包雷

摘 要：近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)科技水平的提升。技術(shù)是人類(lèi)為了滿足社會(huì)的需要，應(yīng)用科學(xué)知識(shí)，改造、保護(hù)和利用大自然，創(chuàng)造宜人生存的人工自然環(huán)境的方法、技能和工具、手段的總和，是人工自然物及創(chuàng)造過(guò)程的統(tǒng)一超導(dǎo)體作為一種新型的材料，是人們?cè)谧非罅汶娮璧睦硐氩牧现忻扔?，是人們?yīng)用已有知識(shí)經(jīng)不懈的努力而創(chuàng)造出的新型材料，使我們預(yù)示到一個(gè)嶄新的社會(huì)即將到來(lái)，它將使我們的社會(huì)在各個(gè)方面發(fā)生深刻的變化。本文就超導(dǎo)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：集成電路；半導(dǎo)體技術(shù)；超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

引言

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求越來(lái)越高，基于半導(dǎo)體技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展遇到了瓶頸。因此，世界各國(guó)都在積極推動(dòng)新系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的概念正是在這一背景下出現(xiàn)的，因?yàn)槌瑢?dǎo)體具有微損耗，零電阻的物理特性，因此，超導(dǎo)器件可以大大減少元件之間的散熱問(wèn)題，從而達(dá)到提高芯片集成度、降低功耗的效果。

1 超導(dǎo)體的物理特性

（1）零電阻。零電阻是超導(dǎo)體的一個(gè)重要特性。只要進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，通過(guò)超導(dǎo)體內(nèi)的電流就可看成是無(wú)阻尼流動(dòng)，表現(xiàn)為零電阻現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)態(tài)中零電阻現(xiàn)象不僅與超導(dǎo)體溫度有關(guān)，還與外磁場(chǎng)強(qiáng)度和通過(guò)超導(dǎo)體的電流有關(guān)。即使超導(dǎo)體的溫度了禽于l病界溫度，若外磁場(chǎng)很強(qiáng)超過(guò)了臨界磁場(chǎng)或者通過(guò)導(dǎo)體的電流超過(guò)臨界電流，超導(dǎo)態(tài)將被破壞。零電阻現(xiàn)象可以用庫(kù)拍電子對(duì)給出解釋。在超導(dǎo)態(tài)的基態(tài)，動(dòng)量相反的電子形成庫(kù)拍電子對(duì)，沒(méi)有電流流動(dòng)。當(dāng)超導(dǎo)體處于載流的超導(dǎo)態(tài)時(shí)，每個(gè)庫(kù)拍對(duì)的總動(dòng)量不再為零，但是，組成庫(kù)拍對(duì)的電子在互相散射過(guò)程中總動(dòng)量保持不變，所以電流沒(méi)有變化。只有使庫(kù)拍對(duì)分裂的散射才有可能改變載流子的總動(dòng)量，但在電流密度比較小的情形下，無(wú)法提供庫(kù)拍對(duì)分裂所需的最小能量，所以沒(méi)有電流效應(yīng)。隨著電流的增長(zhǎng)，當(dāng)附加的動(dòng)能超過(guò)能隙的時(shí)候，引起總動(dòng)量變化（即導(dǎo)致庫(kù)拍對(duì)分裂）的散射就可以發(fā)生，這意味著存在臨界電流，超過(guò)臨界電流就會(huì)出現(xiàn)電阻。（2）邁斯納效應(yīng)。一一洲完全抗磁性零電阻是超導(dǎo)體的一個(gè)基本特性，超導(dǎo)體的另一個(gè)基本特性是完全抗磁性，即邁斯納效應(yīng)。1933年邁斯納等為了判斷超導(dǎo)態(tài)的磁性是否完全由零電阻所決定，進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)。大量實(shí)驗(yàn)表明，如果先降溫，使超導(dǎo)體進(jìn)人超導(dǎo)態(tài)，然后加上磁場(chǎng)，則它將把磁場(chǎng)排斥到體外；如果先加上磁場(chǎng)，然后降低溫度，只要溫度低于臨界溫度，磁場(chǎng)就會(huì)被排斥出去。不管超導(dǎo)體內(nèi)原來(lái)有無(wú)磁場(chǎng)，一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁場(chǎng)一定等于零，即具有完全抗磁性。超導(dǎo)體內(nèi)的完全抗磁性根源于導(dǎo)體表面的屏蔽電流。當(dāng)超導(dǎo)體進(jìn)人超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在其表面將產(chǎn)生一定的永久電流。該電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)與外磁場(chǎng)方向相反，彼此恰好抵消。從而使超導(dǎo)體內(nèi)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，起到屏蔽外磁場(chǎng)的作用。超導(dǎo)體的完全抗磁性會(huì)產(chǎn)生磁懸浮現(xiàn)象，磁懸浮現(xiàn)象在工程技術(shù)中有許多重要的應(yīng)用。如用來(lái)制造磁懸浮列車(chē)和超導(dǎo)無(wú)摩擦軸承等。

