打破壟斷，我國首款量子計算機用稀釋制冷機問世！超導(dǎo)技術(shù)如何改變世界？ _生活百科

2月26日，安徽省量子信息工程技術(shù)研究中心和科大國盾量子技術(shù)股份有限公司聯(lián)合發(fā)布消息說，國產(chǎn)稀釋制冷機ez-Q Fridge完成性能測試，顯示該設(shè)備實際運行指標達同類產(chǎn)品國際主流水平，成為國內(nèi)首款可商用可量產(chǎn)的超導(dǎo)量子計算機用稀釋制冷機。稀釋制冷機是構(gòu)建超導(dǎo)量子計算機的關(guān)鍵核心設(shè)備。超導(dǎo)計算機的發(fā)展離不開超導(dǎo)材料，通常需要低溫條件下設(shè)備才能運行。那么什么是超導(dǎo)材料，低溫運行又是怎么一回事？讓我們一同走近超導(dǎo)材料，了解它的前世今生。
【打破壟斷，我國首款量子計算機用稀釋制冷機問世！超導(dǎo)技術(shù)如何改變世界？】要了解超導(dǎo)材料，還要從超導(dǎo)現(xiàn)象說起。1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯將金屬汞冷卻到4K（K為開爾文溫度，4K約等于-269.15℃）以下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電阻幾乎降為零，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象的起源。隨后，超導(dǎo)材料的研究成為了一大熱點。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn) ，當(dāng)一個磁體與一個超導(dǎo)體彼此靠近時，受磁體磁場影響，超導(dǎo)體表面會形成超導(dǎo)電流。超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁?。誄繼迥誆坑氪盤宀拇懦〈笮∠嗟取⒎較螄嚳?。二者抵消后，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強度變?yōu)?，也就是說超導(dǎo)體具有了抗磁性。這一現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng) 。1962年，約瑟夫遜研究了兩塊超導(dǎo)體被一層薄絕緣介質(zhì)分開后，在材料兩端施加電壓，電子會從一端穿過絕緣體到達另一塊超導(dǎo)體，就好像超導(dǎo)體與絕緣體之間存在隧道一般。這種現(xiàn)象叫作隧道效應(yīng) 。而當(dāng)去除電壓，神奇的事情再次發(fā)生，兩塊超導(dǎo)體之間仍會存在微弱的電流，這就是超導(dǎo)體的約瑟夫遜效應(yīng) 。簡單來講，超導(dǎo)體具有零電阻特性、邁斯納效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)三種特性。顧名思義，超導(dǎo)代表著超導(dǎo)電性，是指一種金屬、合金或者化合物材料在一定的溫度下，電子在其體內(nèi)可以自由流動，即電阻為0 。
那么，一定的溫度條件是多少呢？超導(dǎo)材料分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。但這里的高溫和低溫并不是我們平常生活中理解的高溫和低溫。低溫超導(dǎo)體的臨界溫度低于25—30K，高溫超導(dǎo)體臨界溫度高于25—30K 。低溫超導(dǎo)體的冷卻劑為液氦，溫度為4.2K以下，高溫超導(dǎo)體的冷卻劑為液氫和液氮。可是，為何會產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象呢？1957年，巴?。˙ardeen）、庫珀（Cooper）、施里弗（Schrieffer）三人提出的理論率先向世人揭示了超導(dǎo)現(xiàn)象的原因。這一理論將超導(dǎo)現(xiàn)象理解為一種宏觀量子效應(yīng) 。該理論指出，超導(dǎo)材料中自旋和動量相反的兩個電子可以配對形成“庫珀對”，超低溫環(huán)境中“庫珀對”與電子晶格不發(fā)生能量交換，在晶格中可以無損耗地運動，即電阻消失，產(chǎn)生超導(dǎo)電流。低溫超導(dǎo)材料的主要代表有鈮鈦合金（NbTi）、鈮錫合金（Nb3Sn）、鈮鋁合金（Nb3Al）等合金，但由于低溫超導(dǎo)材料需要昂貴的液氦環(huán)境，使它的應(yīng)用受到了限制。高溫超導(dǎo)材料可在廉價的液氮制冷環(huán)境中使用，主要代表有釔鋇銅氧（YBCO）、鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）等化合物。
科學(xué)家認為基于超導(dǎo)的技術(shù)，可以改變世界。那么，超導(dǎo)材料具體有哪些應(yīng)用呢？
超導(dǎo)磁體是超導(dǎo)材料應(yīng)用最多的一個領(lǐng)域，它在醫(yī)療領(lǐng)域有很多用處。在醫(yī)學(xué)檢測的核磁共振成像技術(shù)中，病人檢測時需要一個強磁場環(huán)境，由超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)線圈由于0電阻特性，電流可產(chǎn)生強大的磁場滿足該需求。
大型科研設(shè)備，比如高能粒子對撞機、粒子加速器等都離不開超導(dǎo)磁體，通過傳統(tǒng)導(dǎo)線運輸?shù)碾娔軣o法避免電阻耗能的問題，約10%的電能會以熱量的方式被浪費。而超導(dǎo)電纜的零電阻特性可有效避免能源損耗，比普通電纜能節(jié)省40%—80%的能量。
超導(dǎo)計算機是21世紀計算機領(lǐng)域重要的研究方向，僅基于簡易超導(dǎo)器件的超導(dǎo)計算機，就可以每秒執(zhí)行500億次指令，比目前最快的硅基材料還要快100倍。
利用超導(dǎo)技術(shù)，在武器裝備方面可以制造超導(dǎo)量子干涉儀，展現(xiàn)出對周圍環(huán)境磁場及其靈敏度的識別能力，還可用于制造超導(dǎo)紅外探測器，以及超導(dǎo)電磁推進系統(tǒng)、超導(dǎo)坦克、超導(dǎo)飛機、超導(dǎo)太空發(fā)射器等。
超導(dǎo)材料的應(yīng)用絕非只有這些，人類對于超導(dǎo)材料的探索從未停止，超導(dǎo)體展現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展態(tài)勢。縱觀百年發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)已在影響世界，且還有廣闊的研究空間造福人類生活的方方面面。
（莫尊理系西北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，呂文博系西北師范大學(xué)碩士研究生）

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