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激光傳輸、量子計算引領電腦繼續革命:更小、更快、更廉價


渦流激光器、可編程量子計算引領電腦革命。
渦流激光器、可編程量子計算引領電腦革命。來源:Department of Electrical Engineering/University at Buffalo SUNY

全球晶片巨頭英特爾(Intel)聯合創辦人高登·摩爾(Gordon Moore)曾提出著名的「摩爾定律」:一定面積的集成電路上可容納的晶體管數量,以2年(後改為18個月)翻一倍的速度增長,其運算性能也隨之翻倍。基於這一定律,電腦運算速度在過去幾十年間持續飆升。

但由於晶片製造工藝已接近極限,這一定律即將面臨失效:包括 IBM、英特爾等晶片廠商在內的全球半導體行業協會不久前發布的一份報告預測,到2021年後,晶體管的體積將不會進一步縮小,因為繼續縮小體積將沒有經濟性。業界不得不尋找其他方法,才能進一步提高電腦的運算效率。

以激光為主要研究對象的光通信技術被認為是解決這一問題的有效途徑之一。近日,一項基於渦流形激光(Vortex Laser)的研究成果或許可以取代過去將多個元件塞入晶片以提高性能的方法,這也將延長摩爾定律的「壽命」。研究人員表示,這項最新成果可以讓電腦繼續變得更小、更快、更廉價。

為了耗費更少能量傳輸更多信息,我們需要重新思考機器內部的零件。

UB-SUNY 電機工程系助理教授 Liang Feng

美國紐約州立大學水牛城分校(UB-SUNY)的研究人員近日在著名學術期刊《科學》(Science)發表論文宣布了這一成果。他們使用軌道角動量(Orbital Angular Momentum)技術讓激光呈螺旋模式分布,這樣的激光束能將數據信息編碼成不同的渦流,其攜帶的信息量是傳統線性激光的10倍以上。

不過,這一螺旋渦流形激光對於現有的普通電腦來說還是太大,因而暫時無法面世,但研究人員表示會將其縮小到與電腦晶片兼容。如果這項研究最終成功應用在普通電腦上,該技術勢必能延續摩爾定律。

降低電腦能耗、提高運算效率早已成為業界共識。除了改變晶片結構外,包括量子計算(Quantum Computing)在內的新型計算技術為這一目標提供了其他途徑。

另一著名學術期刊《自然》(Nature)最新一期的封面刊登了一項量子計算領域的重大進展:一種小型可編程量子電腦已經問世,並有望被改進為規模更大的量子電腦。

概念成型已久的量子電腦在理論上比傳統電腦能更快地解決某些問題。但迄今為止,絕大多數量子電腦都只能執行有限而簡單的任務,並且難以重新配置,即只能用來運行特定的算法。

量子位元

在量子科學中,量子位元(又稱為Q位元,量子比特)是量子信息的計量單位。一般電腦使用0和1來計算;量子電腦也是使用0跟1,但與之不同的是,其0與1可同時計算,即量子位元是0和1的疊加,這是量子電腦計算的特性。這特性導致了量子平行處理等現象,並使量子計算應用在某些課題上顯著地優於古典計算,甚至可進行古典計算無法做到的工作。(資料來自維基百科)

美國馬利蘭大學學院市分校(UMCP)的 Shantanu Debnath 等科學家在這篇論文中表示,他們製造出一台由5比特量子位元(Qubit)組成的新型量子電腦,它能執行一系列不同的算法,其中一些算法比傳統電腦執行效率更高。論文稱,在已完成的測試中,這一系統的運算準確率可達98%。

這5個量子比特分別被儲存在5個離子阱(Ion Trap)中,通過激光轟擊可控制每個離子的電子態,並能在不改變硬件的條件進行重新配置。研究人員提出,該系統中可加入更多的量子比特,也可通過連接多個模塊來增加運算能力,即模塊可以擴展為更強大的量子電腦。

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美國半導體產業協會及半導體研究聯盟去年發表的一份報告預測,若按照目前的發展趨勢,全世界生產的總電力將在25年內無法負擔電腦同時運行所消耗的電能,因此當務之急是提高電腦的能源利用率。

聲音

這一新裝置(小型量子電腦)有望被放大為規模更大的量子電腦。不過,具體如何實現這一點目前在論文中尚未得到顯示,因而下一步,該團隊需要做的是向人們展示如何連接這些模塊,並說明這種擴展又增加了怎樣的計算效果。

澳洲悉尼大學教授 Steven Bartlett

世界首台可編程通用量子電腦早在2009年就已問世,當時只能處理2量子比特數據,卻讓科學界和產業界都歡欣鼓舞,認為可編程量子電腦距離實際應用已為期不遠。然而,事情的發展並不順利,甚至今天我們仍將處理5比特量子信息作為「重大突破」。量子電腦三十幾年來的研究進展就是這樣起起伏伏,既有令人興奮的突破,也有長期的裹足不前,且一路伴隨着質疑。目前,關於本成果的很多問題還有待解答,仍需要耐心的等待和求索。

科技日報總編輯評論

從最初到現在,能源效率已經提高了約四萬倍。 但是我們還有很長的路要走。這一切的發生與改變不可能被物理學上的困境所限,只會被人類自身的智慧所限。

史丹福大學教授 Jonathan Koomey

摩爾定律

摩爾定律是由英特爾創始人之一高登·摩爾提出來的。其內容為:集成電路上可容納的電晶體(電晶體)數目,約每隔24個月便會增加一倍;經常被參照的「18個月」,是由英特爾行政總裁大衞·豪斯所說:預計18個月會將晶片的效能提高一倍(即更多的電晶體使其更快)。半導體行業大致按照摩爾定律發展了半個多世紀,對二十世紀後半葉的世界經濟增長做出了貢獻,並驅動了一系列科技創新,社會改革,生產效率的提高和經濟增長。個人電腦,互聯網,智能手機等技術改善和創新都離不開摩爾定律的延續。儘管這種趨勢已經持續了超過半個世紀,摩爾定律仍應該被認為是觀測或推測,而不是一個物理或自然法。預計摩爾定律將持續到至少2015年或2020年。然而,2010年國際半導體技術發展路線圖的更新增長已經在2013年年底放緩。(資料來自維基百科)

來源:數碼趨勢連線

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