laserové počítače

Frekvencia hodín 1 GHz v procesoroch je jedna miliarda operácií za sekundu. Veľa, no tie najlepšie modely, ktoré sú aktuálne dostupné bežnému spotrebiteľovi, dosahujú už niekoľkonásobne viac. Čo ak sa zrýchli... miliónkrát?

To sľubuje nová výpočtová technológia, ktorá využíva pulzy laserového svetla na prepínanie medzi stavmi „1“ a „0“. Vyplýva to z jednoduchého výpočtu kvadriliónkrát za sekundu.

V experimentoch uskutočnených v roku 2018 a opísaných v časopise Nature výskumníci vypálili pulzné infračervené laserové lúče na plástové polia volfrámu a selénu (1). To spôsobilo prepínanie nula a jedného stavu v kombinovanom kremíkovom čipe, rovnako ako v bežnom počítačovom procesore, len miliónkrát rýchlejšie.

Ako sa to stalo? Vedci to popisujú graficky a ukazujú, že elektróny v kovovom pláste sa správajú „čudne“ (aj keď nie až tak). Vzrušené tieto častice skáču medzi rôznymi kvantovými stavmi, ktoré experimentátori pomenovali “pseudotočenie ».

Vedci to porovnávajú s bežeckými pásmi postavenými na molekulách. Tieto dráhy nazývajú „údolia“ a popisujú manipuláciu s týmito stavmi otáčania ako „dolinatronica » (S).

Elektróny sú excitované laserovými impulzmi. V závislosti od polarity infračervených impulzov „obsadzujú“ jedno z dvoch možných „údolí“ okolo atómov kovovej mriežky. Tieto dva stavy okamžite naznačujú použitie javu v počítačovej logike nula jedna.

Elektrónové skoky sú extrémne rýchle, vo femtosekundových cykloch. A tu sa skrýva tajomstvo neuveriteľnej rýchlosti laserom navádzaných systémov.

Okrem toho vedci tvrdia, že v dôsledku fyzikálnych vplyvov sú tieto systémy v určitom zmysle v oboch stavoch súčasne (superpozícia), čo vytvára príležitosti pre Výskumníci zdôrazňujú, že toto všetko sa deje v izbová teplotazatiaľ čo väčšina existujúcich kvantových počítačov vyžaduje chladenie systémov qubitov na teploty blízke absolútnej nule.

"Z dlhodobého hľadiska vidíme skutočnú možnosť vytvorenia kvantových zariadení, ktoré vykonávajú operácie rýchlejšie ako jediná oscilácia svetelnej vlny," uviedol výskumník vo vyhlásení. Rupert Huber, profesor fyziky na univerzite v Regensburgu v Nemecku.

Vedci však týmto spôsobom zatiaľ nevykonali žiadne skutočné kvantové operácie, takže myšlienka kvantového počítača fungujúceho pri izbovej teplote zostáva čisto teoretická. To isté platí pre bežný výpočtový výkon tohto systému. Bola demonštrovaná iba práca oscilácií a neboli vykonané žiadne skutočné výpočtové operácie.

Pokusy podobné tým, ktoré sú opísané vyššie, už boli uskutočnené. V roku 2017 bol popis štúdie publikovaný v Nature Photonics, vrátane University of Michigan v USA. Cez polovodičový kryštál tam prechádzali pulzy laserového svetla trvajúce 100 femtosekúnd, ktoré kontrolovali stav elektrónov. Javy vyskytujúce sa v štruktúre materiálu boli spravidla podobné tým, ktoré boli opísané vyššie. Toto sú kvantové dôsledky.

Ľahké čipy a perovskity

robiť "kvantové laserové počítače » zaobchádza sa s ním inak. Minulý október americko-japonsko-austrálsky výskumný tím predviedol ľahký výpočtový systém. Namiesto qubitov nový prístup využíva fyzický stav laserových lúčov a vlastných kryštálov na premenu lúčov na špeciálny typ svetla nazývaný „stlačené svetlo“.

Aby stav klastra demonštroval potenciál kvantových výpočtov, musí byť laser istým spôsobom meraný, a to sa dosahuje pomocou kvantovo prepletenej siete zrkadiel, lúčov a optických vlákien (2). Tento prístup je prezentovaný v malom rozsahu, ktorý neposkytuje dostatočne vysoké výpočtové rýchlosti. Vedci však tvrdia, že model je škálovateľný a väčšie štruktúry by nakoniec mohli dosiahnuť kvantovú výhodu oproti použitým kvantovým a binárnym modelom.

2. Laserové lúče prechádzajúce spletenou sieťou zrkadiel

„Hoci súčasné kvantové procesory sú pôsobivé, nie je jasné, či sa dajú škálovať na veľmi veľké veľkosti,“ poznamenáva Science Today. Nicolas Menicucci, prispievateľ v Centre pre kvantové výpočtové a komunikačné technológie (CQC2T) na RMIT University v Melbourne, Austrália. "Náš prístup začína extrémnou škálovateľnosťou zabudovanou do čipu od samého začiatku, pretože procesor, nazývaný klastrový stav, je vyrobený zo svetla."

Nové typy laserov sú potrebné aj pre ultrarýchle fotonické systémy (pozri tiež:). Vedci z Federálnej univerzity Ďalekého východu (FEFU) – spolu s ruskými kolegami z univerzity ITMO, ako aj vedcami z Texaskej univerzity v Dallase a Austrálskej národnej univerzity – v marci 2019 v časopise ACS Nano uviedli, že vyvinuli efektívny, rýchly a lacný spôsob výroby perovskitové lasery. Ich výhodou oproti iným typom je, že pracujú stabilnejšie, čo má pri optických čipoch veľký význam.

„Naša technológia halogenidovej laserovej tlače poskytuje jednoduchý, ekonomický a vysoko kontrolovaný spôsob hromadnej výroby rôznych perovskitových laserov. Je dôležité poznamenať, že optimalizácia geometrie v procese laserovej tlače po prvýkrát umožňuje získať stabilné jednovidové perovskitové mikrolasery (3). Takéto lasery sú sľubné vo vývoji rôznych optoelektronických a nanofotonických zariadení, senzorov atď.,“ vysvetlil v publikácii Aleksey Zhishchenko, výskumník z centra FEFU.

3. Perovskitové laserové lúče

Osobné počítače „chodiť po laseroch“ samozrejme čoskoro neuvidíme. Zatiaľ čo vyššie opísané experimenty sú dôkazom koncepcie, dokonca ani prototypmi výpočtových systémov.

Rýchlosti, ktoré ponúkajú svetlo a laserové lúče, sú však príliš lákavé na to, aby výskumníci a potom inžinieri túto cestu odmietli.