物網(wǎng)站買到喜歡的東西；通過(guò)計(jì)算機(jī)可以與相隔較遠(yuǎn)的朋友在線聊天、視頻聊天等，加強(qiáng)人們之間的交流和溝通，促進(jìn)友誼；人們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)訂購(gòu)飛機(jī)票、火車票等，節(jié)省排隊(duì)時(shí)間；教師可以通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的在線授課，更及時(shí)、更方便；動(dòng)漫工作者可以使用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)制作動(dòng)漫；政府機(jī)關(guān)也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)建立城市網(wǎng)站，及時(shí)了解市民反映的問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)與各個(gè)行業(yè)的工作人員在線交流；很多企業(yè)使用計(jì)算機(jī)來(lái)處理大量數(shù)據(jù)和信息，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工處理，提高工作效率。計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)潛移默化的影響著人們的生產(chǎn)、工作和學(xué)習(xí)。

1.2計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)更加智能化和專業(yè)化

計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了集成電路、微電子和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)展，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)更加智能化和專業(yè)化。計(jì)算機(jī)能根據(jù)使用對(duì)象的不同個(gè)體需要進(jìn)行改裝、更新，對(duì)于有更高需求的用戶可以專門定做計(jì)算機(jī)，用戶可以根據(jù)使用環(huán)境的不同選擇臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、掌上電腦和平板電腦等。計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在其他特殊領(lǐng)域也能發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，如智能化家用電器和智能手機(jī)，家庭式網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的單機(jī)操作系統(tǒng)，滿足人們的生活需求。

1.3計(jì)算機(jī)的微處理器和納米技術(shù)

微處理器能提高計(jì)算機(jī)的使用性能，縮小傳統(tǒng)處理器芯片中的晶體管線寬和尺寸。利用光刻技術(shù)，波長(zhǎng)更短的曝光光源經(jīng)過(guò)掩膜的曝光，將晶體管在硅片上制作的更精巧，將晶體管導(dǎo)線制作的更細(xì)小。計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度更快，體積更微型，操作更智能，傳統(tǒng)的電子元件不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展。納米技術(shù)是一種用分子射程物質(zhì)和單個(gè)原子的毫微技術(shù)，可以研究0.1～100納米范圍內(nèi)的材料應(yīng)用和性質(zhì)。計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)中利用納米技術(shù)，可以使計(jì)算機(jī)尺寸變小，解決運(yùn)算速度和集成度的問(wèn)題。

2計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

現(xiàn)如今，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，人們對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的要求越來(lái)越高，促使數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)學(xué)家們不斷研究計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)發(fā)揮更大的作用，滿足人們的不同需求。下面從DNA生物計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)三方面來(lái)探究計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展前景。

2.1DNA生物計(jì)算機(jī)DNA生物計(jì)算機(jī)用生物蛋白質(zhì)芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體硅芯片。1994年，美國(guó)科學(xué)家阿德勒曼率先提出關(guān)于生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想。在計(jì)算機(jī)運(yùn)算數(shù)據(jù)時(shí)，將生物DNA堿基序列作為信息編碼載體，運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)和控制酶，改變DNA堿基序列，從而反映信息，處理數(shù)據(jù)。這一設(shè)想增加了計(jì)算機(jī)操作方式，改變了傳統(tǒng)的、單一的物理操作性質(zhì)，拓寬了人們對(duì)計(jì)算機(jī)的了解視野。DNA生物計(jì)算機(jī)元件密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬(wàn)倍，信息數(shù)據(jù)的傳遞速度也比人腦思維快100萬(wàn)倍，生物計(jì)算機(jī)的蛋白質(zhì)芯片存儲(chǔ)量是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的10億倍。2001年，以色列科學(xué)家研制出世界上第一臺(tái)DNA生物計(jì)算機(jī)，體積較小，僅有一滴水的體積。2013年，英國(guó)生物信息研究院的科學(xué)家們使用DNA堿基序列對(duì)文學(xué)家莎士比亞154首作品的音樂(lè)文件格式和相關(guān)照片進(jìn)行編制，增加了儲(chǔ)存密度，使儲(chǔ)存密度達(dá)到2.2PB/克（1024TB=1PB），提高了人們對(duì)信息儲(chǔ)存的認(rèn)識(shí)，這一重大突破使生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想有望成為現(xiàn)實(shí)。

2.2光信號(hào)和光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是一種由光子信號(hào)進(jìn)行信息處理、信息存儲(chǔ)、邏輯操作和數(shù)字運(yùn)算的新型計(jì)算機(jī)。集成光路是光子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成部件，包括核鏡、透鏡和激光器。光子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比較，有以下幾點(diǎn)好處：

(1)光計(jì)算機(jī)的光子互聯(lián)芯片集成密度更高。在高密度下，光子可以不受量子效應(yīng)的影響，在自由空間將光子互聯(lián)，就能提高芯片的集成密度。

