Глава 490. Обеспечение теоретической основы для квантового чипа •
Сюй Чуань вошел в свой кабинет, чтобы изучать вещи, и Фань Пэнъюэ сначала не обратил на это внимания, думая, что он скоро выйдет.
В результате, только на следующий день, когда он был на совещании, он вдруг вспомнил об этом.
Достав мобильный телефон и позвонив, он обнаружил, что этот младший брат-мастер уже убежал обратно на свою виллу.
В кабинете Сюй Чуань повесил трубку, посмотрел на черновик на столе, который был уже исписан плотными символами, и продолжил свои исследования.
Вдохновение уже поймано, и он хотел одним махом довести эту теорию до совершенства.
"...Рассмотрим правила размещения легирующих примесей в решетке пространственной группы (sg), что снижает симметрию до CuC143, а двухзонная и четырехзонная модели характеризуются симметрично усиленными двойными точками Вейля в $Gamma$ и A."
"Благодаря нетривиальной многозонной квантовой геометрии гибридных орбитальных характеристик и сингулярной плоской зоне. Введение атомов Cu для формирования магнитной ловушки в высокотемпературном медно-углеродно-серебряном композитном материале в расчетах по теории функционала плотности (DFT) обеспечивает превосходное соответствие, доказывающее, что минимальная топологическая зона на уровне Ферми может быть реализована в легированном материале."
"Теоретически, этого уже достаточно, чтобы обеспечить основу для построения топологических квантовых материалов."
Глядя на слова на черновике, Сюй Чуань почувствовал удовлетворение.
Три дня и ночи без сна и еды, он ухватился за ту случайную искру вдохновения, полностью развернул ее и расширил, включив топологическое состояние вещества на основе единой рамочной теории сильно коррелированных электронных систем.
А исследование механизма возникновения и характеристик топологического состояния вещества в сильно коррелированной системе как раз и является обеспечением теоретической основы для реализации новых квантовых устройств.
Хотя между теорией и применением еще большое расстояние, но с руководством теоретической основы направление движения приложения уже ясно.
Это похоже на корабль, попавший в шторм в море, который среди волн и урагана видит яркий маяк на краю берега, и у него появляется ясное направление движения.
Удовлетворенно потянувшись, Сюй Чуань встал и размял кости.
Раздался треск суставов, он размял пальцы и снова сел, чтобы привести в порядок черновики на столе.
Исследование механизма возникновения и характеристик топологического состояния вещества, на самом деле, можно считать продолжением единой рамочной теории сильно коррелированных электронных систем.
Однако эту исследовательскую работу он, скорее всего, не опубликует.
Потому что она имеет очень высокую важность.
Работа, обеспечивающая теоретическую основу для конструкционных материалов квантовых чипов, в какой бы стране она ни была опубликована, является объектом особо секретных исследований государственного значения.
Приведя черновики в порядок и положив их в ящик, Сюй Чуань откинулся на спинку стула и задумался, глядя на книжную полку неподалеку.
С его исследовательской работой по механизму возникновения и характеристикам топологического состояния вещества, развитие квантового компьютера, вероятно, можно будет немного ускорить.
Развитие квантовых чипов и квантовых технологий - это тенденция будущего, а также кратчайший путь для Китая к обгону в области чипов.
Что касается традиционных кремниевых чипов, то, честно говоря, в этой области уже нет никаких шансов.
Не только потому, что западные страны во главе с США десятилетиями работали над кремниевыми чипами, создав совершенную систему правил и передовые технологии фотолитографии, в результате чего другие страны могут только догонять, но не могут превзойти; но и потому, что кремниевые чипы уже почти подошли к своему пределу.
Традиционные чипы всегда изготавливались в основном из кремниевых материалов, но с постоянным совершенствованием технологии производства чипов, кремниевые чипы постепенно приближаются к своему пределу.
В настоящее время такие компании, как ASML и TSMC, уже смогли производить трехнанометровые и даже двухнанометровые чипы.
Но для кремниевых чипов, если идти дальше, один нанометр - это их теоретический предел.
