量子世界“穿墙魔法”手册

 

 

江湖上一直流传着一种穿墙秘术。

近百年来，根据科学家的猜测和计算，

这种“穿墙术”确有可能，

它的学名叫作“量子隧穿”。

 

听上去有点离谱，

可在神奇的量子领域，倒也正常。

直到近日，“量子隧穿”这种现象

才被科学家直接观测到。

量子隧穿是什么

 

假如你是一颗萌萌的粒子，

想要穿过一堵“墙”。

根据经典物理学，

你会碰得鼻青脸肿。

 

但在量子物理学中，墙的本质是能量势垒，

也就是基本无法打破的次元壁。

粒子不仅是物质还是波，

是波就有微乎其微的几率穿透能量墙，

这就是所谓的“量子隧穿”。

 

那么这个几率到底是多少呢？

通过薛定谔方程可以求出穿墙概率。

既然人是由粒子组成的，

我们把人的质量代入方程，

就能得到一个不为0的数值。

 

只是这个值在微乎其微面前就是个小老弟。

人差不多由5千亿亿亿个原子组成，

假设一个人的体重50kg，墙厚1m,

能随意穿墙的概率是

10的1千亿亿亿亿（别数了，35个0）次方分之一。

不能说是完全不可能，

只能说是活久永不见。

量子隧穿的应用

 

虽然我们暂时穿不了墙，

也许能先穿点其他东西。

如此神奇的量子魔法，

在现实世界其实已经有了不少应用。

 

比如单电子晶体管、隧道二极管、

扫描隧道显微镜、量子计算机，

乃至太阳能电池，

都是靠量子隧穿实现的。

 

量子隧穿带来的挑战

 

量子隧穿大法虽好，

但也造就了粒子一身反骨。

对于追求先进工艺的芯片圈来说，

实在是有点令人下头。

 

随着芯片尺寸不断缩小，

当硅基芯片突破1nm工艺后，

电子任性穿墙的可能性大大提高，

导致芯片性能不稳定、功耗增加、可靠性下降。

 

在量子芯片中，

隧穿效应帮助量子比特跨越障碍，

提高量子计算的效率和准确性。

但隧穿效应也会破坏量子比特的状态，

又导致量子计算的错误和不稳定性。

 

 

解决量子隧穿的方法

 

考验物理学边界的时候到了，

为了克服量子隧穿效应对芯片的影响，

需要不断开发新的材料、

器件和工艺技术。

 

目前最流行的方案是从材料端突破，

采用铪和锆的金属氧化物，

来替换芯片的硅基底，

增加电子穿越的难度。

 

也可以另辟蹊径，

引入立体的晶体管FinFET，

使用更厚的栅极氧化层，

减少漏电流的产生。

 

针对“后FinFET”工艺的新一代半导体技术，

新思科技DTCO解决方案

在早期就能做出评估和选择，

实现晶体管架构、材料和其他工艺技术创新。

 

此外，模拟平台QuantumATK，

在建模时打破物理尺寸极限，

从最底层分析未来器件和材料发展，

也能让摩尔定律得以延续。