论文拓扑绝缘体真的可以做芯片吗？，本文是芯片方面有关毕业论文范文与拓扑和绝缘体和芯片有关本科论文怎么写.
文/轩中
2018年12月,张首晟教授意外离世,作为一个著名科学家,他的去世在网络上引起了很多流言蜚语.在所有的网络流言中,有一种典型的说法是,张教授预言的“拓扑绝缘体”被认为是下一代芯片的好材料,华为曾经与张教授谈过这方面的事情.
华为确实曾经与张首晟教授有接触,至于华为对张教授做了什么方向的技术咨询则不好乱说,因为张教授不但是物理学家,他还是一个对区块链技术有独到见解的投资专家.网络上有很多人猜测华为希望用拓扑绝缘体这种新材料来做芯片是没有根据的,这些传言都是捕风捉影而已.
在我们的调研中发现,用拓扑绝缘体做成芯片,把这两个风马牛不相及的概念联系起来需要很多勇气.这就好像说用引力波探测核潜艇,理论上确实可以成立,但这中间有非常多的逻辑链条需要补全.
做什么芯片？
自从中美贸易战正式打响,人们一看到高科技,就自动想到芯片,这里面夹带了很多爱国情怀,同时又夹带了很多似是而非的迷思.
那么问题来了,拓扑绝缘体到底能做什么芯片？
我们知道,目前手机用的芯片都是基于二进制的,说白了就是开关电路,也就是开关打开表示1,开关关上表示0.这些芯片基于传统的经典电路,我们把这种芯片叫做“经典芯片”.
那么,拓扑绝缘体真的可以做“经典芯片”吗？
不是这样的！
其实拓扑绝缘体在理论上可以做量子计算机,但并不能做经典计算机.因此,大家要注意的是,这里有2个关键词,一个是“理论上”,另外一个是“量子计算机”.所以,拓扑绝缘体“理论上”是可以做“量子芯片”.
我们知道,计算机的核心是芯片.而量子芯片与经典芯片是完全不同的两个概念,它们之间的差别就好像一个能吃的苹果与一个苹果手机那么大.虽然现在都叫“苹果”,但内涵差距很大.量子芯片与经典芯片也是一样道理,虽然都叫“芯片”,但其实并不是一个东西.
有拓扑绝缘体做量子计算机的实验吗？
那么,问题来了,既然拓扑绝缘体能做量子芯片,这个在理论上成立,在现实中已有相关的实验了吗？
答案是令人沮丧的,目前并没有任何一个成功的实验来证明这一点.虽然说“天使粒子”可以作为其中的一种实验模型,但目前看来,由王康隆教授研究组主导的这个实验暂时还不能被其他研究组重复,所以也许这个世界上压根就不存在什么“天使粒子”.
所以,从目前来看,说拓扑绝缘体能做量子计算机在实验上是站不住脚的——因为没有实验,只有理论,所以离产业化还有十万八千里的距离.
当然了,量子计算机已经存在了.目前主流的量子计算机是基于所谓的约瑟夫森结的,并不是基于拓扑绝缘体的.
既然拓扑绝缘体在实验上还没有实现量子计算,为什么坊间对它的期望那么高呢？这是因为传统的约瑟夫森结量子计算机很不稳定,物理上叫做“退相干”.也就是说,这个量子计算机很容易崩溃,一有风吹草动就死机了（从物理上来说,1个参与量子计算的量子比特,需要派遣10个量子比特去保护它）.而拓扑量子计算机的好处是它比较稳定,一旦实现就不容易崩溃（这就是所谓的“拓扑稳定性”）.但问题在于,现在拓扑量子计算机还仅仅是一个猜想,还没有在实验上被做出来,所以说拓扑绝缘体能做芯片这还仅仅是一个猜想——这就好像有人猜想星际战争时代人类会雌雄同体一样,这都发生在遥远的未来,而且仅仅是其中一种可能性.
