液態(tài)金屬能“進化”成計算機？

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，進而引發(fā)計算機的革新？不久前，我國一個研究小組發(fā)表了一項成果，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算機和人工智能系統(tǒng)的發(fā)展。相關論文近日公布在美國物理學預印本網(wǎng)站上。

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

研究項目負責人、中科院理化所與清華大學雙聘教授劉靜說，目前，幾乎所有實現(xiàn)量子隧穿效應的器件均由一個三明治剛體結構組成，中間層為絕緣的納米尺度薄層，兩側為導電介質電極。而具體實現(xiàn)的材料，中間層通常為絕緣材料，兩側區(qū)域為金屬導體或超導體。這些結構由于是固體器件，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構實現(xiàn)對應功能，在應用上會受到一定限制。

“若能將量子隧穿效應器件的三明治剛體結構予以液態(tài)化，則可望實現(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現(xiàn)提供更加靈活智能的元件級技術支撐，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電特征，又兼具流體的柔性和可變形性，表面易于達到原子級別的完美光滑度。該小組發(fā)表于美國《應用物理快報》上的一項實驗發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬置于液體中會自然形成一個“液態(tài)金屬電極—液膜—液態(tài)金屬電極”的三明治結構，在外界因素作用下可靈活變形；取決于不同的外加電場作用，液膜間隙可達極小尺度甚至完全消失，其兩側電阻會隨此尺寸和結構的變化作對應響應。因此，如果將兩個液態(tài)金屬之間的液膜厚度控制在一定范圍內(nèi)，則有望實現(xiàn)全液態(tài)量子隧穿效應。

基于此理論構想，由中科院理化所、清華大學與云南大學等機構組成的聯(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)量子隧穿效應器件的思想，并給出了制備方法，部分材料和技術方案還形成發(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如力場、電場、磁場等加以調(diào)控，這使得整個系統(tǒng)具有高度靈活性、智能性和自主可控性的特點，且在規(guī)模化制備和組裝方面十分快捷簡便。”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，但大量如此精細尺度的晶體管在實現(xiàn)電學互聯(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、技術實現(xiàn)策略乃至應用模式，降低量子器件的電子互聯(lián)難度，可能助推新一代量子計算與智能系統(tǒng)的制造和集成技術的突破。

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)金屬計算機的基本概念和技術方案，其基本途徑之一是依靠液態(tài)金屬在不同物理或化學狀態(tài)下的導電性差異，作為邏輯運算的0和1狀態(tài)，通過多個金屬液滴部件的組合構建邏輯單元，由此實現(xiàn)計算機的編程運算功能，相應發(fā)明專利的基本架構和核心器件已獲得受理，系國際上該領域的全新嘗試。