请详细论述物理学与技术的关系中的信息技术
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## 物理学与技术的关系中的信息技术

信息技术在现代工业中的地位日趋重要。计算技术、通信技术和控制技术已经从根本上改变了当代社会的面貌。信息技术的物理基础首先体现在电子学的建立。第一代信息技术所用的电子器件是真空电子管。早在19世纪末，汤姆孙在阴极射线的研究中发现了电子，随后L.F.李查孙通过热电子发射的基础研究，对于发展真空电子管技术起了关键作用。应该说真空电子管技术的重要性已经减弱，但有些地方仍然未被取代，如雷达技术中磁控管与速调管，电视技术中显像管等。第二代信息技术所用电子器件中则是半导体晶体管。1947年贝尔实验室的J.巴丁、W.H.布拉坦与W.B.肖克莱发明了晶体管标志了信息时代的开始。他们的发明是基于量子力学的固体能带理论启发下进行的，又有坚实的材料研究作为基础。随即发展了一系列半导体器件，建立了半导体工业。从离散的半导体器件到将有源器件和无源元件合为一体，即集成电路，又是一个飞跃，这是在20世纪50年代末实现的。而后集成电路向微型化方向发展，集成度约以每两年翻一倍的摩尔定律在增长。在40年代中建成的第一台大型电子计算机ENIAC，使用了18000个真空管，1500个继电器，几十万枚电阻器与电容器，自重30吨，耗电200千瓦。而今天一台笔记本计算机的性能完全可以超过它，显示了半导体技术对电子计算机发展的决定性影响。集成电路的微型化基本上是采用工艺手段使电路的几何尺寸缩小。最关键的是光刻技术；多种物理手段，如紫外线、电子束和X射线（包括同步辐射），用来减小刻线的细度。工业生产上已达到7纳米左右，实验室中却向更小的尺度推进。但微型化必然存在物理的极限。研究表明，到了几十纳米的量级，量子限制效应即已凸现出来。原来半导体器件工作的原理就不再适用。今后，可能需要用全新的技术来取代业已成熟半导体芯片工艺。量子阱、量子线、量子点等这类呈现新的物理效应的器件，都已受到重视。芯片性能的提高，取决于电路的运算速率和能耗的降低。用高迁移率的量子阱来代替常规的硅器件，在物理上是可行的。对于以砷化镓为基质的集成电路的研制工作也早已在进行。但砷化镓材料的质量控制比硅要困难得多，一系列工艺技术尚难于达到硅的水平，因而要用砷化镓集成电路来取代硅还并不现实。激光器的发明导致了光子学作为信息技术的另一物理支柱。早在1917年，爱因斯坦就认识到两能级的辐射中必须引入与受激吸收相对应的受激发射。但由于在热平衡态，在高能级上的粒子数小于低能级上的粒子数，因而受激发射为受激吸收所掩盖。50年代初C.H.汤斯及A.M.普罗霍罗夫与N.G.巴索夫分别使氨分子束实现了粒子数反转，观察到微波的受激发射。1958年，汤斯与A.L.肖洛提出了利用法布里-珀罗干涉仪作为腔体实现光的受激发射的激光器的设想。1960年，T.H.梅曼制出了第一台红宝石激光器，为光子学揭开了序幕。激光器一经问世，首先想到的重要应用就是光通信，因为高频的光波具有更大通信容量。但早期的进展都令人沮丧。激光器问世15周年时，虽然在测距、加工、准直、计量等方面取得了重要的成果，唯独光通信仍然停滞不前。在贝尔实验室，由于科学家的远见卓识和锲而不舍，研制出了低损耗的光纤，研制出稳定可靠、寿命超过一万小时的半导体激光器。这样就使光通信走出实验室成为一种重要的现代通信手段。光子学的发展，人们设想用光计算机来取代电子计算机。光的传播速度高，光的信息处理是平行式，对图像的处理应有其突出的优越性。光计算机的基本元件是高速的光双稳态元件，量子阱就是一个候选者。应该指出，光计算机尚处于探索的阶段，离实用还有相当的距离。当然，在电子计算机中采用部分的光学部件，如用于存储信息的光盘业已大量应用。铁磁性或亚铁磁性物质构成的磁存储器一直是计算机的重要配件。但传统的电子器件只是应用了电荷的输运，而忽略了自旋的输运。1988年A.费尔等在铁磁与非铁磁金属多层膜中发现了巨磁电阻效应，自旋输运问题取得了突破。几年后自旋阀问世，用于硬盘的读出磁头。另外，隧道磁电阻效应作为可擦除的磁随机存储器也可能获得更大规模的应用，从自旋电子学基础研究脱颖而出的这项新技术，受到科技界的普遍关注。操纵自旋输运比操纵电荷输运所需的能耗更小。之后的如何将自旋极化的电流注入半导体，如何获得居里点高于室温的铁磁半导体等研究，在信息技术中的应用有远大前程。1962年，B.D.约瑟夫森提出了超导电子对的隧道效应并获得实验的证实后，电子学又产生了一个新分支，即超导电子学。两个或更多个约瑟夫森结可以组成超导量子干涉器件（SQUID）。SQUID除在实验室中作为精密测量磁场的仪器外，在地质探矿和测量人体的微弱磁性方面都有重要的应用。超导体也用于微波技术，可以作为高Q谐振腔的材料。而约瑟夫森结也可用于探测微波、毫米波和亚毫米波。SQUID也可作为门电路，用于计算机的逻辑元件。1949年，C.E.香农创立的信息论是建立在经典统计物理的基础上的，它提供了现代信息技术的理论基础。到20世纪的90年代，科学家发展了量子信息理论。基于量子力学的叠加原理，量子位同时是既为0又为1，与经典位（0与1中选取一种）截然不同。许多实验已演示了少数量子位的实现。量子信息的发展将是21世纪中值得关注的一件事，将来能否发展为重要实用技术还很难说。但至少在某些特殊的信息技术领域中可能有用，如量子密码学就已经接近于实用化。量子通信由于其保密性强的特点，已经在有限的领域中得到应用。
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