Первая причина заключается в том, что размер атома кремния составляет всего 0,12 нанометра, и если исходить из этого размера атома кремния, то, как только технология производства чипов достигнет одного нанометра, в него практически невозможно будет поместить больше транзисторов.
Поэтому традиционные кремниевые чипы практически достигли своего предела, и если после 1 нм все же принудительно добавлять больше транзисторов, то производительность чипа будет сталкиваться с различными проблемами.
Вторая причина - это эффект квантового туннелирования, который является самым большим фактором, ограничивающим развитие современных кремниевых чипов.
Так называемый эффект туннелирования, проще говоря, это явление, при котором микроскопические частицы, такие как электроны, могут напрямую проходить сквозь препятствия.
Если говорить конкретно о чипах, то когда технология производства чипов достаточно мала, электроны, которые обычно текут в цепи, образуя ток, не будут послушно течь по маршруту, а будут проходить сквозь полупроводниковый затвор, блуждая повсюду, и в конечном итоге образуя утечку тока и другие проблемы.
Проще говоря, это похоже на то, как если бы человек научился проходить сквозь стены, прямо с одной стороны стены на другую.
На самом деле, это явление не означает, что эффект возникает только тогда, когда кремниевые чипы достигают одного нанометра.
Ранее, когда чипы достигли 20 нанометров, кремниевые чипы уже сталкивались с этим явлением утечки тока.
Но позже, благодаря усовершенствованиям в технологии, некоторым производителям чипов, включая TSMC, удалось решить эту проблему.
Позже, когда размер чипов достиг 7-5 нанометров, это явление снова возникло, и ASML изобрела литографическую машину EUV, которая значительно улучшила литографические возможности и решила эту проблему.
Но в будущем, по мере того как технология производства чипов будет становиться все меньше и меньше, когда традиционные кремниевые чипы достигнут 2 нанометров, различные проблемы, вызванные эффектом квантового туннелирования, будут постепенно проявляться.
При достижении одного нанометра, даже если некоторым производителям чипов удастся преодолеть этот барьер, общая производительность чипа теоретически не будет хорошей, и даже не будет слишком стабильной, и могут возникнуть различные проблемы.
Но ограничения самого кремниевого материала существуют, и его потенциал развития ограничен.
И поиск альтернативного материала, или развитие других направлений компьютеров, - это то, чем индустрия чипов и компьютеров занимается постоянно. Квантовые чипы и квантовые компьютеры, несомненно, являются одним из самых важных направлений развития в будущем.
В этом отношении, даже углеродные чипы, которые имеют наибольшую вероятность заменить кремниевые чипы, немного уступают по важности.
В конце концов, современные квантовые компьютеры уже имеют довольно совершенную теоретическую базу, и даже реализованы физические компьютеры, управляющие двумя квантовыми битами, и перспективы развития светлые.
Что касается проблем, то они заключаются в том, как управлять квантовыми битами и хранить информацию.
А его исследовательская работа по механизму возникновения и характеристикам топологического состояния вещества может в значительной степени решить эту проблему.
Это означает, что количество управляемых битов квантового компьютера может перейти в трехзначные или даже четырехзначные числа.
Не смотрите на то, что в чипах традиционных кремниевых компьютеров сотни миллиардов транзисторов, а количество квантовых битов кажется ничтожно малым.
На самом деле, эти две вещи вообще несравнимы.
Если уж сравнивать, то вычислительная мощность квантового компьютера с 30 квантовыми битами примерно эквивалентна классическому компьютеру с производительностью в триллион операций с плавающей запятой в секунду.
А вычислительная мощность квантового компьютера растет экспоненциально с увеличением числа управляемых квантовых битов.
По оценкам ученых, квантовый компьютер со ста битами при решении некоторых специфических задач будет превосходить по скорости вычислений самые мощные современные суперкомпьютеры.
Если удастся увеличить количество вычислительных битов квантового компьютера до пятисот, то этот компьютер будет во всех отношениях превосходить все существующие суперкомпьютеры.
Конечно, все это исходит из теории, а что касается конкретной практической ситуации, то пока неизвестно.
Однако столь заманчивые перспективы, проявленные в теории, естественно, привлекли внимание бесчисленных стран и научных учреждений к этой области.
