19、计算技术中的物理与半导体器件探秘

计算技术中的物理与半导体器件探秘

在当今的计算领域，我们不断探索着计算机的能力边界，思考着我们能够做到什么以及无法做到的原因。这其中涉及到机器内部基本元素的组织方式、基础数学的限制，甚至是自然规律本身带来的约束。而在实际构建计算机的过程中，我们还面临着来自所使用技术的限制，包括材料的选择和基本组件的排列方式。

量子计算机的现状与展望

目前的量子机器在很大程度上并未充分利用量子力学微分方程的特定性质，只是尽可能地模仿传统顺序架构的数字机器。这就如同在传统机器中使用晶体管时，我们没有充分利用晶体管行为的模拟连续性，而是将其作为饱和的开或关数字设备来运行，以便更轻松地进行系统行为的逻辑分析。而且，该系统是绝对顺序的，例如在比较两个 k 位数字时，我们必须逐位进行。在这些可逆量子系统中，如何通过并发操作来提高速度尚未得到深入研究。

从理论和学术角度，我们研究了完整且可逆的系统。但如果这些微型机器能够实用化，那么在机器的操作过程中，进行不可逆且产生熵的交互是完全可行的。例如，在长时间计算中，确保游标确实到达某个点且不再返回可能是明智的选择。或者，将不可逆的内存存储（用于不常用的项目）连接到可逆逻辑或短期可逆存储寄存器等也是可行的。物理定律似乎并不阻碍将计算机的尺寸缩小到比特与原子大小相当，届时量子行为将占据主导地位。

半导体器件的物理原理

当前，大多数计算机基于半导体技术，其中二极管和晶体管等器件是机器的基本构建模块。我们对金属和其他材料电学性质的理解基于固体的“能带理论”。该理论认为，材料中电子可能占据的物理状态排列成一系列（实际上连续的）层，称为“能带”，每个能带具有特定的能量范围。这些能带是电子与其所在原子晶格中的母原子复杂相互作用的结果，