量子世界“穿墻魔法”手冊

江湖上一直流傳著一種穿墻秘術(shù)。

近百年來，根據(jù)科學(xué)家的猜測和計(jì)算，

這種“穿墻術(shù)”確有可能，

它的學(xué)名叫作“量子隧穿”。

聽上去有點(diǎn)離譜，

可在神奇的量子領(lǐng)域，倒也正常。

直到近日，“量子隧穿”這種現(xiàn)象

才被科學(xué)家直接觀測到。

量子隧穿是什么

假如你是一顆萌萌的粒子，

想要穿過一堵“墻”。

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，

你會碰得鼻青臉腫。

但在量子物理學(xué)中，墻的本質(zhì)是能量勢壘，

也就是基本無法打破的次元壁。

粒子不僅是物質(zhì)還是波，

是波就有微乎其微的幾率穿透能量墻，

這就是所謂的“量子隧穿”。

那么這個(gè)幾率到底是多少呢？

通過薛定諤方程可以求出穿墻概率。

既然人是由粒子組成的，

我們把人的質(zhì)量代入方程，

就能得到一個(gè)不為0的數(shù)值。

只是這個(gè)值在微乎其微面前就是個(gè)小老弟。

人差不多由5千億億億個(gè)原子組成，

假設(shè)一個(gè)人的體重50kg，墻厚1m,

能隨意穿墻的概率是

10的1千億億億億（別數(shù)了，35個(gè)0）次方分之一。

不能說是完全不可能，

只能說是活久永不見。

量子隧穿的應(yīng)用

雖然我們暫時(shí)穿不了墻，

也許能先穿點(diǎn)其他東西。

如此神奇的量子魔法，

在現(xiàn)實(shí)世界其實(shí)已經(jīng)有了不少應(yīng)用。

比如單電子晶體管、隧道二極管、

掃描隧道顯微鏡、量子計(jì)算機(jī)，

乃至太陽能電池，

都是靠量子隧穿實(shí)現(xiàn)的。

量子隧穿帶來的挑戰(zhàn)

量子隧穿大法雖好，

但也造就了粒子一身反骨。

對于追求先進(jìn)工藝的芯片圈來說，

實(shí)在是有點(diǎn)令人下頭。

隨著芯片尺寸不斷縮小，

當(dāng)硅基芯片突破1nm工藝后，

電子任性穿墻的可能性大大提高，

導(dǎo)致芯片性能不穩(wěn)定、功耗增加、可靠性下降。

在量子芯片中，

隧穿效應(yīng)幫助量子比特跨越障礙，

提高量子計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性。

但隧穿效應(yīng)也會破壞量子比特的狀態(tài)，

又導(dǎo)致量子計(jì)算的錯(cuò)誤和不穩(wěn)定性。

解決量子隧穿的方法

考驗(yàn)物理學(xué)邊界的時(shí)候到了，

為了克服量子隧穿效應(yīng)對芯片的影響，

需要不斷開發(fā)新的材料、

器件和工藝技術(shù)。

目前最流行的方案是從材料端突破，

采用鉿和鋯的金屬氧化物，

來替換芯片的硅基底，

增加電子穿越的難度。

也可以另辟蹊徑，

引入立體的晶體管FinFET，

使用更厚的柵極氧化層，

減少漏電流的產(chǎn)生。

針對“后FinFET”工藝的新一代半導(dǎo)體技術(shù)，

新思科技DTCO解決方案

在早期就能做出評估和選擇，

實(shí)現(xiàn)晶體管架構(gòu)、材料和其他工藝技術(shù)創(chuàng)新。

此外，模擬平臺QuantumATK，

在建模時(shí)打破物理尺寸極限，

從最底層分析未來器件和材料發(fā)展，

也能讓摩爾定律得以延續(xù)。