Сюй Чуань не был исключением, особенно учитывая, что в его руках сейчас находится такое мощное оружие.
Единственное, о чем он думал, так это о том, сотрудничать ли с государством, совместно развивать область квантовых компьютеров, создавать правила, контролировать квантовую гегемонию, или же сначала продолжить исследования самостоятельно.
У каждого варианта есть свои преимущества и недостатки, и действительно трудно сделать выбор.
Поразмыслив немного, Сюй Чуань покачал головой и отбросил эти мысли.
Сначала нужно сделать один шаг, а там посмотрим. Развитием квантовых компьютеров он в настоящее время не может заниматься, у него нет на это времени.
Миниатюрная технология управляемого ядерного синтеза и воздушно-космический двигатель еще не готовы, и пока основное внимание нужно уделить этому.
Прибравшись на рабочем столе, Сюй Чуань встал, принял душ и отправился в Институт материалов Чуаньхай.
Сверхпроводящий материал с высоким критическим магнитным полем уже получил поддержку данными в имитационном эксперименте, и следующим шагом, естественно, является его изготовление в реальном эксперименте.
Вообще-то, эта работа должна была начаться три дня назад, но из-за неожиданного вдохновения он провел три дня, исследуя его на вилле, а Фань Пэнъюэ не получил инструкций и не осмелился начать самостоятельно, поэтому все затянулось на три дня.
Но Сюй Чуань не придал этому большого значения, эти три дня того стоили.
Войдя в лабораторию и переодевшись в рабочую одежду, он нашел двух штатных исследователей в качестве ассистентов и лично приступил к изготовлению высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала с введенным механизмом устойчивости к сильному магнитному полю.
На начальном этапе изготовления этого улучшенного сверхпроводящего материала не было большой разницы в этапах.
Изготовление сырья с высокой чистотой, хорошей кристаллической структурой и контролируемым размером частиц с помощью оборудования вакуумной металлургии является основой для изготовления медно-углеродно-серебряного композитного материала.
Затем, используя оборудование для радиочастотного магнетронного распыления, напыляют приготовленный наноматериал на подложку SrTiO3, образуя тонкую пленку.
И с этого момента начинается поворотный момент.
В исходном высокотемпературном медно-углеродно-серебряном композитном сверхпроводящем материале необходимо добавить 2% объемной доли многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT) и углеродных нанотрубок с модифицированным поверхностным покрытием Cu в качестве армирующей фазы.
Но в упрочненном сверхпроводнике необходимо, путем введения избыточных наночастиц Cu, одновременно, в условиях высокой температуры и высокого давления, с помощью стимуляции током направлять атомы Cu для формирования спина и образования орбитальной гибридизации с атомами C, чтобы улучшить структуру поверхности материала.
Основная цель этого шага - внедрить атомы Cu из избыточных наночастиц Cu в дырки, тем самым вызывая нетривиальные квантовые явления, способствующие возникновению магнитной ловушки.
Проще говоря, для создания магнитной ловушки требуется внешнее добавление энергии, а такие методы, как высокая температура и высокое давление, а также электропроводность, являются средствами добавления и регулировки угла спина атомов Cu.
Это один из распространенных методов оптимизации свойств и микроструктуры наноматериалов и сверхпроводящих материалов.
Помимо высокой температуры и высокого давления, существуют также методы инфильтрационного роста, растворный метод, метод осаждения из газовой фазы, метод физического осаждения и т.д.
Но из-за необходимости дополнительного добавления энергии эти методы, вероятно, не очень подходят для упрочненных сверхпроводников с критическим магнитным полем.
Если метод высокотемпературного и высоконапорного наведения не подходит для улучшенного сверхпроводящего материала, то единственным оставшимся способом, вероятно, будет использование ионного имплантатора.
Но энергетический уровень ионного имплантатора слишком высок, что в значительной степени повредит сверхпроводник, не говоря уже о снижении производительности, промышленное серийное производство также является довольно хлопотным делом.
В конце концов, это изготовление сырья, а не производство полупроводников, всегда нужно учитывать соотношение цены и качества и сложность изготовления.