浅析超导计算机技术的发展现状

包雷

摘 要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。技术是人类为了满足社会的需要，应用科学知识，改造、保护和利用大自然，创造宜人生存的人工自然环境的方法、技能和工具、手段的总和，是人工自然物及创造过程的统一超导体作为一种新型的材料，是人们在追求零电阻的理想材料中萌育而生的，是人们应用已有知识经不懈的努力而创造出的新型材料，使我们预示到一个崭新的社会即将到来，它将使我们的社会在各个方面发生深刻的变化。本文就超导计算机技术的发展现状展开探讨。

关键词：集成电路；半导体技术；超导计算机

引言

随着信息社会的发展，各行业对计算机性能的要求越来越高，基于半导体技术的计算机硬件的发展遇到了瓶颈。因此，世界各国都在积极推动新系统和高性能计算机技术的研究。超导计算机的概念正是在这一背景下出现的，因为超导体具有微损耗，零电阻的物理特性，因此，超导器件可以大大减少元件之间的散热问题，从而达到提高芯片集成度、降低功耗的效果。

1 超导体的物理特性

（1）零电阻。零电阻是超导体的一个重要特性。只要进入超导态，通过超导体内的电流就可看成是无阻尼流动，表现为零电阻现象。实验表明，超导态中零电阻现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通过超导体的电流有关。即使超导体的温度了禽于l病界温度，若外磁场很强超过了临界磁场或者通过导体的电流超过临界电流，超导态将被破坏。零电阻现象可以用库拍电子对给出解释。在超导态的基态，动量相反的电子形成库拍电子对，没有电流流动。当超导体处于载流的超导态时，每个库拍对的总动量不再为零，但是，组成库拍对的电子在互相散射过程中总动量保持不变，所以电流没有变化。只有使库拍对分裂的散射才有可能改变载流子的总动量，但在电流密度比较小的情形下，无法提供库拍对分裂所需的最小能量，所以没有电流效应。随着电流的增长，当附加的动能超过能隙的时候，引起总动量变化（即导致库拍对分裂）的散射就可以发生，这意味着存在临界电流，超过临界电流就会出现电阻。（2）迈斯纳效应。一一洲完全抗磁性零电阻是超导体的一个基本特性，超导体的另一个基本特性是完全抗磁性，即迈斯纳效应。1933年迈斯纳等为了判断超导态的磁性是否完全由零电阻所决定，进行了一项实验，发现了迈斯纳效应。大量实验表明，如果先降温，使超导体进人超导态，然后加上磁场，则它将把磁场排斥到体外；如果先加上磁场，然后降低温度，只要温度低于临界温度，磁场就会被排斥出去。不管超导体内原来有无磁场，一旦进入超导态，超导体内的磁场一定等于零，即具有完全抗磁性。超导体内的完全抗磁性根源于导体表面的屏蔽电流。当超导体进人超导态时，在其表面将产生一定的永久电流。该电流所产生的磁场在超导体内与外磁场方向相反，彼此恰好抵消。从而使超导体内的总磁场强度为零，起到屏蔽外磁场的作用。超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象，磁悬浮現象在工程技术中有许多重要的应用。如用来制造磁悬浮列车和超导无摩擦轴承等。

