laserdatorer
Klockhastigheten för 1 GHz-processorer är en miljard operationer per sekund. Mycket, men de bästa modellerna som för närvarande är tillgängliga för genomsnittskonsumenten uppnår redan flera gånger mer. Tänk om det går snabbare... en miljon gånger?
Det är vad ny datorteknik lovar, genom att använda pulser av laserljus för att växla mellan tillstånden "1" och "0". Detta följer av en enkel beräkning kvadrilljoner gånger per sekund.
I experiment utförda 2018 och beskrivna i tidskriften Nature, avfyrade forskare pulsade infraröda laserstrålar mot bikakestrukturer av volfram och selen (1). Detta gjorde att kombinationen av kiselchippet växlade mellan noll och ett tillstånd, precis som en vanlig datorprocessor, bara en miljon gånger snabbare.
Hur hände det här? Forskare beskriver detta grafiskt och visar att elektroner i metallbikakor beter sig "konstigt" (men inte så mycket). När de exciteras hoppar dessa partiklar mellan olika kvanttillstånd, kallade "pseudo-spinning".
Forskare liknar det vid löpband byggda kring molekyler. De kallar dessa spår "dalar" och beskriver manipulationen av dessa roterande tillstånd som "dolinatronica » (S).
Elektronerna exciteras av laserpulser. Beroende på polariteten hos de infraröda pulserna "upptar" de en av två möjliga "dalar" runt atomerna i metallgittret. Dessa två tillstånd föreslår omedelbart användningen av fenomenet i datorlogik noll-ett.
Elektronhoppning är extremt snabb, i femtosekundscykler. Och häri ligger hemligheten bakom laserstyrda systems otroliga hastighet.
Dessutom hävdar forskare att på grund av fysisk påverkan är dessa system i viss mening i båda tillstånden samtidigt (superposition), vilket skapar möjligheter för. Forskare betonar att allt detta sker inom rumstemperaturmedan de flesta befintliga kvantdatorer kräver kylsystem av qubits till temperaturer nära absolut noll.
"På lång sikt ser vi en verklig möjlighet att skapa kvantenheter som utför operationer snabbare än en svängning av en ljusvåg", sa forskaren i ett uttalande. Rupert Huber, professor i fysik vid universitetet i Regensburg, Tyskland.
Men forskare har ännu inte utfört några riktiga kvantoperationer på detta sätt, så idén om en kvantdator som fungerar vid rumstemperatur förblir rent teoretisk. Detsamma gäller den normala beräkningskraften för detta system. Endast driften av svängningar demonstrerades och inga riktiga beräkningsoperationer utfördes.
Experiment liknande de som beskrivits ovan har redan utförts. 2017 publicerades en beskrivning av forskningen i Nature Photonics, bland annat vid University of Michigan i USA. Där leddes 100 femtosekunders pulser av laserljus genom en halvledarkristall för att övervaka elektronernas tillstånd. Som regel liknade de fenomen som inträffade i materialets struktur de som beskrivits tidigare. Så även kvantkonsekvenserna.
Lätta chips och perovskites
gör"kvantlaserdatorer » han behandlas annorlunda. I oktober förra året visade ett amerikanskt-japanskt-australiskt forskarlag ett lättviktigt datorsystem. Istället för qubits använder det nya tillvägagångssättet det fysiska tillståndet för laserstrålar och anpassade kristaller för att omvandla strålarna till en speciell typ av ljus som kallas "klämt ljus".
För att ett klustertillstånd ska kunna visa kvantberäkningspotential måste lasern mätas på ett visst sätt, och detta uppnås med hjälp av ett kvanttrasslat nätverk av speglar, strålsändare och optiska fibrer (2). Detta tillvägagångssätt presenteras i liten skala, vilket inte ger tillräckligt höga beräkningshastigheter. Men forskare säger att modellen är skalbar och större strukturer kan så småningom uppnå en kvantfördel jämfört med nuvarande kvantmodeller och binära modeller.
2. Laserstrålar som passerar genom ett invecklat nätverk av speglar
"Medan nuvarande kvantprocessorer är imponerande, är det oklart om de kan skalas till mycket stora storlekar", konstaterar Science Today. Nicolas Menicucci, en deltagande forskare vid Center for Quantum Computing and Communications Technologies (CQC2T) vid RMIT University i Melbourne, Australien. "Vårt tillvägagångssätt börjar med extrem skalbarhet inbyggd i chippet från början eftersom processorn, som kallas klustertillståndet, är gjord av ljus."
Nya typer av lasrar behövs också för ultrasnabba fotoniska system (se även:). Forskare från Far Eastern Federal University (FEFU) - tillsammans med ryska kollegor från ITMO University, samt forskare från University of Texas i Dallas och Australian National University - rapporterade i mars 2019 i tidskriften ACS Nano att de hade utvecklat en effektiv, snabb och billig produktionsmetod perovskitlasrar. Deras fördel gentemot andra typer är att de fungerar mer stabilt, vilket är av stor betydelse för optiska chips.
"Vår halidlaserutskriftsteknik ger ett enkelt, kostnadseffektivt och mycket kontrollerat sätt att massproducera en mängd olika perovskitlasrar. Viktigt är att geometrioptimering i laserutskriftsprocessen möjliggör produktion av stabila single-mode perovskite mikrolasrar för första gången (3). Sådana lasrar är lovande för utvecklingen av olika optoelektroniska och nanofotoniska enheter, sensorer, etc.”, förklarade Alexey Zhishchenko, en forskare vid FEFU-centret, i publikationen.
3. Perovskite laserstrålar
Naturligtvis kommer vi inte att se persondatorer "köra på laser" när som helst snart. Hittills är experimenten som beskrivs ovan bevis på koncept, inte ens prototyper av datorsystem.
De hastigheter som ljus- och laserstrålar erbjuder är dock för frestande för forskare, och sedan ingenjörer, att överge denna väg.
