Phonon bilgisayar: bilgisayar teknolojisinin gelecekteki gelişimi için yeni bir umut!
Kılavuz
Geleneksel elektronik bilgisayarlardan yeni ortaya çıkan fotonik bilgisayarlara ve kuantum bilgisayarlara kadar, bilgisayar teknolojisi yeniliklere ve gelişmeye devam ediyor, ancak fonon bilgisayarı nedir? Bilgi işlem teknolojisinin gelecekteki gelişimi için yeni bir umut olacak mı? Arizona Üniversitesi'ndeki en son fonon bilgisayar araştırmalarına bir göz atalım.
Anahtar kelime
Phonon, kuantum, bilgisayar, ısı
arka fon
İnceltme ve minyatürleştirme, çağdaş bilgisayarların gelişiminde önemli bir eğilimdir.Günümüzün en gelişmiş yongalarında bulunan transistörlerin sayısı milyarlarca, hatta on milyara ulaştı.
Ancak yazarın bir zamanlar "Moore Yasası, Hayatta Kalmak mı, Yok Etmek mi?" Makale, transistör sayısı belirli bir ölçeğe ulaştığında, çip teknolojisinin bazı yeni zorluklarla karşılaşacağına dikkat çekti:
-
ateş
Çipin küçük alanındaki transistör sayısı arttıkça üretilen ısı da artacak ve ısı üretimi sorunu ciddi bir sınırlayıcı faktör haline geldi.
-
Kuantum etkisi
Çip üretim süreci 10 nanometreye hatta 7 nanometreye ilerlediğinde ve mikroskobik kuantum mekaniği alanına girdikçe, elektronların davranışı kuantumun belirsizliği ile sınırlanacak, tünelleme etkisi ortaya çıkacak ve transistör artık güvenilir olmayacak.
Klasik bilgisayarların gelişimi ciddi zorluklarla karşı karşıya kalırken, aynı zamanda bilim adamları kuantum bilgisayar araştırmalarına yönelmeye başladılar. Geleneksel bilgisayarlarla karşılaştırıldığında, veri depolama, aktarım ve bilgi işleme açısından tamamen farklı bir yaklaşım kullanır.
Öyleyse, kuantum bilgisayarlar ile klasik bilgisayarlar arasındaki temel farklar nelerdir?
Yazar "Kuantum Devre Soğutucu: Kuantum Hesaplamayı Daha Güvenilir Hale Getiriyor!" Makalede bir tartışma oldu. Temelde, en büyük fark bitler ve kübitlerdir.
-
Bit
Klasik bir ikili bilgisayarda, bilgi "bit" biçiminde transistörlerde depolanır. Genel olarak, belirli bir andaki bir bitin durumu 0 veya 1 olarak belirlenir.
-
Qubit
Kuantum bilgisayarlarda kübitler, aynı anda "hem 0 hem de 1" durumunda olabilen bilgileri depolamak için kullanılır ve buna "süperpozisyon durumu" da denir.
Bu bağlamda kuantum mekaniğinin kurucularından Avusturyalı fizikçi Schrödinger iyi bir benzetme yapıyor:
Kutuda makroskopik dünyada canlı ya da ölü bir kedi var. Ama kuantum dünyasındaysa, aynı anda iki yaşam ve ölüm halinin üst üste binmesindedir.
Ek olarak, bölünmez bir bütün oluşturmak için birden fazla kübit "dolaşık" olacaktır, yani, bir kübit içinde depolanan bilgiyi manipüle edersiniz, bu da tüm "dolaşık" kübitlerde depolanan bilgileri değiştirmeye eşdeğerdir.
Kuantum bilgisayarlar, kuantum dolaşıklığı ve süperpozisyon ilkelerini kullanır. İşlem yapılabilen kübit sayısı arttıkça bilgi işlem gücü katlanarak artar. Ultra hızlı paralel hesaplamaya sahiptir ve geçmişte klasik bilgisayarlar tarafından çözülemeyen büyük ölçekli bilgi işlem sorunlarını çözebilir.
Kuantum bilgisayarlar, dünyadaki ülkeler arasında stratejik rekabetin odak noktası ve sıcak noktası haline geliyor. Kısa bir süre önce, Çinli bilim adamları bağımsız olarak dünyanın ilk optik kuantum bilgisayarını 10 süper iletken kübit ile geliştirdiler ve bir kez daha kuantum hesaplama alanında dünyanın ön saflarında yer aldılar. Ek olarak, D-Wave kuantum bilgisayarlarını da gördük ve Microsoft, Intel, IBM ve Google gibi büyük uluslararası şirketlerin tümü kuantum bilgisayar araştırma ve geliştirmesine yatırım yaptı.
