如果你還沒注意到，計算機很熱——字面意義上的熱。筆記型電腦會散發出滾燙的熱量，資料中心每年消耗的電量估計為 200 太瓦時，與一些中等規模國家的能源消耗相當。整個資訊和通訊技術的碳足跡接近航空業的燃料使用量。而且，隨著計算機電路變得越來越小、越來越密集，它也更容易因散熱而熔化。
現在，加州大學戴維斯分校的物理學家詹姆斯·克拉奇菲爾德和研究生凱爾·雷提出了一種新的計算方法，這種方法只會消耗傳統電路產生的一小部分熱量。事實上，他們在最近提交的一項仍在等待同行評審發表的研究中描述的方法，可以將散熱量降低到甚至低於物理定律對當今計算機施加的理論最小值。這可以大大減少執行計算和保持電路冷卻所需的能量。研究人員表示，這一切都可以使用現有的微電子裝置來完成。
1961 年，IBM 位於紐約州約克鎮高地的托馬斯·J·沃森研究中心的物理學家羅爾夫·蘭道爾表明，傳統計算會產生不可避免的能量耗散成本——基本上是在熱量和熵的產生方面。這是因為傳統計算機有時必須擦除其記憶體電路中的資訊，以便為更多資訊騰出空間。每次重置單個位（值為 1 或 0）時，都會耗散一定的最小能量——雷和克拉奇菲爾德將其命名為“蘭道爾”。它的值取決於環境溫度：在你的客廳裡，一個蘭道爾大約是 10–21 焦耳。（相比之下，一根點燃的蠟燭每秒釋放大約 10 焦耳的能量。）
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計算機科學家早就認識到，透過不擦除任何資訊，可以削弱蘭道爾對計算產生熱量多少的限制。以這種方式完成的計算是完全可逆的，因為不丟棄任何資訊意味著每個步驟都可以追溯。這聽起來好像這個過程會很快填滿計算機的記憶體。但在 20 世紀 70 年代，同樣在 IBM 工作的查爾斯·貝內特表明，與其在計算結束時丟棄資訊，不如將其設定為“反計算”不再需要的中間結果，透過反轉其邏輯步驟並將計算機返回到其原始狀態。關鍵在於，為了避免傳遞任何熱量——成為物理學家所說的絕熱過程——計算中的一系列邏輯運算通常必須無限緩慢地進行。從某種意義上說，這種方法避免了過程中的任何“摩擦熱”，但代價是完成計算需要無限長的時間。
在這種情況下，這似乎不太可能是一個實用的解決方案。“長期以來的傳統觀點是，可逆計算中的能量耗散與速度成正比，”新墨西哥州阿爾伯克基市桑迪亞國家實驗室的計算機科學家邁克爾·弗蘭克說。
達到極限——並超越極限
基於矽的計算無論如何都無法接近蘭道爾極限：目前，這種計算每邏輯運算產生大約幾千個蘭道爾的熱量，而且很難想象即使是未來的某種超高效矽晶片也能低於 100 左右。但雷和克拉奇菲爾德表示，透過以一種新的方式編碼電流中的資訊，可以做得更好：不是作為電荷脈衝，而是作為運動粒子的動量。他們說，這將使計算能夠可逆地完成，而無需犧牲速度。
這兩位研究人員及其合作者在 2021 年提出了動量計算的基本思想。關鍵概念是，粒子的動量可以“免費”提供一種記憶體，因為它攜帶有關粒子過去和未來運動的資訊，而不僅僅是其瞬時狀態。“以前，資訊是位置儲存的：‘粒子在哪裡？’”克拉奇菲爾德說。例如，給定的電子是在這個通道還是那個通道中？“動量計算使用位置和速度的資訊，”他指出。
然後可以利用這些額外的資訊進行可逆計算。為了使這個想法奏效，邏輯運算必須比位元與周圍環境達到熱平衡所需的時間快得多，熱平衡會使位元的運動隨機化並擾亂資訊。換句話說，“動量計算要求裝置高速執行，”克拉奇菲爾德說。為了使其工作，“你必須快速計算”——即非絕熱地計算。
研究人員考慮瞭如何使用這個想法來實現一種稱為位交換的邏輯運算，其中兩位同時翻轉其值：1 變為 0，反之亦然。這裡沒有丟棄任何資訊；它只是重新配置，這意味著，理論上，它不產生擦除成本。
然而，如果資訊僅編碼在粒子的位置中，則位交換——例如，在左側通道和右側通道之間切換粒子——意味著它們的身份被擾亂，因此無法區分它們的“之前”和“之後”狀態。但是，如果粒子具有相反的動量，它們就會保持不同，因此該操作會產生真實且可逆的變化。
實用的裝置
