微米和纳米科技材料

纳米电路高频量子阻抗特性与测试

撰稿 | 唐国民、何建红、高洁 中国测试杂志社原创出品

自从上世纪中叶来,电脑的计算能力呈现指数性增长,使得电脑愈来愈小,同时功能愈来愈强大。但是计算技术演化已经快碰到了物理上的极限,电脑芯片元件尺寸正在趋近于原子的大小,它的电磁响应不再满足古典的宏观规律,量子力学让事情变得很“诡异”。

纳米电路高频量子阻抗特性与测试

正如《异次元骇客》中演绎的那样,在科技高度发达的年代,科学家们可以通过强大的计算机开发出一个完整的系统。通过这个系统,科学家们可以完美地虚拟一个城市。无数人生活在这个虚幻的城市中,生活得怡然自得,不知道自己其实只是超级计算机系统所控制的虚幻世界中的一个幻影。事实上,人类社会活动所具有的全部功能特点、微小的变化以及生命体中细胞彼此之间各种作用联系,还有生态环境、气候变化等等将是一个无法估量的庞大数据,传统的通用计算机将很难完全模拟,这需要量子计算机来完成。

纳米电路高频量子阻抗特性与测试

要控制计算机的量子位其实需要操纵单个原子或电子

例如,电子能否从电路的一端被传送到另一端,需要晶体管来开关控制。现今最小的晶体管尺寸大约是10纳米,是艾滋病病毒直径的1/8,是红血球的1/500。然而,当晶体管小到仅几个原子大小的尺寸时,由于量子隧穿效应,电子会无视阻挡(开关)将自己传送到另一端。

因此条件非常苛刻,原子在常温下的热运动速度达到数百米每秒,完全掩盖了量子效应,只有让原子或电子保持极低温状态,才能受控制。

按照“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项总体部署, 面向国际科技前沿,需重点研究新一代量子计量基准以及战略性新兴产业、国防等领域关键计量技术。

由中国测试技术研究院承担的《纳米电路高频量子阻抗特性与测试(国家重点研发计划)》项目,研究了新型量子电路的电磁响应,探究了电子在量子点、谐振腔中的相互作用、电子的居留时长和高频电磁场的周期的关联,以及电子弹性碰撞的弛豫过程,伴随产生崭新的量子电容、量子电感。这些新的量子参量和原有的古典参量叠加,势必出现新的物理效应,并在量子计量、量子通讯和量子计算领域产生重大的影响和前所未有的应用。

研究成果体现为研制出新的纳米量子电路,量子点接触的量子阻抗器件,搭建了高频量子输运测量系统,测定量子阻抗器件交流响应特性及量子点接触器件交流量子电导,通过对高频量子输运特性进行研究,揭示其所遵循的新量子物理规律。

即“介观电容决不是由其极板几何尺寸决定的古典电容”,而是存在“量子电容”,它与“几何电容”相串联。“量子电容”起源于作为电容极板之一的“量子点”,且与它的电子能态密度成正比,因而依赖于系统的电子能级分布。它实质是电容电荷在量子点与电子库间运动的弛豫电阻。在单通道传播时其量子点接触的电阻,即不依赖电子穿过散射区的透射率 D, 却始终为一常量 h/2e2。

纳米电路高频量子阻抗特性与测试

量子阻抗器件示意图以及其等效电路图

该成果将为未来新型量子计量用介观器件打下基础,对于交流量子电学计量基标准,研发单电子发生器,特别是对于高频量子计量信息技术和未来的电子学与计算机技术的发展具有极其重要的意义。

中国测试杂志社

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