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量子世界的牵手穿越

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量子世界的牵手穿越

雪花又一年 2018-05-04 13:53:00 浏览285 评论0

摘要: 看 过电影《道士下山》的人一定对影片中神奇的“猿击术”武功惊叹不已,想必道士何安下将来肯定技艺超群到神乎其神。中国的道士真有那么牛么?翻一翻连环画 《劳山道士》,你会发现还有更加神奇的事情——某些道士居然有毫发无损穿墙而过的道行,简直太不可思议了!要知道,对于普通人来说,要从墙的这头到墙的那 头,别无他法。

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看 过电影《道士下山》的人一定对影片中神奇的“猿击术”武功惊叹不已,想必道士何安下将来肯定技艺超群到神乎其神。中国的道士真有那么牛么?翻一翻连环画 《劳山道士》,你会发现还有更加神奇的事情——某些道士居然有毫发无损穿墙而过的道行,简直太不可思议了!要知道,对于普通人来说,要从墙的这头到墙的那头,别无他法。且莫要沮丧,从物理学的角度来看,这个“穿墙而过”可以有,只不过并不发生在我们宏观世界,而是在原子尺度的微观世界 里。量子物理告诉我们,一个粒子如果想要去“山”的那一头,它根本不需要像经典物理描述的那样翻山越岭,而完全可以从山脚下打个隧道穿越过去,这个过程称 之为“量子隧穿”。

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为 什么微观粒子可以“穿墙而过”呢?量子的世界,对于经典世界的我们是十分陌生的。大体来说,量子世界里的微观粒子并不像我们在宏观世界看到的一个个小球一 样,它们除了具有“粒子性”之外,还具有“波动性”。对于微观世界的一个电子,它既可以像一个有体积有质量的粒子和别的微粒发生碰撞,又可以像一束波那样 向前传播能量甚至绕过障碍物。具有“波粒二象性”的粒子行踪捉摸不定,以至于我们只能用它某时在某地出现的概率来描述。也就是说,粒子在山的这头,还是那 头,完全是个概率事件。如果下一时刻,粒子跑到了山那边,就意味着它发生了“量子隧穿”。对于微观粒子而言,穿越虽并非幻想,但也不是随时随地都行的。即 使面对蹦跶一下就能够得着的“高山”,粒子穿越的概率也一般小于百分之一,如果这座“山”再宽十倍变成厚墙,这个概率立马会下降到十亿分之一甚至更小。如 果要让一大波不同粒子群体穿越,可能性基本上是零,这正是宏观的人类无法穿墙原因。好在微观世界电子数目多了去了,总是有那么一小撮不安分的家伙想跑到山 那头去看看风景,于是,被科学家抓到了。如果用原子尺度的针尖去接近材料表面,在无须触碰到表面原子的情况下,就可以通过隧穿过来的电流大小得知材料表面 电子密度的大小,就像伸手去“触摸”或“感知”原子一样。这种神器称之为“扫描隧道电子显微镜”,具有“看到”原子的火眼金睛,是现代科研常用的尖端仪器 之一。

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在 一般的材料里面,电子都是特立独行的,它们喜欢自个儿“偷渡”到另一物体里,而懒得理会同伴。但是,如果把两块超导材料放在一起,情况就大不同啦!超导体 在特定温度下电阻会消失为零,其奥秘就在于材料内部电子之间发生了奇妙的故事——某些能量相同但运动方向相反的电子会擦出爱情的火花而“两两配对”。这些 超导电子对又被称为“库伯对”,是以理论预言该现象的物理学家库伯命名的。

在 超导材料内部,会有大量的库伯电子对,这些幸福的对儿在受到干扰的时候会“互相鼓励”——如果某一个电子在运动过程能量受到损失,那么和它配对的那个电子 的能量就会增加。因此,库伯对作为整体在运动过程中没有能量损失,也就不会产生电阻,超导体宏观电阻为零。配成对儿的电子们,就像整个班里的同学都陷入早 恋一样,它们还将保持整体步调一致,大伙儿按照共同的节奏行进,物理学上称之为“相位相干”。

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那么,如果把两块超导体靠近,中间还隔着一层薄薄的绝缘体,会发生什么有趣的事情?假设A班的某男生想穿越去B班,那他肯定依依不舍他在A班的女朋友,因为B班那边一个人都不认识。好吧,那么干脆让该男生带着他女朋友一起转学去B班吧。等他们手牵手过去那边教室一看,咦?怎么B班 的成双成对的同学们在慢走啊?步调根本和他们自己不协调呢。于是,这对刚刚发现新大陆的同学就回去拉班里其他同学一块过来参观。两个步调不一致的班里同学 碰到一起,难免要有点磕磕碰碰,于是就发生了物理世界所谓的“干涉”。这种超导库伯对的集体隧穿,称之为超导隧道效应。利用该效应制备出的一种高大上的仪 器叫做“超导量子干涉仪”,这种干涉仪具有极高的灵敏度。由于干涉效应的存在,超导量子干涉仪里面电流会随着外磁场变化出现强度震荡。哪怕是穿过环间的一 根磁通线发生了变化,通过干涉仪的电流强度就会出现响应。

