半导体是什么东西

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

半导体是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质，其电导率容易受控制，可作为信息处理的元件材料。从科技或是经济发展的角度来看，半导体非常重要。

很多电子产品，如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高 *** 控保真度，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。

半导体简介

在国内，60年代晶闸管研究开始起步，70年代研制出大功率的晶闸管。80年代以来，大功率晶闸管在中国得到很大发展，同时开始研制模块。本世纪以来，开始少量引进超大功率晶闸管（含光控晶闸管）技术。近年来国家正在逐步引进IGBT，MOSFET技术。中国宏观经济的不断成长，带动了大功率半导体器件技术的发展和应用的不断深入。

晶闸管、模块、IGBT的发明和发展顺应了电力电子技术发展的不同需要，是功率半导体发展历程中不同时段的重要标志产品。他们的应用领域、应用场合大部分不相同，小部分有交叉。在技术不断发展和工艺逐步改善的双重推动下，大功率半导体器件将向着高电压、大电流、高频化、模块化、智能化的方向发展。

以上内容参考：百度百科—半导体

我们最近一直在深入分析量子计算初创公司方面的融资情况，去年这个新兴行业的资金投入增长了100%以上，这个领域的投资者和初创公司的数量也都出现了显著增加。

但是我们的一些读者指出，要是出一篇大体上介绍量子计算的入门文章将大有助益。为此，我们写了这篇文章。

1）量子计算机是什么东东？

量子计算机依赖出现在自然界的量子力学现象――基本上是物质的两种重要状态，名为叠加（superposition）和纠缠（entanglement）。物质的这些状态被用于计算时，有望提升我们对复杂数据集执行计算的能力。

这里的重要区别在于量子计算机不同于传统计算机，而传统计算机是依赖晶体管的二进制数字电子计算机。

晶体管？

普通智能手机里面就有几十个晶体管，晶体管可在两种状态之间切换：0或1，即开或关，从而计算信息。量子计算机并不使用晶体管（或经典比特），而是使用量子比特（Qubit）。

量子比特是量子计算机中基本的信息单位。

量子比特可能是-1或1，也就是同时拥有这两个值的属性，这就叫叠加。所以，执行计算方面立即有了更多种可能性。

如今市面上最先进的量子计算技术可以使用多达1000个量子比特。

另外，量子比特可以利用一种名为量子纠缠的状态；在这种状态中，成对或成组的量子粒子连接起来，那样每个粒子就无法独立于其他粒子来加以描述，即便粒子之间隔着很远的距离（比如宇宙的两端）。

爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动”（spooky action at a distance），它正是量子传输的理论基础。

这时候你可能想知道，爱因斯坦，那条管子里到底是什么东西？

不过别担心……

对于我们这些不是量子物理学家的普通人来说，重要的是，由于量子比特以及叠加和纠缠现象，量子计算机可以同时处理大量计算任务，而且速度比传统计算机快得多。

2）这种技术有什么样的实际应用？

首先，不妨来一个思维实验。设想一下电话簿，然后设想你要在该电话簿中查询某个特定的电话号码。使用晶体管的经典计算机会搜索电话簿的每一行，直至找到并返回匹配号码。相比之下，由于拥有量子比特，量子计算机可以同时评估每一行，并返回结果，速度比经典计算机要快得多，因而可以立即搜索整本电话簿。

因此，该技术可以应用于似乎有无限变量的行业问题，那些变量组合构成了一系列数量非常多的潜在解决方案。这些巨大的变量问题通常被称为优化问题。

比如说，为北美的每个人优化每条航线、机场时刻表、天气数据、燃料成本和乘客信息等，从而获得最具有成本效益的解决方案。经典计算机通常需要几千年时间来计算解决这个问题的最佳方案。从理论上来说，每台量子计算机的量子比特数量增加后――这一幕已成为现实，量子计算机就可以在几小时内或更短时间内完成这项任务。

投资公司Draper Fisher Jurvetson的董事经理斯蒂文·尤尔韦特松（Steve Jurveston）是D-Wave Systems的早期投资者，这家公司被广泛视为是量子计算的开路先锋和标准制定者。他称量子计算机容量日益增加这个现象是“罗斯定律”（Rose Law），该定律以D-Wave公司的首席技术官乔迪·罗斯（Geordie Rose）命名。

量子计算的罗斯定律就好比半导体处理器领域的摩尔定律。基本上，量子计算机的速度已经变得很快很快。

D-Wave处于量子计算商业应用的最前沿。但是有一些细节需要考虑。不妨听听斯蒂文·尤尔韦特松的说法。

“D-Wave还没有做出一款通用量子计算机。它就好比是针对特定应用的处理器，经过了调优，旨在处理一项任务――解决离散优化问题。这对应于许多现实世界的应用领域，从金融、分子建模到机器学习，不一而足，但是它不会改变我们目前的个人计算任务。在短期内，假设它会应用于科学超级计算任务和商业优化任务（如今启发式方法在这些领域也许绰绰有余），可能会隐藏于互联网巨头的数据中心，改善图像识别及其他形式的近似人工智能的神奇任务。在大多数情况下，量子计算机对经典计算集群而言将是起到加速作用的协处理器。”

