如果你还没注意到，计算机很热——字面意义上的热。笔记本电脑会散发出滚烫的热量，数据中心每年消耗的电量估计为 200 太瓦时，与一些中等规模国家的能源消耗相当。整个信息和通信技术的碳足迹接近航空业的燃料使用量。而且，随着计算机电路变得越来越小、越来越密集，它也更容易因散热而熔化。
现在，加州大学戴维斯分校的物理学家詹姆斯·克拉奇菲尔德和研究生凯尔·雷提出了一种新的计算方法，这种方法只会消耗传统电路产生的一小部分热量。事实上，他们在最近提交的一项仍在等待同行评审发表的研究中描述的方法，可以将散热量降低到甚至低于物理定律对当今计算机施加的理论最小值。这可以大大减少执行计算和保持电路冷却所需的能量。研究人员表示，这一切都可以使用现有的微电子设备来完成。
1961 年，IBM 位于纽约州约克镇高地的托马斯·J·沃森研究中心的物理学家罗尔夫·兰道尔表明，传统计算会产生不可避免的能量耗散成本——基本上是在热量和熵的产生方面。这是因为传统计算机有时必须擦除其内存电路中的信息，以便为更多信息腾出空间。每次重置单个位（值为 1 或 0）时，都会耗散一定的最小能量——雷和克拉奇菲尔德将其命名为“兰道尔”。它的值取决于环境温度：在你的客厅里，一个兰道尔大约是 10–21 焦耳。（相比之下，一根点燃的蜡烛每秒释放大约 10 焦耳的能量。）
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计算机科学家早就认识到，通过不擦除任何信息，可以削弱兰道尔对计算产生热量多少的限制。以这种方式完成的计算是完全可逆的，因为不丢弃任何信息意味着每个步骤都可以追溯。这听起来好像这个过程会很快填满计算机的内存。但在 20 世纪 70 年代，同样在 IBM 工作的查尔斯·贝内特表明，与其在计算结束时丢弃信息，不如将其设置为“反计算”不再需要的中间结果，通过反转其逻辑步骤并将计算机返回到其原始状态。关键在于，为了避免传递任何热量——成为物理学家所说的绝热过程——计算中的一系列逻辑运算通常必须无限缓慢地进行。从某种意义上说，这种方法避免了过程中的任何“摩擦热”，但代价是完成计算需要无限长的时间。
在这种情况下，这似乎不太可能是一个实用的解决方案。“长期以来的传统观点是，可逆计算中的能量耗散与速度成正比，”新墨西哥州阿尔伯克基市桑迪亚国家实验室的计算机科学家迈克尔·弗兰克说。
达到极限——并超越极限
基于硅的计算无论如何都无法接近兰道尔极限：目前，这种计算每逻辑运算产生大约几千个兰道尔的热量，而且很难想象即使是未来的某种超高效硅芯片也能低于 100 左右。但雷和克拉奇菲尔德表示，通过以一种新的方式编码电流中的信息，可以做得更好：不是作为电荷脉冲，而是作为运动粒子的动量。他们说，这将使计算能够可逆地完成，而无需牺牲速度。
这两位研究人员及其合作者在 2021 年提出了动量计算的基本思想。关键概念是，粒子的动量可以“免费”提供一种内存，因为它携带有关粒子过去和未来运动的信息，而不仅仅是其瞬时状态。“以前，信息是位置存储的：‘粒子在哪里？’”克拉奇菲尔德说。例如，给定的电子是在这个通道还是那个通道中？“动量计算使用位置和速度的信息，”他指出。
然后可以利用这些额外的信息进行可逆计算。为了使这个想法奏效，逻辑运算必须比比特与周围环境达到热平衡所需的时间快得多，热平衡会使比特的运动随机化并扰乱信息。换句话说，“动量计算要求设备高速运行，”克拉奇菲尔德说。为了使其工作，“你必须快速计算”——即非绝热地计算。
研究人员考虑了如何使用这个想法来实现一种称为位交换的逻辑运算，其中两位同时翻转其值：1 变为 0，反之亦然。这里没有丢弃任何信息；它只是重新配置，这意味着，理论上，它不产生擦除成本。
然而，如果信息仅编码在粒子的位置中，则位交换——例如，在左侧通道和右侧通道之间切换粒子——意味着它们的身份被扰乱，因此无法区分它们的“之前”和“之后”状态。但是，如果粒子具有相反的动量，它们就会保持不同，因此该操作会产生真实且可逆的变化。
实用的设备