2 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 超導(dǎo)量子技術(shù)

通過(guò)對(duì)超導(dǎo)體中的微觀電子（庫(kù)珀對(duì)）用宏觀世界波函數(shù)加以描述，以波函數(shù)的參量變化描述大量庫(kù)珀對(duì)的集體運(yùn)動(dòng)。超導(dǎo)量子計(jì)算的基本單位是“量子比特”，超導(dǎo)量子器件形成能夠控制的穩(wěn)定狀態(tài)，從而超導(dǎo)量子器件能像半導(dǎo)體電路一樣進(jìn)行邏輯運(yùn)算。但對(duì)于量子態(tài)本身是由多個(gè)本征態(tài)按一定幾率組合而成的，在發(fā)生相互作用時(shí)，將共同影響到多個(gè)本征態(tài)，由量子比特構(gòu)成的數(shù)字運(yùn)算邏輯，本質(zhì)上相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算，因此，量子計(jì)算更快，更強(qiáng)大。當(dāng)組成糾纏的兩組量子波函數(shù)其中之一受到影響時(shí)，另一組也會(huì)立刻發(fā)生變化，這種作用是不可逆的，由此便有可能遠(yuǎn)程傳遞信息，或標(biāo)志信息的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高度可靠的信息加密和傳輸。超導(dǎo)量子器件的基本結(jié)構(gòu)多是基于超導(dǎo)薄膜，通過(guò)光刻等手段實(shí)現(xiàn)陣列等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，研制具有快速開(kāi)關(guān)能力的超導(dǎo)開(kāi)關(guān)器件、超導(dǎo)隨機(jī)存儲(chǔ)器等，應(yīng)用這類(lèi)器件，可開(kāi)發(fā)出具有超高速轉(zhuǎn)換能力（10GHz以上）和高精度（nV級(jí)）的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器件，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域，這是當(dāng)前量子計(jì)算技術(shù)所能預(yù)見(jiàn)的重要發(fā)展方向之一。超高速超導(dǎo)快速單通量量子（RSFQ）電路技術(shù)是構(gòu)建未來(lái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的首選技術(shù)。雖然超導(dǎo)量子計(jì)算和超導(dǎo)計(jì)算技術(shù)的實(shí)用化仍將面臨較大的原理和技術(shù)挑戰(zhàn)，但從超導(dǎo)快速單磁通量子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，已經(jīng)可以開(kāi)始實(shí)施大規(guī)模的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。應(yīng)當(dāng)開(kāi)展超導(dǎo)快速開(kāi)關(guān)器件及基于超導(dǎo)結(jié)陣列電壓基準(zhǔn)和集成超導(dǎo)快速開(kāi)關(guān)器件的超導(dǎo)模數(shù)轉(zhuǎn)換和高精度電壓探測(cè)比較器的研究。該工作一方面可用于精密測(cè)量，另一方面也可作為未來(lái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入輸出單元，實(shí)現(xiàn)其與外界的有效接口。

