导读

从传统的电子计算机,到新兴的光子计算机和量子计算机,计算机技术不断创新发展,然而声子计算机又是什么?它会成为计算技术未来发展的新希望吗?让我们透过美国亚利桑那大学最新的声子计算机研究一起来看看。

关键字

声子、量子、计算机、热量

背景

轻薄化、小型化是当代计算机发展的一个重要趋势,如今最先进的芯片中含有的晶体管数量已经达到几十亿,甚至上百亿。


但是,正如笔者曾在《摩尔定律,是生存还是毁灭?》一文中指出,当晶体管数量达到一定规模后,芯片技术就会面临一些新挑战:


  • 发热


由于芯片狭小的空间里面的晶体管数量越来越多,所产生的热量也会越来越大,发热问题成为了严重的制约因素。


  • 量子效应


随着芯片制造工艺进步到10纳米,甚至7纳米,进入了微观量子力学领域,电子的行为将受限于量子的不确定性,隧穿效应发生,晶体管将变得不再可靠。

经典计算机的发展正遭遇严峻的挑战,与此同时,科学家们却开始转向量子计算机研究。与传统计算机相比,它在数据存储、传输和信息处理方面,采用了完全不同的方式。


那么,量子计算机和经典计算机的本质差异到底是什么呢?


笔者在《量子电路制冷器:让量子计算更加可靠!》一文中曾经有过论述。从根本上说,最大的不同就在于:比特位和量子位


  • 比特位


在经典的二进制计算机中,信息以“比特”的形式存储在晶体管中。一般来说,一个比特,在某一时刻的状态是确定的,要么是0,要么是1。


  • 量子位

而在量子计算机中,用于存储信息的是量子位,它可能同时处于“既是0和又是1”的状态,这也被称为“叠加态”。


对此,量子力学的创始人之一、奥地利物理学家薛定谔,有过一个很好的比喻:


箱子里有一只猫,在宏观世界中它要么是活的,要么是死的。但如果在量子世界中,它同时处于生和死两种状态的叠加。


另外,多个量子位会“纠缠”形成一个不可分割的整体,也就是说,你操纵了存储于一个量子位中的信息,相当于操纵了存储于所有“纠缠”量子位中的信息。


量子计算机,正是利用了量子纠缠和叠加原理。其计算能力随着可操纵的量子位个数的增加,呈指数式方式增长。它具有超快的并行计算,可以解决以往经典计算机无法解决的大规模计算问题。


量子计算机,正成为世界各国战略竞争的焦点和热点。前不久,中国科学家自主研发出了世界上首台具有10个超导量子位的光量子计算机,再次站到了量子计算这一领域的世界最前沿。除此之外,我们还看到了D-Wave量子计算机,以及微软、英特尔、IBM、谷歌等国际大公司都纷纷投入量子计算机研发。


在惊喜于量子计算机的强大之处后,我们也要冷静观察一下,量子计算机会遭遇什么样的瓶颈?


前不久,笔者也是在《量子电路制冷器:让量子计算更加可靠!》这篇文章中曾指出:量子位对于外界环境的条件,特别是热量很敏感。这也就是说热量等外界环境因素的变化,会对量子计算机计算的准确性和可靠性,产生不利影响。同时,这篇文章中也介绍了一种利用制冷器冷却量子位的方法。


(图片来源于:Kuan Yen Tan/芬兰阿尔托大学


但是,总体来说,冷却量子计算机并不是一件容易的事。如果要将D-Wave这样的量子计算机冷却到绝对零度,那么需要的设备估计要占满整个房间。


这时,我们不禁要问,除此之外,还有什么创新思路吗?


创新

美国亚利桑那大学材料科学和工程专业的教授 Pierre Deymier 进行的创新探索,为我们开辟了一条创新道路。


(图片来源于:亚利桑那大学


他和他的研究团队正在设计一种新型的量子计算机,它是通过声音,而不是量子粒子来处理信息。这种新型计算机,不仅能像现有的量子计算机一样工作,还可以战胜现有量子计算机所遭遇的重大挑战即对于外部环境例如热量敏感。


技术


说到这里,我们还是从技术层面,首先介绍一下声子学Pierre Deymier 教授是声子学领域的先驱。他曾经用不同于自然的方式,对于声波进行弯曲。该技术可用于消除噪音,治疗疾病,提供新型能量,以及计算和信息处理。


下面这张图,展示了这项技术用到的实验装置,即激光超声波装置。通过该实验装置,科学家可创建出不同于自然特征的声子。这项技术可用于噪音消除、超声波成像、和信息处理方面。


(图片来源于:Nicholas Boechler)

  • 声子

说到这里,作为一门新兴学科,很多人也许还是要问,什么是声子学(phononics)?


