液态金属能“进化”成计算机？

人民网北京11月24日电 （记者喻思南） 液态金属可以用来制造电子元件，进而引发计算机的革新？不久前，我国一个研究小组发表了一项成果，在国际上首次提出了基于液态金属的全液态量子器件技术的概念，并明确指出这一超越传统的可变形柔性器件，有望助推新一代量子计算机和人工智能系统的发展。相关论文近日公布在美国物理学预印本网站上。

量子计算机被普遍认为是新一代计算机的重大发展方向，其计算能力主要基于对微观量子态的操纵。量子计算机在物理实现上要走向集成化和小型化，其最为核心的一种逻辑运算器件是依托量子隧穿效应，即电子像沿着隧道一样穿过薄的绝缘层。

研究项目负责人、中科院理化所与清华大学双聘教授刘静说，目前，几乎所有实现量子隧穿效应的器件均由一个三明治刚体结构组成，中间层为绝缘的纳米尺度薄层，两侧为导电介质电极。而具体实现的材料，中间层通常为绝缘材料，两侧区域为金属导体或超导体。这些结构由于是固体器件，制造精度要求极高，中间层厚度不易灵活调整，整个器件的形状无法变形、分割，一旦制备出来，一般只能按其特定结构实现对应功能，在应用上会受到一定限制。

“若能将量子隧穿效应器件的三明治刚体结构予以液态化，则可望实现全液态或全柔性量子器件。它能提供不同于传统固体器件的性能，有望为量子工程的物理实现提供更加灵活智能的元件级技术支撑，这种在粘粘糊糊溶液环境下工作的方式更像是有一定自主性的生命智能系统。”刘静说。

他介绍，液态金属既具有金属的高导电特征，又兼具流体的柔性和可变形性，表面易于达到原子级别的完美光滑度。该小组发表于美国《应用物理快报》上的一项实验发现，液态金属置于液体中会自然形成一个“液态金属电极—液膜—液态金属电极”的三明治结构，在外界因素作用下可灵活变形；取决于不同的外加电场作用，液膜间隙可达极小尺度甚至完全消失，其两侧电阻会随此尺寸和结构的变化作对应响应。因此，如果将两个液态金属之间的液膜厚度控制在一定范围内，则有望实现全液态量子隧穿效应。

基于此理论构想，由中科院理化所、清华大学与云南大学等机构组成的联合研究小组，首次提出了一种突破传统刚性量子器件观念的全液态量子隧穿效应器件的思想，并给出了制备方法，部分材料和技术方案还形成发明专利。“由于全液态量子器件的中间液层厚度可以通过外场如力场、电场、磁场等加以调控，这使得整个系统具有高度灵活性、智能性和自主可控性的特点，且在规模化制备和组装方面十分快捷简便。”刘静说。

业界专家表示，人类虽已能制造出尺寸在1纳米左右的纳米晶体管，但大量如此精细尺度的晶体管在实现电学互联上存在巨大困难。可变形液态金属量子材料与器件技术思想的提出，有望改观传统刚体量子器件的基本理念、技术实现策略乃至应用模式，降低量子器件的电子互联难度，可能助推新一代量子计算与智能系统的制造和集成技术的突破。

基于液态金属器件，该研究组还在早前于国际上首次提出了液态金属计算机的基本概念和技术方案，其基本途径之一是依靠液态金属在不同物理或化学状态下的导电性差异，作为逻辑运算的0和1状态，通过多个金属液滴部件的组合构建逻辑单元，由此实现计算机的编程运算功能，相应发明专利的基本架构和核心器件已获得受理，系国际上该领域的全新尝试。