透過量子態量測 科學家發現冷卻晶片的新方法

在連續量測的過程中，科學家總是得想盡辦法不干涉量子態(quantum states)的連貫性；而近來以色列和德國的科學家展開合作打破了以上的規則。他們打算透過對量子態的量測來控制熱力學(thermodynamics，即溫度)和熱力學函數──熵(entropy)。
科學家們聲稱，在一個二能級量子系統(two-level quantum systems)中──就像那些用於描述量子位元(q-bits)的系統──可透過對量子系統的量測頻率來控制溫度和熵；並因此可望實現新一代的冷卻方案，以快速沉降(instant-settling)原子、分子和固態元件。
這些來自以色列魏茲曼科學研究所(Weizmann Institute)和德國波茨坦大學(Potsdam University)的科學家們聲稱，控制熱力學和熵的常數，是用於量測其量子態的頻率。透過採用這種方式可以在更短時間內實現冷卻和量子態淨化(purification)，速度較透過控制迴路(control loop)實現熱平衡、冷卻或回饋要快很多。
與德國波茨坦大學的研究員Mathias Nest共同展開研究的魏茲曼科學研究所教授Gershon Kurizki、博士後研究員Noam Erez和博士候選人Goren Gordon表示，進行量子量測是侵入性的，典型的量測不會干擾被量測中的系統，但若某個量子系統正進行某項特定量測，則該系統與其他特定系統的耦合(coupling)，會暫時受到此量測的影響。
這些科學家表示，量子力學的特性可用以做為一種新的晶片級冷卻和量子運算方法。工程師們通常根據冷卻晶片所需散熱器(heat sink)的尺寸來計算熱量損失。而研究人員稱，超快速的量測會加速或延緩熱效應，因而使之與散熱器的尺寸無關。透過調節光學溫度量測的速率，研究人員發現溫度本身也是可以被調節的。
研究人員稱，採用連續量測還可以改變系統熵或下降時間(relaxation time)──即下降到最低能量態的所需時間。透過調整系統熵，未來的量子電腦可更快地達到中間結果(intermediate results)的沉降，各個運算之間的復原(resetting)時間也將加速。
(參考原文：Measuring quantum states could yield new chip-cooling scheme)
(R. Colin Johnson)
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原文
Measuring quantum states could yield new chip-cooling scheme

R. Colin JohnsonEE Times (06/03/2008 10:03 H EDT)
PORTLAND, Ore. — Scientists take great pains not to disturb the coherence of quantum states through constant measurements. Israeli and German scientists recently collaborated to turn this technique on its head, using the measurement of quantum states to control thermodynamics (temperature) and entropy (settling).
The scientists claim that in two-level quantum systems--like those used to represent quantum bits (q-bits)--the frequency used to measure them controls both temperature and entropy. The approach could enable novel cooling schemes as well as instant-settling for atomic, molecular and solid-state devices.
The scientists at the Weizmann Institute (Rehovot, Israel) and Potsdam University in Germany claim that the constant that controls thermodynamics and entropy is the frequency used to measure their quantum states. Both cooling and state purification, they claim, can be made to occur much more quickly than the normal time typically needed to achieve thermal equilibrium, cooling or feedback around a control loop.
Quantum measurements are intrusive, according to professor Gershon Kurizki, postdoctoral fellow Noam Erez and doctoral candidate Goren Gordon at the Wiesmann Institute. They worked in cooperation with researcher Mathias Nest at Potsdam University.
Classical measurements do not interfere with the system being measured. When a specific measurement is made in a quantum system, however, the coupling to other specific systems is temporarily interrupted by the measurement.
This odd characteristic of quantum mechanics can be harnessed, according to these scientists, as a new method of chip-scale cooling and quantum computing. Engineers usually measure heat loss in terms of the size of the heat sink needed to cool a chip. But the researchers claim that ultra-fast measurements can speed up or slow down thermal effects independent of the size of the heat sink.
By adjusting the rate at which optical temperature measurements were made, the researchers found that the temperature itself could be adjusted.
Taking frequent measurements also changed the system entropy or relaxation time--the time needed to reach the lowest energy state. By adjusting system entropy, future quantum computers could tilt toward faster settling of intermediate results and faster resetting between calculations, the researchers said.

