月度归档:2012年01月

史上最细纳米导线诞生 量子计算机即将计入新时代

文章摘要:
近日,研究人员发表报告称已研究出史上最细的纳米导线,厚度仅为人类头发的万分之一,但导电能力可与传统铜导线相媲美。这项技术有望应用于量子计算机研制领域,量子计算机即将跨入新时代。

过去40多年来,工业界不断研发制造更小尺度的晶体管、导线等元件,以开发更先进的计算机。然而,元件达到原子尺度后问题显而易见:随着电路变得越来越小,电阻相对于电荷而言常常过大,使得电荷难以流动形成电流。也就是说,量子效应会在接近纳米尺度时限制电子设备的按比例缩减。

为解决这一问题,澳大利亚新南威尔士大学、墨尔本大学以及美国珀杜大学的科学家利用精心设计的原子精度扫描隧道显微镜,在硅表面以1纳米间隔只安放1个磷原子的方式制备了纳米导线,其宽度相当于4个硅原子,高度相当于1个硅原子。通过这种方式设计的纳米导线可以使电子自由流动,有效解决了电阻问题。这是目前世界上最细的纳米导线,厚度仅为人类头发的万分之一,但导电能力可与传统铜导线相媲美。

这项技术有望应用于量子计算机研制领域。研究人员表示,量子计算机可能还需要10多年才能问世,量子计算机可以同时使用多个不同的量子态,因此具有更大的信息存储和处理能力,被认为是未来计算机发展的方向。不过,研究团队已经设定了目标:将磷原子作为最小信息单位——就像传统计算机中的比特一样,研制出磷基量子计算机。

 

机械放大器首次接近量子噪声极限,有望用于量子计算机研制

基于Z字形腔室(左)和机械梁(右)的一种新放大器能够产生接近于量子噪声极限的噪声。图片来源:M. A. Sillanp
本报讯(记者赵路)对于许多现代技术而言,在放大电信号的同时将噪声最小化是至关重要的。如今,科学家研制出了一种装置,能够在放大微波的同时实现量子力学所允许的最小噪声。这种装置能够被用来处理量子计算机的敏感输出,后者被期待在未来几年中胜过传统计算机。
噪声是电信号中始终存在的。有些噪声的出现仅仅是因为原子具有热量——它们会拥挤在一起、彼此发生碰撞。然而即便在没有热量时——当温度被降低至接近绝对零度——噪声依然存在。这是缘于量子力学的一条基本原理,即空间中总是充满了波动的能量,或者说量子悸动。
将噪声降至这一量子极限已经超过了大多数电子放大器的范畴。一些配备了超导体的特殊装置能够做得很好,因为前者能够将其与环境隔离。但是此类装置也有另外的缺陷,特别是不能在一个大的动态范围内放大信号——从微弱的信号到非常强的信号。
如今,芬兰阿尔托大学的物理学家Francesco Massel和Mika Sillanp?覿?覿与同事发明了一种放大器,能够在一个大的动态范围内处理信号,同时接近量子噪声极限。这种放大器的基本原理在于通过从一个一致性的“脉冲”波中窃取光子来提升微波信号。然而实际上这是非常困难的,因为信号光子的能量或强度随时间而变化,导致脉冲光子无法一直匹配。
Massel和同事利用一个巧妙的办法使光子能相匹配。研究人员将信号和脉冲波发射到一个Z字形腔室中,它们在这里来回反弹。紧挨着腔室的是一个轻而薄的机械梁,来自反弹的脉冲波的压力会使其开始共振,并在这种情况下减少脉冲光子的能量。不久,脉冲光子的能量便会下降,直至与信号光子的能量相匹配,而此时脉冲波开始融入信号波,进而放大后者。
研究人员在日前的《自然》杂志网络版上报告说,这种装置能够实现25分贝的放大,而噪声为量子极限的20倍。这比大多数传统的微波放大器要好很多,尽管还比不上超导装置的放大效果,后者能够实现仅仅两到三倍的量子噪声极限。但是Massel指出,他和同事仅仅偶然发现了这种放大器的低噪声表现,在进一步研制后,相信它能够达到量子噪声极限。
对于法国ESPCI巴黎技术学院的物理学家Nicolas Bergeal来说,这种装置还需要进一步完善,以实现其难以预见的潜在应用。他指出,研究人员完成了“一项非凡的实验”,因为之前没有人尝试着利用机械谐振器接近量子噪声极限。“迄今为止,人们主要聚焦于超导装置,这完全依赖于电气元件。”
Massel相信,这种装置能够用来放大量子计算机微弱的输出信号,量子计算机被期待能够通过开发量子力学固有的模糊性,从而比现今所有的机器更快地完成计算。他说:“除了对一台量子极限放大器本身的固有兴趣外,这是它最有可能的利用之处。”
《中国科学报》 (2012-01-03 A2 国际)