2.2 超導(dǎo)技術(shù)在電力工程方面的應(yīng)用

隨著社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)電能的需要迅速增長(zhǎng)，但輸電過(guò)程中電能的損耗已成為日益嚴(yán)重的問(wèn)題。而超導(dǎo)輸電，只要電流密度不超過(guò)臨界電流，超導(dǎo)體無(wú)電阻，原則上可以做到完全沒(méi)有焦耳熱的損耗，因而可以節(jié)省大量能源。用超導(dǎo)線繞制并構(gòu)成閉合回路，對(duì)其勵(lì)磁，超導(dǎo)線圈中儲(chǔ)存的能量可以無(wú)損耗的長(zhǎng)期保存，超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能密度高（可達(dá)50J/cm3），可以瞬間輸出巨大脈沖電能。超導(dǎo)儲(chǔ)能在軍事上有著重要應(yīng)用。超導(dǎo)線圈用于發(fā)電書(shū)毛和電動(dòng)機(jī)，則可以大大提高效率，降低損耗，提高功率密度，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的巨大變革。

2.3 超導(dǎo)技術(shù)在信息醫(yī)療和輸送系統(tǒng)上的應(yīng)用

在醫(yī)療系統(tǒng)方面，利用核磁共振的磁共振圖象裝置的超導(dǎo)化，是超導(dǎo)材料在醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用的典型例子，這就是MRl裝置。除外，超導(dǎo)體還可做成心磁計(jì)、腦磁計(jì)、肺磁計(jì)等微弱號(hào)的傳感器。超導(dǎo)磁懸浮作用可使列車(chē)產(chǎn)生懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)作用，把超導(dǎo)磁體裝在車(chē)廂內(nèi)，軌道側(cè)則裝上起懸浮作用和推進(jìn)、導(dǎo)向作用的兩種常規(guī)導(dǎo)電線圈，就可使車(chē)輪與鐵扒之間的無(wú)摩擦驅(qū)動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且無(wú)噪聲無(wú)松動(dòng)，只有風(fēng)聲，軌道上不再留下痕跡。除外，利用超導(dǎo)電磁作用可以設(shè)想制造風(fēng)磁推動(dòng)船。其具體設(shè)想是：超導(dǎo)磁體放在船內(nèi)，利用海水導(dǎo)電電流與磁場(chǎng)的相互作用而使船體取得推動(dòng)力，而且不再有螺旋漿一類(lèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。推動(dòng)力的大小與海水中導(dǎo)通電流值與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有許多難題需要解決，如海水的電抗大、海水通電會(huì)出現(xiàn)海水電解（產(chǎn)生氯氣）等。由于太空是一個(gè)高真空、極低溫和無(wú)重力場(chǎng)的環(huán)境，因此，超導(dǎo)現(xiàn)象能大量典用于宇宙空間。一方面超導(dǎo)材料與元器件可利用宇宙條件進(jìn)行加工制作，另一方面，超導(dǎo)器件可以廣泛應(yīng)用于飛行器上，如微波、紅外傳感器、探測(cè)器，還可利用超導(dǎo)磁體裝制飛船的推進(jìn)器。

3 結(jié)語(yǔ)

超導(dǎo)計(jì)算機(jī)作為引領(lǐng)21世紀(jì)計(jì)算機(jī)的重要發(fā)展方向，正在吸引各國(guó)的積極研究。當(dāng)前雖然超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的概念被廣泛提及，然而應(yīng)當(dāng)客觀地看到，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)距離大規(guī)模應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。眾所周知，超導(dǎo)體要達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，需要極低溫的工作環(huán)境，這是一個(gè)不可回避的制約因素，在這個(gè)階段，至少應(yīng)該破壞液氮溫度區(qū)（90K）以上的高溫超導(dǎo)材料。盡管遇到不少困難，專(zhuān)注于超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的研究都可以為計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1]官伯然.超導(dǎo)電子技術(shù)及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2015.

[2]陶伯萬(wàn)，熊杰，劉興釗.YBCO超導(dǎo)帶材研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2015，28（4）.