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「磁性塵」有望成為新型超級電腦材料
作者:科技組 (source: Cambridge University / Natalia G. Berloff et al.) 現職:駐英國代表處
文章來源:摘譯 Cambridge University 2017年9月25日 https://www.cam.ac.uk/research/news/
發佈時間:2018.01.11
英國與俄羅斯共組的研究團隊成功展示出具有光與物質性質的「磁性塵」,可以用來解決複雜的計算問題,最終甚至能超越目前運算能力最為強大的超級電腦。英國劍橋、南安普敦(Southampton)與卡爾地夫(Cardiff)大學,協同俄國斯科爾科沃科技研究所(the Skolkovo Institute of Science and Technology )的科學家,利用電磁極化子(polariton,一種具半光子與半物質性質的量子粒子),作為複雜運算問題的簡單解決之道。這項嶄新的發現未來可能用作新類型的電腦,處理在生物、財經或是太空旅行等領域裡,現階段無法解決的問題,其研究的成果發表在《自然.材料》期刊(Nature Materials)中。

科技的進步不論從電腦模擬蛋白質折疊、金融市場的經濟行為至設計新型材料與全自動化太空任務,仰賴人類求得數學式子最佳解的能力,並以求出解答所需的運算次數來評斷其優劣。尋找最佳化方法就好比在眾多河谷、溝渠高低起伏的山脈中,尋求地勢最低點。登山者可能會試著往山下走,認為已經達到整個地形裡的最低處,但是很可能在周圍的山脈後方還有更低的谷地。在三維的自然地形中,尋找最低點的過程也許看起來已經夠艱困了,更遑論是在更複雜的多維空間裡。這篇文章的第一作者,身兼劍橋應用數學與理論物理系與斯科爾科沃科技研究所的教授Natalia Berloff表示:「這個比擬便正是數學函數要優化應用在實際生活上時,所要處理的問題,其充斥著許多未知數、變數與條件限制」。

現代的超級電腦只能處理實際生活中問題的一小部分,通常是待優化的函數有較小的維度,或是這個問題的數學結構有快速運算的捷徑,即便是維度大時也能輕易應付。而目前還在假想階段的量子電腦,即便成功完成後,至多也僅能提高傳統搜尋最低點的運算速度。Berloff教授與其同事從意想不到的觀點處理優化問題,例如假設不總是往山下走來尋找最低點,而是將某種只在最低點才會發光的粉塵灑滿整個地形,其最低點是否可以輕易被偵測到呢?Berloff教授表示:「數年前我們提出如何達成這樣目標的純理論方法,然而都被期刊給退稿。其中一位審查員說『到底誰會瘋狂到去做這樣的事情呢?!』,因此我們必須自己來做,現在已經以實驗數據證實我們的理論方法了」。

在他們實驗裡的「魔法粉塵」便是電磁極化子,是將雷射打在特定原子的堆疊層(例如鎵、砷、銦與鋁)所製造出來的。在這些原子層的電子會吸收及放出特定顏色的光。電磁極化子產生的光比這些電子的還要亮上數萬倍,其電磁極化子的數量密度足夠大,可產生稱作玻色–愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein condensate)的狀態,得以同調化其量子相位,產生巨觀但卻具量子性質的單一物體,科學家可以藉由光激發螢光實驗測量之。下一個須解決的研究問題便是如何設立位能勢,也就是待最佳化的函數,促使極化子在最低勢產生凝聚態的動力。研究團隊先專注在特定的最佳化問題,但是這個問題同時也須具備相當的普遍性,可推廣至更複雜的情況,因此團隊首先研究統計力學裡最基礎的XY模型。這篇研究的作者們已展示出可以在任意圖形的頂點製造電磁極化子,當極化子產生凝聚態時,其量子相位會使極化子本身重新排列成目標函數最低值的型態,在科爾科沃科技研究所完成相關實驗。

共同作者之一且身兼南安普敦大學混合態光子(hybrid photonics)實驗室主管與科爾科沃科技研究所的Pavlos Lagoudakis教授表示:「我們正開始探索電磁極化子圖形(polariton graphs)應用在複雜問題的潛力。目前正在增加實驗設計的規模,將電磁極化子圖形擴大至數百個頂點,同時也測試其基礎運算能力。最終目標便是製成量子模擬器(quantum simulator)的微晶片,可在不同環境條件下都能運作」。

參考資料:
New type of supercomputer could be based on ‘magic dust’ combination of light and matter
https://www.cam.ac.uk/research/news/new-type-of-supercomputer-could-be-based-on-magic-dust-combination-of-light-and-matter
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