 

研究人员制造出比头发细10000倍的纳米线

悉尼新南威尔士大学的ARC卓越中心的量子计算和通信技术研究人员研发出了一种比人头发还细10000倍的纳米线,它只有4个原子宽度,1个原子高度,但对于电流的承载能力却和金属铜类似,这种纳米线可以用于未来的量子计算机,是利用原子作为计算单元的计算行为成为可能的关键。

该技术联合了墨尔本大学和美国普渡大学的研发人员一起完成,目前这种纳米线比之前最小的产品还小20倍,是世界上最顶尖的技术。

 

世界最细导线,实现量子级飞跃,量子计算机指日可待

作者:尼奇·菲利普斯(Nicky Phillips)

译者:江烈农

悉尼的物理学家近日研制出了目前世界上最细的硅导线,粗细仅相当于人类头发丝的万分之一,但电导性能不亚于传统铜导线。

这种纳米线是该研究小组重大科研突破,其尺寸仅有四个原子宽、一个原子高,为澳大利亚在建造世界首部量子计算机的国际竞赛中赢得了先机。

量子计算机是一种超快、超强的计算设备,简而言之,当今计算机花几年甚至几十年才能完成的大型运算,量子计算机只需几秒就能完成。 

新南威尔士大学(UNSW)博士生本特·韦伯(Bent Weber)与他的导师米歇尔·西蒙斯教授(Prof. Michelle Simmons)

韦伯牵头此项研究,他表示:“感觉太棒了,这是一项重大科研突破,我们都很激动。”

在过去四十年中,业界不断开发、研究、生产更小的计算机零部件,无论是晶体管还是缆线,只要零部件规格越小,计算机就越强大。

“(零部件)尺寸不断缩小,这意味着很快我们就能达到原子级别的规格,但打造如此细小的零部件却是当前业内暂时无法实现的。”韦伯说。电子流过传统铜导线,产生电流;但当导线或导体越来越小时,电阻就会增大。换句话说,导体的电阻与导体长度成正比,与横截面积成反比。

为了克服这个问题,韦伯和他的团队——包括来自墨尔本大学与美国普渡大学的研究人员一起,利用专门设计的原子精度显微镜,在硅晶体中放置了磷原子。

用添加了磷原子的硅制作的纳米线,其导电性与铜无异,而将磷原子以小于一纳米的间隔排放则使得电子可以更容易地在导线中流动,从而克服电阻因导线横截面变小而增大的问题。

韦伯的研究成果已经在最新一期《科学》(Science)杂志上发布,他说:“利用我们的技术,电子元件尺寸完全降低到几个原子大小。”

韦伯的导师、物理学家米歇尔·西蒙斯教授(Prof. Michelle Simmons)则表示,虽然量子计算机实际制造成功还需要十年之遥或更久,但该小组的长期目标就是开发出一个磷基量子计算机,其信息最小单位——等同于传统计算机的“比特”(bit),或“位”——将被磷原子取代。

西蒙斯教授说:“如果我们要使用原子作为比特的替代品,我们就必须打造同等规模的单原子规格线缆。”西蒙斯教授曾荣获澳大利亚“新南威尔士州2010年度科学家”称号,现担任澳大利亚量子计算和通信技术卓越研究中心(ACEQCCT)主任一职。

科学家预计,未来量子计算机必然应用广泛,可用于快速检索数据库、经济建模、天气预报、航空调度以及密码破译等领域。

西蒙斯教授说:“量子计算机的整个概念就是它能够进行并行计算,这使得运算速度成指数倍增加。”

她告诉记者:“其实我们真心想回答的一个问题是:我们到底可以把导线做得多细而不失去其导电性能呢?”

