液態(tài)金屬能“進(jìn)化”成計(jì)算機(jī)？

人民網(wǎng)北京11月24日電 （記者喻思南） 液態(tài)金屬可以用來制造電子元件，進(jìn)而引發(fā)計(jì)算機(jī)的革新？不久前，我國一個(gè)研究小組發(fā)表了一項(xiàng)成果，在國際上首次提出了基于液態(tài)金屬的全液態(tài)量子器件技術(shù)的概念，并明確指出這一超越傳統(tǒng)的可變形柔性器件，有望助推新一代量子計(jì)算機(jī)和人工智能系統(tǒng)的發(fā)展。相關(guān)論文近日公布在美國物理學(xué)預(yù)印本網(wǎng)站上。

量子計(jì)算機(jī)被普遍認(rèn)為是新一代計(jì)算機(jī)的重大發(fā)展方向，其計(jì)算能力主要基于對(duì)微觀量子態(tài)的操縱。量子計(jì)算機(jī)在物理實(shí)現(xiàn)上要走向集成化和小型化，其最為核心的一種邏輯運(yùn)算器件是依托量子隧穿效應(yīng)，即電子像沿著隧道一樣穿過薄的絕緣層。

研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中科院理化所與清華大學(xué)雙聘教授劉靜說，目前，幾乎所有實(shí)現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)的器件均由一個(gè)三明治剛體結(jié)構(gòu)組成，中間層為絕緣的納米尺度薄層，兩側(cè)為導(dǎo)電介質(zhì)電極。而具體實(shí)現(xiàn)的材料，中間層通常為絕緣材料，兩側(cè)區(qū)域?yàn)榻饘賹?dǎo)體或超導(dǎo)體。這些結(jié)構(gòu)由于是固體器件，制造精度要求極高，中間層厚度不易靈活調(diào)整，整個(gè)器件的形狀無法變形、分割，一旦制備出來，一般只能按其特定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，在應(yīng)用上會(huì)受到一定限制。

“若能將量子隧穿效應(yīng)器件的三明治剛體結(jié)構(gòu)予以液態(tài)化，則可望實(shí)現(xiàn)全液態(tài)或全柔性量子器件。它能提供不同于傳統(tǒng)固體器件的性能，有望為量子工程的物理實(shí)現(xiàn)提供更加靈活智能的元件級(jí)技術(shù)支撐，這種在粘粘糊糊溶液環(huán)境下工作的方式更像是有一定自主性的生命智能系統(tǒng)。”劉靜說。

他介紹，液態(tài)金屬既具有金屬的高導(dǎo)電特征，又兼具流體的柔性和可變形性，表面易于達(dá)到原子級(jí)別的完美光滑度。該小組發(fā)表于美國《應(yīng)用物理快報(bào)》上的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬置于液體中會(huì)自然形成一個(gè)“液態(tài)金屬電極—液膜—液態(tài)金屬電極”的三明治結(jié)構(gòu)，在外界因素作用下可靈活變形；取決于不同的外加電場(chǎng)作用，液膜間隙可達(dá)極小尺度甚至完全消失，其兩側(cè)電阻會(huì)隨此尺寸和結(jié)構(gòu)的變化作對(duì)應(yīng)響應(yīng)。因此，如果將兩個(gè)液態(tài)金屬之間的液膜厚度控制在一定范圍內(nèi)，則有望實(shí)現(xiàn)全液態(tài)量子隧穿效應(yīng)。

基于此理論構(gòu)想，由中科院理化所、清華大學(xué)與云南大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研究小組，首次提出了一種突破傳統(tǒng)剛性量子器件觀念的全液態(tài)量子隧穿效應(yīng)器件的思想，并給出了制備方法，部分材料和技術(shù)方案還形成發(fā)明專利。“由于全液態(tài)量子器件的中間液層厚度可以通過外場(chǎng)如力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等加以調(diào)控，這使得整個(gè)系統(tǒng)具有高度靈活性、智能性和自主可控性的特點(diǎn)，且在規(guī)模化制備和組裝方面十分快捷簡(jiǎn)便。”劉靜說。

業(yè)界專家表示，人類雖已能制造出尺寸在1納米左右的納米晶體管，但大量如此精細(xì)尺度的晶體管在實(shí)現(xiàn)電學(xué)互聯(lián)上存在巨大困難。可變形液態(tài)金屬量子材料與器件技術(shù)思想的提出，有望改觀傳統(tǒng)剛體量子器件的基本理念、技術(shù)實(shí)現(xiàn)策略乃至應(yīng)用模式，降低量子器件的電子互聯(lián)難度，可能助推新一代量子計(jì)算與智能系統(tǒng)的制造和集成技術(shù)的突破。

基于液態(tài)金屬器件，該研究組還在早前于國際上首次提出了液態(tài)金屬計(jì)算機(jī)的基本概念和技術(shù)方案，其基本途徑之一是依靠液態(tài)金屬在不同物理或化學(xué)狀態(tài)下的導(dǎo)電性差異，作為邏輯運(yùn)算的0和1狀態(tài)，通過多個(gè)金屬液滴部件的組合構(gòu)建邏輯單元，由此實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的編程運(yùn)算功能，相應(yīng)發(fā)明專利的基本架構(gòu)和核心器件已獲得受理，系國際上該領(lǐng)域的全新嘗試。