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不飞则已,一飞冲天;不鸣则已,一鸣惊人。——《韩非子》

结构中会形成驻波

钻石

钻石拥有许多独特的物理性质。高纯度的钻石中有一种特殊杂质,,拥有

相当稳定的电子自旋状态,可以存储量子信息;不同杂质之间的自旋相互作

用,,可以实现复杂的量子逻辑运算。有一天,量子计算机会出现在我们的日

常生活之中,它的核心很可能是用钻石制造的。

撰文戴维?D?阿沙洛姆(DavidD.Awschalom)

赖安?爱泼斯坦(RyanEpstein)

罗纳德?汉森(RonaldHanson)

翻译张童

审校薛其坤

金刚石,俗称钻石,是一系列物理性质的世界纪录保持者:拥有超高

的硬度,热导率也是所有固体材料中最优良的,对紫外线也高度透明。随着高

纯度单晶金刚石制备技术和掺杂技术的发展,金刚石在固态电子器件上的应用

前景也越来越诱人。纯净的金刚石是电的绝缘体,但如果掺入杂质,金刚石就

会变成具有奇特性质的半导体,可用来探测紫外线,制作紫外线光电二极管、

光学设备以及大功率微波器件等。然而,金刚石最令人激动的应用出现在量子

自旋电子学(spintronics)领域,可能会带来实用的量子计算机(这种计算机

不飞则已,一飞冲天;不鸣则已,一鸣惊人。——《韩非子》

具备常规计算机难以企及的运算能力),还有可能实现高度安全的量子通讯技

术。

自旋电子学是电子学的进一步发展。传统电子学驾驭的只是电子的电

荷,而自旋电子学除了电荷以外,还要驾驭一种被称为“自旋”(spin)的物

理性质――这种性质让电子的行为方式看起来就像小磁棒。你的计算机里也许

就有自旋电子学的第一个初级商业化产品――硬盘磁头。1998年以来,硬盘磁

头开始利用一种名为“巨磁电阻效应”(giantmagnetoresistance)的自旋电

子学现象,来探测磁盘上微小磁畴的取向(不同的取向代表着二进制数据中的

0和1),从而实现数据的读取。

另一种自旋电子学器件――磁随机存储器(MRAM),将出现在今后几

年的新型计算机中。与硬盘一样,MRAM也用磁性储存信息,因此是非易失性存

储器――断电后数据信息也不会丢失;而数据的读写则靠电来完成――与其他

用电荷储存信息的存储器一样。摩托罗拉子公司飞思卡尔半导体公司

(FreescaleSemiconductor)已于2006年率先推出了MRAM的商业化产品。

如果使用非易失性存储器芯片,计算机就不必在每次开机后,都耗时

费力地从硬盘上重新载入程序,,而是瞬间复原到关机前的状态,就像现在的

掌上电脑一样。因为所有需要载入的程序和数据仍然保存在内存芯片中,并没

有丢失。

现在,更先进的自旋电子技术还处于早期研究阶段,比如能够在控制

电流的同时利用自旋的自旋晶体管(spintransistor)。掌握了这些技术,我

们就能制造出运行时可重新设定逻辑电路的计算机芯片。

量子电子学

不飞则已,一飞冲天;不鸣则已,一鸣惊人。——《韩非子》

在量子计算机中,量子比特的取值不再只是0或1,还可能既为0又

为1,这让量子计算机具备了无与伦比的运算能力。但是量子比特又该如何实

现呢?磁头和MRAM之类的设备代表了一大类自旋电子器件。在这类器件

中,大量电子的自旋按同一

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