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发布时间：2023-11-12 06:44:58 来源：文档文库
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龙源期刊网http://www.qikan.com.cn约瑟夫森结的研究进展作者：田静王楠来源：《科技视界》2013年第15期【摘要】本文介绍约瑟夫森结的基本概念，理论及其应用领域，并将约瑟夫森结未来研究方向及发展趋势进行分析。【关键词】约瑟夫森结；超导体；量子计算机0引言1约瑟夫森效应1.1直流约瑟夫森效应1.2交流约瑟夫森效应2约瑟夫森结的应用约瑟夫森效应不仅生动地显示了宏观量子力学效应，具有重要的理论意义，而且具有广泛的实际应用。约瑟夫森结是目前应用广泛的超导量子器件。如超导量子干涉仪，混频器和参量放大器等器件。本文主要从通信，生物，量子计算机等方面介绍约瑟夫森结一些应用。2.1约瑟夫森结在通信方向的应用作为一种高度的非线性器件，约瑟夫森结及阵列中存在着复杂的混沌行为。由于混沌在信号处理和保密通信等领域都具有重要的研究和应用价值[5-9]，再加上约瑟夫森结型器件本身具有低噪声，低功耗和高工作频率等独特的优点，约瑟夫森结及阵列中的混沌行为受到了广泛关注。由于约瑟夫森结与阵列可以工作在THZ频率范围内，其混沌行为可以用于THZ频率范围的超高速混沌保密通信。但由于约瑟夫森结工作频率极高，混沌同步难于实现，因而，目前对此的研究几乎没有报道。约瑟夫森结与阵列中存在明显的混沌行为，而以混沌理论为核心之一的非线性科学被誉为本世纪相对论和量子力学以来第三次科学革命，利用同步的混沌系统进行保密通信是当前国际研究的一大热点，正在成为高新技术的一个新领域。2009年，周铁戈等研究了约瑟夫森结的混沌行为及其在保密通信中的应用，发现电阻一电容-电感并联的约瑟夫森结在直流电流驱动下会出现混沌行为，并在此基础上首次提出了基于约瑟夫森结混沌行为的保密通信方案[10]。
龙源期刊网http://www.qikan.com.cn2.2医用生物领域的应用在医学方面，超导量子干涉仪可以测出非常弱的磁场，如人体的肺磁，心磁，大脑神经磁信号。这有其独特的优点，磁测量不需要与被测体接触，它属于非接触测量，这就避免了在表皮上可能引起的干扰变化。另外，磁测量在没有体内电类似物时也可以测量，例如可以测量人体肝中的含铁量等[11]。在生物方面，2010年，PATRICKCROTTY提出由约瑟夫森结构成的超导电路能够模拟生物神经元的复杂行为和动力学特性，如动作电位、不应期和阈值等[12]。由约瑟夫森结神经元构成的大型网络可以并行计算，其运算速度远高于经典神经元构成的网络。因此，约瑟夫森结神经元为研究神经元提供了一种新的工具，探索长期的神经元网络的大规模动态。所以，把约瑟夫森结的先进理论应用到量子网络神经元中，实现约瑟夫森结与量子计算两大优点的结合，将更大地提高量子神经网络的优越性。2.3量子计算机约瑟夫森结用作计算机的逻辑和存储元件具有输出电压高、开关时间短、功耗低等优点。其运算速度比现有高性能半导体集成电路快10～20倍，功耗小到四分之一。与传统超级计算机相比，量子计算机的运算能力要快数千倍甚至万倍。利用约瑟夫逊结可构成各种逻辑、触发器和存储器等电路。2011年D-wave公司宣布成功开发世界上第一台量子计算机工作模拟机，并完成了样机的测试工作。处理器的测试包含了128超导磁量子比特和2.4万个约瑟夫森结装置。运算速度是前代的四倍，理论运算速度已经远超当时的所有超级计算机。该计算机可广泛用于金融风险分析，生物信息学，情感分析，图像识别，医学图像分类和压缩传感等领域。2011年5月美国航空航天制造商洛克希德-马丁公司宣布购买了一台D-Wave量子计算机。2012年，D-WaveTwo量子计算机面世，其处理器达到了512量子位，它在某些领域的运算能力可以在很长一段时间内保持领先，售价1500万美元。D-WaveTwo工作时，环境温度必须保持在20mk（毫开式温标）。2013年5月16日，谷歌宣布，购入由加拿大D-Wave系统公司制造的第二台量子计算机，预计售价1500万美元，今年第三季度投入使用。这标志着我们离量子计算机生产的商业化更加接近了。2.4热“约瑟夫森结”当两种超导体被一个弱键连接在一起时，它们便形成一个“约瑟夫森结”，在其中，穿过这个结的电流由两种超导体之间的量子相差决定。近50年前，KazumiMaki和AllanGriffin预测了“约瑟夫森结”的一个热类似物。2012年，FrancescoGiazotto和MaraJoseMartnez-Prez已经实现了这样一个器件[13]，在其中，两种超导体之间的热流动也依赖于量子相差。这个效应有可能被用于固体纳米电路中热的操纵。
龙源期刊网http://www.qikan.com.cn3总结约瑟夫森结，因其功耗低，噪声低，工作频率高，分辨率高，反应速度快等优点。目前约瑟夫森结应用于多个领域。如在军事中应用，在地质也有着广泛应用，约瑟夫森效应的应用远不止上述这些。在信息社会中具有广阔的市场应用前景，且具有较高的科学研究价值，它对新技术的发展具有推动作用。如今超导数字电路，量子计算机和纳米材料的研究和应用的迅速崛起，使得约瑟夫森结这一基础课题的研究更为迫切。【参考文献】[1]B.D.Josephson.Possibleneweffectinsuperconductive[J].Phys.Lett.，1962，1：251-253.[2]A.Barone，G.Paterno.PhysicsandapplicationsoftheJosephsoneffect[J].NewYork：JohnWiley&Sons，1982：143-160.[3]解光军，庄镇泉.量子神经网络[J].计算机科学，2001，28（7）：1-6.[4]JosephsonBD.Supercurrentsthroughbarriers[J].AdvPhys，1965，14
