komputery laserowe

Częstotliwość taktowania procesorów 1 GHz wynosi miliard operacji na sekundę. Sporo, ale najlepsze modele dostępne obecnie dla przeciętnego konsumenta osiągają już kilkukrotnie więcej. A co jeśli przyspieszy... milion razy?

To właśnie obiecuje nowa technologia komputerowa, wykorzystująca impulsy światła laserowego do przełączania między stanami „1” i „0”. Wynika to z prostego rachunku biliard razy na sekundę.

W eksperymentach przeprowadzonych w 2018 r. i opisanych w czasopiśmie Nature naukowcy wystrzelili pulsacyjne wiązki lasera podczerwonego w układy wolframu i selenu o strukturze plastra miodu (1). To spowodowało, że złożony chip krzemowy przełączał się między stanami zerowymi i jeden, podobnie jak normalny procesor komputera, tylko milion razy szybciej.

Jak to się stało? Naukowcy opisują to graficznie, pokazując, że elektrony w metalowych plastrach miodu zachowują się „dziwnie” (choć nie aż tak bardzo). Podekscytowane cząstki te przeskakują pomiędzy różnymi stanami kwantowymi, zwanymi „pseudo-wirowanie”.

Naukowcy porównują to do bieżni zbudowanych wokół cząsteczek. Nazywają te tory „dolinami” i opisują manipulację tymi stanami wirującymi jako „dolinatronika » (S).

Elektrony są wzbudzane przez impulsy laserowe. W zależności od polaryzacji impulsów podczerwieni „zajmują” one jedną z dwóch możliwych „dolin” wokół atomów siatki metalowej. Te dwa stany od razu sugerują zastosowanie zjawiska w logice komputerowej zero-jedynka.

Przeskakiwanie elektronów jest niezwykle szybkie, w cyklach femtosekundowych. I w tym tkwi sekret niesamowitej szybkości systemów naprowadzanych laserowo.

Ponadto naukowcy argumentują, że pod wpływem wpływów fizycznych układy te znajdują się w pewnym sensie w obu stanach jednocześnie (nałożenie), co stwarza możliwości dla. Naukowcy podkreślają, że wszystko to dzieje się w temperatura pokojowapodczas gdy większość istniejących komputerów kwantowych wymaga systemów chłodzenia kubitów do temperatur bliskich zera absolutnego.

„W dłuższej perspektywie widzimy realną możliwość stworzenia urządzeń kwantowych, które będą wykonywać operacje szybciej niż jedno oscylowanie fali świetlnej” – stwierdził badacz w oświadczeniu. Ruperta Hubera, profesor fizyki na Uniwersytecie w Regensburgu w Niemczech.

Naukowcy nie przeprowadzili jednak w ten sposób jeszcze żadnych rzeczywistych operacji kwantowych, dlatego pomysł komputera kwantowego pracującego w temperaturze pokojowej pozostaje czysto teoretyczny. To samo dotyczy normalnej mocy obliczeniowej tego systemu. Wykazano jedynie działanie oscylacji, nie wykonano żadnych rzeczywistych operacji obliczeniowych.

Doświadczenia podobne do opisanych powyżej zostały już przeprowadzone. W 2017 roku opis badań ukazał się w czasopiśmie Nature Photonics, m.in. na Uniwersytecie Michigan w USA. Tam 100-femtosekundowe impulsy światła laserowego przepuszczono przez kryształ półprzewodnika, aby monitorować stan elektronów. Z reguły zjawiska zachodzące w strukturze materiału były podobne do opisanych wcześniej. Podobnie jak konsekwencje kwantowe.

Lekkie chipsy i perowskity

Do "komputery z laserem kwantowym » jest traktowany inaczej. W październiku ubiegłego roku amerykańsko-japońsko-australijski zespół badawczy zademonstrował lekki system komputerowy. Zamiast kubitów nowe podejście wykorzystuje stan fizyczny wiązek laserowych i niestandardowych kryształów do przekształcania wiązek w specjalny rodzaj światła zwany „światłem ściśniętym”.

Aby stan klastra mógł wykazać potencjał obliczeń kwantowych, laser musi zostać zmierzony w określony sposób, a osiąga się to za pomocą splątanej kwantowo sieci luster, emiterów wiązek i włókien optycznych (2). Podejście to prezentowane jest w małej skali, która nie zapewnia dostatecznie dużych prędkości obliczeniowych. Naukowcy twierdzą jednak, że model jest skalowalny i większe struktury mogą ostatecznie osiągnąć przewagę kwantową nad obecnymi modelami kwantowymi i binarnymi.

2. Wiązki laserowe przechodzące przez skomplikowaną sieć luster

„Chociaż obecne procesory kwantowe robią wrażenie, nie jest jasne, czy można je skalować do bardzo dużych rozmiarów” – zauważa Science Today. Nicolasa Menicucciego, uczestniczący badacz w Centrum Kwantowych Technologii Obliczeniowych i Komunikacyjnych (CQC2T) na Uniwersytecie RMIT w Melbourne w Australii. „Nasze podejście zaczyna się od ekstremalnej skalowalności wbudowanej od początku w chip, ponieważ procesor, zwany stanem klastra, jest zbudowany ze światła”.

Nowe typy laserów potrzebne są także do ultraszybkich układów fotonicznych (patrz też:). Naukowcy z Dallas Federal University (FEFU) – wraz z rosyjskimi kolegami z ITMO University, a także naukowcami z University of Texas w Dallas i Australian National University – poinformowali w marcu 2019 r. w czasopiśmie ACS Nano, że opracowali wydajna, szybka i tania metoda produkcji lasery perowskitowe. Ich przewagą nad innymi typami jest to, że działają stabilniej, co w przypadku chipów optycznych ma ogromne znaczenie.

„Nasza technologia druku laserowego halogenkowego zapewnia prosty, opłacalny i wysoce kontrolowany sposób masowej produkcji różnorodnych laserów perowskitowych. Co ważne, optymalizacja geometrii w procesie druku laserowego umożliwia po raz pierwszy produkcję stabilnych jednomodowych mikrolaserów perowskitowych (3). Takie lasery są obiecujące dla rozwoju różnych urządzeń optoelektronicznych i nanofotonicznych, czujników itp.” – wyjaśnił w publikacji Aleksiej Żyszczenko, badacz z ośrodka FEFU.

3. Wiązki lasera perowskitowego

Oczywiście w najbliższym czasie nie będziemy świadkami komputerów osobistych „działających na laserach”. Jak dotąd opisane powyżej eksperymenty są weryfikacjami koncepcji, a nie nawet prototypami systemów obliczeniowych.

Jednak prędkości oferowane przez wiązki światła i lasera są zbyt kuszące, aby badacze, a następnie inżynierowie, aby porzucili tę ścieżkę.