聲子計算機：計算機技術未來發展的新希望！

導讀

從傳統的電子計算機，到新興的光子計算機和量子計算機，計算機技術不斷創新發展，然而聲子計算機又是什麼？它會成為計算技術未來發展的新希望嗎？讓我們透過美國亞利桑那大學最新的聲子計算機研究一起來看看。

關鍵字

聲子、量子、計算機、熱量

背景

輕薄化、小型化是當代計算機發展的一個重要趨勢，如今最先進的晶元中含有的晶體管數量已經達到幾十億，甚至上百億。

但是，正如筆者曾在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文中指出，當晶體管數量達到一定規模後，晶元技術就會面臨一些新挑戰：

發熱

由於晶元狹小的空間裡面的晶體管數量越來越多，所產生的熱量也會越來越大，發熱問題成為了嚴重的制約因素。

量子效應

隨著晶元製造工藝進步到10納米，甚至7納米，進入了微觀量子力學領域，電子的行為將受限於量子的不確定性，隧穿效應發生，晶體管將變得不再可靠。

經典計算機的發展正遭遇嚴峻的挑戰，與此同時，科學家們卻開始轉向量子計算機研究。與傳統計算機相比，它在數據存儲、傳輸和信息處理方面，採用了完全不同的方式。

那麼，量子計算機和經典計算機的本質差異到底是什麼呢？

筆者在《量子電路製冷器：讓量子計算更加可靠！》一文中曾經有過論述。從根本上說，最大的不同就在於：比特位和量子位。

比特位

在經典的二進位計算機中，信息以「比特」的形式存儲在晶體管中。一般來說，一個比特，在某一時刻的狀態是確定的，要麼是0，要麼是1。

量子位

而在量子計算機中，用於存儲信息的是量子位，它可能同時處於「既是0和又是1」的狀態，這也被稱為「疊加態」。

對此，量子力學的創始人之一、奧地利物理學家薛定諤，有過一個很好的比喻：

箱子里有一隻貓，在宏觀世界中它要麼是活的，要麼是死的。但如果在量子世界中，它同時處於生和死兩種狀態的疊加。

另外，多個量子位會「糾纏」形成一個不可分割的整體，也就是說，你操縱了存儲於一個量子位中的信息，相當於操縱了存儲於所有「糾纏」量子位中的信息。

量子計算機，正是利用了量子糾纏和疊加原理。其計算能力隨著可操縱的量子位個數的增加，呈指數式方式增長。它具有超快的並行計算，可以解決以往經典計算機無法解決的大規模計算問題。

量子計算機，正成為世界各國戰略競爭的焦點和熱點。前不久，中國科學家自主研發出了世界上首台具有10個超導量子位的光量子計算機，再次站到了量子計算這一領域的世界最前沿。除此之外，我們還看到了D-Wave量子計算機，以及微軟、英特爾、IBM、谷歌等國際大公司都紛紛投入量子計算機研發。

在驚喜於量子計算機的強大之處後，我們也要冷靜觀察一下，量子計算機會遭遇什麼樣的瓶頸？

前不久，筆者也是在《量子電路製冷器：讓量子計算更加可靠！》這篇文章中曾指出：量子位對於外界環境的條件，特別是熱量很敏感。這也就是說熱量等外界環境因素的變化，會對量子計算機計算的準確性和可靠性，產生不利影響。同時，這篇文章中也介紹了一種利用製冷器冷卻量子位的方法。

（圖片來源於：Kuan Yen Tan/芬蘭阿爾託大學）

但是，總體來說，冷卻量子計算機並不是一件容易的事。如果要將D-Wave這樣的量子計算機冷卻到絕對零度，那麼需要的設備估計要佔滿整個房間。

這時，我們不禁要問，除此之外，還有什麼創新思路嗎？

創新

美國亞利桑那大學材料科學和工程專業的教授 Pierre Deymier 進行的創新探索，為我們開闢了一條創新道路。

（圖片來源於：亞利桑那大學）

他和他的研究團隊正在設計一種新型的量子計算機，它是通過聲音，而不是量子粒子來處理信息。這種新型計算機，不僅能像現有的量子計算機一樣工作，還可以戰勝現有量子計算機所遭遇的重大挑戰即對於外部環境例如熱量敏感。