(2)光子沒(méi)有質(zhì)量，不受介質(zhì)干擾，可以在各種介質(zhì)和真空中傳播。

(3)光自身不帶電荷，是一種電磁波，可以在自由空間中相互交叉?zhèn)鞑ィ瑐鞑r(shí)各自不發(fā)生干擾。

(4)光子在導(dǎo)線中的傳播速度更快，是電子傳播速度的1000倍，光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快。20世紀(jì)50年代末，科學(xué)家提出光計(jì)算機(jī)的設(shè)想，即利用光速完成計(jì)算機(jī)運(yùn)算和儲(chǔ)存等工作。與芯片計(jì)算機(jī)相比較，光子計(jì)算機(jī)可以提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。1896年，戴維•米勒首先研制出光開關(guān)，體型較小。1990年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的光計(jì)算機(jī)工作計(jì)劃正式開啟。根據(jù)元器件的不同，光子計(jì)算機(jī)可以分為全光學(xué)型計(jì)算機(jī)和光電混合型計(jì)算機(jī)。全光學(xué)型計(jì)算機(jī)比光電混合型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快，還可以對(duì)手勢(shì)、圖形、語(yǔ)言等進(jìn)行合成和識(shí)別。貝爾實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功研制出光電混合型計(jì)算機(jī)，采用的是混合型元器件。研發(fā)制作全光學(xué)型計(jì)算機(jī)的重要工作就是研制晶體管，這種晶體管與現(xiàn)存的光學(xué)“晶體管”不同，它能用一條光線控制另一條光線。現(xiàn)存的光學(xué)“晶體管”體積較大較笨拙，滿足不了全光學(xué)型計(jì)算機(jī)的研發(fā)要求。

2.3量子理論計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)將處于量子狀態(tài)的原子作為計(jì)算機(jī)CPU和內(nèi)存，處于量子狀態(tài)的原子在同一時(shí)間內(nèi)能處于不同位置，根據(jù)這一特性可以提高計(jì)算機(jī)處理信息的精確度，提高處理數(shù)據(jù)的運(yùn)算速度，有利于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。量子計(jì)算機(jī)處理信息時(shí)的基本數(shù)據(jù)單元是量子比特，取代了傳統(tǒng)的“1”和“0”，具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力，運(yùn)算速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快10億倍。中國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里成功實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè)量子比特進(jìn)行操作，為制造量子計(jì)算機(jī)提供了可能。相信在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和世界各國(guó)的科學(xué)家們共同努力下，量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

3結(jié)束語(yǔ)

第8篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

 

引言：

 

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。這一新型通信技術(shù)是伴隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和物理學(xué)領(lǐng)域的不斷研究而發(fā)展起來(lái)的，是近二十年發(fā)展起來(lái)的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。近年來(lái)這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，以其特有的高效性和安全性等特點(diǎn)而被軍事等領(lǐng)域廣泛研究應(yīng)用，并向?qū)嵱没l(fā)展。同時(shí)，隨著社會(huì)科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，普通民眾對(duì)信息傳輸?shù)囊笠踩找嫣岣?，?duì)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性要求也不斷提高，因此也急需這一技術(shù)來(lái)作為對(duì)現(xiàn)有通信手段的補(bǔ)充和優(yōu)化，以不斷提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。這種無(wú)論是來(lái)自軍事等特殊領(lǐng)域還是來(lái)自普通民眾等普通領(lǐng)域?qū)π畔鬏數(shù)母咭蠖即偈怪孔油ㄐ偶夹g(shù)不斷研究與發(fā)展，以滿足人們不斷嚴(yán)苛的通信需求。

 

一、量子通信的發(fā)展概述

 

量子通信技術(shù)是在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。量子力學(xué)誕生于1926年，是人類對(duì)微觀世界加以認(rèn)識(shí)的理論基礎(chǔ)之一。量子力學(xué)和相對(duì)論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰?貝爾于1964年提出貝爾理論，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應(yīng)的存在。在這一基礎(chǔ)上，美國(guó)科學(xué)家貝內(nèi)特于1993年首次提出了量子通信的概念。這一概念的提出，使愛因斯坦的量子糾纏效益開始真正發(fā)揮其威力。

 

自量子通信概念提出以后，6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案，這是量子通信最初的基本方案。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。

 

1997年在奧地利留學(xué)的中國(guó)青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。此后經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，量子通信這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展，主要涉及的領(lǐng)域包括：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。

 

二、量子通信技術(shù)簡(jiǎn)介

 

量子通信即指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子是不可分的最小能量單位，“光量子”即為光的最小能量單位。量子通信的理論基礎(chǔ)是量子糾纏。在量子世界中，存在著一種“糾纏”效應(yīng)，所謂量子糾纏指的是兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間存在非定域、非經(jīng)典的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。這種“糾纏”效應(yīng)能夠在兩個(gè)完全相同的某量子態(tài)粒子之間建立某種聯(lián)系，當(dāng)其中一個(gè)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)也會(huì)發(fā)生相同的變化，而且這種變化與時(shí)間和空間無(wú)關(guān)。另外由于對(duì)粒子的任何測(cè)量都會(huì)導(dǎo)致其量子態(tài)的變化，所以同時(shí)這種變化時(shí)不可能被第三者所知獲的。利用量子的糾纏效應(yīng)，我們可以進(jìn)行絕密和瞬時(shí)的通信。因此具有極大的研究?jī)r(jià)值。

