拓扑绝缘体对提升传统计算机硬件能力与对提升量子计算机量子比特鲁棒性等意义重大

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拓扑绝缘体对提升传统计算机硬件能力与对提升量子计算机量子比特鲁棒性等意义重大

拓扑绝缘体对提升传统计算机硬件能力与对提升量子计算机量子比特鲁棒性等意义重大

拓扑绝缘体这个诞生20年的概念之所以如此受学界和产业界青睐,是因为其中蕴含着巨大潜力,能够捅破压在半导体产业头顶的技术天花板,计算机硬件带来颠覆性变革了解计算机发展史的读者肯定记得,基于电子管的初代计算机,集成度和处理效率都非常低。彼时一台计算机动辄如一座小型发电厂般庞大,计算能力却赶不上现最廉价的计算器。后来半导体技术闪亮登场,晶体管取代了电子管,计算机硬件的发展才开始走上了高歌猛进之路。
经过半个世纪的指数级发展进步,如今半导体产业可谓已登峰造极。然而传统半导体技术在基本原理层面的一个又一个瓶颈,正在成为阻挡摩尔定律的高墙。从单晶硅的纯度到刻蚀的精细度,从磁密度到堆叠层数,这些已经迫近理论极限边缘的完美工艺水平,恰是传统半导体强弩之末的体现一方面,硬件基础在旧原理中,靠拼命提工艺已经很难再挤榨出油水。另一方面,软件和应用需求仍然保持指数级甚至更快的发展速度。
举个最明显的例子。一万亿千瓦时(度),这是国际能源署预计2026年全球AI基础设施用电量的总和,相当于日本这个耗电量排名第5的国家,2024年总数。AI太费电了!CPUGPU耗电量如此之高,根本的原因是普通半导体和导体搬运电荷的方式就如同逆风划船一般低效。不仅克服电阻本身需要耗能,而且由此产生的热量也需要额外消耗能量进行散热配套的风冷甚至液冷系统,功耗常会超过计算和存储器件本身的功耗。如果有材料能够提供更高效电荷搬运方式,计算机的总体能耗无疑将会大大下降,集成度和算力密度也可以显著提高。拓扑绝缘体中,就蕴藏着解决这个问题的新物理规律
除了提升传统计算机硬件能力,拓扑绝缘体对量子计算机也意义重大。目前量子计算机都需要在接近绝对零度的极低温环境中工作,因为承载量子信息的量子比特,以及量子比特之间的纠缠关系,都是肥皂泡般脆弱的量子态。倘若与环境发生哪怕一丢丢能量交换,量子态就会发生变化,从而可能丢失量子信息,也就是所谓“退相干”。
即便将量子计算机放置于低温度且与世隔绝的地下矿井中,仍然难免宇宙射线或其来源的外界干扰破坏。为了维护娇的量子信息工程师们不得不像叠buff一样疯狂使用各种冗余纠错机制。实践中,每个逻辑量子比特实际对应的物理量子比特数量大到惊人。不是两倍、三倍,而是至少几十倍、百倍,甚至千倍也不稀奇如何用更抗干扰的量子态承载量子信息,是量子计算机目前所面临的最大挑战之一。拓扑绝缘体中恰巧就蕴含着一种不易被环境破坏的量子态,能够显著提升物理量子比特的鲁棒性。

拓扑绝缘体的边界导电特性和自旋-动量锁定,为降低计算能耗和提高电子器件效率提供了新的途径;其诱导的拓扑超导态可能实现马约拉纳量子比特,显示了容错量子计算的潜力。这标志着计算技术从电子电荷控制向自旋与拓扑性质利用的根本性转变,为未来高效、低功耗且兼具经典与量子计算的新型信息技术提供了全新的方向。

原文链接:拓扑绝缘体,为何能成为凝聚态物理的明星?

 
chengsenw
  • 本文由 chengsenw 发表于 2026年1月9日 03:01:17
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