中國首次提出全液態量子器件與計算技術概念

液態金屬可以用來製造計算機核心電子元件，進而引發計算機的革命？不久前， 我國一個研究小組發表了一項成果，在國際上首次提出了基於液態金屬的全液態量子器件技術的概念，並明確指出這一超越傳統的可變形柔性器件，有望助推新一代 量子計算機和人工智能系統的發展。相關論文近日公佈在美國物理學預印本網站上。

量子計算機被普遍認為是新一代計算機的重大發展方向，其計算能力主要基於對微觀量子態的操縱。量子計算機在物理實現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託量子隧穿效應，即電子像沿着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説，目前幾乎所有實現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。而具體實現的材料，中間層通常為絕緣材料，兩側區域為金屬導體或超導體。這些結構由於是固體器件，製造精度要求極高，中間層厚度 不易靈活調整，整個器件的形狀無法變形、分割，一旦製備出來，一般只能按其特定結構實現對應功能，在應用上會受到一定限制。

液態金屬既具有金屬的高導電特徵，又兼具流體的柔性和可變形性，表面易於達到原子級別的完美光滑度。該小組此前發表於美國《應用物理快報》上的一項實驗發現，液態金 屬置於液體中會自然形成一個“液態金屬電極—液膜—液態金屬電極”的三明治結構，在外界因素作用下可靈活變形。取決於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，如果將兩個液態金屬之間的液膜厚度控制在一定範圍內，則有望實現全液態量子隧穿 效應。

基於此理論構想，由中科院理化所、清華大學與雲南大學等機構組成的聯合研究小組，首次提出了一種突破傳統剛性量子器件觀念的全液態量子隧穿效應器件的思想，並給出了製備方法，部分材料和技術方案已經形成發明專利。

業界專家表示，目前雖已能製造出尺寸在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電學互聯上存在巨大困難。可變形液態金屬量子材料與器件技術思想的提出，可能助推新一代量子計算與智能系統的製造和集成技術的突破。

基於液態金屬器件，該研究組還在早前於國際上首次提出了液態金屬計算機的基本概念和技術方案，相應發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。