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超导量子隧道效应又被命名为“约瑟夫森效应”,是以其理论预言者英国物理学家约瑟夫森命名的。约瑟夫森发现超导电子对可以发生隧穿效应的时候,仅仅是一名22岁 的在读研究生。在偶然听学术大牛安德森的报告之后,有了初步的设想,并随后在安德森指导下理论推导出了超导隧道效应的结果。郁闷的是,安德森本人的导师皮 帕教授并不喜欢这个疯狂的想法,而当时超导界的顶级大牛巴丁教授同样极其抗拒约瑟夫森的研究结果,尽管巴丁本人因发明晶体管和建立常规超导理论而荣获两次 诺贝尔物理学奖,他还是接受不了超导电子对儿也能隧穿的新奇思想。约瑟夫森没有迷信或屈服权威,而是坚持发表了论文。不久之后,超导隧道效应的实验获得了 成功,“约瑟夫森效应”一词终于被人接受,约瑟夫森本人也于1973年获得诺贝尔物理学奖。关于微观世界电子们手牵手成对儿穿越的故事,传为佳话,从此开启了超导应用的新世界。

以超导约瑟夫森效应为原理制作的超导约瑟夫森隧道结是超导约瑟夫森器件的核心元件,它和基于PN结原理的传统半导体器件有着显著的不同,最特别的地方在于它本质上是一个非线性电感元件。前面提到的超导量子干涉仪,其核心元件就是一个中间有两个约瑟夫森结的超导环。近年来,超导约瑟夫森器件家族里冉冉升起了一颗耀眼的新星——超导量子比特。打开你的电脑机箱,就会发现主板上的核心部件——CPU,其原理就是基于半导体元器件——经典比特。

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信 息技术领域的摩尔定律告诉我们,计算机每秒的运行次数随着年代在持续增长,但是总有一天会遇到尽头——因为经典比特里的电路宽度不能无限小,而是会触碰到 量子极限。当集成电路单元越来越小的时候,量子效应的凸显会让所有经典的电路失效,最后电脑里只能越来越多个核,而不是一个核集成越来越多的电路,当然, 这个临时的法子也会在未来十年里走到绝境。怎么办呢?最好的办法并不是逃避量子效应,而是主动利用起量子效应。其中,超导量子比特就是替代经典半导体比特 的选择之一。

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量子的世界十分神奇,正如粒子隧穿是概率事件一样,两个量子放在一起,它们的状态并不是一是一、二是二,而是互相叠加甚至纠缠在一起,体现出更加复杂的量子态,结果就是1+1远大于2。一个量子比特能携带的信息是常规电子计算机里面经典比特的两倍,如果有N个量子比特和N个经典比特PK,那么量子比特群体将能携带2N次方倍的数据量。这是一个什么概念?仅仅需要32个量子比特就能存储4GB的 信息量!显然,量子比特完胜!利用超导材料制作成的超导量子比特,还具有形式多种多样、宏观尺寸大、良好的设计加工自由度,易于集成化规模化等独特优势。 这意味着,超导量子比特具有非常广阔的应用空间。更重要的是,由于处于超导态下电阻为零,超导量子器件时零能耗的,从此再也不用发愁CPU温度过高的问题了。

如果把超导量子比特组装成计算元件,就可以造出超导量子计算机。其计算性能也将是现在经典计算机的指数倍,比如说,普通计算机算一年的工作量,在超导量子计算机里也许只需要不到一秒的时间!做一部IMAX高清动画对于量子计算机来说也就是分分钟搞定的事儿,未来的美好简直不敢想象!

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不过先别兴奋太早,超导量子计算机技术还处在初步阶段,离真正的大规模商业推广还有一定的距离。目前的量子比特系统是十分脆弱的,任何调控和测量都会对其产 生干扰,而某些小的扰动则可能会导致计算错误,甚至一击回到原始社会——彻底摧毁量子系统。尽管如此,科学家们也一直在为人类的梦想而努力!从1969年提出量子计算机的概念,一直到2007年,世界首台量子计算机“Orion”诞生于加拿大D-Wave公司,这台计算机含有128个超导量子比特和2.4万个约瑟夫森结。随后2011他们推出了升级版本“D-Wave One”,具有128个量子位,运算速度提升了四倍,最新的产品已经达到了1000多个量子比特。不过也有不少科学家怀疑D-Wave不是严格意义上基于门操作的量子计算机,而是量子退火的模拟机。正是从怀疑和验证的出发点开始,IBM正联合谷歌和NASA研制下一代具有512个量子比特的超导量子计算机。量子计算机的研究在中国也正处于加速进程中,2015730日,“中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室”正式在上海成立。新一轮关于超超级计算机的竞赛,已经如火如荼进行中了。你,会想加入其中吗?(全文完)

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作者注】 此文为中国科协移动端科普融合创作项目“科普中国” 征文投稿原文。


原文发布时间为:2016-03-17
本文作者:罗恩·考恩
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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