技術

說到這裡，我們還是從技術層面，首先介紹一下聲子學，Pierre Deymier 教授是聲子學領域的先驅。他曾經用不同於自然的方式，對於聲波進行彎曲。該技術可用於消除噪音，治療疾病，提供新型能量，以及計算和信息處理。

下面這張圖，展示了這項技術用到的實驗裝置，即激光超聲波裝置。通過該實驗裝置，科學家可創建出不同於自然特徵的聲子。這項技術可用於噪音消除、超聲波成像、和信息處理方面。

（圖片來源於：Nicholas Boechler）

聲子

說到這裡，作為一門新興學科，很多人也許還是要問，什麼是聲子學（phononics）？

簡單的說，聲子學是研究如何利用聲子作為能量和信息的載體，進行調控和處理的科學。

一般來說，我們見到信息載體是電子和光子，而聲子往往被認為對信息傳輸有害，為什麼這麼說呢？

或許，可以用交通來打個比方，把聲子比喻成「行人」，而電子比喻為「汽車」。聲子與電子很像，也會和電子相互作用。行人不守交通規則，亂穿馬路，如同聲子雜亂無章的運動著，迫使馬路上的「汽車」即電子減速。最終最終增加了電阻，不僅消耗了能源，還限制了晶元的速度。若將導體冷卻到足夠低的溫度，就會出現零電阻的超導現象。從聲子的角度，這一現象可以解釋為：

如果溫度足夠低，那麼聲子將幾乎消失。此時，導體就像深夜無人的馬路，電子則可以暢行無阻。

聲子（Phonon）也被稱為熱晶體，是晶體中晶體結構集體激發的准粒子，化學勢為零，服從玻色-愛因斯坦統計，是一種玻色子。聲子本身並不具有物理動量，但是攜帶有準動量，並具有能量（其中為約化普朗克常數）。

聲子是一種非真實的准粒子，是用來描述晶體原子熱振動即晶格振動規律的一種能量量子。聲子可以被理解為分子熱振動能量的具象化，在半導體材料里，聲子流就是熱流，聲子傳播著聲音和熱量。

所以，聲子也會具有量子特性，下面介紹一下日本科學家曾經在這方面的發現：

2015年，大阪大學的一個研究小組，通過利用放置在離子阱內使得帶電粒子的運動空間被限制住的冷卻的鈣離子，成功地觀察到在預定時間內的雙聲子的量子干涉。使用兩個光子或原子的粒子對的量子干涉實驗已有一些相關報道，但這個研究小組的成就是使用了兩個聲子在世界上第一個觀察到這種現象。

聲子位 （Phi-Bits）

Pierre Deymier 教授和他的研究團隊，正在開發一種基於聲子的原型計算機。他將這種新的信息存儲和處理方式為 「phase-bits」 或者 「phi-bits」，筆者暫時譯為「聲子位」。

他和量子位（qubits）有點類似，其中的信息也是以疊加態的形式出現，多個聲子位會糾纏成一個不可分割的整體，類似於量子位糾纏。

但是不同於量子位，聲子位對於外界環境例如熱量，沒有那麼敏感。

對此，Deymier 教授自豪的說：「我可以在實驗中，以室溫條件創造聲子。」

另外，Deymier 教授也申請了關於聲子位 「phi-bits」的多個專利，也包括這個量子計算機本身。

價值

聲子位和量子位一樣，具有量子糾纏和疊加的特點。

所以，我們可以想像：如果有100萬個聲子位，每個都是「既是0又是1」的狀態，那麼計算機可以處理的信息量將是2的100萬次方。這個數字是非常驚人的，這將是一個十分巨大的天文數字。所以說，聲子計算機也具有令人嘆為觀止的強大計算能力。

對於聲子計算機的應用價值，我們先來看看Deymier 教授的評價：

「基於聲子的計算機能夠改變我們對於世界的認識，不僅構建了更加強大的計算機，而且還可應用於人工智慧、密碼學和大數據分析等領域。例如，聲子計算機能夠迅速映射出人體的完整基因，從而開發更具針對性的醫療方法。」

迄今為止，大部分的科技進展都是基於電子和光子的。然而，聲子作為一項新興科學，將會促進許多學科的發展，例如量子物理和力學、材料科學以及應用數學。

Deymier 教授樂觀地認為，在未來10年，通過聲子進行量子計算將成為現實。

參考資料

【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/

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！