世界高科技系列报道之十四：量子效应电子学将导致新的电子革命

【美国《技术评论》杂志文章】题：探索一种崭新的电子学
今后一二十年内，传统电路将走到尽头，要使电子革命延续到下个世纪，我们需要彻底脱离传统形式的电子装置和电路。一个原因是，晶体管小型化超出一定尺寸，它们就不能很好地工作。另一个原因是，每一个晶体管都必须有线连接其每一个终端。随着填塞到一个小面积上的晶体管越来越多，我们遇到了多层纵横交错接线的恶魔。接线和晶体管放出热量的散热问题最终成为一个限制因素。
为了绕开这些障碍，我们需要找到崭新的电子学方法，能使我们继续缩小半导体器件并提高填塞密度又不招致困难的方法。一个可能性就是“量子效应电子学”，在这一较新的研究领域内，半导体结构非常之小，足以利用电子的量子性质。
传统的晶体管尺寸大于电子波长，所以我们把它看成是“粒子”。晶体管特性基本不涉及量子力学。但是近年来，研究人员已开发出制造尺寸相当于电子波长的晶体管结构的方法。这使得科学家第一次能够观察到电子的类波特性。利用这种量子效应可能是电子学革命新阶段的关键，因为小尺寸是先决条件，而不是问题。结构或器件尺寸越小，它越能有效地发挥功能。
今天，最先进的商用晶体管尺寸约为０．７５微米，为头发直径的１％。正在麻省理工学院实验中的量子效应电子器件具有不是用微米而是用毫微米量度的特征。一些器件的特征尺寸只有２５毫微米，即一根头发的直径的三千分之一，或比１００个原子排起来大一点。
现时，我们对量子效应电子学的研究不以制造实用器件、电路或系统为目标，而是集中力量于制造量子效应结构，研究其特性，用它和他人发展的理论比较观测结果。我们相信，我们获得的知识最终可使我们能够制造出具有计算和其他功能的系统。这将建立在崭新的原理基础上，能够绕过传统系统的布线危机。如果我们成功，下一世纪的工程师将建造出新型计算机，其速度比现有机器高几个数量级，使可行系统能对人类语言作出反应，评价复杂的视觉图象，作出智能判断，进行巨大数字的运算、模拟问题。
目前的实验装置朝着在量子效应电子学基础上开发可能导致电路和计算系统的技术和方法迈出了第一步。
然而，这样一种小器件的制成并不意味着，在同样尺寸基础上制造电路是简单的任务。在量子效应电子装置能够有实际应用之前，我们必须发明新型电路，它们能执行计算和存储功能，而不必用金属线互连每一个开关。
最乐观的观察家认为，我们要等到２１世纪才有基于量子效应电子学的计算机问世，并提供和他们所希望的性能。