2 超导计算机技术的应用

2.1 超导量子技术

通过对超导体中的微观电子（库珀对）用宏观世界波函数加以描述，以波函数的参量变化描述大量库珀对的集体运动。超导量子计算的基本单位是“量子比特”，超导量子器件形成能够控制的稳定状态，从而超导量子器件能像半导体电路一样进行逻辑运算。但对于量子态本身是由多个本征态按一定几率组合而成的，在发生相互作用时，将共同影响到多个本征态，由量子比特构成的数字运算逻辑，本质上相当于经典计算机的并行计算，因此，量子计算更快，更强大。当组成纠缠的两组量子波函数其中之一受到影响时，另一组也会立刻发生变化，这种作用是不可逆的，由此便有可能远程传递信息，或标志信息的状态，从而实现高度可靠的信息加密和传输。超导量子器件的基本结构多是基于超导薄膜，通过光刻等手段实现阵列等复杂结构，研制具有快速开关能力的超导开关器件、超导随机存储器等，应用这类器件，可开发出具有超高速转换能力（10GHz以上）和高精度（nV级）的模拟-数字转换器件，广泛应用于科学研究、信号处理、医学、工业检测等领域，这是当前量子计算技术所能预见的重要发展方向之一。超高速超导快速单通量量子（RSFQ）电路技术是构建未来超级计算机的首选技术。虽然超导量子计算和超导计算技术的实用化仍将面临较大的原理和技术挑战，但从超导快速单磁通量子技术的发展现状来看，已经可以开始实施大规模的开发计划。应当开展超导快速开关器件及基于超导结阵列电压基准和集成超导快速开关器件的超导模数转换和高精度电压探测比较器的研究。该工作一方面可用于精密测量，另一方面也可作为未来超导量子计算机的数据输入输出单元，实现其与外界的有效接口。

2.2 超导技术在电力工程方面的应用

随着社会的进步，对电能的需要迅速增长，但输电过程中电能的损耗已成为日益严重的问题。而超导输电，只要电流密度不超过临界电流，超导体无电阻，原则上可以做到完全没有焦耳热的损耗，因而可以节省大量能源。用超导线绕制并构成闭合回路，对其励磁，超导线圈中储存的能量可以无损耗的长期保存，超导线圈储能密度高（可达50J/cm3），可以瞬间输出巨大脉冲电能。超导储能在军事上有着重要应用。超导线圈用于发电书毛和电动机，则可以大大提高效率，降低损耗，提高功率密度，从而导致电工领域的巨大变革。

2.3 超导技术在信息医疗和输送系统上的应用

在医疗系统方面，利用核磁共振的磁共振图象装置的超导化，是超导材料在医疗系统应用的典型例子，这就是MRl装置。除外，超导体还可做成心磁计、脑磁计、肺磁计等微弱号的传感器。超导磁悬浮作用可使列车产生悬浮、导向和推进作用，把超导磁体装在车厢内，轨道侧则装上起悬浮作用和推进、导向作用的两种常规导电线圈，就可使车轮与铁扒之间的无摩擦驱动，因此可以实现高速运转，而且无噪声无松动，只有风声，轨道上不再留下痕迹。除外，利用超导电磁作用可以设想制造风磁推动船。其具体设想是：超导磁体放在船内，利用海水导电电流与磁场的相互作用而使船体取得推动力，而且不再有螺旋浆一类的转动部件。推动力的大小与海水中导通电流值与磁场强度成正比。为了实现这一目标还有许多难题需要解决，如海水的电抗大、海水通电会出现海水电解（产生氯气）等。由于太空是一个高真空、极低温和无重力场的环境，因此，超导现象能大量典用于宇宙空间。一方面超导材料与元器件可利用宇宙条件进行加工制作，另一方面，超导器件可以广泛应用于飞行器上，如微波、红外传感器、探测器，还可利用超导磁体装制飞船的推进器。

3 结语

超导计算机作为引领21世纪计算机的重要发展方向，正在吸引各国的积极研究。当前虽然超导计算机的概念被广泛提及，然而应当客观地看到，超导计算机距离大规模应用还有很长一段路要走。众所周知，超导体要达到超导状态，需要极低温的工作环境，这是一个不可回避的制约因素，在这个阶段，至少应该破坏液氮温度区（90K）以上的高温超导材料。尽管遇到不少困难，专注于超导计算机的研究都可以为计算机技术的发展提供新的思路。

参考文献

[1]官伯然.超导电子技术及其应用[M].科学出版社，2015.

[2]陶伯万，熊杰，刘兴钊.YBCO超导带材研究进展[J].中国材料进展，2015，28（4）.