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文/陳啟東(中研院物理所)
 新的電晶體   簡介「單電子電晶體」的進展與應用
2003.10.19 中國時報

利用超導單電子箱的結構廣受重視

後,再談談SET對量子電腦研究的影響。近幾年來科學家對量子電腦的實現充滿極大興趣與信心。量子電腦的基本單元為量子位元(quantum bit) ,量子位元的成立條件是可以做任意方式疊加(superposition)的雙能階系統(two-level system)。此一任意方式疊加的特性正是古典位元和量子位元的差異處。想像一質點放置於W形位能井中。

古典物理中,該質點可以在左或右兩個谷底獲得穩定狀態,但其僅能存在左或右兩個位能井中的一個,然而相同的模型在考慮量子現象時,必須考慮質點能夠穿隧中央位能障壁的事實。當中央位能障壁無限高的情況下,系統在左邊和右邊位能井各有一量子狀態。 當中央位能障壁降低時,質點開始能夠穿隧中央位能障壁。

此真正的物理狀態無法區分左或右位能井,而形成任意可能的疊加態。要進一步進行量子計算則必須同時控制多個量子位元,利用彼此之間耦合形成纏繞態(entangled states),來展示邏輯運算。目前在實現量子電腦的研究中,利用超導單電子箱的結構廣受重視,潛力無窮。

於SET具有量子極限的靈敏度,所以不只可以當作偵測器,還可以作為固態量子電腦的讀取元件。利用超導SET來量測電荷位元,其工作原理大抵是利用量測其傳輸性質(也就是系統受到外界電場後的反應),來決定元件的量子狀態。例如電流訊號代表電荷的傳導,而電壓訊號代表磁通的傳導 。

SET而言,直接的電性量測速度很慢。我們可以設計一個包含SET的高頻共振腔,那麼SET的阻抗變化應該會改變高頻共振腔的共振頻率。如果我們能夠使共振腔的共振頻率達到微波頻率,便可以運用微波技術將SET的量測速度提高到微波頻率。這樣的觀念做出來的偵測器,稱為高頻單電子電晶體(RF-SET),它實際上已然是一種高速量子位元的讀取裝置。

而言之,SET開創了一個嶄新的研究領域,讓我們能用一個巨觀的系統,觀測並控制單一個電子的行動。雖然此一領域發展的時間相當短,但是不論在基礎研究或應用領域都有突破性的進展。因此,在這個要求體積小、消耗功率小的電子元件的時代,預期SET將成為21世紀新一代最重要的奈米電子元件之一。



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