| 借鉴/启示/前瞻/趋势 | 演讲全文 | 著名签名档 | 思考平台 | 全排行榜 | 求同存异 | 现象/性质/特征/效应 | 名言名句 | 打破惯例/改变认识/观念更新 |
您当前的位置:首页 > 启迪思维 > 借鉴/启示/前瞻/趋势

量子计算机设想或将实现

时间:2012-04-01 08:42:32  来源:  作者:

一台大型超级计算机如果进行运算,每天所耗费的电也许和一座小城市的总耗电量相当;但如果是在量子计算机上运算,不仅运算速度会上千倍地提高,耗电量也会减少到和一台普通台式机相当。世界各国制造量子计算机的设想,一直受制于未能发现自然界的神奇粒子——马约拉纳(Majorana)费米子。

  上海交通大学物理系的贾金峰、钱冬研究组不久前制备出特殊的人工薄膜,使人类第一次如此接近这一神奇的粒子。这一成果已经在15日的《科学》杂志在线发表,《科学》杂志审稿人称,这项工作是“材料科学的突破”和“巨大的实验成就”。

  神奇粒子藏身处很隐秘

  据钱冬教授介绍,日常生活中存在的粒子可以分成两大种类,费米子和玻色子,分别以物理学家费米和玻色的名字命名。

  物理学家认为,任何粒子都有它的双胞胎兄弟,也就是它的反粒子。但是,20世纪30年代,也就是1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳根据量子力学原理推断出,自然界中可能存在一类特殊的费米子,它是自己的反粒子,也就是说:自己是自己的双胞胎兄弟。人们给它起了个名字叫“马约拉纳费米子”。虽然这一推断在理论上没有任何缺陷,但就是找不到。

  近年来,理论物理学家提出了多个“马约拉纳费米子”可能“藏身”的材料体系,其中上海交大低维物理和界面工程实验室贾金锋、钱冬、刘灿华、高春雷四位教授联合攻关的拓扑绝缘体与超导体的界面,就是极有可能存在“马约拉纳费米子”的地方。上海交大已经制备出最适合探测和操纵“马约拉纳费米子”的人工薄膜系统,有望在年内实现探测“马约拉纳费米子”的突破。

  小薄膜成就物理学重大突破

  那么,究竟是什么薄膜有如此“神通”,能够帮助人们找到“马约拉纳费米子”?

  据介绍,这种特殊的薄膜,由拓扑绝缘体材料和超导材料复合而成。厚度只有一根头发丝的一万分之一。通过精确控制,将所需材料的原子一层层垒起来,最终达到产生“马约拉纳费米子”的必要要求。

  钱冬给记者举了一个例子——想象一下,我们面前放着一张桌子,桌面上有个贵重的台面。把拓扑绝缘体看作是台面,把超导材料看作是桌子,怎么使台面和桌子有机地合在一块,组合成一张更漂亮的桌子?目前,国际上已经有多个研究组能够生长出高质量拓扑绝缘体薄膜,但由于界面反应和晶格匹配等问题,拓扑绝缘体与超导体之间的高质量薄膜非常难以制备。

  上海交大低维物理和界面工程实验室通过无数次实验,在拓扑绝缘体与超导体之间插入一种超薄的过渡层,从而形成了一种特殊的人工薄膜,首次成功地实现了超导体和拓扑绝缘体的“珠联璧合”。他们发现超导的特性能够传递到拓扑绝缘体上,使拓扑绝缘体也具有了超导体的“本领”。小小薄膜成就了物理学领域的重大突破。

  人类或将进入拓扑量子计算时代

  我们现在使用的计算机还处于大规模集成电路时代,计算机的性能价格比遵循着著名的摩尔定律:芯片的集成度和性能每18个月提高一倍。但科学家已经发现,摩尔定律的发展正在接近极限。

  钱冬介绍,随着半导体加工工艺的进一步发展,人们预期在不远的将来,半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10纳米的尺度。在这么小的尺度下,依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力已不太可能。用量子力学效应实现全新的计算模式,现在成为世界各国都在探索的一个解决方式,这就是量子计算。

  但存储在量子状态中的信息容易受到外界的影响而出错甚至丢失,因此,一种特殊的量子计算机方案——拓扑量子计算是近年来发展的一种解决方案。钱冬告诉记者,拓扑量子计算机中存储信息的量子状态是作为一个整体存在的。“通常的量子计算机中,信息存储在特定的位置,一个萝卜一个坑,坑坏了,萝卜也就没了。而拓扑量子计算机中信息的存储是以一个整体存在的。就好比将一个萝卜分成很多份,放在很多坑里面。即使有几个坑坏了,系统还能够根据其他的萝卜块情况得出整个萝卜的信息。”

  问题是,如同一切电器的存在都依赖于电子这个费米子的存在,没有电子,就没有电器存在,拓扑量子计算也必须依赖“马约拉纳费米子”——只有这个反粒子即是自己本身的粒子,才可能使整个信息的存储成为一个整体。如果人类找到了“马约拉纳费米子”,就仿佛找到了一把通往拓扑量子计算时代的“钥匙”。

来源:《文汇报》 2012.3.29 第7版

 

来顶一下
返回首页
返回首页
发表评论 共有条评论
用户名: 密码:
验证码: 匿名发表
推荐资讯
相关文章
栏目更新
栏目热门