看来即使已经只有头发丝万分之一大小,韦伯与西蒙斯的这个研究团队仍然还有很长的路要走。

(译注:最后三段文字编译自新南威尔士大学官方新闻报道 。)

【本文由江烈农独家授权给译言网使用,未经许可请勿转载。商业或非商业使用请联系译言网】

 

科学家设计出世界上最细纳米导线

澳大利亚和美国科学家组成的研究团队6日在《科学》杂志上报告说,他们成功设计出迄今世界上最细的纳米导线,厚度仅为人类头发的万分之一,但导电能力可与传统铜导线相媲美。这项技术有望应用于量子计算机研制领域。

过去40多年来,工业界不断研发制造更小尺度的晶体管、导线等元件,以开发更先进的计算机。然而,元件达到原子尺度后问题显而易见:随着电路变得越来越小,电阻相对于电荷而言常常过大,使得电荷难以流动形成电流。也就是说,量子效应会在接近纳米尺度时限制电子设备的按比例缩减。

为解决这一问题,澳大利亚新南威尔士大学、墨尔本大学以及美国珀杜大学的科学家利用精心设计的原子精度扫描隧道显微镜,在硅表面以1纳米间隔只安放1个磷原子的方式制备了纳米导线,其宽度相当于4个硅原子,高度相当于1个硅原子。通过这种方式设计的纳米导线可以使电子自由流动,有效解决了电阻问题。

“我们的技术表明,(计算机)元件可以降低到原子尺度,”领导研究的新南威尔士大学博士生本特·韦伯表示,“感觉好极了,这是个巨大突破,我们都非常激动。”

韦伯的导师米切尔·斯蒙斯表示,量子计算机可能还需要10多年才能问世,不过,研究团队已经设定了目标:将磷原子作为最小信息单位——就像传统计算机中的比特一样,研制出磷基量子计算机。

量子计算机是建立在量子力学规律基础上的计算机,它与传统计算机的一个主要区别是,传统计算机只使用1和0两种状态来记录数据和进行计算,而量子计算机可以同时使用多个不同的量子态,因此具有更大的信息存储和处理能力,被认为是未来计算机发展的方向。

(本文来源:新浪 )

 

给量子计算带来坏消息:造出全世界最小的原子级电线

一个研究小组开发出了一种电线制作办法,造出了迄今为止全世界最小的电线,直径只有4个原子,小到可以驻留在硅片内。这种电线自身要比目前大部分微处理器所用的铜线薄20倍。

这些电线由磷原子组成,是一个原子接着一个原子嵌入到硅晶片里面的。这种方法比传统的蚀刻法更具优势,因为磷线被包裹到晶片里面,意味着电子不会接触到附近任何的表面,从而使得电阻比现在的电线要低,其发热因而要比纳米级的铜线还要低。

一旦单原子的晶体管面世,研究者希望这些电线有助于量子计算的发展。研究的主持人Michelle Simmons说:“我们已经意识到,要想造出实用的量子计算机,互连的电线也得是原子级。”

非常有趣的是,这种电线的研发对于量子计算的未来究竟意味着什么,大家对此存在一些争议。讽刺的是这是由于实验的成功。由于这一串磷电子的高密度,电流的表现非常典型,遵从欧姆定律。这一点非常的奇怪,因为在这一量级上预期应该是量子效应占主导的。的确,这正是为什么物理学家,包括著名未来学家及物理学家加来道雄(Michio Kaku)在内,均认为计算机工程师正接近摩尔定律的终点的原因。然而,如果传统的效应能够在纳米级占主导的话,那一预测也许并没有根据。