什么是拓扑绝缘体？
说了那么多,那么,到底什么是拓扑绝缘体呢？
拓扑绝缘体是拓扑物态的一种,就好像苹果属于水果一样.这里说的“拓扑”,实际上就是普通老百姓说的“形状”,比如一个自行车内胎有一个形状,数学家说它有一个拓扑.当然了,对于拓扑绝缘体来说,这个拓扑说的是电子能带的波函数在动量空间的拓扑.
2016年的诺贝尔物理学奖奖励给了拓扑物态的提出者,这几个提出者中没有华人.当然这些获奖人中并不包含张首晟教授.
但是,张教授并不是对拓扑绝缘体的发现没有贡献.相反,张教授最大的贡献是预测了拓扑绝缘体可以在什么材料中被发现.张教授等人一开始在2维材料上预测了拓扑绝缘体的存在,而后来中国科学院物理研究所的研究人员在3维材料上也预言了拓扑绝缘体的存在,这大大拓宽了这一领域的研究.目前,已经发现的拓扑绝缘体材料已经有几百种了,这一研究领域可以说是如火如荼.在这个意义上来说,张首晟的开创性工作是很了不起的.在理论上预言存在拓扑绝缘体是没问题的,但预测在什么现实材料中找到拓扑绝缘体才是真正厉害的,这需要一种从天上看到人间的能力.
拓扑绝缘体其实并不是不能导电,而是这种材料只有表面能导电,但内部是绝缘的.而且表面导电的时候,其功耗很低——不会产生电子运动的焦耳热,因此如果用来做量子芯片,其能耗是很低的.
拓扑绝缘体如此重要,为什么现在还没有得诺贝尔奖呢？
这是因为拓扑绝缘体属于拓扑物态的一种,而拓扑物态在2016年刚得诺贝尔物理学奖,按照诺贝尔奖在物理领域四年一个循环的惯例,拓扑绝缘体最早只能在2020年有可能得到诺贝尔物理学奖.在这个意义上,张首晟教授是有一定的可能性得诺贝尔物理学奖的——当然了,拓扑绝缘体并不是张教授第一个提出来的概念（Charles Kane 与 Eugene Mele比张教授早一年提出这个概念）,因此如果得奖,他应该是有一定的可能性可以分享诺贝尔物理学奖而不是独享.
未来的产业展望
中兴事件以来,中国民众对芯片核心技术的渴望与日俱增.芯片产业也得到了国家的大力支持.
实际上,张教授所从事的拓扑绝缘体研究与芯片领域的联系是遥远的,现在连实验都没有,所以无论在器件层面还是在应用层面,这拓扑绝缘体与芯片只有遥远的距离.这个遥远的距离至少需要15年的时间才可以弥补,也许在15年后我们能用拓扑绝缘体做成真正的量子芯片.但目前看来,量子芯片还不是一个产业,它只是一个科学研究的小众领域.
对于中国来说,当前最重要的还不是关注拓扑量子芯片这种暂时看不到收益的新型产业,而是要在经典芯片领域解决核心技术难题,比如攻克光刻机技术与EDA设计软件的瓶颈,这样才可以迅速突破美国在芯片领域对中国的封锁.量子芯片虽然是未来的朝阳产业,但“远水解不了近渴”,暂时还不能对这个量子芯片抱有太大的希望.
在中美贸易摩擦不断升级的大背景下,同时经典芯片领域面临摩尔定律的极限,但对中国来说,中国并没有完全吃透整个经典芯片的设计与制造流程.在5G时代即将来临的时刻,中国应该加快自主研发5G芯片,同时在CPU等核心芯片上加快研究步伐,争取早日突破西方国家在经典芯片领域对中国的卡脖子行为.
至于拓扑绝缘体做量子芯片,暂时还可以缓一缓,毕竟这后面有太长的路要走.对中国来说,其当下的力量,不是量子芯片,而是突破经典芯片.
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参考文献：
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