D-Wave向谷歌之类的客户销售和出租量子计算机。据说这些机器的成本在1000万美元到1500万美元之间，所以开始省钱吧。

而最新一代的D-Wave 2X系统其工作温度约15毫开，这比星际空间的温度冷180倍。

就算D-Wave机器没戏，IBM已经在提供“世界上第一个通过IBM云提供的量子计算平台”，旨在让公众可以发掘量子处理能力。

3） 网络安全与量子计算有什么关系？

现代密码学（密码）依赖名为素数因子分解的数学函数。基本上，大数被分解成素数，然后这些素数可以相乘，从而得到大数。经典计算机并不擅长于这方面，要花很长时间才能破解基于素数因子的加密代码。不过你也猜到了，量子计算机确实很擅长于此。

世界各国政府都在竞相制造能够淘汰所有现代形式的密码的量子计算机。

为了开发出防止黑客的通信，中国政府最近将据称是世界上第一颗量子卫星送入轨道。这颗卫星的名字叫“墨子”（Micius）。“墨子”旨在研发出远距离量子加密通信。

这不是“墨子”。

这才是“墨子”！

量子加密是指这个概念：使用所谓的量子密钥分配（QKD）方法，远距离发送纠缠的光粒子（纠缠光子），以达到确保敏感通信安全的目的。

在QKD中，发送方和接收方都通过为每个光子分配0或1，以此测量他们接收到的纠缠光子的极化。这创建了量子密钥，而量子密钥可用于解密加密消息。

最重要的一点是，如果量子纠缠光子被任何人拦截，系统会立即显示受到干扰的迹象，表明通信不安全。

简而言之：

量子计算机依赖量子力学的基本原理来加快解决复杂计算这一过程。这些计算通常包括看似数量不可估量的变量，应用广泛，从高级基因组学到金融等行业，不一而足。此外，量子计算机已经在重塑网络安全的一些方面，这归功于它们能够基于素数因子分解来破解代码，以及能够提供高级的加密形式，以保护敏感通信。

早在20世纪80年代，美国著名物理学家费曼提出了按照量子力学规律工作的计算机的概念，这被认为是最早的量子计算机的构想，此后 科技 界就没有停止过 探索 。

近年来，量子计算机领域频频传来重要进展：美国霍尼韦尔公司表示研发出64量子体积的量子计算机，性能是上一代的两倍；2020年底，中国科学技术大学潘建伟教授等人成功构建76个光子的量子计算机“九章”；2月初，我国本源量子计算公司负责开发的中国首款量子计算机 *** 作系统“本源司南”正式发布……

作为“未来100年内最重要的计算机技术”“第四次工业革命的引擎”，量子计算对于很多人来说，就像是属于未来的黑 科技 ，代表着人类技术水平在想象力所及范围之内的巅峰。世界各国纷纷布局量子计算并取得不同成就后证实，量子计算虽然一直“停在未来”，但“未来可期”。

20世纪60年代，平面型集成电路问世，光刻技术成为了半导体元器件性能的决定因素：只要光刻精度不断提高，元器件的密度也会相应提高。因此，平面工艺被认为是“半导体的工业键”，也是摩尔定律问世的技术基础。

摩尔定律指出，平均每18个月，集成电路芯片上所集成的电路数目就翻一倍。虽然这并不是一个严谨的科学定律，但在一定程度上反映了信息化大数据时代人类对计算能力指数增长的期待。

随着芯片集成度不断提高，我们的手机、电脑等电子产品也在不断更新换代。那么，摩尔定律会不会被终结？

摩尔定律的技术基础天然地受到两种主要物理限制：一是巨大的能耗让芯片有被烧坏的危险。芯片发热主要是因为计算机门 *** 作时，其中不可逆门 *** 作会丢失比特，每丢失一个比特就会产生相应热量， *** 作速度越快，单位时间内产生的热量就越多，计算机温度必然会迅速上升，必须消耗大量能量用于散热，否则芯片将被高温烧坏。

二是量子隧穿效应会限制集成电路的精细程度。为了提高集成度，晶体管会越做越小，当晶体管小到只有一个电子时，量子隧穿效应就会出现。在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；而对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒，实际也是如此，这种现象称为隧穿效应。简单来说，当集成电路的精细程度达到了一定级别，特别是当电路的线宽接近电子波长的时候，电子就通过隧穿效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。

