你能想象得到，未來的計(jì)算機(jī)可能會比我們現(xiàn)在所用的設(shè)備要快足足10萬倍嗎？一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)宣稱自己發(fā)現(xiàn)了這種可能性，因?yàn)樗麄冊谒^的“光波電子學(xué)”領(lǐng)域上獲得了突破。

據(jù)了解，該科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將他們的研究成果發(fā)表在了科學(xué)雜志上。研究者讓僅僅100飛秒（1飛秒等于一千萬億分之一秒）激光脈沖通過一個(gè)半導(dǎo)體晶體，并且做到控制它。

科學(xué)家們的這個(gè)突破非常重要，因?yàn)橛?jì)算機(jī)所產(chǎn)生的熱應(yīng)該歸咎于電子的碰撞，產(chǎn)生能量。這種新的方法能夠讓電子以快到不可思議的速度移動，但同時(shí)又非常精準(zhǔn)，讓它們在工作中不至于互相碰撞。

“在過去的幾年中，我們和其他的小組發(fā)現(xiàn)，超短激光脈沖形成的振蕩電場能讓電子在固體中來回移動。”帶領(lǐng)此次實(shí)驗(yàn)的德國雷根斯堡大學(xué)物理學(xué)教授魯伯特·胡貝爾（Rupert Huber）說，“這件事馬上就讓所有人都興奮了起來，因?yàn)槲覀兾磥砘蛟S可以利用這種特性，來打造一種時(shí)鐘頻率快得史無前例的未來計(jì)算機(jī) —— 它的速度甚至比今天最先進(jìn)的電子設(shè)備還要快上萬倍，十萬倍。”

就目前來說，我們普通消費(fèi)者能夠接觸到的最好的處理器應(yīng)該就是英特爾的第七代Core i7了吧。它最大的時(shí)鐘頻率（或者說計(jì)算速度）是4．2GHz，相當(dāng)于每秒4200000000次時(shí)鐘周期。如果說能夠讓計(jì)算機(jī)的處理速度快上10倍，這就已經(jīng)算是突破性的進(jìn)展了；如果是10萬倍，那將會導(dǎo)向怎么樣的未來，真的是難以想象。

量子的世界

在所謂的光波電子學(xué)概念里，科學(xué)家們提出的理論是電子能夠用超快的激光脈沖來引導(dǎo)，而這很有可能將帶來量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域上突破。

我們都知道，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)世界是0和1的世界，也就是開和關(guān)。盡管計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展多年，看似性能上從來都是在不斷突飛猛進(jìn)，但幾十年來它所基于的原理相同，也就談不上真正的科學(xué)突破。

然而量子計(jì)算機(jī)卻不同，它所利用的是量子理論，能夠提供近乎無限的可能性，因?yàn)槿藗兡軌颉凹せ睢币粋€(gè)電子，讓它同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，或多個(gè)位置上。這就是所謂的“疊加（Superposition）”。

“我們嘗試讓一個(gè)電子同時(shí)通過兩個(gè)激發(fā)通道，這在古典的計(jì)算機(jī)理論里是不可能發(fā)生的，”美國密歇根大學(xué)發(fā)表該研究結(jié)果的聯(lián)合作者馬克基洛·奇拉（Mackillo Kira）描述說。“這就是量子世界……在量子世界里，什么怪事兒都可能會發(fā)生。”

當(dāng)一個(gè)電子處于激發(fā)態(tài)的時(shí)候，它會表現(xiàn)得就像一束波。當(dāng)來自它的兩個(gè)狀態(tài)的波互相干涉時(shí)，就會在飛秒級別的脈沖下留下所謂的“指紋”。奇拉表示，這種真實(shí)的量子效應(yīng)將被視為一種全新的，可控的振蕩頻率和方向。而最關(guān)鍵的就在于，飛秒級別的激光脈沖足夠快速，能夠在電子進(jìn)入激發(fā)態(tài)的間隙攔截它，讓它的疊加能夠被加以利用，實(shí)現(xiàn)更多的運(yùn)算。

計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀

我們知道，微處理器由不同材質(zhì)的幾個(gè)疊層構(gòu)成，它們有序地堆積在一起就成為了電子元件。這些電子元件非常小，小到只能使用顯微鏡才能夠看到。它們在方形網(wǎng)格中充當(dāng)開關(guān)，控制計(jì)算。因?yàn)殡娮釉g的距離是用納米來計(jì)算的，所以它們彼此之間的距離越小，一個(gè)芯片里能夠放置的東西也就越多。

為什么制程工藝變得越來越小以后，不僅性能可以變得更加強(qiáng)大，能耗也會變低呢？縮短電子元件之間的距離會使得晶體管終端的電流容量降低，提升交換頻率。晶體管在切換電子信號的時(shí)候，它的能耗和電流容量直接相關(guān)，因此能耗自然會更低。

然而現(xiàn)在我們要面臨的問題就在于，盡管廠商們現(xiàn)在仍然可以通過不斷提高制程工藝，不斷優(yōu)化架構(gòu)來獲得性能以及能耗上的提升，但這樣的提升是非常緩慢，而且有限的。首先，受制于切割工藝，在不破壞硅原子的前提下，芯片制造是有理論極限的，那就是0．5納米。然而0．5納米實(shí)際上幾乎可以說是不可行的，比這大得多的制程都出現(xiàn)了良品率低和漏電率低的問題。

另外還有一個(gè)完全不能忽略的現(xiàn)象，那就是所謂的量子隧穿。當(dāng)芯片工藝小于一定程度的時(shí)候，半導(dǎo)體就將不能再將電子束縛住，后者突然開始暢通無阻。我們需要對電子的控制，以實(shí)現(xiàn)開和關(guān)，也就是0和1。如果無法實(shí)現(xiàn)“0”了，那么現(xiàn)代計(jì)算機(jī)賴以維持的體系就將不復(fù)存在。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的說法，這個(gè)界限應(yīng)該就是卡在5納米上。

當(dāng)然了，如今各個(gè)大廠都已經(jīng)意識到了這個(gè)問題的存在，并且正在著手解決中。英特爾此前就公開了一種新材料，據(jù)說能夠比現(xiàn)有的半導(dǎo)體性能更加優(yōu)越，使得工藝?yán)^續(xù)變小的同時(shí)防止量子隧穿的發(fā)生。如果不出意外，摩爾定律在未來一段時(shí)間里還將繼續(xù)適用。

然而不管怎么說，我們現(xiàn)在能夠做到的仍然只是在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，還無法做到真正的突破。好在科學(xué)家已經(jīng)在不斷努力，而且讓人們看到了成果。