從電子到磁振子，自旋波計算開啟新篇章

李山

近日，在追求更小、更節能的計算機方面科學家取得重要進展。

二維集成磁振子電路中自旋波定向偶合器示例模型

為了解決電子移動產生的焦耳熱限制，科學家們充分利用波的潛力，開發出一種磁振子電路，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計，所需的能量比目前先進的電子芯片少約10倍，將來有望在量子計算和類腦的神經網絡計算等領域獲得應用。

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電子的操控完成的，但是電子移動所產生的焦耳熱限制了電子器件向小型化和低功耗方向的發展。于是科學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。利用磁振子開發磁控器件組件，包括邏輯門、晶體管和非布爾計算單元，已經獲得成功。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用。

現在，德國凱澤斯勞滕工業大學和奧地利維也納大學的科學家成功開發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設計了一個易于加工的基于二維平面的半加器，實現了用自旋波來傳播和處理信息。

科學家們開發的這個集成磁振子電路尺寸極小，采用了極簡的二維設計，所需的能量比目前最先進的電子芯片要少約10倍。相關成果發表在《自然·電子學》上。

充分利用自旋波的波動性

研究負責人、維也納大學的安德列·丘馬克教授說：“最初計劃的磁振子電路非常復雜，現在的版本比最初的設計至少好了100倍?！彼堰@歸因于論文的第一作者，來自中國的王棋。

博士畢業于德國凱澤斯勞滕工業大學，目前在維也納大學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項目，從概念提出、理論計算、仿真設計以及實驗制備和測試，整個工作持續了近4年時間，光是仿真設計就重復了幾百次，現在這個設計已經是第四個版本?！?/p>

接受媒體采訪時，王棋介紹說：“目前的電子設備，信息都是用電子攜帶的，但是電子的定向移動會導致焦耳熱，功耗高。我們現在用自旋波（磁振子）來攜帶信息，進行計算，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計，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，即振幅大，信號為1;振幅小，信號為0?！?/p>

王棋說：“起初我們的思路是模仿電子設備，通過構造14磁振子晶體管實現半加器，后來發現結構太復雜而且不容易實現。我們意識到還沒有充分利用自旋波的波動性。因此，在最新的設計中我們利用了波的干涉，使用了自旋波導之間偶極作用與自旋波能量相關這個非線性效應來實現了半加器的設計。不過出于成本的考慮，整個半加器是在一個二維平面上加工的。目前這個設計只是功耗更低，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，又極大地簡化了器件的設計。王棋說：“典型的半加器在電子芯片中需要14個晶體管，而我們的設計中只需要3根彼此靠近的納米線。”

王棋說：“目前的計算機都是建立在布爾體系（邏輯運算）之下的，我們的研究讓人們看到了波的波動性潛力，對于非布爾體系的計算，波比電子有很大的優勢。目前的研究思路還是在和布爾體系下的電子計算機相比，這種情況下波的優勢沒有完全顯現出來，將來我們要跳出布爾體系?！?/p>

丘馬克教授認為，磁振子電路在量子計算和類腦的神經網絡計算等方面有廣闊的應用前景。自旋波無熱耗散、容易實現室溫玻色——愛因斯坦凝聚等宏觀量子效應的優點正在得到越來越多的關注。基于自旋波的信息傳輸、邏輯計算有可能成為后摩爾時代信息傳輸、處理的重要方式之一。因此，自旋波研究具有重要的科學意義和應用潛力。