淺析超導(dǎo)計算機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

包雷

摘 要：近年來，經(jīng)濟的發(fā)展，促進我國科技水平的提升。技術(shù)是人類為了滿足社會的需要，應(yīng)用科學(xué)知識，改造、保護和利用大自然，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)造過程的統(tǒng)一超導(dǎo)體作為一種新型的材料，是人們在追求零電阻的理想材料中萌育而生的，是人們應(yīng)用已有知識經(jīng)不懈的努力而創(chuàng)造出的新型材料，使我們預(yù)示到一個嶄新的社會即將到來，它將使我們的社會在各個方面發(fā)生深刻的變化。本文就超導(dǎo)計算機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀展開探討。

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

引言

隨著信息社會的發(fā)展，各行業(yè)對計算機性能的要求越來越高，基于半導(dǎo)體技術(shù)的計算機硬件的發(fā)展遇到了瓶頸。因此，世界各國都在積極推動新系統(tǒng)和高性能計算機技術(shù)的研究。超導(dǎo)計算機的概念正是在這一背景下出現(xiàn)的，因為超導(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題，從而達到提高芯片集成度、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)體的一個重要特性。只要進入超導(dǎo)態(tài)，通過超導(dǎo)體內(nèi)的電流就可看成是無阻尼流動，表現(xiàn)為零電阻現(xiàn)象。實驗表明，超導(dǎo)態(tài)中零電阻現(xiàn)象不僅與超導(dǎo)體溫度有關(guān)，還與外磁場強度和通過超導(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，若外磁場很強超過了臨界磁場或者通過導(dǎo)體的電流超過臨界電流，超導(dǎo)態(tài)將被破壞。零電阻現(xiàn)象可以用庫拍電子對給出解釋。在超導(dǎo)態(tài)的基態(tài)，動量相反的電子形成庫拍電子對，沒有電流流動。當(dāng)超導(dǎo)體處于載流的超導(dǎo)態(tài)時，每個庫拍對的總動量不再為零，但是，組成庫拍對的電子在互相散射過程中總動量保持不變，所以電流沒有變化。只有使庫拍對分裂的散射才有可能改變載流子的總動量，但在電流密度比較小的情形下，無法提供庫拍對分裂所需的最小能量，所以沒有電流效應(yīng)。隨著電流的增長，當(dāng)附加的動能超過能隙的時候，引起總動量變化（即導(dǎo)致庫拍對分裂）的散射就可以發(fā)生，這意味著存在臨界電流，超過臨界電流就會出現(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)體的一個基本特性，超導(dǎo)體的另一個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，進行了一項實驗，發(fā)現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)。大量實驗表明，如果先降溫，使超導(dǎo)體進人超導(dǎo)態(tài)，然后加上磁場，則它將把磁場排斥到體外；如果先加上磁場，然后降低溫度，只要溫度低于臨界溫度，磁場就會被排斥出去。不管超導(dǎo)體內(nèi)原來有無磁場，一旦進入超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁場一定等于零，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)體進人超導(dǎo)態(tài)時，在其表面將產(chǎn)生一定的永久電流。該電流所產(chǎn)生的磁場在超導(dǎo)體內(nèi)與外磁場方向相反，彼此恰好抵消。從而使超導(dǎo)體內(nèi)的總磁場強度為零，起到屏蔽外磁場的作用。超導(dǎo)體的完全抗磁性會產(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。如用來制造磁懸浮列車和超導(dǎo)無摩擦軸承等。

2 超導(dǎo)計算機技術(shù)的應(yīng)用

2.1 超導(dǎo)量子技術(shù)

通過對超導(dǎo)體中的微觀電子（庫珀對）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珀對的集體運動。超導(dǎo)量子計算的基本單位是“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)體電路一樣進行邏輯運算。但對于量子態(tài)本身是由多個本征態(tài)按一定幾率組合而成的，在發(fā)生相互作用時，將共同影響到多個本征態(tài)，由量子比特構(gòu)成的數(shù)字運算邏輯，本質(zhì)上相當(dāng)于經(jīng)典計算機的并行計算，因此，量子計算更快，更強大。當(dāng)組成糾纏的兩組量子波函數(shù)其中之一受到影響時，另一組也會立刻發(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，通過光刻等手段實現(xiàn)陣列等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，研制具有快速開關(guān)能力的超導(dǎo)開關(guān)器件、超導(dǎo)隨機存儲器等，應(yīng)用這類器件，可開發(fā)出具有超高速轉(zhuǎn)換能力（10GHz以上）和高精度（nV級）的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器件，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、信號處理、醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測等領(lǐng)域，這是當(dāng)前量子計算技術(shù)所能預(yù)見的重要發(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)建未來超級計算機的首選技術(shù)。雖然超導(dǎo)量子計算和超導(dǎo)計算技術(shù)的實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)狀來看，已經(jīng)可以開始實施大規(guī)模的開發(fā)計劃。應(yīng)當(dāng)開展超導(dǎo)快速開關(guān)器件及基于超導(dǎo)結(jié)陣列電壓基準(zhǔn)和集成超導(dǎo)快速開關(guān)器件的超導(dǎo)模數(shù)轉(zhuǎn)換和高精度電壓探測比較器的研究。該工作一方面可用于精密測量，另一方面也可作為未來超導(dǎo)量子計算機的數(shù)據(jù)輸入輸出單元，實現(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

隨著社會的進步，對電能的需要迅速增長，但輸電過程中電能的損耗已成為日益嚴(yán)重的問題。而超導(dǎo)輸電，只要電流密度不超過臨界電流，超導(dǎo)體無電阻，原則上可以做到完全沒有焦耳熱的損耗，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，對其勵磁，超導(dǎo)線圈中儲存的能量可以無損耗的長期保存，超導(dǎo)線圈儲能密度高（可達50J/cm3），可以瞬間輸出巨大脈沖電能。超導(dǎo)儲能在軍事上有著重要應(yīng)用。超導(dǎo)線圈用于發(fā)電書毛和電動機，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、腦磁計、肺磁計等微弱號的傳感器。超導(dǎo)磁懸浮作用可使列車產(chǎn)生懸浮、導(dǎo)向和推進作用，把超導(dǎo)磁體裝在車廂內(nèi)，軌道側(cè)則裝上起懸浮作用和推進、導(dǎo)向作用的兩種常規(guī)導(dǎo)電線圈，就可使車輪與鐵扒之間的無摩擦驅(qū)動，因此可以實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)，而且無噪聲無松動，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)電電流與磁場的相互作用而使船體取得推動力，而且不再有螺旋漿一類的轉(zhuǎn)動部件。推動力的大小與海水中導(dǎo)通電流值與磁場強度成正比。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)還有許多難題需要解決，如海水的電抗大、海水通電會出現(xiàn)海水電解（產(chǎn)生氯氣）等。由于太空是一個高真空、極低溫和無重力場的環(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、探測器，還可利用超導(dǎo)磁體裝制飛船的推進器。

3 結(jié)語

超導(dǎo)計算機作為引領(lǐng)21世紀(jì)計算機的重要發(fā)展方向，正在吸引各國的積極研究。當(dāng)前雖然超導(dǎo)計算機的概念被廣泛提及，然而應(yīng)當(dāng)客觀地看到，超導(dǎo)計算機距離大規(guī)模應(yīng)用還有很長一段路要走。眾所周知，超導(dǎo)體要達到超導(dǎo)狀態(tài)，需要極低溫的工作環(huán)境，這是一個不可回避的制約因素，在這個階段，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，專注于超導(dǎo)計算機的研究都可以為計算機技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

參考文獻

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