如何创建量子计算机

近年来，技术取得了长足的进步。它以令人印象深刻的速度运行，要跟上它并不容易。想想智能手机及其多种形式的电信技术，从 4G 到 5G。光纤是一种简单的玻璃结构，通过发射简单的光量子：光子，使我们的家中以可承受的价格拥有非常高速的有线互联网成为可能。

不仅如此，物联网和工业 4.0 使我们的系统更加智能，通过超高效的无线技术远程控制它们，以优化我们在家庭和工业方面的功能。人工智能的出现 即将到来的量子计算机将能够解决相对论量子力学、化学和生物学领域以及从宇宙接收到的信号研究领域的几个与科学相关的问题，以试图回答以下问题：我们是孤独的吗？在宇宙中？但最重要的是，为什么我们“被迫”留在地球上，却发现很难“简单地”离开并访问属于我们太阳系的其他“附近”行星？如您所知，离开大气层需要巨大的能量，并且需要很长时间才能到达附近区域（如月球）。我们受到惩罚了吗？光速存在并且不可能达到光速的事实本身就是一种惩罚。

一切都围绕着量子力学。想想我们将详细看到的量子计算机，或者带有晶体管和集成电路的基本电子设备，它们按照电气工程定律适当组装，让我们的智能手机和可穿戴设备工作，然后想想所有的电子设备我们越来越多的连接和众多的电动汽车。

本系列文章的目的是突出（在我看来）纯物理和技术的主题。从量子力学开始，我们将最终谈论能量。

在每篇文章的末尾，您会找到一个简短的文章和书籍列表，以深入了解该主题。显然，在某些情况下，需要高水平的物理和数学知识，但我试图简化并让每个人都有机会接触量子物理学和技术的不同方面。您会注意到，一些技术知识需要进行布局。

我在 12 岁时爱上了电子产品，当时我第一次打开了电子管电视，然后构建了一个简单的 RC 电路（工程师会明白我在说什么）。从那时起，我享受着冒险的每一分钟。在完成工程学习后，我的另一爱好——物理学完成了我的科技之旅，在此过程中我结识了来自许多国家的科学家和工程师，并有机会讨论各种话题。科学和技术的知识，科学家和工程师的视野，反之亦然，让我从研究的角度（为什么我们会被引力波轰炸？）以及从工程的角度看待事物（我们如何检测引力波？）。

在这个系列中，我邀请您乘坐我的时间机器，并通过不同的阶段潜入物理和技术。

你准备好了吗？你坐得舒服吗？这辆车是 DeLorean，但相信我，内部 LED、LCD 屏幕和声音会解释所有细节。我忘了提到它没有停车传感器。

我们将从量子力学开始。为什么是量子力学？我们对构成物质的粒子性质的最好描述是由这门仍然被误解的科学描述的。任何物质的圣杯都是量子力学。

然后，我们将了解如何 创建量子计算机 并解释相对论，爱因斯坦的理论，随着引力波的探测和未来的太空旅行，它已经改变并正在改变物理学。时间旅行可以吗？我们为什么要去月球？人工智能将带领我们探索其他行星的存在。人工智能将成为新的爱因斯坦。所以我们会从各个方面来谈人工智能，包括工业方面。

在这个主要集中在物理学的广泛概述之后，我们将转向电信领域的技术，特别是电动汽车、微电子和能源。我们将应用量子力学的概念，从宏观角度分析技术能够实现的目标。

随着云计算的兴起、人工智能的普及以及物联网驱动的大数据的更多使用，数据通信层从未像现在这样更快和更多，电信从未像现在这样参与硬件和软件挑战，需要更高效的电子设备（想想 5G 和即将到来的 6G）。

影响我们所有人的一个问题是能源。我们周围有很多能源，我喜欢称之为自由能源或开源能源，只是应用物理学来为每个应用程序收集大量电力，为各种电子系统供电或充电。物理学家正试图发现每天影响我们的所有这些能量的科学意义。工程师想要收获它，以便能够以绿色方式为他们的设备供电。我们希望我们的设备无需电池。我们还在等什么？智能电网如何提高能源管理效率？

几年来，配电系统对能源效率的需求，以及可再生能源的大规模整合，在新材料的出现推动下对新技术的需求增加。电力电子是解决许多效率挑战的关键。随着支持 5G 和快速充电的高传输速度的新型微电子技术的出现， 氮化镓 和碳化硅等新型宽带隙半导体将参与其中。 GaN 和 SiC 将在电动汽车、5G、音频和整个动力总成领域等领域得到广泛应用。技术演进正在加速其应用，硅将很快离开大功率领域。

 

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功率器件将提高 汽车 和节能应用以及所有高压 工业 应用的效率和性能。具有高功率密度的强大、高效且具有成本效益的功率器件在使全球经济有效减少碳排放方面发挥着关键作用。气候变化正在推动替代能源的使用，紧随其后的是汽车电气化。Covid-19 大流行增加了对个人电脑、平板电脑、手机和服务器等电子设备的需求，以更有效地转换能源。随着 5G 设备和整个 物联网等新技术的推出，这一趋势将继续下去。 管理能源转换和消耗对于企业降低成本也至关重要。所有这一切都发生在一个会有越来越多的居民、越来越多的电子设备、越来越少的资源、被气候变化破坏的土地和越来越多的垃圾的星球上。技术进步是推动人类复苏和未来的唯一武器。

与冠状病毒大流行相关的一个好消息是，这场危机似乎正在加速 从基于化石燃料的能源向可再生能源的转变。随着能源生态系统转向绿色，大流行可能会加速这一进程。经济发达国家正在实施更雄心勃勃的气候政策和增加碳税，重点关注绿色转向以刺激经济复苏。电动汽车、混合动力汽车和氢动力汽车销量的增长也将抑制对石油的需求。

总之，我们将通过历史回顾来了解过去和不久的将来之间的差异。我们准备好迎接下一个技术了吗？教育应该扮演什么角色？

但是等等，还没有结束；我将带你进入一个平行的幻想世界，在那里你会遇到四个标志着一个时代的科学家：爱因斯坦、麦克斯韦、牛顿和 特斯拉。在一次想象中的相遇中，他们将面对当代技术，并表达他们对我们的生活如何因他们的发明而进化的反应和想法。　　

      审核编辑：彭静