Kuantum bilgisayarların gücüne hoş bir şekilde şaşırdıktan sonra, kuantum bilgisayarların ne tür darboğazlarla karşılaşacağını sakince gözlemlemeliyiz?
Kısa bir süre önce yazar ayrıca "Kuantum Devreli Buzdolabı: Kuantum Hesaplamayı Daha Güvenilir Hale Getiriyor!" "Bu makale şu noktaya işaret ediyordu: Qubit'ler dış çevre koşullarına, özellikle de ısıya karşı çok hassastır. Bu, ısı gibi dış çevresel faktörlerdeki değişikliklerin kuantum bilgisayar hesaplamalarının doğruluğunu ve güvenilirliğini olumsuz etkileyeceği anlamına gelir. Bu makale aynı zamanda kübitleri soğutmak için bir buzdolabı kullanma yöntemini de tanıtıyor.
(Fotoğraf kredisi: Kuan Yen Tan / Aalto Üniversitesi, Finlandiya)
Bununla birlikte, genel olarak, bir kuantum bilgisayarı soğutmak kolay bir iş değildir. D-Wave gibi bir kuantum bilgisayar mutlak sıfıra soğutulacaksa, gerekli ekipmanın tüm odayı kaplayacağı tahmin ediliyor.
Şu anda sormaktan kendimizi alamıyoruz, ayrıca herhangi bir yenilikçi fikir var mı?
Yenilikçilik
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Arizona Üniversitesi'nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Pierre Deymier tarafından gerçekleştirilen yenilikçi keşif, bizim için yenilikçi bir yol açtı.
(Resim kaynağı: Arizona Üniversitesi)
O ve araştırma ekibi, bilgiyi kuantum parçacıkları yerine ses yoluyla işleyen yeni bir tür kuantum bilgisayar tasarlıyor. Bu yeni bilgisayar türü yalnızca mevcut kuantum bilgisayarlar gibi çalışmakla kalmaz, aynı zamanda ısı gibi dış ortamlara duyarlı olan mevcut kuantum bilgisayarların karşılaştığı büyük zorluğun üstesinden gelebilir.
teknoloji
Bunu söyledikten sonra, fononiklere teknik bir girişle başlayalım Profesör Pierre Deymier, fononik alanında öncüdür. Ses dalgalarını doğadan farklı bir şekilde bükerdi. Bu teknoloji gürültüyü ortadan kaldırmak, hastalıkları tedavi etmek, yeni enerji türleri sağlamak, ayrıca hesaplama ve bilgi işlemede kullanılabilir.
Aşağıdaki resim, bu teknolojide kullanılan deneysel cihazı, yani lazer ultrasonik cihazı göstermektedir. Bu deneysel cihaz sayesinde bilim adamları, doğal özelliklerden farklı fononlar yaratabilirler. Bu teknoloji, gürültü giderme, ultrason görüntüleme ve bilgi işleme için kullanılabilir.
(Resim kaynağı: Nicholas Boechler)
-
Fonon
Gelişmekte olan bir disiplin olarak, birçok insan hala fonolojinin ne olduğunu sorabilir ( fononik )?
Basitçe söylemek gerekirse, fononik, fononların enerji olarak ve düzenleme ve işleme için bilgi taşıyıcıları olarak nasıl kullanılacağını inceleyen bilimdir.
Genel olarak konuşursak, bilgi taşıyıcılarının elektron ve fotonlar olduğunu ve fononların genellikle bilgi aktarımına zararlı olduğunu düşünüyoruz Bunu neden söylüyorsunuz?
Telefonları "yayalar" ile ve elektronikleri "arabalar" ile karşılaştırarak trafiği bir benzetme olarak kullanabilirsiniz. Fononlar elektronlara çok benzer ve ayrıca elektronlarla etkileşime girer. Yayalar trafik kurallarına uymazlar ve sanki fononlar düzensiz hareket eder ve yoldaki "arabayı" elektronik olarak yavaşlamaya zorlar gibi ayrım gözetmeksizin yoldan geçerler. Sonunda, direnç artar, bu sadece enerji tüketmekle kalmaz, aynı zamanda çipin hızını da sınırlar. İletken yeterince düşük bir sıcaklığa soğutulursa, sıfır dirençli süper iletkenlik görünecektir. Fononlar açısından bu fenomen şu şekilde açıklanabilir:
Sıcaklık yeterince düşükse, fononlar neredeyse kaybolacaktır. Şu anda, iletken gecenin ortasında kimsenin olmadığı bir yol gibidir ve elektronlar engelsiz hareket edebilir.
