李山

近日，在追求更小、更節(jié)能的計(jì)算機(jī)方面科學(xué)家取得重要進(jìn)展。

二維集成磁振子電路中自旋波定向偶合器示例模型

為了解決電子移動(dòng)產(chǎn)生的焦耳熱限制，科學(xué)家們充分利用波的潛力，開發(fā)出一種磁振子電路，用自旋波來傳播和處理信息。

這種磁振子電路采用極簡的二維設(shè)計(jì)，所需的能量比目前先進(jìn)的電子芯片少約10倍，將來有望在量子計(jì)算和類腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

磁振子電子的替代品

電子器件中信息的傳輸和處理是通過對(duì)電子的操控完成的，但是電子移動(dòng)所產(chǎn)生的焦耳熱限制了電子器件向小型化和低功耗方向的發(fā)展。于是科學(xué)家不斷尋找電子的替代品，例如光子或磁振子。

磁振子電路

在量子力學(xué)的等效波圖中，磁振子可以被看作是量化的自旋波。利用磁振子開發(fā)磁控器件組件，包括邏輯門、晶體管和非布爾計(jì)算單元，已經(jīng)獲得成功。但作為電路組成部分的磁定向耦合器，由于其毫米尺寸和多模頻譜始終無法實(shí)用。

現(xiàn)在，德國凱澤斯勞滕工業(yè)大學(xué)和奧地利維也納大學(xué)的科學(xué)家成功開發(fā)出一款亞微米尺寸的磁定向耦合器，并通過波的非線性效應(yīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)易于加工的基于二維平面的半加器，實(shí)現(xiàn)了用自旋波來傳播和處理信息。

科學(xué)家們開發(fā)的這個(gè)集成磁振子電路尺寸極小，采用了極簡的二維設(shè)計(jì)，所需的能量比目前最先進(jìn)的電子芯片要少約10倍。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·電子學(xué)》上。

充分利用自旋波的波動(dòng)性

研究負(fù)責(zé)人、維也納大學(xué)的安德列·丘馬克教授說：“最初計(jì)劃的磁振子電路非常復(fù)雜，現(xiàn)在的版本比最初的設(shè)計(jì)至少好了100倍?！彼堰@歸因于論文的第一作者，來自中國的王棋。

博士畢業(yè)于德國凱澤斯勞滕工業(yè)大學(xué)，目前在維也納大學(xué)從事博士后研究的王棋介紹說：“該研究源自我博士期間的一個(gè)項(xiàng)目，從概念提出、理論計(jì)算、仿真設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)制備和測(cè)試，整個(gè)工作持續(xù)了近4年時(shí)間，光是仿真設(shè)計(jì)就重復(fù)了幾百次，現(xiàn)在這個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)是第四個(gè)版本?！?/p>

接受媒體采訪時(shí)，王棋介紹說：“目前的電子設(shè)備，信息都是用電子攜帶的，但是電子的定向移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致焦耳熱，功耗高。我們現(xiàn)在用自旋波（磁振子）來攜帶信息，進(jìn)行計(jì)算，可以大幅降低功耗。而且由于磁振子是一種波，波的一些特性可用來簡化設(shè)計(jì)，從而降低器件的尺寸。簡單地說，波的基本量有振幅和相位，我們的研究中主要用波的振幅來攜帶信號(hào)，即振幅大，信號(hào)為1;振幅小，信號(hào)為0?！?/p>

王棋說：“起初我們的思路是模仿電子設(shè)備，通過構(gòu)造14磁振子晶體管實(shí)現(xiàn)半加器，后來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)太復(fù)雜而且不容易實(shí)現(xiàn)。我們意識(shí)到還沒有充分利用自旋波的波動(dòng)性。因此，在最新的設(shè)計(jì)中我們利用了波的干涉，使用了自旋波導(dǎo)之間偶極作用與自旋波能量相關(guān)這個(gè)非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)了半加器的設(shè)計(jì)。不過出于成本的考慮，整個(gè)半加器是在一個(gè)二維平面上加工的。目前這個(gè)設(shè)計(jì)只是功耗更低，速度還沒有電子芯片快。”

自旋波研究有重要意義

王棋表示，這種磁振子電路的特殊之處在于，其信息由自旋波攜帶，信息的傳播和處理過程中沒有電子的參與，因此沒有焦耳熱，極大地降低了能量損耗。另一方面，通過利用波的干涉、衍射和非線性效應(yīng)，又極大地簡化了器件的設(shè)計(jì)。王棋說：“典型的半加器在電子芯片中需要14個(gè)晶體管，而我們的設(shè)計(jì)中只需要3根彼此靠近的納米線?！?/p>

王棋說：“目前的計(jì)算機(jī)都是建立在布爾體系（邏輯運(yùn)算）之下的，我們的研究讓人們看到了波的波動(dòng)性潛力，對(duì)于非布爾體系的計(jì)算，波比電子有很大的優(yōu)勢(shì)。目前的研究思路還是在和布爾體系下的電子計(jì)算機(jī)相比，這種情況下波的優(yōu)勢(shì)沒有完全顯現(xiàn)出來，將來我們要跳出布爾體系。”

丘馬克教授認(rèn)為，磁振子電路在量子計(jì)算和類腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等方面有廣闊的應(yīng)用前景。自旋波無熱耗散、容易實(shí)現(xiàn)室溫玻色——愛因斯坦凝聚等宏觀量子效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)正在得到越來越多的關(guān)注?；谧孕ǖ男畔鬏?、邏輯計(jì)算有可能成為后摩爾時(shí)代信息傳輸、處理的重要方式之一。因此，自旋波研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用潛力。