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物理學家讓晶片速度暴增1000倍，你的手機可能也要變快1000倍了
量子材料將打破矽基極限。
物理學家們剛剛找到了一種讓裝置運算速度飆升的方法——通過操控一種名為1T-TaS₂的量子材料，實現了比傳統矽基晶片快1000倍的開關速度。
矽基晶片的物理天花板
要理解這個突破有多重要，先得知道現在的晶片是怎麼工作的。
普通晶片的速度取決於它最小開關的切換速度。
在矽基晶片中，這個開關就是電晶體。電晶體要開啟，它的通道必須充電和放電。這個過程通常需要大約1納秒，所以處理器的頻率最高也就幾個GHz。
這就是為什麼你的電腦CPU主頻多年來一直徘徊在3-5GHz：我們已經觸碰到了矽基材料的物理極限。
量子材料的神奇切換
美國多家研究機構的科學家們把目光投向了量子材料。他們操控了1T-TaS₂這種層狀量子材料的溫度，讓它能夠在絕緣和導電狀態之間瞬間切換——就像你手機和電腦裡的電晶體一樣，可以阻止或允許電流通過。
關鍵在於速度：整個切換過程只需要大約1皮秒，比矽基電晶體快了整整1000倍！
如果用這種材料製作電路中的每個邏輯閘，基礎時脈頻率就能提升同樣的1000倍。每個計算步驟完成的時候，傳統電晶體甚至還沒充到一半電。
熱淬火突破
研究人員把這個過程稱為「熱淬火」（thermal quenching）。
東北大學的物理學家Gregory Fiete表示：
每個使用過電腦的人都遇到過希望某些東西載入更快的時刻。沒有什麼比光更快，而我們正在用光以物理學允許的最快速度控製材料特性。
雖然1T-TaS₂之前就顯示出在導體和絕緣體之間切換的潛力，但這次的突破在於能在更實用的溫度下工作，而不是需要超低溫環境，而且可以保持數月之久，而不是幾秒鐘。
研究團隊通過精確控制加熱和冷卻的方法，以及溫度變化的時機，實現了這一突破：速度要足夠快以保證效果，但又不能太快導致必要的量子態崩塌。
從實驗室到你的手機
當然，從物理實驗室到消費電子產品還有很長的路要走。
Frank(@Frank93688755)提出了另一種思路：
我們也可以完全採用FPGA上的下降處理，它們是大規模平行的，不受時鐘速度限制。
Lawrence D. Loeb(@LDLoeb)則指出了一個關鍵問題：
從我瞭解到的情況來看，這個好處需要-63攝氏度的溫度，所以他們在材料科學上還有很長的路要走，看看能否在室溫下複製這一點（或者開發真的很冷的手機）。
這真的很Cool（一語雙關：）
Rohan Paul(@rohanpaul_ai)開玩笑回應：
是的，還有很長的路。現在，也許可以把整個GPU訓練帳篷保持在-63度，以獲得這1000倍的速度提升😃
新範式開啟
每個電子裝置都需要導電和絕緣材料，然後需要將它們連接在一起。
如果這項技術能夠開發成功，我們將擁有一種更小、更快的單一材料，可以通過光控制在兩種狀態之間切換。
Fiete說：
我們正處於一個節點，為了在資訊儲存或操作速度上獲得驚人的提升，我們需要一個新的範式。量子計算是處理這個問題的一條路線，另一條是在材料上創新。這就是這項工作的真正意義所在。
使用X射線高動態範圍倒易空間對應和掃描隧道光譜學，研究人員揭示了共生電荷密度波和隱藏金屬電荷密度波域在高達210K的溫度下共存。
他們的發現表明，每個序參量都以不同的手性取向打破基面鏡像對稱性，並在隱藏相中誘導平面外單元胞三倍化。
這項研究成果已經發表在《Nature Physics》上。
矽基半導體元件幾十年來一直為我們服務良好，但我們現在正在接近這些晶片所能提供的物理極限。因此，製造商正在尋找替代選擇。
雖然1T-TaS₂使用的技術現在還遠遠不能塞進我們的裝置中，但它們確實為不同類型的元件和不同的電子方法開闢了潛在路徑，可以在未來幾年提供嚴重的性能跳躍。
當我們還在為5nm、3nm工藝的提升而歡呼時，量子材料已經在用完全不同的方式思考問題——
不是把電晶體做得更小，而是讓開關本身變得更快。
而回看電腦歷史上的幾次範式轉變：從電子管到電晶體，從單核到多核，每一次都不是簡單的性能提升，而是思維方式的根本改變。
現在，量子材料正在敲響下一扇門。 (AGI Hunt)