Termal kristal olarak da bilinen Phonon, kristaldeki kristal yapı tarafından toplu olarak uyarılmış yarı parçacıktır.Kimyasal potansiyeli sıfırdır.Bose-Einstein istatistiklerine uyar ve bir bozondur. Phonon'un kendisi fiziksel momentuma sahip değildir, ancak yarı momentum taşır ve enerjisi vardır (indirgenmiş Planck sabiti).
Phonon, kristal atomların termal titreşimini, yani kafes titreşimi yasasını tanımlamak için kullanılan bir tür enerji kuantumudur, gerçek olmayan bir tür yarı parçacıktır. Fononlar, moleküler termal titreşim enerjisinin görselleştirilmesi olarak anlaşılabilir.Yarı iletken malzemelerde fonon akışı ısı akışıdır ve fononlar ses ve ısıyı iletir.
Bu nedenle, fononların kuantum özellikleri de olacaktır.İşte Japon bilim adamlarının bu konuda yaptığı bazı keşifler:
2015 yılında Osaka Üniversitesi'ndeki bir araştırma ekibi, yüklü parçacıkların hareketini kısıtlamak için bir iyon tuzağına yerleştirilmiş soğutulmuş kalsiyum iyonlarını kullanarak önceden belirlenmiş bir süre içinde iki fonon kuantum girişimini başarıyla gözlemledi. İki foton veya atom parçacık çiftlerinin kullanıldığı kuantum girişim deneyleriyle ilgili bazı ilgili raporlar var, ancak bu araştırma ekibinin başarısı, bu fenomeni dünyada ilk kez gözlemlemek için iki fononun kullanılmasıdır.
-
Fonon Bitleri (Phi-Bitler)
Profesör Pierre Deymier ve araştırma ekibi, fononlara dayalı bir prototip bilgisayar geliştiriyor. Bu yeni bilgi depolama ve işleme yönteminden, yazarın geçici olarak "fonon konumu" olarak tercüme ettiği "faz bitleri" veya "phi bitleri" olarak bahsetti.
Bu biraz kübitlere benzer. İçindeki bilgiler üst üste binme şeklinde de görünür. Çoklu fononlar, kübit dolanıklığına benzer şekilde bölünmez bir bütün halinde dolanacaktır.
Ancak kübitlerden farklı olarak, fonon konumları ısı gibi dış ortamlara karşı çok hassas değildir.
Bu konuda Profesör Deymier gururla: "Deneyde oda sıcaklığında fononlar oluşturabilirim" dedi.
Ek olarak, Profesör Deymier ayrıca, kuantum bilgisayarın kendisi de dahil olmak üzere fonon biti "phi-bitleri" için birden fazla patent başvurusunda bulundu.
değer
Phonon bitleri, kübitler gibi, kuantum dolaşıklığı ve süperpozisyon özelliklerine sahiptir.
Bu nedenle şunu hayal edebiliriz: Her biri "hem 0 hem de 1" durumunda olan 1 milyon fonon konumu varsa, bilgisayarın işleyebileceği bilgi miktarı 2 ila 1 milyon güç olacaktır. Bu sayı çok şaşırtıcı ve çok büyük bir astronomik rakam olacak. Bu nedenle, fonon bilgisayarları aynı zamanda inanılmaz derecede güçlü hesaplama yeteneklerine sahiptir.
Fonon bilgisayarların uygulama değeri için, Profesör Deymier'in değerlendirmesine bir göz atalım:
"Fonon tabanlı bilgisayar dünya anlayışımızı değiştirebilir. Yalnızca daha güçlü bir bilgisayar oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda yapay zeka, kriptografi ve büyük veri analizinde de kullanılabilir. Örneğin, fonon bilgisayarı insan vücudunu hızlı bir şekilde haritalayabilir. Daha hedefli tıbbi yöntemler geliştirmek için genleri tamamlayın. "
Şimdiye kadar, teknolojik gelişmelerin çoğu elektron ve fotonlara dayanıyor. Bununla birlikte, yeni bir bilim olarak fononlar, kuantum fiziği ve mekanik, malzeme bilimi ve uygulamalı matematik gibi birçok disiplinin gelişimini destekleyecektir.
Profesör Deymier, önümüzdeki 10 yıl içinde fononlar aracılığıyla kuantum hesaplamanın gerçek olacağı konusunda iyimser.
Referans
[1]
[2] https://uanews.arizona.edu/story/ua-engineers-twist-physics-laws-boost-sonic-science
[3]
[4]
[5] https://www.dwavesys.com/
[6]
[7]
Değişimi daha fazla tartışması gereken arkadaşlar, lütfen yazarla doğrudan WeChat: JohnZh1984 üzerinden iletişime geçin veya WeChat genel hesabını izleyin: IntelligentThings.