研究新發現：離子風可大幅提升晶片散熱效率

美國普渡大學(Purdue University)的研究發現，正如離子雨(ionic rain)可以用來灌溉奈米碳管欉(forest of nanotubes)，離子風(ionic winds)也可以用來冷卻晶片表面。
普渡大學表示，利用離子風來加速高壓電極間的增壓空氣，可以將晶片的散熱效率提高250%；該校在英特爾(Intel)的贊助下製作了一個晶片大小的離子風引擎原型，並透過抵抗“防滑(no-slip)”效應而產生散熱效果。所謂的防滑效應會讓距離晶片表面最近的空氣分子保持相對固定狀態。
該離子風引擎原型是由位於晶片背面兩邊的兩個高壓電極所組成；透過在兩個電極之間放置上千個電壓電位(voltage potential)，空氣分子就會被充滿且在晶片表面產生離子風。
通常氣流中的防滑效應會讓接近表面的空氣分子保持穩定，並因此抑制了熱量的傳遞。不過如果離子風引擎能在晶片背面整合成陣列，使接近晶片表面的空氣不再維持固定，就能將一般的冷卻風扇效率提高兩倍以上。
普渡大學電子工程系教授Suresh Garimella表示，該研究團隊達成了改善250%的熱傳導效率，不過接下來的挑戰是要在較低的電壓之下達成散熱的改善，且確保電極的設計夠堅固。
在原型展示中，晶片兩面佈滿了間距10mm的微小電極，並在這些電極上通入數千伏特的電壓。正電極是一根穿越整個晶片正極面的線，而數個負電極則產生電子來給晶片另一面的空氣增壓。在這些測試中，一個採用傳統風扇可以冷卻到華氏140度的晶片，採用離子風引擎可以冷卻到華氏95度。
為了消除對高電壓的需求，研究人員希望能夠將正極和負極間的距離從數mm縮小到數微米(micron)，進而降低所需電壓，並透過採用帶不同電壓梯度的陣列來進行補充，而不是只採用一個寬範圍的電壓。
普渡大學已經在美國國家科學基金會(NSF)的贊助下花費多年時間研發離子風技術。研究人員估計，他們可在兩年內開發出一個工作電壓更低且電極陣列設計更耐用的新原型。

全球太陽能產業及供需情況分析

經濟日報 編譯莊雅婷、于倩若
2008-06-03
金融時報報導，太陽能產業正面臨價格暴跌的危機，可能使這個前景看好的再生能源領域重新洗牌。不過產業分析師與官員認為，價格重挫有助於推廣太陽能技術，進而帶動整體銷售。
太陽能板產能激增，市場將首度出現供過於求的現象，外界預期價格可能重挫。此外，關鍵市場的政府對太陽能科技的補貼政策不明，也會影響價格。
Ambrian公司分析師庫柏表示，全球太陽能模組去年的產能僅3GW（10億瓦），估計2010年時將成長到15億至20GW，且多數由中國貢獻。屆時太陽能組件的價格，將從目前的每瓦3.8美元降至1.4美元，太陽能產業半年內可能掀起整併風潮，使小公司淪為大企業的犧牲品。
不過庫柏認為，價格便宜也有好處，因為太陽能組件的高生產成本，向來是阻礙銷售成長的原因。近年來矽供應短缺，情況更是雪上加霜。
Lux研究公司預估，未來五年太陽能產業的整體營收將激增逾三倍至710億美元，但毛利則會下滑。
新能源財務公司（New Energy Finance）資深合夥人崔斯（Jenny Chase）說，已開發國家補貼的太陽能模組市場，規模擴張的速度不如產量，「我們預期2009年下半年會出現產能過剩，模組產量將因此倍增，但接受政府補貼的市場並未同步擴張。」
德國的太陽能市場規模居全球之冠，負責供應全世界近半數需求，但德國已打算明年起減少7%的補貼額。花旗分析師阿庫里說：「補貼減少與供應壓力，將帶來雙重衝擊。」
專精替代能源的Chrysalix創投公司總經理麥加利（Richard MacKellar）認為，這種情況不會損害太陽能的長期展望，但可能造成市場短期大幅波動。
德削減補貼太陽能 業界罩烏雲
德國是全球最大的太陽能面板市場，太陽能業產值達88億美元，德國太陽能之所以能蓬勃發展，全仰賴政府提供補貼，但現在德國政府正大幅削減補貼，恐衝擊太陽能產業。
德國家庭與企業每生產1度太陽能，最高可獲政府補貼47歐分（0.74美元）。47歐分是一般電費的兩倍，足夠運轉吸塵器60分鐘。西班牙和法國正仿效德國的做法，以推廣清潔能源，減少對石化燃料的依賴，並減少排放造成全球暖化的廢氣。
近九年的價格補貼已使德國躍居最大的太陽能板市場，有17家太陽能公司掛牌交易，員工約4萬人，比2000年多13倍。Q電池公司（Q Cells）與全球太陽能（Solarworld）等業者認為政府削減補貼將傷害獲利，並阻礙太陽能技術發展。
全球最大太陽能電池製造商Q電池執行長米爾納（Anton Milner）說：「這將對利潤構成龐大壓力，很多規模較小的德國企業將被迫退出市場，政府現在就提議削減補貼，顯然太早。」
據總部位在柏林的太陽能經濟聯邦協會（Bundesverband Solarwirtschaft）的資料，德國已設置約150萬套太陽能系統，包括50萬具太陽光電模組。該協會會長庫爾尼西（Carsten Koernig）說，雖然德國因地處北歐陽光較少，但太陽具備生產四分之一德國所需電力的潛力。
九年前德國每度太陽能可補貼1歐元，並從當時起逐年減少5%的補貼，以刺激產業控制支出，並改善效率。德國環境部提議將明年的削減幅度擴大至9.1%，有些國會議員甚至要求減少30%的補貼。再生能源遊說團體說，德國政府最快可能在本周(6月2～6日)做出決定。
柏林智庫德國經濟研究所（DIW）首席能源經濟學家坎菲爾特（Claudia Kemfert）說：「德國消費者每年多支付50億歐元補貼再生能源，所以降低補貼很有道理，這將使業者承擔更多降低成本的壓力。」