鉴于以上两点，物理学家预言摩尔定律终将终结。现有基于半导体芯片技术的经典计算机，芯片集成密度不可能永远增加，总会趋近于物理极限，应付日益增长的数据处理需求可能越来越困难。

最新一代的英特尔酷睿处理器，它的芯片每一平方毫米的面积已经集成了一亿个晶体管。我国的太湖之光超级计算机，大约用了四万多个CPU。如果摩尔定律终结，提高运算速度的途径是什么？破局的方向指向了量子计算。

给经典计算机带来障碍的量子效应，反而成为了量子计算机的助力。

费曼认为微观世界的本质是量子的，想要模拟它，就得用和自然界的工作原理一样的方式，也就是量子的方式才行。他将物理学和计算机理论联系到一起，提出了基于量子态叠加等原理的量子计算机概念。

比特是信息 *** 作的基本单元，基于量子叠加态原理，科学家们尝试用量子比特取代经典比特。

经典比特有且仅有两个可能的状态，经常用“0”和“1”来表示，就好比一个开关，只有开和关两个状态。而量子比特就好比一个旋钮，是连续可调的，它可以指向任何一个角度。也就是说，量子比特不只有两个状态，可以处于0和1之间任意比例的叠加态。想象一下，一枚摆在桌上静止的硬币，你只能看到它的正面或背面；当你把它快速旋转起来，你看到的既是正面，又是背面。于是，一台量子计算机就像许多硬币同时翩翩起舞。

假设一台经典计算机有两个比特，在某一确定时刻，它最多只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种；而量子计算由于叠加性，它可以同时表示出四种信息状态。

对于经典计算机来说，N个比特只可能处在2N个状态中的一种情况，而对于量子比特来说，N个量子比特可以处于2N个状态任意比例叠加。理论上，如果对N个比特的量子叠加态进行运算 *** 作，等于同时 *** 控2的N次方个状态。随着可 *** 纵比特数增加，信息的存储量和运算的速度会呈指数增加，经典计算机将望尘莫及。

有报道指出，一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当，是今天经典台式机速度的一万倍。据科学家估计，一台50比特的量子计算机，在处理一些特定问题时，计算速度将超越现有最强的超级计算机。

量子计算机是宏观尺度的量子器件，环境不可避免会导致量子相干性的消失(即消相干)，一旦量子特性被破坏，将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算，这是量子计算机研究的主要障碍。

即便量子计算机的研究已经出现诸多成果，但还处在早期发展的阶段。倘若类比经典计算机，今天的量子计算机几乎是位于经典计算机的电子管时代，就连最底层的物理载体还没有完全形成。

目前主流的技术路径有超导、半导、离子阱、光学以及量子拓扑这五个方向，前四种路径均已制作出物理原型机。各国科学家研究比较多、也相对成熟的有超导量子计算、半导量子点量子计算等。

超导量子计算的核心单元是一种“超导体－绝缘体－超导体”三层结构的约瑟夫森结电子器件，类似晶体管的PN结。其中间绝缘层的厚度不超过10纳米，能够形成一个势垒，超导电子能够隧穿该势垒形成超导电流。与其他量子体系相比，超导量子电路的能级结构可通过对电路的设计进行定制，或通过外加电磁信号进行调控。而且，基于现有的集成电路工艺，约瑟夫森结量子电路还具有可扩展性。这些优点使超导量子电路成为实现可扩展量子计算最有前景的物理方案之一。

量子点量子计算，是利用了半导体量子点中的电子自旋作为量子比特。量子点是一种有着三维量子强束缚的半导体异质结结构，其中电子的能级是分立的，类似于电子在原子中的能级结构，因此被称为“人造原子”。量子比特编码在电子的自旋态上，使用微波脉冲或者纯电学的方法进行单量子比特 *** 控。量子点方案的优点则是量子位可以是嵌套在固态量子器件上，这与经典计算机的大规模集成电路的设计相似，被认为是最有可能实现大规模量子计算机的候选方案。

量子计算机的运算速度取决于其能够 *** 控的量子比特数。由于消相干的存在， *** 控量子比特难免出现错误，从而计算失效。以超导量子计算为例，一亿次的 *** 控最多只允许犯一次错误。 *** 控量子比特难度如此之大，以至于早期许多科学家认为量子计算机不可能制造出来。

目前而言，超导量子芯片要比半导体量子芯片发展得更快。2019年，谷歌公司发布了53个超导量子比特的量子计算原型机“悬铃木”。2020年12月4日，中国科大潘建伟团队构建起76个光量子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。

不过，无论是“悬铃木”还是“九章”，目前都只是仅能够处理运算特定数学问题的“原型机”。而我们的“星辰大海”是造出有大规模容错能力的通用量子计算机。毕竟，量子时代的“未来已来”，超强的量子计算值得期待。

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