谈谈量子理论应用
1年前 (2024-04-21)
谈谈量子理论应用深研院 转载~~大型对撞机实验已经把组成原子核的量子细分到了夸客这样的物质粒子。
量子理论在实践中获得的成就也是令人吃惊的。
尤其在凝聚态物质——固态和液态的科学研究中更为明显。
用量子理论来解释原子如何键成分子，以此来理解物质的这些状态是再基本不过的。
键不仅是形成石墨和氮气等一般化物的主要原因，而且也是形成许多金属和宝石的对称性晶体结构的主要原因。
用量子理论来研究这些晶体，可以解释很多现象，例如为什么银是电和热的良导体却不透光，金刚石不是电和热的良导体却透光？而实际中更为重要的是量子理论很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的原理，为晶体管的出现奠定了基础。
1948年，美国科学家约翰·巴丁、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿根据量子理论发明了晶体管。
它用很小的电流和功率就能有效地工作，而且可以将尺寸做得很小，从而迅速取代了笨重、昂贵的真空管，开创了全新的信息时代，这三位科学家也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
另外，量子理论在宏观上还应用于激光器的发明以及对超导电性的解释。
而且量子论在工业领域的应用前景也十分美好。
科学家认为，量子力学理论将对电子工业产生重大影响，是物理学一个尚未开发而又具有广阔前景的新领域。
时下半导体的微型化已接近极限，如果再小下去，微电子技术的理论就会显得无能为力，必须依靠量子结构理论。
科学家们预言，利用量子力学理论，到2010年左右，人们能够使蚀刻在半导体上的线条的宽度小到十分之一微米（一微米等于千分之一毫米）以下。
在这样窄小的电路中穿行的电信号将只是少数几个电子，增加一个或减少一个电子都会造成很大的差异。
美国威斯康星大学材料科学家马克斯·拉加利等人根据量子力学理论已制造了一些可容纳单个电子的被称为“量子点”的微小结构。
这种量子点非常微小，一个针尖上可容纳几十亿个。
研究人员用量子点制造可由单个电子的运动来控制开和关状态的晶体管。
他们还通过对量子点进行巧妙的排列，使这种排列有可能用作微小而功率强大的计算机的心脏。
此外，美国得克萨斯仪器公司、商用机器公司、惠普公司和摩托罗拉公司等都对这种由一个个分子组成的微小结构感兴趣，支持对这一领域的研究，并认为这一领域所取得的进展“必定会获得极大的回报”。
科学家对量子结构的研究的主要目标是要控制非常小的电子群的运动即通过“量子约束”以使其不与量子效应冲突。
量子点就有可能实现这个目标。
量子点由直径小于20纳米的一团团物质构成，或者约相当于60个硅原子排成一串的长度。
2018年9月华为已经在高通后实现了自主芯片7纳米技术。
利用这种量子约束的方法，人们有可能制造用于很多像光盘播放机中的小而高效的激光器。
这种量子阱激光器由两层其他材料夹着一层超薄的半导体材料制成。
处在中间的电子被圈在一个量子平原上，电子只能在两维空间中移动。
这样向电子注入能量就变得容易些，结果就是用较少的能量就能使电子产生较多的激光。
美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员正在对量子进行更深入的研究。
他们设法把量子平原减少一维，制造以量子线为基础的激光器，这种激光器可以大大减少通信线路上所需要的中继器。
美国南卡罗来纳大学詹姆斯·图尔斯的化学实验室用单个分子已制成量子结构。
采用他们的方法可使人们将数以十亿计分子大小的装置挤在一平方毫米的面积上。
一平方毫米可容纳的晶体管数可能是时下的个人计算机晶体管数的1万倍。
纽约州立大学的物理学家康斯坦丁·利哈廖夫已用量子存储点制成了一个存储芯片模型。
从理论上讲，他的设计可把1万亿比特的数据存储在大约与现今使用的芯片大小相当的芯片上，而容量是时下芯片储量的1·5万倍。
有很多研究小组已制出了利哈廖夫模型装置所必需的单电子晶体管，有的还制成了在室温条件下工作的单电子晶体管。
科学家们认为，电子工业在应用量子力学理论方面还有很多问题有待解决。