 

量子密碼通信原理是基于“海森堡測(cè)不準(zhǔn)”原理的發(fā)展的。在量子物理學(xué)中“海森堡測(cè)不準(zhǔn)”原理表明，如果人們開始準(zhǔn)確了解到基本粒子動(dòng)量的變化，那么也就開始喪失對(duì)該粒子位置變化的認(rèn)識(shí)。所以如果使用光去觀察基本粒子，照亮粒子的光的行為都會(huì)使之改變路線，從而無(wú)法發(fā)現(xiàn)該粒子的實(shí)際位置。因此對(duì)傳輸光子線路的竊聽會(huì)破壞原通訊路線之間的相互聯(lián)系，通訊會(huì)被終端。另外還有“單量子不可復(fù)制”定理，這是上述原理的推論，是指在不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個(gè)量子是不可能的，因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子必須先做測(cè)量，而測(cè)量必然會(huì)改變量子狀態(tài)。根據(jù)這兩個(gè)原理，即使量子密碼不幸被獲取，也會(huì)因測(cè)量過(guò)程中對(duì)量子狀態(tài)的改變而得到一些幾乎無(wú)意義的信息。

 

量子遠(yuǎn)程傳態(tài)是經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送未知量子態(tài)。通俗來(lái)講就是將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。因量子力學(xué)的不確定原理和量子態(tài)不可克隆原理，限制人們將原量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來(lái)，因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典通道和量子通道送到乙地，根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。但這一過(guò)程并不傳輸任何的能量或物質(zhì)，只是傳輸一種量子態(tài)。

 

量子密集編碼是用量子通道傳送經(jīng)典比特，即使用量子糾纏現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)只傳送一個(gè)量子比特，而傳送兩個(gè)比特的經(jīng)典信息。具體方法是信息的傳送者(Alice)和接受者(Bob)各擁有處于最大糾纏態(tài)中的一個(gè)粒子，Alice可以對(duì)她手中的粒子施加四種可能的幺正變換以編碼兩個(gè)比特的經(jīng)典信息，由于兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)，對(duì)一個(gè)粒子的任何操作都會(huì)對(duì)另一個(gè)粒子產(chǎn)生影響，引起另一個(gè)粒子的態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化。Alice對(duì)它的糾纏粒子施加幺正變換后，兩系統(tǒng)處于四個(gè)Bell基態(tài)之一，為了使Bob能讀出Alice編碼的信息，Alice必須再把她的粒子傳送給Bob，Bob再對(duì)兩個(gè)粒子實(shí)施聯(lián)合Bell 基測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可使Bob提出2比特的經(jīng)典信息，在這過(guò)程中，Alice僅傳送給Bob一個(gè)粒子，但卻能成功的傳送2比特的經(jīng)典信息，這就是所謂的“密集編碼”。

 

三、量子通信技術(shù)的發(fā)展前景

 

量子通信技術(shù)依托于發(fā)達(dá)的現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)的量子技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比較，量子通信具有抗干擾力強(qiáng)、保密性高、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，它的發(fā)展應(yīng)用前景很廣闊。一方面，在國(guó)家政府和軍事領(lǐng)域，由于其保密性極高，幾乎不可能被敵方破譯，且這種量子通信技術(shù)能夠抵御未來(lái)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來(lái)的威脅，因此會(huì)被不斷研究和應(yīng)用。另一方面，在民用通信技術(shù)領(lǐng)域，早在2009年9月，中國(guó)科技大學(xué)組建了世界上首個(gè)5節(jié)點(diǎn)的全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子保密通信?！俺怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)”使得城市范圍的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。因此，量子通信在未來(lái)的民用領(lǐng)域也將被廣泛研究應(yīng)用。

 

結(jié)語(yǔ)

 

量子通信是通信技術(shù)的又一次劃時(shí)代革命，與目前采用的傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信在保密性、通信容量、通信時(shí)效等方面都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)通信發(fā)展的主要方向。雖然量子通信有著廣闊的應(yīng)用前景，但在單元技術(shù)和理論方面還有許多需要解決的問(wèn)題。在信息產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要組成部分的今天，需要在量子通信這一領(lǐng)域繼續(xù)加大投入和研究力度，為進(jìn)入量子通信時(shí)代打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，不斷服務(wù)于現(xiàn)代人類的發(fā)展需求。

第9篇：量子計(jì)算的特點(diǎn)范文

關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進(jìn)一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來(lái)替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來(lái)提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國(guó)莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。

（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。

2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極?。ā?.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來(lái)光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無(wú)線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過(guò)渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。

2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料

基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。

目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的MBE小組，2001年通過(guò)在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過(guò)5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見國(guó)外報(bào)道。

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半導(dǎo)體材料研究的新進(jìn)展

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。

王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)?。其他SiC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過(guò)1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)題。

寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。

4量子比特構(gòu)建與材料

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來(lái)越?。╪m尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。

這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無(wú)雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無(wú)序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過(guò)程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位

至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國(guó)應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。

5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬(wàn)平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。

寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開發(fā)工作。

（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想?；诘途S半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地。可以預(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。