由于欧姆定律在这种级别上还起效,使得物理学家David Ferry认为这对于量子计算来说是个坏消息。他说,对于摩尔定律而言,缺乏量子相干(Quantum coherence)是个好消息,而对于必须量子相干的量子计算来说却是糟糕的事。这会使得量子计算实现的可能性降低。

欧姆定律

在同一电路中,导体中的电流跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻阻值成反比,这就是欧姆定律,基本公式是I=U/R。欧姆定律由乔治•西蒙•欧姆提出,为了纪念他对电磁学的贡献,物理学界将电阻的单位命名为欧姆,以符号Ω表示。

摩尔定律

摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度

量子计算

量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算,量子计算的基础和原理以及重要量子算法为在计算速度上超越图灵机模型提供了可能。

量子相干

量子计算机需要一些重要的量子性质。其一是“量子相干性”。

量子相干性,或者说“态之间的关联性”。其其一是爱因斯坦和其合作者在1935年根据假想实验作出的一个预言。这个假想实验时这样的:高能加速器中,由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行,在没有人观测时,两者都处于向右和向左自旋的叠加态而进行观测时,如果观测到电子处于向右自旋的状态,那么正电子就一定处于向左自旋的状态。这是因为,正电子和电子本是通过能量无中生有而来,必须遵守守恒定律。这也就是说,“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的,称作“量子相干性”。这种相干性只有用量子理论才能说明。

要在量子计算机中实现高效率的并行运算,就要用到量子相干性。彼此有关的量子比特串列,会作为一个整体动作。因此,只要对一个量子比特进行处理,影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。这一特点,正是量子计算机能够进行高速运算的关键。

Via:FORBES

 

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记忆与智慧的量子计算机制

不过我估计类似的想法学界肯定早已有讨论。。。

是这样的,目前计算机所用密码系统,过程如下:
首先用户指定一个密码,比如abc,然后由一套算法(MD5?),计算得到一个很大很大的数——2的128次方。
也就是说把abc对应到这个数字,这个过程好像叫做“散列”?。。理论基础是数论。

总之就是说这个计算是单向的,只能知道由“abc”对应到哪个很巨大的数,但是不能通过这个很巨大的数字反向计算出”abc”…..如果采用一个一个的试验初始密码,进行MD5计算,看哪个能对应到这个很巨大的数字(叫做穷举法 或 暴力破解法),需要的时间是很多很多年。。。动辄几千年的样子?还要看是什么计算机。。。
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PS.
像最近泄露的csdn的密码库,就是上面的问题,因为泄露的就是这些很巨大的数,每个数字就是某一个用户所设定密码的对应。

上面说到密码,主要是觉得和人类的认知及思维过程有点相似——
因为不论怎样说,人的认知过程包括,外部世界的输入,大脑(神经系统)计算,以及输出。

纷繁的外界信息,对应到大脑就是神经系统的变化。。。(好像有研究,说大脑记录信息的方式,依靠的就是神经系统的网络结构,,,重点是——网络的结构,代表着信息)

这里好像有个感觉,就是上述过程类比于前面说的密码的散列过程。。。

另一方面有点令人兴奋,就是它的反过程——反向计算,如果可以认为信息对应到神经结构是一个从密码到很巨大的数的散列过程,那人们的意识、记忆、思维。。。这些似乎就对应着,对这个很巨大的数的反向计算过程??????

这个过程如果用普通计算机实现会是超长的时间。。。但是人们实现一个思维意念,比如我在这里打字叙述想法,只是很平常的事情。。。。所以,结合目前所知两点:

1如果用量子计算机,,,破解上述密码,是很轻而易举的事情。 (这方面的介绍挺多的~~)
2最近的研究表明,在生物体内,也大量存在着量子原理——比如鸟类对磁场的感知,叶绿素的光合作用。

所以,很可能大脑实现的也是某种量子过程。。(那这样想来,每个意识过程,,都很神奇,哈哈,,,)

另外两点推论~~~
1比如人类的思维差别,也是调用量子计算的特点的一些差别什么的。。。
2 DNA里所承载的信息,也许和这些有所关联。。。因为生命的演化过程似乎是朝向智慧的

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