因此大多数科学家正在努力研究全新的方法，而不是仿照时下的计算机设计量子装置。
量子理论在实践中获得的成就也是令人吃惊的。
尤其在凝聚态物质——固态和液态的科学研究中更为明显。
用量子理论来解释原子如何键成分子，以此来理解物质的这些状态是再基本不过的。
键不仅是形成石墨和氮气等一般化物的主要原因，而且也是形成许多金属和宝石的对称性晶体结构的主要原因。
用量子理论来研究这些晶体，可以解释很多现象，例如为什么银是电和热的良导体却不透光，金刚石不是电和热的良导体却透光？而实际中更为重要的是量子理论很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的原理，为晶体管的出现奠定了基础。
1948年，美国科学家约翰·巴丁、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿根据量子理论发明了晶体管。
它用很小的电流和功率就能有效地工作，而且可以将尺寸做得很小，从而迅速取代了笨重、昂贵的真空管，开创了全新的信息时代，这三位科学家也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
另外，量子理论在宏观上还应用于激光器的发明以及对超导电性的解释。
而且量子论在工业领域的应用前景也十分美好。
科学家认为，量子力学理论将对电子工业产生重大影响，是物理学一个尚未开发而又具有广阔前景的新领域。
时下半导体的微型化已接近极限，如果再小下去，微电子技术的理论就会显得无能为力，必须依靠量子结构理论。
科学家们预言，利用量子力学理论，到2010年左右，人们能够使蚀刻在半导体上的线条的宽度小到十分之一微米（一微米等于千分之一毫米）以下。
在这样窄小的电路中穿行的电信号将只是少数几个电子，增加一个或减少一个电子都会造成很大的差异。
美国威斯康星大学材料科学家马克斯·拉加利等人根据量子力学理论已制造了一些可容纳单个电子的被称为“量子点”的微小结构。
这种量子点非常微小，一个针尖上可容纳几十亿个。
研究人员用量子点制造可由单个电子的运动来控制开和关状态的晶体管。
他们还通过对量子点进行巧妙的排列，使这种排列有可能用作微小而功率强大的计算机的心脏。
此外，美国得克萨斯仪器公司、商用机器公司、惠普公司和摩托罗拉公司等都对这种由一个个分子组成的微小结构感兴趣，支持对这一领域的研究，并认为这一领域所取得的进展“必定会获得极大的回报”。
科学家对量子结构的研究的主要目标是要控制非常小的电子群的运动即通过“量子约束”以使其不与量子效应冲突。
量子点就有可能实现这个目标。
量子点由直径小于20纳米的一团团物质构成，或者约相当于60个硅原子排成一串的长度。
2018年9月华为已经在高通后实现了自主芯片7纳米技术。
利用这种量子约束的方法，人们有可能制造用于很多像光盘播放机中的小而高效的激光器。
这种量子阱激光器由两层其他材料夹着一层超薄的半导体材料制成。
处在中间的电子被圈在一个量子平原上，电子只能在两维空间中移动。
这样向电子注入能量就变得容易些，结果就是用较少的能量就能使电子产生较多的激光。
美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员正在对量子进行更深入的研究。
他们设法把量子平原减少一维，制造以量子线为基础的激光器，这种激光器可以大大减少通信线路上所需要的中继器。
美国南卡罗来纳大学詹姆斯·图尔斯的化学实验室用单个分子已制成量子结构。
采用他们的方法可使人们将数以十亿计分子大小的装置挤在一平方毫米的面积上。
一平方毫米可容纳的晶体管数可能是时下的个人计算机晶体管数的1万倍。
纽约州立大学的物理学家康斯坦丁·利哈廖夫已用量子存储点制成了一个存储芯片模型。
从理论上讲，他的设计可把1万亿比特的数据存储在大约与现今使用的芯片大小相当的芯片上，而容量是时下芯片储量的1·5万倍。
有很多研究小组已制出了利哈廖夫模型装置所必需的单电子晶体管，有的还制成了在室温条件下工作的单电子晶体管。
科学家们认为，电子工业在应用量子力学理论方面还有很多问题有待解决。
因此大多数科学家正在努力研究全新的方法，而不是仿照时下的计算机设计量子装置。