雷和克拉奇菲尔德已经描述了如何在一个实用的设备中实现这个想法——具体来说，在超导磁通量量子比特或量子位中，量子位是当今大多数量子计算机使用的标准位。“我们正在寄生于量子计算社区！”克拉奇菲尔德愉快地承认。这些设备由超导材料环路组成，环路被称为约瑟夫森结 (JJ) 的结构中断，其中在两个超导体之间插入一层薄薄的非超导材料。
JJ 电路中的信息通常编码在它们所谓的超电流循环方向中，可以使用微波辐射切换方向。但是由于超电流携带动量，它们也可以用于动量计算。雷和克拉奇菲尔德进行的模拟表明，在某些条件下，JJ 电路应该能够支持他们的动量计算方法。如果冷却到液氦温度，该电路可以在不到 15 纳秒的时间内执行单个位交换操作。
克拉奇菲尔德说：“虽然我们的提案基于特定的基板，尽可能具体，并准确估计所需的能量，但该提案比这更通用。” 原则上，它应该适用于普通（尽管是低温冷却的）电子电路，甚至适用于微小的、经过精心绝缘的机械设备，这些设备可以在其运动部件中携带动量（从而执行计算）。克拉奇菲尔德说，使用超导位的方法可能特别适合，因为“它是熟悉且已知可以很好地扩展的微技术。”
克拉奇菲尔德应该知道：克拉奇菲尔德曾与迈克尔·鲁克斯及其在加州理工学院的合作者合作，测量了在 JJ 设备中擦除一位的成本，并表明它接近兰道尔极限。在 20 世纪 80 年代，克拉奇菲尔德和鲁克斯甚至担任 IBM 尝试构建可逆 JJ 计算机的顾问，但由于当时过于苛刻的制造要求，该尝试最终被放弃。
跟随弹跳球
利用粒子的速度进行计算并不是一个全新的想法。动量计算与 20 世纪 80 年代提出的一种称为弹道计算的可逆计算概念非常相似：在弹道计算中，信息编码在物体或粒子中，这些物体或粒子在自身惯性作用下在电路中自由移动，并随身携带一些信号，这些信号被重复用于执行许多逻辑运算。如果粒子与其他粒子弹性相互作用，它在这个过程中不会损失任何能量。在这种设备中，一旦弹道位被“发射”，它们就会单独为计算供电，而无需任何其他能量输入。只要位继续沿其轨迹弹跳，计算就是可逆的。只有在读出其状态时，信息才会被擦除，能量才会被耗散。
克拉奇菲尔德说，在弹道计算中，粒子的速度只是将其传输通过设备，使粒子能够将信息从输入端传递到输出端。但在动量计算中，粒子的速度和位置共同使其能够在一个计算过程中体现一系列独特且明确的状态。他补充说，后一种情况是可逆性以及低耗散的关键，因为它能够准确地揭示每个粒子去过哪里。
包括弗兰克在内的研究人员已经研究弹道可逆计算数十年了。一个挑战是，在其最初的提案中，弹道计算在动力学上是不稳定的，例如，粒子碰撞可能是混沌的，因此对最微小的随机波动高度敏感：然后它们无法逆转。但研究人员在解决这些问题方面取得了进展。例如，马里兰大学的凯文·奥斯本和沃尔特劳特·武斯特曼提出，JJ 电路可以用于制造一种称为移位寄存器的可逆弹道逻辑电路，其中一个逻辑门的输出成为一系列“触发器”操作中下一个逻辑门的输入。
奥斯本说：“超导电路是测试可逆电路的良好平台。” 他补充说，他的 JJ 电路似乎非常接近雷和克拉奇菲尔德规定的电路，因此可能是测试他们想法的最佳候选者。
弗兰克说：“我想说，我们所有小组都从一种直觉出发，即这些方法可以比传统的可逆计算方法更好地权衡效率和速度。” 雷和克拉奇菲尔德“可能在理论和单个设备模拟层面上，在展示这一点方面做得最彻底。” 尽管如此，弗兰克警告说，所有各种弹道和动量计算方法“距离成为实用技术还有很长的路要走。”
克拉奇菲尔德更加乐观。“这真的取决于是否有人支持加大投入，”他说。他认为，小型、低功耗的动量计算 JJ 电路在几年内可能是可行的，完整的微处理器将在十年内首次亮相。最终，他预计消费级动量计算可以实现比当前方法高 1,000 倍或更多的能源效率提升。“想象一下，[如果]你位于巨型仓库中的谷歌服务器场使用 1,000 千瓦的电力进行计算和冷却[而是]减少到仅 1 千瓦——相当于几盏白炽灯泡，”克拉奇菲尔德说。
但克拉奇菲尔德说，新方法的好处可能比实际降低能源成本更广泛。“动量计算将导致我们看待世界信息处理方式的概念转变。”