中国电子信息工程科技发展研究——量子器件及其物理基础专题

图书标准信息

• 作者 中国信息与电子工程科技发展战略研究中心
• 出版社 科学出版社
• 出版时间 2022-05
• 版次 31
• ISBN 9787030720092
• 定价 99.00元
• 装帧 其他
• 开本 其他
• 页数 236页
• 字数 160千字

【内容简介】

本书系统地介绍了基于量子效应设计和制作的量子器件，及其所遵循的物理规律。内容基本涵盖了典型的量子器件，主要包括：量子力学、固体能带论、低维结构等基础知识，基于量子效应的晶体管、隧穿器件和自旋电子器件等量子器件，各种量子结构的半导体激光器和光电探测器，量子传感协议、量子测量和典型量子传感器，以及各类量子计算器件等。

【目录】

《中国电子信息工程科技发展研究》编写说明

 前言

 第1章 量子器件的物理基础 1

 1.1 量子力学基础 2

 1.2 固体能带论 11

 1.3 光子晶体的物理基础 25

 1.4 半导体异质结、量子阱和低维系统 30

 1.5 二维电子系统的量子霍尔效应 46

 1.6 半导体超晶格的负微分电导效应及自发混沌振荡 51

 1.7 玻色-爱因斯坦凝聚和宏观量子现象 57

 参考文献 62

 第2章 量子电子器件 64

 2.1 高迁移率晶体管(HEMT) 64

 2.2 异质结双极晶体管(HBT) 69

 2.3 量子隧穿器件 73

 2.4 自旋电子器件 79

 2.5 超导隧道结器件 84

 参考文献 90

 第3章 量子光电子器件 92

 3.1 半导体激光器的工作原理 93

 3.2 半导体激光器的基本结构 96

 3.3 半导体激光器的特性 101

 3.4 量子阱激光器 108

 3.5 DFB激光器、DBR激光器和VCSEL激光器 110

 3.6 新型半导体激光器 115

 3.7 半导体光电探测器工作原理 121

 3.8 半导体探测器结构 127

 3.9 半导体光电探测器的性能 131

 3.10 多量子阱、二类超晶格红外探测器和单光子探测 138

 参考文献 143

 第4章 量子传感器件 145

 4.1 量子传感器物理基础 145

 4.2 传感过程的量子力学描述 150

 4.3 量子传感协议 154

 4.4 量子传感器的灵敏度和Ramsey测量、Rabi测量 158

 4.5 几种量子传感器 163

 参考文献 174

 第5章 量子计算器件 177

 5.1 量子计算的物理基础 178

 5.2 超导量子计算器件 182

 5.3 半导体量子计算器件 187

 5.4 光子量子计算器件 192

 5.5 离子阱量子计算器件 199

 5.6 中性原子量子计算 205

 5.7 其他量子计算器件 209

 参考文献 211

 第6章 总结和致谢 214

 后记 216

内容摘要
第1章量子器件的物理基础

19世纪末，英国著名物理学家汤姆孙总结了物理学所取得的成就，他说，物理学的大厦已经完美地建立起来了，但是晴朗的天空飘着两朵乌云，一朵是以太漂移，另一朵是黑体辐射的紫外灾难。汤姆孙勋爵一语中的，恰恰是这两朵乌云在20世纪初催生了现代物理学的两大支柱，以太漂移催生了相对论，黑体辐射的紫外灾难催生了量子论，进而发展出来对人类社会发展和我们日常生活影响巨大的量子力学[]。相比较于经典力学，相对论对人们看待时空带来了重大的改变。可是量子力学对于经典力学的革命性改变远远超过了相对论，比如经典力学和我们日常生活中习以为常的因果律、测量、轨迹等概念，都被如测不准关系、几率波、量子态等全新的概念所改变。量子力学无论是在物理理论发展方面，还是在实际技术应用方面，都取得了很大的成功。量子力学的所有结论都经受住了实验的验证，量子力学在原子分子物理、原子核物理、粒子物理、光学、凝聚态物理、化学、生物等领域都得到了广泛的应用。诺贝尔物理学奖很多颁给与量子论或者量子力学相关的成就。量子力学是晶体管和激光器的理论基础之一，晶体管和激光器的发明催生了个人计算机、手机、互联网、移动通信和光纤通信等信息技术，造就了我们现在所处的信息时代。

可是，由于量子力学的基本概念实在与人们对物理世界的感知完全不同，与千百年来人们对物理世界的认识所建立起来的常识相违背，人们很难理解和接受量子力学，一些重要的概念在很长一段时间里都存在着较大的争议。费曼这样的天才物理学家都自认为不懂量子力学。但是，随着技术的进步，实验能力的大幅度提高，更加进一步验证了量子力学的正确性。

本章是为读者对量子器件的理解提供一个初步的、概念性的量子力学基础。对于以先进半导体工艺制备出来的量子器件，读者掌握初等非相对论量子力学的一些基础知识及其在固体中的应用，就能够对量子器件的工作原理建立起基本的认识，有助于人们在科技政策制定、投资决策等提供必要的初步知识准备和常识。

我在这里提醒读者，看明白本章的内容基本上不需要数学基础知识，只需要读者清空自己的脑袋，不要去纠缠本章所叙述概念的背景，不要与我们周边的认知和常识相比较，建议以看科幻小说的方式和心态（需要说明的是，内容绝不是科幻小说，而是实实在在的物理学，当然，这个认知等看完了本章内容再回味效果会更好），轻松地阅读下去，就能欣赏量子力学的奥妙，掌握本章知识。

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精彩内容

本书系统地介绍了基于量子效应设计和制作的量子器件，及其所遵循的物理规律。内容基本涵盖了典型的量子器件，主要包括：量子力学、固体能带论、低维结构等基础知识，基于量子效应的晶体管、隧穿器件和自旋电子器件等量子器件，各种量子结构的半导体激光器和光电探测器，量子传感协议、量子测量和典型量子传感器，以及各类量子计算器件等。
 本书可作为非专业读者学习量子器件概念的读本、高校学生和研究生相关专业的人门教材，以及专业工作者比较全面和系统了解量子器件的参考资料。