简单的说,声子学是研究如何利用声子作为能量和信息的载体,进行调控和处理的科学。


一般来说,我们见到信息载体是电子和光子,而声子往往被认为对信息传输有害,为什么这么说呢?


或许,可以用交通来打个比方,把声子比喻成“行人”,而电子比喻为“汽车”。声子与电子很像,也会和电子相互作用。行人不守交通规则,乱穿马路,如同声子杂乱无章的运动着,迫使马路上的“汽车”即电子减速。最终最终增加了电阻,不仅消耗了能源,还限制了芯片的速度。若将导体冷却到足够低的温度,就会出现零电阻的超导现象。从声子的角度,这一现象可以解释为:


如果温度足够低,那么声子将几乎消失。此时,导体就像深夜无人的马路,电子则可以畅行无阻。


声子(Phonon)也被称为热晶体,晶体中晶体结构集体激发的准粒子,化学势为零,服从玻色-爱因斯坦统计,是一种玻色子。声子本身并不具有物理动量,但是携带有准动量,并具有能量(其中为约化普朗克常数)。


声子是一种非真实的准粒子,是用来描述晶体原子热振动即晶格振动规律的一种能量量子。声子可以被理解为分子热振动能量的具象化,在半导体材料里,声子流就是热流,声子传播着声音和热量。


所以,声子也会具有量子特性,下面介绍一下日本科学家曾经在这方面的发现:

2015年,大阪大学的一个研究小组,通过利用放置在离子阱内使得带电粒子的运动空间被限制住的冷却的钙离子,成功地观察到在预定时间内的双声子的量子干涉。使用两个光子或原子的粒子对的量子干涉实验已有一些相关报道,但这个研究小组的成就是使用了两个声子在世界上第一个观察到这种现象。


  • 声子位 (Phi-Bits)

Pierre Deymier 教授和他的研究团队,正在开发一种基于声子的原型计算机。他将这种新的信息存储和处理方式为 “phase-bits” 或者 “phi-bits”,笔者暂时译为“声子位”。


他和量子位(qubits)有点类似,其中的信息也是以叠加态的形式出现,多个声子位会纠缠成一个不可分割的整体,类似于量子位纠缠。


但是不同于量子位,声子位对于外界环境例如热量,没有那么敏感。

对此,Deymier 教授自豪的说:“我可以在实验中,以室温条件创造声子。”


另外,Deymier 教授也申请了关于声子位 “phi-bits”的多个专利,也包括这个量子计算机本身。


价值


声子位和量子位一样,具有量子纠缠和叠加的特点。


所以,我们可以想象:如果有100万个声子位,每个都是“既是0又是1”的状态,那么计算机可以处理的信息量将是2的100万次方。这个数字是非常惊人的,这将是一个十分巨大的天文数字。所以说,声子计算机也具有令人叹为观止的强大计算能力。

对于声子计算机的应用价值,我们先来看看Deymier 教授的评价


“基于声子的计算机能够改变我们对于世界的认识,不仅构建了更加强大的计算机,而且还可应用于人工智能、密码学和大数据分析等领域。例如,声子计算机能够迅速映射出人体的完整基因,从而开发更具针对性的医疗方法。”

迄今为止,大部分的科技进展都是基于电子和光子的。然而,声子作为一项新兴科学,将会促进许多学科的发展,例如量子物理和力学、材料科学以及应用数学。


Deymier 教授乐观地认为,在未来10年,通过声子进行量子计算将成为现实。


参考资料


【1】http://news.engr.arizona.edu/news/sound-over-silicon-computing%E2%80%99s-wave-future

【2】https://uanews.arizona.edu/story/ua-engineers-twist-physics-laws-boost-sonic-science

【3】http://www.baike.com/wiki/%E5%A3%B0%E5%AD%90%E5%AD%A6&prd;=button_doc_entry

【4】http://www.baike.com/wiki/%E5%A3%B0%E5%AD%90&prd;=so_1_doc

【5】https://www.dwavesys.com/

【6】http://phononics.tongji.edu.cn/content.aspx?info_lb=794&flag;=760

【7】http://www.opticsjournal.net/Post/Details/PT151229000046MiPlR


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