雷和克拉奇菲爾德已經描述瞭如何在一個實用的裝置中實現這個想法——具體來說，在超導磁通量量子位元或量子位中，量子位是當今大多數量子計算機使用的標準位。“我們正在寄生於量子計算社群！”克拉奇菲爾德愉快地承認。這些裝置由超導材料環路組成，環路被稱為約瑟夫森結 (JJ) 的結構中斷，其中在兩個超導體之間插入一層薄薄的非超導材料。
JJ 電路中的資訊通常編碼在它們所謂的超電流迴圈方向中，可以使用微波輻射切換方向。但是由於超電流攜帶動量，它們也可以用於動量計算。雷和克拉奇菲爾德進行的模擬表明，在某些條件下，JJ 電路應該能夠支援他們的動量計算方法。如果冷卻到液氦溫度，該電路可以在不到 15 納秒的時間內執行單個位交換操作。
克拉奇菲爾德說：“雖然我們的提案基於特定的基板，儘可能具體，並準確估計所需的能量，但該提案比這更通用。” 原則上，它應該適用於普通（儘管是低溫冷卻的）電子電路，甚至適用於微小的、經過精心絕緣的機械裝置，這些裝置可以在其運動部件中攜帶動量（從而執行計算）。克拉奇菲爾德說，使用超導位的方法可能特別適合，因為“它是熟悉且已知可以很好地擴充套件的微技術。”
克拉奇菲爾德應該知道：克拉奇菲爾德曾與邁克爾·魯克斯及其在加州理工學院的合作者合作，測量了在 JJ 裝置中擦除一位的成本，並表明它接近蘭道爾極限。在 20 世紀 80 年代，克拉奇菲爾德和魯克斯甚至擔任 IBM 嘗試構建可逆 JJ 計算機的顧問，但由於當時過於苛刻的製造要求，該嘗試最終被放棄。
跟隨彈跳球
利用粒子的速度進行計算並不是一個全新的想法。動量計算與 20 世紀 80 年代提出的一種稱為彈道計算的可逆計算概念非常相似：在彈道計算中，資訊編碼在物體或粒子中，這些物體或粒子在自身慣性作用下在電路中自由移動，並隨身攜帶一些訊號，這些訊號被重複用於執行許多邏輯運算。如果粒子與其他粒子彈性相互作用，它在這個過程中不會損失任何能量。在這種裝置中，一旦彈道位被“發射”，它們就會單獨為計算供電，而無需任何其他能量輸入。只要位繼續沿其軌跡彈跳，計算就是可逆的。只有在讀出其狀態時，資訊才會被擦除，能量才會被耗散。
克拉奇菲爾德說，在彈道計算中，粒子的速度只是將其傳輸透過裝置，使粒子能夠將資訊從輸入端傳遞到輸出端。但在動量計算中，粒子的速度和位置共同使其能夠在一個計算過程中體現一系列獨特且明確的狀態。他補充說，後一種情況是可逆性以及低耗散的關鍵，因為它能夠準確地揭示每個粒子去過哪裡。
包括弗蘭克在內的研究人員已經研究彈道可逆計算數十年了。一個挑戰是，在其最初的提案中，彈道計算在動力學上是不穩定的，例如，粒子碰撞可能是混沌的，因此對最微小的隨機波動高度敏感：然後它們無法逆轉。但研究人員在解決這些問題方面取得了進展。例如，馬里蘭大學的凱文·奧斯本和沃爾特勞特·武斯特曼提出，JJ 電路可以用於製造一種稱為移位暫存器的可逆彈道邏輯電路，其中一個邏輯閘的輸出成為一系列“觸發器”操作中下一個邏輯閘的輸入。
奧斯本說：“超導電路是測試可逆電路的良好平臺。” 他補充說，他的 JJ 電路似乎非常接近雷和克拉奇菲爾德規定的電路，因此可能是測試他們想法的最佳候選者。
弗蘭克說：“我想說，我們所有小組都從一種直覺出發，即這些方法可以比傳統的可逆計算方法更好地權衡效率和速度。” 雷和克拉奇菲爾德“可能在理論和單個裝置模擬層面上，在展示這一點方面做得最徹底。” 儘管如此，弗蘭克警告說，所有各種彈道和動量計算方法“距離成為實用技術還有很長的路要走。”
克拉奇菲爾德更加樂觀。“這真的取決於是否有人支援加大投入，”他說。他認為，小型、低功耗的動量計算 JJ 電路在幾年內可能是可行的，完整的微處理器將在十年內首次亮相。最終，他預計消費級動量計算可以實現比當前方法高 1,000 倍或更多的能源效率提升。“想象一下，[如果]你位於巨型倉庫中的谷歌伺服器場使用 1,000 千瓦的電力進行計算和冷卻[而是]減少到僅 1 千瓦——相當於幾盞白熾燈泡，”克拉奇菲爾德說。
但克拉奇菲爾德說，新方法的好處可能比實際降低能源成本更廣泛。“動量計算將導致我們看待世界資訊處理方式的概念轉變。”